|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
TRANSPORT OSOBISTY: ZIEMIA, WODA, POWIETRZE
Transport przyszłości. Transport osobisty
Katalog / Transport osobisty: lądowy, wodny, powietrzny Naukowcy badający problemy przyszłości – futurolodzy – już dziś próbują określić, jak będzie wyglądał otaczający nas świat, powiedzmy, do końca drugiego tysiąclecia, a nawet za 100 lat. Jednocześnie niektóre rzeczy są widoczne stosunkowo łatwo, inne zaś trudno. Ale możemy śmiało powiedzieć, że za 50, 100 lub więcej lat transport będzie istniał. I nie tylko istnieją, ale także stale się rozwijają. Pisarze science fiction czasami wyrażają pogląd, że w przyszłości większość informacji będzie przekazywana głównie środkami komunikacji – od wideotelefonów po kanały laserowe. Nie jest brana pod uwagę rola transportu jako nośnika nie tylko towarów, ale i informacji. Ale to nie jest prawdą. Zaleta transportu polega właśnie na tym, że zapewnia przepływ nie tylko towarów, ale także ludzi – najpojemniejszych nośników informacji. Słynny radziecki naukowiec zajmujący się transportem, profesor V.N. Iwanow, podkreśla: „Ludzie potrzebują bezpośredniej komunikacji i ani telefon, ani telewizor, ani nic innego nie może jej zastąpić”. To nie przypadek, że pomimo znacznego postępu w komunikacji, transport dzisiaj nadal dynamicznie się rozwija. Jak będzie się rozwijać w przyszłości? W zasadzie problemy można sprowadzić do tego, że pojazdy transportowe, a właściwie ich silniki, muszą stać się przyjazne dla środowiska, czyli, jak to się mówi, „ekologiczne”. Aby maksymalnie rozciągnąć zużycie zasobów paliwowych i energetycznych naszej planety, silniki muszą stać się jak najbardziej ekonomiczne.Dużo uwagi poświęca się bezpieczeństwu pojazdów, a także takim tradycyjnym problemom, jak dalsze zwiększanie prędkości, zdolność przełajowa i wygoda.Będą tworzone i rozwijane nowe, wyspecjalizowane rodzaje transportu dla gospodarki narodowej Jak jednak będzie wyglądał transport przyszłości, jego silniki? Czy istnieją już ich prototypy? Wszystkim tym zagadnieniom poświęcone są proponowane materiały. 1. Termiczne – „za” i „przeciw” Wdzięczna ludzkość oskarża. Tak można sformułować obecne podejście do najmasywniejszego silnika - cieplnego, a w szczególności do silnika spalinowego (ICE). Istnieją w zasadzie dwa artykuły „winy” silników cieplnych przed ludzkością. Pierwszym z nich jest nieekonomiczne, barbarzyńskie zużycie niezastąpionych zasobów paliw naturalnych. Drugim jest zanieczyszczenie środowiska toksycznymi spalinami i innymi odpadami wytwarzanymi przez energię, w tym nadmierną temperaturą, hałasem i nieprzyjemnym zapachem. Obecnie bardzo dużo się na ten temat mówi. Oprócz nieubłaganego wniosku, jaki z tego wynika: jeśli silniki cieplne nie zostaną ulepszone (lub całkowicie porzucone), wówczas planecie w dającej się przewidzieć przyszłości, mierzonej zaledwie w ciągu kilkudziesięciu lat, grozi, po pierwsze, głód paliwowy z powodu całkowitego wyczerpanie się zasobów paliwa naturalnego; po drugie, masowe zatrucie ludzkości produktami spalania tego paliwa i możliwe, że nadmierne (gorsze niż w najgorętszej łaźni parowej!) ocieplenie atmosfery. Zatem poprawa lub całkowita porażka. Jeśli przypomnimy sobie, że silniki cieplne są instalowane w setkach milionów samochodów, motocykli, traktorów, kombajnów, samolotów, statków, łodzi motorowych i innych maszyn, staje się jasne, że ludzie nie mogą jeszcze całkowicie z nich zrezygnować. Należy jednak zadbać o to, aby przedłużając ich wiek, nie skracać znacząco swojego wieku! Jak „pogodzić” silnik cieplny i człowieka?
Odpowiedź jest prosta i złożona: należy wyeliminować toksyczność gazów spalinowych z silników cieplnych i zwiększyć ich wydajność. Główną szkodą jest tlenek węgla, tlenki azotu i węglowodory (aldehydy) zawarte w spalinach, a także substancje rakotwórcze. Ale oczywiście można je złapać? Tak, powstały już takie pułapki neutralizujące: cieczowe, plazmowe, katalityczne i kombinowane. Montuje się je zazwyczaj na wylocie gazu za rurą wydechową silnika. Jednak wszystkie te urządzenia zapewniają tylko częściowe rozwiązanie problemu: nawet przy nich sam silnik pozostaje tym samym żarłocznym mechanicznym potworem. Marzeniem specjalistów od silników od wieków było zbudowanie takiego, w którym tłok nie będzie wykonywał ruchów posuwisto-zwrotnych, a jedynie się obracał. Obiecało to znaczne zmniejszenie rozmiarów i masy silnika, zmniejszenie zużycia paliwa i emisji toksycznych produktów spalania. Profesor F. Wankel był bliżej rozwiązania tego problemu niż ktokolwiek inny. Wielu ekspertów uważa, że stworzony przez niego silnik rotacyjny może stać się głównym samochodowym silnikiem spalinowym. Przypomnij sobie, jak wankel jest ułożony i działa. W jego korpusie znajduje się wnęka o złożonej konfiguracji, w której obraca się trójkątny wirnik-tłok, połączony z wałem za pomocą kół zębatych. Opiera się swobodnie na mimośrodzie wału, którego środek pokrywa się ze środkiem stałego koła zębatego. Biegnąc po złożonej krzywiźnie, wirnik-tłok stale dotyka wierzchołków wewnętrznych ścian obudowy. W celu uszczelnienia na górze zamontowane są ruchome płyty, przy czym objętości komór utworzonych przez powierzchnie wirnika-tłoka i ścianki obudowy zmieniają się sekwencyjnie. Tutaj zachodzą procesy zasysania, sprężania i zapłonu paliwa, rozprężania i uwalniania gazów spalinowych.Otwieranie i zamykanie kanałów dolotowych i wydechowych odbywa się za pomocą samego wirnika-tłoka. Zatem podczas jednego pełnego obrotu wszystkie procesy konwencjonalnego silnika czterosuwowego zachodzą w silniku Wankla i jednocześnie w różnych komorach roboczych: z błyskami paliwa zapalanymi przez jedną świecę zapłonową, trzema suwami roboczymi, trzema spalinami, trzema spożycia świeżej mieszanki. Silnik Wankla okazał się nie tylko najbardziej kompaktowy i najlżejszy (jeden z jego pierwszych prototypów o mocy około 30 KM ważył zaledwie 10 kg), ale także miał największą prędkość. Dodajmy do tego, że może jeździć na tanim oleju napędowym. Wydawać by się mogło, że to jest rozwiązanie problemu. Ale... bez względu na to, jak „mądrzy” są konstruktorzy, nadal nie udało się osiągnąć niezawodności uszczelnień wirującego wirnika. Ta wada, która głównie utrudnia dalsze udoskonalanie silnika, jest prawdziwą plagą silników ten typ. Kolejnym kierunkiem poszukiwań jest rozwój obecnie stosowanych w lotnictwie silników turbinowych (GTE). Są znacznie mniejsze od silników spalinowych o tej samej mocy, prostsze i bardziej niezawodne w działaniu. Pomimo nieco zwiększonego zużycia paliwa, emitują mniej toksycznych produktów, zwłaszcza dwutlenku azotu. Tłumaczy się to tym, że w silnikach turbinowych spalanie paliwa odbywa się w sposób ciągły, przy niższych ciśnieniach i temperaturach niż w silnikach tłokowych. Silnik turbinowy jest również silnikiem spalinowym. Tylko w nim kompresja palnej mieszaniny odbywa się za pomocą sprężarki (zwykle odśrodkowej). Powietrze zewnętrzne wpadające do sprężarki obraca się wraz z łopatkami, jest sprężane pod działaniem siły odśrodkowej, a następnie podgrzewane w wymienniku ciepła i dostaje się do komory spalania. W wyniku spalania mieszanki gorące gazy naciskają na łopatki turbiny, na osi której umieszczona jest sprężarka. Gdy dostaną się na łopatki wirnika turbiny, większość swojej energii zużywają na wykonanie użytecznej pracy. Jest to zasadniczy schemat działania tzw. dwuwałowej turbiny gazowej. Różni się tym, że obie turbiny, wysokiego (sprężarka) i niskiego (roboczego) ciśnienia, są kinematycznie całkowicie niezależne. Dla pojazdów opracowywane są turbiny jednowałowe i trójwałowe. Czas pokaże, który z tych programów będzie najbardziej obiecujący. Najprawdopodobniej, w zależności od wymaganej mocy i specjalizacji samochodu, każdy z nich otrzyma prawo do dalszego rozwoju. We wszystkich omówionych powyżej silnikach paliwo spalane jest w komorze spalania – we wnęce, w której znajduje się wirnik, tłok lub turbina. Bardzo trudno jest tam kontrolować spalanie, dlatego często paliwo nie ulega całkowitemu spaleniu i wydziela się wiele toksycznych produktów. Następnie rozważymy silniki, w których paliwo utlenia się poza komorą roboczą (cylindrami). Przez analogię do silników spalinowych można je nazwać silnikami spalinowymi. Do najważniejszych należą maszyny parowe i silniki Stirlinga. Druga era maszyn parowych rozpoczęła się zaledwie kilka lat temu, kiedy największe ośrodki badawcze zajęły się ich projektowaniem na nowoczesnych podstawach. Silniki te mają wiele atrakcyjnych cech: duży początkowy moment obrotowy, brak skomplikowanej skrzyni biegów, całkowitą nieszkodliwość układu wydechowego. A dynamika silnika parowego jest jedną z ważnych zalet. Udoskonalając stare schematy, udało się przezwyciężyć takie problemy klasycznej maszyny parowej, jak ryzyko wybuchu kotła, zaporowa waga, trudność rozruchu i trudności w wykorzystaniu wody jako cieczy tworzącej parę w zimie. Uciążliwe i niebezpieczne kotły na gorącą wodę zostały zastąpione kompaktowymi rurowymi wytwornicami pary. Udało się zmieścić wszystkie jednostki w wymiarach samochodu osobowego. Kolejna obiecująca dziedzina badań związana jest z silnikiem, wynalezionym w 1816 roku przez Szkota R. Stirlinga. Ten silnik spalinowy był rurą tłumioną na obu końcach, w którą szedł tłok. Wnęka po jednej stronie tłoka była stale podgrzewana, a po drugiej stronie chłodzona. Zimny gaz skroplono i wpompowano do gorącej komory. Tutaj, gdy tłok był nieruchomy, jego temperatura i ciśnienie wzrosły w wyniku nagrzania. Gdy gaz osiągnął maksymalne parametry, tłok zaczął się poruszać, wykonując skok roboczy. Następnie rozprężony gaz pompowano do zimnej komory, gdzie stale chłodzony, był sprężany przez poruszający się tłok. Cykl się powtórzył.
Ponieważ na sprężanie zimnego gazu zużywa się mniej pracy mechanicznej niż jest uwalnianej podczas rozprężania gorącego gazu, silnik Stirlinga generował nadmiar energii mechanicznej. Oczywiste jest, że taka praca silnika nie mogłaby być szczególnie ekonomiczna. Jeśli jednak sprężony zimny gaz zostanie podgrzany przed wprowadzeniem do gorącej komory wraz z ciepłem, które zostało usunięte podczas chłodzenia gorącego gazu, silnik Stirlinga może stać się bardzo ekonomicznym silnikiem, przewyższającym wydajność zarówno silników gaźnikowych, jak i wysokoprężnych. Urządzenie do podgrzewania gazu – zbiornik zwany regeneratorem – zaproponował kiedyś sam autor wynalazku. Obecnie wydajność takiego grzejnika wzrosła do 98%. Wnęki silnika zaczęto napełniać wodorem lub helem sprężonym do 100–200 atm. Ulepszono także napęd tłoków Stirlinga, upodobniając go do napędu pompy tłoczkowej osiowej - z podkładką skośną. Dzięki temu zmodernizowany Stirling nadaje się do większości maszyn wykorzystujących silniki cieplne. Jego toksyczność jest setki razy mniejsza niż gaźnika i działa niemal bezgłośnie. Ale na razie Stirlingi są złożone, drogie i cięższe niż gaźnikowe. A jednak omówione powyżej silniki w przeważającej mierze aktywnie zużywają paliwo naturalne. A jego rezerwy nie są nieograniczone. Dlatego też próby wykorzystania sztucznie wytworzonego wodoru jako paliwa cieszą się dużym zainteresowaniem. Można go ekstrahować z wody, rozkładając ją za pomocą prądu elektrycznego, światła słonecznego, wysokiej temperatury za pomocą katalizatorów. Główną zaletą takiego paliwa jest znacznie niższa toksyczność produktów spalania niż benzyna. Tlenków azotu powstaje np. 200 razy mniej, a w spalinach w ogóle nie ma tlenku węgla i węglowodorów. Pojawiają się jednak inne problemy - na przykład magazynowanie gazu w butlach. Naukowcy proponują jednak nasycanie wodorków niektórych metali wodorem, wchłaniając go jak gąbka. Co ciekawe, zbiorniki wypełnione wodorkiem mieszczą 40 razy więcej wodoru niż puste zbiorniki. Tworzone są także silniki wykorzystujące najbardziej nieoczekiwane czynniki naturalne - promieniowanie słoneczne, parowanie, osmozę. To nie przypadek, że nazywa się je egzotycznymi: jak dotąd mają bardzo małą dystrybucję. Jednak rosnące zainteresowanie ekologicznymi źródłami energii z pewnością doprowadzi do wzrostu ich roli. Przydadzą się także w transporcie kosmicznym – łaziki planetarne, systemy obsługi stacji orbitalnych. Przykładem silników egzotycznych jest tzw. silnik absorpcyjny światła. Znajdujący się w nim cylinder roboczy posiada przezroczyste okienko, przez które przechodzą promienie słoneczne lub wiązka lasera, podgrzewając gaz znajdujący się w cylindrze. Dzięki temu nagrzaniu wykonywany jest skok roboczy. Eksperymentalna próbka silnika laserowego wytwarza do 600 obr./min przy mocy maszyny 30 watów. Sprawność tego silnika nie przekraczała jednak 2%. Znane są silniki zasilane promieniowaniem słonecznym. Za pomocą fotokomórek przetwarzany jest on na prąd elektryczny.
Dość niezwykłe są modele silników, które działają dzięki „pamięci” odkrytej w stopie nitinolu. Spawany z niklu i tytanu, ma niezwykłą właściwość zapamiętywania kształtu, jaki nadaje mu po podgrzaniu. Można np. pasek tego stopu skręcić w spiralę – na przemian podgrzewany i schładzany, albo znowu stanie się paskiem, potem zakręci się z powrotem i tak niezliczoną ilość razy. Amerykańskim inżynierom udało się wykorzystać tę właściwość do zbudowania silnika. Jego podstawą jest koło z zakrzywionymi szprychami, które na gorąco są proste. Gdy taką szprychę zanurzymy w kąpieli z ciepłą wodą, prostuje ona i popycha koło. Natychmiast igła dziewiarska wpada do zimnej wody i wygina się, a nowa wygięta igła zajmuje swoje miejsce w ciepłej kąpieli. Do pracy silnika wystarcza różnica temperatur wynosząca zaledwie 23°. Twórcy uważają, że ten dziwny silnik pomoże np. wykorzystać ciepło odprowadzane przez wodę chłodzącą elektrownie jądrowe. Możliwe są również silniki, w których ciepło słoneczne (lub inne) wykorzystuje się do zmiany właściwości magnetycznych metali. Dzięki temu można uzyskać również pracę mechaniczną. Ilustracją tego jest silnik zaproponowany przez wynalazcę i dziennikarza A. G. Presnyakova. Jest niezwykle prosty, składa się z obręczy ze szprychami - i nic więcej. Obręcz wykonana jest ze stopu ferromagnetycznego, który traci swoje właściwości magnetyczne w temperaturze +65°C. (Dzisiaj znane są już stopy, w których utrata ta występuje w niższych temperaturach.) Zainstaluj silny magnes trwały wystarczająco blisko felgi i nawet nie podgrzewaj, ale oświetlaj tylko dowolną część felgi, aż straci ona swoje właściwości magnetyczne, ponieważ magnes będzie przyciągają sąsiednie odcinki obręczy, powodując jej obrót. Nie należy sądzić, że taki silnik jest bardzo słaby. Słoneczny podnośnik wodny zbudowany przez Presnyakova pompował na pustyni do 800 litrów wody na godzinę. Presnyakov stworzył także wózek, który toczy się w świetle mocnej lampy elektrycznej. W zasadzie każdy młody projektant może zbudować taki model.
Niektórzy wynalazcy próbują wykorzystać zjawisko osmozy do uzyskania pracy mechanicznej. Wiadomo, że polega ona na dyfuzji substancji przez półprzepuszczalną przegrodę, w wyniku czego powstaje nadmierne ciśnienie osmotyczne.W Wielkiej Brytanii wydano patent nr 1343391 na silnik osmotyczny, który jest dość skomplikowany, ale według wynalazców nadaje się do stosowania w samochodach. Radziecki inżynier P. Rogovik z Makeevki proponuje bardzo prosty, wolnoobrotowy silnik osmotyczny małej mocy, oparty na pęcznieniu materiałów po zwilżeniu. Pęcznieje więc na przykład żelatyna. Wynalazca wcisnął pierścień z tego materiału pomiędzy dwie rolki zanurzone w wodzie do poziomu osi. Części pierścienia znajdujące się poniżej poziomu rozszerzają się w wyniku pęcznienia i wywierają nacisk na rolki, powodując ich obrót. Wraz z rolkami pierścień również obraca się powoli. Jego spęczniałe części stopniowo unoszą się, a suche części opadają, wchłaniają wodę, pęcznieją i wywierają nacisk na rolki, nadal je obracając. Części pierścienia wychodzące z wody wysychają i cykl jest kontynuowany. Młodzi projektanci mogą wykonać także kolejny model egzotycznego silnika. Działa dzięki energii świetlnej lampy elektrycznej lub słońca skupionej przez soczewkę. Do jego budowy potrzebnych jest kilka płytek bimetalicznych, które są stosowane w różnych przekaźnikach termicznych. Wiadomo, że płyta bimetaliczna, złożona z dwóch pasków metalu o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej, pod wpływem ogrzewania wygina się dość mocno. Cylinder roboczy, wykonany na przykład z tworzywa sztucznego, jest „osłonięty” na obwodzie bimetalicznymi płytkami przymocowanymi do cylindra na jednym końcu. Po drugiej stronie znajdują się ciężarki. Cylinder osadzony jest na szprysze osadzonej w dwóch tulejach na krawędziach naczynia. W stanie normalnym płytki są zakrzywione na obwodzie cylindra. Po podgrzaniu płyta prostuje się i odsuwa od ściany, równowaga sił ciężarów zostaje zakłócona, a cylinder obraca się. Miejsce tego zapisu zajmuje nowy, Wyprostowany E jest schładzany i ponownie dociskany do ścianki cylindra. Aby przyspieszyć chłodzenie, można do naczynia wlać zimną wodę. 2. Bank koni mechanicznych Rozmawialiśmy o tym, że silniki cieplne są stale udoskonalane: zmniejsza się zużycie paliwa i toksyczność spalin. Powstaje jednak uczciwe pytanie: czy w ogóle można obejść się bez tych negatywnych cech? Na to pytanie można odpowiedzieć pozytywnie: można pozyskać energię do pojazdów niewymagających spalania paliwa, a następnie „powierzyć” tę energię konsumentowi, gromadząc ją w akumulatorach. Obecnie większość energii na świecie wytwarzana jest w elektrowniach cieplnych – TPP. Jeśli wyobrazimy je sobie w postaci specjalnych silników o kolosalnych rozmiarach, przekonamy się, że są tak ekonomiczne, jak to tylko możliwe, a atmosfera mniej na nich cierpi; na stacjonarnych urządzeniach o większej mocy znacznie łatwiej jest regulować prawidłowe spalanie paliwa niż w tysiącach małych silników, których warunki pracy również zmieniają się co minutę. Ale... TPP nie przechodzą testu przyjazności dla środowiska, czyli braku szkodliwego wpływu na naturalne procesy zachodzące w obszarze zastosowania tej czy innej technologii. Ludzkość korzysta jednak również z przyjaznych dla środowiska źródeł energii, a źródła te są praktycznie niewyczerpalne. Jest to energia słońca, rzek, pływów, wiatru, wewnętrznego ciepła ziemi, ciepła oceanu i prądów. Stacje jądrowe (w przyszłości także termojądrowe) są stosunkowo nieszkodliwe. Energia pozyskiwana z tych źródeł może być dostarczana do odbiorcy na różne sposoby. Jeśli ten ostatni jest stacjonarny lub przywiązany do określonej trasy (pociąg, tramwaj, trolejbus), pozwól, aby przewody elektryczne działały. Jeśli odbiorca jest mobilny, wówczas energię trzeba będzie wcześniej zgromadzić, aby w taki sposób wykorzystać czarną „energię puszkową” podczas przemieszczania się. Nawiasem mówiąc, taka energia była wykorzystywana od czasów starożytnych. Pierwsze baterie były oczywiście najprostszymi urządzeniami mechanicznymi, w których człowiek magazynuje energię potencjalną. Podnoszone ładunki, rozciągnięta wiązka, katapulta – tego typu akumulatory używano od niepamiętnych czasów. Dzisiaj są podobne baterie. Znajdują one bardzo szerokie zastosowanie w postaci sprężyn zegarowych: w zegarkach, sprzęcie AGD, zabawkach dziecięcych. Wcześniej wykorzystywano je także w pojazdach: budowano np. ogromne mechaniczne rydwany, którymi cesarze odbywali uroczyste podróże. Sprężyny były stale nakręcane przez niewolników ukrytych w wozie. Baterie sprężynowe mają jednak niską gęstość energii, czyli ilość energii zawartej w jednostce masy. Jest ona znacznie większa w przypadku akumulatorów gumowo-elastycznych. Każdy modelarz wie, że silniki wykonane z elastycznych linek unoszą w powietrze modele samolotów i helikopterów. Są tu oczywiście wady: niski CPC, kruchość.
Do pojazdów transportowych bardziej odpowiedni będzie inny akumulator, który będzie w stanie zgromadzić tyle energii, że będzie w stanie przejechać dziesiątki, a nawet setki kilometrów. To jest sprężony gaz. Akumulacja energii ma miejsce, gdy gaz jest pompowany do butli pod ciśnieniem; uwolnienie - kiedy gaz ulatnia się z butli. Pracuje tu silnik pneumatyczny, podobny do tych stosowanych np. w ręcznych narzędziach pneumatycznych – kluczach udarowych, wiertarkach. Już w 1876 roku we francuskim mieście Nantes zbudowano tramwaj na sprężone powietrze. Pokonał sześciokilometrową trasę od jednej stacji benzynowej. Skompresowany do 30 atm. dziesięć cylindrów o łącznej pojemności 2800 litrów napełniono powietrzem. Zużycie wynosiło 8 kg powietrza na kilometr. Całkowity zapas wystarczył na 10-12 km. Idea ta nie została dziś zapomniana. Pneumoakumulatory pojawiły się w samochodach eksploatowanych w warunkach miejskich: firma Sorgato we Włoszech eksperymentuje z samochodem wyposażonym w dziewięć stalowych cylindrów ze sprężonym powietrzem. Wystarczy przejechać około 100 km z prędkością 50 km/h. Waga „pneumomobilu” wynosi około pół tony. Akumulator pneumatyczny „ładowuje się” także innymi gazami, najczęściej ciekłym azotem, którego 50 litrów wystarcza na przejechanie 230 km pojazdu. Ale akumulator gazowy ma również wady i to znaczące. Zatem po wtryśnięciu gaz nagrzewa się, a po uwolnieniu ochładza się. A to jest bezproduktywna strata energii cieplnej. Bardziej obiecujący jest inny akumulator energii - koło zamachowe. Podczas obrotu gromadzi energię mechaniczną w postaci energii kinetycznej i jest obecna w kole zamachowym tak długo, jak się obraca. Jedno z najstarszych kół zamachowych, mające ponad 55 tysięcy lat, odkrył archeolog Leonard Woolley podczas wykopalisk w Iraku: masywne koło, które służyło starożytnemu mistrzowi jako koło garncarskie. Z biegiem czasu koło zamachowe uległo znaczącym zmianom i zamieniło się w stalową tarczę, której kształt podyktowany jest wymogiem „równej wytrzymałości”: w końcu wzrosły również prędkości wirowania. Dziś umieszcza się go w komorze próżniowej, aby zredukować bardzo duże straty spowodowane tarciem z powietrzem. W tym samym celu zamiast łożysk stosuje się podpory magnetyczne, praktycznie eliminując straty tarcia względem nich. Sceptycy długo utrzymywali swoje stanowisko, wskazując na główną wadę koła zamachowego jako akumulatora - niską gęstość energii. Z czym to się wiązało! Wydawałoby się, że wszystko jest proste: zwiększając prędkość obrotową, powiedzmy, o połowę, jak wiadomo z fizyki, czterokrotnie zwiększamy energię kinetyczną koła zamachowego. Ale jednocześnie obciążenia mechaniczne korpusu koła zamachowego również zwiększają się czterokrotnie, co prowadzi do jego pęknięcia i powstania fragmentów, które stanowią ogromne zagrożenie dla innych. A potem poszukiwania naukowców i projektantów doprowadziły do powstania tzw. super-koła zamachowego wykonanego z cienkich włókien lub taśm metodą nawijania. Faktem jest, że nowoczesne materiały włókiennicze i taśmopodobne mają ogromną wytrzymałość - kilkakrotnie większą niż monolit wykonany z tego samego materiału. Zerwanie koła zamachowego jest również bezpieczniejsze: cienkie włókna lub taśmy nie tworzą fragmentów mogących spowodować poważne zniszczenia. Autor tych wersów musiał przetestować super-koło zamachowe taśmowe pod kątem pęknięcia: nie było ono w stanie przebić się nawet przez obudowę o grubości dwóch milimetrów, podczas gdy monolityczne koła zamachowe nie dbały o ścianki metrowe. Najważniejsze jest to, że gęstość energii super koła zamachowego jest znacznie wyższa niż w przypadku monolitycznych. Teoretycznie jest ona nawet znacznie wyższa od akumulatorów elektrycznych, ale praktycznie im nie ustępuje. Baterie charakteryzują się jednak nie tylko gęstością energii, ale także gęstością mocy, czyli mocą, jaką wytwarza każdy kilogram masy. I według tego wskaźnika koło zamachowe nie ma sobie równych. Zatem koło zamachowe jest obiecującym akumulatorem (i silnikiem) do transportu przyszłości. Zapewnia szybkie przyspieszanie samochodu i równie skuteczne hamowanie, ma większą trwałość - jednym słowem wszystkie te cechy, które są niezbędne w samochodzie na akumulator, a których mu teraz bardzo brakuje. Super koło zamachowe jest szczególnie obiecujące w przypadku autobusów, pociągów metra, taksówek i innych środków transportu miejskiego, działających według cyklicznego, napiętego rozkładu jazdy, z częstym przyspieszaniem i hamowaniem. Nowoczesne superkoła zamachowe w próżniowej komorze obrotowej zachowują energię nawet przez tygodnie, a specjalne próbki akumulatorów do kół zamachowych potrafią ją utrzymać latami. Pod względem trwałości magazynowania energii mają tylko jednego godnego rywala – akumulatory elektryczne, a dokładniej elektromechaniczne. Powstały stosunkowo niedawno, choć za datę ich pojawienia się można uznać rok 1799, kiedy to Aleksander Volta, umieszczając elektrody miedziane i cynkowe w rozcieńczonym kwasie siarkowym, otrzymał pierwsze ogniwo galwaniczne. Przecież prawie każde ogniwo galwaniczne może w zasadzie stać się baterią, jeśli przepłynie przez nie prąd w przeciwnym kierunku, ładując je. Nawet zwykłe suche akumulatory, stosowane w latarkach i radiach tranzystorowych, można ładować 8-10 razy jak akumulator. Inną rzeczą jest to, że takie „ładowanie” nie jest szczególnie opłacalne ekonomicznie: wydajność jest bardzo niska. Ale trzeba przyznać, że i tak jest znacznie wyższy niż w przypadku wyrzuconej baterii. Prawdziwe akumulatory, choć droższe od konwencjonalnych akumulatorów galwanicznych, wytrzymują nie 8-10 cykli ładowania, ale ponad sto razy więcej. Dlatego magazynowanie energii w bateriach elektrycznych nie jest bardzo drogie. Wśród akumulatorów elektrycznych najpopularniejsze są akumulatory kwasowo-ołowiowe; montowane są w każdym samochodzie jako akumulator rozruchowy. Są to skromni, pracowici pracownicy, nie świecą wskaźnikami energii i mocy, ale są dość ekonomiczni - mają wysoką wydajność. To prawda, że \u0,4b\u0,5bnie tolerują mrozu, wysokich prądów ani silnego wyładowania. Natomiast bateria alkaliczna jest bezpretensjonalna, ale ma niską wydajność: do 0,75-0,8 w porównaniu do XNUMX-XNUMX w przypadku akumulatora kwasowo-ołowiowego. Od tych dwóch akumulatorów nie można oczekiwać specjalnych perspektyw. Ich energia i gęstość mocy jest niska, a samochód z takim obciążeniem będzie głównie jechał sam - są takie ciężkie. Szczególne nadzieje naukowcy pokładają obecnie w superakumulatorach - siarki sodu, chlorku litu itp. Utrzymują one wysoką temperaturę (300 - 600 °), a elektrolit topi się. Oczywiście zniszczenie takiego akumulatora w wypadku samochodowym nie wróży nic dobrego, a ich wydajność jest niska, zwłaszcza biorąc pod uwagę konieczność podgrzewania zawartości. Gęstość energii jest jednak bardzo wysoka – dziesięciokrotnie większa niż w przypadku kwasu ołowiowego, a gęstość mocy jest dwukrotnie większa – do 150 W na kilogram masy. Należy zaznaczyć, że takie „superakumulatory” nie opuściły jeszcze ścian laboratoriów i trzeba nad nimi pracować i pracować. Na koniec nie można nie wspomnieć o tzw. ogniwach paliwowych, które umożliwiają bezpośrednią konwersję energii paliwa na prąd elektryczny. Najciekawsze z nich to pierwiastki tlenowo-wodorowe, które wykorzystują proces rozkładu wody bezpośrednio w samym elemencie; posiada także zbiorniki do magazynowania wytwarzanych gazów. Wodór i tlen są ponownie łączone w wodę, na przykład za pomocą katalizatorów, wysokiej temperatury itp. W tym przypadku uwalniana jest energia elektryczna, która została zużyta podczas rozkładu wody, a energia akumulatora jest uwalniana w wodorze i tlenie . Ogniwa paliwowe są bardzo obiecujące dla pojazdów elektrycznych, ale nadal są bardzo ciężkie i drogie.
Akumulatory energii cieplnej wyróżniają się. Same w sobie nie są w stanie wprawić samochodu w ruch, ale w połączeniu z silnikiem cieplnym np. Stirlingiem mogą zapewnić dobre rezultaty. Wspomnieliśmy już o hulajnodze, która działa przez około pięć godzin z wiadra ze stopionym fluorkiem litu – akumulatora ciepła. Termos z gorącą wodą, ciepły kamień w słońcu, gorące żelazko, jednym słowem każde nagrzane ciało jest akumulatorem energii. Istnieją jednak związki, które potrafią kumulować go kilkadziesiąt razy więcej niż tylko ciało ogrzane do tej samej temperatury. Z fizyki wiadomo, że gdy substancja krystaliczna się topi, jej temperatura nie wzrośnie ani o jeden stopień, dopóki nie zostanie wydalona pewna, zwykle dość duża ilość ciepła – tzw. utajone ciepło topnienia. Podczas krzepnięcia ciepło to jest uwalniane, także bez zmiany temperatury substancji. To właśnie na tym zjawisku budowane są tzw. akumulatory termotopliwe. Jeśli wymagana temperatura jest niska, poniżej 100°C, jako substancję akumulatorową stosuje się różne hydraty krystaliczne. Do temperatur 600-800° najlepiej nadają się fluorki litu i hybrydy; powyżej - krzemki i borki niektórych metali: Akumulatory termiczne przechowują ogromne ilości energii - więcej niż którykolwiek z najbardziej obiecujących typów akumulatorów. Jedynym problemem jest to, że próbując wykorzystać tę energię w postaci mechanicznej, elektrycznej i innych jej „wysokiej jakości” rodzajów, główna ilość energii jest tracona, pozostawiając ją na ogrzewanie środowiska. Ponadto masa urządzenia przekształcającego ciepło w „wysokiej jakości” rodzaj energii (na przykład silnik Stirlinga, termoelementy itp.) Znacznie zmniejsza taki wskaźnik, jak gęstość energii całego urządzenia, przynosząc go bliżej do najpowszechniejszych typów urządzeń magazynujących energię, jednak dziś akumulator termiczny może się przydać np. do ogrzewania pojazdu transportowego, zasilany z innego akumulatora energii: elektrycznego, makowego. Mówiąc o bateriach, zawsze mamy na myśli ich główny wskaźnik – gęstość energii. Dla ich różnych typów, wyrażonych w kilodżulach na kilogram masy, wygląda to następująco: dla potencjalnych akumulatorów energii: sprężyny stalowe - 0,32; guma - 32; gaz i hydrogaz - 28. Akumulator ciepła z silnikiem Stirlinga - 9. Baterie elektrochemiczne: kwasowo-ołowiowe – 64; nikiel-kadm (alkaliczny) - 110; siarkowy sód - 800; ogniwo paliwowe w różnych momentach odsprzęgania - 15-150. Baterie koła zamachowego: tarcza stalowa z otworem - 30; stały dysk o tej samej sile - 120; super koło zamachowe wykonane z taśmy - 150; super koło zamachowe wykonane ze specjalnego włókna - 650 (model). Nie powinniśmy jednak zapominać, że akumulatory z kołem zamachowym mają bardzo duże rezerwy magazynowania energii. Na przykład, jeśli wykonasz super koło zamachowe z włókna kwarcowego, które dotychczas istnieje tylko w laboratoriach, będziesz w stanie zwiększyć gęstość energii do 5000 kilodżuli na kilogram. A jeśli zastosujemy „super rzadkie” włókno węglowe o strukturze diamentu, otrzymamy zupełnie fantastyczny wynik – 15 000 kJ/kg! Do takich wniosków doszli niedawno japońscy naukowcy. Podsumowując, chcę zaproponować zbudowanie ciekawego i prostego w konstrukcji modelu silnika „wieczystego”, zasilanego energią zgromadzoną w akumulatorze ciepła. W tym celu wykonamy cylindryczną zakrętkę sklejając ją z papieru woskowanego lub innego cienkiego i mocnego papieru z blatem wykonanym z papieru whatman lub sztywnej folii aluminiowej. Pokrywa ta będzie miała postać wirnika utworzonego przez wycięcia o zagiętych krawędziach; optymalny kąt zgięcia można określić empirycznie. W środku wirnika do kleju przymocowane jest gniazdo z lekkiego metalu: zarodnik ze stożkowym wycięciem, w który wkładana jest końcówka igły. Tępy koniec igły wchodzi do korka osadzonego na ciężkim ognioodpornym stojaku ze statywem z grubego drutu. Nasadka nie wypacza się na igle i łatwo obraca się pod wpływem lekkiego pchnięcia lub oddechu od dołu. Aby wprawić w ruch taki „wieczny telefon komórkowy”, należy położyć na stojaku metalowy półfabrykat podgrzany do 300-400 ° i przykryć go nakrętką. Zaślepka akumulatora ciepła spowoduje przepływ powietrza wewnątrz okapu od dołu do góry. Powietrze przechodzące przez turbinę będzie ją obracać tym szybciej, im bardziej nagrzeje się akumulator ciepła. Jeszcze lepsze wyniki można osiągnąć, jeśli półfabrykat zastąpi się słoikiem ze stopionym ołowiem lub cynkiem. Otrzymamy wtedy prawdziwie topiącą się baterię. Najlepiej oczywiście zastosować fluorek litu lub wodorek litu. Tutaj należy bardzo uważać, aby się nie poparzyć ani nie rozpalić pożaru, a eksperyment należy przeprowadzić w specjalnie wyposażonym laboratorium fizycznym lub warsztacie. Ktoś mógłby powiedzieć, że tą osłoną łatwiej jest zakryć lampę elektryczną. Następnie klosz-klosz (który można pomalować) będzie się obracał tak długo, jak lampa będzie włączona. Ale jednocześnie sprawimy, że konwencjonalny silnik cieplny będzie działał bez magazynowania energii. Mówiliśmy tylko o niektórych typach silników cieplnych opracowywanych dla samochodów przyszłości. Oczywiście nie są to nawet wszystkie główne typy silników jutra. Swoich sił w ich opracowywaniu mogą oczywiście spróbować młodzi projektanci i modelarze. Musimy jednak pamiętać, że tworzenie nowych silników jest zadaniem złożonym i pracochłonnym, wymagającym poważnej i specjalnej wiedzy; Samym „wynalazkiem” nie można wiele osiągnąć. Pierwszym testem wydajności Twojego pomysłu może być działający model, który sam zbudowałeś. Autor: N. Gulia
▪ Składany nadmuchiwany katamaran żaglowy ▪ Narzędzie do wyrównywania kół
Sztuczna skóra do emulacji dotyku
15.04.2024 Żwirek dla kota Petgugu Global
15.04.2024 Atrakcyjność troskliwych mężczyzn
14.04.2024
▪ Gogle do samodzielnego prowadzenia ▪ Słodzone napoje powodują otyłość i ścieranie zębów ▪ Lodowce topnieją na Evereście
▪ sekcja serwisu Wskaźniki, czujniki, detektory. Wybór artykułów ▪ artykuł Ten numer nie będzie działać. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Jak rosną wodorosty? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Profesjonalny konsultant. Opis pracy ▪ artykuł Papieros na krawędzi szklanki. Sekret ostrości
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony