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.

New Scientist, August 15, 1968

Комментарий Дедала

У вихрей-гигантов есть вихри-нахлебники,
У вихрей-нахлебников — вихрики-детки,
И так продолжается это вращение,
Пока не поглотит все вязкое трение.

Это стихотворение Л. Ф. Ричардсона, в котором подведен итог его классической работы 1920 г. по атмосферным вихрям, должно рассеять наше печальное заблуждение, будто все механические потери неизбежно и необратимо обращаются в тепло. Переход упорядоченного механического движения в тепловой (молекулярный) хаос обычно происходит поэтапно, причем на каждом этапе масштабы упорядоченных подсистем становятся все меньше. Второе начало термодинамики позволяет, однако, получать полезную механическую работу на любом этапе, исключая самый последний, когда вся энергия переходит в беспорядочное тепловое движение молекул. В настоящем проекте я предлагаю использовать механическую энергию на нескольких первых стадиях ее рассеяния в вязкой среде, а именно энергию больших волн и макроскопических турбулентностей. Представьте, что мы отсняли с воздуха на кинопленку корабль, идущий по морю, а затем прокрутили фильм в обратном направлении. Мы увидим, что носовая волна и кильватерная струя движутся к судну, а дойдя до него, полностью гасятся. Корабль как бы движется по неспокойному морю, используя энергию волн для продвижения вперед. Если оставить в стороне процессы, происходящие на молекулярном уровне, то можно считать, что любое механическое движение обратимо во времени, так что наш «фильм» изображает вполне реальное событие. Генераторы вихрей, установленные впереди антитурбулентного корабля, должны создавать именно такую картину сходящихся волн и вихрей, какую мы видим при обратном движении пленки. Нам не удастся вернуть лишь энергию, израсходованную на вязкое трение и трение скольжения. Поэтому антитурбулентный корабль — в полном согласии со вторым началом термодинамики! — оставит за собой спокойную воду при чуть-чуть более высокой температуре.

Примечания:

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. — Прим. ред.