🔥💨⚙️ Джеймс Уатт и паровая машина

Джеймс Уатт (англ. James Watt; 1736 — 1819) — шотландский инженер, изобретатель-механик. Ввёл первую единицу мощности — лошадиную силу. Его именем названа единица мощности — Ватт. Усовершенствовал паровую машину Ньюкомена. Создал универсальную паровую машину двойного действия. Изобретения Уатта запустили процесс промышленной революции в Англии, а затем и во всём мире. Впрочем, так считалось лишь прежде, в наши же дни оба этих утверждения активно пересматриваются исследователями. Уатт также оказался самым активным пропагандистом патентной системы в XVIII веке. Ныне его рассматривают не как бескорыстного ученого, а как искусного производителя и эффективного защитника экономических прав изобретателей

Ещё в 1759 году приятель Уатта Джон Робисон заинтересовал его вопросом использования пара как источника двигательной энергии. Паровая машина Ньюкомена существовала уже пятьдесят лет, находя применения большей частью для откачки воды из шахт, однако за всё это время она ни разу не была усовершенствована, и мало кто разбирался в принципе её работы. Уатт начинает исследования по применению пара с нуля, так как до этого ни разу не сталкивался с этим вопросом. Однако попытки создать рабочую модель аппарата ничем не заканчиваются. Ему удаётся соорудить лишь что-то вроде модели паровой машины Севери, используя котёл Папена. Однако модель обладала такими большими недостатками, что Уатт бросает разработки.

Зимой 1763 года к нему обратился профессор физики университета Глазго Джон Андерсон с просьбой отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена. Макет был оснащен 2-дюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в 6 дюймов. Уатт провел ряд экспериментов, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды, и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом, энергия пара тратилась на постоянный разогрев цилиндра, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию.

Уатт проводит ряд опытов над кипением воды, изучает упругость водяных паров при различных температурах. Теоретические и опытные изыскания приводят его к пониманию важности скрытой теплоты. Опытным путём он устанавливает, что вода, превращённая в пар, может нагреть до кипения в шесть раз большее количество воды. Уатт приходит к выводу: «…Для того, чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра (37.5 °C)». Уатту остаётся сделать один шаг до того, чтобы отделить «сгущение пара» от цилиндра и осуществлять его в отдельном сосуде. Однако на этот шаг у него уходит очень много времени. В 1765 году ему, наконец, приходит на ум догадка, и начинаются попытки воплотить её в жизнь.

Первым значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал в 1769 году, была изолированная камера для конденсации. В этот же год ему удаётся построить действующую модель, работающую по этому принципу. Однако создать полноразмерную машину не получалось. Уатту требовались капиталовложения. Некоторую помощь ему оказал Джозеф Блэк, а основная поддержка пришла от Джона Роубака (англ. John Roebuck), основателя легендарной Carron Company (англ. Carron Iron Works). Основная сложность заключалась в том, чтобы заставить работать поршень и цилиндр. Металлопроизводство того времени не было способно обеспечить нужную точность изготовления. #физика #механика #динамика #видеоуроки #мкт #physics #термодинамика #mechanics #научные_фильмы #термех #sciece

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚙️ Самое высокое передаточное число: последнюю шестерню можно прибить к стене

Передаточное число — один из параметров пары зацепления из двух зубчатых колёс, определяемый как соотношение числа зубьев большего зубчатого колеса к меньшему.

u = Zб/Zм где
Zб — число зубьев колеса (большого);
Zм — число зубьев шестерни (малой).

Определение передаточного числа одинаково применимо к любым механическим зубчатым передачам в виде пары зацепления из двух зубчатых колёс, независимо от типа: цилиндрическим, коническим, гипоидным, червячным. Передаточное число всегда есть рациональное число. Для определения передаточного числа не имеет значения, какое зубчатое колесо является ведущим, а какое ведомым. Передаточное число показывает:
▪️ Насколько данная пара зацепления в принципе может изменить крутящий момент в ту или иную сторону.
▪️ Линейное соотношение диаметров зубчатых колёс.

Передаточное отношение — отношение между угловыми скоростями, либо крутящими моментами валов (в передачах), либо перемещениями (линейным или угловым). Понятие применяется в машиностроении (передачи), теории механизмов и машин, метрологии.

Передаточное отношение любых зубчатых и цепных передач можно определить без замеров угловых скоростей в движении, зная лишь числа зубьев всех зубчатых колёс, составляющих передачу. В общем случае для передачи из двух зубчатых колёс справедлива формула:

I₁₂ = ω₁/ω₂ = z₂/z₁ — то есть, число зубьев ведомого зубчатого колеса делится на число зубьев ведущего зубчатого колеса (не наоборот).

Передаточное число в отличие от передаточного отношения всегда положительное и больше или равно единице. Передаточное число характеризует передачу только количественно. Передаточное число и передаточное отношение могут совпадать только у передачи внутреннего зацепления. У передач внешнего зацепления они не совпадают, так как в любом случае имеют разные знаки: передаточное отношение – отрицательное, а передаточное число – положительное. Наиболее распространены понижающие передачи, так как частота вращения исполнительного механизма в большинстве случаев меньше частоты вращения вала двигателя. #механика #физика #опыты #эксперименты #динамика #кинематика #physics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🚀 Что будет, если добавить жидкий газ в бутылку с водой

Если добавить жидкий газ в бутылку с водой и перевернуть её, она взлетит. Можно взять любую теплую жидкость: вода, кола, спрайт. Самое важное — температура жидкости. Понадобится пластиковая бутылка и перчатки, чтобы не заморозить руки. И самые важный ингредиент — жидкий газ бутан (C₄H₁₀). Температура кипения бутана -0.5 °С. Это означает, что в жидком состоянии он находится при температуре t < -0.5 °С. Достаточно будет наполнить 2/3 бутылки водой, а 1/3 наполнить жидким газом. Через несколько секунд можно будет увидеть, как на поверхности воды плавает жидкость бутанового раствора. Между ними находится газообразная прослойка. Это тот самый эффект Лейденфроста, о котором уже был пост в нашем канале.

Эффект Лейденфроста — это физическое явление, при котором жидкость при непосредственном контакте с массой, температура которой значительно выше температуры кипения жидкости, образует изолирующий слой пара, препятствующий быстрому кипению этой жидкости. Благодаря этому капля парит над поверхностью, а не вступает с ней в физический контакт. Чаще всего это наблюдается при приготовлении пищи; капельки воды капают в кастрюлю, чтобы измерить ее температуру: если температура в кастрюле равна или выше температуры точки Лейденфроста, то вода растекается по сковороде и испаряется дольше, чем в кастрюле с температурой ниже точки Лейденфроста (но все равно выше температуры кипения). Этот эффект также обусловливает способность жидкого азота распространяться по полу.

Итак, холодный бутан плавает на поверхности теплой воды на паровой прослойке. Как только мы переворачиваем бутылку, скорость реакции испарения мгновенно возрастает. Во время переворачивания бутылки теплая вода смешивается с бутаном, и бутан немедленно превращается в газ, который увеличивается в объем более чем в 10 раз. В результате он стремительно пытается выйти из бутылки, поэтом образуется реактивная тяга через узкое горлышко — наша ракета взлетает.
#механика #физика #опыты #эксперименты #динамика #кинематика #physics #лекции #science #наука

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚙️ Маятник Максвелла — это устройство, состоящее из массивного диска, симметрично и жёстко закреплённого на горизонтальной оси, подвешенной на двух нерастяжимых нитях. Назван так в честь великого физика Джеймса Максвелла.

Принцип работы: если, намотав нити на концы стержня, поднять маятник повыше и отпустить, то он начнёт двигаться вниз, а диск будет вращаться вместе с осью, к которой он прикреплён. Запасённая при подъёме потенциальная энергия будет переходить в другой вид энергии — кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Достигнув положения равновесия, маятник не остановится. Он по инерции будет продолжать вращение, нити начнут наматываться на стержень (уже с другой стороны), и маятник вновь поднимется вверх.

Маятник Максвелла создан для демонстрации превращений энергии — перехода потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

Обычно при падении тела с высоты потенциальная энергия целиком преобразуется в кинетическую энергию поступательного движения. В случае же маятника Максвелла часть потенциальной энергии переходит в кинетическую энергию вращательного движения, поэтому кинетическая энергия и скорость поступательного движения оказываются меньше. Следовательно, линейное ускорение маятника Максвелла a также будет меньше, чем ускорение свободного падения g.

#видеоуроки #physics #физика #опыты #механика #кинематика #динамика #эксперименты #научные_фильмы

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚖️ Равновесие нарушится или нет? Как это объяснить?

⏳ Задача: Почему опрокинулась кювета? Кювета с водой стоит на бруске. На воде плавает коробочка с гирей. Кювета находится в равновесии. Если вынуть гирю из коробочки и поставить на дно кюветы под тем местом, где плавала коробочка, то равновесие нарушится, хотя вес левой части кюветы как будто бы не изменился. Объясните ошибку рассуждений.

📝 Решение: Коробка с гирей весит столько же, сколько и вытесненная ею вода. Поэтому перемещение коробки с гирей не нарушает равновесие кюветы. Если же в левой части кюветы вынуть гирю и поставить на дно кюветы, то коробочка всплывает, освободившаяся полость заполняется водой, левая часть становится тяжелее и равновесие нарушается.

Альтернативное рассуждение: Когда гиря плавает в коробке, то коробка вытесняет объем воды, который весит как гиря + коробка. Эта вода равномерно распределяется в поле силы тяжести. Мы можем считать, что в нашем крупном тазу (кювете) только равномерно распределенная вода, масса которой равна = масса реальной воды + масса воды, равная лодке и коробке. Когда мы вытаскиваем гирю, то вода уравнивает только плавающую коробку. А вот сама гиря уже вытесняет своим объемом количество воды, которое в этом вытесненном объеме весит меньше чем гиря. И не смотря на то, что вода распределяется равномерно, гиря всё равно является локальной областью повышенной плотности, поэтому силы перестают быть скомпенсированными и кювета опрокидывается.
#механика #динамика #физика #кинематика #гидростатика #наука #science #physics #гидродинамика

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🔼Принцип сложения скоростей 🔽

При рассмотрении сложного движения (когда точка или тело движется в одной системе отсчёта, а эта система отсчёта в свою очередь движется относительно другой системы) возникает вопрос о связи скоростей в двух системах отсчёта. В классической механике абсолютная скорость точки равна векторной сумме её относительной и переносной скоростей: 𝓿ₐ = 𝓿ᵣ + 𝓿ₑ — Данное равенство представляет собой содержание утверждения теоремы о сложении скоростей.

Простым языком: Скорость движения тела относительно неподвижной системы отсчёта равна векторной сумме скорости этого тела относительно подвижной системы отсчета и скорости (относительно неподвижной системы) той точки подвижной системы отсчёта, в которой в данный момент времени находится тело.

Примеры:
▪️Абсолютная скорость мухи, ползущей по радиусу вращающейся граммофонной пластинки, равна сумме скорости её движения относительно пластинки и той скорости, которую имеет точка пластинки под мухой относительно земли (то есть с которой её переносит пластинка за счёт своего вращения).
▪️Если человек идёт по коридору вагона со скоростью 5 километров в час относительно вагона, а вагон движется со скоростью 50 километров в час относительно Земли, то человек движется относительно Земли со скоростью 50 + 5 = 55 километров в час, когда идёт по направлению движения поезда, и со скоростью 50 — 5 = 45 километров в час, когда он идёт в обратном направлении. Если человек в коридоре вагона движется относительно Земли со скоростью 55 километров в час, а поезд со скоростью 50 километров в час, то скорость человека относительно поезда 55 — 50 = 5 километров в час.
▪️Если волны движутся относительно берега со скоростью 30 километров в час, и корабль также со скоростью 30 километров в час, то волны движутся относительно корабля со скоростью 30 — 30 = 0 километров в час, то есть относительно корабля они становятся неподвижными.

Ejecting a Person at 40km/h with a Human Catapult

#механика #динамика #физика #кинематика #разбор_задач #наука #science #physics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚙️ Безопорное движение? Или очередная ловушка? 🧐

Исходя из законов Ньютона, для того, чтобы тело начало перемещаться необходимо его взаимодействие с другими телами. В противном случае, оно не сможет двигаться. Даже если представить себе хомяка, внутри шара или какое-либо устройство, способное двигаться из-за перемещений внутри устройства, то процесс движения не будет безопорным. Он всё равно будет иметь точки взаимодействия с окружающими телами. По настоящему безопорным являлось бы движение летающей тарелки. Ведь она просто летит, а никаких следов реактивного движения нет.

Безопорное движение приравнивается в умах ученых с вечным двигателем и обозначается, как невозможное явление. Что вечный двигатель будет рассеивать энергию и никогда не станет по-настоящему вечным, что безопорно движущееся тело будет или не перемещаться, или так или иначе взаимодействовать с пространством и другими телами. Однако, несмотря на очевидные ограничения и противоречие модели движения существующим законам физики, огромное количество энтузиастов в той или иной мере пыталось эти законы физики нарушить. Существует множество попыток для получения патентов на устройства, способные использовать безопорное движение.

Наиболее яркий представитель вида безопорных двигателей — это инерцоид. Общая схема этого типа устройств представляет собой некоторое устройство, внутри которого перемещаются закрепленные грузы. Грузы раскачиваются и создают момент инерции. В 1930 была создана даже тележка Толчина. Толчин разработал инерционный двигатель подобного типа и пытался продемонстрировать безопорное движение. Впоследствии возможность безопорного движения такой штуки было опровергнуто и доказано взаимодействие с окружающей средой через силу трения.

Следующая попытка сделать безопорный двигатель — это устройство EmDrive. По заявлениям разработчиков устройство создаёт тягу за счёт стоячих электромагнитных волн в замкнутом резонаторе. Резонатор выполнен в виде усеченного конуса. Когда в нем появляется волна, обнаруживается микротяга. Большинство ученых опровергает возможность работы EmDrive. Тяга без отталкивания от чего-либо или без выброса назад чего-либо, формально противоречит закону сохранения импульса. Но тяга действительно зарегистрирована! Правда даже сторонники EmDrive не могут объяснить, как это работает. Возможно, впоследствии появится некоторое объяснение, которое вновь укажет, что опора всё же есть. #физика #механика #physics #science #кинематика #динамика #наука #опыты #эксперименты

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚖️ Равновесие нарушится или нет? Как это объяснить?

⏳ Задача: Почему опрокинулась кювета? Кювета с водой стоит на бруске. На воде плавает коробочка с гирей. Кювета находится в равновесии. Если вынуть гирю из коробочки и поставить на дно кюветы под тем местом, где плавала коробочка, то равновесие нарушится, хотя вес левой части кюветы как будто бы не изменился. Объясните ошибку рассуждений.

📝 Решение: Коробка с гирей весит столько же, сколько и вытесненная ею вода. Поэтому перемещение коробки с гирей не нарушает равновесие кюветы. Если же в левой части кюветы вынуть гирю и поставить на дно кюветы, то коробочка всплывает, освободившаяся полость заполняется водой, левая часть становится тяжелее и равновесие нарушается.

Альтернативное рассуждение: Когда гиря плавает в коробке, то коробка вытесняет объем воды, который весит как гиря + коробка. Эта вода равномерно распределяется в поле силы тяжести. Мы можем считать, что в нашем крупном тазу (кювете) только равномерно распределенная вода, масса которой равна = масса реальной воды + масса воды, равная лодке и коробке. Когда мы вытаскиваем гирю, то вода уравнивает только плавающую коробку. А вот сама гиря уже вытесняет своим объемом количество воды, которое в этом вытесненном объеме весит меньше чем гиря. И не смотря на то, что вода распределяется равномерно, гиря всё равно является локальной областью повышенной плотности, поэтому силы перестают быть скомпенсированными и кювета опрокидывается.
#механика #динамика #физика #кинематика #гидростатика #наука #science #physics #гидродинамика

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🔴Двойной маятник — простейший механизм для демонстрации хаотичного движения

В физике и математике, в отрасли динамических систем, двойной маятник — это маятник с другим маятником, прикреплённым к его концу. Двойной маятник является простой физической системой, которая проявляет разнообразное динамическое поведение со значительной зависимостью от начальных условий. Движение маятника руководствуется связанными обыкновенными дифференциальными уравнениями. Для некоторых энергий его движение является хаотическим.

Система считается хаотичной, если обладает высокой чувствительностью к начальному состоянию. Две идентичные системы с мало отличающимися начальными положениями будут заметно отличаться спустя какое-то время. #видеоуроки #физика #механика #gif #математика #physics #math #динамика

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🛁 Фонтанчик, работающий на основе физики: кто сможет объяснить в комментариях принцип работы?

#механика #динамика #физика #кинематика #гидростатика #наука #science #physics #гидродинамика

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚙️ Задача на блоки из Механики

Тут подписчики вспомнили о задаче, которая была в нашем канале пару-тройку лет назад. Но т.к. задача редко попадается в школьной программе, то предлагаю вам над ней подумать самостоятельно и решить на черновике. Ваш ответ напишите в комментариях.

💡 Как решать задачи по физике с блоками из раздела «Механика»

#задачи #физика #physics #олимпиады #разбор_задача #механика #динамика #science #mechanics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

😓 Моторные масла — масла, применяемые главным образом для охлаждения и снижения трения между движущимися деталями поршневых и роторных двигателей внутреннего сгорания. Все современные моторные масла состоят из базовых масел и улучшающих их свойства присадок. В качестве базовых масел обычно используют дистиллятные и остаточные компоненты различной вязкости (углеводороды), их смеси, углеводородные компоненты полученные гидрокрекингом и гидроизомеризацией, а также синтетические продукты (высокомолекулярные углеводороды, полиальфаолефины, сложные эфиры и другие). Большинство всесезонных масел получают путём загущения маловязкой основы макрополимерными присадками.

Первое в мире моторное масло было запатентовано в 1873 году американским доктором Джоном Эллисом. В 1866 году Эллис изучал свойства сырой нефти в медицинских целях, но обнаружил, что сырая нефть обладает хорошими смазочными свойствами. Эллис залил экспериментальную жидкость в заклинившие клапаны большого V-образного парового двигателя. В результате клапаны освободились и стали двигаться свободнее, а Джон Эллис зарегистрировал бренд Valvoline — первый в мире бренд моторного масла.

Вязкость — одно из важнейших свойств масла, определяющее его применимость в двигателях различных типов. Различают динамическую, кинематическую и техническую вязкость. Динамическая вязкость обусловлена внутренним трением между движущимися слоями масла и измеряется в пуазах (П). Кинематическая вязкость — определяется как отношение динамической вязкости к плотности при той же температуре и измеряется в сантистоксах (сСт). Техническая, или условная вязкость определяется как отношение времени истечения из вискозиметра 200 мл масла, взятого в секундах, ко времени истечения из того же вискозиметра при тех же условиях 200 мл воды. В настоящее время для оценки этого свойства масла как правило используется индекс вязкости, характеризующий пологость кривой зависимости кинематической вязкости масла от температуры. #механика #динамика #физика #кинематика #техника #наука #science #physics #вязкость

⚙️ Сравнение моторных масел

🟠 Принцип работы моторного масла [5 видео]

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚙️ Редуктор из LEGO с огромным передаточным числом

Механизм Даниэля де Брюйна — это шестерёнчатый редуктор, созданный для визуализации числа гугол (10 в 100 степени).
— Состоит из 100 связанных между собой шестерёнок.
— Каждая пара шестерёнок имеет передаточное число 1:10: за десять оборотов первой шестерёнки вторая совершает один оборот.
— Суммарно передаточное число механизма — один гугол.
Когда поворачивают шестерёнку на одном конце, поворачивается следующая шестерёнка со скоростью 1/10. 10 полных вращений первой шестерёнки приводят к единственному повороту второй. Первую шестерёнку нужно повернуть 100 раз, чтобы вторая повернулась 10 раз, а третья — всего 1 раз, и так далее. Чтобы провернуть последнее колесо хоть на зубчик, первое колесо должно совершить полный оборот ровно 1 гугол раз. Де Брюйн заявил, что создал протокол — устройство, собранное из подручных материалов, которое не способно проработать до полного оборота последней шестерёнки.

⚙️ Моделирование решения задачи передвижения автомобилей по песчаному грунту с помощью конструктора LEGO

7 препятствий и 5 LEGO-роботов, которые умеют шагать

⚙️ LEGO® Technic Строительство мостов: Задача на 100 кг!

🎻 Когда Lego играет на гитаре лучше, чем ты...

⚙️ Lego MindStorm

👾 Что будет, если надолго оставить инженера с конструктором Lego

#техника #конструктор #опыты #динамика #механика #разработка #mechanics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib