Обычно опыты с маховиками проводят на специальном стенде, помещенном глубоко под землей. Маховик там подвешивают в особой камере, из которой выкачивают воздух. Крутят маховик воздушной турбиной, если он легкий, или мощным электромотором - если тяжелый.
До 4500 оборотов в минуту маховик сохраняет свои размеры. Но уже при частоте близкой к 5 000 оборотам, его диаметр сильно увеличивается, и после остановки он не возвращается к прежним размерам.
Теперь находиться вблизи маховика чрезвычайно опасно - небольшого увеличения скорости может оказаться достаточно, чтобы он разорвался, как точильный круг. Осколки маховика, массой по полтонны (маховики обычно разрываются на три части), способны наделать много бед.
Однажды при разрыве маховика в подвале одной старой фабрики, осколок пробил все междуэтажные перекрытия и вылетел наружу, а уже падая, еще раз пробил крышу.
Если изменить форму маховика - например, разместить основную массу на периферии, превратив маховик в тяжелый обод, связанный с центральной частью тонкими спицами (как в велосипедном колесе) - такой маховик накапливает энергии раза в полтора больше.
Но выгоднее помещать массу не дальше от центра, а наоборот, ближе к нему. Появились маховики, тонкие по краям и утолщающиеся к середине - диски равной прочности. Энергии они могут накопить в два раза больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем гончарный круг, при той же массе.
Маховики разных форм.
Энергия каждого килограмма массы маховика зависит от его формы и главное - прочности. Если при изменении формы маховика - от худшей к лучшей - энергия возрастет максимум в три раза, то при многократном повышении прочности во столько же раз увеличится и плотность энергии, причем это увеличение ничем не ограничено.
Я взял кусок троса в метр длиной, зажал его посередине в кольцевом зажиме (оправке), и посадил этот зажим на вал. Если вращать вал, то трос, как и обычный маховик, накопит энергию. Частицы троса будут все сильнее растягивать его, пытаясь разорвать. Наибольшая нагрузка тут приходится на середину троса.
При увеличении скорости сверх меры, трос начнет рваться, но по одной проволочке - тонкие проволочки не способны пробить даже легкий защитный кожух - разрыв маховика из троса не причинит большого вреда.
Маховик из троса.
Однако трос помещенный в кожух, оставит там много свободного места - он будет бесцельно взбаламучивать воздух, как пропеллер, затрачивая на это энергию. Да и разорваться подобный маховик в принципе может - оторвавшаяся проволочка не мешает рваться другим. И я решил навивать проволоку, из которой изготавливается трос, на барабан, как на катушку.
Но вместо проволочек можно взять такую же по прочности, тонкую стальную ленту, чтобы намотка была плотнее, а для надежности склеить витки ленты между собой. Получится маховик, напоминающий по виду обычный, только накапливающий гораздо больше энергии. Я назвал его ободковым - лента здесь должна была навиваться на обод барабана.
Разрыв ободкового маховика представлялся уже совершенно безопасным - первой разорвется наиболее нагруженная - внешняя - лента, которая тотчас же прижмется к корпусу и автоматически затормозит маховик.
Оторванную ленту можно будет приклеить снова - и маховик опять готов к работе.
Ленточный маховик (а) и картина его разрыва в корпусе (б).
Я нашел ящик ржавой стальной ленты, банку резинового клея и бутылку бензина. А на заводе друзья выточили мне несколько дисков из текстолита, на которые я собирался навивать ленту.
Мы с товарищем очищали поверхность ленты бензином, мазали клеем и навивали на диски. Так сделали три маховика диаметром по 30 см. Внешние слои ленты закрепили тонкой стальной проволокой.
Я рассчитывал испытать маховики на разрыв с помощью двигателя от пылесоса - пылесосный двигатель очень скоростной, вал его делает до 18 000 оборотов в минуту.
Надев маховик на вал двигателя и закрепив его там, я зажал двигатель в тисках и включил в сеть. Начался разгон маховика. Вибрации то нарастали - казалось диск уже срывается с оси, то стихали. Скорость вращения увеличивалась, о чем можно было судить по звучанию двигателя. Но вот звук стал постоянным по тону - разгон прекратился, а маховик остался цел. Дальше двигатель не тянул - маховик гнал воздух, как вентилятор, от него дуло ветром, вся мощность двигателя уходила на создание этого ветра.
Я выключил двигатель. Маховик долго, наверное с час, еще вращался, проходя через те же полосы вибраций, что и при разгоне.
Когда впоследствии мне удалось все-таки разорвать маховик на специальном разгонном стенде - разорвавшийся виток ленты не пробил даже тоненький, как консервная банка, кожух. Я снова приклеил этот виток клеем, обвил слоем проволоки, и маховик опять был готов к работе.
Разрыв наступал при 30 000 оборотах в минуту, что соответствовало скорости обода почти 500 м/с.
Максимум, что можно выжать из стали - это 50 кДж/кг, дальше маховик разорвется. А маховик из более легких - титана, дюралюминия, магниевых сплавов - при той же массе накопит до разрыва в полтора раза больше энергии.
Неплохим материалом для маховиков являются пластмассы, особенно усиленные стеклонитью - стеклопластики.
Тяжелые материалы практически не годятся для маховиков. Медный маховик не накопит и десятой доли энергии стального, а свинцовый - и сотой доли энергии титанового или дюралевого.
Маховики из дерева, фанеры, бумаги, склеенной в несколько слоев, могут накопить больше энергии, чем такой же по массе маховик из стали, и при этом будут значительно дешевле его. Например, плотность энергии маховиков из бамбука почти в 10 раз выше, чем из стали. Приблизительно вдвое хуже, но все-таки очень высокие показатели у маховиков из березы, сосны, ели. Плохо только то, что объем их слишком велик - дерево очень легкий материал.
Объем маховиков с одним и тем же запасом энергии бывает равным лишь при их одинаковой прочности. Маховики из бамбука, дюраля и чугуна, имеющие одну и ту же прочность, при равном запасе накопленной энергии одинаковы и по объему. Однако дюралевый маховик в три раза, а бамбуковый в 10 раз легче, чем чугунный.
Специально закаленное стекло, как и лучшая проволока, выдерживает 3 кН/мм², а хрусталь и даже кварц еще прочнее - 10 кН/мм². Маховик из плавленого и закаленного кварца способен накопить в килограмме массы до 5 МДж энергии - в 150 раз больше, чем стальной!
Осколков при разрыве кварца не образуется - маховик мгновенно разлетается в пыль, весь и сразу. Одако это хуже, чем взрыв такого же количества тротила - энергии при разрыве маховика выделится больше.
Необычайной прочностью обладают волокна из углерода - обычного угля, графита и даже алмаза. И насколько алмаз прочнее мягкого графита, настолько же волокно алмазной структуры прочнее графитового.
Маховик, навитый из графитового волокна, в 20 раз превзойдет стальной по плотности энергии, а навитый из алмазного волокна приобретет фантастическую энергоемкость - 15 МДж/кг!
