Какие есть простые механизмы в строительстве

В физике простыми механизмами называют приспособлении типа рычагов или винтов. Они предназначены для того, чтобы уменьшить необходимое для производства работы усилие человека и использовать это усилие наиболее эффективно. Часто несколько простых механизмов соединяют вместе. В результате получаются более сложные механизмы — сверла, часы.

Колесо — одно из важнейших изобретений человечества. На нем основано действие многих механизмов.

Работа и мощность

Работа — физический термин, применяемый при рассмотрении движении тела под воздействием силы. Работа производится только тогда, когда есть передвижение тела и направлении действия силы. Тягловая сила быков и усилие человека заставляют плуг двигаться, значит, производиться работа. Работа — это передача энергии от одного тела к другому.

Как и энергия, работа измеряется в джоулях (Дж). 1 Дж равен работе (и затраченной энергии), произведенной при передвижении тела на 1 метр силой в 1 Н. Челочек, толкает ящик на З метра, прикладывая силу в 100 Н. Значит, проделана работа и в 300 Дж.

Простые механизмы. Рычаг. Равновесие сил на рычаге | Физика 7 класс #43 | Инфоурок

Мощность — это скорость, с которой производится работа (или передается энергия). Единица мощности — ватт (Вт); названа и честь Джеймса Уатта (см. статью «Двигатели»). Что­бы вычислить мощность, нужно работу разделить на затраченное на нее время. Если мы хотим передвинуть этот ящик не за 2 минуты, а за одну, то нам потребуется вдвое большая мощность.

Усилие и нагрузка

Чтобы сдвинуть тело с места, необходи­мо преодолеть известную силу, называемую нагрузкой; часто это просто вес тела. Простые механизмы помогают человеку более эффективно использовать прилагаемое усилие. Нагрузка равна силе, развиваемой отверткой; она больше, чем затраченное человеком усилие. Усилие — это сила, поворачивающая рукоятку.

Разделив нагрузку на усилие, мы получим отношение, называемое выигрышем в силе. Сжимая ручки щипцов, мы прикладываем к ним силу в 1 Н. При этом нам необходимо преодолеть нагружу в 4 Н, чтобы расколоть орех. Значит, выигрыш в силе равен 4:1. Если выигрыш в силе равен 4:1, это значит, что сила, прикладываемая механизмом к объекту, вчетверо превышает усилие человека. Такие механизмы называются усилителями.

Рычаги

Рычаг — это стержень, поворачивающийся вокруг неподвижной точки опоры. Рычаг облегчает манипуляции с тяжелыми грузами. Типы рычагов различаются положением точки опоры по отношению к месту приложения усилия и нагрузки. В рычагах первого типа точка опоры находится между точками приложении усилии и нагрузки.

В рычагах второго типа па группа находится между точкой приложения усилии и точкой опоры. В рычагах третьего типа (см. рис.) усилие прикладывается между нагрузкой и точкой опоры. Чем дальше точка опоры от места усилия, тем легче работать с рычагом (подробнее об этом читайте в статье «Силы», раздел «Вращающие силы»). Естественно, чаще используются более длинные рычаги.

Блок и ворот

Колесо

Когда колесо поворачивается, то на его ось действует большая сила, чем на обод. Этот эффект используется для получения выигрыша в силе, например в рулевом колесе. Чем больше руль, тем легче поворачивается его ось. Когда колесо фонографа поворачивается, на ось воздействует сила, достаточная для действия механизма.

При повороте оси колесо переводит вращательное движение в прямолинейное движение, благодаря чему с его помощью возможно перемещение грузов. Точки обода колеса проходят большее расстояние, чем ось, т.к. диаметр колеса больше диаметра оси. Колесики роликовых коньков поворачиваются вокруг своих осей, и благодаря этому ботинок движется прямолинейно.

Зубчатая передача

Зубчатая передача используется в различных сложных машинах, от автомобиля до часов, для изменения вращающей силы и скорости вращения. В такой передаче изменяется направление и величина вращающего усилия. Для зубчатой передачи необходимы два и более зубчатых колеса; зубцы одного точно входят в пазы другого. Тогда вращение одного ко­леса вызывает вращение другого.

Большая шестерня заставляет маленькую вращаться быстрее, и наоборот. Действие механических часов основано на сложной системе взаимосвязанных зубчатых колес.

Винты

Винт — это стержень с резьбой, т. е. его можно рассматривать как наклонную плоскость, «надетую» на цилиндр. Стержень — это цилиндр, а резь­ба — наклонная плоскость. Чтобы погрузить штопор в пробку, его приходится повернуть, много раз, но это всё же легче, чем вонзить его без вращения. Вращающая сила благодаря резьбе превращается в силу, действующую вдоль оси винта.

Эта сила заставляет винт погружаться в препятствие. Спиральная лестница – это тот же винт. Идти по ней долго, тем не менее карабкаться вертикально вверх ещё труднее.

Блок

Блок облегчает подъем тяжелых грузов. На нем основано действие лифтов и кранов. Груз укрепляют на конце каната, переброшенного через колесо (или систему колес) с желобком на ободе. Если потянуть другой конец каната, груз начнет подниматься. Чтобы поднять тело при помощи блока, вы должны тянуть вниз: при этом вес нашего тела помогает процессу.

Чем больше колес входит в блок, тем легче поднимать груз, так как его вес распределяется по большему участку каната. такой кран может поднять вчетверо больший груз, чем одноколесный блок, так как вес распределён по четырём участкам каната.

Вот как работает рычаг первого типа. Положите на карандаш плоскую деревянную или металлическую полоску, например прочную линейку. На один коней линейки положите книгу. Нажмите на линейку с другой стороны, и книга поднимется. Попробуйте переместить карандаш под линейкой, и вы увидите, что чем длиннее рычаг, тем легче под­нимать груз.

Использование простых механизмов

Простые механизмы используются самыми разнообразными способами в составе более сложных ма­шин. В нашем теле, как и в телах животных, есть заложенные природой простые механизмы. Архимедов винт – древнейший механизм для перекачки воды из рек. Вода идёт вверх по наклонностям при вращении винта. Пропеллер – простейшая форма винта.

Он заставляет корабль двигаться в воде (см. статью «Плавучесть«), а самолёт – в воздухе (см. статью «Полёт«). Веер – это рычаг третьего типа. Когда вы обмахиваетесь веером, ваше запястье работает как точка опоры.

Наклонная плоскость

Примерами наклонных плоскостей могут служить скат или склон холма. По наклонной плоскости поднимать грузы лег­че, чем вертикально, так как груз проходит большее расстояние, следовательно, для производства той же самой работы требуется меньшая сила. Наклонная плоскость в 8 раз длиннее вертикальной линии, значит, на подъем груза необходима сила в 8 раз меньше. Строители египетских пирамид (подробнее об этом в статье «Строительство пирамид»), возможно, использовали спиралевидные наклонные плоскости для подъёма колоссальных каменных блоков на вершину пирамид. Высота самых больших пирамид около 146 метров.

Источник: www.polnaja-jenciklopedija.ru

Обобщающий урок по теме «Простые механизмы. Назначение и виды»

2. Назовите какие вы знаете силы и дайте их определения? (Сила всемирного тяготения – сила, с которой притягиваются все тела во Вселенной.
Сила тяжести – сила, с которой Земля притягивает к себе тело.
Сила упругости – сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение.
Вес тела – это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес.
Сила трения – сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, приложенная к движущемуся телу и направленная против движения. Бывают сила трения покоя, скольжения и качения.
Сила Архимеда – сила, выталкивающая тело из газа или жидкости и равна весу газа или жидкости в объеме этого тела.)

3. Как называется прибор для измерения силы. (Динамометр)

4. Что называется простыми механизмами? (Приборы, служащие для преобразования силы.)

5. Какие вы знаете простые механизмы. (Блок, ворот, рычаг, клин, наклонная плоскость винт.)

II. Работа в группах: проверка домашнего задания, которое давалось заранее.

1 группа «Ворот и клин и их применение».

По рисунку, на котором нарисована демонстрационная модель ворота и клина – дать определение этому устройству, и для чего оно может применяться.

Задание группе: напишите краткий рассказ на тему» Ворот и его применение. Клин и его применение» В рассказе должны быть отражены следующие вопросы:

1) Что такое ворот.
2) Что такое клин. (Клин – как самостоятельный механизм для раскалывания дерева, для заклинивания всевозможных рукояток, для подъема тяжестей, для спрессования в клиновых прессах. Клин – как часть колющих, режущих, рубящих, раскалывающих и роющих инструментов и орудий (игла, шило, гвоздь, стамеска, долото, ножницы, кусачки, топор, лопата, серп), а также рабочие органы машины для обработки почвы, для освоения новых земель и мелиорации (плуги, бороны, культиваторы, бульдозеры и т.д.)
3) Иллюстрированный рассказ или плакат принести в класс.

2 группа «Винт и его применение»

Принести в класс различные винты. Его можно сделать схематично: вырезать из бумаги узкий прямоугольный треугольник и прочертить вдоль его гипотенузы ярку цветную линию. Взять карандаш, навернуть на него этот треугольник (цветной линией наружу) и получите модель винта. Где применяется и для чего?

1. Дайте определение рычага.
2. Что называется плечом силы.
3. Сделайте простой рычаг – возьмите плоскую линейку и положите ее на опору (брусочек), так чтобы она была в равновесии. Вы получили равноплечий рычаг. Положите на один конец рычага монету в 1 рубль, а на другой конец – в 5 рублей. Равновесие рычага нарушится. Оставляя рычаг равноплечим, передвигайте монету в 5 рублей по рычагу так, чтобы добиться равновесие рычага.

Измерьте расстояние от центра монеты в 5 рублей до линии опоры и от центра монеты в 1 рубль до той же линии опоры. Сделайте вывод.
4. Сравните это равновесие с равновесием двух человек разного веса, качающихся на доске (качелях), положенной на перекладину. Вы видите, что равновесие наступает только тогда, когда тяжелый человек будет находиться ближе к точке опоры и наоборот, более легкий – дальше.
5. Сформулируйте правило равновесия рычага.
6. Сделайте плакат с рисунками и принесите в класс, подготовьте рассказ о применении рычага
7. Продемонстрировать на опыте то условие, что чем длиннее рычаг, тем легче с ним работать. Если открывать крышку от банки с кофе монетой, то это очень трудно, а если с помощью чайной ложки – это легко.

4 группа «Блоки и их применение».

• устройство блока
• разница между неподвижным и подвижным блоками;
• рисунки неподвижного и подвижного блоков
• применение блоков в технике и быту.

• Разберите ручную мясорубку и осмотрите устройство каждой ее части.
• Какие простые механизмы входят в состав ручной мясорубки?
• Какую роль играет в мясорубке винт, называемый шнеком?
• Как устроен крестообразный нож, состоящий из 4-х ножей клиньев, плотно прилегающих к решетке?
• Попробуйте, не пользуясь рукояткой, которая играет роль рычага, повернуть шнек аккуратно двумя пальцами.
• Постройте рассказ о назначении мясорубки и устройстве мясорубки.

III. Рассказ учителя о строительстве пирамиды Хеопса. Рассказ сопровождается иллюстрацией .

Каждое из семи чудес света, к которым принадлежит и египетская пирамида Хеопса, была выдающимся техническим достижением своего времени, но оно вызывало восторг и восхищение еще и благодаря художественному совершенству, замечательным образом соединяя в себе искусство и технику. До наших дней сохранилось единственное из этих чудес – пирамида Хеопса в Гизе, – она вместе с тем и древнейшее из них.
Свое название пирамида получила по имени ее создателя – фараона Хеопса. Она – самая большая из египетских пирамид. Ее высота составляет 146,6 м (что примерно соответствует высоте 5-этажного небоскреба), площадь основания 230 х 230 м (на таком пространстве свободно могли бы поместиться все 5 крупнейших соборов мира: собор святого Петра в Риме, собор святого Павла и Вестминстерское аббатство в Лондоне, а также Флорентийский и Миланский соборы), масса 6400 000 тонн.
Свыше 4000 человек – художников, архитекторов, каменотесов и прочих ремесленников – выполняли подготовительные работы около 10 лет. Как сообщает древнегреческий историк Геродот, строительство продолжалось еще лет 20, причем над сооружением гробницы Хеопса трудилось около 8000 человек. Переплыв на лодках на другой берег Нила, мужчины направлялись в каменоломню. Там они вырубали каменную глыбу, обтесывали ее с помощью кувалд, клиньев, пил и буравов и получали камень нужных размеров – со сторонами от 80 см до 1,45 м. Всего на то, чтобы сложить пирамиду, пошло два миллиона камней.
Затем, используя рычаги и канаты, каждая группа устанавливала свой камень на деревянные полозья и по бревенчатому настилу перетаскивала к берегу Нила. Парусная лодка переправляла рабочих и камень (масса каждого до 7,5 тонн) на другой берег. По выложенным бревнами дорогам камень доставляли волоком на строительную площадку.
Тут наступала самая тяжелая работа, поскольку кранов и других подъемных устройств тогда еще не было. По наклонному «въезду» шириной 20 м, построенному из» кирпичей» нильского ила, полозья с каменным блоком при помощи канатов и рычагов затягивали на верхнюю площадку. Там рабочие укладывали блок на указанное архитектором место с точностью до миллиметра.
И, наконец, приходила очередь самой опасной работы: укладки «пирамидона» – верхнего блока высотой 9 м, волоком затянутого по наклонному «въезду». Сколько людей погибло, выполняя эту операцию, мы не знаем. Но через 20 лет возведение корпуса пирамиды, которая состоит из 128 слоев камня, завершилось.

Вопросы к учащимся после прослушивания рассказа:

1. Какие простые механизмы использовались при строительстве пирамиды? (Клин, блок, наклонная плоскость, рычаг)
2. Какие устройства вы бы применили, если бы необходимо было построить пирамиду сегодня? (Грузоподъемный башенный кран)
Грузоподъемный башенный кран – основная машина на строительной площадке – служит для подъема и для перемещения тяжелых грузов. Он представляет собой сочетание простых механизмов.
3. Какие простые механизмы имеются в башенном кране?

IV. Решение задач:

Задача 1 (карточка)
1. На рычаге уравновешены две железные гирьки массами
10 и 200 г. Плечо гирьки массой 100 г равна 10 см. Найти плечо гирьки массой 200 г.

Задача 2 – упр. 31 стр. 149 № 2 .

Дополнительно: зад. 32 стр. 63.

1. Как называются приспособления, служащие для преобразования силы? (Механизмы)
2. Какие простые механизмы используются в повседневной жизни?
3. Какие простые механизмы применяли в Египте для строительства пирамид? (Рычаг)
4. Как называется твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси? (Рычаг)
5. Как называется кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила? (Плечо силы)
6. Запишите в виде формулы условие равновесия рычага.
7. Кем было установлено это правило? (Архимедом)
8. Для какие целей применяется неподвижный блок? (Позволяет менять направление действия силы)
9. Дает ли выигрыш в работе неподвижный блок? (Нет)
10. Для каких целей применяется подвижный блок? (Для получения выигрыша в силе в 2 раза)
11. Дает ли выигрыш в работе подвижный блок (Нет)
12. Дает ли выигрыш в работе какой-либо из механизмов (Нет)

13. Почему ручку располагают у края двери? (Чтобы увеличить плечо силы и этим облегчить открывание двери)
14. Поднимет ли стоящий на земле человек весом в 600 Н при помощи неподвижного блока груз, масса которого 72 кг? (Нет, потому что вес груза 700 н, превышает вес тела человека)

V. Домашнее задание: упр 19 стр. 150, ворот и его применение.

Источник: urok.1sept.ru

Простые механизмы и их применение

Когда римские войска осадили Сиракузы, 75-летний Архимед возглавил оборону своего родного города. Разработанные им механизмы поражали воображение современников. Огромный ущерб, нанесенный римским войскам «железными лапами» и метательными машинами Архимеда, привел, согласно Плутарху, к тому, что «римляне стали настолько трусливыми, что, если бы они заметили, что кусок веревки или бревна двигался через стену они кричали: «Вот, вот оно!» и, думая, что Архимед хочет отправить им какую-то машину, они убежали.

Осада Сиракуз длилась несколько месяцев, и только благодаря предателям, открывшим ворота, римляне наконец смогли ворваться в город. «Можно вспомнить множество примеров подлого злого умысла и мерзкой жадности, пишет Тит Ливия (1-й век до н.э.) об разграблении Сиракуз, но самым известным среди них является убийство Архимеда. Посреди дикой растерянности, под крики и топания жестоких солдат, Архимед спокойно размышлял, рассматривая фигуры, нарисованные на песке, и какой-то грабитель ударил его мечом, даже не подозревая, кто это.

Простые механизмы, их применение

С древних времен, чтобы облегчить свою работу, люди использовали различные устройства и механизмы (от греческого «механ», станок, инструмент).

Механические устройства, используемые для преобразования величины или направления силы, называются простыми механизмами. Такие механизмы включают в себя не только рычаги и блоки, которые мы рассмотрели, но и ряд других устройств (например, клин, винт, наклонную плоскость, затвор). Обычно они используются для увеличения силы, например, когда клин, вбиваемый в бревно, расширяет его с большей силой, чем молоток ударяет в клин. Кроме того, обратите внимание, что молоток ударяет по клину сверху донизу, а половинки бревна перемещаются влево и вправо, т.е. направление движения преобразуется.

Простые механизмы делятся на 2 типа: рычаг и наклонная плоскость.

Давайте вспомним, что мы узнали о рычаге и одном его типе блоке. Другой тип рычага ворота. Чаще всего его использовали для подъема воды из колодцев. Ворота это цилиндр (барабан), к которому прикреплена ручка.

Прирост прочности, который дает затвор, определяется отношением радиуса круга, вдоль которого перемещается рукоятка r1, к радиусу цилиндра, на который намотан трос r2.

Если к рукоятке приложено усилие F1, то сила натяжения каната равна:

Современный тип ворот это лебедка. Лебедка представляет собой комбинацию цилиндра и двух передач разных радиусов.

Общий прирост мощности лебедки определяется по совместному действию двух ворот. Современные лебедки дают прирост мощности в 40-100 раз.

Часто для подъема тяжелых тел используется другой простой наклонный механизм. наклонная плоскость. Прирост прочности определяется отношением длины наклонной плоскости к ее высоте при условии, что трение очень мало.

Часто для создания больших сил (рубка дерева, работа ледокола) в качестве своего рода наклонной плоскости используется клин.

Работа клина основана на том факте, что при больших силах в направлении к торцу создается много больших сил, которые перпендикулярны боковым поверхностям клина.

Правило баланса рычага было установлено Архимедом.

Из этого правила видно, что более низкую силу можно использовать для уравновешивания большей силы с помощью рычага. Сколько раз одно плечо больше второго, во сколько раз сила, приложенная к одному плечу, больше, чем сила, приложенная ко второму плечу.

Самый простой механизм это устройства для увеличения мощности. Они являются элементами более сложных механизмов. Некоторые из самых простых механизмов появились в древние времена.

Обычно выделяют шесть простейших механизмов, из которых четыре представляют собой два основных:

• Наклонная плоскость,
• Клин позволяет увеличивать давление, концентрируя массу на небольшой площади. Используется в копье, лопатке и пуле.

Винт используется в винтах, для подъема воды (винт Архимеда), в качестве дрели в дрели и отбойные молотки.

Рычаг описан Архимедом. Используется для поднятия тяжестей, в качестве переключателей и триггеров (шатун-кривошип используется в станке, паровом двигателе, двигателях внутреннего сгорания)

Ворота используются для подъема воды в колодцах и для ременной передачи.

Колесо используется в транспорте и в системе передач. Изобретен шумерами в 3-м тысячелетии до нашей эры. е.

Поршень позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов или пара. Применяется в огнестрельном оружии и паровом двигателе

Простые механизмы

С древних времен для облегчения своей работы человек использовал различные механизмы (греческое «механе», станок, инструмент).

Клин, вбиваемый в бревно, воздействует на него сверху вниз. В то же время он толкает получившиеся половинки влево и вправо. То есть клин меняет направление силы. Кроме того, сила, с которой он толкает половинки бревна, намного больше, чем сила, с которой молот действует на клин. Следовательно, клин также изменяет числовое значение приложенной силы.

Клин является одной из разновидностей простого механизма, называемого «наклонной плоскостью». Он используется для усиления силы, т. е. использует меньше силы, чтобы противостоять большей силе. Посмотрите на картинку. Катя бочки по наклонной плоскости, пираты прикладывают меньше усилий, чем если бы они поднимали бочки веревками. Другими словами, силы, прилагаемые пиратами, меньше веса бочек.

Второй тип наклонной плоскости это винт. Посмотрите на картинку. Вы можете увидеть картонный треугольник рядом с цилиндром. Край картона служит наклонной плоскостью. Обернув треугольник вокруг цилиндра, мы получаем спиральную наклонную плоскость.

Подобно клину, винт может изменять направление и / или числовое значение приложенного усилия.

Поворачивая ручку штопора по часовой стрелке, мы заставляем штопор двигаться вниз. Другими словами, движение трансформируется: вращательное движение штопора приводит к его поступательному движению.

В физике устройства для преобразования движения и силы называются механизмами. Большинство из них были изобретены до нашей эры. Например, блоки, ворота, кабестаны, блоки шкивов использовались с древних времен в судостроении и судоходстве.

Механизмы, используемые людьми, могут быть очень сложными, но чтобы понять их работу, достаточно изучить так называемые простые механизмы рычага и наклонной плоскости.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент производительности (КПД) характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезной энергии, использованной к общему количеству энергии, получаемой системой; обычно обозначается h = Wпол/Wcyм.

В электродвигателях эффективность это отношение выполненной (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника.

В тепловых двигателях отношение полезной механической работы к количеству затраченного тепла.

В электрических трансформаторах отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой в первичной обмотке.

Для расчета эффективности различные виды энергии и механической работы выражаются в одних и тех же единицах на основе механического эквивалента теплоты и других аналогичных соотношений. В силу своей общности концепция эффективности позволяет сравнивать и оценивать с одной точки зрения такие разные системы, как ядерные реакторы, электрические генераторы и двигатели, тепловые электростанции, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежной потери энергии на трение, нагрев окружающих тел и т. д. КПД всегда меньше единицы. Соответственно, эффективность выражается в виде доли затраченной энергии, то есть в виде правильной доли или в процентах, и представляет собой безразмерную величину.

КПД тепловых электростанций достигает 35-40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением 40-50%, динамных и мощных генераторов 95%, трансформаторов 98%. Эффективность процесса фотосинтеза обычно составляет 6-8%, у хлореллы она достигает 20-25%. В тепловых двигателях, благодаря второму закону термодинамики, КПД имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса), который выполняет рабочее вещество. Цикл Карно обладает самой высокой эффективностью.

Различают эффективность отдельного элемента (ступени) машины или устройства и эффективность, которая характеризует всю цепочку преобразования энергии в системе. Эффективность первого типа, в соответствии с характером преобразования энергии, может быть механической, тепловой и т. д. второй тип включает общий, экономический, технический и другие виды эффективности. Общая эффективность системы равна произведению частичной эффективности или эффективности ступени.

В электродвигателях эффективность это отношение выполненной (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях отношение полезной механической работы к потребленному количеству тепла; в электрических трансформаторах отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой. Для расчета эффективности различные виды энергии и механической работы выражаются в одних и тех же единицах на основе механического эквивалента теплоты и других аналогичных соотношений. В силу своей общности концепция эффективности позволяет сравнивать и оценивать с одной точки зрения такие различные системы, как ядерные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэлектростанции, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежной потери энергии на трение, нагрев окружающих тел и т. д. КПД всегда меньше единицы. Соответственно, эффективность выражается в виде доли затраченной энергии, то есть в форме правильной доли или в процентах, и представляет собой безразмерную величину.

КПД тепловых электростанций достигает 35-40%, двигателей внутреннего сгорания 40-50%, динамо-машин и генераторов большой мощности 95%, трансформаторов 98%. Эффективность процесса фотосинтеза обычно составляет 6-8%, у хлореллы она достигает 20-25%. В тепловых двигателях, благодаря второму закону термодинамики, КПД имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса), который выполняет рабочее вещество. Цикл Карно обладает самой высокой эффективностью.

Различают эффективность отдельного элемента (ступени) машины или устройства и эффективность, которая характеризует всю цепочку преобразования энергии в системе. Эффективность первого типа, в соответствии с характером преобразования энергии, может быть механической, термической и т. д. второй тип включает общий, экономический, технический и другие типы эффективности. Общая эффективность системы равна произведению частичной эффективности или эффективности ступени.

В технической литературе эффективность иногда определяется так, что она может быть больше единицы. Аналогичная ситуация возникает, если эффективность определяется соотношением Wpol / Wsatr, где Wpol энергия, используемая на «выходе» системы, Wsatr не вся энергия, поступающая в систему, а только та ее часть, для которой реальные затраты сделаны. Например, когда работают полупроводниковые термоэлектрические нагреватели (тепловые насосы), потребление электроэнергии меньше, чем количество тепла, выделяемого термоэлементом. Избыток энергии извлекается из окружающей среды.

Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сжигаемого в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.

Первый практически подходящий газовый дизельный генератор. из. был разработан французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 году немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый дизельный двигатель. По сравнению с паровой машиной установка ДВС. это существенно проще, поскольку устранено одно звено преобразования энергии паровой котел. Это улучшение привело к большей компактности D. in. Sec., Меньшей массе на единицу мощности, более высокой эффективности, но для этого потребовалось топливо более высокого качества (газ, масло).

В 1880-х гг. О.С. Костович построил первый в России бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 году. Инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности ДВС, предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Улучшение этого ДВС от на заводе Л. Нобеля в Петербурге (ныне «Русский дизель») в 1898–99 гг. позволил использовать нефть в качестве топлива.

В результате ДВС становится самым экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901 году в США был разработан первый трактор с дизельным производством. из. Дальнейшее развитие автотранспортных средств. из. позволили братьям О. и В. Райт построить первый самолет с дизельным двигателем. с., который начал свои полеты в 1903 г. В том же 1903 г. Инженеры установили ДВС из на судне вандалов, создающих первый теплоход. В 1924 г. по проекту, первый поезд тепловоз, отвечающий практическим требованиям был создан в Ленинграде.

По виду топлива ДВС делятся на жидкое топливо и газовые двигатели. По способу наполнения цилиндра свежим зарядом 4-х тактный и 2-х тактный. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха для двигателей с образованием внешней и внутренней смеси.

Двигатели с внешним образованием смеси включают карбюратор, в котором горючая смесь жидкого топлива и воздуха образуется в карбюраторе, и газосмеситель, в котором горючая смесь газа и воздуха образуется в смесителе. В ДВС при образовании внешней смеси воспламенение рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В двигателях с образованием внутренней смеси (дизели) топливо самопроизвольно воспламеняется, когда оно впрыскивается в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.

Рабочий цикл 4-х тактного карбюраторного дизельного двигателя от. выполняется за 4 хода поршня (ход), т. е. за 2 оборота коленчатого вала. На 1-м ходу на входе поршень движется от верхней мертвой точки (верхней мертвой точки) к нижней мертвой точке (нижней мертвой точке). В этом случае впускной клапан открыт и топливная смесь из карбюратора поступает в цилиндр. Во 2-м такте сжатие, когда поршень движется от n. м. кв. м, впускной и выпускной клапаны закрыты, и смесь сжимается до давления 0,8-2 МН / м 2 (8-20 кгс / см 2 ). Температура смеси в конце сжатия составляет 200–400 ° C. В конце сжатия смесь зажигается электрической искрой, и топливо сжигается. Горение происходит, когда положение поршня близко к квадратным метрам. мт В конце сгорания давление в цилиндре составляет 3–6 МН / м 2 (30–60 кгс / 1 см 2 ), а температура 1600–2200 ° C. Ход 3-го цикла расширение называется рабочим ходом; во время этого цикла тепло, полученное от сгорания топлива, преобразуется в механическую работу.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного дизельного двигателя от. осуществляется за 2 хода поршня или за 1 оборот коленчатого вала. Процессы сжатия, сгорания и расширения практически аналогичны соответствующим процессам четырехтактного сгорания. из. При прочих равных условиях двухтактный двигатель должен быть в 2 раза мощнее четырехтактного, поскольку рабочий ход в двухтактном двигателе происходит в 2 раза чаще, но на практике мощность двухтактного двигателя Ходовой карбюраторный двигатель от. часто не только не превышает мощность четырехтактного двигателя с одинаковым диаметром цилиндра и ходом поршня, но даже ниже. Это связано с тем, что значительную часть хода (20-35%) поршень совершает при открытых окнах, когда давление в цилиндре низкое и двигатель практически не выполняет работы; продувка баллона требует питания для сжатия воздуха в продувочном насосе; Очистка пространства цилиндра от продуктов сгорания газов и наполнение его свежим зарядом намного хуже, чем в 4-х тактном дизельном генераторе. из.

Рабочий цикл карбюраторного дизеля с. может выполняться на очень высокой частоте вращения вала (3000-7000 об / мин). Двигатели для гоночных автомобилей и мотоциклов могут развивать скорость до 15 000 об / мин и более. Обычная топливная смесь состоит из примерно 15 частей воздуха (по массе) и 1 части паров бензина. Двигатель может работать на бедных (18: 1) или богатых (12: 1).

Слишком богатая или слишком бедная смесь вызывает значительное снижение скорости сгорания и не может обеспечить нормальное течение процесса сгорания. Регулирование мощности карбюраторного дизеля из осуществляется путем изменения количества смеси, подаваемой в цилиндр (количественный контроль).

Высокая скорость вращения и благоприятное соотношение топлива и воздуха в смеси обеспечивают высокую мощность на единицу объема цилиндра карбюраторного двигателя, поэтому эти двигатели относительно малы по размерам и массе . Использование низких степеней сжатия приводит к умеренным давлениям в конце сгорания, в результате чего детали могут быть сделаны менее массивными, чем, например, в дизельных двигателях. С увеличением диаметра цилиндра картера двигателя ДВС из увеличивается склонность двигателя к детонации; следовательно, карбюраторные дизельные двигатели от. не имеют цилиндров большого диаметра (обычно не более 150 мм). Пример карбюратора ДВС из может служить двигатель волга газ-21. Это 4-цилиндровый 4-тактный двигатель, который развивает 55 кВт (75 л.с.) при 4000 об / мин и степень сжатия 6,7. Удельный расход топлива в наиболее экономичном режиме составляет 290 г; (кВт ч).

Каркас двигателя представляет собой группу стационарных частей, которые являются основой для всех других механизмов и систем. Каркас включает в себя картер, головку (и) цилиндров, крышки подшипников коленвала, переднюю и заднюю крышки картера, а также масляный поддон и ряд мелких деталей.

Механизм перемещения представляет собой группу движущихся частей, которые воспринимают давление газа в цилиндрах и преобразуют это давление в крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Механизм перемещения включает поршневую группу (поршни, шатуны, коленчатый вал и маховик).

Механизм газораспределения служит для своевременного поступления горючей смеси в цилиндры и выпуска выхлопных газов. Эти функции выполняются распределительным валом (распределительным валом), приводимым в движение коленчатым валом, а также толкателями, шатунами и коромыслами, которые открывают клапаны. Клапаны закрыты пружинами клапанов.

Система смазки это система узлов и каналов, которые подают смазку на трущиеся поверхности. Масло в масляном поддоне закачивается в фильтр грубой очистки, а затем через главный масляный канал в картере под давлением течет к подшипникам коленчатого вала и распределительного вала, к зубчатым колесам и деталям механизма газораспределения. Смазка цилиндров, толкателей и других частей осуществляется масляным туманом, образующимся при разбрызгивании масла, вытекающего из зазоров подшипников вращающихся частей. Часть масла сливается через параллельные каналы в фильтр тонкой очистки, откуда сливается обратно в поддон.

Система охлаждения может быть жидкостной или воздушной. Система подачи жидкости состоит из цилиндров и кожухов головок, заполненных охлаждающей жидкостью (водой, антифризом и т. д.), насосом, радиатором, в котором жидкость охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором, и устройствами, регулирующими температуру воды. Воздушное охлаждение осуществляется продувкой цилиндров и головок вентилятором или потоком воздуха (на мотоциклах).

Система электропитания подготавливает горючую смесь топлива и воздуха в пропорции, соответствующей режиму работы, и в количестве, которое зависит от мощности двигателя. Система состоит из топливного бака, топливного насоса, топливного фильтра, труб и карбюратора, который является основным компонентом системы.

Система зажигания используется для генерации искры в камере сгорания, которая зажигает рабочую смесь. Система зажигания включает в себя источники тока генератор и аккумулятор, а также прерыватель, от которого зависит момент подачи искры. Система включает в себя распределитель тока высокого напряжения для соответствующих цилиндров. В том же блоке с выключателем находится конденсатор, который улучшает работу выключателя, и катушка зажигания, с которой снимается высокое напряжение (12-20 кВ). В то время, когда ДВС не было электрического зажигания, использовались калоризаторы зажигания.

Система запуска состоит из электростартера, передаточных механизмов от стартера к маховику, источника питания (аккумулятора) и элементов дистанционного управления. Система функционирует так, чтобы вращать вал двигателя для запуска.

Впускная и выпускная система состоит из трубопровода, воздушного фильтра и глушителя.

Газ ДВС работают в основном на природном газе и газах, полученных при производстве жидкого топлива. Кроме того, может использоваться следующее: газ, образующийся в результате неполного сгорания твердого топлива, металлургические газы, сточные газы и т. д. используются как четырехтактные, так и двухтактные газовые двигатели. из. По принципу образования смеси и воспламенения газовые двигатели делятся на: от. с образованием внешней смеси и искровым зажиганием, в котором рабочий процесс аналогичен процессу карбюраторного двигателя; ДВС с образованием и воспламенением внешней смеси струей жидкого топлива, воспламеняющейся от сжатия; ДВС с образованием внутренней смеси и искровым зажиганием. Газовые двигатели, работающие на природном газе, используются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. д. Сжиженные бутан-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта.

Экономическая эффективность работы ДВС характеризуется эффективной эффективностью, которая представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, затраченного на получение этой работы. Максимально эффективный КПД самых современных дизельных двигателей. из. около 44%.

Основным преимуществом ДВСкак и других тепловых двигателей (например, реактивных двигателей), перед гидравлическими и электрическими двигателями является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. д.), В связи с какие установки, оснащенные ДВС, могут свободно перемещаться и располагаться где угодно. Это привело к широкому использованию ДВС на транспортные средства (автомобили, сельскохозяйственная и дорожно-строительная техника, самоходная военная техника и др.).

Улучшение ДВС следует по пути увеличения их мощности, надежности и долговечности, уменьшения массы и габаритов, создания новых конструкций. Можно также наметить такие тенденции в развитии диалектических проблем. с., как постепенная замена карбюратора ДВС дизельные двигатели на автомобильном транспорте, использование многотопливных двигателей, увеличение оборотов и т. д.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Одним из наиболее распространенных двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., таких двигателей сотни миллионов по всему миру. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания бензиновые и дизельные.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин и т.д.) или на горючем газе (хранятся в сжатом виде в стальных баллонах или извлекаются путем сухой перегонки из древесины). Двигатели разрабатываются с водородом в качестве топлива.

Основной частью двигателя внутреннего сгорания является один или несколько цилиндров, внутри которых сжигается топливо. Отсюда и название двигателя.

Поршень скользит внутри цилиндра металлическая чашка, окруженная пружинными кольцами (поршневыми кольцами), встроенными в канавки на поршне. Поршневые кольца предотвращают прохождение дымовых газов между поршнем и стенками цилиндра.

Поршень снабжен металлическим штоком штифтом, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движение поршня на коленчатый вал.

Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов впуск, подается горючая смесь, через другой выпуск, продукты сгорания удаляются. В верхней части цилиндра размещена свеча устройство для зажигания горючей смеси с помощью электрической искры.

Наиболее распространенным в технологии является четырехтактный двигатель. Рассмотрим его работу. 1-й ход впуск (всасывание). Впускной клапан открывается. Поршень, двигаясь вниз, всасывает горючую смесь в цилиндр. 2 мера сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь; при сжатии нагревается. 3-й цикл рабочий ход.

Поршень достигает верхней позиции. Смесь зажигается электрической искрой от свечи. Сила давления газов горячих продуктов сгорания толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, тем самым выполняя полезную работу. Выполняя работы и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

4-й цикл выхлоп (выхлоп). Выпускной клапан открывается, отходы сгорания сбрасываются через глушитель в атмосферу.

Из 4 ударов двигателя только один, третий работает. Следовательно, двигатель оснащен маховиком, инерционным двигателем, который накапливает энергию, благодаря которой коленчатый вал (см. Валы и оси машин) вращается в течение оставшихся циклов. Обратите внимание, что одноцилиндровые двигатели в основном устанавливаются на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. д. для более равномерной работы 4,6,8 и более цилиндров размещаются на общем валу.

Двигатели с цилиндрами, установленными в форме звезды вокруг одного вала, называются звездообразными. Мощность радиальных двигателей до 4 МВт. Они в основном используются в авиации.

Дизель это другой тип двигателя внутреннего сгорания. В отличие от бензина, воспламенение в его цилиндрах происходит, когда топливо впрыскивается в воздух, который был предварительно сжат поршнем и, следовательно, нагрет до высокой температуры.

Этот двигатель был назван в честь немецкого инженера Р. Дизеля, который построил первый двигатель с воспламенением от сжатия в 1897 году в этом его отличие от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором используется специальное устройство для зажигания топлива.

Конструктивно дизельный двигатель мало чем отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. И принцип работы дизельного двигателя такой же. Но есть и отличия: в головке цилиндров есть топливный клапан инжектор. Его целью является впрыск топлива в цилиндр при определенных фазах вращения коленчатого вала. Клапаны топливного насоса, питающего инжектор, приводятся в движение распределительным валом, который, в свою очередь, приводится в движение коленчатым валом двигателя.

Пусть начальная позиция поршня будет верхней мертвой точкой. Когда поршень движется вниз (первый ход), открывается впускной клапан, через который воздух всасывается в цилиндр. Впускной клапан закрывается во время обратного хода поршня и остается закрытым в течение всего второго хода.

Воздух сжимается в дизельном цилиндре (в бензиновом двигателе внутреннего сгорания горючая смесь сжимается на этом этапе). Степень сжатия в дизельных двигателях в 2-2,5 раза выше, в результате чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива.

В тот момент, когда поршень приближается к верхней мертвой точке, топливо подается в цилиндр из инжектора. Попадая в горячий воздух, мелкораспыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (в третьем цикле) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, г постепенно, в течение определенной части хода поршня вниз; объем пространства в цилиндре, где сжигается топливо, увеличивается. Следовательно, давление газа во время работы сопла остается постоянным.

Когда поршень возвращается в нижнюю мертвую точку, выпускной клапан 8 открывается, давление газа немедленно падает, после чего заканчивается четвертый такт, поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Затем цикл повторяется.

Дизель более экономичен, чем бензиновый двигатель внутреннего сгорания, он работает на дешевом топливе. Дизель один из самых экономичных тепловых двигателей; Эффективность достигает 44%. Двигатели мощностью до 30 000 кВт были спроектированы и изготовлены. Дизели используются в основном в качестве основных и вспомогательных судовых двигателей, на мобильных силовых установках, тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях.

Являетесь ли вы водителем трактора, машинистом, водителем или просто автолюбителем, вы обязательно ознакомитесь с работой двигателей внутреннего сгорания. Но поподробнее.

В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. Такие устройства включают карбюраторный двигатель, дизельные двигатели, турбореактивные двигатели и т. д.

Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Они имеют довольно длительный срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и вес. Основным недостатком этих двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошипно-шатунного механизма, что усложняет конструкцию и ограничивает возможность увеличения скорости вращения, особенно при значительных размерах двигателя.

А теперь немного о первом ДВС. Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был создан в 1860 году французским инженером Этвеном Ленуаром, но эта машина была еще очень несовершенна. В 1862 году французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать четырехтактный цикл в двигателе внутреннего сгорания: всасывание; сжатие; сгорание и расширение; выхлоп. Эту идею использовал немецкий изобретатель Н. Отто, который построил первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания в 1878 году.

Быстрое распространение двигателей внутреннего сгорания в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике было обусловлено рядом их положительных черт.

Реализация рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания в одном цилиндре с низкими потерями при значительной разнице температур между источником тепла и холодильником обеспечивает высокую эффективность этих двигателей. Высокая эффективность одно из положительных качеств двигателя внутреннего сгорания. Среди двигателей внутреннего сгорания дизель в настоящее время является двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с самая высокая эффективность в широком диапазоне изменения мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяного топлива ограничены.

К положительным особенностям двигателя внутреннего сгорания также относится тот факт, что они могут быть подключены практически к любому потребителю энергии. Это связано с широкими возможностями получения соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента этих двигателей.

Рассматриваемые двигатели успешно используются на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, кораблях, электростанциях и т. д. ДВС характеризуются хорошей адаптивностью к потребителю.

Относительно низкая начальная стоимость, компактность и малый вес двигателей внутреннего сгорания позволили широко использовать их на силовых установках, которые широко используются и имеют небольшой моторный отсек.

Установки с двигателями внутреннего сгорания обладают большой автономностью. Даже самолеты с двигателем ICE могут летать без дозаправки в течение десятков часов. Важным положительным качеством двигателей внутреннего сгорания является возможность их быстрого запуска в нормальных условиях.

Двигатели, работающие при низких температурах, оснащены специальными устройствами для облегчения и ускорения запуска. После запуска двигатели могут сравнительно быстро принять полную нагрузку. ДВС имеют значительный тормозной момент, что очень важно при использовании в транспортных установках.

Положительным качеством дизельных двигателей является способность одного двигателя работать на нескольких видах топлива. Так известны конструкции многотопливных автомобильных двигателей, а также мощных судовых двигателей, работающих на различных видах топлива от дизельного топлива до котельного топлива.

Но наряду с положительными качествами двигателей внутреннего сгорания у них есть ряд недостатков. Среди них совокупная мощность ограничена по сравнению, например, с паровыми и газовыми турбинами. Высокий уровень шума, относительно высокая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность его прямого соединения с ведущими колесами потребителя, токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничение частоты вращения и возникновение дисбаланса инерционных сил и моменты от них. Но было бы невозможно создать двигатели внутреннего сгорания, их разработку и применение, если бы не эффект теплового расширения.

Заключение

Действительно, в процессе теплового расширения газы, нагретые до высокой температуры, выполняют полезную работу. Из-за быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания давление резко возрастает, под воздействием которого поршень перемещается в цилиндре. И это очень необходимая технологическая функция, то есть силовое воздействие, создание высоких давлений, которое осуществляется за счет теплового расширения, и ради которого это явление используется в различных технологиях, в частности в двигателях внутреннего сгорания. Именно на этом явлении я хочу остановиться в следующей главе.

Как упомянуто выше, тепловое расширение используется в двигателе внутреннего сгорания. Но как его применять и какую функцию он выполняет, рассмотрим на примере работы поршневого двигателя внутреннего сгорания. Двигатель представляет собой мощность генерация машины , которая преобразует любую энергию в механическую работу.

Двигатели, в которых механическая работа создается в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми двигателями. Тепловая энергия получается путем сжигания любого топлива. Тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сжигаемого в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию, называется поршневым двигателем внутреннего сгорания.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

В случае копирования материалов, указание web-ссылки на сайт natalibrilenova.ru обязательно.

Источник: natalibrilenova.ru