Текст книги "Юный техник, 2006 № 04"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)

ПАТЕНТНОЕ БЮРО

В этом выпуске Патентного бюро мы расскажем про «Солнечный» дом Максима Привалихина, безопасную бритву для… льда и снега Владимира Петрушкинаи про «циркуляторный» двигатель Заура Бераяиз грузинского города Поти.

Экспертный совет ПБ отметил Авторским свидетельством предложение Максима Привалихина из школы № 19 г. Красноярска и Почетным дипломом предложение Владимира Петрушкина из г. Лесосибирска Красноярского края.

Авторское свидетельство № 1088

«СОЛНЕЧНЫЙ» ДОМ

Отопление дома стоит немалых денег. Между тем необходимая для этого энергия буквально падает с неба. Дом, круглый год получающий тепло только от солнца, разработал Максим Привалихин из школы № 19 г. Красноярска. В начале своей работы Максим сообщает нам интересные факты. Несмотря на то, что продолжительность светового дня летом больше, чем зимой, длительность возможного освещения солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом. Более того, оказывается, например, в местности, лежащей на 35°северной широты, за час на один квадратный метр окна может поступать в полтора раза больше энергии, чем летом. Правда, на такой широте расположен Иран, Афганистан, юг Китая – то есть районы, где в отоплении практически нет нужды.

Но в средней полосе России за счет солнца можно сэкономить много энергии. Здесь все зависит от погоды. Не так уж много в России солнечных дней в году, и чередуются они в случайном порядке. Как показали исследования Института высоких температур РАН, в наших краях с марта по сентябрь, как минимум в половине всего этого времени, солнце может нагревать воздух в специальных панелях до 37 °C, а пятую часть этого времени составят дни, когда температура воды достигнет 55 °C.

Энергии солнечных лучей, падающих на крышу обычного дома, вполне достаточно, чтобы полностью обеспечить его теплом. Нужно лишь научиться ее в солнечные дни запасать и достаточно долго хранить, чтобы пользоваться ей в пасмурные дни и зимой.

Максим изучил многие из известных систем солнечного обогрева домов и пришел к выводу: они несовершенны. Вот, например, наиболее распространенная система Хотелла и Воертса. На крыше расположены солнечные коллекторы. Как правило, это застекленные плоские ящики с зачерненным дном. Внутри ящика проходят трубы, по которым протекает вода. Солнечный свет проникает через стекло, поглощается дном и превращается в инфракрасное излучение, энергия которого уже не может выйти через стекло наружу и нагревает трубы с водой. Горячая вода перекачивается насосами в расположенный в подвале бак. Из него затем берется вода для отопления дома ночью и в те дни, когда солнце скрыто облаками.

Солнечные коллекторы не так уж дороги, но бак тpeбуется очень большой. Его стенки приходится окружать хорошей тепловой изоляцией, иначе все тепло воды уйдет в землю. В результате система получается слишком дорогой.

Стремясь удешевить солнечное теплоснабжение, делают один большой водяной бак на несколько домов. Тогда в расчете на литр горячей воды стоимость материалов и работ снижается. Бывают в этом деле и инженерные находки. Так, в Швеции для хранения 100 тысяч тонн нагреваемой солнцем воды использовали скальные каверны. Этого оказалось достаточно, чтобы отапливать целый город и зимой, и летом. Отопление получилось очень дешевым, но скальные каверны имеются далеко не везде.

Максим Привалихин предлагает способ, позволяющий систему солнечного отопления домов упростить и удешевить. Для этого трубы с водой нужно заменить так называемыми тепловыми трубами, а передаваемое по ним солнечное тепло тратить не на нагревание воды, а на расплавление соли, которая при затвердевании будет отдавать его потребителю. Рассмотрим эти предложения по порядку.

Тепловая труба это труба, наполненная пористой массой, попросту говоря, фитилем. Она герметически закрыта с обоих концов, а фитиль пропитан какой-либо жидкостью. При нагревании одного из концов тепловой трубы жидкость закипает, пар ее через поры фитиля просачивается в холодный конец и там конденсируется, выделяя тепло.

Благодаря такому устройству тепловая труба длиной один метр с поперечным сечением 1 см ²имеет теплопроводность в тысячу раз больше, чем медный стержень таких же размеров.

Максим Привалихин предлагает один конец тепловой трубы вывести на крышу и соединить с солнечным коллектором, а другой провести в подвал для плавления соли в хранилище тепла. Тепловой трубе не нужны насосы и не требуется никакого обслуживания, и это делает предложение Максима очень привлекательным. Однако в качестве жидкости для тепловой трубы он предлагает аммиак, нагреваемый солнцем до 100 °C. К сожалению, при такой температуре аммиак вообще не может превратиться в жидкость, и тепловая труба работать не будет.

Если в тепловой трубе поднять давление до 20 атм, аммиак смог бы конденсироваться при температуре 50 °C, и устройство могло бы работать. Нужно помнить только, что аммиак горюч и ядовит. (Вспомните нашатырный спирт!) Жить в доме с тепловыми трубами, наполненными аммиаком, было бы опасно. Очевидно, следует подобрать другую жидкость нетоксичную, негорючую и кипящую при температурах 50 – 100 °C. На эту роль сегодня можно предложить лишь фреон, который, хотя и безвреден для человека, опасен для окружающей среды.

Теперь о второй части предложения Максима Привалихина – применении расплавленной соли. Бак для хранения одного и того же количества тепла в расплавленной соли будет гораздо меньше, нем водяной, и при этом резко уменьшатся потери тепла. Однако соль, способная плавиться при температуре 50 – 100 °C, пока не известна. Вполне возможно, что такие соли есть. Среди них придется выбрать химически наиболее стойкую и к тому же не разъедающую стенки бака. Одним словом, предложения Максима Привалихина заслуживают внимания, но для претворения их в жизнь нужны исследования.

Почетный диплом

БЕЗОПАСНАЯ БРИТВА ДЛЯ ЛЬДА И СНЕГА

Проблема очистки дворов и улиц от льда и снега заинтересовала Владимира Петрушкина из г. Лесосибирска Красноярского края. В наши дни для уборки заснеженных улиц применяют трактора и специальные автомобили, но, как указывает Владимир, узкие проходы во дворах, тропинки, ведущие к домам и крылечкам, для них недоступны. Эти места, часто покрытые льдом и смерзшимся снегом, приходится чистить вручную. Прочность смерзшегося снега и особенно льда порой приближаются к прочности бетона. Между тем инструмент для дворников по традиции делают из самых дешевых и недостаточно прочных материалов. В результате он очень быстро тупится, и работа с ним становится еще трудней.

Владимир предлагает особый скребок, предназначенный для удаления смерзшегося снега и льда. За образец он взял бритву со сменными лезвиями и предложил конструкцию, состоящую из хорошо заточенной пластины, которая крепится винтами к специальному держателю на рукоятке. Легко и быстро меняя лезвия, рабочий постоянно имеет в руках острый инструмент. Держатель представляет собою сварную коробку из листовой стали, в которой имеется пара сквозных отверстий с резьбой. Соответствующие отверстия имеются и на пластинах. Они вставляются в щель держателя и крепятся винтами.

Как полагает Владимир, рабочему придется эти пластины часто менять. Поэтому на рукоятке располагается специальная кассета для хранения десяти режущих пластин.

Предложение Владимира Петрушкина очень ценно, но требует серьезной конструкторской доработки. Начнем с того, что при работе на режущую пластину скребка будут действовать значительные изгибающие усилия. В зоне держателя пластина будет работать как рычаг, и эти силы возрастут во много раз. Держатель пластин окажется самым нагруженным местом инструмента. Поэтому придется подумать над размерами и формой.

Хорошую подсказку в этом отношении может дать внимательное изучение обычной лопаты. Ведь она работает практически с теми же нагрузками, что и скребок для снега. Однако конфигурация держателя пластины лопаты такова, что в нем возникают сравнительно небольшие изгибающие усилия.

Теперь о самих пластинах. На первых порах их следует делать из хорошей упругой и стойкой к износу стали, например, из стали для двуручных пил. Но при заводском изготовлении следует подумать о более стойких сменных пластинах с лазерной закалкой или наварной режущей кромкой из специальной стали. При правильном подборе материала и угла заточки сменные пластины будут оставаться острыми на протяжении нескольких смен.

Разберемся не торопясь

«ЦИРКУЛЯТОРНЫЙ» ДВИГАТЕЛЬ

Заур Берая из грузинского города Поти, предлагает двигатель, работающий на сжатом воздухе, получаемом из баллона. Заур неплохо проработал механизм, который управляет подачей воздуха из баллона в цилиндр. (Правда, механизм этот достаточно сложен, известны и более простые. Один из них был описан в ЮТ № 5/04.)

Двигатель Заура был бы вполне работоспособен, но автор также предложил на одном валу с ним установить и компрессор для сжатия воздуха, чтобы закачивать его обратно в баллон. Таким образом, по мысли Заура, запас воздуха в баллоне будет постоянно пополняться и двигатель сможет работать неограниченно долго, не потребляя топлива.

Возможно ли это? Представим себе, что давление, объем и температура газа после сжатия в компрессоре окажутся равны давлению, объему и температуре в баллоне до начала работы двигателя. В этом случае, как это точно доказано в теории и экспериментах, работа, полученная от двигателя, будет никак не больше работы, потраченной на сжатие воздуха. В идеальном случае, при полном отсутствии потерь на трение, двигатель Заура сможет работать вечно. Но никакого избытка мощности на привод какой-либо внешней нагрузки у него при этом не останется. Это будет вечный, но абсолютно бесполезный двигатель!

Вот если воздух, сжатый компрессором, подогреть, то часть подведенного тепла перейдет в работу, и появится избыточная мощность. Получится воздушный тепловой двигатель, способный работать за счет тепла солнца или сгорания топлива. Таком двигатель построил несколько лет назад один из наших читателей. Но это другой рассказ.

Выпуск подготовил А. ИЛЬИН

* * *

Дорогие друзья!

К сожалению, в розничной торговле журнал найти трудно. Поэтому если вам интересно будет узнать: Кому и зачем нужна третья рука? Могут ли дома плавать и летать? Когда наконец появятся поезда на воздушной подушке? Зачем в космосе водопровод?.. а также получить полезные советы, прочитать интересные рассказы, поучаствовать в новых конкурсах, лучше не уповать на удачу, а оформить подписку.

Подписной талон вы можете вырезать со страницы журнала и вписать в него нужное вам количество номеров – с 7-го по 12-й.

КОЛЛЕКЦИЯ «ЮТ»

Самолет Ан-74ТК-300, как уверяют его создатели в КБ Антонова, единственный в страхах СНГ современный реактивным самолет мирового уровня. У АН-74ТК-300 2 турбореактивных двигателя с тягой по 6500 кгс. По сравнению с предшественником – Ан-74ТК-200 – новая модификация отвечает международным современным нормам по уровню шума, экологии, навигации и связи.

Экипаж может переоборудовать самолет в аэропорту из грузового варианта в пассажирский или наоборот менее чем за 2 часа. На борту есть стационарный туалет с необходимым набором сантехники, четыре аварийных выхода, откидной трап, бортовое погрузочное устройство и лебедка для подъема грузов на борт.

Техническая характеристика:

Длина самолета… 30,82 м

Высота… 8,65 м

Размах крыльев… 31,89 м

Практический потолок… 10 100 м

Дальность полета… до 5000 км

Максимальный взлетный вес… 37 500 кг

Коммерческая загрузка… 10 000 кг

Крейсерская скорость… 725 км/ч

Количество пассажиров… до 70

Экипаж… 2 пилота и 2 бортпроводника

Впервые модель была представлена на автосалоне в Париже в 2002 году под названием… Daewoo Kalos. В переводе с греческого « Kalos» означает прекрасный, и с этим можно согласиться, глядя на модель, разработанную итальянским дизайнером Джорджетто Джуджаро, возглавляющим известное итальянское кузовное ателье ItalDesign. Но со временем имя сменили. И марку тоже, поскольку фирма Daewooпосле азиатского финансового кризиса 1998 года была поглощена концерном General Motors, владельцем бренд Chevrolet.

Так что Daewoo Kalosпревратился в Chevrolet Aveo, но при этом не утратил качеств, благодаря которым ужо приобрел в мире миллионы поклонников.

Техническая характеристика:

Кузов… хэтчбэк

Количество дверей… 5

Количество мест… 5

Длина… 3,880 м

Ширина… 1,670 м

Высота… 1,495 м

База… 2,488 м

Объем двигателя… 1148 см ³

Мощность… 71 л.с.

Максимальная скорость… 157 км/ч

Снаряженная масса… 960 кг

Вместимость топливного бака… 45 л

Разгон до 100 км/ч… 13,7 с

Расход топлива… от 5,5 до 8,4 л/100 км

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Размышления у черной бумаги

Можно ли, сидя за столом и не прибегая к расчетам, определить прочность моста, увидеть, как воздух обтекает крыло самолета, узнать, сможет ли спутник пройти, не сгорев, сквозь плотные слои атмосферы?

Да, можно, для этого нужно лишь использовать аналогию между электрическим полем в проводнике, механическими напряжениями в теле, потоками тепла, жидкости или газа – давно ведь доказано, что силовые линии электрического поля в проводнике распределяются так же, как силы, действующие на тело точно такой же формы, тепло или обтекающие его потоки жидкости.

Как же это все проделать?

Укрепите кнопками на чертежной доске кусочек фильтровальной бумаги. Смочите ее соленой водой с добавлением фенолфталеина или даже соком одуванчика. После этого еще двумя кнопками подключите к ней постоянное напряжение в 3 вольта (рис. 1). Очень скоро вы увидите радужную картину, в которой без труда улавливается намек на силовые линии электрического поля.

Чтобы получить более точную картину, вам понадобится кусок черной бумаги для упаковки фотоматериалов. Такую бумагу делают с применением сажи, и потому она проводит электрический ток. Закрепите листок бумаги на доске, еще двумя кнопками подключите постоянное напряжение и подсоедините к одной из них щуп вольтметра. Прощупывая другим щупом поверхность бумаги, вы в любой точке обнаружите напряжение. Со временем можно убедиться, что при удалении от полюса источника тока напряжение растет. Но если двигаться поперек линии, соединяющей полюса, то можно встретить точки с одинаковым потенциалом. Попробуйте, например, найти серию точек с потенциалом 1В и отметить их положение мелом. Если соединить их линией, то получится линия равного потенциала. Таких линий, но уже с другими потенциалами, на бумаге можно обнаружить и провести сколько угодно.

Известно, что силовые линии к ним всегда перпендикулярны. Исходя из этого, мы теперь можем на нашем листе бумаги провести силовые линии. Они будут напоминать линии электрического поля двух точечных зарядов.

Теперь попробуем получить представление о распределении в каком-либо теле, например в железнодорожном рельсе, механических напряжений под давлением на него вагонного колеса.

Вырежьте кусок бумаги, напоминающий по форме поперечное сечение рельса. Зона соприкосновения колеса с рельсом имеет небольшую протяженность в самой верхней его части. Здесь воткните две кнопки и подложите под них небольшой кусочек оголенного провода. Давление колеса через рельс полностью передается его опорной части. Здесь при помощи кнопок закрепите оголенный провод по всей длине. Важно, чтобы он надежно соприкасался с бумагой. После этого можно подключать напряжение и, как в предыдущем случае, искать линии равного потенциала, а затем мелом, а лучше белым карандашом перпендикулярно им проводить силовые линии. По их густоте можно получить представление о степени нагрузки на отдельные участки сечения рельса. На основе более глубокой теории, которая определенным образом сопоставляет проводимость бумаги и прочность металла, а также точно измеряя потенциалы, из этой картины можно получить точные значения сил, действующих в поперечном сечении рельса.

Демонстрации с рисованием линии электрического поля удобно проводить на большом листе черной бумаги, укрепленном на классной доске. В этом случае из-за большого сопротивления бумаги приходится применять вольтметры с высоким входным сопротивлением или цифровые авометры.

В последнее время выпуск бумаги для упаковки фотоматериалов резко сокращен. Но ее можно заменить обычным ватманом, закрашенным тушью. Для того чтобы избежать коробления бумаги при сушке, ее следует перед покраской смочить и закрепить кнопками на листе толстой фанеры. Примерно через 30 минут, после легкого просыхания, закрасьте бумагу черной тушью при помощи губки. (Работу лучше производить на улице.) Через час-другой, а на солнце и раньше, тушь высохнет, бумага натянется и останется ровной. С полученной таким путем электропроводной бумагой можно проводить самые разнообразные опыты.

Некоторые из них могут поставить в тупик. Вырежьте из электропроводной бумаги два подобных, по разных по размерам треугольника и измерьте их сопротивление. Для этого к их соответственным сторонам следует приложить электроды, подключенные к омметру.

Как утверждается в одной из старинных работ, электрические сопротивления подобных треугольников должны быть одинаковы. Здесь напрашивается аналогия с некоторыми вариантами неевклидовой геометрии, где все подобные фигуры, как это ни странно, оказываются равны по площади.

Опыты с распределением силовых линии в проводниках можно проводить не только на электропроводной бумаге, но и на упаковочной фольге, которая для многих будет более доступна, чем электропроводная бумага. В этом случае из-за гораздо более низкого удельного сопротивления металла падение напряжения будет значительно ниже, но цифровой вольтметр с диапазоном 100 мВ это напряжение способен отметить.

Представляют интерес и силовые линии переменного электрического поля. При высоких частотах (несколько килогерц) начинают сказываться эффекты, связанные с индуктивностью и емкостью проводника. Поле в нем сильно отличается от поля постоянного напряжения.

Используя фольгу и звуковой генератор, можно получить картину линий равного потенциала для переменного напряжения. Перпендикулярно к ним, точно так, как мы это делали в предыдущем случае, проведем силовые линии. Измерение потенциалов также можно производить обычным цифровым авометром.

С фольгой можно провести любопытный опыт. Вырежьте из фольги прямоугольную букву «О» и попробуйте ее пережечь разрядом конденсаторной батареи на 100 мкФ при напряжении 220 В. Для безопасности опыта соберите цепь с применением школьного переключателя (рис. 2), работу ведите в присутствии учителя.

Если конденсаторную батарею присоединить к средней части буквы «О», как показано на рисунке, то окажется, что в углах образуются овальные щели, направленные по диагоналям. Их происхождение можно объяснить тем, что часть энергии электрического импульса разряда частично проходит по воздуху в форме радиоволны и лишь по углам входит в металл, нагревая и расплавляя его.

А. ВАРГИН

ПОЛИГОН
Берешь свечу и шарик…

Тепловой двигатель – это, казалось бы, нечто очень горячее. И в самом деле, в двигателе внутреннего сгорания при малейшем нарушении в работе системы охлаждения плавятся поршни. А турбина электростанции работает от водяного пара, температура которого столь высока, что подводящие трубы светятся…

Тем не менее существуют двигатели, способные работать от тепла… руки. Но это как говорится, – высший пилотаж. Для начала построим двигатель, работающий от свечки.

Создал этот двигатель японский мастер-любитель из технической школы профессора Коиши Хирата. В отличие от многих изобретателей и ученых, хранящих в тайне малейшее достижение, профессор Хирата ничего не скрывает. По его чертежам подобные двигатели сможет сделать любой из вас.

Но обо всем по порядку. Речь пойдет о двигателях, которые работают за счет расширения нагретого воздуха. Первый такой двигатель изобрел в 1816 году – не удивляйтесь – шотландский министр по делам религии Роберт Стирлинг.

Первый двигатель Стирлинга работал на каменном угле и был весьма сложен. Но сама идея вдохновила множество изобретателей, и к концу столетия развернулось массовое производство воздушных тепловых двигателей. В небольших мастерских их топили углем, дровами, соломой и даже мусором. Некоторые из них проработали без ремонта полвека и стали ценнейшей музейной редкостью.

Сегодня подобные двигатели в мастерских не встретим, их заменили электромоторы. Но двигатели Стирлинга не забыты. На их возрождение в США и в Европе истрачены сотни миллионов долларов. В современных стирлингах воздух заменили сжатым водородом и получили мощные легкие машины. Их успешно ставят на подводные лодки, автомобили, локомотивы и солнечные электростанции. Со временем мы об этом расскажем подробнее, а сейчас вернемся к работам профессора Хирата. Это очень крупный специалист по стирлингам. В сферу его интересов входят двигатели для судов, автомобилей и даже самолетов.

Двигатель Стирлинга по конструкции прост, но понимание принципа его работы дается людям нелегко. Поэтому профессор уделяет немало времени разработке простейших стирлингов, которые можно сделать за один день и, почувствовав прелесть их работы, решиться на какие-то более серьезные шаги. Вот одна из конструкций.

Возьмите жестяную баночку диаметром примерно 50 мм и укрепите на ней нитками или резиновым кольцом кусочек резины от воздушного шарика (рис. 1). После этого нагрейте дно баночки на свечке. Резинка раздуется (рис. 2). Это значит, что произошел переход тепла в работу растяжения резины. Подуйте на баночку, и увидите, что резинка втянется (рис. 3).

Убедимся, что воздух расширяется и сжимается.

Как видите, при нагревании и охлаждении баночки происходит переход тепла в работу. Но превращать баночку в двигатель не стоит: у вас в руках очень несовершенная машина. Прежде всего, она недолговечна, поскольку резиновая пленка соприкасается с горячим воздухом и от этого быстро разрушается. Да и КПД получится очень мал. Ведь почти все тепло, потраченное на нагревание воздуха, теряется при его охлаждении. Профессор Хирата оба недостатка устраняет с помощью одного и того же приема, придуманного еще Робертом Стирлингом – введением вытеснителя.

Взгляните на рисунок 4. Вытеснитель – это деревянный цилиндр, с небольшим зазором вставленный в баночку. Он привязан на леске, а леска пропущена через крохотное отверстие в резиновой пленке.

Начнем с того момента, когда в баночке воздух холодный, а вытеснитель лежит на ее дне. Если зажечь свечу, то воздух почти не нагреется. Но вот мы потянули за леску, подняли вытеснитель (рис. 5а), и резинка раздулась. Это произошло потому, что у дна воздух нагрелся и его давление, по закону Паскаля, передалось холодному воздуху.

Обратите внимание, резинка раздулась от давления холодного воздуха и, значит, сможет долго работать, не разрушаясь.

Применение вытеснителя полезно и по другой причине. Согласно законам термодинамики, чем выше температура рабочего тела (воздуха), тем выше КПД. Ради этого мы можем поднимать температуру неограниченно, лишь бы выдержали стенки.

Если вытеснитель опустить, то поступление тепла через дно прекратится и оно станет уходить через стенки (рис. 5б). Воздух остынет, и пленка снова втянется в баночку. Таким образом вытеснитель выполняет роль переключателя потоков тепла. Имея такое устройство, профессор Хирата переходит к размышлениям о конструкции двигателя.

Действие вытеснителя.

Представьте себе согнутый из проволоки кривошип, который автоматически поднимает и опускает вытеснитель (рис. 6, 7, 8).

Кривошип перемещает вытеснитель.

Добавим к нему согнутый из той же проволоки второй кривошип, расположенный под углом 90° к первому, а на него наденем шатун – деревянную палочку такой длины, чтоб она постоянно соприкасалась с резиновой пленкой (рис. 9).

Такой кривошипно-шатунный механизм сможет управлять перемещением вытеснителя и снимать с раздувающейся пленки полезную мощность. Правда, у него есть мертвые точки, в которых он способен застрять. Но стоит надеть на его вал маховик (рис. 10) или хотя бы добавить небольшую массу на стержне (рис. 11), и двигатель сможет работать самостоятельно до тех пор, пока горит свеча.

Теперь поговорим о конкретном исполнении простейшего стирлинга. Он состоит из той самой баночки, с которой мы проводили опыты. Ее необходимо закрепить на деревянной станине и добавить проволочный кривошипный вал, деревянный шатун и маховик. Размеры на прилагаемых рабочих чертежах даны применительно к баночке диаметром 50 мм. Если же такой не найдется, поэкспериментировав, вы можете самостоятельно их изменить.

О. НИКОЛЬСКИЙ

Коленчатый вал.

Крепление шатунов к резиновой пленке.

Двигатель в сборе.

Двигатель готов.