Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

ховик с преобразователем энергии смонтированы в оболочке и помещены в гироскопический механизм с двумя степенями свободы.

A.c. 467336. Устройство для определения силы трения, содержащее корпус, карданный подвес, ротор с приводом, установленные в карданном подвесе, держатели образца и контробразца, нагружающий механизм, взаимодействующий с держателем контробразца, датчик угловой скорости прецессии, связанный с рамкой карданного подвеса. Отличается тем, что с целью определения силы трения при высоких (порядка сотен метров в секунду) скоростях вращения держатель образца установлен на роторе, нагружающий механизм взаимодействует с держателем контробразца, а датчик угловой скорости прецессии связан с внешней рамкой подвеса.

Поскольку при вращательном движении само тело остается на одном месте, а только участки тела совершают круговые движения, то во вращающемся теле можно аккумулировать кинетическую энергию, которую затем можно преобразовать в кинетическую энергию поступательного движения. На этом принципе работают инерционные аккумуляторы, используемые, например, в гиробусах.

A.с. 518302. Машина для инерционной сварки трением, содержащая привод вращения и шпиндель с массой для накопления энергии, отличается тем, что с целью уменьшения энергоемкости процесса масса для накопления энергии выполнена в виде инерционного пульсатора.

А. с. 518381. Привод кузнечно-прессовой машины, содержащий электродвигатель и насос, соединенный трубопроводом через распределительную систему с аккумулятором и рабочим цилиндром машины, отличается тем, что с целью повышения КПД он снабжен дополнительными аккумулятором энергии, маховиком, установленным в кинематиче- ской цепи, связывающей электродвигатель с насосом.

2.1.3. Гравитация

Входы: масса. Выход: ñèëà.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.3.

Сущность

Кроме того, что масса является мерой инертности тела, любая масса является источником

гравитационного поля. Через гравитационные Рис. 2.3. Закон гравитации

21

поля осуществляется взаимодействие масс. Гравитационные силы самые слабые из всех сил, известных науке; тем не менее, при наличии больших масс (например, Земля) эти силы во многом предопределяют поведение физических систем. Количественно гравитационные взаимодействия описываются законом всемирного тяготения. Сила тяготения пропорциональна массе. Такая пропорциональность приводит к тому, что ускорение, приобретаемое в данной точке гравитационного поля различными телами, для всех тел одинаково конечно, если на эти тела не действуют никакие другие силы (сопротивление воздуха).

Если рассматривать движение тел под действием силы тяжести Земли, то это движение будет равноускоренным. Ускорение будет постоянно по величине и по направлению. Все отклонения от постоянства ускорения имеют те или иные конкретные причины — вращение Земли, ее несферичность, несимметричное распределение масс внутри Земли, сопротивление воздуха или иной среды, наличие электрических или магнитных полей и т. д. Постоянство ускорения — это возможность измерять массы посредством измерения веса, это часы, датчики времени — это бесплатные силы гравитации точно калиброванные.

Математическое описание

Гравитационное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 è m2, разделенными расстоянием R (ñì. ðèñ. 2.3),

F G m1 m2 , R 2

ãäå R — расстояние между телами; m1, m2 — массы тел;

G — гравитационная постоянная, равная 6,613(10)·10–11 ì3/(êã·ñ2). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда равна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, т. е. гравитацион-

ное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Применение

Пат. 3552283 США. Устройство, отмечающее положение плоскости Земли и образующее изображение на экспонируемой фотографической

22

пленке, позволяющее определить на проявленном негативе или на позитивном отпечатке положение плоскости Земли независимо от положения камеры во время киносъемки. Устройство содержит прозрачное тело с грузилом, смещающимся под действием силы тяжести в самый нижний угол этого тела. Прозрачное тело может располагаться внутри корпуса камеры или внутри кассеты для роликовой пленки, причем единственное требование к прозрачному телу — оно должно находиться на пути световых лучей, идущих от фотографируемого предмета на пленку, установленную в камере. На краю кадра, проявленного негатива или позитивной пленки образуется метка в виде стрелки, направленной в сторону плоскости Земли. Метка в виде стрелки может использоваться для правильной ориентации пленки или диапозитива.

А. с. 189597. Устройство для установления заданных промежутков времени отличается тем, что с целью повышения точности измерения при записи сейсмограмм оно выполнено в виде стержня с расположенным на нем грузом, замыкающим во время свободного падения контакты, соединенные с электродетонаторами.

2.1.4. Электропластический эффект в металлах

Входы: электрический ток. Выходы: пластичность, хрупкость.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.4 и 2.5.

Рис. 2.4. Волочение проволоки с приложением электрического поля

Сущность

Электропластический эффект — увеличение пластичности и уменьшение хрупкости металла под действием импульсов электрического

23

Дислокация есть неоднородность решетки (см. рис. 2.5), электроны проводимости, движущиеся вдоль проводника (металла) с дрейфовой скоростью V, будут терять ее в момент столкновения с дислокациями. Это приводит к возникновению дополнительной силы.

Пусть дислокация единичной длины равна площадке размером b, тогда за единицу времени с ней столкнется nV электронов, каждый из которых имеет импульс P. Тогда общий импульс есть nVP, а сила, действующая на дислокацию,

F = bnVP.

Используя закон Ома,

j = nVe, ãäå j — плотность тока, получаем

F bPj. e

Применение

1. Возможность управлять механическими свойствами металлов, в частности, процессом обработки металлов давлением, например, деформировать вольфрам при температурах, не превышающих 200 °C и полу- чить из него прокат с высоким качеством поверхности. В экспериментах

24

с импульсным током было найдено, что электрический ток увеличивает пластичность и уменьшает хрупкость металла. Если создать хорошие условия теплоотвода от деформируемых образцов и пропускать по ним ток высокой плотности 104–106 À/ñì2, то величина эффекта будет порядка десятков процентов. Электрический ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается удобным технологическим фактором для снятия внутренних напряжений в металле.

2.Использование эффекта для деформации вольфрама при температурах, не превышающих 200 °С и получение из него проката с высоким качеством поверхности.

3.Снижение усилия, необходимого для протаскивания проволоки через фильеру (см. рис. 2.4): усилие снижается на 15–20 %, сокращается число обрывов проволоки, изменяются механические свойства проволоки. На ее поверхности вместо твердого слоя, характерного для обычного процесса, образуется мягкий, проволока становится более пластичной.

2.2. Молекулярные явления

Молекулярная физика — раздел физики, в котором изучаются физи- ческие свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения. Задачи молекулярной физики решаются методами физической статистики, термодинамики и физической кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физи- ческие тела. Наиболее интересными из этой группы являются биметаллы, термокапиллярный эффект, тепловые трубы.

Биметаллические пластинки — соединенные каким-либо способом две металлические полоски с различным коэффициентом теплового расширения. Они являются отличным преобразователем тепловой энергии в механическую. Использование эффекта различного расширения у различных металлов позволило создать тепловой диод.

Термокапиллярный эффект — зависимость скорости растекания жидкости от неравномерности нагрева жидкого слоя. Эффект объясняется тем, что поверхностное натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры. Поэтому при различии температур в разных участках жидкого слоя возникает движущая сила растекания, которая пропор-

25

циональна градиенту поверхностного натяжения жидкости. В результате возникает поток жидкости в смачивающей пленке. Влияние неравномерного нагрева различно для чистых жидкостей и растворов (например, по- верхностно-активных). У чистых жидкостей перетекание происходит от холодной зоны к горячей. При испарении поверхностно-активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение, жидкость начинает перетекать от горячей зоны к холодной. В общем случае движение жидкости определяется тем, как изменяется поверхностное натяжение в зоне нагрева, а также от температуры испарения какого-либо компонента.

Среди новых теплообменных систем важное место занимают тепловые трубы. Один из простых вариантов тепловой трубы — это закрытый металлический цилиндр; его внутренние стенки выложены слоем порис- то-капиллярного материала, пропитанного легковоспламеняющейся жидкостью. Именно с движением этой жидкости связана теплопроводность трубы: на горячем конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами перемещаются к холодному концу — это нормальная конвекция. Здесь пары конденсируются и отдают тепло; образовавшаяся жидкость по пористому материалу возвращается обратно, к горячему концу трубы. Это замкнутый цикл, бесконечный круговорот тела и массы — никаких движущихся частей, в каком-то смысле вечный двигатель.

Тепловые трубы — непревзойденные проводники тепла, их даже назвали сверхпроводниками. Действительно, через тепловую трубу диаметром в 1 см можно прогнать тепловую мощность порядка 10 кВт при разности температур на концах трубы (это аналог разности электриче- ских потенциалов на участке цепи) всего в 5 °С. Чтобы пропустить эту мощность через медный стержень такого же диаметра, на его концах нужен был бы перепад температуры почти 150 000 °С.

Тепловые трубы сейчас получили широкое применение. Их можно встретить в космической технике, в ядерных реакторах, криогенных хирургических инструментах, в системах охлаждения двигателей. В трубах может выполняться механическая работа за счет энергии движущегося теплоносителя. На их основе, например, создаются МГД-генераторы — теплоносителем в тепловой трубе может быть жидкий металл, и если поместить трубу в магнитное поле, то в металле (на концах проводника) наведется электродвижущая сила. Тепловые трубы могут работать в очень широком диапазоне температур. Все зависит от давления внутри трубы и от применяемого теплоносителя.

26

2.2.1. Тепловое расширение

Входы: температура. Выходы: длина, объем.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Нагревание пластин с разным коэффициентом теплового расширения

Сущность

Тепловое расширение — увеличение размеров тела при его нагревании (см. рис. 2.6). Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начи- нают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристалли- ческой решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Также жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул.

Математическое описание

Основной закон теплового расширения

L = L T ,

27

ãäå L — линейный размер тела;

L — величина расширения тела;T — увеличение температуры тела;

— коэффициент линейного теплового расширения.

Âприведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям

âстрогом соответствии с вышеприведенной формулой.

Применение

À.с. 471140. Устройство для волочения металлов со смазкой под давлением, содержащее установленные в корпусе рабочую и уплотнительную волоки, образующие между собой и корпусом камеру (в которой находится смазка), отличающееся тем, что с целью упрощения конструкции и повышения производительности, средство для создания в камере высокого давления выполнено в виде нагревательного элемента, расположенного внутри камеры.

À.с. 175190. Устройство для учета количества наливов металла в изложницу, отличающееся тем, что с целью автоматизации процесса учета оно выполнено в виде корпуса, прикрепленного к изложнице, в полости которого расположено счетное устройство, состоящее из трубки с шариками и биметаллической пластинки, на конце которой укреплен отсекатель, пропускающий при нагреве пластинки шарик, падающий в накопительную емкость.

À.с. 518614. Тепловой диод, содержащий входной и выходной теплопроводы, имеющие узел теплового контакта, отличающийся тем, что

ñцелью упрощения конструкции узел теплового контакта выполнен по типу «вилка — розетка» и вилка выполнена в теле входного, а розетка в теле выходного теплопроводов.

2.2.2. Капиллярные явления

Входы: íåò.

Выходы: давление.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.7.

Сущность

Капиллярные явления — физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающих-

28

ся сред (явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей

с другой жидкостью, газом или собственным паром).

Когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. В условиях невесомости ограниченный объем жидкости, не соприкасающейся с другими телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме, и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна.

Форму шара жидкость принимает и в том случае, если она находится в другой, равной по

плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой). При нескомпенсированной силе тяжести картина существенно меняется: маловязкая жидкость (например, вода), взятая в достаточном количестве, принимает форму сосуда, в который она налита. Ее свободная поверхность оказывается практически плоской, так как силы земного притяжения преодолевают действие поверхностного натяжения, стремящегося искривить и сократить поверхность жидкости. Однако по мере уменьшения массы жидкости роль поверхностного натяжения снова становится определяющей: при дроблении жидкости в среде газа или газа в жидкости образуются мелкие капли или пузырьки практически сферической формы.

При контакте жидкости с твердыми телами на форму ее поверхности существенно влияют явления смачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости и твердого тела. Смачивание означает, что жидкость сильнее взаимодействует с поверхностью твердого тела (капилляра, сосуда), чем находящийся над ней газ. Силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют ее подниматься по стенке сосуда, что приводит к искривлению примыкающего к стенке участка поверхности. Это создает отрицательное (капиллярное) давление, которое в каждой точке искривленной поверхности в точности уравновешивает давление, вызванное подъемом уровня жид-

29

кости. Гидростатическое давление в объеме жидкости при этом изменений не претерпевает.

Отрицательное капиллярное давление оказывает стягивающее действие на ограничивающие жидкость стенки. Это может приводить к зна- чительной объемной деформации высокодисперсных систем и пористых тел — капиллярной контракции. Так, например, происходящий при высушивании рост капиллярного давления приводит к значительной усадке материалов.

Если жидкость в капилляре совершает колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается в несколько десятков раз, значительно возрастает и скорость подъема.

Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы сжимает столб жидкости и поднимает его вверх. Открытый эффект уже очень широко используется в промышленности, например, при пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей, окраске тканей, в тепловых трубах и т. п.

Математическое описание

Формула Д. Жюрена определяет высоту h капиллярного поднятия жидкости, полностью смачивающей стенки капилляра:

ãäå 1 è 2 — плотность жидкости 1 è ãàçà 2; g — ускорение свободного падения;

12 — поверхностное натяжение на границе двух сред; r — радиус кривизны.

Применение

А. с. 437568. Способ пропитки капиллярных пористых тел жидкостями и расплавами, например, полимерным связующим, с применением ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что с целью интенсификации процессов пропитки ультразвуковые колебания сообщают пропитываемому телу.

30