Лекция 3. Физические основы высоких технологий. Механика. Давыдов Виктор Николаевич проф. каф. экологического менеджмента ИНЖЭКОН

Механика Основной задачей механики является опреде- ление положения тел и их скоростей в любой момент времени. Состояние механической системы полностью определяется координатами и импульсами всех тел, образующих систему. Зная их, можно вычислить любую другую механичес- кую величину, например, энергию, момент количества движения и т. д.

Основные законы динамики твердого тела Закон сохранения импульса Импульс замкнутой системы тел, равный гео- метрической сумме импульсов тел, остается неизменным при любых взаимодействиях тел внутри этой системы. Закон сохранения энергии Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, количество энергии вечно и не- изменно, она только переходит из одной фор- мы в другую.

Технология метательных снарядов Поражающая способность метательного снаряда определяется его кинетической энергией: где: E k - кинетическая энергия снаряда, Дж; m – масса снаряда, кг; v – скорость снаряда, м/с.

Зависимость кинетической энергии от плотности снаряда Поскольку m = ρV, где ρ – плотность материала снаряда, кг/м 3 ; V – объем снаряда, м 3. То: Отсюда: при одном и том же объеме, форме и скорости кинетическая энергия снаряда прямо пропорциональна плотности материала из ко- торого он изготовлен.

Эволюция состава материала снарядов В начале из пращи метались только каменные ядра, однако самое позднее в ХII веке на Крите и Кипре уже применялись свинцовые пули (плотность 11,34 г/см 3 ). Создатели современных бронебойных снарядов использовали вольфрам (плотность вольфрама 19,3 г/см 3) и уран (19,04 г/см 3 ). Конечно, не малую роль играют и другие свойства этих металлов, но ведущим выступает их высокая плотность.

Закон сохранения момента импульса Момент импульса системы тел сохраняется неизменным при любых взаимодействиях внутри системы, если результирующий момент внешних сил, действующих на нее, равен нулю. (моменты импульса и сил необходимо брать относительно одно и той же оси). Закон сохранения момента импульса является фундаментальным законом природы и выполняется для любых, а не только механических систем.

Следствия из закона сохранения момента импульса 1. В случае изменения скорости вращения одной части системы другая также изменит скорость вращения, но в противоположную сторону таким образом, что момент импульса системы не изменится; 2. Если момент инерции замкнутой системы в процессе вращения изменяется, то изменяется и ее угловая скорость таким образом, что момент импульса системы останется тем же самым; 3. В случае, когда сумма моментов внешних сил относительно некоторой оси равняется нулю, момент импульса системы относительно этой же оси остается постоянным.

Закон сохранения момента импульса Момент импульса L тела, вращающегося с угловой скоростью ω, равен L = Iω, где I – момент инерции, зависящий как от массы тела, так и от распределения массы внутри тела.

Использование закона сохраненя импульса

Гироскоп Гироскопом называется любое тяжелое симметричное тело, вращающееся вок- руг оси симметрии с большой угловой скоростью. Если гироскоп может поворачиваться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей - он обла- дает тремя степенями свободы и называется свободным гироскопом. Практически это реализуется путем помещения гироскопа в карданов подвес.

Свободный гироскоп

Свойства свободного гироскопа 1. Сохраняет положение оси вращения в пространстве; 2. Если внешняя сила стремится повер- нуть гироскоп относительно одной оси, то он поворачивается вокруг другой, ей перпендикулярной; 3. Безынерционен.

Применения гироскопов 1.В качестве компаса, в устройствах управления курсом (торпеды, автопилоты самолетов). Свободный гироскоп сохраняет свою ориентацию в пространстве независимо от движения Земли и всевозможных толчков. Пользоваться этим компасом можно только в течение ограниченного времени, пока силы трения в подшипниках не "уведут" ось гироскопа. 2. В качестве успокоителя качки на кораблях.

Маховик Маховик (Маховое колесо) массивное вра- щающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционного аккумулятора) кинетической энергии. Используется в машинах, имеющих неравно- мерный ход, накапливая энергию, когда пос- тупление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии.

Кинетическая энергия маховика Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле:

Угловая скорость Угловой скоростью тела при равномерном вращении называется величина, равная отношению угла поворота тела к промежутку времени, за который этот поворот произошел. ω - угловая скорость Угловая скорость выражается в радианах в секунду (рад/с).

Моменты инерции некоторых тел

Супермаховик Супермахови́к тип маховика, предназначенный для накопления механической энергии (предложен в 1964 г. Нурбеем Гулиа). Имеет удельную емкость до 500 Вт/ч (1,8 МДж/кг), для современных ионно-литиевых полимерных аккумуляторов составляет примерно 150 Вт·ч/кг. Супермаховик - барабан, намотанный из тонких витков стальной пластичной ленты, стекловолкна или углеродных композитов. За счёт этого обеспе- чивается высокая прочность на разрыв. Для умень- шения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух и обеспечивается магнит- ной подвеской.

Разработка маховичных накопителей в России Доктор технических наук Нурбей Владимиро- вич Гулиа изобрёл:ть. 1. Маховик из тонкой высокопрочной сталь- ной ленты, накапливающий в несколько раз больше энергии, чем менее прочный литой, и самотормозящийся при разрыве ленты (ос- вободившийся конец ленты трётся о кожух). Маховик из сверхпрочных стеклянных или Синтетических волокон рекордно энергоемок и безопасен, так как при аварии разлетается на Кусочки столь мелкие, что они не могут про- бить даже очень тонкую защитную оболочку:

Темы коротких сообщений 1.Что такое указатели физических, химических, биологических эффектов? e/ukazat/index.php 2. Супермаховики и их применение. 3. Гироскопы и их применение. 4. По выбору о каком-либо механическом эффекте и его применении.

22 Благодарю за внимание!