Интересный факт: в одном литре бензина содержится энергия, достаточная для перемещения одного человека из Москвы в Санкт-Петербург и обратно со скоростью 100 км/ч. Однако если вы решите проделать этот путь на автомобиле, то потратите около 90 л. Впечатляющая разница, не правда ли?
Сложно поверить, что несмотря на все достижения научно-технического прогресса реальная эффективность современных машин всего-то около 1%. И я даже рискну предположить, что вы мне не поверите. Но не торопитесь с выводами, сейчас я всё объясню.
Сколько энергии нужно для путешествия из Петербурга в Москву?
Итак, уточним формулировку изначальной задачи. Нам нужно переместить человека из точки А в точку Б с заданной скоростью и минимальными затратами энергии. Как это сделать и сколько энергии нам понадобиться?
Если мы говорим об обычных автомобильных скоростях, то ничего лучше колеса человечество не придумало. Мощность, требуемая для движения колёсной машины, складывается из четырёх составляющих:
- сопротивление качению;
- сопротивление воздуха;
- сопротивление подъёму (накопление потенциальной энергии);
- сопротивление разгону (накопление кинетической энергии).
Самые дотошные могут ознакомится с формулами, остальные могут просто листать дальше (для понимания текста формулы не понадобятся).
Поскольку подъёмы в среднем компенсируются спусками, а разгоны – замедлениями, две последние составляющие мы можем отбросить и рассматривать только сопротивление качению и сопротивления воздуха.
Сопротивление качению определяется в первую очередь массой транспортного средства и коэффициентом сопротивления качению. Сопротивление воздуха – площадью поперечного сечения и коэффициентом сопротивления воздуха. То есть нам нужно очень лёгкое и маленькое транспортное средство обтекаемой формы с лежачей посадкой. Что-то вроде скоростного веломобиля:
Такие "капсулы" весят всего около 20 кг и имеют площадь поперечного сечения порядка 0,4 м² при коэффициенте сопротивления воздуха ≈0,1 и коэффициенте сопротивления качению ≈0,002 (такое низкое значение достигается за счёт идеального асфальта и специальных сверхэкономичных шин).
Давайте посчитаем, какая мощность потребуется такой машинке для движения, если вместе с водителем она будет весить 100 кг:
Для ровного счёта зададимся целевой скоростью 100 км/ч и получим, что нашему транспортному средству понадобится всего лишь около 615 Вт – меньше, чем бытовому пылесосу!
За час оно проедет ровно 100 км и потратит 0,615 кВт·ч энергии, значит для преодоления расстояния между Москвой и Санкт-Петербургом (≈700 км) ему потребуется ≈4,3 кВт·ч.
Сколько энергии в топливе?
Если бы наш автомобильчик работал от бытовой электросети, то вся поездка обошлась бы нам в 16,21 рублей по ночному тарифу.
Но мы здесь всё-таки говорим о топливе, поэтому давайте посчитаем, сколько энергии можно извлечь из бензина. Известно, что его удельная теплота сгорания около 44 МДж/кг, однако мы привыкли отмерять топливо литрами, поэтому с учётом плотности 0,75 кг/л превратим эту величину в 33 МДж/л. Один джоуль равен одной ватт-секунде, следовательно 1 кВт·ч это 3600 кДж. Значит, удельная теплота сгорания бензина – 9,2 кВт·ч/л, следовательно, энергии, заключённой в одном литре бензина должно хватить не только на Путешествие из Петербурга в Москву, но и на возвращение обратно.
Почему же тогда в реальности на одном литре получается в лучшем случае преодолеть километров 20?
Первая причина заключается в том, что мы не можем полностью извлечь из топлива его химический энергию. Вернее извлечь-то можем (достаточно его просто сжечь), но вот превратить полученную тепловую энергию в механическую можем лишь частично – и это фундаментальный закон термодинамики, который невозможно обойти никакими техническими средствами. Добавьте к этому несовершенство реальных двигателей, и получится, что фактически для получения 1 кВт·ч энергии потребуется сжечь около 250 г топлива. То есть, для нашего путешествия туда и обратно в реальности понадобится почти 3 литра бензина.
Это примерно 0,21 л на 100 км – всё ещё ничтожно мало, но вполне достижимо. Однако на практике мы не видим ничего подобного даже близко – и на это есть уже не столько технические, сколько эргономические, психологические, социологические и экономические причины.
Почему автомобили такие неэффективные?
Начнём с главного: транспортные средства "веломобильного типа" совершенно не удобны и не безопасны. Если мы сделаем комфортную посадку, прочный каркас, обивку салона, отопление, освещение, вентиляцию, зеркала и так далее, то масса моментально вырастет до ≈500 кг, а площадь поперечного сечения – до ≈1,2 м². При этом увеличится и коэффициент сопротивления воздуха, ведь форма автомобиля будет всё сильнее будет подчиняться требованиям удобства, а не аэродинамики. С коэффициентом сопротивления качению тоже не всё так гладко: обычные дорожные шины вряд ли дадут значение меньше 0,01.
Что же мы получим в такой ситуации? Для движения со скоростью 100 км/ч нам уже потребуется на порядок больше мощности – примерно 6,85 кВт. А это уже эквивалентно расходу ≈2,3 л бензина на 100 км пути.
Всё ещё неплохо, неправда ли? Но дальше вступают в силу экономический фактор: мало кто может себе позволить отдельную машину исключительно для того, чтобы ездить на ней в одиночку по асфальтовым шоссе. Всегда нужно держать в голове самые разные сценарии, поэтому если автомобиль один, то он должен быть универсальным. И не важно, что 9 из 10 поездок водитель совершит в гордом одиночестве.
Итак, допустим у нас есть Лада веста. В снаряжённом состоянии она весит около 1370 кг и имеет площадь поперечного сечения около 1,9 м² при коэффициенте сопротивления воздуха 0,37. Примем коэффициент сопротивления качению равным всё тем же 0,01 и построим график зависимости требуемой мощности от скорости движения:
Для движения со скоростью 100 км/ч по хорошей горизонтальной дороге ей понадобится мощность около 14,9 кВт, что нетрудно пересчитать в расход топлива около 5 л на 100 км пути.
Почем же на практике получается больше? Даже на официальном сайте Лады в загородном цикле заявлен расход топлива 5,8 л на 100 км. Причины следующие:
- Во-первых, в реальности часть энергии тратится впустую (а точнее превращается в тепло) при торможениях и работе на холостом ходу.
- Во-вторых, двигатель не всегда работает в режиме наибольшей экономичности и расходует иногда 300-400 г/(кВт·ч) и более.
- В-третьих, многие водители предпочитают пожертвовать экономичностью ради скорости, а ведь уже при 110 км/ч даже в теории на каждые 100 км требуется уже 17,2 кВт·ч или ≈5,7 л.
- В-четвёртых, сопротивление качению существенно увеличивается на плохой или мокрой дороге, а также при снижении давления в шинах.
- В-пятых, часть мощности теряется по пути от двигателя к колёсам.
- Наконец, увеличивают расход топлива работающий кондиционер, открытые окна и каждый килограмм лишнего веса на борту.
Означает ли это, что легковой автомобиль не эффективен? А вот и нет! Просто люди не хотят эффективно его использовать. Действительно, если посадить в Весту пять человек, то при тех же 100 км/ч теоретический расход энергии составит 16,4 кВт·ч или ≈5,5 л на 100 км. То есть, всего лишь 1,1 л на человека! Заметно меньше, чем в специализированной машинке на одного.
А если снизить скорость? Давайте посмотрим на график:
Я специально не стал строить график расхода топлива, чтобы не вводить никого в заблуждение, так как не знаю реальную эффективность двигателя Весты при пониженной нагрузке. Однако из графика энергозатрат видно, что за счёт снижения скорости можно повысить экономичность ещё сильнее и выйти на расхода топлива менее 1 л на 100 км на человека.
Заключение
Думаю, основная мысль этой статьи достаточно понятна: автомобили тратят так много топлива, в основном, из-за того что мы сами их крайне неэффективно используем. Избыточные размеры, неравномерное движение, высокие скорости, простои в пробках и – самое главное – единоличная езда приводят к тому, что вместо технически достижимых 0,2-0,3 л/(100 км) на человека мы имеем 5-6. Инженеры же могут сделать не так уж много: чуть-чуть повысить эффективность двигателя и трансмиссии, слегка улучшить аэродинамику и сбросить десяток-другой килограмм для того, чтобы автомобиль стал на 5-10 % экономичнее.
На этом у меня всё. Большое спасибо за внимание!