Текст книги "Юный техник, 2006 № 11"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)

СЕКРЕТЫ НАШИХ УДОБСТВ
Истребители пыли

Сейчас мало кто знает, что в начале прошлого века почистить ковер стоило довольно больших денег и хлопот. Бравые молодцы приезжали во двор на пароконной повозке и разводили пары. Затем от громоздкого агрегата, располагавшегося на повозке, в дом тащили шланги, наподобие пожарных. Они кончались насадками в виде щеток, с помощью которых ковер и чистили. Шуму и пыли было на всю улицу.

Потомки «Пыхтящего Билли»

Сооружение, патент на которое получил в 1901 году британский инженер Хьюберт Сесил Бут, пугало многих клиентов и даже попало в ежегодные списки Королевского общества британских изобретателей как «наиболее глупое изобретение» начинающегося века.

Возможно, его бы постигла Автономный пылесос фирмы судьба «вечного двигателя», если бы не строители-реставраторы, которые вели в тот момент ремонт в лондонском «Хрустальном дворце». В нем оказалось столько пыли, что волей-неволей пришлось обратиться к «глупому изобретению» Бута. И оно не подвело. Пятнадцать первых пылесосов за месяц работы собрали 26 тонн пыли!

А вскоре в журналах наряду с карикатурами на «Пыхтящего Билли» (именно так назвали юмористы того времени паровые пылесосы Бута) появились и рекламы ручных домашних пылесосов. «Ручных» – потому что они приводились в действие вручную.

Electroluxпохож на напольные весы. Но вставать на него ногами не стоит…

Впрочем, это было уже довольно «миниатюрное» по сравнению с конным пылесосом сооружение. При желании уже можно было вкатить в комнату цилиндр диаметром с большую бочку и высотой почти в человеческий рост. И управляться с ним можно было только вдвоем: один изо всех сил крутил рукоятку, связанную с большим маховым колесом, а другой в это время орудовал метлой с полым черенком, соединенной шлангом с внутренней камерой, в которой во время работы и создавалось разрежение.

После знакомства с такими конструкциями с большим уважением начинаешь относиться к нынешним пылесосам – надежным, компактным, а то и миниатюрным, малошумным, способным выполнять самую разнообразную работу.

Устройство «Бурана»

Как же устроен пылесос? Несмотря на разнообразие конструкций, форм и размеров, принцип действия большинства пылесосов одинаков и очень прост. Этот аппарат – ближайший родственник обыкновенного вентилятора. Придуман он был в середине прошлого века американцем Уильямом Генри Гувером. Именно благодаря ему в англоязычных странах и по сей день пылесос часто называют hoover.

Итак, крыльчатки вентилятора гонят воздух из замкнутого корпуса пылесоса. Поэтому здесь образуется пониженное давление, и воздух снаружи, где давление нормальное, устремляется внутрь через насадку, удлинительную трубку и гибкий шланг. При этом он увлекает за собой мелкий сор и пыль. Что происходит внутри пылесоса дальше, рассмотрим на примере одного из самых распространенных напольных бытовых пылесосов вихревого типа.

Воздух внутрь агрегата втягивается вентилятором. Матерчатый фильтр, установленный на входе, преграждает путь пыли и соринкам: крупинки пыли оседают на поверхности фильтра, а прочий мусор падает на дно пылесборника. Очищенный воздух проходит через двигатель, охлаждая его обмотки, и выбрасывается через выходное отверстие. Наружный колпак заглушает шум, создаваемый работающим агрегатом. А уплотнительное резиновое кольцо служит не только для герметизации разъема, но и для защиты мебели от ударов при движении пылесоса.

Революция с «циклоном»

Таким пылесос оставался многие десятилетия после того, как паровой двигатель был замен в нем электромотором. Очередное радикальное усовершенствование сделано было еще одним американским изобретателем, Джеймсом Дайсоном, в 1978 году. Когда в его стареньком пылесосе что-то сломалось, копаясь в испорченном механизме, инженер Дайсон поразился несовершенству конструкции.

Первое, что он сделал, – попытался избавиться от матерчатого фильтра, который то и дело приходилось чистить. Дайсон решил заменить его «циклоном» – пылесборником.

Первый «циклон» он смастерил из коробки от кукурузных хлопьев. В дальнейшем, за 15 лет, прошедших до момента выпуска первого серийного пылесоса марки Dyson, изобретатель перебрал 5127 вариантов, прежде чем нашел оптимальную конструкцию. В итоге получился механизм, который замечателен тем, что всегда всасывает воздух с постоянной силой и практически ничего не выбрасывает обратно.

Принцип работы пылесоса кажется многим столь необычным, что некоторые продавцы, опасаясь отпугнуть домохозяек, долгое время старались не говорить им о скорости воздуха в пылесосе: во «внешнем циклоне» она достигает 320 км/ч, а во «внутреннем» и вообще сверхзвуковая. Между тем сам принцип «циклона» придумали задолго до Дайсона. Его используют в горной промышленности для очистки руды и в танках для очистки воздуха, который поступает в турбину. Дайсон только придумал, как использовать этот принцип в пылесосе.

Самое примечательное в конструкции то, что в самом «циклоне» нет движущихся частей. До сверхзвуковых скоростей воздух разгоняется сам, без помощи каких-либо специальных нагнетателей. Вентилятор лишь, как обычно, создает разрежение на конце шланга. Далее воздух всасывается вместе с пылью, продвигаясь по «хоботу» шланга, который по касательной присоединен непосредственно к «циклону».

«Циклон» же – это, по сути, цилиндр или конус. А поскольку в одном пылесосе зачастую как минимум по два «циклона», то первый представляет собой цилиндр, второй – конус. В первом «циклоне» отфильтровываются крупные частицы пыли, во втором – совсем микроскопические.

Сам себе хозяин

Ныне появилось первое поколение автономных пылесосов. Небольшой круглый прибор работает сам по себе, когда никого нет дома. И вот каким образом. Сначала пылесос на своих колесиках объезжает комнату против часовой стрелки, почти по периметру, аккуратно обходя мебель и другие препятствия. Так он узнает, насколько велико помещение.

На основании этих данных затем вычисляется продолжительность уборки. И лишь после этого включается воздуховсасывающий механизм. Пыль собирается с помощью валика-щетки, которая в процессе работы электризуется, что помогает собирать мусор. Тем не менее, стоит усвоить, что «самостоятельный» пылесос проводит лишь косметическую уборку. Генеральную время от времени придется проводить самим. И с углами пылесос ничего не может сделать: ведь он круглый. Так что даже теоретически он не может очистить более 95 % пола.

Впрочем, обычным пылесосом, говорят, обрабатывают не больше 72 % помещения.

Пылесос блуждает по комнате до тех пор, пока вычисленное время уборки не подойдет к концу или у него не начнут садиться аккумуляторы.

КОЛЛЕКЦИЯ «ЮТ»

Эта винтовка была впервые представлена в 2001 году на выставке вооружений в Абу-Даби бельгийской фирмой Fabrique Nationale. Базовый вариант F2000 позволяет подстраивать винтовку под боевую задачу, комплектуя ее подствольным гранатометом, тактическим фонарем, лазерным целеуказателем, оптическим прицелом, штык-ножом и другими аксессуарами. F2000 разработана под натовский патрон калибра 5,56x45 и штатные магазины от знаменитой американской винтовки М16.

Техническая характеристика:

Калибр патронов… 5,56 мм

Калибр гранат… 40 мм

Начальная скорость пули… 900 м/с

Скорострельность… 850 в мин.

Начальная скорость гранаты… 76 м/с

Дальность стрельбы гранатомета… 300 м

Точность стрельбы гранатомета… ±2 м

Длина ствола винтовки… 400 мм

Длина ствола гранатомета… 230 мм

Общая длина… 694 мм

Вес с пустым магазином… 3,6 кг

Емкость магазина… 30 патронов

Прицел… 1,6 х оптико-механический

Трехдверный RAV 4 ( Recreation Active Vehicle– автомобиль для активного отдыха) дебютировал в 1994 году как принципиально новый внедорожник. Тем не менее, при полном приводе, независимой подвеске всех колес и несущей конструкции кузова автомобиль чаще встретишь в городах, чем в сельской местности, так как у RAV 4 нет понижающей передачи, без которой проехать по бездорожью практически невозможно.

В базовой комплектации RAV 4 оснащен регулируемой рулевой колонкой, подогревом передних сидений, электропакетом, складывающимся задним сиденьем, кондиционером, магнитолой, фронтальными подушками безопасности, ABS, противотуманными фарами, легкосплавными дисками и центральным замком с дистанционным управлением.

Техническая характеристика:

Количество дверей… 3

Количество мест… 5

Длина… 3,705 м

Ширина… 1,695 м

Высота… 1,655 м

Объем двигателя… 1998 см ³

Мощность… 129 л.с.

Снаряженная масса… 1150 кг

Допустимая полная масса… 1565 кг

Объем багажника… 176 л

Объем бака… 58 л

Разгон с места до 100 км/ч… 10,1 с

Максимальная скорость… 170 км/ч

Средний расход топлива… 9,1 л/100 км

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Знакомьтесь: телепортация

Вернувшись с Марса, инженер Мстислав Сергеевич Лось, тяжело переживал расставание с Аэлитой, но все же нашел в себе силы заняться делами земными. Ему вспомнился двигатель марсианской крылатой лодки. «Крошечный моторчик питался крупинками белого металла, распадавшегося с чудовищной силой под действием электрической искры. Его-то он и стал разрабатывать».

Вы, наверное, поняли, что речь идет о герое фантастического романа А.Н. Толстого. Фантаст, впрочем, имеет право на любые домыслы. Но, как стало ясно сегодня из работ заведующего кафедрой «Плазменные энергетические установки» МГТУ им. Н.Э.Баумана профессора Михаила Константиновича Марахтанова и его сына, аспиранта Калифорнийского университета г. Беркли (США) Алексея Михайловича Марахтанова, любой металл и в самом деле может взрываться, выделяя немалую энергию. Но обо всем по порядку.

То, что атомы перемещаются вдоль жидких и газообразных проводников, известно давно. Что же касается металлов, их атомы в электрическом поле остаются неподвижны. Это и понятно.

Для каждого проводника, в зависимости от его площади поперечного сечения, существует предельно допустимое значение силы тока. Так, например, для провода с поперечным сечением 0,08 мм ²(диаметр 0,3 мм) допускается ток не более 1 А. По закону Ома можно вычислить падение напряжения на метр его длины: оно не превышает 0,2 В.

Величина ничтожная, такое поле не способно сдвинуть атом, прочно сидящий в узлах кристаллической решетки. И все же отдельные случаи перемещения атомов в металле исследователи отмечали. Так, в 1931 году фон Клин (Германия) пропустил по тонкой серебряной проволочке ток, превышавший допустимое значение в тысячи раз. Естественно, что она перегорела. Но как перегорела!

На оставшихся практически одинаковых кусочках проволоки ток почему-то выдавил бугорки, похожие на бородавки. Объяснить этот факт не смогли. Ток, текущий по проводнику, сжимает его. Откуда же взялась сила, «выдавившая» бородавку наружу?

В конце 1990-х годов к опытам подобного рода обратился профессор М.К.Марахтанов. Только в отличие от фон Клина, он решил охлаждать проводник, и это позволило пропускать без разрушения токи в тысячи раз большие, чем обычно.

В сосуд с водой был помещен стальной провод диаметром 0,3 мм, покрытый слоем цинка толщиною 0,005 мм. Вода хорошо охлаждала провод, поэтому через него без разрушения удавалось пропускать токи в десятки ампер, что в сотни раз больше обычно допустимых значений. А это означало, что и напряжение, приложенное к электронам в кристаллической решетке, также было в тысячи раз выше, чем обычно.

При наблюдении невооруженным глазом ничего особенного увидеть не удалось. Но видеосъемка с частотой 25 кадров в секунду вскрыла удивительные вещи. Когда ток в проводе плавно увеличивали в диапазоне от 15 до 50 А, цинковое покрытие провода вздувалось (рис. 1). Возникали сферические бусинки.

Рис. 1. При плавном повышении силы тока цинковое покрытие на проводнике вздувалось и на нем появлялись «бусинки».

Единственное объяснение этому явлению может дать квантовая механика. Под действием электрического поля электроны проводника выстраиваются в группы или волны, примерно одинаковые по энергии. Сильнейшее электрическое поле (напряженность его достигала сотен тысяч вольт), создаваемое группой электронов, отрывало от проволоки слой цинка, раздувало его как шар (рис. 2).

Рис. 2. Видно, как внутри каждой бусинки светится раскаленный проводник. Но тут же рядом, между бусинок, проводник не светится. Ток через него течет, а тепло не возникает…

При дальнейшем повышении силы тока бусинки разрушались. В этот момент было видно яркое свечение проводника, находящегося внутри каждой из них. По цвету свечения удалось определить температуру проводника. Она оказалась близка к 1200 °C. В промежутках между бусинками проводник, условно говоря, оставался холодным, имея температуру всего 300–400 °C.

Поразительно здесь очень многое. Начнем с того, что ток течет по всему проводнику, но нагревает его лишь местами. Тепло от горячего участка к холодному передается в десятки раз медленнее, чем обычно. Наконец, появление столь высокого электрического поля, надувающего бусинки, тоже полная неожиданность.

Совсем иначе протекает этот процесс в опытах А.М. Марахтанова. В качестве проводника он применил тончайшую металлическую пленку, напыленную на керамическую подложку. Как и в опытах с проволокой, электроны проводника выстраивались волнами, и на нем, чередуясь, возникали горячие и холодные участки (рис. 3).

Рис. 3. Под действием сильных токов на поверхности металлической пленки возникает чередование горячих и холодных участков.

Плотность тока увеличивали. Под конец опыта падение напряжения на проводнике оказывалось в тысячу раз больше, чем можно получить при комнатной температуре. Кинетическая энергия электронов возрастала в миллионы раз. При таких условиях электроны вылетают из кристаллической решетки. Остаются лишь сидящие в узлах положительно заряженные ионы атомов металла. Они, как и положено одноименным зарядам, разлетаются в стороны. Кристалл металла мгновенно взрывается. Причем энергия взрыва металла больше, чем у тринитротолуола и гексагена.

В ходе экспериментов выяснилось, что при помощи электрического поля можно высвободить запас энергии, которым обладают кристаллы многих металлов: вольфрама, свинца, меди, алюминия, железа и их сплавов.

Энергия взрыва превышает энергию вызывающего его импульса во много раз. Так, для алюминия мы получаем энергетический выигрыш в 66 раз, для никеля – в 171, для вольфрама в 2133 раза.

Подробности этих экспериментов можно найти в описании к патенту РФ № 2145147 (7 Н 02 N 3/00, 11/00) «Способ выделения энергии связи из электропроводящих материалов», авторы М.К. и А.М. Марахтановы.

Распад кристаллической решетки одного килограмма железа может дать столько же энергии, сколько запасает свинцовый аккумулятор весом 50 кг. С таким источником электромобиль проедет без остановки около трех тысяч километров. В конце пути на его борту окажется 1 кг железной пыли, которую можно будет переплавить и снова пустить в дело.

Недавно студенты кафедры «Плазменные энергетические установки» МГТУ им. Н.Э.Баумана «развлекались» пережиганием электрических ламп. На лампу, рассчитанную на 220 В переменного тока, подавали 380 В постоянного тока. Сила тока в момент пережигания нити достигала 0,33 А и была лишь в 1,5 раза больше номинального тока лампы. Поэтому никаких особых «чудес» со стороны электрического поля не ожидали. Но…

Вы можете повторить этот опыт. При разрушении спираль имеет наиболее высокую температуру – 2680 °C – посередине и совсем низкую – 180 °C – в местах крепления к электродам. Между тем температура плавления вольфрама составляет 3400 °C, и она не достигнута. Поэтому, строго говоря, не совсем понятно, отчего спираль все же разрушается.

Вот еще одно из «чудес», которое вы тоже сможете увидеть: из электрода, удерживающего спираль, всегда торчит наружу короткий прямой вольфрамовый волосок – технологический след обрезанной на производстве спирали. Ток по нему вообще не протекает, но вольфрамовый шарик все-таки образуется (рис. 4).

Рис. 4. Холодный вольфрамовый усик, по нему даже ток не течет, а капелька почему-то образовалась…

Как предположил профессор М.К.Марахтанов, причиной этого является не электричество, а создаваемая им теплота. Действительно, свободные электроны могут группироваться, локализовываться в металле под действием не только электрического поля, но и теплового. Только в этом случае необходима большая разность температур между расположенными вблизи точками металла. Тогда тепло совершает работу по перемещению электронов против сил электрического поля ионов кристаллической решетки металла. Возникающие в этот момент силы столь велики, что вслед за этими электронами перемещаются и атомы металла. Именно этим и объясняется образование шариков на холодных участках вольфрамовой проволоки. Происходит квантовая телепортация атомов металла под действием электронных волн.

Для наблюдения этого явления достаточно иметь регулируемый лабораторный автотрансформатор и двухполупериодный выпрямитель, соединенный с ламповым патроном. Лампу возьмите мощностью 60 – 100 Вт и плавно в течение 30–40 секунд повышайте напряжение, пока лампа не перегорит. Опыты проводите в темных очках для газосварки.

А.ИЛЬИН

Фото М. МАРАХТАНОВА

ПОЛИГОН
Очень странный летающий объект

На прошедшей в июне в Москве выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2006 было немало интересного. Но экспонат, который показали ребята из Детского и молодежного центра «Сокольники», заслуживает особого рассказа.

Посмотрите на рисунок 1. Три соты из фольги, поверху укреплена на изоляторах тоненькая проволочка. Вот и весь… летательный аппарат. Как только к фольге и проволочке приложить высокое напряжение, сооружение взлетает и устойчиво висит примерно в 30–40 см от стола. Он взлетел бы и выше, но высота его подъема намеренно ограничена нитями, прикрепленными к столу кнопками.

В других опытах странный летающий объект СЛО (пока назовем его так) уверенно обнаруживал способность подняться на любую высоту, лишь бы хватало длины тоненьких проводков, по которым к нему подводится напряжение.

А теперь кое-что посчитаем. Весит СЛО 35 г, но может поднять еще около 50 г груза. Полет модели обеспечивает источник с постоянным напряжением около 17 000 В при токе 200 микроампер. Если эти цифры перемножить, получится, что аппарат потребляет мощность 3,4 Вт. Выходит, что каждый киловатт мощности, подведенной к модели, создает подъемную силу в 25 кг. Много это или мало?

Подъемная сила винта вертолета составляет всего 5,4 кг/кВт. У самолетов с вертикальным взлетом подъемная сила на единицу мощности еще в 2–3 раза ниже. Еще в сотни раз ниже она у ракет.

Так что вертикально взлетающий аппарат, построенный школьниками под руководством доцента кафедры электротехники и электроники Московского государственного университета приборостроения и информатики, кандидата технических наук М.М. Лавриненко, можно считать самым эффективным в мире. Найти такому аппарату области применения не составляет труда. Но попробуем сначала разобраться, на что и как расходуется мощность, которую получает этот летающий объект от источника питания.

Специалисты знают, что еще в 1961 году работавший в США русский летчик-испытатель Б.В. Сергиевский предложил летательный аппарат «ионокрафт», который не содержал подвижных частей и летал при помощи электричества.

Изобретатель построил даже его модель. Она состояла из ажурной пластиковой фермы, в узлах которой размещались иголки. Под фермой располагалась легкая алюминиевая сетка. Иголки и сетка подключались к полюсам источника тока. Модель поднималась в воздух на высоту, равную примерно половине диагонали сетки.

Во время полета модели на иголках возникал коронный разряд. Получавшиеся ионы воздуха подхватывались электрическим полем и отбрасывались вниз. Так же, как при отбрасывании воздуха винтом вертолета, возникала сила реакции, поднимающая аппарат.

Изобретателю не удалось добиться свободного полета модели. Она всегда находилась на некоторой высоте вблизи пола, получая дополнительную подъемную силу за счет эффекта «воздушной подушки».

Во время полета аппарат Б.В.Сергиевского светился, были слышны шипение и треск коронного разряда, ощущался запах озона. Ничего подобного нет при полете представленной на выставке модели. Какая же сила заставляет ее подниматься в воздух?

В 1928 году американский физик Томас Т.Браун и немецкий физик Пауль Ф. Бифильд во время экспериментов с высоковольтными установками обнаружили странный эффект. На конденсаторе с неодинаковыми размерами обкладок возникала сила, направленная в сторону обкладки меньших размеров. Ни одна из известных теорий не может объяснить обнаруженного явления. Однако оно существует и получило название эффекта Бифильда – Брауна (см. статью «Как построить летающий остров»). По некоторым данным, этот эффект действует даже в вакууме.

Устройство, которое было представлено на выставке НТТМ-2006, поднимается в воздух именно за счет этого эффекта. Соты из фольги выполняют роль большей, а проволока – меньшей обкладки конденсатора. При подаче на них напряжения появляется сила, направленная в сторону меньшей обкладки, то есть проволоки.

Было подозрение, что она возникает за счет взаимодействия с постоянным электростатическим полем Земли. Однако если бы это было так, то эта сила бы очень зависела от полярности приложенного к объекту напряжения. Но этого не наблюдается. Более того, СЛО с одинаковым успехом парит в воздухе при любой полярности постоянного напряжения и при питании переменным током.

На рисунке 2 показаны размеры аппарата, представленного на выставке. Они подобраны экспериментально и обеспечивают наибольшую подъемную силу.

Большая обкладка конденсатора сделана из пищевой алюминиевой фольги. К ней при помощи эпоксидной смолы приклеены стойки из пенопласта 4x4x75 мм. По ним через отверстия протянута тонкая медная или – для прочности – нихромовая проволока. Напряжение к обкладкам конденсатора подводится при помощи медных проволочек диаметром 0,05 – 0,1 мм. Для того чтобы аппарат не поднялся слишком высоко или не улетел вовсе, его удерживают три тонкие лески толщиною 0,1 мм.

Источником питания для аппарата может быть школьный высоковольтный преобразователь типа «Разряд» или источник питания кинескопа телевизора.

ВНИМАНИЕ!Соблюдайте особую осторожность при работе с высоким напряжением. А еще лучше проводить эксперименты в присутствии взрослых.

М. ЛАВРИНЕНКО

Рисунки А. ИЛЬИНА