Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

Колко бързо може да се движим?
Голяма част от живота ни преминава на път. Понякога пътуванията са вълнуващи, но най-често са досадни и искаме да приключат възможно най-бързо. Днес ще... Колко бързо може да се движим?

Голяма част от живота ни преминава на път. Понякога пътуванията са вълнуващи, но най-често са досадни и искаме да приключат възможно най-бързо. Днес ще научите каква е максималната скорост, която можете да достигнете с различни средства за придвижване.

Всеки ден вие изминавате пеша около 4 km със средна скорост около 4,5 km/h. Много или малко е това? Относителен въпрос, но тази скорост всъщност не е чак толкова ниска, колкото сме свикнали да си мислим. Ако искаме да обиколим земното кълбо по екватора, движейки се непрекъснато с 4,5 km/h, ще ни е нужна само малко повече от година (370 дни по-точно), за да изпълним целта си. Ала понеже никой не ходи неперекъснато, ние изминаваме същото това разстояние за около 27 години.

Точно на толкова години е и Юсеин Болт – най-бързият човек на Земята. През 2009 г. той постави рекорд по бързина, изминавайки 100 m за 9,58 s, което означава, че средната му скорост за тази дистанция е била 37,6 km/h. Впечатляващ резултат наистина, но погледнато от друг ъгъл с подобна скорост се движат и автобусите на градския транспорт, а те определено не навяват асоциации за бързина.

Ясно е, че за да се придвижим по-бързо ни трябва помощ. Помощ, която още от древността сме открили в способностите на коня и за дълги векове той е бил най-бързото ни средство за транспортиране. Историята не помни колко е най-високата скорост, развивана някога от ездач на кон, но регистрираният рекорд  е 89 km/h за 400 m. Подобна скорост между другото можете да развиете и сами със собствените си сили. За целта ви е нужен само велосипед.

Малко известен факт е, че велосипедът е най-ефективното транспортно средство. Близо 99% от енергията, която създават краката ви се предава на колелата на велосипеда (предавките  влошават този процент, но не много). За сравнение енергията на двигател с вътрешно горене, която отива за полезна работа, е около 20-30%, а още по-малка част се използва за самото движение. Ако сте трениран колоездач и използвате специален велосипед с обтекател, така че да минимализирате въздушното съпротивление, бихте могли да развиете по равен път скорост над 100 km/h. А ако се спускате по подходящ хълм дори с обикновен велосипед такава скорост е постижима (обаче не препоръчваме да се пробвате). Спускайки се от вулкан през 2011 г., MTB колоездачът Marcus Stöckl постави рекорд, достигайки 164,95 km/h (гледайте видеото)!

[youtube_sc url=“http://www.youtube.com/watch?v=6jHHcAPbDdg“ width=“640″ rel=“0″ fs=“0″]

Хубавото на задвижването чрез мускулна сила, каквито примери разгледахме досега, е че то е екологично и здравословно. Лошото е, че подобни скорости са възможни само за много кратки интервали от време. За да решим този проблем, трябва да изоставим мускулната сила и да потърсим енергия за задвижването си по друг начин. Трябва ни двигател. Всички двигатели, които използваме днес, работят на един от двата принципа – чрез загряване на работно вещество (топлинни машини)  или чрез електро-магнитна индукция (електрически машини). Най-популярните представители от първия вид вече повече от век са двигателите с вътрешно горене (ДВГ).

А едни от най-изпипаните ДВГ се конструират и използват във Формула 1. Регламентът на състезанието е суров и задължава конструкторите да използват 8-цилиндров, 2,4-литров двигател с максимум на оборотите до 18 000 об/мин. Но дори при тези ограничения двигателите могат да произвеждат мощност до 900 к.с. Официалният рекорд за най-висока достигната скорост във Формула 1 е 372,6 km/h, на името на Хуан Пабло Монтоя през 2005 г. за Макларън-Мерцедес.  Което пък е с цели 58,472 km/h по-малко от максималната скорост на най-бързата кола в масово производство  – Bugatti Veyron.

Може и да притежавате Bugatti Veyron, но това не означава, че пак няма да висите в задръстване. Снимка: Malcolm Bull 

Ала тази суперкола също бледнее пред експерименталните автомобили, които се създават с една-единствена цел: да поставят рекорди. Най-високата скорост на автомобил  (с ДВГ, задвижващ колелата му) е регистрирана през 2008 г. – 669,319 km/h. Някъде тук е и теоретичната граница на максималната скорост за кола с относително стандартен ДВГ.

Burkland 411 Streamliner – най-бързият автомобил с ДВГ 

Тази кола има мощен двигател, но той е нищо в сравнение с най-мощния ДВГ, произвеждан някога. Само че, най-мощният ДВГ движи не автомобил, а кораб. И е огромен. Запознайте се с Wärtsilä-Sulzer RTA96 . Оборотите на този двигател са повече от скромни – само 102 об/мин, но за сметка на това мощността му е чудовищна – цели 80 мегавата или 187 282 к.с. Достатъчно за електроснабдяването на един малък град.

Коляновият вал на двигателя… 

…И неговите Цилиндри.  

Но да се върнем на скоростните автомобили. С увеличаване на скоростта се появяват няколко сериозни проблема – ДВГ трябва да работи в прекалено екстремен режим и бързо се разрушава, а пък самата кола проявява неудържимо желание да излети. Решение на първия проблем е използването на друг вид топлинна машина – турбореактивен двигател, а решение на втория проблем е аеродинамиката. Турбореактивните двигатели (ТРД) на пръв поглед не приличат много на ДВГ. Най-общо те могат да се оприличат на една тръба, чиято вътрешност първоначално се свива, а след това се разширява. В нея се засмуква въздух, който се компресира, докато се придвижва навътре в свиващата се тръба; в най-тясното сечение се впръсква и възпламенява гориво; а в изходящия край на тръбата въздухът се разширява и ускорява. Тези двигатели се наричат реактивни, защото двигателната сила се получава като реакция на изхвърляните газове. Това е и най-основната разлика с ДВГ – при ДВГ енергията от горенето отива единствено за въртенето на коляновия вал и от там към колелата, които движат автомобила. При ТРД това преобразуване на енергията, съпроводено със значителни загуби, е излишно – автомобилът с ТРД се движи само благодарение на реакцията от изхвърлените газове, а колелата единствено спомагат движението. И може да се ускори до впечатляващи скорости (1 223,657 km/h е рекордът на ThrustSSC – вижте как тази „кола” чупи звуковата бариера на видеото долу).

[youtube_sc url=“http://www.youtube.com/watch?v=TYEtQGLzvkI“ width=“640″ rel=“0″ fs=“0″]

По-труден е въпросът със задържането на земята. В този случай аеродинамиката решава обратната задача, която решава при създаването на самолети. Докато при самолетите формата им трябва да е такава, че обтичащият ги въздух да ги бута нагоре, то при колите формата им трябва да кара въздуха да ги притиска към земята. Това е предназначението на спойлерите, които се слагат на спортните автомобили, но при толкова високи скорости и те не решават проблема. Каросерията трябва да бъде максимално близо до земята, а въздухът, който минава под нея, трябва да се ускори допълнително чрез устройства наричани дифузьори (по-високата му скорост води до по-ниско налягане, така че въздухът, обтичащ колата отгоре, я притиска).

Обаче за да се движим наистина бързо, не трябва да пречим на нашето МПС да излети. Днес самолетите са най-бързото транспортно средство, което може да се използва от обикновени хора. Стандартните пътническите самолети, оборудвани с ТРД, летят със скорости до около 840 km/h, което изглежда е напълно достатъчно за повечето от нас. Не че не може и по-бързо – проблемът е, че по-високата скорост струва солено. Такъв е случаят на Конкорд – най-известният свръхзвуков пътнически самолет (но не и едниствен – съветският му аналог се нарича Ту-144). Конкорд можеше да лети със скорост от 2 158 km/h, при което разстоянието от Лондон до Ню Йорк се взимаше за по-малко от три часа или иначе казано: повече от два пъти по-бързо в сравнение с „нормален” самолет. Проблемът е, че цената на билета за Конкорд беше около пет пъти по-висока в сравнение с тази за „нормалния” самолет. А ситуацията е такава, че губите време, докато стигнете летището, след това губите време, докато се чекирате и накрая губите време, докато се настаните в самолета. Загуби, които са съпоставими с времето за самия полет с Конкорд. Така че макар и в началото този самолет да се е радвал на силен интерес, той бързо е изстинал (за което също така допринесе ужасната катастрофа през 2000 г.) и се е оказал финансово нерентабилен. Последният полет на Конкорд през 2003 г. бележи тъжния край на гражданската свръхзвукова авиация (засега!).

Конкорд в небето. Снимка: museumofflight.org

А какво означава „свръхзвуков”? Такъв, който се движи със скорост в материална среда, по-голяма от скоростта, с която се разпространяват звуковите вълни в същата материална среда. Това, което наричаме звук, е трептение на градивни частици, така че в зависимост от това как са подредени тези частици (дали средата е твърда, течна, газообразна или плазма) скоростта на звука силно се различава. Тя е най-висока е при структурите с твърд, кристален строеж и най-ниска при газообразните вещества (виж таблицата). За въздуха при 15 градуса на морското равнище тази скорост е 340 m/s (1 224 km/h).

 

Характерна особоненост за въздуха е, че скоростта на звука в него намалява с намаляване на плътността му, което става с увеличаване на надморската височина или с увеличаване на температурата. Именно този факт използва австриецът Феликс Баумгартнер при своя скок от 39 km височина, превърнал го в първия човек, преминал свръхзвукова скорост без помощни средства (е, освен гравитацията:)). Разреденият въздух, в който той падаше, му помогна да се ускори до голяма скорост, понеже и въздушното съпротивление в такива условия е минимално. Баумгартнер достигна 1 357,64 km/h, което за височината, на която се е намирал в този момент, (около 10 000 m) е цели 1,25 пъти повече от местната скорост на звука.

В аеродинамиката скоростите под или над скоростта на звука е прието да се отчитат с един коефициент, наречен число на Мах. Числото на Мах (бележи се с М) се дефинира като отношение на скоростта, с която се движим, спрямо местната скорост на звука. Тоест М = 1 (чете се „Мах 1”) означава, че се движим със скоростта на звука, а по-голяма стойност – че движението ни е свръхзвуково. Това е изключително важен параметър, защото параметрите, от които зависи полетът на самолетите, се определят от скоростта на самолета спрямо въздуха (т.е. чрез скоростта на звука), а не спрямо земята. Освен това тези параметри при дозвукови скорости, драстично се различават, от параметрите на полета в свръхзвуков полет.

Съвремените пътнически самолети летят на границата на дозвуковите скорости при М = 0,85. Военните свръхзвукови самолети от своя страна могат да достигнат типични максимални полетни скорости от М = 2,5 до 3, което на височина 18-20 km е към 2 600 – 3 100 km/h. Най-бързият пилотируем самолет с ТРД, създаван някога е Lockheed SR-71 Blackbird. През 1976 г. това чудо успява да достигне  3 529,6 km/h или M = 3,3.

Lockheed SR-71 Blackbird. Снимка: Judson Brohmer/USAF 

Lockheed SR-71 Blackbird може да мине за стандартен самолет, доколкото стандартният самолет използва подемна сила за полета си и има ТРД. При по-висока скорост обаче един такъв стандартен самолет ще изпитатва непреодолими проблеми. От същия род като проблемите, пред които са изправени стандартните автомобили при високи скорости. Единият е свързан с двигателя – ТРД става неефективен, тъй като за да летим с висока скорост, трябва да се издигнем високо, а там въздухът е с ниска плътност и реактивната сила, която се създава при изтласкването му от ТРД, е недостатъчна. Другият е свързан с взаимодействието на атмосферата – самолетът се нагрява значително, а освен това управлението му при много високи, хиперзвукови скорости (над М = 5) е изключително трудно.

За да се придвижим по-бързо от това, трябва да избягаме от атмосферата, тъй като тя само ще ни пречи. Което към настоящия момент е възможно единствено с чист реактивен ракетен двигател. Той се различава от турбореактивния двигател по това, че реактивната сила се получава от изхвърлянето чрез изгаряне на гориво и окислител, които се намират във вътрешността на ракета. Астронавтите, които отиват в космоса с такива ракети, се ускоряват до скорости от порядъка на 28 000 km/h. Чувалили ли сте за Томас Стафорд, Джон Йънг и Юджийн Сърнан? Това са хората, достигнали най-високата скорост в историята на човечеството. Тримата съставляват екипажа на американската мисия Аполо 10, която облита Луната и е генерална репетиция за стъпването там. Когато Аполо 10 се завръща на Земята и навлиза в земната атмосфера, този кораб развива скорост от 39 896 km/h.

Аполо 10 се завръща на Земята. Снимка: NASA 

Технологиите, с които разполагаме сега, не позволят да се движим по-бързо от това. Но всъщност докато в този момент си седите пред компютъра и не помръдвате, вие се движите. При това шеметно бързо. Нашата планета Земя прави една обиколка около оста си за 24 часа и вие се въртите с нея. Това означава, че ако се намирате в България или на същата географска ширина, линейната ви скорост е около 1 240 km/h. Имаме късмет, че атмосферата също се върти заедно със Земята, защото в противен случай щяха да ни брулят свръхзвукови ветрове. Обаче самата Земя не се върти само около оста си. Тя обикаля и Слънцето. За една година планетата ни, намираща се на 150 000 000 km от Слънцето, трябва да се върне там, където е била преди година. А за да бъде възможно това, тя се движи със скорост от 107 000 km/h около Слънцето. Както и вие.

Движението е относително. В този случай ние сме избрали Слънцето за отправна и неподвижна точка и спрямо него измерваме тази скорост. Което обаче противоречи на истината. Слънцето също се движи, при това много по-бързо. То обикаля около центъра на Млечния път със скорост от 792 000 km/h. И Земята с него. А вие със Земята.

Но кой е казал, че самият Млечен път не се движи? Обратното – твърдят, че и нашата галактика се премества в пространството. Проблемът тук е да се каже спрямо какво. Ние не разполагаме с някаква универсална отправна точка, за която да знаем със сигурност, че е неподвижна, така че да си мерим спрямо нея скоростта. Дори да има такава точка не е възможно да се докаже, че тя е неподвижна, а ние се движим. Също толкова вярно е, че точката се движи спрямо нас, а ние сме тези, които не мърдат. Най-близкото до отправна неподвижна точка, с което учените разполагат, е нещо, наричано космически микровълнов фон. Това е лъчение, което има еднакви характеристики, където и да се намирате във вселената. Ако скоростта на галактиката ни се измерва спрямо него, то ще се окаже, че тя се движи с 2 100 000 km/h (580 km/s). Точно така – следващият път, когато попаднете в задръстване, можете да се утешите с мисълта, че вие всъщност изминавете 580 km всяка една секунда. В широкия смисъл на думата.

avatar

Еmil Petkov

Емил е авиационен инженер, който се опитва да предаде тук своите знания и опит. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

No comments so far.

Be first to leave comment below.

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

css.php
Page generated in 0,273 seconds. Stats plugin by www.blog.ca