Текст книги "Юный техник, 2009 № 03"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)

ПАТЕНТНОЕ БЮРО

В этом номере мы расскажем о приставке для усиления света газовой лампы Ивана Стариковаиз Орла, об автомобиле без коробки передач Дмитрия Звягинаиз Курска и о костюмескафандре для полюса холода Ольги Федоренкоиз Омска.

АВТОРСКОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО № 1111

ПРИСТАВКУ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ СВЕТА…

…газовой лампы предложил Иван Стариков из Орла. Она состоит из термоэлемента и нескольких светодиодов. В качестве термоэлемента Иван предлагает использовать термоэлектрогенератор типа того, что применялся в прошлом веке. Он надевался на керосиновую лампу и за счет ее тепла вырабатывал ток для питания радиоприемников.

«Как бы ни был мал КПД, в любом случае, питая светодиод, он даст прибавку света», – пишет Иван. С этим утверждением нельзя не согласиться. Прибавка будет, но какая? Прежде чем начать расчеты, напомним, что такое бытовая газовая лампа. Она состоит из укрепленной на баллоне сжиженного газа горелки, дающей почти невидимое бесцветное пламя. Своим теплом оно накаляет колпачок, содержащий соли редкоземельных элементов. Этот колпачок и дает свет.

В 1991 г. профессор Н.В. Рохлин замерил световой поток одной из таких ламп. Он оказался таким же, как у лампы накаливания мощностью 60 Вт – 900 лм. Тепловая же мощность газовой лампы достигала 600 Вт. Мощность излучаемого ею видимого света не превышала 2 Вт. Все остальное тепло (около 598 Вт) ушло с отработанными газами и невидимым тепловым излучением. Если это тепло направить в термоэлемент старого образца, имеющий КПД всего 1 %, то можно получить мощность около 5 Вт. Световые диоды такой мощности от карманного фонаря имеют световую отдачу около 30 лм/Вт и дадут дополнительный световой поток в 150 лм. Это означает, что, добавив его свет к свету газовой лампы, мы увеличим освещенность на 16 %. Достаточно ощутимая величина.

Но в последнее время появились в продаже термоэлектрогенераторы для питания электроники, имеющие КПД в 3 раза больше. От них могут работать более мощные светодиоды. При их световой отдаче в 60–80 лм/Вт освещенность будет удвоена. Между тем в Японии уже начинают применять термоэлектрогенераторы для питания полевых радиостанций, имеющие КПД 10 %. Питая светодиоды от таких термоэлементов, можно получить дополнительный световой поток, превышающий поток газовой лампы почти в 3 раза. И это далеко не предел, поскольку есть лабораторные образцы термоэлементов, развивающие КПД более 20 %.

Нужна ли такая система? Отвечаем: нужна. Ведь сегодня почти треть человечества живет при свете керосиновых и газовых ламп. Причем они создают немалые экологические проблемы. Ведь продукты сгорания керосиновых ламп отравляют земную атмосферу намного больше, чем электростанции, производящие энергию для другой части человечества, счастливо живущей при свете электрических ламп! Лампы с приставками И. Старикова резко улучшили бы жизнь людей и экологию Земли в целом.

Учитывая актуальность предложения, Экспертный совет принял решение удостоить Ивана Старикова Авторского свидетельства.

ПОЧЕТНЫЙ ДИПЛОМ

КОРОБКА ПЕРЕДАЧ…

…это едва ли не самый сложный и трудоемкий в изготовлении элемент автомобиля. Но… «Автомобиль может обойтись без коробки передач (КП), если построить его по моей схеме», – пишет Дмитрий Звягин из Курска. Его схема состоит из обычного двигателя, приводящего в действие компрессор, сжимающий воздух и закачивающий его в баллон. Колеса автомобиля вращают двигатели сжатого воздуха с золотниковым распределением. Эти двигатели, совершенно правильно полагает Дмитрий, должны обладать способностью автоматически (в силу их внутренней природы) приспосабливаться к условиям движения. Так, например, на подъеме, когда скорость уменьшается, замедляется вращение вала, а время открытия золотника возрастает. Воздух, поступающий в цилиндр, дольше действует на поршень своим полным давлением, и крутящий момент возрастает.

На хорошей дороге двигаться легче, скорость вращения вала растет, и в цилиндр успевает поступить меньше воздуха. Но он после этого расширяется и более полно отдает свою энергию. Крутящий момент уменьшается, что и нужно для быстрой езды по хорошей дороге. Для более глубокой регулировки скорости имеется кран, управляемый педалью газа, который изменяет начальное давление воздуха, поступающего в двигатели колес.

Все рассуждения юного изобретателя верны. Но схема известна. Автомобили с пневматическим приводом испытывались еще в 1920-е годы. Они действительно обходились без коробки передач, были очень удобны в управлении, но имели высокий расход топлива, так как на режимах движения с повышенным крутящим моментом в пневматическом двигателе происходило неполное расширения воздуха и энергия его пропадала даром. Пытались использовать эту энергию вторично, направив отработанный воздух в следующий цилиндр, и, получив дополнительную работу, повысить общий КПД автомобиля. Однако такой многоступенчатый пневматический двигатель получался громоздким.

Сегодня его размеры можно сильно сократить, перейдя на бесшатунную схему, и создать автомобиль без коробки передач. Но для этого нужна большая исследовательская работа. Следует заметить, что работы по пневматическим автомобилям в мире ведутся.

В Индии работают над автомобилем, в котором газ хранится в баллоне, заряжаемом на специальной станции. Это хорошая, экологически абсолютно чистая система. Однако она потребует создания сети зарядных станций по всей стране, что очень дорого.

Американские фирмы разрабатывают пневматический автомобиль, похожий по схеме на автомобиль Д. Звягина. В нем тоже есть компрессор, заряжающий баллон сжатым воздухом. Но он выполнен единым блоком с основным двигателем машины. Отличие в том, что пневматический двигатель соединен с колесами через коробку передач и всегда работает с большой скоростью при максимально полном расширении воздуха и, следовательно, при максимально полном использовании его энергии.

Поскольку главный двигатель автомобиля служит только для зарядки баллона, он всегда работает с постоянной скоростью, в наиболее экономичном режиме. При этом его выхлопные газы почти не содержат вредных веществ.

По утверждениям фирмы, пневматический автомобиль имеет расход топлива на 20–30 % меньше, чем обычный. Есть пути дальнейшего и очень значительного снижения расхода топлива. Но теория работы пневматического автомобиля пока разработана слабо.

Поднятая Дмитрием Звягиным тема своевременна и прекрасно проработана теоретически. Поэтому Экспертный совет присуждает ему Почетный диплом.

Разберемся не торопясь

КОСТЮМ ДЛЯ ПОЛЮСА ХОЛОДА…

…устроенный подобно скафандрам летчика или космонавта, предлагает Ольга Федоренко из Омска.

«В некоторых местах на Земле температура минус 70 °C, ревет ветер, условия ничем не лучше, чем на Луне. Так не стоит ли для таких мест создать скафандр со шлемом, защищающим лицо от ураганного ветра, да еще снабдить электрическим обогревом с питанием от миниатюрной электростанции, работающей от самого маленького авиамодельного моторчика? – пишет она.

Предложение интересное. Подобные костюмы еще в 1950-е годы разрабатывались для антарктических экспедиций. Практика показала, что создание закрытого шлема излишне. Он оправдывал бы себя только при урагане, когда человек не в состоянии устоять на ногах.

В тех же случаях, когда человек на сильном, холодном ветре сидит, например, на снегоходе или мотоцикле, то такой шлем оправдан и применяется. Для защиты от холода лыжников и альпинистов нередко применяются маски, снабженные устройством для химического подогрева. Но в последнее время стали применять маски и даже костюмы с электрическим обогревом.

Обычно они подключаются к бортовой сети снегохода или мотоцикла. Но мощность, необходимая для подогрева одежды, на удивление мала. Так, жилет, надеваемый под легкую куртку, потребляет всего 10–15 Вт.

Костюм для боевого пловца – не более 60 Вт. Такие мощности можно получать от легких аккумуляторных батарей. Мини-электростанция, которую предлагает Ольга, не обязательна.

Цена одежды с электроподогревом сильно снизилась, и вполне возможно, что она в ближайшие годы войдет в моду. Особенно удобна такая одежда для людей, которые, пользуясь автомобилем, вынуждены по нескольку раз в день покидать его в холодную погоду.

* * *

ВНИМАНИЕ: КОНКУРС!

Федеральное агентство по делам молодежи совместно с Московским авиационным институтом (МАИ) и Королёвским колледжем космического машиностроения и технологии (КККМТ) проводит бесплатную Всероссийскую заочную научно-техническую олимпиаду (ВЗНТО) по секциям: «Самолеты и вертолеты» и «Поршневые двигатели».

Победители олимпиады получат право поступления в КККМТ без вступительных экзаменов и право преимущественного зачисления в МАИ при прочих равных условиях.

Для получения более подробной информации об олимпиаде и льготах для победителей нужно отправить заявку в произвольной форме по адресам: 125993, Москва, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, МАИ КТТМ и 141074, Московская обл., г. Королёв, ул. Пионерская, д. 8, КККМТ (Королёвский филиал Оргкомитета ВЗНТО).

В каждое письмо вложите пустой конверт с маркой и своим обратным адресом.

НАШ ДОМ
Семь раз отмерь…

С чего мастер начинает любую работу? Правильно, с измерений! Ни строитель, ни слесарь, ни портной не возьмется за дело прежде, чем произведет все необходимые замеры. Ну, а чем мерить?

Давайте посмотрим…

Прежде всего, в арсенале домашнего мастера должна быть рулетка, а лучше две – одна с лентой длиной метра два, другая – 5– или даже 10-метровая. Маленькой рулеткой удобно обмерять сравнительно небольшие расстояния, ну а большая, соответственно, пригодится, скажем, для работ на садовом участке.

Прообразом первой рулетки служила веревка с узлами, завязанными через определенные интервалы. Ею пользовались еще строители пирамид. Ныне мастера отдают предпочтение пластиковой, а еще лучше – стальной ленте с четкими делениями на обеих ее сторонах и с крючком или отверстием на конце, чтобы не надо было кому-то держать ленту при измерениях. Тогда с такой работой справится и один человек.

Кстати, в умелых руках погрешность измерений, проводимых с помощью рулетки, не превышает ±0,5 см. Но чтобы быть уверенным в результатах, не вредно и проверить правильность расположения делений металлической линейкой. А такую линейку каждому мастеру тоже не вредно иметь в своей мастерской. Длина рабочей части стальной ленты варьируется от 1 до 50 м, а ширина – от 12,5 до 25 мм. И чем рулетка длиннее, тем больше вероятность ее излома и выше погрешность снятых с ее помощью показаний. Вот потому-то мы и советуем иметь две рулетки – большую и маленькую.

При покупке рулетки обратите внимание, имеет ли она фиксатор-зажим ленты в вытянутом положении и насколько хорошо она сматывается внутрь футляра при освобождении зажима. Если ленту заедает, лучше взять другую рулетку. Кроме того, рекомендуем обратить внимание на способ нанесения разметки – риски, полученные методом химического травления, стираются быстрее тех, что сделаны с помощью лазера. И выглядят они менее четко.

Последнее время в продаже появились и лазерные измерители расстояний. Работать ими быстрее и проще, чем рулеткой. Но цена такого инструмента выше. Кроме того, надо помнить, что направлять такой инструмент надо строго по вертикали или по горизонтали. Иначе неизвестно, что вы намеряете. Это предупреждение, впрочем, относится и к обычной рулетке.

Выявить горизонтали и вертикали мастеру помогают уровень и отвес. И тот и другой опять-таки относятся к самым древним инструментам человечества. Вертикальность строящейся стены с помощью нитки с подвешенным на ней грузиком – отвеса проверяли еще древнеегипетские прорабы.

Некоторые конструкции угломеров имеют цифровую индексацию.

Почти столь же длинна, очевидно, родословная уровня – деревянного бруска, в который заделана стеклянная или пластиковая ампула с жидкостью и пузырьком воздуха. Древние мастера в качестве ампулы использовали, например, рыбий плавательный пузырь.

Ну, а современные устройства включают в себя еще и лазерную указку или лазерный маркер. Достаточно просто приложить изделие к проецируемой поверхности и включить его. Красноватый луч продолжит в пространстве линию, которую задает уровень. Он поможет точно рассчитать местонахождение будущей конструкции, определиться с высотой подоконника, замерить превышение тех или иных точек.

Есть сейчас измерители, совмещающие в себе функции и отвеса, и уровня, позволяющие одинаково легко и быстро отмечать как вертикали, так и горизонтали. Ну, а если вам нужно разметить еще и какой-либо наклон, вам поможет угломер. С его помощью легко определить величины любых углов между двумя плоскостями, произвести разметку, осуществить монтаж деревянных элементов и сделать многое другое. К примеру, он значительно облегчает процесс изготовления и сборки мебели. Сейчас наиболее распространены механические угломеры с аналоговым отсчетом, есть также электронные и лазерные.

Многие уровни могут выполнять еще и функции угломера.

Лазерный прибор, совмещающий в себе функции отвеса и уровня.

Механический угломер представляет собой конструкцию, состоящую из корпуса и двух коротких металлических линеек (шин), соединенных между собой. Одна шина жестко крепится к корпусу в горизонтальном положении, другая вращается относительно первой в вертикальной плоскости. Два ряда цифр на шкале устройства обозначают величину угла.

Многие модели оснащены бегунком с двумя уровнями, которыми можно пользоваться независимо. При изменении установленного значения уровень смещается по линейке, показывая, чему равен угол между двумя металлическими линейками.

Для снятия показаний электронного угломера необходимо развести концы прибора до соприкосновения с поверхностями, образующими искомый угол. Его величина автоматически высвечивается на специальном дисплее.

Угломер-ватерпас дополнительно оснащен встроенными уровнями, которые помогают контролировать вертикальное и горизонтальное положение инструмента.

А. ПЕТРОВ

КОЛЛЕКЦИЯ «ЮТ»

Реактивный самолет «Альбатрос», отметивший 4 ноября прошлого года 40-летие первого полета, был спроектирован как реактивный учебный самолет для военно-воздушных сил военного блока социалистических стран.

Выпускали самолет в следующих вариантах: С – стандартная модификация для начальной и основной подготовки летчиков Афганистана, Болгарии, Чехословакии, Восточной Германии, Венгрии, Румынии и Советского Союза.

Z0 – вооруженный учебно-тренировочный самолет, который можно было использовать в качестве легкого штурмовика. ZA– был дополнительно вооружен двуствольной пушкой ГШ-23; V – это буксировщик воздушных мишеней, a MS обладал новым турбореактивным двигателем модульной конструкции с тягой 2200 кгс, катапультируемыми креслами и новым электронным оборудованием.

Технические характеристики:

Длина самолета… 12,13 м

Высота… 4,77 м

Размах крыла… 9,46 м

Площадь крыла… 18,18 м ²

Масса пустого… 3455 кг

Максимальная взлетная масса… 4700 кг

Максимальная скорость… 761 км/ч

Практический потолок… 12 000 м

Скороподъемность… 21 м/с

Практическая дальность… 1650 км

Длина разбега… 580 м

Длина пробега… 560 м

Масса топлива на борт…у 980 кг

Экипаж… 1–2 чел.

Боевая нагрузка… 1290 кг

Совсем недавно, казалось бы, мы рассказали об автомобиле Mazda3, но вот новость, заставляющая вспомнить о фирме: модель Mazda2признана лучшим автомобилем в мире 2008 года, причем выиграла у двух достаточно сильных соперников – Ford Mondeoи Mercedes-Benz С-класса.

У нас доступны две комплектации: вариант Energyимеет 6 подушек безопасности, CD-проигрыватель с MP3, подогрев передних сидений, электропривод зеркал, системы ABS и EBD. Последняя система предназначена для перераспределения тормозных усилий между передними и задними колесами, а также колесами правой и левой стороны. В вариант Sportвходят климат-контроль, полный электропакет, кожаная отделка рулевого колеса, бортовой компьютер, 16-дюймовые легкосплавные диски и система динамической стабилизации – DSC.

Технические характеристики:

Количество дверей… 5

Длина автомобиля… 3,885 м

Ширина… 1,695 м

Высота… 1,475 м

База… 2,490 м

Объем двигателя… 1498 см ³

Мощность… 103 л.с.

Клиренс… 151 мм

Снаряженная масса… 1035 кг

Допустимая полная масса… 1485 кг

Объем бака… 43 л

Время разгона до 100 км/ч… 12 с

Максимальная скорость…168 км/ч

Средний расход топлива на 100 км… 6,8 л

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Знакомьтесь: ионистор

Столовая ложка активированного угля из аптеки, несколько капель подсоленной воды, жестяная пластинка и пластиковая баночка от фотопленки. Этого достаточно, чтобы сделать своими руками электрический конденсатор, емкость которого примерно равна электрической емкости… земного шара.

Не исключено, что как раз о подобном устройстве писала одна из американских газет в 1777 году: «…доктор Франклин изобрел машину размером с футляр от зубочистки, способную превратить лондонский собор Святого Павла в горстку пепла». Впрочем, обо всем по порядку.

Человечество пользуется электричеством немногим более двух веков, но электрические явления известны людям тысячи лет и долго не имели практического значения. Лишь в начале XVIII века, когда наука стала модным развлечением, специально для проведения публичных опытов немецкий ученый Отто фон Герике создал «электрофорную» машину, с помощью которой получал электричество в неслыханных ранее количествах.

Первые опыты по электричеству проходили в аристократических салонах и королевских дворцах.

Машина состояла из стеклянного шара, о который при его вращении терся кусок кожи. Эффект от ее работы был велик: трещали искры, невидимые электрические силы срывали дамские шали, заставляли волосы вставать дыбом. Особенно удивляла публику способность тел накапливать электрические заряды.

В 1745 году голландский физик из Лейдена Питер ван Мушенбрук (1692–1761) налил в стеклянную банку воду, положил внутрь, словно цветок в вазу, отрезок проволоки и, бережно обхватив ладонями, поднес к электрофорной машине. Бутылка набрала столько электричества, что из куска проволоки с «оглушительным грохотом» вылетела яркая искра. Когда же в следующий раз ученый коснулся проволоки пальцем, то получил удар, от которого потерял сознание; если бы не подоспевший вовремя помощник Кюнеус, дело могло окончиться печально.

Так было создано устройство, способное накопить в миллионы раз больший заряд, чем любое из известных в то время тел. Его назвали «лейденской банкой». Это был своеобразный конденсатор, одной из обкладок которого являлись ладони экспериментатора, диэлектриком – стеклянные стенки, а второй обкладкой – вода.

Лейденская банка. Одна из обкладок – вода, налитая внутрь, другая – ладони экспериментатора.

Весть об изобретении облетела всю просвещенную Европу. Лейденскую банку немедленно использовали для просвещения французского короля Людовика XV. Начались представления. В одном из экспериментов, вошедших в историю, электрический ток пропускали сквозь цепь гвардейцев, взявшихся за руки. При электрическом разряде все как один подпрыгнули, словно собираясь маршировать в воздухе. В другом эксперименте ток пропустили сквозь цепь из 700 монахов…

Более практичное направление получили опыты с лейденской банкой в Америке. В 1747 году их начал один из основателей США, упомянутый уже Бенджамин Франклин. Он додумался обертывать банку оловянной фольгой, и емкость ее возросла во много раз, а работа стала безопаснее. В опытах с ней Франклин доказал, что электрический разряд способен вырабатывать тепло и поднимать столбик ртути в термометре. А заменив банку стеклянной пластинкой, оклеенной оловянной фольгой, Франклин получил плоский конденсатор, во много раз более легкий, чем даже усовершенствованная им лейденская банка.

Бенджамин Франклин(1706–1790) – один из основателей США и создатель первого плоского конденсатора.

Об устройстве, способном запасли столько энергии, что с ее помощью можно, как писала газета, «превратить собор Святого Павла в горстку пепла», история умалчивает, но это не означает, что Б. Франклин не мог его создать.

И здесь самое время вернуться к нашему самодельному конденсатору. Если вы запаслись всем необходимым, опустите жестяную пластинку на дно баночки от фотопленки, предварительно припаяв к ней отрезок изолированного провода. Сверху положите прокладку из фильтровальной бумаги, а на нее насыпьте слой активированного угля и, налив подсоленной воды, накройте ваш «бутерброд» еще одним электродом. У вас получился электрохимический конденсатор – ионистор. Интересен он тем, что в порах частиц активированного угля возникает так называемый двойной электрический слой – два расположенных близко друг к другу слоя электрических зарядов разного знака, то есть своего рода электрохимический конденсатор. Расстояние между слоями исчисляется ангстремами (1 ангстрем – 10 ^-9м). А емкость конденсатора, как известно, тем больше, чем меньше расстояние между обкладками. Благодаря этому запас энергии на единицу объема в двойном слое больше, чем у самого мощного взрывчатого вещества.

Схема работы ионистора.

Работает ионистор следующим образом. При отсутствии внешнего напряжения его емкость ничтожно мала. Но под действием приложенного к полюсам конденсатора напряжения прилегающие к ним слои угля заряжаются. Находящиеся в растворе ионы противоположного знака устремляются к частицам угля и образуют на их поверхности двойной электрический слой.

Электрохимический конденсатор (ионистор) промышленного изготовления. В металлическом корпусе размером с пуговицу размещены два слоя активированного угля, разделенные пористой прокладкой.

Устройство самодельного ионистора из пластиковой баночки и активированного угля:

_{1– верхний электрод; 2– соединительные провода; 3,5– слои влажного активированного угля; 4– пористая разделительная прокладка; 6– нижний электрод; 7– корпус.}

Если к полюсам конденсатора подключить нагрузку, то противоположные заряды с внутренней поверхности частиц угля побегут по проводам навстречу друг другу, а находящиеся в их порах ионы выйдут наружу.

Современные ионисторы имеют емкость в десятки и сотни фарад. При разряде они способны развивать большую мощность и очень долговечны. По запасу энергии на единицу массы и единицу объема ионисторы пока уступают аккумуляторам. Но если заменить активированный уголь тончайшими нанотрубками углерода или иного электропроводящего вещества, энергоемкость ионистора может стать фантастически большой.

Бенджамен Франклин жил во времена, когда о нанотехнологиях даже не помышляли, но это не значит, что их не применяли. Как сообщил лауреат Нобелевской премии по химии Роберт Кюри, при изготовлении клинков из дамасской стали древние мастера, сами того не подозревая, применяли методы нанотехнологии. Древний булат всегда оставался острым и прочным благодаря особой композиции углерода в структуре металла. Своего рода наноматериалы, например, обугленные стебли растений, содержащие нанотрубки, мог использовать Франклин для создания сверхконденсатора.

А. ИЛЬИН

Рисунки автора