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1.1.4.1风声雨声

 

流淌在地球表面的水是生命的摇篮,因为最初的生命在海洋中诞生,所有的生命离不开水的滋润;覆盖在地球上空的大气是生命的守护神,它阻挡了大部分来自太阳的紫外线对细胞的伤害,其中的氧气是新陈代谢中能量供给的必备物质。水和空气的作用不仅如此,在动能的贡献方面也是功不可没。

太阳高照,气体热胀冷缩造成密度变化,再加上地球自转,大气环流,季节更替和纬度效应所造成的各地温差不同等等因素,使大气压强在这个半开放的地表环境中无法均匀分布,压强的高低此起彼伏,从而使得大气从高气压处流向低气压处而形成风。同样是太阳的作用,把地表各处的水以水蒸汽的形式抬升到天空形成云,然后在风的作用下,形成雨水洒向大地,奔流成江河,汇聚成湖海。

流水、清风甚至由它们产生的声音,都有一定大小的动能。当风和水达到一定规模和速度的时候,就有商业应用的价值。风力发电和水力发电是人们对风能和水能最典型的应用。在利用这些动能的时候,流体必须有局域的定向速度,才方便将平动转换成转动,从而带动电机发电。而这个局域的范围,让我们有了进一步的思考。

江河的线状结构为水轮机的旋转提供了高效的机制,旷野上的二维风力则要求风力发电机的三角状叶片正对着风力最大且时长最久的方向(当然对于垂直轴风力发电机而言不存在偏航问题),而对海洋潮汐或者波浪动能的利用,则需要更复杂结构。所有这些利用流体动能做功的风力发电机结构,本质的特征就是风轮受风面的尺寸不大于局域定向流体的宽度。

找到了本质特征,我们就可以将这种局域流体缩小到分子水平,制作一个超微风力发电机,它的叶片尺寸要小于流体分子的平均自由程,为了让动力大于阻力,装置必须放在近乎真空的容器中,充入少量水银,然后在一定的环境温度下,让蒸发后做无规则运动的汞原子充当“风力”,撞击丝状风叶,若想有明显效果,必须使用复合风叶,单元结构如左图。

图中的丝状风叶是关键结构,它细长而有弹性,可上下左右弯曲,直径比肩头发丝,汞原子无论从哪个方向单向撞击它,都能接收动能并推动丝杆逆时针旋转,跟纸风车的原理类似。

这种超微风力发电机能否成功还有待实验,有无实用价值则另当别论。从理论上看,似乎没有问题,汞原子做布朗运动的动能转化成转子的动能,它损失能量后又从环境中吸收热能继续做无规运动。如果能成功旋转,最大的问题,是将单一热源直接转化成了转子的机械能输出,是不是变成了具有争议的第二类永动机?

 


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