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 непрекъснато, 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 минимизирате 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)!

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).

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 единствен – 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 изпитва 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 изминавате 580 km всяка една секунда. В широкия смисъл на думата.