Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - [23]
Наверняка вам кажется, что воздуха у нас везде предостаточно. Это действительно так. Теоретически единственным видом двигателей, которым может не хватать воздуха, являются ракетные. За очень короткий промежуток времени они выходят из атмосферы Земли в безвоздушное пространство, где нет кислорода, и им приходится везти с собой собственные «запасы» воздуха (окислители) и топливо в гигантских баках.
Есть ли на Земле места, где машина может оказаться без необходимого ей воздуха, как она оказывается без топлива, когда оно кончается? В принципе так бывает на большой высоте, где в воздухе относительно мало кислорода. Это может отрицательно повлиять на работу автомобильного двигателя. Всё очень просто: если мы имеем дело с химической реакцией между веществом А (топливо) и веществом Б (кислород), в ходе которой производится энергия (В), при недостатке реагента Б мы будем иметь и меньше продукта этой реакции В, если каким-то образом эту ситуацию не компенсируем. И действительно, ряд автомобильных компаний производят специальные типы двигателей для использования в высокогорной местности[54].
Наш организм тоже не очень любит высокогорье. Когда спортсмен бежит марафонскую дистанцию на большой высоте, в его легкие попадает меньше кислорода. А для дыхания этот важнейший газ так же нужен как и цилиндры двигателя автомобиля. Стайерам труднее соревноваться на высокогорье, потому что им необходимо много кислорода.
Интересно, что к спринтерам это не относится. Поскольку дистанция у них намного короче, они не вдыхают так много воздуха. И даже несмотря на меньшее содержание в нем кислорода, для них важнее то, что более разреженный воздух создает меньшее сопротивление, в результате чего на высоте они зачастую бегут быстрее. Этим, в частности, можно объяснить то, что в ходе Олимпиады в Мехико (расположенном на высоте 2250 м) спортсменам удалось поставить целый ряд выдающихся мировых рекордов[55].
А что же в машинах плохого?
Ездить на машине – почти то же самое, что быть человеком-снарядом. Автомобиль может нести вас над землей с огромной скоростью, преодолевая большие расстояния на одной заправке. Если бак вашей машины вмещает 70 л, а расход топлива составляет 7 л на 100 км, на одном баке вы можете переместиться на 1000 км. Остановившись для заправки всего четыре раза, вы можете пересечь США от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса.
Звучит впечатляюще, но на самом деле не так уж автомобиль и замечателен, как кажется. Конечно, если вы задались целью пересечь Америку, то он гораздо удобнее велосипеда. Во всяком случае, тогда, когда вы не готовы прикладывать сверхчеловеческие усилия. Здесь автомобиль, безусловно, самое быстрое и удобное средство передвижения, если не брать в расчет самолет или поезд.
Но представьте себе такую картину: вы хотите забраться на Эверест, и у вас есть три варианта – пешком, на велосипеде или на машине. И здесь сразу же приходит мысль: «Неужели мне необходимо тащить наверх весь этот металлолом?» Нести вверх велосипед – тоже удовольствие сомнительное, но если вы едете в гору на машине, то поднимаете не только свой вес, но и массу всего автомобиля (около 1,5 т). В этом и заключается его недостаток. Куда бы вы ни поехали на машине, вы чувствуете себя узником, к ноге которого цепью прикован металлический шар размером 4–5 м, весящий в 20 раз больше, чем вы сами. Если вы все же умудритесь добраться до вершины горы, то будете понимать, что 95 % потребленной энергии было истрачено впустую на подъем самой машины. И только 5 % тратятся на полезную работу, которая для вас важна: перемещение вашего тела на вершину. Именно поэтому автомобили пожирают столько бензина и потребляют столько воздуха. То, что я сказал о подъеме в гору, применимо к поездке на автомашине по любой поверхности. Куда бы вы на машине ни отправились, вы тащите с собой целую гору металла и тратите на это ценную энергию. И совсем неслучайно, что спортивный суперкар Ariel Atom, одна из самых быстрых машин в мире, является в то же время одной из самых легких. Она весит около 500 кг, от четверти до трети массы обычного малолитражного автомобиля[56].
▲ Почему автомобили такие тяжелые? Три четверти веса среднего автомобиля составляют сталь, железо и алюминий. Стальной корпус весит треть автомобиля, железный двигатель – около 15 %[57].
Одним словом, во всех автомашинах, работающих на углеводородах, есть один громадный недостаток: они слишком тяжелы. И этот вывод мы можем сделать сразу, еще не разбирая подробно других причин их неэффективности. Фундаментальная проблема автомобилей заключается в том, что они используют только 15 % энергии, заключенной в бензине. Остальное теряется разными способами: потери производимого тепла в цилиндрах, потери на трение в механической части, даже на звук, который издает двигатель, на работу электросхемы и т. д. Если бы коэффициент полезного действия автомобиля составлял 100 %, а энергия жидкого топлива полностью преобразовывалась в кинетическую, наши машины покрывали бы на том же количестве топлива в 5–10 раз большее расстояние. Это значит, что одной чайной ложки бензина нам хватало бы на полкилометра, а то и больше.
