Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Легко увидеть, как мы остаемся в строгих рамках этого закона, если сравнить силу, скорость и энергию на педалях велосипеда и его заднем колесе. Предположим, вы двигаетесь на высокой передаче по ровной дороге. Возможно (например), вы делаете один полный оборот педалей, а заднее колесо делает при этом два оборота. Так вы увеличиваете свою скорость вдвое и вдвое же уменьшаете силу, приходящуюся на заднее колесо. Вы нажимаете на педали с определенной силой и каждый раз затрачиваете на один поворот колес велосипеда определенную энергию. Энергия, нужная вам для того, чтобы совершить определенную работу (например, поднять апельсин), равна применяемой вами силе, умноженной на расстояние, на котором вы ее используете (насколько высоко вы поднимаете тот же апельсин). На колесах велосипеда сила уменьшается вдвое, зато скорость вдвое возрастает. Последнее подразумевает, что за то же время вы преодолеваете вдвое большее расстояние. Таким образом, вы используете половину силы для прохождения вдвое большего расстояния, что равнозначно использованию изначальной силы для преодоления изначального расстояния. Следовательно, вы тратите точно такое же количество энергии. Ура! Законы физики вновь доказали свою жизнеспособность.

Почему ездить на велосипеде так трудно?

В езде на велосипеде замечательно то, что это занятие чрезвычайно эффективно с точки зрения физики. Автомобиль весит где-то в 20 раз больше, чем вы, а вес велосипеда составляет от одной пятой до четверти вашего веса. То есть обычная машина весит в 100 раз больше обычного велосипеда, даже если вы единственный пассажир[45]. Когда вы движетесь вверх по склону холма, то поднимаете несколько металлических или алюминиевых трубок, два круга резины, немного пластика и несколько десятков тонких спиц. Когда же вы едете вверх по тому же склону на автомашине, то преодолеваете силу земного тяготения для массы в одну или две тонны. Попробуйте подтолкнуть вверх заглохшую машину (я однажды так делал), и вы быстро ощутите разницу.

По сравнению с ездой на машине прогулка на велосипеде кажется чем-то почти невесомым. Но если вы понаблюдаете за профессиональными велогонщиками-шоссейниками или любителями езды по горам, то отметите, что они трудятся изо всех сил. Почему? Их тяжелая работа подразумевает, что, помимо перемещения собственного веса и веса велосипеда, они на что-то еще затрачивают много энергии. Куда она девается? Может показаться, что, поднимаясь вверх по склону на велосипеде, мы теряем энергию. Но это не так. Вы сопротивляетесь силе земного притяжения, но приобретаете энергию потенциальную. Это значит, что вы можете со свистом спуститься по противоположному склону холма, не затрачивая почти никаких усилий. В это время потенциальная энергия перейдет в кинетическую. Так что в целом потери энергии в процессе путешествия будут незначительными. И все же ясно, что при езде по любой местности велосипедисты безвозвратно теряют часть энергии. Куда же она уходит? При езде на велосипеде есть три пути потери энергии: трение, сопротивление ветра и сопротивление качению.

Трение

Как вы уже знаете из предыдущей главы, принцип работы колеса состоит в том, что трение передвигаемого тела о землю переносится на трение вокруг осей транспортного средства. При езде на велосипеде энергия теряется на сопротивление трению в каретке, когда вы крутите педали; в осях самих колес, в оси руля при поворотах и т. д. Когда вы нажимаете на рукоятку тормоза, то сдавливаете обод колеса твердыми резиновыми пластинами, и велосипед останавливается. Кинетическая энергия при этом превращается в тепловую, которая нагревает и тормозные колодки, и сами колеса. Это тоже потери энергии. И они могут считаться безвозвратными: вы никак не можете с пользой применить ту же тепловую энергию, образующуюся при езде.

Сопротивление воздуха

Одно из высших удовольствий при езде на велосипеде – ощущение упругого давления встречного воздуха на лице и теле. Но тут тоже тратится энергия. Когда вы идете пешком, воздух кажется вам невидимым, «ничем», которое служит одной цели: дать вам возможность дышать. Но это не вакуум: воздух полон молекул, которые находятся на вашем пути. Идти в воде гораздо труднее: вы должны проталкивать тело сквозь вязкую жидкость. Езда на велосипеде сродни движению в воде. Всё дело в степени различия. Разумеется, она не требует стольких же усилий и таких же потерь энергии. Но какое-то ее количество все равно теряется. Чем быстрее вы едете, тем больше сопротивление воздуха и тем больше энергии вы теряете. Спортсмен, мчащийся на гоночном велосипеде на высокой скорости, около 80 % энергии, которую он затрачивает на вращение педалей, использует для того, чтобы «пробить» путь сквозь воздух. На горном велосипеде на это уходит около 20 % вашей энергии: его скорость относительно невелика из-за ям и рытвин на горных дорогах[46].

Сопротивление качению

Куда же уходит 80 % энергии (в случае горного велосипеда) или 20 % ее же (в случае велосипеда гоночного)? Вам доводилось месить тесто для хлеба? Пробовали ли вы в течение нескольких минут подряд переминать слои теста? Это на удивление тяжелая работа, ведь вам приходится все время менять порядок молекул в массе, сближая одни и отдаляя другие. При этом тесто приобретает вид, очень далекий от изначального. Меняется и его структура: ведь вы проделали большую работу и вложили в нее много энергии. Езда на велосипеде очень напоминает этот процесс. Вы заставляете колеса вращаться, и шины и находящийся в них воздух постоянно подвергаются растяжению (вверху) и сжатию (внизу). Вращение шин требует энергии. Она затрачивается на преодоление сопротивления качению. Если тесто после разминания становится более упругим, то езда на велосипеде никак не меняет шины. При этом затрачиваемая энергия переводится в тепло (и звук) при растяжении и сжатии шин. Толстые и плотные шины горного велосипеда имеют более высокое сопротивление качению, чем тонкие и эластичные шины велосипеда гоночного. Оставшаяся часть вашей энергии, затрачиваемой на езду на велосипеде, расходуется на преодоление сопротивления качению. На горном велосипеде на это уйдет 80 %, а на гоночном – 20 % энергии.

Энергетический кризис?

Можно ли что-то сделать, чтобы уменьшить потери энергии при езде на велосипеде? Если энергия у нас теряется тремя способами, то и сохранять ее мы можем тоже по трем направлениям.

Борьба с трением

На первый взгляд борьба с трением должна быть самой легкой задачей: вам всего лишь нужно как следует смазывать втулки, передачи и цепь. Но те потери, которые связаны с работой подшипников, шестеренок и т. п., – самые легкие заботы. Гораздо большие потери от трения происходят, когда вы тормозите и растрачиваете впустую весь импульс, который приобрели. При этом вы безвозвратно переводите его в тепло. Опытные велосипедисты стараются избежать этой проблемы, минимизируя необходимость торможения. Обычно вы заранее можете предвидеть, когда нужно будет остановиться (например, на светофоре), и заблаговременно снижаете усилия, прилагаемые к педалям. Тормоза-то вы используете реже, но это не спасает вас от потери кинетической энергии при остановке. Здесь вы ничего не можете поделать. Гибридные автомашины и электропоезда используют так называемое регенеративное (рекуперативное) торможение: энергия торможения преобразуется в электрическую и накапливается в специальных аккумуляторах для повторного использования. Как мы увидим в следующей главе, эта техника очень эффективна для больших и тяжелых транспортных средств, перемещающихся с высокой скоростью (там доля регенерируемой энергии велика). Но она не очень хорошо работает в случае легких транспортных средств, двигающихся на относительно малых скоростях с небольшой энергией (велосипедов в том числе).