Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

1.4. Классификация ФТЭ

Ниже приведена классификация ФТЭ. За параметр классификации принят вид физического параметра.

1.Механические эффекты.

– Центробежная сила.

– Гироскопичекий эффект.

– Гравитация.

– Гука закон.

– Электропластический эффект.

– Эффект Пойнтинга.

– Эффект радиационного распухания.

– Сплавы «с памятью».

2.Молекулярные явления.

–Тепловое расширение вещества.

–Биметаллы.

–Фазовые переходы.

–Термокапиллярный эффект.

–Сорбция.

–Диффузия.

–Дюфура эффект.

–Осмос.

–Тепловые трубы.

–Цеолиты.

3. Гидростатика и гидродинамика.

–Закон Архимеда.

–Вязкоэлектрический эффект.

–Механокалорический эффект.

–Эффект Магнуса.

–Эффект Джоуля — Томсона.

12

–Гидравлический удар.

–Кавитация.

4.Колебания и волны.

– Резонанс.

– Реверберация.

– Ультразвуковые эффекты.

– Акустомагнетоэлектрический эффект.

– Волновое движение.

– Эффект Доплера — Физо.

– Поляризация.

– Дифракция.

– Интерференция.

– Голография.

– Дисперсия волн.

5.Электрические и электромагнитные явления.

– Электрическое поле.

– Закон Джоуля — Ленца.

– Закон Кулона.

– Индуцированные заряды.

– Электростатическая индукция.

– Магнитное поле.

– Сила Лоренца.

– Проводник с током в магнитном поле.

– Взаимодействие проводников с током (закон Ампера).

– Магнитострикция.

– Электромагнитное поле.

– ЭДС индукции.

– Взаимная индукция.

– Самоиндукция.

– Вихретоковый эффект.

– Индукционный нагрев.

– Электромагнитные волны.

– Бататронное излучение.

6.Диэлектрические свойства вещества.

–Пьезоэлектрический эффект.

–Обратный пьезоэффект.

–Пироэлектрики.

13

–Электрокалорический эффект.

–Сегнетоэлектрики.

–Электреты.

7.Магнитные свойства вещества.

– Кюри закон.

– Магнитокалорический эффект.

– Магнитоэлектрический эффект.

– Виллари эффект.

– Магниторезистивный эффект.

– Магнитоупругий эффект.

– Аномалии свойств при фазовых переходах.

– Эффект Баркгаузена.

– Эйнштейна — де-Хааза эффект.

8.Электрические свойства вещества

–Терморезистивный эффект.

–Тензорезистивный эффект.

–Трибоэлектричество.

9. Термоэлектрические и эмиссионные явления.

–Термоэлектрические явления.

–Эффект Зеебека.

–Эффект Пельтье.

–Эффект Томсона.

–Термоэлектронная эмиссия.

10.Гальвано- и термомагнитные явления.

– Гальваномагнитные явления.

– Эффект Холла.

– Эффект Эттингсгаузена.

– Термомагнитные явления.

– Эффект Риги — Ледюка.

11.Электрические разряды в газах.

–Ионизация газа под действием поля.

–Коронный разряд.

12.Электрокинетические явления.

– Электроосмос.

13.Свет и вещество.

–Полное внутреннее отражение.

–Оптико-акустический эффект.

14

2. ОПИСАНИЕ ФТЭ

Описание ФТЭ дается по следующей схеме: название; входы — выходы; графическая иллюстрация; сущность; математическое описание; применение.

2.1. Механические эффекты

Механика — наука о механическом движении материальных тел

èпроисходящих при этом взаимодействиях между телами. Под механиче- ским движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве. Рассматриваемые в механике взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, результатом которых являются изменения механического движения этих тел. Их примерами могут быть притяжения тел по закону всемирного тяготения, взаимные давления соприкасающихся тел, воздействия частиц жидкости или газа друг на друга и на движущиеся в них тела и др.

Êинтересным механическим эффектам относятся эффект Пойнтинга, эффект радиационного распухания металла, сплавы «с памятью».

Пойнтингом было установлено, что при закручивании стальных

èмедных проволок они не только закручиваются, но также упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение проволоки примерно пропорционально квадрату угла закручивания: при заданном значении угла удлинение пропорционально квадрату радиуса. Диаметр проволоки при закручивании уменьшается, величина радиального сжатия при этом пропорциональна квадрату угла закручивания. Эффект был открыт давно,

èеще Пойнтингом было доказано, что удлинение при закручивании не связано с изменениями модуля Юнга — это позволяет предполагать, что свойства материала остаются без изменений.

Как бы ни пытались исправить деформированную деталь, она все равно вспомнит свой дефект, частично восстановит прежнюю деформированную форму. Виной тому внутренние напряжения в материалах. Они существуют всегда. Отжиг ликвидирует их в металлах, но при остывании, которое идет не равномерно, внутренние напряжения, хотя и ос-

16

лабленные, появляются вновь. С помощью холодной правки идеально выгладить стальное изделие невозможно. Здесь на помощь может прийти радиоактивное излучение.

При облучении нейтроны врываются в недра металла и, сталкиваясь

ñядрами ионов (или атомов), выбивают их из узлов кристаллической решетки. Те, в свою очередь, ударяясь о другие ионы, либо остаются на месте, либо оставляют эти места свободными. Большая же часть ионов внедряется в пространство между узлами. Обрабатываемая часть изделия при этом увеличивает свой объем (эффект радиационного распухания).

Если изогнутую деталь подвергнуть радиоактивному облучению

ñвыгнутой стороны, то внедрившиеся частицы, расталкивая ионы и атомы кристаллической решетки, начнут разгибать деталь. Изменения кривизны можно контролировать обычным измерительным прибором, следить за ней постоянно во время правки и закончить процесс точно на «нуле». Причем править можно в сборе, на готовой машине.

Действие радиации легко рассчитать. Известно, что максимальное изменение объема стали при нейтронном облучении составляет 0,3 %. Например, если подвергнуть облучению только средний участок стальной детали длиной 1000 мм и высотой 50 мм, то устраняется прогиб в 2,5 мм. Неметаллические и композиционные материалы при облучении изменяют свой объем еще сильней, например, пластмассы — до 24 %.

Некоторые сплавы металлов: титан — никель, золото — кадмий, медь — алюминий обладают эффектом «памяти». Если из такого сплава изготовить деталь, а затем ее деформировать, то после нагрева до определенной температуры деталь восстанавливает в точности свою первоначальную форму. Из всех известных сейчас науке сплавов «с памятью» наиболее уникальны по спектру свойств сплавы из титана и никеля: сплавы ТН (за рубежом они известны под названием нитинол). Сплавы ТН развивают большие усилия при восстановлении своей формы.

2.1.1. Центробежная сила

Входы: угловая скорость, вращательное движение. Выходы: давление, сила.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.1.

Сущность

Центробежная сила — сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тело (связь), стесняющее свободу движения точки

17

и вынуждающее ее двигаться криволинейно. Центробежная сила и центростремительная сила численно

равны друг другу и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны, но приложены к разным телам — как силы действия

и противодействия. Например, при

вращении в горизонтальной плоскости привязанного к веревке груза центростремительная сила действует со стороны веревки на груз, выну-

ждая его двигаться по окружности, а центробежная сила действует со стороны груза на веревку, натягивает ее и при достаточно большой скорости движения может оборвать (см. рис. 2.1). Центробежная сила направлена по главной нормали к траектории от центра кривизны (от центра окружности при движении точки по окружности).

Математическое описание

Численно центробежная сила

F mv2 ,

R

ãäå m — масса точки; v — ее скорость;

R — радиус кривизны траектории.

Применение

А. с. ¹ 517501. Способ отбортовки труб и термопластичного материала, включающий в себя операции нагревания ее конца до размягчения и последующей его деформации, отличается тем, что с целью упрощения изготовления изделия и повышения его качества деформацию размягченного конца трубы осуществляют ее вращением.

Подвергая нагретую жидкость действию центробежного поля, можно значительно увеличить производительность парогенераторов, так как, если нагретую жидкость под давлением подавать по касательной к вращающемуся цилиндру, то жидкость закрутится. При этом жидкость

18

будет закручиваться с большего на меньший радиус, а это, в силу закона сохранения момента количества движения, вызовет рост линейной скорости. Согласно закону Бернулли, увеличение скорости приведет к падению давления в движущейся жидкости. Поэтому жидкость, подогретая до кипения, попав в зону пониженного давления, закипит, и сухой пар будет скапливаться в центре цилиндра.

2.1.2. Гироскопический эффект

Входы: сила, направление. Выходы: перемещение, скорость.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Устройство гироскопа

Сущность

Гироскоп (см. рис. 2.2) — быстро вращающееся твердое тело, ось вращения которого может изменять свое направление в пространстве. Гироскоп обладает рядом интересных свойств, наблюдаемых у вращающихся небесных тел, у артиллерийских снарядов, у детского волчка, у роторов турбин, установленных на судах. На свойствах гироскопа

19

основаны разнообразные устройства или приборы, широко применяемые в современной технике для автоматического управления движением самолетов, морских судов, ракет, торпед и других объектов, для определения горизонта или географического меридиана, для измерения поступательных или угловых скоростей движущихся объектов (например, ракет) и много другого. Свойства гироскопа проявляются при выполнении двух условий: 1) ось вращения гироскопа должна иметь возможность изменять свое направление в пространстве; 2) угловая скорость вращения гироскопа вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угловой скоростью, которую будет иметь сама ось при изменении своего направления.

Если на гироскоп подействовать силой, то его ось начнет поворачи- ваться в плоскости, перпендикулярной плоскости действия силы (прецессия).

Еще одна особенность гироскопа: вращающееся тело обладает гироскопическим эффектом — способностью сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения. При силовом воздействии с целью изменить направление оси вращения возникает прецессия гироскопиче- ских систем. Гироскопы широко применяются в технике: они являются одним из основных элементов современных систем управления судами, самолетами, планетоходами, космическими кораблями.

Математическое описание

ãäå M è L — соответственно векторы момента силы, действующей на гироскоп, и момента импульса;

I — скаляр момента инерции;

и — векторы угловой скорости и углового ускорения.

Применение

А. с. 474444. Локомотив с электропередачей, содержащий аккумулятор энергии в виде вращающегося маховика, связанный с преобразователем энергии, представляющим собой обратимую электрическую машину, отличается тем, что с целью устранения сил гироскопического эффекта маховика на устойчивость локомотива ма-

20