Текст книги "Юный техник, 2007 № 02"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 5 страниц)

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Опыт Клода и Бушеро

Французского врача Жака Арсена Д'Арсонваля (1851–1940) в медицинской среде знают как изобретателя метода лечения при помощи электрических токов. Электротехникам он известен как создатель гальванометра. Знают его и энергетики. В 1881 году он предложил необычный паровой двигатель.

Вы знаете, наверное, паровой двигатель может работать, когда температура пара, выходящего из котла, выше, чем температура окружающей среды. Тогда, соприкасаясь с ней, он снова превращается в жидкость. Эту жидкость можно снова закачать в котел, превратить в пар, и так без конца…

Температура пара на входе в турбину современной электростанции – 650 °C. Отдав турбине часть своей внутренней энергии, пар попадает в конденсатор, где вновь превращается в воду. Столь высокая начальная температура в котле помогает получить высокий КПД, но вообще говоря не обязательна. Например, у огромного колесно-винтового парохода «Грейт Истерн» (1859 г.) температура пара не превышала 112 °C, как в скороварке. Это резко упрощало выбор материала и всю конструкцию двигателя. Расход топлива был по нашим понятиям огромен, но инженеры тогда даже не догадывались, что он может быть во много раз ниже.

В 1881 году Д'Арсонваль предложил заменить в паровом двигателе воду сернистым ангидридом. Он кипит при температуре 20–30 °C, а конденсируется при 4–5 °C. Более того, Д’Арсонваль догадался, что для получения температуры 20–30 °C не обязательно сжигать топливо. Такую температуру имеют сточные воды многих заводов и горячие ключи. Но есть и еще более мощный, поистине безграничный источник такого тепла – это воды тропических морей и океанов. На согреваемой солнцем поверхности их температура как раз 25–30 °C, но на глубине 1 км вода всегда холодна – плюс 4–6 °C.

Почему бы не приспособить эту разность температур для работы парового двигателя? Итак, котел согревается теплом верхних слоев океана. Кипит сернистый ангидрид, и его пары вращают турбину. Пройдя через нее, пар попадает в конденсатор. Его трубы охлаждает почти ледяная вода, поднятая с глубин. Сернистый ангидрид снова превращается в жидкость, и насос закачивает его в котел.

Для работы такому двигателю не требуется ни грамма топлива. В этом его огромная привлекательность. Но и необычность. Поэтому статья молодого ученого в научных кругах первые двадцать пять лет даже не обсуждалась. Затем о проекте стали писать, выявлять и устранять его недостатки.

На первых порах самым неприятным виделся сернистый ангидрид – агрессивная жидкость, по сути, почти серная кислота, удержать которую в пределах контура двигателя было невозможно. Не удавалось и подобрать другую легкокипящую жидкость: одни дороги, другие ядовиты, третьи огнеопасны.

И тогда два французских инженера Георг Клод и Поль Бушеро предложили применить в двигателе Д’Арсонваля самую совершенную, простую и нетоксичную жидкость – воду.

Да, каждый знает, что вода кипит при 100 градусах. Но каждый инженер знает, что вода может кипеть и при температурах, близких к нулю. Нужно лишь создать пониженное давление.

В 1926 году Клод и Бушеро продемонстрировали перед Французской академией наук двигатель, в котором иода кипела при температуре 28°C, пар вращал турбину, а от генератора горели лампочки.

Чтобы понять суть эксперимента, возьмите две колбы. В одну из них налейте теплую воду, в другую бросьте мелко наколотый лед. После этого соедините их трубкой (см. рис. 1).

Через несколько секунд вода закипит: находящиеся в воздухе пары воды сконденсируются на частицах льда, давление в колбах быстро понизится настолько, что вода начнет кипеть. Для того чтобы опыт удался, колбу с водой нужно продуть паром, чтобы удалить из нее воздух, и всю систему быстро закрыть. При температуре 28 °C, как это было в опыте, вода кипит при давлении 0,03 атм. В процессе кипения пар через трубку из колбы с водой будет перетекать в колбу со льдом. Скорость его может быть на удивление велика – 500 м/с!

А теперь взгляните на опыт Клода и Бушеро (см. рис. 2).

Рис. 2

Слева – бутыль с теплой водой. Справа – сосуд со льдом, через стенку которого проходит труба. Выходящий из нее пар устремляется на колесо паровой турбины. Турбина через ременную передачу вращает маленький генератор, от которого горят лампочки.

В одном из таких экспериментов мощность генератора кратковременно достигла 3 киловатт. На этом принципе ученые в 1928 году построили электростанцию возле бельгийского металлургического завода Угрей-Мариэй на реке Маас. Источником тепла для нее служила вода, охлаждавшая домну. Эту воду обычно сбрасывали в реку. Температура этой воды всегда была на 20 °C выше, чем в реке, но этой небольшой разности температур оказалось достаточно, чтобы кипящая при пониженном давлении вода приводила в действие турбогенератор мощностью 50 кВт.

Накопив необходимый опыт, в 1930 году инженеры построили на Кубе установку, работающую от разности температуры океанских вод. При этом выяснилось: самое сложное – это подъем с больших глубин холодной океанской воды, обрастание труб морскими организмами и значительный расход энергии на ее перекачивание.

Полезную мощность около 28 кВт получили, потратив более миллиона долларов из собственных средств. В 1934 году ученые начали сооружение плавающей установки для производства льда возле Рио-де-Жанейро. Однако при строительстве произошла авария. Продолжить работу Клод и Бушеро не смогли из-за нехватки средств…

Несмотря на всю привлекательность «даровой» энергии океана, строительство океанских электростанций на принципах Д’Арсонваля, Клода и Бушеро оказалось не выгодно. Слишком велики затраты на строительство установки, а окупаются они через десятки лет. В настоящее время лишь в США и Японии есть отдельные экспериментальные установки такого рода.

Но забывать идею не стоит. Ведь в стране есть промышленные предприятия, сбрасывающие теплые стоки, есть горячие ключи. Особый интерес представляют солнечные водонагревательные панели. С каждого квадратного метра такой панели в ясный день можно получить около киловатта тепла. Если его направить на подогрев воды в двигателе Клода и Бушеро, то можно получить до 70 Вт механической энергии. Имеющиеся в продаже полупроводниковые солнечные панели могут дать 90 – 100 Вт, но стоят они в десятки раз дороже…

Если вам захочется повторить опыт Клода и Бушеро, начинать придется с нуля. Первый шаг – это уже описанный опыт с двумя сосудами.

Кстати, если их соединить гибким прозрачным шлангом, то его можно укрепить на столике проектора и увидеть на экране образующиеся у стенок шланга бурные завихрения, свидетельствующие о движении потока пара.

Следующий шаг – заставить вращаться в этом потоке жестяную крыльчатку (см. рис. 3).

Рис. 3

Для этого ее нужно расположить в наглухо закрытом прозрачном сосуде. Его можно склеить из оргстекла. Было бы очень привлекательно вывести наружу вал крыльчатки для последующего соединения с генератором. Но давление в сосуде в тридцать раз ниже атмосферного, и воздух неизбежно проникает через отверстия для вывода вала.

Клод и Бушеро тоже не могли справиться с этой проблемой и потому расположили турбину и генератор под колпаком.

Для нас важно вначале добиться быстрого вращения крыльчатки. Лишь после этого можно думать о соединении крыльчатки с генератором.

Очень многое в этом опыте зависит от качества исполнения крыльчатки. Поищите в школе демонстрационную модель паровой турбины.

Кстати, с ротором подобной модели Клод и Бушеро показывали свой знаменитый опыт. От этого эксперимента всего лишь шаг до практически полезной энергетической установки.

А. ВАРГИН

Рисунки автора

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Слушай мою команду!

Устройство, о котором пойдет речь, может пригодиться как для создания занятной игрушки, так и простого автомата, способного выполнять некоторые бытовые функции. Основная задача аппарата – беспроводное управление посредством звуковых команд. Устройство построим по принципу акустического реле: хлопок в ладоши или свист включит или выключит питание исполнительного узла.

Даже при столь нехитром алгоритме управления появляется возможность пускать в ход игрушку, управлять освещением в темной комнате, включать электровентилятор.

В устройство входит датчик акустических команд, усилитель и логический узел, реализующий последовательность фиксированных действий «пуск – стоп», а также коммутатор «силовой» цепи. Указанные узлы связаны между собой согласно принципиальной схеме, приведенной на рисунке 1.

Рис. 1

Акустическим датчиком служит электронный микрофон ВМ1, получающий питание от 9-вольтового источника через делитель R1, C1, R2. Появление звуковой команды вызывает всплеск тока микрофона, отчего на его выходе образуется импульс напряжения отрицательной полярности. Усиленный транзистором VT1, но уже с положительной полярностью, он поступает через диоды VD1, VD2 на входы логического узла, построенного на ячейках 2И-НЕ DD1.2 … DD1.4. В исходном состоянии ячейка DD1.1 заперта благодаря «заземленному» конденсатору С3 при входах 1, 2, а ячейки DD1.2 … DD1.4 открыты, имея на выходах 4, 10, 11сигнал низкого уровня. Поэтому связанный с ними составной транзистор («силовой» коммутатор) VT2, VT3 заперт, и его нагрузка в виде двигателя M1 бездействует. Обратно включенный диод VD3 защищает транзисторы от перенапряжения при индуктивной нагрузке.

После первого звукового сигнала положительный импульс с диода VD1 открывает ячейку DD1.1, а возникающий на ее выходе 3сигнал низкого уровня запирает ячейки DD1.2 … DD1.4; возросший уровень сигнала на их выходах открывает коммутатор VT2, VT3 и запускает двигатель вашей модели. Повторный звуковой сигнал переключит логические ячейки в исходное состояние и остановит привод M1.

Обратите внимание, что узлы автоматики и выходной коммутатор получают питание от разных источников. Для первых достаточно гальванической батарейки типа «Кроны», для второго требуется батарея с напряжением до 4,5 В при токе порядка 0,5 А, чтобы хватало для питания электрифицированной игрушки.

Если понадобится управлять нагрузкой переменного тока, связанной с осветительной электросетью, используйте промежуточный коммутатор – электромагнитное реле типа РЭС-6 с низким напряжением срабатывания. Облегчит сборку устройства рисунок 2, показывающий расположение выводов, используемых в конструкции микрофона и полупроводниковых элементов.

Рис. 2

Ю. ПРОКОПЦЕВ

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

Одно время сообщалось, будто завод ГАЗ прекращает выпуск автомобилем «Волга». Затем вроде бы выпуск этих автомобилей решено было продлить. Ну, а каковы последние новости на этот счет?

Ирина Саморученко,

г. Краснодар

Популярный российский автомобиль теперь решено еще усовершенствовать. Причем наряду с улучшением дизайна салона каждый второй автомобиль «Волгам из 50 000, намеченных к выпуску в текущем году, теперь будет комплектоваться двигателем «Крайслер», который имеет большую мощность и ресурс работы. Эти новые двигатели начиная с 2007 года получит также часть выпускаемых на ГАЗе «Газелей» и «Соболей».

Слышала, что вопреки многим рекомендациям стирать можно практически все, в том числе и перьевые подушки. Так ли это?

Настя Алпатьева,

г. Кимры

Действительно, подушки стирать можно. Надо лишь отделить перья от наперника и поместить их в специальный сетчатый мешочек для деликатной стирки. Если не найдете такого мешочка в продаже, сделайте сами 3–4 мешочка из марли и пересыпьте в них перья. Стирайте их вручную в тазике с теплой водой, добавив жидкое моющее вещество. Особенно не усердствуйте и уж, конечно, не отжимайте перья, иначе они слипнутся и помнутся. После стирки прополощите мешочки с пером несколько раз и повесьте сушиться.

Наперник стирают отдельно. А когда он высохнет, можно изнутри натереть его мылом, а затем прогладить утюгом. Такая операция даст гарантию, что перо из наперника больше вылезать не будет. Что же касается других вещей, то, скажем, стирать пиджаки мы бы не советовали – они потеряют форму из-за разной усадки тканей, из который сделаны верх, бортовка и подкладка. Лучше отдать их в химчистку.

Скажите, пожалуйста, что означает выражение «бархатный путь»?

Алексей Смирнов.

г. Казань

В отличие от Великого шелкового пути – таким термином обычно обозначают дорогу, по которой древние купцы привозили некогда из Китая и Средней Азии шелковые ткани в Европу, – выражение «бархатный путь» вполне современное. И означает лишь совокупность мер, к которым прибегают железнодорожники, чтобы обеспечить передвижение составов с возможно меньшим шумом и большими удобствами для пассажиров. Для этого отдельные рельсы сваривают в длинные плети, исключая таким образом стук колес на стыках. Заваренные стыки шлифуют, а всю поверхность рельса еще и полируют. В итоге, как показывает практика, поезда движутся мягко и бесшумно, словно по бархату. Отсюда и название.

Некоторое время назад в СМИ много говорилось о проекте присоединения к материку острова Сахалин путем строительства моста или подводного туннеля. Сейчас об этом ничего не слышно. О проекте позабыли, как это было уже однажды?

Игорь Сахаров,

г. Находка

Нет, как сообщил недавно журналистам президент компании «Российские железные дороги» В. Якунин, проект строительства железнодорожного моста через пролив может быть осуществлен в ближайшее десятилетие. Многое будет зависеть от того, насколько быстро пойдет переустройство железных дорог на самом острове, которые ориентированы на японский стандарт колеи.

Два года назад уже началось строительство новых железнодорожных путей, ширина колеи которых совпадает с российским стандартом. По мере того, как сеть эта будет модернизироваться, увеличится и грузооборот с материком. И если сейчас с этой проблемой худо-бедно справляются паромы, то в будущем наверняка понадобится мост.

* * *

Дорогие читатели!

Сообщаем, что в сентябре 2006 года образовано Содружество научно-популярных журналов России «Грани Познания».

В него вошли известные журналы:

«Знание – сила», «Наука и жизнь», «Путешествие по свету», «Химия и жизнь XXI век», «Экология и жизнь», «Юный техник».

На страницах журналов Содружества вы сможете узнать достоверную информацию обо всех новинках в мире науки, техники, высоких технологий, истории и культуры.

Эти журналы читают более 1 500 000 самых образованных людей страны, выписывают все прогрессивные предприятия и организации, постоянно используют в работе ведущие руководители и специалисты.

Прием заказов на размещение информации и рекламы в блоке научно-популярных журналов Содружества

по тел.: (495) 208-43-64.

E-mail: [email protected] .

Сайт в Интернете: www.media-grad.ru

ПРИЗ НОМЕРА!

ПРИЗ ПРЕДОСТАВЛЕН

ОАО «МОСКОВСКИЙ УЧКОЛЛЕКТOP № 1,

Адрес 125252, г. Москва,

ул. Новопесчаная, д. 23/7, корп. 37.

e-mail: [email protected] , www.uk1.ru

тел/факс: 943-5190, 507-5252

* * *

Наши традиционные три вопроса:

1. Американский физик Р.Вуд еще а начале XX века предлагал делать вращающиеся зеркала для телескопов из ртути. Но проект до сих пор не реализован. Почему?

2. Какой водой – холодной или горячей – лучше заливать каток? Почему?

3. Почему до сих пор не применяются электромагнитные пушки?

ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

«ЮТ«№ 9 – 2006 г.

1. Плотность и теплотворная способность угля выше, чем у древесины, поскольку в нем на единицу объема содержится больше углерода и водорода.

2. Для глубоководного робота рациональнее гидравлические системы, поскольку они лучше, чем пневматические, противостоят давлению окружающей среды.

3. Минимальная мощность мотора должна быть достаточна для затрат энергии на такт сжатия и преодоления сил трения.

* * *

К сожалению, на этот раз никто не смог правильно ответить на все три вопроса. Ближе других к победе были: Степан Кузяновиз п. Сараи Рязанской обл., Алмаз Гумеровиз г. Байкальска и Александр Лукьяновиз п. Клязьма Московской области.

Надеемся, что в следующий раз их ответы будут точнее.

Спасибо всем, приславшим письма!

* * *

_{А почему?Почему Земля не круглая? Как искали сокровища «Черного принца» английского корабля, затонувшего в XIX веке в Черном море во время Крымской войны? Давно ли человек приручил кошку? На эти и многие другие вопросы ответит очередной выпуск «А почему?».}

_{Школьник Тим и всезнайка из компьютера Бит продолжают свое путешествие в мир памятных дат. А читателей журнала приглашаем заглянуть в российский город Выборг, свидетель многих памятных исторических событий.}

_{Разумеется, будут в номере вести «Со всего света», «100 тысяч «почему?», встреча с Настенькой и Данилой, «Игротека» и другие наши рубрики.}

_{ЛЕВША– Вертолет МИ-24, созданный для подавления огнем танков и вертолетов противника, а также для высадки десанта в опасных участках фронта, считается одним на лучших вертолетов в мире. Предлагаем пополнить ваш Музей на столе бумажными моделями вертолетов Ми-24 и Ми-28.}

_{– Любители радиоэлектроники смогут построить цифровой диктофон.}

_{– Не останутся без дела и юные механики-самодельщики, и теоретики, для которых в рубрике «Хотите стать изобретателем?» «Левша» приготовил новые конкурсные вопросы.}

_{Как всегда, на страницах журнала вы найдете забавные головоломки Владимира Красноухова и полезные советы.}

* * *