Рис. 22. Машина, которая будет двигать вашу цивилизацию: паровой двигатель
Сделайте это, установив связь между вашим поршнем и отдельной конденсационной камерой, которая будет открываться при поднимании поршня. Высокое давление среды поршня станет заталкивать пар в конденсационную камеру, которую можно быстро охладить с помощью холодной воды.
Если вы не хотите использовать поршни, то есть другой способ генерировать энергию с помощью пара, и на самом деле именно его люди обнаружили первым около 100 н. э. Подобное устройство именуется эолипил, его можно создать, направляя пар от кипящей воды во вращающуюся сферу, из которой должны торчать изогнутые сопла, расположенные следующим образом (рис. 23).
Рис. 23. Машина, которая могла бы двигать древнегреческую цивилизацию: эолипил
Пар, выходящий из сопл, превращает их в подобия реактивных двигателей и вращает сферу. Это ракетный двигатель на пару, но изобретшие его эллины смотрели на него исключительно как на игрушку. Вы можете утереть им всем нос, превратив ваш эолипил в чертову динамо-машину.
Как вы увидите в разделе 10.6.2, динамо-машины трансформируют механическое вращение в электричество, используя тот факт, что провода, двигающиеся в магнитном поле, порождают проходящий через них электрический ток. Поместив внутри сферы неподвижный магнит и обмотав саму сферу проводами, вы сможете использовать устройство как маленькую электростанцию.
Если же и эолипил вас не привлекает, вы всегда можете направить струи пара на лопасти турбины – почти так же, как вы направляли воду на лопасти турбины Пелтона, – чтобы получить то же вращательное движение (и электричество, если захотите) уже этим способом
[109].
Ну а теперь плохие новости: все паровые двигатели, с поршнями ли, с соплами или другие, по большому счету неэффективны. Не важно, что вы делаете, крупные объемы энергии будут рассеиваться с теплом, и даже с паром под высоким давлением, дополнительными конденсаторными камерами и паровыми машинами многократного расширения (двигатель, использующий пар для того, чтобы двинуть поршень больше одного раза) вы не добьетесь эффективности намного больше 20 %.
Даже самые продвинутые паровые двигатели нашего времени имеют эффективность от 40 до 50 %, и все же они движут наш мир, так что не переживайте, ваш мир тоже придет в движение.
Другой большой проблемой для паровых двигателей является их соотношение энергии к весу. Все металлические детали, да и вода, весят достаточно много, и да, они отлично работают в зданиях или в колоссальных средствах транспорта, где их вес не имеет особого значения (вспомним паровозы и пароходы), но в небольших конструкциях вроде самолетов или автомобилей их использовать трудно.
Для последних вам придется изобрести более легкий двигатель внутреннего сгорания.
Паровой двигатель пользуется внешним сгоранием: вы сжигаете нечто за пределами двигателя для того, чтобы получить пар, и тот уже направляете к двигателю. Внутреннее сгорание убирает потребность в транспортировке пара, вы просто взрываете что-то внутри поршня, чтобы он двигался. Летучее топливо смешивается с воздухом, так что оно легко загорается, потом впрыскивается в цилиндр поршня и резко сжимается. Электрическая искра производит воспламенение, выталкивает поршень, и когда тот отодвигается, то выхлоп выходит наружу
[110].
Каждый поршень проходит через четыре такта: втягивание, сжатие, горение, выхлоп, и когда один из поршней вспыхивает, то второй как раз возвращается в исходное положение. Подобный двигатель определенно немного сложнее, чем паровой (здесь вы полагаетесь на контролируемую серию взрывов, а вовсе не на старый добрый кипяток), но проблемы, связанные с их созданием, не выглядят непреодолимыми.
Четыре поршня можно расположить так, что они будут попарно работать в противофазе, и это даст вам более постоянную тягу, и прикрепить их эксцентриками к общему валу. Подобное расположение позволяет контролировать вентили для поступления топлива и удаления выхлопа. Второй вал можно изогнуть и присоединить к пистонам, чтобы скоординировать их толчки, и на этот вал повесить маховое колесо, которое делает равномерным получаемое движение (рис. 24).
Рис. 24. Двигатель внутреннего сгорания: поршень 1 сжигает топливо, поршень 2 избавляется от выхлопа, поршень 3 впрыскивает топливо, и поршень 4 сжимает топливо, готовясь поджечь его.
Вот и все!
Но прежде чем вы броситесь изобретать двигатель внутреннего сгорания, запомните: их труднее сконструировать, дороже эксплуатировать, и они требуют более качественного топлива. В эпоху, когда вам приходится изобретать все с нуля, штука вроде парового двигателя, который работает на воде и не требует ничего, кроме буквально любого горючего материала, будет просто незаменимой.
10.6
«Нет, я настолько ленив, что хочу, щелкнув выключателем, заставлять машины работать как по волшебству»
Для машин, что включаются по щелчку, вам требуется источник энергии, которая будет постоянно готовой к использованию, молчаливой и невидимой. Иными словами – вам нужно электричество. Оно легко транспортируется, запасается и приводит в движение бо́льшую часть современного мира, включая все, от самолетов до автомобилей.
Оно может двигать и ваш мир тоже.
Батареи используют химические реакции для того, чтобы генерировать энергию по требованию, и некоторые даже можно зарядить, обратив реакцию. Генераторы полагаются на простой закон физики, чтобы превратить физическое движение в электрическую энергию, а трансформаторы изменяют электрический заряд так, чтобы он принял более удобную форму, и все это происходит без единой движущейся части. Генерация, хранение и трансформация электроэнергии – те технологии, которые позволят вашей цивилизации в первый раз оторваться от статичных источников энергии и распространиться по планете.
