Насколько же прочным должен быть диск, поддерживающий обод? Ведь если мы изготовим его равным по толщине самому ободу, то получим ту самую невыгодную форму гончарного круга, от которой мы не так давно отреклись. Где же истина? Для нахождения ее насадим маховик самой невыгодной формы в виде диска с небольшим отверстием на вал разгонной машины и с помощью скоростной кинокамеры попытаемся установить, как происходит его разрыв.

Мы замечаем, как маховик, раскручиваясь, увеличивается в диаметре (конечно, на очень малую величину). Особенно увеличивается внутреннее отверстие, оно стало даже больше диаметра вала, на который он был насажен, и вал стал проскальзывать в отверстии. Наступили, как говорят, «освобождающие» числа оборотов маховика, очень опасные тем, что диск может сойти с запрессованного вала и, «освободившись», наделать много бед. Но мы вовремя заметили это и, остановив машину, приняли меры—посадили маховик на конический вал, более туго запрессовали вал в отверстие и снова начали разгон. О чем же говорит преимущественное расширение отверстия? О том, что напряжения на его внутренней поверхности максимальны. И действительно, мы замечаем, как с дальнейшим увеличением частоты вращения на внутренней поверхности отверстия начинают возникать трещинки и... пора прихватывать с собой кинокамеру и спасаться, если, конечно, мы успеем это сделать за считанные микросекунды. Сильнейший взрыв и тяжелые осколки, пробивающие даже стены и междуэтажные перекрытия вплоть до крыши, известили нас о том, что удалились мы вовремя. Итак, вывод — во всем виновато отверстие в центре!

Срочно изготовляем маховик новой формы — уже без отверстия (см. рис. 14, г) и, испытав его на разрыв, убеждаемся, что мы не ошиблись. Новый маховик накопил энергии точно вдвое больше, чем такой же по размерам и массе диск из того же материала, но... с микроскопическим, не видным даже глазу отверстием в центре!

Итак — парадокс. Тонкий обод, представляющий собой диск с очень большим отверстием, достаточно выгоден как маховик; на определенном этапе это был даже предел мечтаний. Уменьшая отверстие, мы ухудшаем показатели плотности энергии маховика тем сильнее, чем меньше отверстие. И вдруг, заделав его совсем, получаем скачкообразный рост плотности энергии и не чуть-чуть, а вдвое . больше, чем у самого тонкого обода. Где же разгадка этого явления? Оказывается, все дело в том, что мы просто не можем иметь вращающийся диск с бесконечно малым отверстием в центре. Аналогия — резиновая пленка (рис. 16). Если она не напряжена, пожалуйста, можно проделать иглой, искрой или лазером сколь угодно малое отверстие. Но стоит натянуть эту пленку (например, надев ее с натягом на горлышко банки), то никакими ухищрениями мы не сможем проделать там очень малого отверстия — оно сразу же расширится и еще хорошо, если не разорвется вся пленка. Так и с вращающимся маховиком. 

Рис. 16. В быстро вращающемся диске, как и в натянутой резиновой пленке, нельзя проделать очень малого отверстия — оно тотчас же расширяется и будет значительно больше, чем намечалось

Разница между маховиком—диском без отверстия и с самым малым отверстием такая же, как и между резиновой пленкой без отверстия и с ним. На внутренней поверхности отверстия возникает, как говорят, «концентрация напряжений», и прочность диска падает вдвое. А с нею во столько же раз и плотность энергии.

Получив опыт в том, что чем ближе к центру вращающегося диска, тем больше напряжен материал, конструкторы стали «убирать» лишний материал маховика без отверстия там, где он напряжен меньше. Получился диск, убывающий по толщине от центра к периферии, так называемый диск равной прочности. На первый взгляд явно нелепая форма маховика. Раньше старались отнести всю массу на пери ферию, а теперь вдруг всю к центру.

 

Нелепо как-то. И поэтому снабдили диск равной прочности тяжелым ободом — как-то будет надежнее и на маховик похоже! (см. рис. 14,д).

И опять новый маховик оказался выгоднее предыдущего и завоевал первенство. Такой вариант даже был применен на известных швейцарских гиробусах (см. ниже) для накопления очень больших количеств энергии и считался совершенным.

Но,... преодолели все-таки инертность взглядов и сняли тяжелый обод, оставив только диск равной прочности (см. рис. 14, е). 

Несмотря на «нелепую» для маховика форму, на малый момент инерции, диск равной прочности развил максимальную плотность энергии — втрое выше, чем диск с малым отверстием и вдвое — чем самый тонкий обод. И расчеты и эксперимент показали, что для изотропного (с одинаковыми механическими свойствами во всех направлениях) материала, каким являются металлы, выгоднее формы нет — диск равной прочности обеспечивает предельную плотность энергии. Если охарактеризовать форму маховика коэффициентом эффективности (как это и делается при расчетах) и присвоить диску равной прочности максимальный коэффициент 1, то диск с очень малым центральным отверстием получит 0,3; тонкий обод — 0,5; диск без отверстия—0,6; диск равной прочности с ободом — между 0,6 и 1 в зависимости от величины обода.

Диск равной прочности, конечно, сложен в изготовлении (хотя его форму с успехом заменяют похожей, но более простой гиперболической), не терпит никаких отверстий, раковин, волосовин, особенно в центре, эффективен только при весьма высокой окружной скорости, но зато обеспечивает минимальный вес при данном запасе энергии. А это немаловажно и часто играет решающую роль при выборе силового агрегата.

Одним из первых начал применять для маховиков диски равной прочности основоположник маховичных двигателей (аккумуляторов) у нас в стране известный изобретатель А. Г. Уфимцев. Это видно из его патента на инерционный аккумулятор, датированного 1918 годом, о котором будет рассказано в гл. II этой книги.

Итак, роль формы маховика в накоплении энергии в нем выяснена. Но кроме выбора формы перед конструктором стоит вопрос о выборе материала. Действительно, что выгоднее...