Попытка прорыва вульгарного понимания закона сохранения энергии

Эксперимент, настоящий эксперимент, в большинстве случаев идет впереди теории, которой остается только объяснить его результаты. Так произошло и в случае, описанном в 1989 году немецким журналом "Пространство и время" [24]. Студент-энергетик Людвиг Гербранд в 1930 году был направлен на преддипломную практику на гидроэлектростанцию Рейнфельден, где монтировали новый электрогенератор взамен износившегося. На этой электростанции, построенной еще в конце XIX века, не было высокой плотины, а просто часть потока реки Рейн отводилась дамбой к турбогенераторному залу. Студент обратил внимание на то, что турбогенераторы, пропуская через себя всего 50 куб. м воды в сек., производят электроэнергии столь же много, как на соседней новой гидроэлектростанции в Рыбурге, имеющей высоту напора воды 12 м, вырабатывают огромные турбогенераторы с пропускной способностью 250 куб. м в сек.
Заинтересовавшись этим парадоксальным фактом, Гербранд понял, что причина - в динамическом напоре потока воды, подводимой к турбине.
Перегораживая реку высокой плотиной, проектировщики стремятся создать как можно больший гидростатический напор воды. При перепаде уровней воды H гидростатическая (гравитационная) энергия, запасенная водой за плотиной, составляет

(3.15)

На эту энергию и рассчитывают проектировщики, возводя плотину и подводя воду сверху вниз по изогнутому под углом в 90 градусов водоводу к турбине, где потенциальная энергия столба воды превращается в кинетическую энергию движения воды

(3.16)

подаваемой на лопатки турбины. При этом скорость потока воды не может превысить величину

(3.17)

(Здесь g = 9,8 м/с2 (с в квадрате)- ускорение свободного падения у Земли). Повышение мощности турбин считалось возможным только за счет увеличения их пропускной способности. Но последняя ограничена не только конструкцией турбины, 3 и величиной стока реки.
А вот на старой электростанции не было высокой плотины, зато дамба захватывала самую быструю часть течения реки и по сужающемуся каналу подводила его прямо к турбинам. При этом в сужающемся канале скорость потока, подаваемого на лопатки турбины, еще возрастала и оказывалась гораздо большей, чем на новой электростанции с ее высокой плотиной. А кинетическая энергия потока, согласно формуле (3.16), является квадратичной функцией от его скорости! Если скорость потока в 2 раза больше, то энергии вырабатывается в 4 раза больше при одном и том же расходе воды.
Но в действительности турбогенераторы старой электростанции вырабатывали электроэнергии еще больше, чем показали студенту эти простые расчеты. Откуда она берется? Обеспокоенный студент пишет письмо своему научному руководителю профессору Финзи. Тот ответил следующее: "Не волнуйтесь. Генератор работает без проблем... Мы инженеры-электрики. Поэтому остальные вопросы не наши, чтобы их решать. Оставьте их гидравликам...".
У немцев уже тогда торжествовал узкопрофессиональный подход к делу.
Увы, скоро Гербранда призвали в армию, а потом война не позволила ему заниматься гидроэнергетикой. Только в 70-е годы он возвратился к своим студенческим вычислениям. Пытается взять патент на способ повышения энергетического выхода гидроэлектростанций, но получает отказ со ссылкой на то, что его предложения нарушают закон сохранения энергии. Обращается к правительству и промышленникам - без успеха. Дымовая завеса вульгарно понимаемого закона сохранения энергии мешает им признать факты.
Попробуем дать объяснения эффекту, подмеченному Гербрандом, с позиций теории движения. Она утверждает, что при ускорении движения тела в пространстве часть его внутренней энергии превращается в энергию движения тела в пространстве EV2(v в квадрате) названной де Бройлем "энергией переноса", и суммируется с кинетической энергией Ек, привносимой извне. Правда, такое превращение напоминает перекладывание денег из левого кармана в правый: от этого человек не становится богаче. Но не надо забывать, что внутренняя энергия - это не только энергия покоя атомов, составляющих тело, но и плюс к этому еще и энергия их теплового движения в теле. Однако при земных скоростях движения тел изменение величины тепловой энергии Q, как показывали формулы (3.13), должно быть весьма незначительным. Но...
Но формулы (3.13) выведены для баллона с газом, а ведь вода - это не газ, состоящий из отдельных не связанных друг с другом и почти свободно движущихся в пространстве и соударяющихся друг с другом молекул. Вода ведь имеет межмолекулярные связи, обеспечивающие ее монолитность и целостность как единого квантового механизма. Вода - хоть и текущее, но цельное тело, а не рой молекул! Поэтому можно предположить, что когда мы ускоряем движение воды как целого тела, то требуемое теорией движения превращение части массы-энергии покоя воды и части ее тепловой энергии в энергию движения в пространстве Еv происходит не по отдельности, а вместе, ибо вместе они и составляют внутреннюю энергию воды.
А дальше остается только допустить, что тепловой энергии колебаний молекул легче превращаться в энергию движения в пространстве, нежели внутренней энергии атомов, составляющей основную часть энергии покоя воды. И происходит то, чего никак не ожидали теоретики, обсуждавшие в 60-е годы формулы Планка-Лауэ: в ускоряемом потоке воды происходит ее самопроизвольное охлаждение с превращением части запасенной в воде тепловой энергии в энергию движения потока в пространстве. Масса покоя воды m0 при этом остается неизменной: вода как бы "откупается" от совершаемого над ней насилия (ускорения) "разменной монетой" -тепловой энергией, сохраняя неизменным число своих атомов и их массу-энергию
покоя.
При этом не нарушается закон сохранения энергии, хотя в результате поток воды приобретает скорость большую, чем ожидалось исходя из затрат только привнесенной извне энергии Ек. Но поскольку теплоемкость воды рекордно высока среди всех известных людям веществ, то даже при охлаждении всего на 10°С каждый литр воды может ускориться на 9 м/с. Представляете, какие огромные запасы только тепловой энергии содержатся в реках?!
Конечно, все это пока только робкая гипотеза, требующая додумываний и тщательной экспериментальной проверки. Но игра стоит свеч, хотя пока мало надежд, что все это окажется столь просто и именно так. Ведь энергия движения в пространстве Ev, или "энергия переноса", как ее называл де Бройль, в которую превращается часть внутренней энергии тела при ускорении его прямолинейного поступательного движения, - это еще не кинетическая энергия тела, а нечто иное. Да и с законом сохранения импульса тут мы, похоже, не всё согласовали.
Тем не менее, в предложениях Гербранда было еще одно рациональное зерно, не отмеченное в [24]. Советские гидроэнергетики тоже подметили, что турбины с горизонтально расположенной осью, установленные, например, на Череповецкой ГЭС, вырабатывают энергии на 15- 20% больше, чем вертикальные турбины, имеющие такой же диаметр [25]. Это объясняют тем, что к горизонтальной турбине вода подается по прямому, а не изогнутому водоводу, и к гидростатическому напору воды, обусловленному перепадом высот ее уровней до и после плотины, добавляется еще и динамический напор течения реки, если оно не совсем "убито" плотиной.
Кроме того, работает эффект "гидравлического тарана": на лопатки турбины давит не только гидростатическая сила, создаваемая столбом воды высотой Н, но и сила инерции всей массы воды, движущейся в прямом водоводе и в примыкающей к нему части реки. Эта сила инерции больше гидростатической силы! С помощью "гидравлического тарана" мелиораторам при перепаде высот уровней воды всего в 1 м удается поднять воду по длинной трубе на высоту до 10 м [25].