Вступление
На днях посмотрел перевод видео канала Veritasium про ветромобиль, который, используя ветер, разгоняется быстрее ветра.
Вот это видео:
Ссылка на оригинал: Veritasium
Если вы не посмотрели видео, то вряд ли сможете понять, о чём статья.
После просмотра я был обескуражен, т.к. не понимал, если же ветер толкает, то как можно разогнаться быстрее него? От куда берётся дополнительная энергия? Неужели это энергия ниоткуда? В видео приводится объяснение, как работает механизм, но оно, как по мне, очень непонятное и не отвечают на вопрос "откуда берётся энергия?".
Это видео настолько сконфузило меня, что всю ночь я не мог уснуть, пытаясь ответить себе на этот вопрос, пытаясь представить понятную модель описывающую происходящее. В итоге под утро я всё же нашёл решение и со спокойной душой уснул. Проснувшись я решил поделится с такими же жаждущими умами своим решением. Было бы у меня много времени, я бы попытался смонтировать ролик, но к сожалению времени у меня нет, поэтому держите статью.
Объяснение
Первое, что нужно знать, это понятие потенциальной энергии. Начнём издалека - очень важно посмотреть на всё это под другим углом. Рассмотрим изображение:
Красная линия обозначает замкнутость системы. Шарик, который будет принимать на себя кинетическую энергию обозначен зелёным.
1) На первом изображении видим, что шарику есть куда двигаться, и его потенциальная энергия положительна, и со временем он будет скатываться превращая потенциальную энергию в кинетическую.
2) На втором изображении наш шарик находится на той же высоте, но ему некуда скатываться, а соответственно, его потенциальная энергия равна нулю.
3) На третьем изображении наш шарик находится ниже, чем в предыдущих двух случаях, но зато ему есть куда скатываться, а следовательно, у него потенциальная энергия будет больше даже чем в первом случае.
Эта аналогия ярко описывает принцип работы всех генераторов. По сути генератор получает энергию от относительной разности параметров а не абсолютных значений параметров. Не важно, как высоко шарик, важно то, может ли он эту высоту использовать?. В качестве таких параметров могут служить: температуры, давления, импульсы, электромагнитные силы, молекулярные и атомные силы и т.д. Это всё к тому, что важно понимать, что вся кинетическая энергия берётся не от абсолютных значений, а от относительных.
Возьмём, например, гидрогенераторы. Они работают на разности давлений:
Опять же зелёным изображен объект, который будет принимать на себя кинетическую энергию (вентилятор).
И хотя давление на первом изображении выше чем на втором, но энергии мы больше получим из второй системы, так как разница давлений в ней больше.
Возможно вы уже поняли решение? Если нет, то продолжим.
Теперь возьмём двигатель Стирлинга (не буду рассказывать, как конкретно он работает, если захотите, сами найдёте). Этот двигатель работает на разности температур. Помним, что высокую выходную энергию дают не высокие температуры, а их разность. Если две среды будут иметь одинаковую высокую температуру, то мы не сможем вычленить кинетическую энергию из системы, так как потенциальная энергия системы будет равна нулю.
Зная это, давайте смоделируем машину на этом двигателе. Допустим у нас есть длинная дорога . Сама дорога чёрная и от этого быстро нагревается до очень высоких температур. Допустим на улице 30 градусов, а дорога раскалилась до 80-и. Теперь мы можем взять двигатель Стирлинга, описанный выше, и встроить его в машину. Так мы получим машину, двигатель которой будет работать смешивая температуру дороги и воздуха.
Важно понимать, что в замкнутой системе, рано или поздно, наша машина распределит температуру равномерно между дорогой и воздухом и перестанет ехать. Но если наша система открыта и дорога постоянно разогревается солнцем, то и машина будет ехать "вечно".
Принцип работы машины в видео
Аналогичным образом работает машина, показанная в видео, только вместо разности температур она будет использовать разность направленного движения (дороги и ветра). Здесь важно понять, что мы не используем ветер в качестве чего-то, что нас толкает.
Но даже так нам сложно будет понять, как именно работает машина из видео. Поэтому, для начала, предлагаю взять немного другую модель машины, которая едет против ветра.
На машине у нас будет стоять ветрогенератор, который будет передавать энергию машине, и машина будет ехать против ветра. Если вам вдруг кажется, что против ветра ехать невозможно, то вот упрощённая схема работы машины.
Мы можем изменить инерциальную систему и рассмотреть всё, как будто ветер на месте, а движется земля в противоположную сторону, либо взять что-то среднее: земля движется в половину скорости в одну сторону, а воздух в половину скорости в другую:
Именно эта модель наглядно показывает как наша машина превращает разность направлений ветра и земли в механическую энергию для своего перемещения, практически аналогично машине с двигателем Стирлинга (в одном случае разность температур, в другом разность направлений движения). Наша машина пользуется этой разностью и замедляет ветер и землю.
В закрытой системе, рано или поздно, наша машина сравняла бы направления ветра и земли и остановилась бы. В реальности, изменения скорости ветра и змели будут настолько незначительными, что мы этого даже не заметим.
А теперь рассмотрим эту систему в инерциальной системе, где воздух не движется, а земля движется:
Мы помним, что у нас абсолютно ничего не поменялось, просто мы наблюдаем с другого ракурса. Но тогда мы замечаем, что земля, которая движется в нашем направлении даёт нам скорость больше своей. Относительно воздуха мы движемся быстрее земли...
Ни на что не похоже??))
А теперь финальный этап... меняем местами небо и землю:
Вот окончательный вариант, по которому работает наша машина. Внимательно рассмотрите изображение и попробуйте понять как так получилось.
Перевернём нашу картинку:
Как и в начальных условиях, наша машина движется по направлению ветра, но быстрее него, и при этом никакие законы физики не нарушаются.
Если у вас всё же осталось сомнение, то просто снова измените инерциальную систему где воздух стоит на месте, а земля движется:
Можно грубо привести аналогию с начальным вариантом машины:
В начале у нас машина ехала против ветра, принимая энергию ветра и тратя её на отталкивание колёсами от земли;
Сейчас у нас машина едет против движения земли, принимая энергию земли через колёса и тратя её на отталкивание лопастями от воздуха.
Интересное замечание
Так как такая конструкция подразумевает в себе именно отталкивание от воздуха, то нам не обязательно использовать именно лопасти, как сказано в видео. Мы можем использовать любой способ отталкивания от пространства:
крылья;
лопасти;
реактивная тяга (осьминоги, медузы);
отталкивание хвостом (рыбы, дельфины);
Итоги
1) Конструкция из видео работает не как парусник. Ветер не толкает нашу машину. Правильнее всего сказать, что машина преобразует разность направления ветра и земли, а полученную энергию тратит на движение, отталкиваясь от воздуха.
2) Так как мы используем разность движения двух сред, то данный аппарат обязательно должен быть на стыке двух сред (воздух-вода, воздух-земля, вода-земля. Не получится сделать чисто летательный либо чисто подводный плавательный аппарат на этом принципе.
3) Так как мы используем разность направлений движения сред, чтобы получить энергию, то в итоге мы смешиваем импульсы этих сред, замедляя ветер и землю. Если бы это происходило в идеальной закрытой модели, то со временем мы бы полностью сравняли скорости земли и ветра.
Вот и всё объяснение. Я надеюсь, что вы поняли принцип работы аппарата. Если где-то ошибки и опечатки - пишите, буду исправлять.