Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех
.pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
В. А. Панов
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
ÓÄÊ 53(03) Ï16
Рецензенты:
êàíä. òåõí. íàóê, ïðîô. Э. С. Заневский (Пермский государственный технический университет);
êàíä. òåõí. íàóê, äîö. Â. Í. Çóåâ (ÇÀÎ Â1336)
Панов, В. А.
П16 Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-технические эффекты: учеб. пособие / В. А. Панов.— Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008.— 158 с.
ISBN 978-5-398-00083-2
Дано описание физико-технических эффектов по единой схеме. Кроме того, изложен алгоритм синтеза физического принципа действия, с помощью которого можно решать технические задачи любой сложности на основании применения законов физики.
Предназначено для студентов технических специальностей, а также инженеров и проектировщиков новой техники и технологии. Кроме того, оно будет полезно всем, кто интересуется физикой или использует ее в своей практической деятельности.
ÓÄÊ 53(03)
Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного техниче- ского университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»
ISBN 978-5-398-00083-2 |
© ÃÎÓ ÂÏÎ |
|
«Пермский государственный |
|
технический университет», 2008 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ................................................................................................................. |
6 |
1. Общие сведения о синтезе физического принципа действия........................ |
8 |
1.1. Понятие физико-технического эффекта................................................... |
8 |
1.2. Формализация описания ФТЭ ................................................................... |
8 |
1.3. Синтез физического принципа действия. Алгоритм синтеза ФПД ....... |
9 |
1.4. Классификация ФТЭ .................................................................................. |
12 |
2. Описание ФТЭ ................................................................................................... |
16 |
2.1. Механические эффекты ............................................................................. |
16 |
2.1.1. Центробежная сила .......................................................................... |
17 |
2.1.2. Гироскопический эффект ................................................................ |
19 |
2.1.3. Гравитация ........................................................................................ |
21 |
2.1.4. Электропластический эффект в металлах...................................... |
23 |
2.2. Молекулярные явления .............................................................................. |
25 |
2.2.1. Тепловое расширение ...................................................................... |
27 |
2.2.2. Капиллярные явления ...................................................................... |
28 |
2.2.3. Фазовые переходы............................................................................ |
31 |
2.3. Молекулярные явления II рода ................................................................. |
34 |
2.3.1. Сорбция ............................................................................................. |
34 |
2.3.2. Диффузия .......................................................................................... |
36 |
2.3.3. Осмос ................................................................................................. |
38 |
2.3.4. Цеолиты............................................................................................. |
40 |
2.4. Гидростатика и гидродинамика ................................................................ |
42 |
2.4.1. Архимеда закон ................................................................................ |
43 |
2.4.2. Механокалорический эффект.......................................................... |
45 |
2.4.3. Магнуса эффект ................................................................................ |
46 |
2.4.4. Джоуля — Томсона эффект............................................................. |
48 |
2.4.5. Гидравлический удар ....................................................................... |
50 |
2.4.6. Кавитация.......................................................................................... |
54 |
2.5. Колебания и волны ..................................................................................... |
55 |
2.5.1. Резонанс............................................................................................. |
60 |
2.5.2. Реверберация..................................................................................... |
62 |
3
2.5.3. Акустомагнетоэлектрический эффект ........................................... |
63 |
2.6. Волновое движение .................................................................................... |
65 |
2.6.1. Эффект Доплера ............................................................................... |
66 |
2.6.2. Поляризация волн............................................................................. |
68 |
2.6.3. Дифракция......................................................................................... |
70 |
2.6.4. Дисперсия волн................................................................................. |
72 |
2.7. Электрические и электромагнитные явления .......................................... |
73 |
2.7.1. Электрическое поле.......................................................................... |
74 |
2.7.1.1. Джоуля — Ленца закон................................................................. |
74 |
2.7.1.2. Закон Кулона.................................................................................. |
75 |
2.7.1.3. Электростатическая индукция ..................................................... |
76 |
2.7.2. Магнитное поле ................................................................................ |
78 |
2.7.2.1. Контур с током в магнитном поле ............................................... |
78 |
2.7.2.2. Сила Лоренца................................................................................. |
79 |
2.7.2.3. Магнитострикция .......................................................................... |
80 |
2.7.3. Электромагнитное поле ................................................................... |
82 |
2.7.3.1. ЭДС индукции ............................................................................... |
82 |
2.7.3.2. Взаимная индукция ....................................................................... |
83 |
2.7.3.3. Индукционный нагрев .................................................................. |
84 |
2.8. Диэлектрические свойства вещества ........................................................ |
85 |
2.8.1. Пьезоэлектрический эффект ........................................................... |
86 |
2.8.2. Обратный пьезоэлектрический эффект.......................................... |
87 |
2.8.3. Пироэлектрики.................................................................................. |
88 |
2.8.4. Электреты.......................................................................................... |
90 |
2.8.5. Сегнетоэлектрики............................................................................. |
91 |
2.9. Магнитные свойства вещества .................................................................. |
95 |
2.9.1. Закон Кюри ....................................................................................... |
97 |
2.9.2. Виллари эффект ................................................................................ |
99 |
2.9.3. Магниторезистивный эффект.......................................................... |
100 |
2.9.4. Баркгаузена эффект .......................................................................... |
102 |
2.9.5. Эффект Эйнштейна — де-Хааза ..................................................... |
103 |
2.10. Электрические свойства вещества.......................................................... |
105 |
2.10.1. Тензорезистивный эффект............................................................. |
105 |
2.10.2. Терморезистивный эффект............................................................ |
106 |
2.11. Термоэлектрические и эмиссионные явления ....................................... |
108 |
4
2.11.1. Эффект Зеебека............................................................................... |
108 |
2.11.2. Эффект Пельтье.............................................................................. |
109 |
2.11.3. Термоэлектронная эмиссия ........................................................... |
111 |
2.12. Гальвано- и термомагнитные явления.................................................... |
113 |
2.12.1. Холла эффект .................................................................................. |
114 |
2.12.2. Эттинсгаузена эффект.................................................................... |
115 |
2.13. Электрические разряды в газах ............................................................... |
116 |
2.14. Электрокинетические явления ................................................................ |
120 |
2.15. Свет и вещество ........................................................................................ |
121 |
2.16. Фотоэлектрические и фотохимические явления ................................... |
126 |
2.16.1. Фотоэффект..................................................................................... |
126 |
2.16.2. Дембера эффект .............................................................................. |
127 |
2.16.3. Эффект Кикоина — Носкова......................................................... |
128 |
2.16.4. Фотохромный эффект .................................................................... |
130 |
2.17. Люминесценция ........................................................................................ |
132 |
2.18. Анизотропия и свет .................................................................................. |
134 |
2.18.1. Фотоупругость ................................................................................ |
135 |
2.18.2. Электрооптический эффект Керра ............................................... |
136 |
2.18.3. Фарадея эффект .............................................................................. |
138 |
2.18.4. Эффект Зеемана .............................................................................. |
140 |
2.18.5. Дихроизм......................................................................................... |
141 |
2.19. Явления микромира.................................................................................. |
142 |
2.19.1. Электронный парамагнитный резонанс ....................................... |
142 |
2.19.2. Акустический парамагнитный резонанс ...................................... |
145 |
2.19.3. Ядерный магнитный резонанс ...................................................... |
148 |
2.20. Фотофорез, стробоскопический, электрореологический и |
|
акустоэлектрический эффекты.................................................................. |
149 |
2.20.1. Фотофорез ....................................................................................... |
150 |
2.20.2. Стробоскопический эффект .......................................................... |
151 |
2.20.3. Электрореологический эффект ..................................................... |
153 |
2.20.4. Акустоэлектрический эффект ....................................................... |
155 |
Список литературы ................................................................................................ |
157 |
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время деятельность инженера немыслима без знания физических эффектов, лежащих в основе функционирования техниче- ских объектов. В современной литературе описание физических эффектов представлено, в основном, в виде набора формул, за которыми трудно разглядеть сущность эффекта.
Данное пособие — не справочник, потому что оно включает в себя лишь незначительную часть сведений об огромном количестве эффектов и явлений изученного окружающего нас мира. Роль данного пособия заключается в том, что оно поможет увидеть и ощутить одну из важнейших тенденций развития технических систем — переход от исследования природы и практического воздействия на нее на макроуровне к исследованию ее на микроуровне и связанный с этим переход от макротехнологии к микротехнологии.
Микротехнология основывается на совершенно иных принципах, чем технология, имеющая дело с макротелами. Микротехнология строится на основе применения к производству современных достижений химической физики, ядерной физики, квантовой механики. Это новая ступень взаимодействия человека и природы, а самое главное — это взаимодействие происходит на языке природы, на языке ее законов.
Человек, создавая свои первые технические системы, использовал в них макромеханические свойства окружающего нас мира. Это не слу- чайно, так как научное познание природы началось исторически именно с механических процессов на уровне вещества.
Вещество с его внешними формами и геометрическими параметрами является объектом, непосредственно данным человеку в ощущениях. Это тот уровень организации материи, на котором она предстает перед человеком как явление, как количество, как форма. Поэтому каждый технологический метод воздействия соответствовал (и во многих современных технических системах сейчас соответствует) простейшей форме движения материи — механической.
6
С развитием техники все методы воздействия совершенствуются, но, тем не менее, в их соотношении можно проследить известные изменения. Механические методы в большинстве случаев заменяются более эффективными физическими и химическими методами. В добывающей промышленности, например, вместо механического дробления руды и подъема ее на поверхность получают распространение методы выщелачивания рудного тела и получения раствора металла с последующим его выделением химическим путем. В обрабатывающей промышленности микротехнология приводит к революционным преобразованиям: сложные детали выращивают в виде монокристаллов, внутренние свойства вещества изменяют воздействием сильных электрических, магнитных, оптических полей. В строительстве использование фундаментальных свойств вещества позволяет отказываться от сложных и дорогих механизмов.
Чем объяснить эффективность микротехнологии? Здесь трудно различить вещество, являющееся орудием воздействия, и вещество, служащее предметом труда. Здесь нет инструмента непосредственного воздействия, рабочего оружия или рабочей части машины, как это имеет место при механических методах. Функции орудия труда выполняют частицы веществ — молекулы, атомы, участвующие в процессе. Причем сам процесс легко управляем за счет воздействия определенными полями на частицы объекта и создает при этом соответствующие условия.
Переход от механических и макрофизических методов воздействия к микрофизическим позволяет значительно упростить любой технологи- ческий процесс и добиться при этом большого экономического эффекта.
Данная книга-пособие продемонстрирует на примерах эффективность использования законов природы при проектировании новой техники. В ней представлено описание физико-технических эффектов (ФТЭ) по следующей схеме: название; входы-выходы; графическая иллюстрация; сущность; математическое описание; применение. Кроме того, здесь изложен алгоритм «Синтеза физического принципа действия», с помощью которого можно решать технические задачи любой сложности путем применения законов физики.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИНТЕЗЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ
1.1. Понятие физико-технического эффекта
Физико-технический эффект (ФТЭ) — это физический закон (процесс, явление), который можно рассматривать как преобразователь одного физического параметра в другой. ФТЭ можно рассматривать как «черный ящик», преобразующий входной параметр в выходной (рис. 1.1).
|
|
|
|
Пример 1 (тепловое расширение тела): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
увеличение температуры твердого тела приво- |
|
|
|
|
дит к увеличению его объема. В этом ФТЭ |
|
|
|
|
входным параметром является температура, |
|
|
|
|
|
Рис. 1.1. Физико- |
выходным — объем. |
|||
технический эффект |
Пример 2 (нагрев вещества): увеличение |
|||
как «черный ящик» |
количества тепла, подводимого к веществу, |
|
|
|
приводит к увеличению его температуры. Здесь |
входной параметр — количество теплоты, выходной — температура. |
|
1.2. Формализация описания ФТЭ
Математически ФТЭ можно записать в виде
I 1P1R1 I 2 P2 R2 ,
где индекс «1» относится ко входу, «2» — к выходу; I — направление изменения параметра:
1 — увеличение,
2 — уменьшение,
3 — постоянное значение,
4 — произвольное изменение;
P — физический параметр (вес, скорость, переменный ток, напряженность электрического поля …);
R — тип объекта (проводник, твердое тело, диэлектрик, например, Õ1 — проводник, Õ — твердое тело).
8
Примеры описания ФТЭ: |
|
|
Пример 1: 1TX 1VX (увеличе- |
|
|
ние температуры твердого тела при- |
|
|
водит к увеличению его объема). |
|
|
Пример 2: 1QV 1TV (увели- |
|
|
чение количества теплоты, подводи- |
Рис. 1.2. Дерево ФТЭ |
|
мого к телу, приводит к увеличению |
||
|
||
его температуры). |
|
Дерево ФТЭ — структурная схема, элементами которой является ФТЭ, причем выход одного ФТЭ является входом другого (рис. 1.2).
1.3. Синтез физического принципа действия. Алгоритм синтеза ФПД
Синтез физического принципа действия (ФПД) позволяет синтезировать структуру системы из ФТЭ.
Сущность метода: нахождение такой комбинации ФТЭ, при которой осуществляется преобразование входного параметра системы в выходной.
На первом этапе словесная формулировка задачи преобразуется во входной и выходной параметры системы. На втором — находится комбинация ФТЭ, приводящая к преобразованию «вход — выход». На третьем этапе на основании найденной цепочки ФТЭ синтезируется принципиальное решение задачи.
Алгоритм синтеза физического принципа действия рассмотрим на примере следующей задачи.
Задача. В ряде случаев ЛЭП приходится размещать в районах с большим количеством осадков. В холодный период времени, когда температура окружающей среды колеблется около 0 °С, провода постепенно обрастают коркой льда значительной толщины. В ряде случаев вес наросшего льда столь велик, что провода не выдерживают и рвутся. Синтезировать систему, предотвращающую обрыв проводов ЛЭП при нали- чии снега и намерзании льда.
Этапы алгоритма
1. Определить цель (цели), достижение которой разрешит проблему (выходной параметр системы).
При решении данной задачи можно идти двумя путями: устранить причину, вызвавшую нежелательный эффект, или устранить следствие данной причины (сам нежелательный эффект).
9
В нашем случае причиной обрыва проводов являются осадки, следствием — лед. Причину устранить не удастся, однако возможно ликвидировать лед. Таким образом, цель нашей задачи — «устранить лед».
2. Находятся источники достижения цели: за счет каких элементов, энергии и т. п. будет достигнута цель (входной параметр системы).
На этом этапе целесообразно воспользоваться вещественно-полевы- ми ресурсами (ВПР), т. е. теми полями и веществами, которые уже есть в системе.
По видам ВПР можно разделить на следующие группы: энергетиче- ские, вещественные, пространственные, временные, функциональные, информационные, комбинированные.
К энергетическим ресурсам относятся все известные нам виды энергии и полей (электрические, электромагнитные, тепловые поля и т. д.), которые не подводятся к системе и не вырабатываются специально, а уже имеются в совершенствуемой системе или во внешней среде.
Под вещественными ресурсами понимаются все материальные тела, которые есть в системе, надсистеме или внешней среде. Новое вещество можно получить разложением имеющихся веществ.
Под пространственными ресурсами будем понимать свободное пространство, «пустоту», которую можно использовать для изменения исходной системы или для повышения эффективности ее эксплуатации. Примеры: матрешка, телескопическая антенна.
Временные ресурсы — это использование промежутков времени между процессами, временное объединение процессов.
Функциональные ресурсы — это возможность использовать известную функцию объекта по иному назначению, либо выявить новую функцию в системе. Сюда же можно отнести и возможность системы выполнять по совместительству дополнительные функции после некоторых изменений.
Информационные ресурсы — это данные о параметрах вещества, полей, изменения свойств или параметров объекта. При этом, чем больше мы обнаружим отличий одного вещества от другого, тем эффективнее может оказаться их разделение. Вещества различают по разным параметрам: размерам, твердости, отражательной и преломляющей способности света, по магнитным, электрическим, химическим, биологическим и другим свойствам. Если различия в параметрах малы, то их усиливают, подвергая вещества воздействиям, при которых отличия усиливаются.
10