Заполненное летучей жидкостью капиллярное волокно необходимо соткать в махровую ткань типа полотенечной. При достаточно аккуратном переплетении чередующиеся сужения и клапаны окажутся в плоскости основы, а петельки трубчатого волокна будут выступать по обе стороны ткани. Представьте теперь, что из этой ткани сшиты штаны. При малейшем движении их владельца волокна ткани будут изгибаться, изменяя тем самым внутренний объем каждой петельки наподобие манометрической трубки Бурдона. Соответственно каждая петелька станет действовать как крошечный перистальтический насос. Пары фтористоуглеродного соединения, содержащиеся внутри петельки на лицевой стороне, будут сжиматься и проходить через односторонний клапан в изнаночные петли, где произойдет их конденсация в жидкость, а тепло, соответствующее скрытой теплоте конденсации, перейдет на кожу человека. При обратном движении объем и лицевых петельках увеличится и жидкость из изнаночных петель станет перетекать через сужения в лицевые петли, где она вновь испарится, отбирая тепло от окружающей среды. Таким образом, любое движение хозяина этих необыкновенных брюк должно приводить в действие тепловой насос. На каждую калорию энергии механического движения тепловой насос может перекачивать до десяти калорий тепла. Штаны компании КОШМАР блестяще разрешат противоречие между удобством и модой. Самые обычные движении — ходьба или даже просто дыхание — будут прекрасно согревать человека, что позволит сэкономить много киловатт дорогостоящего центрального отопления. Более того, использование одежды с тепловым насосом может привести к совершенно неожиданным результатам, поскольку в этом случае при каждом движении тело человека получает больше энергии, чем расходует. К примеру, любители бега трусцой, нарядившись в новую одежду, рискуют набрать лишний вес!
New Scientist, February 28, 1980
Термодинамические принципы одежды с тепловым насосом. Производительность теплового насоса (отношение количества теплоты, переданной телу, к затраченной работе) в идеальном случае равна а=Твых/(Твых-Твх), где Твых и Твх — температуры соответственно на выходе и на входе насоса. Принимая Твых = 36°С = 309°К, Твх = 10°С = 283°К, получим а = 12,3 Дж/Дж. На практике это значение недостижимо, но даже и 10 Дж тепла на 1 Дж механической работы — это очень неплохо. В качестве рабочего тела, по-видимому, лучше всего использовать фреон-114 (дихлортетрафторэтан), который кипит при 4°С. Для полярной одежды, однако, больше подойдет хлортрифторэтилен (Ткип = –28°С).
Изготовление волокна. В технологии химических волокон, как правило, единственным надежным советчиком может быть только опыт. Но, если повезет, резкий отброс фильеры назад даст на волокне сужение:
а при резком движении вперед получится односторонний клапан:
При помощи пьезоэлектрических вибраторов можно добиться любого заданного движения фильер, так что желаемого результата наверняка удастся достичь.
Действие теплового насоса. Насколько эффективными окажутся «петельчатые» тепловые насосы? Боюсь, что эффективность их невелика — только резкое изгибание основы (на складках, крупных суставах и т. д.) приведет к существенному изменению объема лицевых петель. Лучше, пожалуй, ткать петельчатую ткань таким образом, чтобы каждая петелька имела излом; тогда при малейшем изгибе основы ткани излом будет перемещаться по петельке, превращая ее в настоящий перистальтический насос. Еще эффективнее может оказаться косое перемещение волокна, вызываемое трением ткани о кожу. Поскольку такие движения охватывают большую площадь, общее количество перекачиваемого тепла будет гораздо больше и к тому же распределится более равномерно. Неважно, что изломы будут перемещаться, открываться и закрываться совершенно произвольным образом: односторонние клапаны обеспечат перекачивание жидкости в требуемом направлении.
Еще одно достоинство. Мы инстинктивно потираем те участки тела, которые мерзнут. При этом лицевые петли ткани разглаживаются и действие теплового насоса становится особенно интенсивным. Соответственно это будет эффективно согревать обладателя такой одежды даже в сильный мороз[4]. Нужно отметить, что для экспериментальной проверки рассмотренной здесь идеи больше подойдут не брюки, а носки и перчатки, поскольку они защищают конечности, которые замерзают особенно быстро и вместе с тем наиболее подвижны.
Усмирение кильватерной струи
Дедал размышляет над тем печальным фактом, что коэффициент полезного действия любого средства передвижения равен нулю. Действительно, на перемещение автомобиля, самолета, корабля затрачивается энергия, однако в пункте назначения энергия транспортного средства ни на йоту не больше, чем там, откуда мы начали путь. Вся затрачиваемая энергия превратилась в пути в бесполезное тепло. Основная причина потерь энергии кроется в сопротивлении среды, где движущийся транспорт оставляет за собой след в виде воздушных или водяных вихрей. Дедалу пришло в голову, что, создав впереди траспортного средства дополнительные вихри, равные по силе существующим, но противоположно направленные, можно полностью успокоить среду. К сожалению, рассчитать заранее такие искусственные возмущения, которые необходимо создать перед движущимся транспортным средством, было бы слишком трудно. Придется установить позади транспортного средства датчики, регистрирующие остаточную турбулентность и управляющие действием генераторов вихрей, установленных впереди. При помощи соответствующей самообучающейся системы можно было бы добиться такого положения, когда показания датчиков близки к нулю. Такую задачу нетрудно решить, используя обратную связь с временной задержкой (поскольку пройдет какое-то время, прежде чем транспортное средство догонит и уничтожит возникающие перед ним вихри).
Поначалу Дедал был ошеломлен: подобный проект приводил к удивительным результатам. С одной стороны, антитурбулентный корабль (или любое другое транспортное средство) расходует дополнительную энергию на приведение в действие генераторов вихрей. С другой стороны, рассеяние энергии в среду отсутствует, так как за кораблем не остается никаких возмущений. Куда же девается энергия? Дедал пришел к выводу, что генераторы вихрей ускоряют судно: искусственно созданные волны и вихри, которые гасят турбулентные потоки позади судна, неизбежно должны сообщать ему ускорение, направленное вперед. Более того, отсутствие кильватерной турбулентности означает, что такой способ передвижения практически не требует энергетических затрат: мощность, затрачиваемая на создание вихрей впереди судна, идет на его ускорение[5]. Открываются огромные резервы экономии. Флот Дедала, движимый вынесенными вперед ластами и плавниками, будет легко скользить по воде, оставляя за собой ровную гладь. Спутный след самолета, кильватерная струя корабля, возмущения воздуха, производимые автомобилем, будут специально создаваться перед ними и тут же превращаться в полезную работу. Даже шум можно будет обратить на пользу.
4
К сожалению, проблема кпд теплового насоса до сих пор вызывает горячие споры (см., например, книгу [2], с. 268–275), кроме того, пережать капилляры простым трением руки, как предлагает Дедал, вряд ли возможно [3]. Инстинктивно потирая мерзнущие участки тела, едва ли можно пережать капилляр. —
5
Рассуждения Дедала полностью справедливы. Следует отметить, что именно строгая оценка потерь, связанных с образованием волн и вихрей, в значительной степени обусловила появление судов на подводных крыльях. Приоритет советских ученых в создании «безвихревых» судов бесспорен. —