На канале QWERTY вышло видео, где наглядно показаны принципы работы разных двигателей, начиная от тепловых и заканчивая реактивными.
В современном мире мы повсюду окружены двигателями различных конструкций и мастей. Есть тепловые, на которых работают автомобили, корабли и бензопилы. Электрические, которые устанавливаются в холодильники, пылесосы, электропилочки для ногтей. Есть реактивные для самолетов и ракет и много других.
Если бы всего этого не было, мы вернулись бы в Средневековье. Разнообразие форм и размеров моторов поражает воображение. Двигатели могут быть как очень маленькими размером с тысячные доли миллиметра, так и огромными. Например, самый тяжелый двигатель в мире весит 2300 тонн – это двигатель внутреннего сгорания и объем его цилиндров более двадцати пяти тысяч литров, а мощность более ста тысяч лошадиных сил. Эти двигатели изготавливает финская компания для танкеров и других огромных кораблей.
Также поражает, сколько топлива могут использовать двигатели! Некоторым достаточно тепла вашей руки, а есть и прожоры. Самый мощный жидкостный ракетный двигатель рд-170 за 1 секунду работы потребляет 2,5 тонны горючего и окислителя. Имея столько же бензина, можно было бы на обычной легковушке проехать 40 тысяч километров, то есть обогнуть земной шар. Но, несмотря на все многообразие форм размеров и конструкции, принципы используются одинаковые. На примере довольно необычных двигателей рассмотрим принципы и физические законы, используемые в современной технике.
Первое, что начали использовать в двигателях после рабов и лошадей, это тепло. В пароходах и автомобилях теплота от сгорания топлива преобразуется в движение, а иногда даже и сжигать ничего не нужно. Достаточно тепла вашей руки, как например в низкотемпературном двигателе Стирлинга. Но если поставить его на чашку с горячим чаем, он будет крутиться намного быстрее. Принцип тут простой – благодаря конструкционным особенностям воздух внутри оказывается то снизу, то сверху. Контактируя с нижней поверхностью, он нагревается, расширяется и выталкивает поршень вверх. Оказываясь наверху, он наоборот, охлаждается, сжимается и втягивает этот поршень обратно. Эти поступательные движения поршня преобразуются во вращательное движение колеса.
В двигателе Стирлинга источник нагрева воздуха находится снаружи, и это может быть что угодно – кипяток, солнечные лучи, спящий кот или сгорающие конспекты после сессии. Самое главное – разница температур в верхней и нижней поверхности. Чем она больше, тем лучше. Такой мотор используется в качестве генератора. НАСА планирует запустить космический аппарат с ним на борту. Так что, запатентованный еще в 1816 году, старичок еще даст о себе знать.
Принцип расширения воздуха, используемый в рассмотренном выше моторе, используется во всех тепловых двигателях. Нужно нагреть газ, чтобы он расширился и вытолкнул поршень.
Начиная с 19 века весь мир заполнен электродвигателями. Они повсюду – электричка, колесо обозрения, зубная щетка, даже вибрация в телефоне. Конструкции различаются, но принцип один. Простейший можно собрать за 5 секунд. Достаточно магнита, батарейки и кусочка проволоки.
Это униполярный электродвигатель. Отчетливо видно замкнутую цепь. Ток проходит по проволоке, магниту и батарейке и вся фишка в магнитном поле. Когда проводник с электрическим током оказывается в магнитном поле, на него начинает действовать сила Ампера. Она направлена всегда перпендикулярно проводнику и стремится сдвинуть его вбок. Поэтому рамка начинает вращаться.
Можно поступить по другому – подвесить на батарейку магнит, чтобы он мог свободно вращаться и пустить по нему электрический ток. Тогда сила Ампера будет действовать на перешеек на магните, по которому протекает ток и заставлять вращаться сам магнит. Похожим образом можно даже заставить жидкость вращаться. Самое главное, чтобы она пропускала электрический ток и находилась в магнитном поле. В таком случае на нее действует сила Ампера, которая заставляет ее сдвигаться вбок.
В любом случае, используете вы постоянный ток или переменный, идет он по магниту или нет, вне зависимости от конфигурации, принцип действия всех электродвигателей одинаков. Это сила ампера.
Но супер скорости стали возможны, благодаря реактивным двигателям. Это изобретение 20 века, хотя в них используется принцип, который понимали уже древние греки. Реактивный двигатель выбрасывает из себя с огромной скоростью воздушно-топливную смесь или воду, гантели, без разницы. Дело в том, что по закону сохранения импульса, если у одного тела появилась скорость в одном направлении, то у другого появится скорость в противоположном. Чем больше скорость вылета, тем лучше. Греки на олимпийских играх в прыжках в длину бросали назад гантели для прироста скорости, а реактивные двигатели 20 века используют смесь горючего и окислителя, потому что при сгорании топлива возникает огромное давление и скорость вылета просто колоссальная. Но это не единственный вариант.
Можно использовать воду и получить пукающий корабль. Для этого необходима емкость, от нее отвести трубочки в воду и заполнить все это водой и нагревать. При кипении пар будет выталкивать воду из трубочек – вот вам и реактивная струя. Затем вода будет затягиваться обратно, так как в емкости будет возникать область пониженного давления и все будет повторяться. Причем вода выталкивается в одном направлении, а затягивается со всех сторон. Так что обратного хода корабль давать не будет. Вот и получается пульсирующий реактивный двигатель.
Как видите, даже в современных приборах используются старые принципы и это вполне логично, ведь наука ищет и фиксирует фундаментальные законы, которые не меняются с течением времени да появляются новые категории, изобретения, принципы, которые не противоречат старым, а их дополняют или объясняют. С другой стороны, через сотни лет, когда наши прапраправнуки будут летать куда нибудь к Альфацентавру, они будут подчиняться тем же физическим законам, что и мы с вами сейчас