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

Предположим, обычный городской семейный седан потребляет примерно 7 л бензина на 100 км. Это значит, что чайной ложки топлива (около 0,004 л) достаточно, чтобы сдвинуть автомобиль на 60 м, примерно на 15 его корпусов. Представьте себе, как трудно тронуть машину с места, и я уверен, что вы согласитесь: это удивительно. Бензин – замечательное вместилище энергии: это второе по энергоемкости вещество на земле, уступающее по этому показателю только урану (атомная энергия). И это гораздо лучше, чем любая другая причина – включая свободу передвижения, независимость и социальный статус, которые дает автомобиль, – объясняет его популярность.

Дышите глубже

Автолюбители никогда не отправляются в дальний путь, не бросив взгляд на указатель бензина. Закон сохранения энергии подсказывает нам, что машина не уедет далеко без энергии, «упакованной» в топливо. Гораздо менее очевидно, что машины нуждаются в воздухе, чтобы дышать. Совсем как люди. Процесс сгорания топлива в цилиндрах – химическая реакция между углеводородами (молекулами, в состав которых входят углерод и водород) в бензине и кислородом, содержащимся в воздухе. Если вокруг вас нет воздуха, вы никуда не уедете. Сколько же воздуха нужно машине? Спортивный автомобиль потребляет в минуту порядка 6000 л воздуха, что в 250 раз больше, чем за то же время использует велосипедист[53]. Так что, если вы проехали на своей машине без остановки около восьми часов, она всосала в себя столько воздуха, сколько содержится в олимпийском плавательном бассейне.

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].