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TRANSPORTE PERSONAL: TERRESTRE, ACUÁTICO, AÉREO
Transporte del futuro. transporte personal
Directorio / Transporte personal: terrestre, acuático, aéreo Los científicos que se ocupan de los problemas del futuro, los futurólogos, ya están tratando de determinar en qué se convertirá el mundo que nos rodea, digamos, a fines del segundo milenio o incluso dentro de 100 años. Al mismo tiempo, algo se ve con relativa facilidad, algo con dificultad. Pero podemos decir con firmeza que en 50, 100 y más años existirá el transporte. Y no solo existir, sino también desarrollarse de manera constante. Los escritores de ciencia ficción a veces expresan la idea de que en el futuro la mayor parte de la información se transmitirá principalmente por medios de comunicación, desde videoteléfonos hasta canales láser. No se tiene en cuenta el papel del transporte como portador no solo de mercancías, sino también de información. Pero esto está lejos de ser cierto. La ventaja del transporte radica precisamente en el hecho de que garantiza el movimiento no solo de mercancías, sino también de personas, los portadores de información más capaces. El Prof. V. N. Ivanov, un conocido científico del transporte soviético, enfatiza: "La gente necesita comunicación directa, y ni el teléfono, ni el televisor, ni nada más puede reemplazarlo". No es casualidad que, a pesar de los importantes avances en las comunicaciones, el transporte siga mejorando rápidamente en la actualidad. ¿Cómo se desarrollará en el futuro? Básicamente, los problemas se pueden reducir a lo siguiente: los vehículos, o más bien sus motores, deben volverse amigables con el medio ambiente, o, como se suele decir, "ecológicamente amigables". Para estirar tanto como sea posible el "gasto de los recursos de combustible y energía de nuestro planeta, los motores deben volverse lo más económicos posible. Se presta mucha atención a la seguridad de las máquinas, así como a problemas tradicionales tales como una mayor aumento de la velocidad, maniobrabilidad y comodidad Se crearán y desarrollarán nuevos modos de transporte especializados para la economía nacional Sin embargo, ¿cómo será el transporte del futuro, sus motores? ¿Hay prototipos de ellos ya ahora, en nuestros días? Los materiales propuestos están dedicados a todos estos temas. 1. Térmica - "a favor" y "en contra" La humanidad agradecida acusa. Así es como se puede formular la actitud actual hacia el motor más masivo, el térmico, y en particular hacia el motor de combustión interna (ICE). Hay básicamente dos artículos de "culpable" de los motores térmicos ante la humanidad. El primero es el gasto bárbaro y antieconómico de recursos de combustibles naturales irremplazables. El segundo es la contaminación ambiental con gases de escape tóxicos y otros desperdicios de la energía recibida, incluido el exceso de calor, ruido y olor. Ahora mismo se habla mucho de todo esto. Además de la conclusión inexorable que se deriva de esto: si los motores térmicos no se mejoran (o no se abandonan por completo), entonces el planeta en un futuro previsible, medido en solo decenas de años, está amenazado, en primer lugar, por la falta de combustible debido a el agotamiento completo de las reservas de combustible natural; en segundo lugar, el envenenamiento masivo de la humanidad por los productos de la quema de este combustible, y posiblemente un calentamiento excesivo (¡peor que en la sala de vapor más caliente!) de la atmósfera. Entonces, mejora o fracaso total. Si recordamos que los motores térmicos están instalados en cientos de millones de automóviles, motocicletas, tractores, cosechadoras, aviones, barcos, lanchas a motor y otras máquinas, queda claro que una persona no puede abandonarlos por completo todavía. Sin embargo, es necesario asegurarse de que, al extender su edad, ¡no reduzca significativamente la edad de la suya! ¿Cómo "reconciliar" el motor térmico y el hombre?
La respuesta es simple y compleja: es necesario eliminar la toxicidad de los gases de escape de los motores térmicos y aumentar su eficiencia. El principal daño lo causan el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos (aldehídos) contenidos en los gases de escape, así como los carcinógenos. ¿Pero seguro que pueden ser capturados? Sí, ya se han creado tales trampas-neutralizadores: líquido, plasma, catalítico y combinado. Por lo general, se instalan en la salida de gas detrás del tubo de escape del motor. Sin embargo, todos estos dispositivos brindan solo una solución parcial al problema: incluso con su presencia, el motor en sí sigue siendo el mismo monstruo mecánico voraz. Durante siglos, el sueño de los especialistas en motores ha sido construir uno en el que el pistón no se mueva alternativamente, sino que solo gire. Esto prometía una reducción significativa en el tamaño y peso del motor, una reducción en el consumo de combustible y la emisión de productos de combustión tóxicos. Más cerca que nadie de resolver este problema, profesor F. Wankel. Muchos expertos creen que el motor rotativo que creó puede convertirse en el principal motor de combustión interna de un automóvil. Recuerde cómo se organiza y funciona el wankel. En su cuerpo hay una cavidad de configuración compleja, en la que gira un rotor-pistón de forma triangular, conectado al eje por medio de engranajes. Se asienta libremente sobre la excéntrica del eje, cuyo centro coincide con el centro del piñón fijo. Corriendo a su alrededor a lo largo de una curva compleja, el rotor-pistón toca constantemente la parte superior de las paredes internas de la carcasa. Para el sellado, se instalan placas móviles en la parte superior.Al mismo tiempo, los volúmenes de las cámaras formadas por las superficies del rotor-pistón y las paredes de la carcasa cambian secuencialmente. Aquí tienen lugar los procesos de admisión, compresión y encendido del combustible, expansión y liberación de gases de escape.La apertura y cierre de los canales de admisión y escape la realiza el propio rotor-pistón. Así, para una revolución completa en el motor Wankel, tienen lugar todos los procesos de un motor de cuatro tiempos convencional, y simultáneamente en diferentes cámaras de trabajo: con destellos de combustible encendidos por una vela, tres tiempos de potencia, tres gases de escape, tres nuevos entradas de mezcla. El motor Wankel resultó ser no solo el más compacto y liviano (uno de sus primeros prototipos con una potencia de unos 30 hp pesaba solo 10 kg), sino también el de mayor velocidad. Agregue a eso que puede funcionar con combustible diesel barato. Parece que esta es la solución al problema. Pero ... no importa cuán "sabios" los diseñadores, hasta ahora no ha sido posible lograr la confiabilidad de los sellos del rotor giratorio. Este defecto, que impide principalmente la mejora adicional del motor, es un verdadero flagelo de motores de este tipo. Otra línea de investigación es el desarrollo de motores utilizados actualmente en aviación - motores de turbina de gas (GTE). Se obtienen mucho menos que los motores de combustión interna de la misma potencia, más simples y más confiables en operación. A pesar de un consumo de combustible ligeramente mayor, se emiten productos menos tóxicos, especialmente dióxido de nitrógeno. Esto se explica por el hecho de que en el motor de turbina de gas la combustión del combustible es continua, a presiones y temperaturas más bajas que en los motores de pistón. Un motor de turbina de gas es también un motor de combustión interna. Solo en él la mezcla combustible es comprimida por un compresor (generalmente centrífugo). El aire exterior, que ingresa al compresor, gira junto con sus aspas, se comprime bajo la acción de la fuerza centrífuga y luego se calienta en el intercambiador de calor y ingresa a la cámara de combustión. Como resultado de la combustión de la mezcla, los gases calientes presionan los álabes de la turbina, en cuyo eje se encuentra el compresor. Una vez más en las palas del impulsor de la turbina, gastan la mayor parte de su energía para realizar un trabajo útil. Este es el diagrama principal del funcionamiento de la llamada turbina de gas de doble eje. Se diferencia en que ambas turbinas, de alta (compresor) y baja (trabajo) presión, son cinemáticamente completamente independientes. Se están desarrollando turbinas de uno y tres ejes para vehículos de motor. Todavía se desconoce cuál de estos esquemas resultará ser el más prometedor. Lo más probable es que, dependiendo de la potencia requerida y la especialización del automóvil, cada uno de ellos reciba el derecho a un mayor desarrollo. En todos los motores mencionados anteriormente, el combustible se quema en la cámara de combustión, dentro de la cavidad donde se encuentra el rotor, el pistón o la turbina. Es muy difícil controlar la combustión allí, por lo que a menudo el combustible no se quema por completo y se liberan muchos productos tóxicos. A continuación, considere tales motores, donde el combustible se oxida fuera de la cavidad de trabajo (cilindros). Por analogía con los motores de combustión interna, pueden denominarse motores de combustión externa. Los principales son los motores de vapor y los motores Stirling. La segunda era de las máquinas de vapor comenzó hace solo unos años, cuando los centros de investigación más grandes adoptaron su diseño sobre una base moderna. Estos motores tienen muchas características atractivas: un gran par inicial, la ausencia de una caja de cambios complicada, la inocuidad total del escape. Y el dinamismo de la máquina de vapor es una de las ventajas importantes. Con la mejora de los esquemas antiguos, fue posible superar problemas de la máquina de vapor clásica como el riesgo de explosión de la caldera, el peso prohibitivo, la dificultad de arrancar y la dificultad de usar agua como líquido generador de vapor en invierno. Las voluminosas y peligrosas calderas de agua caliente han sido reemplazadas por generadores de vapor tubulares compactos. Fue posible encajar con éxito todas las unidades en las dimensiones del automóvil. Otra rama prometedora de la investigación está relacionada con el motor, inventado allá por 1816 por el escocés R. Stirling. Este motor de combustión externa era un tubo amortiguado en ambos extremos, en el que iba el pistón. La cavidad en un lado del pistón se calentaba continuamente, en el otro lado se enfriaba. El gas frío se licuaba y se bombeaba a la cavidad caliente. Aquí, cuando el pistón estaba parado, su temperatura y presión aumentaron debido al calentamiento. Después de que el gas alcanzó sus parámetros máximos, el pistón comenzó a moverse, realizando una carrera de trabajo. Luego, el gas expandido se bombeaba a una cavidad fría donde, enfriado continuamente, se comprimía mediante un pistón en movimiento. El ciclo se repitió.
Dado que se gasta menos trabajo mecánico al comprimir un gas frío que el que se libera al expandir un gas caliente, el motor Stirling generó un exceso de energía mecánica. Está claro que tal funcionamiento del motor no podría ser particularmente económico. Sin embargo, si el gas frío comprimido se calienta antes de introducirlo en la cavidad caliente con el calor que se eliminó cuando se enfrió el gas caliente, el Stirling puede convertirse en un motor muy económico, superando la eficiencia de los motores de carburador y diésel. Un dispositivo para calentar gas, un recipiente llamado regenerador, fue propuesto en un momento por el propio autor de la invención. Hoy, la eficiencia de dicho calentador se ha incrementado al 98%. Y las cavidades del motor comenzaron a llenarse con hidrógeno o helio comprimido a 100 - 200 atm. También se mejoró el accionamiento de los pistones Stirling, haciéndolo similar al accionamiento de una bomba de pistones axiales, con una arandela oblicua. Como resultado, Stirling modernizado es adecuado para la mayoría de las máquinas que utilizan motores térmicos. Su toxicidad es cientos de veces menor que la del carburador y funciona casi en silencio. Pero mientras que los stirlings son complejos y costosos, e incluso más pesados que los de carburador. Y, sin embargo, los motores discutidos anteriormente son consumidores abrumadoramente activos de combustible natural. Y sus reservas no son ilimitadas. Por lo tanto, los intentos de utilizar hidrógeno producido artificialmente como combustible son de gran interés. Se puede extraer del agua, descomponiéndola con corriente eléctrica, luz solar, alta temperatura con catalizadores. La principal ventaja de dicho combustible es una toxicidad mucho menor de los productos de combustión que la gasolina. Los óxidos de nitrógeno se forman, por ejemplo, 200 veces menos, y el monóxido de carbono y los hidrocarburos no están presentes en absoluto en los gases de escape. Sin embargo, surgen otros problemas, por ejemplo, el almacenamiento de gas en cilindros. Sin embargo, los científicos proponen saturar los hidruros de ciertos metales con hidrógeno, absorbiéndolo como una esponja. Curiosamente, los tanques llenos de hidruro contienen 40 veces más hidrógeno que los tanques huecos. También se están creando motores que utilizan los factores naturales más inesperados: radiación solar, evaporación, ósmosis. No es casualidad que se les llame exóticos: hasta el momento tienen una distribución muy reducida. Pero el creciente interés por las fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente sin duda dará lugar a un aumento de su papel. También serán útiles en el transporte espacial: rovers planetarios, sistemas para dar servicio a estaciones orbitales. Un ejemplo de motores exóticos es el llamado motor de absorción de luz. El cilindro de trabajo tiene una ventana transparente a través de la cual pasan los rayos del sol o un rayo láser, calentando el gas en el cilindro. Debido a este calentamiento, se realiza la carrera de trabajo. Una muestra experimental del motor láser produce hasta 600 rpm con una potencia de máquina de 30 vatios. La eficiencia de este motor, sin embargo, no superó el 2%. Se conocen motores alimentados por radiación solar. Se convierte mediante fotocélulas en corriente eléctrica.
Y absolutamente inusuales son los modelos de motores que funcionan gracias a la "memoria" descubierta en la aleación de nitinol. Soldado de níquel y titanio, tiene una propiedad inusual: recuerda la forma que se le da cuando se calienta. Es posible, por ejemplo, torcer una tira de esta aleación en una espiral: alternativamente se calienta y se enfría, o se convierte en una tira nuevamente, luego se retuerce, y así sucesivamente innumerables veces. Los ingenieros estadounidenses lograron construir un motor utilizando esta propiedad. Su base es una rueda con radios curvos que eran rectos cuando estaban calientes. Cuando dicho radio se sumerge en un baño de agua tibia, se endereza y empuja la rueda. Inmediatamente, la aguja cae en el agua fría y se dobla, y en su lugar entra una nueva aguja curva en el baño tibio. Para operar el motor, una diferencia de temperatura de solo 23 ° es suficiente. Los autores de la invención creen que este extraño motor ayudará, por ejemplo, a aprovechar el calor que se lleva el agua de refrigeración de las centrales nucleares. Los motores también son posibles, donde el calor solar (o cualquier otro) se usa para cambiar las propiedades magnéticas de los metales. Gracias a esto, también se puede obtener trabajo mecánico. Una ilustración de esto es el motor propuesto por el inventor y periodista A. G. Presnyakov. Es extremadamente simple, consta de una llanta con radios, y nada más. La llanta está hecha de una aleación ferromagnética, que pierde sus propiedades magnéticas a +65 °C. (Hoy en día, ya se conocen aleaciones donde esta pérdida ocurre a temperaturas más bajas). Instale un imán permanente fuerte lo suficientemente cerca de la llanta y ni siquiera caliente, pero solo ilumine cualquier sección de la llanta hasta que pierda sus propiedades magnéticas, ya que el imán lo hará. atraer secciones vecinas del borde, lo que hace que gire. No se debe pensar que dicho motor es muy débil. El elevador de agua solar construido por Presnyakov bombeaba hasta 800 litros de agua por hora en el desierto. Presnyakov también hizo un carro que rueda a la luz de una potente lámpara eléctrica. En principio, cualquier diseñador joven puede construir un modelo de este tipo.
Algunos inventores están intentando utilizar el fenómeno de la ósmosis para obtener trabajo mecánico. Se sabe que consiste en la difusión de una sustancia a través de un tabique semipermeable, debido a lo cual se crea un exceso de presión osmótica.En el Reino Unido, se emitió la patente No. 1343391 para un motor osmótico, que es bastante complicado, pero adecuado, según los inventores, para uso en automóviles. El ingeniero soviético P. Rogovik de Makeevka propone un motor osmótico de baja potencia y baja velocidad muy simple basado en el hinchamiento de los materiales cuando se humedecen. Así se hincha, por ejemplo, la gelatina. El inventor estrujó un anillo de este material entre dos rollos sumergidos en agua a la altura de los ejes. Las partes del anillo que están por debajo del nivel se expanden debido a la hinchazón y ejercen presión sobre los rodillos, lo que hace que giren. Junto con los rollos, el anillo también gira lentamente. Sus partes hinchadas se elevan gradualmente, mientras que las partes secas se hunden, absorben agua, se hinchan y ejercen presión sobre los rodillos, sin dejar de girarlos. Las partes del anillo que salen del agua se secan y el ciclo continúa. Los jóvenes diseñadores también pueden hacer otro modelo de un motor exótico. Funciona a partir de la energía luminosa de una lámpara eléctrica o del sol, enfocada a través de una lente. Para su construcción se requieren varias placas bimetálicas, las cuales se utilizan en diversos relés térmicos. Se sabe que una placa bimetálica, ensamblada a partir de dos tiras de metal con diferentes coeficientes de expansión térmica, se dobla con bastante fuerza cuando se calienta. El cilindro de trabajo, hecho, por ejemplo, de plástico, está revestido perimetralmente con placas bimetálicas unidas al cilindro en un extremo. En el otro extremo están los pesos. El cilindro está montado sobre un radio fijado en dos casquillos en los bordes de un recipiente. En estado normal, las placas están curvadas alrededor de la circunferencia del cilindro. Cuando se calienta, la placa se endereza y se aleja de la pared, se altera el equilibrio de las fuerzas de los pesos y el cilindro se desplaza. El lugar de este plato lo ocupa uno nuevo, E, enderezado, se enfría y vuelve a presionar contra la pared del cilindro. Para acelerar el enfriamiento, se puede verter agua fría en el recipiente. 2. Banco de caballos de fuerza Hablamos sobre el hecho de que los motores térmicos se mejoran constantemente: se reducen el consumo de combustible y la toxicidad de los gases de escape. Pero surge una pregunta justa: ¿es posible prescindir de estas cualidades negativas? Esta pregunta puede responderse positivamente: es posible obtener energía para vehículos que no requieren combustión de combustible, y luego "confiar" esta energía al consumidor, acumulándola en baterías. Ahora, la mayor parte de la energía del mundo es producida por centrales térmicas: centrales térmicas. Si los imaginamos en forma de motores especiales de colosales dimensiones, veremos que son lo más económicos posibles, y la atmósfera los sufre menos, en aparatos estacionarios de mayor potencia es mucho más fácil regular la correcta combustión del combustible. que en miles de pequeños motores, cuyas condiciones de funcionamiento, además, cambian cada minuto. Pero... Las centrales térmicas no pasan la prueba de respeto por el medio ambiente, es decir, por la ausencia de un efecto nocivo en los procesos naturales que ocurren en el campo de aplicación de una técnica particular. La humanidad, sin embargo, pone a su servicio fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente, y las fuentes son prácticamente inagotables. Esta es la energía del sol, los ríos, las mareas, el viento, el calor interno de la tierra, el calor del océano y las corrientes. Estaciones nucleares relativamente inofensivas (futuras y termonucleares). La energía recibida de estas fuentes se puede llevar al consumidor de varias maneras. Si este último está estacionario o atado a una ruta específica (tren eléctrico, tranvía, trolebús), deje que los cables eléctricos funcionen. Si el consumidor es móvil, esas energías habrá que acumularlas previamente, para que las nalgas, negras con una "lata energética" tan recortada, puedan aprovecharse al moverse. Por cierto, esa energía se ha utilizado desde la antigüedad. Las primeras baterías fueron, por supuesto, los dispositivos mecánicos más simples en los que una persona almacena energía potencial. Cargas levantadas, manojo estirado, catapulta: este tipo de baterías se han utilizado desde tiempos inmemoriales. Hay baterías similares hoy en día. Se utilizan mucho en forma de resortes de relojería: en relojes, electrodomésticos, juguetes para niños. Anteriormente, también se usaban en vehículos: por ejemplo, se construyeron enormes carros mecánicos en los que los emperadores realizaban viajes ceremoniales. Los esclavos escondidos en el interior del vagón daban cuerda constantemente a los resortes. Sin embargo, las baterías de resorte tienen una baja densidad de energía, es decir, su cantidad contenida en una unidad de masa. Es mucho más en acumuladores elásticos de caucho. Todo modelista sabe que los motores hechos de bandas elásticas levantan modelos de aviones y helicópteros en el aire. Por supuesto, también hay desventajas aquí: bajo CPV, fragilidad.
Para los vehículos de transporte, es más adecuada otra batería, que puede acumular tanta energía que podrá proporcionar movimiento durante decenas e incluso cientos de kilómetros. Es un gas comprimido. La acumulación de energía ocurre cuando se bombea gas a un cilindro bajo presión; liberación: cuando se libera gas del cilindro. Aquí funciona un motor neumático, similar a los que se usan, por ejemplo, en herramientas manuales neumáticas: llaves inglesas, taladros. Ya en 1876 se construyó un tranvía de aire comprimido en la ciudad francesa de Nantes. Superó una ruta de seis kilómetros desde una gasolinera. Comprimido a 30 atm. Se llenaron de aire diez cilindros con un volumen total de 2800 litros. El consumo fue de 8 kg de aire por kilómetro. El suministro total fue suficiente para 10-12 km. Esta idea no se olvida hoy. Aparecieron neumoacumuladores en automóviles que circulan en condiciones urbanas: la empresa Sorgato en Italia está experimentando con un automóvil equipado con nueve cilindros de acero de aire comprimido. Es suficiente para recorrer unos 100 km a una velocidad de 50 km/h. El peso del "neumomóvil" es de aproximadamente media tonelada. El acumulador neumático se "carga" con otros gases, la mayoría de las veces con nitrógeno líquido, de los cuales 50 litros son suficientes para una carrera de 230 km. Pero el acumulador de gas también tiene inconvenientes, y algunos importantes. Así, cuando se inyecta, el gas se calienta y cuando se libera, se enfría. Y esta es una pérdida improductiva de energía térmica. Más prometedor es otro acumulador de energía: el volante. Al girar, acumula energía mecánica en forma de energía cinética, y está presente en el volante mientras gira. Uno de los volantes más antiguos, con más de 55 mil años, fue descubierto por el arqueólogo Leonard Woolley durante las excavaciones en Irak: una rueda enorme que sirvió como torno de alfarero para un maestro antiguo. Con el tiempo, el volante ha sufrido cambios significativos, convirtiéndose en un disco de acero, cuya forma está dictada por el requisito de "igual fuerza": después de todo, la velocidad de giro también ha aumentado. Hoy se coloca en una cámara de vacío, para reducir pérdidas muy significativas por fricción contra el aire. Para el mismo propósito, en lugar de cojinetes, se utilizan cojinetes magnéticos, prácticamente se excluyen las pérdidas por fricción en ellos. Los escépticos expresaron su posición durante mucho tiempo, señalando el principal inconveniente del volante como batería: baja densidad de energía. ¡Con lo que estaba conectado! Parecería que todo es simple: al aumentar la velocidad de rotación, digamos, dos veces, como se sabe por la física, cuadriplicamos la energía cinética del volante. Pero al mismo tiempo, las cargas mecánicas sobre el cuerpo del volante también se cuadruplican, provocando su ruptura con la formación de fragmentos que suponen un gran peligro para los demás. Y luego, la búsqueda de científicos y diseñadores condujo a la creación de los llamados súper volantes hechos de fibras delgadas o cintas enrolladas. El hecho es que los materiales modernos similares a filamentos y cintas tienen una fuerza tremenda, varias veces más fuerte que un monolito hecho del mismo material. Una rotura de supervolante también es más segura: las fibras finas o las cintas no forman fragmentos que puedan causar una destrucción grave. El autor de estas líneas tuvo que probar un supervolante de cinta en busca de una rotura: ni siquiera podía atravesar una carcasa de dos milímetros de espesor, mientras que los volantes monolíticos no se preocupaban por las paredes de un metro. Lo principal es que la densidad de energía de un súper volante es mucho mayor que la de los monolíticos. En teoría, es incluso mucho más alto que el de las baterías eléctricas, pero prácticamente no les concede. Sin embargo, las baterías se caracterizan no solo por la densidad de energía, sino también por la densidad de potencia, es decir, la potencia que desarrolla cada kilogramo de masa. Y según este indicador, el volante no tiene igual. Por lo tanto, el súper volante es una batería (y un motor) prometedor para el transporte del futuro. Proporciona una aceleración rápida del automóvil y un frenado no menos efectivo, tiene una gran durabilidad, en una palabra, todas las cualidades que necesita un automóvil de batería y de las que tanto carece ahora. El súper volante es especialmente prometedor para la conducción de autobuses, trenes subterráneos, taxis y otros medios de transporte urbano que operan en un horario cíclico y ocupado, con aceleraciones y desaceleraciones frecuentes. Los súper volantes modernos en una cámara de vacío de rotación almacenan energía incluso durante semanas, y las muestras especiales de baterías de amapola pueden gobernarla durante años. En términos de conservación de energía, solo tienen un rival digno: baterías eléctricas o, más correctamente, electromecánicas. Fueron creados relativamente recientemente, aunque la fecha de su aparición puede considerarse 1799, cuando Alexander Volta, colocando electrodos de cobre y zinc en ácido sulfúrico diluido, recibió la primera celda galvánica. Después de todo, casi cualquier celda galvánica, en principio, puede convertirse en una batería si pasa una corriente a través de ella en la dirección opuesta, cargándola. Incluso las baterías secas ordinarias, que se usan para linternas y receptores de transistores, pueden cargarse de 8 a 10 veces como una batería. Otra cosa es que tal "carga" no es particularmente rentable económicamente: la eficiencia es muy baja. Pero, verá, sigue siendo mucho más alto que el de una batería desechada. Las baterías reales, aunque más caras que las baterías galvánicas convencionales, pueden soportar no 8-10 ciclos de recarga, sino más de cien veces más. Por lo tanto, almacenar energía en baterías eléctricas no es muy costoso. De las baterías eléctricas, las baterías de plomo-ácido son las más comunes; se instalan en todos los automóviles como batería de arranque. Estos son trabajadores modestos, no brillan con indicadores de energía y potencia, pero son bastante económicos, tienen una alta eficiencia. Es cierto que no toleran las heladas, las corrientes altas y las descargas fuertes. A diferencia de ellos, la batería no tiene pretensiones, pero tiene una baja eficiencia: hasta 0,4-0,5 en comparación con 0,75-0,8 para el plomo-ácido. No se puede esperar mucho de estas dos baterías. Su densidad de energía y potencia es baja, y un automóvil con tal carga se transportará principalmente por sí mismo, son muy pesados. Actualmente, los científicos tienen esperanzas especiales en los superacumuladores: azufre de sodio, cloruro de litio, etc. Mantienen una temperatura alta (300 - 600 °), el electrolito se derrite. Por supuesto, la destrucción de una batería de este tipo en un accidente automovilístico no es un buen augurio, y su eficiencia es baja, especialmente considerando la necesidad de calentar el contenido. Sin embargo, la densidad de energía es muy alta, diez veces más que la del plomo-ácido, y la densidad de potencia es el doble, hasta 150 W por kilogramo de masa. Cabe señalar que tales "superacumuladores" aún no han salido de las paredes de los laboratorios y tienen que trabajar y trabajar en ellos. Finalmente, no se puede dejar de mencionar las llamadas pilas de combustible, que permiten convertir directamente la energía del combustible en corriente eléctrica. Los más interesantes son los elementos oxígeno-hidrógeno, que utilizan el proceso de descomposición del agua directamente en el propio elemento; también dispone de recipientes para el almacenamiento de los gases producidos. El hidrógeno y el oxígeno se combinan nuevamente en agua, por ejemplo, con la ayuda de catalizadores, alta temperatura, etc. En este caso, se libera energía eléctrica, que se gastó durante la descomposición del agua, y la energía de la batería se libera en forma de hidrógeno y oxígeno. . Las pilas de combustible son muy prometedoras para los vehículos eléctricos, pero siguen siendo muy pesadas y caras.
Los acumuladores de energía térmica se destacan. Por sí solos, no pueden hacer que el coche se mueva, pero en combinación con un motor térmico, por ejemplo, Stirling, pueden dar buenos resultados. Ya hemos mencionado un scooter motorizado que funciona durante unas cinco horas desde un balde de fluoruro de litio fundido, un acumulador de calor. Un termo con agua caliente, una piedra caliente al sol, una plancha caliente, en una palabra, cualquier cuerpo calentado es un acumulador de energía. Sin embargo, hay compuestos que pueden acumularlo diez veces más que un cuerpo calentado a la misma temperatura. Se sabe por la física que durante la fusión de una sustancia cristalina, su temperatura no aumentará ni un solo grado hasta que se gaste una cierta cantidad de calor, generalmente bastante grande, el llamado calor latente de fusión. Durante la solidificación, este calor se libera y también sin cambiar la temperatura de la sustancia. Es sobre este fenómeno que se construyen los llamados acumuladores de calor de fusión. Si la temperatura requerida es baja, por debajo de 100 °C, se utilizan varios hidratos cristalinos como sustancias acumuladoras. Para temperaturas de 600-800°, los fluoruros y los híbridos de litio son los más adecuados; arriba - siliciuros y boruros de algunos metales: Los acumuladores térmicos almacenan enormes cantidades de energía, más que cualquiera de los tipos de acumuladores más prometedores. El único problema es que cuando se trata de usar esta energía en forma de mecánica, eléctrica y otros tipos de "alta calidad", la cantidad principal de energía se pierde y se deja para calentar el medio ambiente. Además, la masa de un dispositivo que convierte el calor en un tipo de energía de "alta calidad" (por ejemplo, un motor Stirling, elementos térmicos, etc.) reduce significativamente un indicador como la densidad de energía de todo el dispositivo, llevándolo más cerca de los tipos más comunes de dispositivos de almacenamiento de energía.Sin embargo, hoy térmica la batería puede ser de buen uso, por ejemplo, para calentar un vehículo de transporte, impulsado por otro acumulador de energía: eléctrico, amapola. Hablando de baterías, siempre nos referimos a su indicador principal: la densidad de energía. Para sus diversos tipos, si se expresa en kilojulios por kilogramo de masa, es como sigue: para acumuladores de energía potencial: resortes de acero - 0,32; caucho - 32; gas e hidrogas - 28. Acumulador de calor con motor Stirling - 9. Baterías electroquímicas: plomo-ácido - 64; níquel-cadmio (alcalino) - 110; sodio sulfúrico - 800; celda de combustible en diferentes momentos de desacoplamiento - 15-150. Baterías de volante: disco de acero con orificio - 30; disco sólido de igual fuerza - 120; cinta súper volante - 150; súper volante de fibra especial - 650 (modelo). Sin embargo, no se debe olvidar que las baterías de volante de inercia tienen reservas de almacenamiento de energía muy grandes. Entonces, por ejemplo, si haces un súper volante de fibra de cuarzo, que hasta ahora solo existe en laboratorios, podrás aumentar la densidad de energía a 5000 kilojulios por kilogramo. Y si utilizamos fibra de carbono "súper escasa" con estructura de diamante, obtendremos una cifra completamente fantástica: ¡15 kJ/kg! Recientemente, los científicos japoneses han llegado a tales conclusiones. En conclusión, quiero proponer construir un modelo interesante de un motor "perpetuo" que funcione con energía acumulada obtenida de un acumulador de calor que sea de diseño simple. Para ello haremos un tapón cilíndrico pegándolo con papel encerado u otro papel fino y resistente con una tapa de papel whatman o papel de aluminio rígido. Esta tapa tendrá la forma de un impulsor formado por recortes con bordes doblados; el ángulo óptimo de flexión se puede determinar empíricamente. En el centro del impulsor, se adhiere un nido de metal ligero al pegamento: una espora con una muesca cónica en la que se inserta la punta de la aguja. El extremo romo de la aguja penetra en un corcho, montado sobre un pesado soporte ignífugo con un trípode hecho de alambre grueso. La tapa no se deforma en la aguja y gira fácilmente con un ligero empujón o respiración desde abajo. Para poner en movimiento un "móvil perpetuo" de este tipo, debe colocar una pieza de metal calentada a 300-400 ° en un soporte y cubrirla con una tapa. El acumulador de calor en blanco hará que el aire se mueva dentro de la campana de abajo hacia arriba. Al pasar a través de la turbina, el aire lo hará girar más rápido, cuanto más se caliente el acumulador de calor. Incluso se pueden lograr mejores resultados si el blanco se reemplaza por una lata de plomo o zinc fundido. Entonces obtenemos una batería de fusión real. Lo mejor es, por supuesto, utilizar fluoruro de litio o hidruro de litio. Aquí debe tener mucho cuidado de no quemarse y no provocar un incendio, pero el experimento debe llevarse a cabo en un laboratorio o taller físico especialmente equipado. Alguien, tal vez, dirá que es más fácil cubrir una lámpara eléctrica con esta tapa. Luego, la tapa de la pantalla (que se puede pintar al mismo tiempo) girará mientras la lámpara esté encendida. Pero al mismo tiempo, haremos que un motor térmico convencional funcione sin almacenamiento de energía. Solo hemos hablado de algunos tipos de motores térmicos que se están desarrollando para las máquinas del futuro. Por supuesto, estos ni siquiera son todos los principales tipos de motores del mañana. Por supuesto, los jóvenes diseñadores y modelistas también pueden probar suerte en su desarrollo. Sin embargo, debemos recordar que la creación de nuevos motores es un asunto complejo y lento, que requiere conocimientos serios y especializados; Una "invención" no logrará mucho. Y la primera prueba para el desempeño de su idea puede ser un modelo operativo autoconstruido. Autor: N. Gulia
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