Всем известно, что для получения какой-либо работы
необходимо затратить известное количество энергии. При этом полученная работа
не может превышать затраченную энергию; практически же она всегда меньше. Но
вот в газете «Правда» от 1 июня 1937 г. было помещено объявление об
автоматическом водоподъемнике. В объявлении рекомендовался аппарат, называемый
гидравлическим тараном, который может поднимать до 15 тыс. ведер воды в сутки
на значительную высоту «без затраты механической или человеческой энергии». При
поднятии этого количества воды, на высоту, например, до 20 м, аппарат заменяет
двигатель мощностью около 0,75 л. с.
Не противоречит ли это закону сохранения энергии?
Обыкновенный водопроводный кран дает возможность понять
принцип действия гидравлического тарана.
Задумывались ли вы когда-нибудь над конструкцией
водопроводного крана? Не кажется ли он вам сложным? Почему, для того чтобы
пустить воду полной струей, необходимо отвернуть кран, т. е. сделать три-четыре
поворота его? Между тем водопроводный кран сильно отличается от крана у
самовара, который достаточно повернуть только на 90°, и вода польется полной
струей.
Всякий, кто бывал в больших банях, мог заметить, что там
водопроводные краны действуют подобно самоварным. При резком закрывании такого
крана ощущается довольно сильный удар воды. Это явление называется
гидродинамическим ударом.
Когда водяной поток, идущий в водопроводной сети, резко
останавливается, то задние слои воды в силу инерции нажимают на передние слои и
на закрытый кран, препятствующий движению. Вследствие этого в трубе у крана
создается повышенное давление, достигающее при большой скорости струи и
достаточно длинной водопроводной сети до 20 атмосфер. После удара близкие к
крану слои воды отталкиваются от него, стремясь уйти в обратном направлении, и
создают в этом месте разрежение. Но, встречаясь с еще не успевшими остановиться
слоями воды, они снова получают движение вперед. Таким образом, за ударом
внутри трубы следует ряд затухающих сжатий и разрежений воды.
Чем длиннее трубопроводы, тем дольше эти колебания и тем
сильнее гидродинамический удар. Теперь понятно, что в городском водопроводе с
весьма длинной сетью сила гидродинамического удара должна быть очень велика и
даже может разрушить трубы. Поэтому водопроводные краны закрываются не сразу, а
постепенно, уменьшая скорость движения воды по трубе. В банях же, где сеть труб
сравнительно короткая, возможно устройство простых кранов, тем более что там
требуется быстрое прекращение подачи воды.
Наш известный ученый проф. Н. Е. Жуковский, изучая это
явление, вывел формулу, которая позволяет по характеру колебаний воды при
гидродинамическом ударе определять расстояние от места остановки воды до места
повреждения трубопроводов.
На явлении гидродинамического удара и основано действие
гидравлического тарана, о котором говорит объявление в «Правде».
В 1797 г. французский механик Монгольфье, работая в одном из
водолечебных учреждений в Сен-Клу, близ Парижа, наблюдал явление
гидродинамического удара. У него возникла мысль использовать силу этого удара
для поднятия воды на некоторую высоту. Для этого Монгольфье присоединил к концу
трубы кран, подобный самоварному, позволяющий быстро и резко останавливать
идущую по трубе воду. Вода поступала от источника, находящегося выше крана на
1—2 м. Рядом с краном Монгольфье сделал в трубе отверстие, закрываемое тяжелым
клапаном. Когда кран резко закрывался, то вода вследствие гидродинамического
удара поднимала тяжелый клапан и с силой выбрасывалась на большую высоту.
Приделав к отверстию с клапаном трубу, Монгольфье направил воду в нужное ему
место. Но вода из этой трубы выливалась толчками. Чтобы добиться более
равномерного течения воды, Монгольфье несколько изменил конструкцию своего
аппарата. Он присоединил водоподъемную трубу не непосредственно к отверстию с
клапаном, а к колпаку, который накрывал это отверстие. Под влиянием гидродинамического
удара вода с силой врывалась под колпак, часть воды поднималась по трубе, а
избыток ее скапливался в колпаке, сжимая находящийся в нем воздух. После удара,
когда клапан закрывался, вода продолжала подниматься по водоподъемной трубе,
так как сжатый в колпаке воздух давил на нее.
Однако такое устройство тарана страдало основным
недостатком: выходное отверстие первой трубы приходилось все время кому-то
закрывать и открывать. Тогда Монгольфье решил устроить такой клапан, который
автоматически резко закрывал и открывал бы выход воды из трубы. Он загнул
выходной конец трубы вверх под прямым углом и поместил внутрь образовавшегося
колена полый шар, вес которого был подобран с таким расчетом, чтобы при
достижении большой скорости вода увлекала шар за собой и закрывала им выходное
отверстие.
Следующий за этим гидродинамический удар еще сильнее
прижимал шар к отверстию. Но вследствие разрежения, которое образуется после
удара, шар под действием собственной тяжести опускался вниз и открывал выходное
отверстие. Вода вновь начинала двигаться по трубе. Достигнув некоторой
предельной скорости, она опять увлекала за собой шар и закрывала им отверстие,
вызывая удар.
Современные гидравлические тараны, сохраняя полностью
принцип Монгольфье, несколько отличаются от его аппарата по конструкции
выходного клапана. Такой таран можно использовать везде, где имеется много
чистой воды с перепадом не менее 1 м. Чем больше разность уровней, тем на
большую высоту можно поднять воду.
 |
| Схема гидравлического тарана: A — труба, по которой вода поступает в таран; B — клапан с висящей свободно заслонкой; C — клапан, закрывающий доступ в резервуар D; E — место, куда примыкает водоподъемная труба S. |
Обратите внимание, что таран подает на большую высоту не много воды, используя для этого большое количество ее, падающее с небольшой высоты. Если, например, таран потребляет в секунду 20 л воды, падающей с высоты 1 м, то поднять на высоту 20 м он сможет только 1 л и даже немного менее, если учитывать затраты энергии на трение. Таким образом, действие тарана нисколько не противоречит закону сохранения энергии.
Комментариев нет:
Отправить комментарий