Споры вокруг способов получения альтернативной энергии не только не утихают, но с каждым днем становятся все актуальнее.

Споры вокруг способов получения альтернативной энергии не только не утихают, но с каждым днем становятся все актуальнее.

Группа инженеров сконструировала гидравлическую турбину для получения энергии из безнапорного потока текущей воды (свободно-поточный гидроагрегат). Однако при замере мощности вдруг выяснилось, что энергии она дает больше, чем по расчетам.

Известно, что движущийся поток воды имеет кинетическую энергию, которую из этого потока можно извлечь (что и делают свободно-поточные турбины). Однако извлечь из потока всю его кинетическую энергию невозможно. Для этого его бы пришлось полностью остановить, и он уже перестал бы быть текущим потоком. Поэтому скорость потока воды на выходе рабочего органа турбины меньше, чем на входе, и именно этой разницей и определяется эффективность установки. При входящей скорости, равной 1 м/c, и выходящей 0,5 м/с, мы сможем забрать у потока 75 процентов его кинетической энергии (у реальных свободно-поточных турбин эта цифра еще меньше):

(E_вх – E_вых)/E_вх = (V²_вх – V²_вых)/V²_вх.

Но, как говорилось выше, созданная машина выдавала энергии даже больше, чем полная кинетическая энергия потока.

Откуда же взялась дополнительная энергия, полученная от машины?

 

Кинетическая или потенциальная?

Давайте представим себе кубометр воды размером 1 метр x 1 метр x 1 метр, движущийся со скоростью 1 м/c. Его кинетическая энергия не вызывает сомнений:
Ek = m x V²/2 = 1000 (кг) x 1 (м/с)²/2 = 500 (Дж)

Однако есть еще и давление верхних слоев воды на нижние (потенциальная энергия). И если мы позволим растечься этому кубу воды, мы сможем ее извлечь. С учетом того, что центр масс этого куба находится на половине его высоты, то есть h = 0,5 метра, она равна:

Ep = m x g x h = 1000 (кг) x 9,8 (м/c²) x 0,5 (метров) = 4900 (Дж)

То есть потенциальная энергия этого кубометра воды почти в 10 раз превышает его кинетическую энергию. Нетрудно посчитать, что при скорости, равной 0,5 м/с, эта разница увеличивается до 40 раз!

Таким образом, мы видим, что в текущем потоке, кроме кинетической энергии, существует и потенциальная энергия, величина которой зависит от глубины потока. Но ее эксергия (то есть та часть энергии, которая может быть извлечена и которая в состоянии совершить работу) при обычных условиях равна нулю. Ведь вокруг любого объема воды находится точно такая же по свойствам (глубина, скорость, температура) вода.

Теперь давайте представим, что мы извлекаем из кубометра воды, движущегося в потоке, часть его кинетической энергии и затрачиваем ее на «отодвигание» соседнего с ним кубометра воды. То есть, притормаживая движущийся выше по течению объем воды, мы будем ускорять следующий за ним (ниже по течению). Вследствие этого между ними возникнет разница в уровнях, и появляется потенциальная энергия разницы этих уровней, которую можно из потока извлечь. Возникает следующий вопрос: будет ли количество извлеченной потенциальной энергии больше, меньше или равно энергии, затраченной на ускорение второй части воды, то есть, иными словами, на увеличение его кинетической энергии?

 

Расчеты для гидротурбины

Прибегнем к услугам математики. Для примера рассмотрим машину, позволяющую разгонять выходящий поток воды за счет частичного отбора энергии у входящего потока. То есть это машина с положительной обратной связью между энергиями входящего и выходящего потоков. Кстати, машина, работающая именно на этом принципе, и была изобретена учеными (см. начало статьи).

Принцип работы установки следующий. Рабочие органы входного потока извлекают часть кинетической энергии из потока и передают ее при помощи обратной связи рабочим элементам выходного потока, дополнительно ускоряющим выходной поток. Поскольку расход воды, входящий в установку, равен выходящему и скорость вытекающего потока выше, чем входящего, то площадь сечения выходящего потока будет меньше, чем входящего. Следовательно, его глубина будет меньше, чем глубина входящего потока на величину h. Вследствие этого возникает потенциальная энергия разницы уровней горизонтов входящего и выходящего потоков.

Энергетический баланс установки следующий: E = Eh + Ek1 – Ek2

Суммарная энергия установки будет равна потенциальной энергии разницы уровней бьефов плюс кинетической энергии входного потока минус кинетической энергии выходного. Опустив все математические выкладки, имеем:

E = M x (g x h + (V1² x (1 – (H1 / (H1 – h)2) / 2)
или
E = M x (g x H1 x (1 – V1 / V2) + (V1² – V2²) / 2),
где M – масса воды, входящая в установку в некоторую единицу времени, равная плотности воды, умноженной на активную площадь входного потока и умноженной на его скорость.

Необходимо отметить, что все математические выкладки основаны строго на уравнении Бернулли (законе сохранения энергии) и уравнении неразрывности потока (законе сохранения массы).

 

Мифология или наука?

Вам это ничего не напоминает?

Наиболее сведущие в физике сразу воскликнут: «Да ведь это же «демон Максвелла»! Пресловутый и неуловимый! Многие скажут, что Максвелл предложил своего «демона» для термодинамики, а здесь мы оперируем гидродинамикой. Да, но смысл от этого не меняется – мы можем извлечь из объекта (в данном случае – потока жидкости) потенциальную энергию, которую при обычных условиях извлечь невозможно, – и при этом ничего не затрачивая (даже не строя плотины!).

Правда, извлечь можно все же не всю потенциальную энергию. Во-первых, глубина выходящего потока не равна нулю. Во-вторых, часть извлеченной потенциальной энергии переходит в дополнительную кинетическую энергию, выплескиваемую с этим потоком. А она ведь даже больше, чем кинетическая энергия входящего потока. Но это – та плата, которую мы должны отдать «демону», чтобы он согласился работать на нас.

Может возникнуть вопрос: «А как же тогда выходящий поток, имеющий уменьшенную глубину, сопрягается с окружающим его потоком воды с нормальной, неизмененной глубиной?». Тут стоит как раз вспомнить, что скорость выходящего потока выше, чем окружающей среды, и вследствие эффекта эжекции возникает так называемый «гидравлический прыжок», который выравнивает несоответствия кинетической и потенциальной энергий двух потоков. Этот «прыжок» по сути представляет собой бурун, завихрение в потоке.

Вывод из всего вышеописанного невозможно переоценить. В природе существует процесс, позволяющий извлекать не извлекаемую прежде потенциальную энергию из любого ее имеющего объекта, и он найден! Это – принцип положительной обратной связи с возможностью передачи энергии между разными потоками энергоносителя. И есть возможность получения бесплатной, экологически чистой энергии из окружающей среды, предсказанная великим английским ученым Джеймсом Максвеллом еще в 1871 году в виде шуточного демона. Может быть, именно поэтому это всегда и воспринималось не более чем шутка великого ученого?

Или это все же реальность?

С термодинамикой и аэродинамикой, правда, пока еще не все ясно, но, поскольку этот процесс существует в гидродинамике, то он должен существовать и в любой другой отрасли физики. Некоторые разработки в термо- и аэродинамике уже имеются. Но, даже если этот процесс не будет найден для них в ближайшее время и поиск его затянется еще на десяток лет, то, как минимум, использование его гидродинамической интерпретации уже сейчас сулит человечеству огромные дивиденды в виде бесплатной энергии и чистой атмосферы.

В заключение хотелось бы отметить, что все вышеприведенные расчеты сделаны для идеальной жидкости, а на способ получения энергии и расчета устройств, использующих этот принцип, а также на конструкцию этих устройств поданы международные патентные заявки.

СПРАВКА

Демон Максвелла – мысленный эксперимент 1867 года, его главный персонаж – гипотетическое разумное существо микроскопического размера, придуманное Джеймсом Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс второго начала термодинамики.

Одним из следствий второго начала термодинамики является невозможность передачи тепла от тела с меньшей температурой телу с большей температурой без совершения работы.

Мысленный эксперимент состоит в следующем. Предположим, сосуд с газом разделен непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам – только из правой части сосуда в левую. Тогда, через большой промежуток времени, горячие молекулы окажутся в правом сосуде, а холодные – в левом.

Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах (второе начало термодинамики).

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования демона Максвелла необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счет этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией.

 

Гипотетический расчет

Для начала давайте посчитаем, сколько энергии содержится в окружающем нас воздухе и, при условии извлечения ее из воздуха, достаточно ли ее для движения автомобиля.

Вот расчет (приблизительный, только оценочный и не учитывающий некоторые детали, в частности – изменение теплоемкости воздуха при изменении температуры).

Теплоемкость воздуха C = 1 кДж/кг * K
Плотность воздуха p = 1,28 кг/м³

Будем считать, что температура окружающего воздуха равна 20 градусам Цельсия.

При охлаждении 1 м³ воздуха на 50 градусов высвободится энергия:

E = V*p*C*T = 1 (м³)*1,28(кг/м³)*1(кДж/кг*K)*50(К) = 64 кДж (масса объекта, умноженная на его теплоемкость и умноженная на разницу начальной и конечной температуры).

Для прохождения легковым автомобилем 100 метров со скоростью 60 км / ч необходимо 250 кДж энергии (10 граммов бензина); теплотворность бензина = 46 МДж/кг, КПД автомобильного двигателя внутреннего сгорания 40‑60 процентов.

Автомобиль с воздухозаборником площадью 0,5 м² пропустит через себя при этом 50 м³ воздуха. Охладив весь этот воздух на 50 градусов, можно высвободить:

E = 50(м³)*1,28(кг/м³)*1(кДж/кг*K)*50(К) = 3200 кДж.

Как объяснялось в предыдущей статье, «демону Максвелла» для работы тоже нужна энергия, и, следовательно, часть этой энергии ему придется отдать. Часть уйдет на потери, но 3200‑250 = 2950 кДж (92 процента) – и это очень большой запас.

Поскольку запас очень большой, то возможны варианты с площадью воздухозаборника и температурой выхлопа. Скажем, при воздухозаборнике площадью 0,3 м² (соизмеримом с площадью радиатора «Жигулей») и температуре выхлопа минус 10 градусов имеем количество энергии:
E =30(м³)*1,28(кг/м³)*1(кДж/кг*K)*30(K) = 1160 кДж.

То есть из этого расчета видно, что, если мы сумеем извлечь энергию из воздуха, ее вполне должно хватить для движения автомобиля.

 

Труба Ранка

Что же это за устройство, которое может отнимать энергию от холодного тела и отдавать его горячему и нарушающее тем самым второй закон термодинамики? Существует ли такое устройство?

Оказывается, да! И изобретено оно уже почти 80 лет назад. Это вихревой генератор, или труба Ранка. Французский инженер Жозеф Ранк запатентовал его в 1934 году (патент США № 1952281).

О том, что это устройство работает и выдает энергии больше, чем потребляет, не знает, по‑видимому, уже только ленивый («вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода – Прим. ред.). Правда, получать от этих устройств пока удается только тепловую энергию – в количестве, в 1,5‑2 раза превосходящем затрачиваемую.

Что же получается? Оно нарушает закон сохранения энергии, поскольку его КПД, рассчитанный по привычной нам формуле (энергию полученную делим на энергию затраченную), превышает 100 процентов? Сейчас уже, чтобы не вступать в противоречие с основными законами физики, КПД этих машин осторожно называют «эффективностью» (хотя этот параметр все же в действительности не является коэффициентом полезного действия). Но смысла это не меняет – они выдают энергии больше, чем потребляют, и более того – разделяют поток газа или жидкости (рабочего тела для этих машин) на два потока – холодный и горячий. Причем холодный поток холоднее начального (входящего) потока рабочего тела, а горячий – горячее, что, по теории, и должен делать пресловутый «демон Максвелла».

 

Распределение Максвелла

Существует множество теорий для этих машин, поясняющих причину охлаждения одного потока и разогрева другого. Автор хотел бы предложить свою теорию, как ему кажется, не вступающую в противоречие ни с одной из вышеописанных и объясняющую этот эффект с единой точки зрения для жидкостей и газов. Для этого нам понадобятся некоторые дополнительные данные.

Скорость молекул воздуха при 0 градусов Цельсия равна 400 м/c.

Однако – это среднеквадратичная скорость. В любом газе (в том числе – воздухе) присутствуют быстрые и медленные молекулы. Распределение их по скоростям определено графиком – законом распределения Максвелла. Именно на базе этого распределения Максвелл и высказал предположение о возможной сортировке молекул гипотетическим «демоном».

Давайте на минуту представим, что у нас есть этот «демон». Посмотрим, чего он сможет добиться, сортируя молекулы воздуха по скоростям.

Логика подсказывает, что максимальную энергию мы можем получить, разделив объем воздуха на две части строго по пику диаграммы Максвелла. При этом очевидно, что объем горячего выходного потока будет несколько больше объема холодного. Также нужно отметить, что при таком разделении ни температура горячего, ни температура холодного потоков не будут иметь максимального значения. Для увеличения температуры выходного горячего потока нам необходимо сдвинуть точку раздела («рабочую точку») вправо. При этом его температура будет увеличиваться, а объем – уменьшаться, поскольку в нем будет расти процентное отношение более высокоскоростных молекул, но снизится их абсолютное количество. Объем же выходящего охлажденного потока будет увеличиваться, и его температура также будет подниматься. Какой максимальной температуры выходного потока воздуха можно таким образом достичь, трудно сказать. Судя по графику – неограниченной.

Но на практике, безусловно, есть какой‑то предел – тем более что количество выходящего горячего воздуха будет все меньше и меньше – и все труднее и труднее станет замерять его температуру без внесения в этот поток погрешностей. Ну, например, как можно замерить «температуру» одной самой быстрой молекулы, которую мы сможем найти в окружающем нас воздухе? Если же нам понадобится получить наиболее низкую температуру выходного потока, то необходимо будет смещать «рабочую точку» влево. Температура выходящего холодного потока при этом будет стремиться к абсолютному нулю (-273 ºC), с одновременным уменьшением объема до математического нуля.

 

Воздушный максимум

Теперь рассмотрим возможные процессы, происходящие в трубе Ранка (не углубляясь в особенности ее конструкции – тем более что их существует достаточно много).

В трубу под высоким давлением вводится энергоноситель (мы будем иметь в виду воздух), который закручивается вдоль стенок трубы в тангенциальный поток. Благодаря конструкции трубы в ее центре возникает осевой (аксиальный) поток, движущийся противоположно тангенциальному.

Объемное соотношение двух этих потоков обычно составляет примерно 1:4, 1:2, 2:3 – в зависимости от начального давления сжатого воздуха, его температуры и конструкции установки. То есть горячего воздуха обычно больше, чем холодного, следовательно, «рабочая точка» сортировки молекул находится где‑то несколько левее середины графика Максвелла.

Что же происходит в потоках газа? К скорости броуновского движения молекул добавляется скорость движения потоков. Но, поскольку быстродвижущиеся молекулы в среднем проходят большее расстояние, чем медленные, то и вероятность захвата их тангенциальным потоком выше, чем медленных молекул.

Для примера можно взять условно неподвижную молекулу, находящуюся в центре аксиального потока, скорость которой будет определяться только скоростью движения самого потока. Эта молекула (а также те, которые при движении аксиального потока к выходу из устройства не успели попасть в тангенциальный) выйдут в составе аксиального потока и определят его температуру.

Далее. Быстрая молекула, будучи захваченной тангенциальным потоком, имеет уже меньшую вероятность вернуться обратно в аксиальный, так как здесь на нее, кроме броуновского движения, действует и центробежная сила, стремящаяся отдалить ее от центра и тем самым воспрепятствовать ее возврату в аксиальный поток. Следовательно, в тангенциальном потоке будут накапливаться более быстрые молекулы, а более медленные – оставаться в аксиальном.

Средняя скорость молекул в тангенциальном потоке вследствие этого будет выше, чем входящего воздуха, и, следовательно, его температура выше. Для аксиального же потока – все наоборот.

 

Обратная связь

Однако при расчете устройств линейную скорость молекул использовать нельзя.

Необходимо учитывать скорость диффузии, которая существенно меньше средней скорости молекул. Хотя… на принцип сортировки молекул по скоростям это не влияет. И более высокоскоростные молекулы все равно имеют более высокую вероятность попасть в тангенциальный поток, нежели низкоскоростные.

Ну, так и что? Энергию из воздуха мы получать научились. Но в нашей энергетической установке, кажется, чего‑то не хватает…. Вот чего! Установка потребляет энергию извне – сжатый воздух. Но, поскольку на выходе энергии получается больше, почему бы нам не вернуть часть энергии обратно на вход, организовав тем самым обратную связь между потоками энергоносителя? Каким образом? Да просто: часть или весь горячий поток отправить обратно в компрессор.

Вследствие этого повысится давление и температура входящего сжатого воздуха, и, следовательно, увеличится тангенциальная скорость потока и усилится эффект сортировки молекул.

Следует помнить, что, кроме этого, в компрессор обязательно должен поступать атмосферный воздух – ведь энергию мы забираем у него. Кроме того, потерь тепла (энергии) в компрессоре также быть не должно, т. е. сжатие воздуха должно быть адиабатическим.

При этом воздух, возможно, будет нагреваться до существенных значений (500‑1000 °C). Но ведь и температура рабочей смеси в цилиндрах двигателя обычного автомобиля также около 800 °C.

Как же отобрать излишки энергии для движения автомобиля? Использовать разницу температур горячего и холодного потоков для работы в тепловой машине? Ни в коем случае!

Формула Карно «съест» всю добытую с таким трудом энергию. Один из вариантов отбора энергии – установить на периферии тангенциального потока турбину, которая одновременно будет питать двигатель автомобиля и компрессор.

При эффективной обратной связи скорость тангенциального потока будет достаточно высокой, чтобы покрыть все энергетические издержки машины. После отработки на турбине тангенциальный поток уже должен будет иметь малую скорость, низкое давление и пониженную температуру.

 

Торнадо

А теперь давайте посмотрим на смерч! Вот он – «демон Максвелла» – в чистом виде! Количество энергии в ноосфере планеты всегда практически одинаково, однако постоянно в ней возникают сгустки энергии (торнадо, смерчи, тайфуны, циклоны). Смерч «высасывает» энергию из окружающего его воздуха, имеющего большую энтропию, чем он сам, и уменьшает энтропию внутри себя! Кто с этим будет спорить?

Остается загадкой, как при таких условиях можно было сделать вывод, что энтропия всегда растет. А ведь это и есть второй закон термодинамики, почти на полтора века определивший направление развития энергетики на планете!

Аналогия торнадо и трубы Ранка почти полная. Середина – «глаз» – смерча значительно охлаждается со значительным понижением давления внутри него. Возникает восходящий поток, направленный от поверхности земли вверх. Дополнительную энергию смерч получает от приповерхностного воздуха, «засасываемого» им у своего основания.

Простое ли это совпадение?

Этот эффект перераспределения энергии проявляется при любой скорости спирально закрученной материи. При увеличении скорости – в большей степени. После распадения одного вихря возникает следующий, который вновь перераспределяет всю энергию, и так – до бесконечности.

Примечания.

 

1. Все вышеприведенные расчеты сделаны для идеального газа.

 

2. Прибавка возможна не только за счёт потенциальных сил среды, но и сопутствующих потоку даровых сил инерции, которые тоже отнесём к потенциальным силам по отношению к потоку – например, такова центробежная сила, используемая в микроГЭС Ленёва:

Данная сила с успехом используется также в механических роторных установках свободной энергии Э.Линевича, поскольку её использование не увеличивает потребляемой мощности, в безопорных движителях (инерциодах) и в работе крыла, как это ни парадоксально для официальной науки, где фиктивные силы инерции не могут совершать работу:

Обоснуем последнее и сравним её действие с законом Бернулли. Является ли последний законом сохранения энергии для единичного объёма (массы) несжимаемой невязкой жидкости? Учитывая неизменность скорости последнего независимо от сечения потока – вряд ли… За счёт чего тогда образуется разность давлений и возможно ли она для невязкой жидкости? Вязкое трение всегда существует в действительности для жидкости или газа, поэтому увеличенне скорости при сужении потока приводит к возрастанию сил трения и дополнительному увлечению среды (явление эжекции), что воспринимается приборами как снижение давления (подробнее см. в статье Олега Войцеха «Фундаментальная ошибка в основе гидродинамики»). Последнее также важно для образования подъёмной силы, однако является ли этот механизм для крыла основным? Какие ещё здесь возможны физические эффекты? Видимо, это эффект Коанда. В данном случае происходит следующее: прямолинейно движущийся у крыла поток увлекает части среды, примыкающие к крылу (трение - R), при этом внешнее давление (C) прижимает к крылу увлечённые части среды – возннкает криволинейность потока и сопутствующая центробежная сила (инерция - L). При это она действует и на крыло, поскольку давление среды (С) не даёт потоку оторваться – образуется подъёмная сила, как известно, превышающая силу лобового сопротивления для хороших крыльев в 12 -15 раз (коэффициент аэродинамического качества). Родственным является эффект Магнуса, где разность центробежных сил на вращающемся цилиндре тоже приводит к движению последнего под прямым углом к потоку, причём в этом случае подъёмную силу можно значительно увеличить, увеличивая скорость вращения цилиндра относительно движения потока:

В обоих случаях эффект формы (структура, информация) позволяет значительно увеличивать эффктивность и получать новые эффекты (известная в системах «эмерджентность»).

 

МИКРОГЭС ЛЕНЁВА

Эффект Трещалова

Почему я связываю эффект, который является прямым следствием известных уже много веков физических закономерностей, с именем Трещалова? Потому что именно он рассмотрел и проанализировал этот эффект как отдельное самостоятельное явление. И это имеет вполне конкретные технические последствия, а не является очередной никому ненужной «сферической лошадью в вакууме», изобретённой ради получения учёной степени.

О сверхъединичности эффекта

Можно ли создать на основе эффекта Трещалова «вечный двигатель», заставив его неограниченно долго работать в замкнутом цикле? Ответ однозначный — нет!

Да, скорость выходного потока можно снизить до исходной величины и за счёт этого несколько повысить его уровень. Но даже без учёта потерь на трение этой скорости не хватит, чтобы одновременно обеспечить и исходную скорость, и исходный уровень, потому что часть полной исходной энергии потока мы изъяли в гидроагрегате на свои нужды, и именно её будет недоставать для полного восстановления исходных параметров! А ведь главным условием автономной работы в замкнутом цикле является восстановление на каждом «витке» всех параметров до значений не худших, чем эти же параметры на предыдущем «витке» в том же месте цикла.

Таким образом, при попытке замкнуть цикл, восстанавливая прежний уровень жидкости, мы, возможно, и достигнем этого уровня, но скорость потока при этом будет меньше исходной! В результате за несколько «витков» поток окончательно остановится, перестанет быть потоком, и проявиться эффекту будет просто негде. При этом уровень успокоившейся жидкости будет ниже уровня исходного «медленного» участка потока, но выше его «ускоренного» участка в момент начала работы.

В чём же тогда польза этого эффекта, в чём его физическая сущность?

Физические аспекты эффекта

Итак, как мы только что выяснили, эффект Трещалова не будет работать в замкнутом цикле, он проявляется только в открытой системе — в потоке, который не замкнут сам на себя. И физическая суть его заключается в том, что таким образом часть потенциальной энергии потока мы высвобождаем и превращаем в кинетическую, а добиваясь их энергетически оптимального соотношения, часть этой высвобожденной энергии мы можем забрать на свои нужды.

Физическая сущность эффекта

И всё же вернёмся к физической сути эффекта. Посмотрите на эту фотографию, которая, как мне кажется, демонстрирует её предельно наглядно.

Эффект Трещалова в природе. Скорость исходного потока можно оценить в 1.5–2 м/с, а перепад уровней — в 2–3 десятка сантиметров. Очень подходящие условия для проявления эффекта!

Поток воды вырывается из-за скалы и падает в отгороженное ею пространство. При этом он ускоряется и создаёт динамически поддерживаемый перепад уровней. После набора скорости во время падения он попадает в зону торможения, отмеченную линией бурунов. Здесь его скорость падает, а уровень несколько повышается — часть набранной им кинетической энергии снова возвращается в потенциальную форму.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что, поскольку «излишняя» энергия здесь не отбирается, поток оказывается «переразогнанным» и срывается в бурный режим раньше времени, а «излишняя» энергия тратится на формирование пены и брызг. Если же задаться целью отобрать у потока эту энергию, то делать это следует на «спуске» потока, пока его течение ещё остаётся в достаточной степени спокойным и монолитным — то есть от линии начала снижения до линии начала торможения.

Как ускорить поток

Ключевой вопрос — как добиться ускорения потока? Универсальный ответ — сузить его сечение. Но сужать сечение надо определённым образом. Чтобы использовать эффект Трещалова, необходимо уменьшать не ширину, а именно глубину потока, то есть переводить его потенциальную энергию в кинетическую! Сделать это можно различными способами, например, установив пассивную преграду поперёк всего русла вверху, внизу или посередине толщи потока.

Ускорение потока ограничением его сечения по всей ширине русла. Цветом отмечены зоны, где отбор «лишней» энергии представляется наиболее эффективным.

С виду всё элементарно, однако это только с виду. На самом деле здесь требуется точный расчёт и изменение высоты преград в зависимости от текущего расхода, иначе «плотинный» эффект такого ускорителя превысит «разгонный». Варианты с участками открытого снижения уровня позволяют использовать там колёса, у которых в воду погружаются лишь одни лопасти, а наиболее уязвимые узлы — ось и подшипники — остаются над водой. Подводный разгонный участок требует применения только винтовых устройств. Кстати, самый первый вариант с препятствием снизу — это аналог практически любого речного переката с лежащим на дне камнем.

Речной перекат — разгон потока над подводным препятствием. Обратите внимание — линия торможения (начало бурунов) везде находится практически на одном уровне, то есть вода там имеет одну и ту же скорость — в этот момент она «переразгоняется» выше оптимальной «критической» скорости. В то же время высота бурунов лишь немного меньше исходного уровня жидкости — в них почти вся дополнительная кинетическая энергия снова возвращается в потенциальную форму.

Однако совсем необязательно перегораживать всё русло, строя такую «недоплотину». Достаточно перекрыть часть потока плоским экраном, даже не достающим до дна, и на его краях мы получим искомый эффект!

Схема одного из вариантов обтекания потоком неподвижного полупогружённого экрана. Стрелки показывают направление струй.

Показанная на рисунке схема является частным случаем, и параметры обтекания такого экрана очень сильно зависят как от скорости потока, так и от глубины погружения экрана. Где здесь можно снимать энергию потока? Прежде всего, конечно, на боковых «склонах», но также и на подъёме потока из-под нижнего края экрана. Обратите внимание на характерный профиль «дна» образовавшейся за экраном «водяной ямы» с поперечными волнами. Это происходит колебательное перераспределение кинетической и потенциальной энергии жидкости, вызванной отклонениями режима течения от оптимальных «критических» параметров. Аналогичные волны образуются за любым движущимся судном, даже безмоторным и вообще не имеющим гребного винта. При идеально организованном отборе энергии на дне «водяной ямы» поперечных волн быть не должно и подъём воды должен быть монотонным. Бурун, возникающий на месте слияния всех струй, также говорит о том, что отобрана не вся «излишняя» энергия — именно эти излишки и обеспечивают в буруне выброс воды вверх. Отбор кинетической энергии потока в точке перед началом этого буруна представляется очень эффективным, поскольку за счёт схождения струй она естественным образом концентрируется именно там — это хорошо видно на рисунке. Тем не менее, нельзя считать, что там концентрируется вся доступная энергия потока — значительная её часть проходит мимо этой точки.

Интересной особенностью системы с полупогружённым экраном, лишь частично перекрывающим поток, является то, что со склонов образовавшейся за экраном «ямы» можно получить гораздо больше энергии, чем вся кинетическая энергия части потока, соответствующей сечению погружённой части экрана. Дело в том, что «яма» заполняется не только и не столько «спереди» (из-под экрана), но и с боков, причём в этом процессе участвует вода, прошедшая мимо экрана на довольно большом расстоянии. Чем выше исходная скорость потока, тем больше его задействованная часть, и тем бóльшую часть энергии всего потока может извлечь гидроагрегат. Таким образом, подобная установка действует аналогично узким лопастям авиационных пропеллеров, площадь которых намного меньше площади омахиваемой ими окружности, однако в рабочих режимах они взаимодействуют практически со всем воздухом, проходящим через это сечение, — хотя по большей части это косвенное взаимодействие!

Возникает закономерный вопрос: если погрузить подобный экран в воду полностью, увеличится ли его эффективность? Ответ будет отрицательным. При небольшой глубине погружения переливающаяся через верхний край жидкость будет дополнительно заполнять «яму» за экраном, слишком сильно ухудшая условия для заполнения с боков. Когда же глубина большая, то за экраном вообще образуется не пустота, а лишь область пониженного давления. Но поскольку жидкость практически несжимаема, толку от этого мало — выравнивание давления сопровождается очень малыми перемещениями жидкости и, в отличии от поверхности, хоть сколько-нибудь заметного ускорения здесь нет. Пустота, которую может заполнить вода, будет образовываться лишь при очень высоких скоростях движения потока, когда возникают условия для кавитации. Однако в реальности природных потоков с такими скоростями не так уж много, нагрузка на экран от скоростного напора в этих условиях будет огромной, зато сам эффект скорее всего пропадёт из-за слишком высокой исходной скорости. Более, того, даже слишком большое заглубление полупогружённого экрана может заметно снизить его эффективность, практически подавив подъём воды из-под нижней кромки и превратив экран из ускорителя в плотину-тормоз!

След за кормой... Здесь хорошо видны поперечные волны. Уходящий в воду плоский срез кормы увеличивает этот эффект. Правда, очень часто геометрия подводной части корпуса судна такова, что уже вблизи кормы поперечные волны подавляются более мощными продольными, образующимися при «схлопывании» «водяной ямы», остающейся за судном, и чем обтекаемей корпус, тем поперечные волны слабее.

Помимо пассивных препятствий и экранов есть и активные способы ускорения потока, когда вода как бы вычёрпывает сама себя. Красивое техническое решение представлено на сайте Г.В.Трещалова.

Схема активного устройства для самоускорения потока.

Другие применения эффекта

Где ещё можно применить этот эффект? Возможно, в ветроэнергетике для концентрации ветра перед ветроколесом и уменьшения диаметра ветроколеса. И хотя ветряк находится на дне воздушного океана, вследствие хорошей сжимаемости воздуха подобные экраны могут быть достаточно эффективны — ведь это, по сути, тот самый «эффект подворотни», когда в роли экрана выступает большое здание, концентрирующее слабые ветра на углах и в сквозных проходах. Впрочем, здесь необходимы расчёты, исследования и эксперименты. Возможно, с экономической точки зрения выгоднее будет всё же простое увеличение диаметра ветроколеса.

Весьма вероятно, что уникальные лесосплавные сооружения Шаубергера со сверхмалым расходом воды тоже работали не столько за счёт «левитативной силы воды», сколько именно за счёт эффекта Трещалова, оптимальным образом сочетая кинетическую и потенциальную энергию потока — недаром Шаубергер тщательно следил за углом наклона русла, избегая слишком крутых спусков и связанного с этим непроизводительного переразгона потока. Но вот в основе работы шаубергеровских энергетических установок (репульсина, «домашнего генератора» и др.) лежат, скорее всего, другие физические явления. Зато его труба для транспортировки руды, возможно, использовала и то, и другое.

Sciteclibrary. ru

ЗАКЛЮЧЕНИЕ