3. Температура поверхности Земли
На поверхности Земли температура изменяется от – 880С на антарктической станции «Восток» до + 900С в тропиках.
Рабочая температура ЭВМ ЕС-1022 5 – 400С, наиболее благоприятная - + 22+/-20С.
Среднегодовая температура в данной местности зависит от высоты над уровнем моря и климата. При подъеме на 200-300 метров температура падает на 10С. При спуске в шахту на 1 км температура повышается в среднем на 20 0С. Среднегодовая температура в Москве равна + 4,2 0С. В центре Земли температура порядка 10 000 0С.
3.1. Привязанность техники к земной температуре мы рассмотрим на одном, но очень показательном примере из истории изобретательства: изобретении резины. Вот как описывает его Митчелл Уилсон в книге «Американские ученые и изобретатели»: «Дело имело феноменальный успех… Этот бум получил название «резиновой лихорадки».
На второе лето резиновая одежда, головные уборы и крыши фургонов превратились в жидкое месиво и издавали такой отвратительный запах, что их приходилось зарывать в землю. К концу 1836 года людям, причастным к делу, стало совершенно ясно, что резиновая промышленность обречена на гибель» (стр. 37).
Нам остается только подчеркнуть в этой истории, что причина «гибели» резина была в ее неприспособленности к земным температурам.
Чтобы лучше представить себе насколько изобретатели в то время находились в зависимости от условий Земли, процитируем еще раз, взятые из той же книги слова Чарльза Гудийра, изобретателя вулканизации резины:
«Я был в блаженном неведении относительно трудностей, которые мне предстояло преодолеть. Но вскоре я убедился, что эксперименты с эластичной смолой потребуют смены зимы и лета, то есть, по меньшей мере, двенадцати месяцев, а то и больше…».
Сейчас уже никто не станет ждать зимы, чтобы выпить коктейль со льдом или испытать термостойкость материала. Но и в наши дни на антарктическую станцию «Восток» тащат детали, которые лопаются от мороза.
Гораздо большего эффекта можно добиться, если сделать технику не просто «слепой» к изменению температуры окружающей среды, а такой, чтобы она могла еще использовать эти изменения себе на пользу, как, например, используется земная гравитация в гидроэлектростанциях. Прежде всего, здесь нужно упомянуть об использовании разницы температур на поверхности и в глубине океана для получения электричества. Вблизи Гавайских островов и Тихом океане уже действует такая, пока еще небольшая, станция («За рубежом», № 49, 1979 г., стр. 20. «Первые шаги «Морской энергетики»). К числу использования разности температур можно отнести и ветроэнергетику.
Оригинально использовали особенности земного климата изобретатели, предложившие опускать тяжелую трубу в шахту без подъемного крана. Для этого шахта предварительно заполняется снегом, а весной, когда снег начнет таять, труба сама опуститься на свое место.
Кстати, здесь используется также и тяготение Земли, и природный элемент – снег.
3.2. В этом разделе мы покажем, что уход от обычных температур оказывается весьма полезным при решении изобретательских задач и получении различных изделий (например, пирога). Приведем пример.
Пример 3.1. «Необычное применение жидкому азоту нашли шведские взрывники. Когда они работают под землей в черте города, им приходится укреплять жилые дома, здания и другие строительные конструкции, чтобы те не пострадали во время взрыва. Особенно тщательно это приходится делать при работе в слабом грунте, что существенно повышает трудоемкость работ и сводит на нет преимущества взрыва. Жидкий азот замораживает грунт, делает его очень твердым на долгое время. Такой грунт не передает сотрясения окружающим строениям. После того, как азот нагревается, он бесследно испаряется, не оставляя никаких следов».
Друянов В.А. «Сверхявления в технике», «знание», 1976 г., стр. 27.
Примеров того, как использование не обычной для Земли[1] температуры приводит к решению сложных изобретательских задач много. Вспомним еще раз об изобретении резины. Ведь вулканизация, предложенная Гудийра, сводится, по существу, к обработке эластичной смолы высокой температурой. Приведем еще несколько примеров.
Понижением температуры до - 300С удается спасти старые книги от книжных вредителей (ИР, № 4, 1979 г., стр. 16).
Еще в прошлом веке русские крестьяне выносили на мороз косы и серны, чтобы сделать их более твердыми. Сейчас для повышения стойкости режущего инструмента используют жидкий азот или сухой лед со спиртом («Техника и наука», 1979 г., № 5, стр. 14 и № с8, стр. 33).
Изменение температуры, как способ решение задач, зафиксирован в изобретательских приемах: использование теплового расширения, изменение агрегатного состояния объекта, применение фазовых переходов, изменение физико-химического состояния объекта.
Пример 3.2. В документальной повести была описана такая ситуация. Обнаружена неразборная мина замедленного действия. Известно, что такие мины снабжены сильным взрывателем, срабатывающим через 7-10 дней. Кроме того, внутри герметичного корпуса мины расположено специальное противоразборное устройство, включающее батарейку, электрическую схему и свой взрыватель. При попытке вскрыть мину, она взрывается.
Эту мину все же можно обезвредить, если охладить ее хотя бы до + 2 - 00С. В таких условиях батарейка перестает работать и взрыватель не сработает.
Таким образом, можно сказать, что техника постепенно освобождается от тех температурных границ, которые ей навязывает Земля.
3.3. Использование температур, отличных от земных, не означает однако освобождение от условий Земли. Чем дальше мы уходим от обычных температур, тем больше нам нужно нагревать, охлаждать, изолировать и, следовательно, затрачивать энергию. Все это приводит к необходимости получить эффекты, требующие обычно изменений температуры, при нормальных условиях.
Так, например, у обычных материалов точка Кюри очень высокая (для железа – 1043 0С). Сейчас создаются материалы с точкой Кюри около 370С.
Аналогичное явление происходит с исследованиями в области сверхпроводимости. Это явление наблюдается при температурах, близких к абсолютному нулю (для жидкого гелия – 2,2 0К). Однако в настоящее время широкое развитие получили работы в области высокотемпературной сверхпроводимости.
Как и в случае с тяготением, эффекты, получаемые при необычных температурах, можно достигнуть при нормальных температурных условиях, если изменять другую характеристику земных условий.
Пример 3.3. Общеизвестно применение пониженных температур для хранения продуктов в овощехранилищах. Однако этот способ не достаточно эффективен и требует больших затрат.
В СССР, Франции и Англии были проведены исследования, в результате которых удалось использовать для хранения продуктов различные газовые среды при нормальной температуре. В последнее время в Советском союзе проводится большая работа по внедрению нового способа хранения продуктов в ионизированной среде. Испытания показали эффективность нового метода.
«Техника молодежи», 1978 г., № 8, стр. 4; 1979 г., № 1, стр. 22;
«Техника и Наука», 1979 г., № 2, стр. 7.
Иллюстрацией использования «неземной» среды вместо пониженной температуры может служить и пример 5.4., приведенный ниже.
В развитии светотехники происходит переход от ламп накаливания (рабочая температура + 2700 0С) к люминесцентным светильникам (Т = 30 0С). И в этом случае эффекта, получаемого при высокой температуре, удалось добиться при нормальной температуре, но с изменением среды: вместо просто вакуума в лампах накаливания – аргон с ртутными парами в люминесцентных лампах.
______________________________________
[1] Имеется в виду обычная в данном месте и в данное время температура. Так, температура, обычная в центре Земли, необычна, например, в доме без парового отопления.