Пони: физиология, демография, культура
Глава пятая «Технологии»
Второй столб экономической модели. Ибо не культура формирует прогресс, а прогресс культуру.
Эквестрия — мир эпохи клокпанка.
Механическая энергия используется повсюду, её собирают с помощью ветряков и водяных колёс, а накапливают в кристаллических маховиках.
Волшебники-единороги умеют создавать глубокий вакуум, прочнейшие монокристаллы и сверхпроводящие магниты. Поэтому маховики вращаются над магнитными подшипниками в безвоздушных камерах. Они крутятся со скоростями от сотен до тысяч оборотов в секунду и могут хранить энергию месяцами.
Накопление энергии маховиком зависит от его формы и прочности. Диски с утолщением ближе к центру прочнее. Маховик из кварцевых монокристаллов прочностью в 22 гигапаскаля способен накопить в килограмме массы до 5 МДж энергии. Взрывается он в один миг, словно тротил, поэтому пони очень осторожны со своими маховиками. Стандарт прочности монокристаллов — 30 ГПа (когда теоретический предел прочности кристаллов кварца — 70 ГПа).
В горнорудном деле пони с древних времён используют сложные механизмы: водоструйные компрессоры, ветряки и водяные колёса (как источники энергии), цепные передачи, вариаторы, пропеллеры и архимедовы винты (чтобы поднимать воду из шахт и обновлять воздух). С полвека назад начали использовать отбойные молотки (пневматические), конвейеры и буры, а совсем недавно появились первые горнопроходческие машины.
Сталлионград — центр чёрной металлургии. В местных горах добываю качественный магнетит (содержание железа 70%), а также есть богатое месторождение аргентита (серебряной руды). Масштабы производства по меркам пони-мира очень неплохи. Благодаря сталлионградским мастерам за какие-то пятьдесят лет через всю Эквестрию построили магнитную дорогу и создали флот стальных кораблей.
Кантерлот — центр цветной металлургии. В Срединных горах есть месторождения сульфидных медно-никелевых руд (с содержанием меди — 15%) и касситерита (олово). А также добывают свинцово-цинковые руды и понемногу киноварь (ртутную руду). Масштабы горных разработок меньше, чем в Сталлионграде, но стремительно растут.
Металлургия Эквестрии на три четверти построена на магии. Единороги используют термостойкие мембраны и индукционный ток, чтобы фильтровать расплавы, управлять температурой — и плавить качественную сталь прямо в доменных печах. Генерировать тепло для них сложнее, поэтому пони используют древесный уголь.
Благодаря своим чудесным способностям единороги способны восстанавливать алюминий (правда в небольших количествах) и получать водород в промышленных объёмах с помощью газификации древесного угля.
Волшебники способны сжижать атмосферный азот, используя сжатие газа с помощью мембранных щитов, сочетая это с охлаждением и последующим расширением. Также, пони умеют делать термосы (или сосуды Дьюара, хотя мистер Дьюар жил среди землян). Технология новая, поэтому и качество посредственное, Содержимое (если оно жидкий азот) полностью испаряется за месяц из тридцатилитрового сосуда.
Пони используют фотоаппараты. Классический метод галогеносеребряной фотографии. Делать цветные снимки они пока что не научились.
Развита химия. Пони умеют готовить чистые кислоты и щёлочи, делают хорошую бумагу, красители и клей. Но с минеральными удобрениями и взрывчатыми веществами всё очень плохо. Удобрения в общем-то и не нужны, целинных земель с избытком; а взрывчатку пони практически не используют, при нужде волшебники устраивают взрывы с помощью сжатого воздуха.
Уровень аптечного дела средний. Пони умеют очищать природные компоненты: как обезболивающее используют морфин, делают стимуляторы (в основном кокаин) и жаропонижающие на основе ацетилсалициловой кислоты, знают антибиотики. И это всё, пожалуй.
Но вместе с тем качество медицины, за счёт использования магии, очень высоко. Пони применяют ультразвуковую диагностику и магнитный резонанс, делают анализы прямым разделением веществ с помощью трансфигурации; а в хирургии работают с тканями с помощью волшебных нитей и мембран, так что операции проходят легко и не оставляют следов.
Как следствие развития тонких манипуляций в медицине, при Кантерлотской школе волшебства появилась кафедра трансгенных культур, где особенно усердные единорожики пытаются модифицировать микроорганизмы. До изобретения электронных микроскопов понячьей технологии ещё ползти и ползти, так что бедолаги работают в буквальном смысле на ощупь, с помощью волшебных нитей нанометровой толщины. Что-то у них получается, но только благодаря удивительной упорядоченности и простоте генных структур местных существ.
=== Что сдерживает прогресс? ===
Почему появилась столь причудливая смесь технологий: с одной стороны развитых, а с другой на удивление ограниченных? Почему пони не используют уголь вместо механических энергий? Почему не добывают нефть?
Ответ прост. Планета пони — юный мир, где не было сотен миллионов лет истории жизни (или не осталось её следов).
В Эквестрии нет ископаемого топлива.
Нет нефти, нет угля, нет природного газа, даже торфа почти нет! А ведь всё развитие цивилизации (да и жизни по сути), это поиск новых источников энергии и оптимизация их использования.
Эквестрийцам неоткуда взять энергию для тяжёлой промышленности: использованию биотоплива претит вся их культура. Пони даже леса на уголь с большой грустью вырубают (ведь эти леса когда-то высаживали их предки). Единственное исключение — жители Сталлионграда, они свою тайгу не жалеют.
Механические накопители энергии эффективны, но опасны в эксплуатации и весьма дороги, а к тому же целиком и полностью их производство зависит от немногочисленных волшебников-мастеров.
Пони знают о таком явлении как электричество, но почти не используют его. Идея конвертировать кинетическую энергию в ток электронов им кажется довольно-таки бессмысленной, ведь энергии мало и без того.
В умах пони есть блок: ассоциация молний и магии единорогов. Сломать его будет непросто.
Но не всё так плохо. С древних пор и поныне в Эквестрии есть волшебная сила — пегаски. Каждая из которых может выдавать две крылосилы (60 киловатт), что сравнимо с мощностью двигателя автомобиля. Впрочем, пегасками и волшебством всех проблем не решить.
=== Технология: Монокристаллы ===
Изобретение волшебных единорогов, столетия искавших секрет создания неразрушимых материалов.
Невероятная прочность, но вместе с тем недолговечность волшебных мембран заставляла чародеев искать новые и новые формы заклинаний. Так была открыта трансфигурация — искусство рекомбинации химических элементов.
Открывшие трансфигурацию чародеи со временем научились использовать её, чтобы выращивать кварцевые монокристаллы, молекулярные решётки которых практически лишены дефектов и поэтому особенно прочны.
Так в Эквестрии появилось стекло, по прочности превосходящее сталь, не рвущиеся нити стекловолокна и, наконец, — кристаллы маховиков.
=== Технология: Сверхпроводящий сплав ===
Сплав Альнико: железо, алюминий, никель, кобальт. Весьма неплохой магнит (с индукцией 1.2 Тесла в мире человеков) в волшебном мире понек превращается в сверхпроводник, причём не требующий криогенных температур.
На самом деле понячий альнико, это композит с метавеществом. Созданные заклинанием структуры всегда нестабильны, но в «коконе» сильного магнитного поля они не разрушаются. Подошёл бы любой достаточно сильный постоянный магнит, но подлость в том, что все прочие требуют редких элементов, с добычей которых пони не справляются.
Очевидная идея использовать электромагнит для пони не столь очевидна. Им требуется постоянное магнитное поле, предельно стабильное, а генератор жрёт энергию киловаттами. Любая его поломка может закончиться распадом волшебных структур, что в худшем случае означает взрыв маховика, а в лучшем необходимость долго и муторно воссоздавать заклинание.
Альнико надёжен и стабилен, после зарядки он создаёт магнитное поле, способное поднять вес в 4000 раз больше массы магнита. Энергию сверхпроводящие кольца не теряют, вообще.
Благодаря сверхпроводящим свойствам Альнико работают магнитные дороги и не менее магнитные подшипники для маховиков. Производство этого сплава дало огромный толчок технологическому развитию Эквестрии.
=== Технология: Маховики ===
Кристаллы дискообразной формы и самых разных размеров. Они вращаются внутри стальных кожухов, в глубоком вакууме, на магнитном подвесе, создаваемом силой Альнико.
Понадобится несколько формул, чтобы определить характеристики типичного маховика.
Удельная энергия зависит от прочности материала с поправкой на форму диска.
Формула плотности энергии:
E/m=K*(a/p)
Где:
E — энергия в джоулях
m — масса в килограммах
K — коэффициент, зависящий от формы диска
a — прочность материала на разрыв, в паскалях
p — плотность материала, в килограммах на кубометр
Несколько примеров коэффициента формы:
Диск равной прочности: K = 0.6-1 (в зависимости от формы и толщины обода). Единичка достижима лишь в теории.
Диск без отверстия (равной толщины) — 0.6
Тонкий обод (колесо со спицами) — 0.5
Диск с центральным отверстием (гончарный круг) — 0.3
Необходимая энергия — 5 МДж/кг
Коэффициент формы — 0.6
Плотность кварца — 2600 кг/м³
Прочность на разрыв — ???
Вычислить несложно:
5/1=0.6*(a/2600)
a=21667 мегапаскалей
Итак, требуется материал прочностью в 21 667 МПа.
Диапазон пределов прочности для стали — 500-3000 МПа
Предел прочности арамидной ткани (кевлара) — 3650 МПа
Предел прочности кремнезёма (высокотехнологичного волокна) — 5900 МПа
Предел прочности углеродных нанотрубок — 120 000 МПа
Модуль Юнга для стекла (теоретический предел прочности) — 70 000 МПа
Теоретический предел достижим только для материалов с идеальной кристаллической структурой, а обычное стекло полно микротрещин и включений других веществ.
Но ведь пони умеют выращивать близкие к совершенству кристаллы диоксида кремния, по сути то же стекло. Необходимые 22 000 Мпа для этих кристаллов достижимы, причём с большим запасом прочности.
Стекло, это диамагнетик, материал с отрицательной магнитной восприимчивостью, правда очень малой (12.6*10^-6)
Под воздействием внешнего магнитного поля в димагнетике появляется противонаправленное поле. Простыми словами, над сильным магнитом диамагнетик парит. В Эквестрии умеют делать сверхпроводящие магниты, так что удержание маховика, чтобы он не касался стенок капсулы, это наименьшая из проблем.
Теперь можно перейти к габаритам маховика и вычислить скорость вращения.
Кристалл — диск равной прочности.
Радиус впятеро больше толщины.
Расчётная масса — 100 килограмм.
Объём цилиндра: V=Pi*R^2*h
Объём дискообразного маховика вдвое меньше при том же радиусе (срез по диагонали, диск широкий в центре и утончается к краям).
Поэтому: V=(Pi*R^2*h)/2
Плотность кварца — 2 600 кг/м³
Подстановка:
(3.14159265*0.5^2*0.1)/2*2600=102
Диаметр диска — 100 сантиметров
Толщина диска — 10 сантиметров
Формула энергии маховика:
E=1/2*I*w²
Где:
I — момент инерции
w — угловая скорость вращения
Момент инерции (формула для сплошного цилиндра):
I=1/2*m*r^2
m — масса
r — радиус
Угловая скорость вращения:
w=2*Pi*f
Pi — 3.14159265
f — частота вращения
Выведенная формула:
E=m*(Pi*f)^2*(r^2)
E — энергия в джоулях
m — масса в килограммах
r — радиус в метрах
Подстановка:
m — 10 килограмм
r — 0.2 метра
f — 2300 оборотов в секунду
Вычисление:
100*(3.14159265*1430)^2*(0.5^2)=504558849
Энергия маховика — 500 МДж при частоте вращения в 1430 оборотов/секунду (85 800 оборотов/минуту).
Для сравнения: Скорость вращения ротора пылесоса может достигать 30 000 оборотов в минуту, хотя диаметр ротора не больше пяти сантиметров. Вольфрамовые гироскопы баллистических ракет вращаются со скоростями до 180 000 оборотов/минуту, разумеется в вакууме и на магнитном подвесе.
Вычисляем линейную скорость:
Периметр круга: P=2*Pi*r
Периметр диска маховика:
2*3.14159265*0.5=3.142 метра
Линейная скорость:
3.142*1430=4493 м/с.
100-килограммовый маховик
Форма — диск равной прочности.
Диаметр — 100 сантиметров.
Высота — 10 см
Материал — кварцевый монокристалл
Плотность — 2 600 кг/м³
Прочность — 33 000 мегапаскалей (полуторный запас прочности)
Безопасная скорость вращения — 1430 оборотов в секунду.
Безопасная энергия — 500 мегаджоулей.
Движитель мощностью в крылосилу (30.172 киловатта) потратит эту энергию за 4 с половиной часа. А мощность эта достаточна для мельницы, лесопилки, насоса водоснабжения для небольшой деревни, или даже для трактора. В общем, маховики — полезные штуки.
Маховики полезные, но сильно уступают дизельным двигателям из мира людей. КПД дизельного двигателя — 40%, теплота сгорания топлива 42.7 МДж/кг, полезная энергия 17 МДж/кг. Вот почему у нас, несмотря на возможность делать маховики (точнее супермаховики) с энергией до 1.8 МДЖ/кг они мало кому известны. Маховики используют разве что на электроподстанциях, например компания "Beacon Power" и пытаются внедрить отдельные изобретатели, такие как Нурбей Гулиа.
Но с другой стороны, те же паровые машины маховики превосходят. КПД обычного паровика — 5%, теплота сгорания угля 31 МДж/кг, полезная энергия 1.55 МДж/кг. Уголь в Эквестрии приходится добывать пиролизом, из древесины, что трудоёмко и вредно для лесов, а кинетической энергии полно и ветре, и в течении воды, и в волшебных пегасках.
100-килограммовые маховики можно считать негласным стандартом для Эквестрии. Они доступны по цене и несложны в производстве. Но вместе с тем небезопасны.
Кинетический взрыв маховика равен по энергии 120 килограммам тротила (хотя и не вызывает выброса газов, продуктов сгорания, поэтому реальная сила взрыва меньше).
Из-за взрывоопасности маховиков подход к технике безопасности более чем серьёзный. Кристаллы хранятся в капсулах из сверхпрочной стали, чтобы ни один глупый жеребёнок не пробил. Но всё равно эти капсулы стараются устанавливать в стороне от жилья, под землёй.
Капсула маховика
Металлический диск, повторяющий очертания маховика, но допускающий для него значительный крен, чтобы из-за падений или ударов кристалл не касался стенок.
Диаметр — 110 сантиметров.
Высота — 30 см
Площадь цилиндра: S=2*Pi*r*(h+r)
Вычисление площади:
2*3.14159265*0.55*(0.30*0.55)=0.57 м²
Толщина стенки — 10 миллиметров сверхпрочной стали.
Плотность стали — 7850 кг/м³
Масса капсулы: 0.57*0.01*7850=44.745 килограмм
А также магниты и система креплений — 20 килограмм
Плюс масса вариатора, на 30 киловатт передачи, не меньше 30 килограмм.
Масса маховика на 500 МДж энергии со стальным кожухом и вариатором — 200 килограмм.
Чтобы заряжать маховики используют ветряки и водяные колёса, а если нужна скорость — пегасок. Пегаски, вообще, прекрасные преобразователи магической энергии в кинетическую: одна крылосила равняется 30 киловаттам, а средняя пегаска не напрягаясь выдаёт две. С помощь рычага, простого ротора и немудрёного вариатора на 80% КПД пегаска зарядит 500-МДж маховик за три часа.
Кроме обычных 100-килограммовых маховиков волшебники создают и более массивные диски, в диапазоне 1-10 тонн, на заказ, для магнитной дороги, фабрик и верфей.
Десятитонные диски стоят особого внимания, пару из них создали для особенной серии кораблей.
10-тонный маховик
Форма — диск равной прочности.
Диаметр — 4 метра.
Высота — 0.62 метра.
Безопасная скорость вращения — 356 оборотов в секунду.
Безопасная энергия — 50 000 МДж.
Капсула 10-тонного маховика
Диаметр — 4.2 метра
Высота — 1 метр
Толщина кожуха —25 миллиметров
Масса капсулы — 6 тонн
Магниты и вариатор — 4 тонны
Масса 50-Гдж-маховика в капсуле — 20 тонн.