Вводная часть
Наверняка бывшие школьники, а кто им не был, помнят два замечательных учебно-наглядных пособия из школьного кабинета физики. Это электрофорная машина, при вращении рукоятки которой вырабатывается высокое напряжение порядка 50 тысяч вольт (машины другой конструкции могут вырабатывать значительно больше).
Другое пособие – ручной электрогенератор, при вращении рукоятки которого горела подключенная к его выводам лампочка накаливания от карманного фонаря 3,5 В, 0,28 А. Отсюда можно сделать вывод о генерируемой мощности: 3,5 * 0,28 = 0,98 (Вт).
Также, у каждого мальчишки имелся велосипед, и его можно было оснастить фарой (с той же лампочкой 3,5 В 0,28 А); других просто не было, исключая экзотические 2,5 В 0,15 А (для фонариков с 2 элементами вместо 3) и 6,3 В, 0,3 А подсветки шкалы ламповых радиоприемников (исходя из напряжения накала электронных ламп).
Питалась фара от динамомашины (велодинамо), закрепленной на передней вилке велосипеда. Динамомашина вырабатывала переменный ток (лампочке накаливания, в отличие от светодиодов, без разницы, питаться постоянным или переменным током, а коллектор для выработки динамомашиной постоянного тока усложнил бы конструкцию и понизил надежность). Вращение на ротор динамомашины передавалось от переднего колеса посредством фрикционного привода.
Также, популярностью пользовался фонарик "жучок", не требовавший батареек. Ротор электрогенератора "жучка" приводился в движение работой кисти руки.
Итак, идея выработки электроэнергии мускульной силой человека витала в воздухе, и было бы странно, если ею не воспользовались военные. В отличие от современной техники на полупроводниковых приборах (транзисторах и интегральных схемах), приемники и передатчики ламповой эры требовали, как минимум, двух источников питания – низковольтного для цепей накала (откуда лампы 2-вольтовой серии; в радиостанции РБМ применялись 5 ламп 2К2М), и высоковольтного для питания анодных и экранных цепей. Как вариант, источником анодного питания мог служить вибропреобразователь с низковольтным аккумулятором.
Вполне могло случиться, что батарей под рукой могло не оказаться, при работе радиостанции на передачу они быстро истощались. Вот в этих случаях и выручал солдат-генератор, источник питания с ручным или ножным приводом. Разумеется, мощностью побольше, чем у "жучка", велодинамо или школьного учебного пособия.
Какова мощность человека как мотора?
Начать изложение лучше с физики и физиологии человека. Можно сослаться на цифры из учебника, можно на личный опыт каждого человека, совершающего утреннюю пробежку.
Средний человек, не спортсмен-профессионал, в состоянии пробежать за час около 12 км. При весе (в одежде и обуви) порядка 80 кг он затратит за час около 80*12 = 960 (ккал). Переводя калории в джоули, получаем 960*4,19 = 4.020 (кДж). Отсюда развиваемая механическая мощность (в часе 3.600 секунд) 4.020.000/3.600 = 112 (Вт).
Похожая цифра указывается в учебниках – при длительной работе человек не в состоянии развивать мощность свыше 100 Вт. С учетом коэффициента полезного действия (КПД) электрогенератора, вырабатываемая электрическая мощность еще меньше.
Разумеется, за короткий промежуток времени человек может поработать и интенсивнее (спринтеры бегут быстрее стайеров), при условии периодического отдыха.
Отсюда стандартная конструкция армейского ножного велогенератора довоенного времени. Мощность солдат-мотора 120 Вт, на нем попеременно работают 2 человека, по полчаса каждый. За рабочий день (8 часов) будет выработан 1 кВт-час электроэнергии.
Увы, стоимость этой электроэнергии порядка 5-6 рублей, из чего следует экономическая неэффективность мускульной силы человека, особенно с учетом того, что его работу придется компенсировать дополнительным питанием.
Оценим и это. Если человек вырабатывает 0,5 кВт-часа энергии, это соответствует 0,5*3.600 = 1.800 (кДж), или 1.800/4,19 = 430 ккал. Но человек как машина несовершенен, энергия пищи превращается в механическую энергию с учетом КПД человека. КПД мышц ног (самых сильных) у нетренированного человека не превышает 25-30%, отсюда дополнительного питания требуется порядка 1.500 ккал.
По сведениям, калорийность питания у приписанных к солдат-мотору солдат увеличивалась на 1.000 ккал. Все-таки радиоборудование не работало на предельной мощности все время, работа на передачу перемежалась с приемом.
Невероятная история,когда солдат-мотор спас жизнь пилоту и пассажиру
Известна история, когда пилот и пассажир, радиолюбитель с позывным Jakob Jug, DL9IN, потерпели аварию при посадке на полевом аэродроме при базе снабжения. База оказалась разграбленной, воры унесли радиостанцию, и они же, скорей всего, вырыли канаву поперек взлетно-посадочной полосы, послужившую причиной аварии.
Якобу удалось сделать искровой передатчик из катушки зажигания самолетного двигателя, и передать в эфир сигнал SOS. Наутро их спасли военные, перехватившие сигнал. Источником питания "передатчика" послужил обнаруженный на базе солдат-генератор мощностью 30-60 Вт, брошенный ворами за ненадобностью. Поскольку у пилота был поврежден позвоночник, Якобы пришлось одновременно и крутить педали, и тыкать бамбуковой палкой в контакт, долженствующий служить телеграфным ключом.
Армейские солдат-моторы
Солдат-моторы, как с ручным, так и ножным приводом, входили в комплект радиостанций многих армий мира в довоенный период и всю Вторую Мировую войну.
Производились подобные генераторы, достаточно схожей конструкции, в Германии, СССР, Англии и США. Стандартным режимом их работы являлась зарядка аккумуляторов в буферном режиме, также была возможна и автономная зарядка аккумуляторов. Для зарядки аккумулятора напряжением 12 В педали солдат-мотора необходимо было крутить со скоростью 60 оборотов в минуту, при этом он вырабатывал напряжение 15 В, и было предусмотрено ограничение по току и напряжению.
Ниже фото подобного генератора AT FCG2, в комплект которого входят аккумулятор напряжением 12 В электрической емкостью 12 А-ч, и инвертор 220 В 100 Вт. Таким образом, от солдат-мотора можно было как заряжать аккумулятор, так и питать переменным током оборудование на 220 В.
Хотелось бы надеяться, что ввиду небольшого ассортимента выпускавшихся солдат-моторов, при несоответствии их характеристик требуемым, умельцы всегда найдут выход, соответственно их модернизировав. Во всяком случае, солдат-моторы тех лет выпуска продаются на сетевых аукционах, и энтузиасты с готовностью приспосабливают их к своим нуждам, делясь успехами на тематических форумах.
Применение солдат-моторов обсуждается и выживальщиками – зарядив автомобильный аккумулятор, можно сутками питать от него светодиодный светильник, или даже два в условиях пропажи электроэнергии.
Кстати, о разнице между ручными и ножными генераторами. Ручные, как правило, компактнее, и не требуют рамы, но КПД мышц рук ниже КПД ножных мышц, находясь в пределах 5-15%, отсюда гораздо более низкая их мощность.
Ниже несколько конструкций солдат-моторов разных лет выпуска.
У велогенератора TM 5a1 выходные напряжения 5 В при токе 1,5 А и 330 В при токе 140 мА; использовался войсками Вермахта для зарядки аккумуляторов полевых радиостанций. Рекомендованная частота педалирования 65 оборотов в минуту. На фирменной табличке указывался даже КПД 68%, что позволяет при суммарной мощности двух выходов 51,7 Вт оценить требуемую механическую мощность – 76 Вт. Все сходится, с такой мощностью можно длительно работать.
Велогенератор вырабатывал напряжения 6 В при токе 4 А и 370 В при токе 0,125 А, и использовался для питания армейской радиостанции УКВ диапазона, (например Р-809), освещения и зарядки аккумуляторов. Сумма мощностей двух источников 70 Вт.
При вращении педалей необходимо было соблюдать определенную частоту вращения, для контроля которой на панели велогенератора размещался прибор со шкалой, размеченной: «мало - 0 - много». 0 соответствовал рекомендованной частоте 60 оборотов в минуту.
Ручной солдат-мотор GN-45-B предназначался для питания пехотных радиостанций SCR-284 и V-100 в полевых условиях, выпускался с 1942 года. Выходные напряжения постоянного тока 6 В при токе 3 А и 500 В при токе 140 мА. Рукоятку необходимо было вращать со скоростью в пределах от 50 до 70 оборотов в минуту. Удивительно то, что сумма мощностей 88 Вт, и это при ручном приводе!
Генератор постоянного тока для ручной подзарядки в полевых условиях аккумуляторных батарей типа 10НКП12С и им подобных по емкости для радиостанций типа Р-350, Р-354, Р-394КМ. Номинальная мощность генератора 8 Вт, напряжение 18 В при токе не более 2 А. Скорость вращения 65 оборотов в минуту. Энтузиасты приспосабливают эти генераторы для зарядки мобильных телефонов, путем конструирования плат конвертации для согласования с USB-портом.
Генератор мощностью 1,5 Вт для USB-порта
Ну и в качестве курьеза ручной генератор для зарядки мобильных телефонов. Тоже может выручить в определенной ситуации.
Ручной генератор выдает напряжение 5 В при токе до 300 мА, и позволяет подзаряжать MP3/MP4 плееры, GPS навигаторы, а также мобильные телефоны Nokia, Motorola, Samsung, Sony Ericsson и прочие.
Таков очень краткий обзор конструкций солдат-генераторов. Надеемся, полезным оказался и раздел по физиологии человека, который помогает понять, на что можно рассчитывать, располагая лишь своей физической силой.