авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

«Научное мировоззрение, проникнутое естествознанием и математикой, есть величайшая сила не только настоящего, но и будущего. ...»

-- [ Страница 3 ] --

Кроме того, определенное значение имеет и возможность прямого загрязнения при производстве готовых изделий. Наиболее высокие уровни содержания свинца отмечаются в консервах в жестяной таре, рыбе свежей и мороженой, пшеничных отрубях, желатине, моллюсках и ракообразных. Высокое содержание свинца наблюдается в корнеплодах и других растительных продуктах, выращенных на землях вблизи промышленных районов и вдоль дорог.

По данным о потреблении продуктов питания в Российской Федерации, на основании материалов бюджетных обследований семей установлено, что расчетное поступление свинца в среднем 1,25мг на одного человека в неделю. В некоторых промышленных городах поступление свинца с продуктами питания несколько выше: у 10% обследуемого населения превышает величину 2 мг/чел в неделю. В суточном рационе детей в возрасте 1-3 года потребление свинца составляет 14 мкг, в возрасте 4-6 лет - мкг, 7-14 лет - 68 мкг и в возрасте 14-17 лет - 87 мкг, то есть поступление свинца с продуктами питания для детей до 7 лет изменяется в зависимости от возраста в пределах 14-68 мкг/сут.

Группы повышенного риска воздействия свинца среди населения Взрослое население В России постепенно увеличивается численность контингентов, имеющих профессиональный контакт со свинцом. По данным Российского информационно аналитического центра Госкомсанэпиднадзора России случаи хронической свинцовой интоксикации зафиксированы в 14 отраслях промышленности России.

Свинец вызывает обширные патологические изменения в нервной системе, крови, сосудах, активно влияет на синтез белка, энергетический обмен клетки и ее генетический аппарат. Свинец подавляет ферментативные процессы превращения порфиритов и кровообразование, ингибирует SH-содержащие ферменты, холинэстеразу, различные АТФазы. Он угнетает окисление жирных кислот, нарушает белковый, липидный и углеводный обмены, способен занимать кальций в костях. Свинец нарушает деятельность сердечно-сосудистой системы, вызывая изменения электрической и механической активности сердечной мышцы, морфологические и биохимические изменения в миокарде с признаками сосудистой дегенерации, повреждения мышечной стенки сосудов и нарушение сосудистого тонуса.

Органические соединения свинца, например тетраэтилсвинец, высокотоксичные для нервных тканей – они подавляют метаболизм глюкозы, синтезы РНК и ДНК, повреждают миелиновые оболочки нервных клеток, что сопровождается снижением скорости передачи нервного возбуждения.

Тетраэтилсвинец значительно изменяет метаболизм серотонина и норадреналина, повышает уровень пирувата в крови, что ведет к нарушению снабжения мозга кислородом.

Свинцовые отравления различны в проявлениях и включают психическое возбуждение, тревогу, ночные кошмары, галлюцинации, нарушение памяти и интеллекта с симптоматикой распада личности. Очень опасны неврологические нарушения у детей – гиперактивность, ухудшение показателей психического развития, снижение работоспособности к обучению.

Отравления свинцом и его солями вызывает поражение десен, расстройство кишечника, заболевания почек.

Соединения свинца обладают канцерогенностью и генотоксичностью – они могут вызвать мутации, нарушая третичную структуру и функции ферментов синтеза и репарации ДНК.

По результатам официальной статистики среди профессиональных интоксикаций свинцовая занимает первое место.

Среди рабочих, страдающих от воздействия свинца, около 40% составляют женщины. Для женщин свинец представляет особую опасность, так как этот элемент обладает способностью проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке.

Дети Основным показателем воздействия свинца на здоровье детей является уровень его содержания в крови, причем происходит постоянный пересмотр рекомендуемого нормативного содержания свинца в крови. Результаты ряда крупных международных и национальных проектов подтвердили, что при увеличении концентрации свинца в крови ребенка с 10 до 20 мкг/л происходит снижение коэффициента умственного развития (IQ).

Допустимый уровень содержания свинца в волосах - 8-9 мкг/г.

Эффекты воздействия cвинца на здоровье детского населения рассмотрены по отдельным системам организма, на состояние которых этот металл оказывает наиболее выраженное влияние.

У маленьких детей изменения психомоторных реакций связывают с повышенным поступлением свинца в организм при облизывании пальцев рук и игрушек, побывавших на загрязненной почве. Для детей школьного возраста характерно изменение показателя IQ. Влияние свинца проявляется также в изменениях двигательной активности, координации движений, времени зрительной и слухомоторной реакции, слухового восприятия и памяти. Эти изменения в психоневрологическом статусе ребенка возможны и в старшем возрасте, что выражается в трудностях обучения и поступления в высшие учебные заведения.

Воздействие свинца вызывает определенные изменения в сердечно сосудистой системе. Патогенез поражения сердца при действии свинца связывается с поражением митохондрий, в частности с ингибированием поглощения ионов кальция.

Среднее прогнозное содержание свинца в крови детей для городов, имеющих невысокое содержание свинца в окружающей среде близко к контрольному нормативу (10 мкг/л). В городах с высоким содержанием свинца в окружающей среде этот норматив может быть превышен почти вдвое.

Расчеты вклада путей поступления в формируемую свинцовую нагрузку для детей, проживающих в городах России, показали преобладающую роль загрязнения продуктов питания: более 85% от общего поступления свинца в организм.





Однако данные о загрязнении продуктов питания, используемых в рационе детей в России, весьма противоречивы. Поэтому необходим дополнительный анализ содержания свинца в продуктах питания. Важно внимательно следить за содержанием свинца в продуктах питания, чтобы предотвратить отравления свинцом, как в России, так и во всем мире.

Свинец в пищевом сырье и продуктах питания Экспериментально доказаны факты аккумуляции свинца растениями, произрастающими на почвах, загрязненных выбросами промышленных предприятий.

Концентрация свинца в таких растениях может превышать допустимые значения от 2 до 100 раз. Отмечено, что количество свинца на поверхности и внутри растений зависело от места, времени, направления ветров, регулярности осадков, свойств поверхности листьев и других причин. В растительное сырье, в том числе зерно, овощи и фрукты свинец попадает из почвы также с удобрениями, водой, частично вносится средствами химической защиты растений.

Выхлопные газы, как уже говорилось, являются важнейшим источником свинца. Многие данные свидетельствуют о резком возрастании содержания свинца в растениях, выросших по краям автострад (в среднем в 10 раз). При этом установлена прямая зависимость содержания свинца в плодах и ягодах от длительности воздействия выхлопных газов и плотности транспорта на дорогах.

Следует обратить внимание на то, что речь идет в основном об их поверхности. При химическом анализе вымытых и невымытых плодов оказалось, что от 30 до 65% свинца удалялось путем обычной мойки.

По данным американских исследователей, основным источником свинца в консервированных продуктах является жестяные банки, которые используются для упаковки 10-15% консервной продукции. Использование свинцового припоя в швах банок и для закрытия выпускных отверстий было причиной попадания свинца в различные консервы, в том числе сгущенные молочные продукты для детского питания. В последние годы в связи с усовершенствованием методов пайки и закатки банок содержание свинца заметно снизилось. Однако при длительном хранении в жестяных банках продуктов, имеющих высокую кислотность - компотов, соков, маринадов, томатопродуктов - из-за частичной коррозии содержание свинца и других металлов может превышать ПДК. Например, при хранении разных видов консервов в жестяных банках в течение 24 мес. содержание свинца возросло в мясе в 2 раза, в горошке - в 4, в персиках в 8 раз.

Следует отметить, что соли свинца могут попадать в пищу в случаях, когда металлическая или керамическая посуда и оборудование покрыты эмалью, глазурью и другими материалами с повышенным содержанием свинца.

Иногда источниками свинца являются также некоторые виды пищевого сырья, способного к сорбированию повышенных количеств тяжелых металлов, в том числе свинца. Это моллюски, креветки и другие морепродукты, особенно при обитании их в загрязненных водоемах.

Интенсивное накапливание металлов наблюдается постоянно в грибах, а также в печени, почках и других внутренних органах животных по сравнению с мышечной тканью.

Источниками избыточного загрязнения свинцом винограда и вин служат свинцово-мышьяковистые инсектициды (СМИ), применяемые на виноградниках.

Например, исследование сухих вин, изготовленных на 14 винзаводах США, показало, что при использовании СМИ на виноградниках содержание свинца в винах составило в среднем 0,31 мг/л. В аналогичных винах из винограда, выращенного без применения СМИ, содержание свинца не превышало 0,03 мг/л.

В настоящее время в нашей стране для основных видов сырья и продуктов питания приняты следующие временные ПДК по свинцу: зерно, зернобобовые, мука 0,5 (в сырье для производства детского и диетического питания - 0,3);

овощи свежие и свежемороженые - 0,5;

фрукты, ягоды свежие и свежемороженые - 0,4;

консервы овощные в разной таре - 0,5-1,0;

консервы, фруктовые и ягодные - 0,4-1,0;

продукты для детского питания - 0,05-0,3;

вина и пиво -0,3.

Важно учитывать, сколько свинца содержится в каждом из продуктов, а также то, что при консервировании содержание свинца в продуктах увеличивается.

Свинец, как было уже выше сказано, оказывает пагубное влияние на все живые организмы, в том числе и на организм человека. При отравлениях свинцом возможен и летальный исход.

Полученные данные заставляют задуматься над тем, насколько сильно загрязнены улицы нашего города, пища, которую и вода, которые мы употребляем свинцом, и что необходимо сделать, для того чтобы уменьшить это загрязнение. Может, необходимо посадить больше деревьев, может, уменьшить использование этилированного бензина для автомобилей, может, создать какой-либо другой барьер. Но это уже другая работа.

Методы элементного анализа, их преимущества и недостатки В настоящее время существует огромное количество методов, позволяющих опеределять содержание токсичных элементов в пищевой продукции. Все они делятся на три основных группы: физические, физико-химические и химические. Физические основаны на измерении каких-либо параметров веществ — плотности, показателя преломления, способности атомов поглощать свет определенной длины волны. К ним относятся рефрактометрический, атомно-абсорбционный, атомно-эмиссионный, спектрофотометрический и фотометрический анализ. Физико-химические базируются на наблюдениях за изменениями физических свойств веществ, которые происходят в результате химической реакции — это анализы колориметрический, кондуктометрический, хроматографический и пр. И, наконец, химические опираются на способность веществ вступать в химические взаимодействия — это различные тест методы, титриметрический, гравиметрический анализы.

Токсические элементы в пищевой продукции могут присутствовать в очень малых концентрациях, поэтому необходимо выбирать методы анализа с низким пределом обнаружения и высокой селективностью (избирательностью). Этим критериям соответствуют в первую очередь инструментальные методы — физические и физико химические. Однако они, как правило, предполагают сложную пробоподготовку продукции (например, кислотное озоление) и наличия специфических, зачастую редких реактивов.

К преимуществам химических методов можно отнести простоту, быстроту и экономичность при достаточно низких пределах обнаружения и чувствительности.

Основной характеристикой чувствительности выбранного метода исследования является минимальная концентрация вещества в растворе. Это такая концентрация, при которой еще возможно определение данного вещества при помощи данной реакции.

Например, обнаружение ионов К+ возможно при их концентрации в растворе не меньше 1 г на 10000 мл.

Все перечисленные методы можно применять для исследования качественного или количественного состава веществ.

Качественный анализ состоит в «открытии», обнаружении вещества (или его ионов), и отвечает на вопрос «какой?».

Количественный анализ заключается в определении количественного содержания вещества и отвечает на вопрос «сколько?».

Как правило, в аналитической практике качественный анализ предшествует количественному, т.е. сначала определяют какое вещество содержится в исследуемом образце, а потом уже — сколько.

Актуальность, рабочая гипотеза, цели и задачи исследования Актуальность: загрязнение продуктов питания, в частности, фруктов и овощей химическими элементами-токсикантами представляет угрозу для здоровья людей. В связи с этим возникает необходимость обнаружения и предотвращения данной угрозы.

Рабочая гипотеза: мы предположили, что возможно подобрать быстрый, простой и экономичный химический метод определения свинца в продукции растениеводства.

Цель 1-го года исследований: найти реакцию, в которой ионы Pb2+ обнаруживаются при их минимальной концентрации в растворе и разработать метод определения содержания свинца в растительной продукции.

Цель 2-го года исследований: с помощью разработанного метода определить наличие или отсутствие свинца во фруктах и ягодах, растущих вдоль автомобильных дорог, на некотором расстоянии от них, а также приобретенных в магазинах и на рынках.

Задачи 1-го года исследований:

1. По таблице растворимости определить ионы, с которыми ионы Pb2+ образуют осадки и определить наиболее эффективный осадитель 2. Приготовить маточный раствор хорошо растворимой соли свинца с исходной концентрацией Pb2+ = 0,1 моль/л.

3. Путем кратных разбавлений приготовить шкалу растворов, в которых концентрации ионов Pb2+ будут составлять 10-2, 10-3, 10-4, 10-5 и 10-6 моль/л.

Провести ряд капельных реакций ряда растворов соли свинца с растворами 4.

солей, образующих с ним осадки, и выявить наименьшие концентрации ионов Pb2+, которые можно обнаружить с их помощью.

5.

Практическая часть Выбор осадителя В соответствии с таблицей растворимости нерастворимыми являются следующие соли свинца: фторид PbF2, иодид PbI2, сульфид PbS, сульфат PbSO4, карбонат PbCO3, фосфат Pb3(PO4)2. Следовательно, если взять хорошо растворимую соль, имеющую в своем составе нужный нам анион, то в результате обменной реакции с раствором соли свинца, моделирующим загрязнение, можно получить осадок и визуально определить наличие свинцового загрязнения.

Однако малорастворимое соединение выделяется в осадок, если в растворе достигаются такие концентрации ионов, входящих в состав этого соединения, что произведение этих концентраций, взятых в степенях их стехиометрических коэффициентов, в уравнении реакции растворения KtxAny xKty+ + yAnx- превышает произведение растворимости.

Произведение растворимости (ПР) — это константа при данной температуре.

Оно равно произведению концентраций ионов в насыщенном растворе малорастворимого сильного электролита. Показатели степени для концентраций, входящих в ПР равны коэффициенту при соответствующем ионе в уравнении диссоциации электролита.

Например, в насыщенном растворе PbI2 между осадком и раствором 2+ существует равновесие: PbI2 Pb + 2I Тогда ПР(PbI2) = [Pb2+][I-]2, где [Pb2+] и [I-] - равновесные концентрации ионов в насыщенном растворе.

Насыщенный раствор — это раствор, в котором при данной температуре концентрация растворяемого вещества максимальна, т.е. больше уже данное вещество перейти в раствор не может. Таким образом, в насыщенном растворе на дне наблюдается осадок вещества, который находится в равновесии со своим раствором.

Используя справочник физико-химических величин нашли произведения интересующих нас солей: ПР (PbF2) = 3,2*10-8, ПР (PbI2) = 8,7*10-9, ПР (PbS) = 1*10-29, ПР (PbSО4) = 1,6*10-8, ПР (PbСО3) = 8*10-14, ПР (Pb3(PO4)2.) = 8*10-43. Произведения растворимости — величины безразмерные.

Однако, для выбора оптимального осадителя ориентироваться по величине ПР нельзя. Для этого необходимо рассчитать растворимость вещества L.

x y ПР / x x y y, где x и y — Растворимость рассчитывается по формуле: L= стехиометрические коэффициенты ионов.

Расчет растворимости выбранных солей:

3,2 10 8 / 22 11 = 210-3 моль/л.

L PbF2 = 1 L( PbI2) = 1,310-3 моль/л L ( PbS) = 3,1610-15 моль/л L (PbSО4) = 1,310-4 моль/л L (PbСО3) = 410-7 моль/л L (Pb3(PO4)2.) = 210-9 моль/л.

Как видно из рассчетов, наименьшей растворимость обладает сульфид свинца PbS: осадок начинает образовываться уже при концентрации каждого из ионов 3,1610- моль/л. А это следовые концентрации!

Следовательно, лучшим осадителем для ионов свинца Pb2+ будет какая нибудь хорошо растворимая соль сероводородной кислоты — например, сульфид натрия.

Приготовление растворов нитрата свинца В качестве моделирующего загрязнения мы приготовили растворы нитрата свинца различных концентраций.

Сначала приготовили исходный раствор: молярная масса Pb(NO 3)2 составляет 331 г/моль. На технических весах взяли 33,10 грамма хорошо просушенной соли, с помощью сухой воронки перенесли её в стандартную колбу объемом 1 л, растворили в достаточном количестве дистилированной воды. довели раствор до метки и тщательно перемешали.

Затем приготовили шкалу растворов: с помощью стандартной пипетки Мора и резиновой груши отобрали 10 мл исходного раствора соли свинца (аликвоту) и поместили в стандартную колбу на 100 мл. Дистиллированной водой довели раствор до метки.

Тщательно перемешали. Получили раствор с концентрацией Pb2+ = 10-2 моль/л. Из этого раствора отобрали аликвоту 10 мл, также поместили в стандартную колбу на 100 мли также довели раствор дистиллированной водой до метки. Концентрация ионов Pb2+ в данном растворе уже составила 10-3 моль/л. Последовательно разбавляя таким образом приготовленные растворы, получили концентрации 10-4, 10-5 и 10-6 моль/л.

Определение наименьшей концентрации ионов свинца в растворе Мы провели простой капельный анализ.

В пять пронумерованных пробирок налили по 1 мл растворов нитрата свинца разных концентраций от 10-1 до 10-6 моль/л. Сначала в каждую добавили по 1 капле свежеприготовленного сульфида натрия. Наблюдали выпадение черного осадка PbS в растворах с концентрациями 10-1, 10-2 и 10-3 моль/л. В растворе с концентрацией 10- моль/л осадок выпал после добавления пятой капли осадителя. В растворах с концентрациями 10-5 и 10-6 моль/л осадок не образовался.

Итак, минимальная концентрация Pb2+, которую можно обнаружить с помощью осадителя Na2S равна 10-4 моль/л.

Перевод молярной концентрации в массовую.

Масса (Pb2+) = (Pb2+)М(Pb2+) = 10-4 моль/л107 г/моль = 0,0207 г/л или 20, мг(Pb2+)/л.

Если считать, что в нашем моделирующем растворе с концентрацией 10- моль/л плотность раствора практически равна плотности воды 1 г/мл, то очевидно, что с помощью осадителя сульфида натрия капельным методом можно определить те фрукты и овощи, в которых содержание свинца будет 20,7 мг/кг и больше.

Это, конечно, очень высокое содержание, превышающее ПДК почти в 40 раз.

Но у нас и цель работы состоит в том, чтобы научиться определять свинцовое загрязнение в растительной продукции. К сожалению, концентрации свинца, близкие к ПДК (0,5 мг/кг) нашим методом определить не удалось, хотя по литературным данным сульфид натрия является очень чувствительным реагентом и способен выявлять даже следовые концентрации свинца.

Заключение 1.Фрукты и овощи, выращиваемые вблизи автомобильных дорог, представляют угрозу здоровью людей. Свинец является одинм из наиболее опасных загрязнителей.

Необходимо научиться определять свнцовое загрязнение в растительной продукции.

2.Для обнаружения свинцового загрязнения существует много методов. Но они либо очень трудоемкие, либо дорогостоящие. Однако определение можно проводить и простым капельным химическим методом.

3.Катионы свинца (II) дают осадки со многими анионами, но наименьшая растворимость у сульфида свинца, следовательно, в качестве осадителя можно использовать сульфид натрия — хорошорастворимую соль сероводородной кислоты.

4.С помощью раствора сульфида натрия можно определить содержание свинца в растительной продукции, если оно не меньше 20,7 мг/кг.

Список использованной литературы.

1. Гос. Комитет РФ по охране окружающей среды. Давыдова С.В. «Доклад о свинцовом загрязнении окружающей среды и его влиянии на здоровье населения» Зеленый мир [Книга]– 1997 - № 2. Автомобиль /Под. ред. И. П. Плеханова /. –М.: Просвещение [Книга]1984.

3. Завьялов А.В. КМА и здоровье детей. «Экология и жизнь», [Книга] 1997 - №, 1998 – № 1.

4. «Для тех, кто обучает» Тетраэтилсвинец [Книга].

5. Николаев Л. А. Металлы в живых организмах [Книга].

6. Рувинова Э.И. Загрязнение среды свинцом и здоровье детей.

«Биология»[Книга]1998 - № 8 (февраль) 7. В. Муцетони Свинец на цветах. «Юный натуралист», [Книга]1990 - № 8. Сергеева З.В. Справочник нормировщика. - М.: Россельхозиздат, [Книга] 9. Справочник по планированию и экономике сельскохозяйственного производства. – М.: Россельхозиздат, [Книга] 10. Ставропольский край в цифрах [Книга]1998 год. Статистический сборник.

11. Цыбин В.С.,Галашин В.А. Легковые автомобили [Книга] –М.: Просвещение, 1993.

«Хранение и переработка сельхозсырья» [Книга]№ 7, 12.

Савлаев Руслан, Серебряков Никита, Русс Тимофей, Бажин Егор, 7 класс, ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ В ПОЛЕ ТЯЖЕСТИ ЗЕМЛИ Руководитель: Пономарев А.А.

1. Введение Данная работа посвящена исследованию механики (кинематики и динамики) движения тела. Цель работы: изучить движение тела в однородном поле тяжести, используя расчетно-теоретический и экспериментальный подходы.

Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

Вывести основные соотношения для движения тела в однородном поле тяжести;

описать влияние воздушной атмосферы на полет тела.

Получить траекторию движения тела в однородном поле тяжести;

учесть влияние воздушной атмосферы и рассчитать траекторию движения с помощью метода Ньютона.

Создать экспериментальную установку, с помощью которой можно запускать снаряд (шар) с заданной скоростью под заданным углом к горизонту.

Измерить дальность полета шара в эксперименте и провести интерпретацию полученных экспериментальных данных.

Исследовать траектории полета птиц в игре «Angry birds», применить к ним имеющиеся соотношения из механики движения тела.

2. Теоретические основы механики движения тела 2.1. Основные определения и формулы Механика - раздел физики, изучающий движение материальных тел и взаимодействие между ними. Движением в механике называют изменение во времени положения тел или их частей в пространстве [1]. Все исследования, проводимые в данной работе, находятся в рамках классической механики, т.е. рассматриваются макрообъекты, движущиеся со скоростями гораздо меньшими, чем скорость света.

Для описания движения тел, если это дополнительно не оговорено, будет использоваться модель материальной точки. Материальная точка - это идеальное тело, размеры которого считаются бесконечно малыми по сравнению с другими размерами в рассматриваемой задаче. Положение материальной точки в пространстве определяется как положение геометрической точки.

Чтобы описывать движение тела необходимо ввести понятие системы отсчета.

Система отсчета - это совокупность системы координат и "привязанным" к данной системе координат часам. Обычно для описания пространственного положения тела используется декартова прямоугольная система координат, где координатные оси перпендикулярны друг другу.

Пусть тело из точки А переместилось в точку В (см. рис. 1). Тогда перемещением тела s называется вектор A B. Траекторией материальной точки называется линия в пространстве, представляющая собой множество точек, в которых находилась, находится или будет находиться материальная точка при своем перемещении в пространстве. Таким образом, траекторией движения тела на рис. 1 является кривая АВ. Положение материальной точки в каждый момент времени определяется радиус-вектором r, начало которого совпадает с началом координат, а конец - с положением материальной точки.

Рис. 1. Траектория движения и перемещение тела Скорость векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направления движения материальной точки в пространстве относительно выбранной системы отсчета:

s r 2r V 1, (1) t t где t - время, за которое тело переместилось из точки А в точку В (см. рис. 1).

Строго говоря, формульное определение, данное выше, соответствует средней скорости на всем участке АВ. Однако очевидно, что скорость на протяжении относительно длинного участка пути может изменяться. Чтобы определить, как изменяется скорость при движении тела, нужно разбить весь путь на небольшие участки и найти среднюю скорость на этих участках. Чем меньше участки, тем точнее можно получить зависимость скорости от времени, прошедшего с начала движения, или от текущего положения тела.

Аналогично скорости вводится ускорение тела. Ускорением называется векторная величина, характеризующая темп изменения скорости тела:

V V a 2 1, (2) t где V1,V2 - скорости тела в начальный и конечный момент времени движения, t время движения. Для получения подробной зависимости ускорения от времени необходимо также дробить весь пройденный телом путь на короткие участки и находить среднее ускорение по формуле (2) на этих участках.

2.2. Равноускоренное движение тела. Движение тела в поле тяжести Земли.

Частным случаем движения тела является равноускоренное движение, при котором ускорение тела все время имеет одну и ту же величину и направление.

Выберем направление координатной оси x так, чтобы оно совпадало с направлением вектора ускорения. Пусть также скорость в начальный момент времени t=0 с совпадает по направлению с ускорением и равняется V 0 V0, а положение тела в начальный момент времени соответствует координате x0 x0. Тогда, по формуле (2), можно получить, что в некоторый момент времени t скорость будет равна:

V at Vt 0. (3) Поскольку скорость нарастает линейно, то для определения координаты тела в момент времени t можно использовать значение средней скорости за этот промежуток времени: V /.

ср 0 t VV V t at Таким образом, можно получить теперь по формуле (1), что:

x 0 t at x 0 V V.

срt x t (4) Формулы (3) и (4) являются основными для описания параметров тела в случае равноускоренного движения.

Движение тела у поверхности Земли (в практически однородном поле тяжести) является равноускоренным, поскольку ускорение, которое испытывает тело, представляет из себя ускорение свободного падения g, направленное вертикально вниз и равное по величине 9,8 м/с2.

Направим ось OХ горизонтально, а ось OУ - вертикально вверх (см. рис. 2). В этом случае проекции ускорения на координатные оси выглядят следующим образом:

a ;

a g Применим далее формулы (2) и (3) для определения зависимостей.

x 0y компонент скорости от времени:

x x y, V V V V gt 0;

(5) oy где V V y V 0, 0sin cos V - компоненты начальной скорости движения тела, x - угол вектора начальной скорости к горизонту.

Чтобы найти зависимость координат точки от времени необходимо применить формулы (2) и (4). Таким образом, получаем:

gt x 0V V 0;

y 0, x xy0 y t t (6) где ( x0, y0 ) - координаты тела в момент времени t=0c.

Рис. 2. К выводу формул (5) и (6).

2.3. Влияние воздушной атмосферы на движение тела Соображения, приведенные в п. 2.2, и, соответственно, формулы, полученные там же, верны в следующих приближениях: 1) поверхность земли является горизонтальной (т.е. расстояния достаточно малы и можно было пренебречь сферичностью поверхности);

2) поле тяжести однородно;

3) отсутствует атмосфера (или любая другая окружающая среда). Первые два приближения достаточно неплохо выполняются на небольших расстояниях. Влияние окружающей воздушной атмосферы на полет тела необходимо исследовать дополнительно, что и будет проделано ниже.

Прежде всего необходимо понять, какое движение возникает в воздухе во время полета в нем какого-нибудь тела. Здесь следует упомянуть так называемый принцип взаимности, который следует из преобразований Галилея: для определения аэродинамической силы, действующей на тело, можно рассматривать как движение тела в изначально покоящемся газе, так и обтекание неподвижного тела газом, движущимся со скоростью, равной скорости тела. В дальнейшем в зависимости от того, что более удобно, будут использоваться оба подхода.

Изучим для примера поперечное обтекание длинного круглого цилиндра [2, 3].

Если скорость натекающего газа мала, то картина обтекания практически симметрична (см. рис. 3а). Можно показать, что в таком случае сила сопротивления, действующая на цилиндр со стороны газа, равна нулю. Данный факт называется парадоксом Даламбера.

Тем не менее, согласно многочисленным экспериментальным данным, практически всегда сила сопротивления движению тела не равна нулю. Это связано с тем, что при увеличении скорости натекающего газа картина течения существенным образом меняется (см. рис. 3б). С подветренной стороны цилиндра образуются два вихря, при этом давление с подветренной стороны становится ниже, чем с наветренной. Образующийся перепад давлений порождает силу, которая и является силой аэродинамического сопротивления.

Следует сказать, что при дальнейшем увеличении скорости натекания газа картина течения продолжает эволюционировать. Два вихря, расположенные у подветренной поверхности цилиндра, начинают по очереди "отрываться" и двигаться вместе с потоком газа. Образуется так называемая "дорожка Кармана" (см. рис. 3в).

б а в Рис. 3. Картины поперечного обтекания длинного круглого цилиндра потоком газа различной скорости.

Vd - плотность Картину течения характеризует число Рейнольдса: Re, где газа, V - скорость газа относительно тела, d - диаметр цилиндра (в общем случае, характерный размер тела), - динамическая вязкость газа. Согласно исследованиям, при Re 1 образуются вихри и, следовательно, возникает аэродинамическая сила сопротивления.

В эксперименте, проводимом в работе (см. п. 4.2), изучается движение шара в воздушной атмосфере. Картина обтекания шара отличается от картины обтекания цилиндра. Изобразить ее на плоскости достаточно сложно, поскольку она существенно трехмерная. Тем не менее, основные зависимости для силы сопротивления сохраняются.

Силу сопротивления можно определить по формуле:

V FCS, (7) где S - площадь Миделя, C - коэффициент, который определяется картиной течения. Зависимость коэффициента C от числа Рейнольдса Re изображена на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость коэффициента С от числа Рейнольдса Re 2.4. Расчетный метод Ньютона.

Во многих случаях оказывается невозможным получить конечное аналитическое решение поставленной задачи. В подобных случаях единственный выход – искать численное решение исходных уравнений, применяя тот или иной численный метод. Ниже будет рассказано о расчетном методе Ньютона.

Полное описание расчетного метода Ньютона с необходимыми доказательствами в данном пункте нецелесообразно, поскольку он используется исключительно для расчета траектории полета шара в однородном поле тяжести в воздушной атмосфере.

Проиллюстрируем применение метода Ньютона в данном конкретном случае.

Предположим, что в начальный момент времени t=0 с положение шара и его скорость известны: x x0, V 0 y 00yyСила, действующая на шар, 0, 0xx V y V, V.

складывается из силы тяжести, направленной вертикально вниз, и аэродинамической силы сопротивления, направленной противоположно скорости движения шара (см. рис. 5):

F m сопр m - масса шара.

g F, где Рис. 5. Силы, действующие на тело в полете.

Найдем ускорение шара из второго закона Ньютона: F ma. Таким образом, Vx y 22 VV VV V V V ;

y xy xy. (8) x aCS CS g a CS x m Vm 2m Площадь Миделя шара S R 2, где R - радиус шара.

Принцип, заложенный в расчетном методе Ньютона, заключается в том, что за очень малый промежуток времени параметры полета меняются слабо, поэтому можно пренебречь изменением некоторых из них. Сразу следует оговориться, что данные метод приближенный, т.е. выдает неточные результаты. Тем не менее, появляется возможность провести расчеты на компьютере и выбрать шаг по времени настолько малый, чтобы была достигнута необходимая точность вычислений.

Итак, зная параметры полета шара в начальный момент времени, нужно рассчитать те же самые параметры в следующий момент времени, когда прошел малый промежуток времени t. Обозначим параметры в следующий момент времени индексом «1». Согласно принципу, заложенному в методе Ньютона, полагаем, что за t ускорение не успевает измениться, поэтому вычисляем значения проекций ускорения на координатные оси по формулам (8), при этом проекции скоростей берутся в начальный момент времени. Считая ускорение постоянным, определяем, как изменилась скорость, а затем и перемещение тела по формулам (5) и (6). Окончательно получаем следующую цепочку вычислений:

0 V 0y 2 V 0V 0 CS a x x 1 0 x V V ax t 2m x x 0y V 0y 1 0y 0y VVa t 2 V 0V y 0 g CS ay x m (9) 1 V ax t 2 V1V 1 CS 1 0 0 a x x y x xVt x x 2 m...

ay t 1 V 2 V1V 1 0 0 1 g CS a y x y y yVt y y m Проводя вычисления по данной цепочке далее, можно определить траекторию движения шара, при этом чем меньше величина t, тем ближе расчетная траектория к истинной.

3. Расчетно-теоретические исследования особенностей движения тела, брошенного под углом к горизонту, в поле тяжести Земли 3.1. Траектория движения тела в однородном поле тяжести Воспользуемся формулами (6) для определения траектории движения материальной точки в однородном поле тяжести в отсутствии окружающей атмосферы.

Выразим t из первого уравнения (6) и подставим полученное выражение во второе уравнение:

x x g V ;

0 0 x V xx xx x.

y V x 0 2 x y 0 y g x y t 0oy V V V2 V x 0 x 0 x x (10) Как видно из второго уравнения (10), траектория движения представляет собой параболу. Несколько траекторий, рассчитанных для различных начальных условий, приведены на рис. 6.

y, м y, м 22 alfa= h=10 м 14 alfa= h=15 м alfa= h=20 м 16 x, м 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 14 x, м Б а y, м V0=8 м/с 14 V0=10 м/с V0=12 м/с 16 x, м 0 2 4 6 8 10 12 в Рис. 6. Траектории движения материальной точки в однородном поле тяжести: а) V0 =10 м/с, =60°, начальная высота h меняется;

б) h=10 м, V0 =10 м/с, угол меняется;

в) h=10 м, =60°, начальная скорость V0 меняется.

3.2. Траектория движения тела в однородном поле тяжести с учетом влияния воздушной атмосферы Для определения искомой траектории движения шара с учетом влияния воздушной атмосферы необходимо провести вычисления по цепочке (9).

В качестве предварительной проверочной работы были проведены расчеты по методу Ньютона без учета влияния воздуха. Логично ожидать в этом случае, что расчетные траектории будут совпадать с истинной, поскольку в целом движение равноускоренное, поэтому дробление всего пути на малые участки и применение к ним формул для равноускоренного движения равносильно применению этих же формул для всего полета. Результаты расчетов представлены на рис. 7.

3, y, м 0, 0, Истинная 2, 1, 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 x, м Рис. 7. Траектория движения шара в однородном поле тяжести (аналитическая и расчетные кривые совпадают).

Далее проводится расчет траектории движения шара уже с учетом влияния атмосферы. Однако для проведения данных вычислений не достаточно данных, поскольку коэффициент С не известен.

Особый интерес вызывает определение траектории движения для случая, реализуемого в эксперименте (см. п. 4.2). По оценкам, полученным на основе экспериментальных данных, скорость шара составляет около 4 м/с. Определим число Vd,, Рейнольдса для данного случая: Re. Обращаясь к графику на рис.

1, 4, видим, что в данном диапазоне, коэффициент С практически не меняется. Можно принять, что С=0,6. Результаты расчета траектории движения шара с учетом влияния атмосферы приведены на графике (рис. 8).

3, y, м 0, 0, 0, 2, без воздуха 1, 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1, x, м Рис. 8. Расчетные траектории движения шара с учетом и без учета влияния атмосферы для разных шагов по времени.

Относительная разница между величинами дальности полета, рассчитанными для различных шагов по времени. не превышает 0,06%. Из графика видно, что наличие атмосферы, безусловно, влияет на траекторию движения шара, однако на расстояниях, характерных для эксперимента, это влияние достаточно мало (около 1%), и, следовательно, им можно пренебречь.

4. Экспериментальное исследование движения тела в поле тяжести Земли 4.1. Состав, назначение и характеристики экспериментальной установки Основным назначением экспериментальной установки является придание некоторому телу заданной начальной скорости, а также угла наклона начальной скорости к горизонту. В качестве простейшего прообраза экспериментальной установки выступает обычная рогатка.

После предварительной проработки проекта была создана следующая установка (см. рис. 9). В края доски 1 с плоской (по уровню) поверхностью вкручены два самореза 2, к которым прикреплена полоска резины 3. В низу доски 1 расположен спусковой механизм 4, который «взводится» и позволяет выстреливать по нажатию на него. В качестве снаряда выбран пластиковый полнотелый шар 5, диаметром 4 см и массой около 30 г. Для более надежного фиксирования шара перед выстрелом на резиновую полоску одета более широкая кожаная полоска 6. Поскольку растяжение резиновой полоски осуществляется на одну и ту же величину, то предполагается, что шар будет ускоряться до одной и той же скорости. С обратной стороны доска 1 крепится к подставке 7 с помощью шарниров 8, которые позволяют устанавливать поверхность доски под разными углами к горизонту.

При этом нижняя часть доски всегда опирается на землю.

Рис. 9. Схема экспериментальной установки: 1 – доска;

2 – саморезы;

3 – резиновая полоска;

4 – спусковой механизм;

5 – снаряд (шар);

5 – кожаная полоска;

6 – подставка;

7 – шарниры.

4.2. Результаты экспериментов. Пересчет начальной скорости полета снаряда Все измерения в эксперименте производились с помощью измерительной рулетки или линейки. Измерялись следующие величины (см. рис. 10): H, H, L S,.

1 Рис. 10. Схема проведения эксперимента.

В основном, эксперименты проводились на ровной поверхности, однако при наличии небольших неровностей они учитывались. Было проведено две серии экспериментов. Каждая серия состояла из экспериментов, проводимых для разных углов наклона доски к горизонту. В рамках одного положения по отношению к горизонту запуски повторялись несколько (от трех до пяти) раз. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты экспериментальных данных (в см).

№ эксп Sсредн H1 S1 S2 S3 S4 S5 H 1 6,1 74 84 75 79 78 78 7, 2 8,5 87 100 93 91 91 92,4 10, 3 13,5 119 122 115 120 120 119,2 4 18 108 116 119 121 121 117 19, 5 23,5 121 153 140 139 139 138,4 1 6,1 80 80 80 80 7, 2 9,4 107 107 108 108 107,5 3 13,5 130 130 130 4 19,9 173 175 177 175 21, 5 24,9 200 202 205 204 202,75 26, Для интерпретации полученных экспериментальных данных было решено решить обратную задачу, т.е. по дальности полета шара определить его начальную скорость. Итак, известны координаты начала движения тела 0, H 2, а также угол наклона начальной H скорости к горизонту sin, а также дальность полета S. Кроме того, судя по L результатам расчетов, приведенных в п. 3.2, влиянием атмосферы можно пренебречь.

Следовательно, используем формулы (6), помня при этом, что V V y V 0, 0sin cos V.

x gt Тогда получаем, что x0 t V t.

;

H V y 2 0 Выразим t из первого уравнения cos sin и подставим во второе:

2 V gx sin x gx x yo 2 2 H 2.

t ;

2 H xtan cos V cos V cos V Vcos 0 o Когда шар упадет, его ордината у станет равна нулю, а абсцисса – дальности полета S. Зная этот факт, найдем Vo :

2 gS gS H 2 2 0 tan S V cos S. (11) 2V 2H costan 0 Результаты пересчета начальной скорости по дальности полета приведены на графике (рис. 11). Глядя на график, можно сделать вывод, что начальная скорость, приобретаемая шаром, составляет примерно 4 м/с. Также при значении величины угла большем, чем 20°, появляется сильный разброс начальных скоростей, который объясняется тем, что снаряд в пусковом устройстве каждый раз размещается несколько по разному.

4, V0, м/с 4, 1 серия 3, 2 серия 3, 3, 3, 5 10 15 20 25 30 35 alfa Рис. 11. Зависимость начальной скорости шара от угла наклона плоскости к горизонту.

5. Применение теоретических основ механики движения тела в однородном поле тяжести для игры "Angry birds" 5. Физика игры "Angry birds" 5.1. Описание игры "Angry birds" Предыстория сюжета игры проста [4]: свиньи украли яйца из гнезд птиц, птицы, соответственно, отправляются мстить за нанесенный урон. Однако месть их реализуется весьма экстравагантным методом. В то время, как свиньи прячутся за деревянными, стеклянными или каменными (в зависимости от уровня) конструкциями, птицы «заряжаются» в рогатку, выстреливаются и летят к свиньям, прошибая, по всей видимости, весьма прочной головой все препятствия. Цель: поразить всех свиней.

Количество доступных птиц в каждом уровне ограничено. Начальной скоростью и углом наклона вектора начальной скорости к горизонту управляет в ручном режиме игрок.

С точки зрения проводимых исследований весьма интересно изучить траекторию полета птицы и узнать, соответствует ли она траектории полета тела в однородном поле тяжести.

5.2. Определение траектории полета птиц и сопоставление их масс Функционал игры позволяет нам работать с траекториями полета птиц. После пролета очередной птицы и до выстрела следующей на экране точечной линией отображается траектория полета. Сделав скриншот такого экрана, можно изучить траекторию полета. Нужно выбрать системы координат и определить абсциссы и ординаты точек траектории в каких-нибудь условных единицах, например, в пикселях (см.

рис. 12).

Рис. 12. Измерение параметров траектории полета птицы (белые точки – траектория).

Траектории полета для различных типов птиц приведены на рис. 13. В основном, все птицы летят по одной траектории, и только птица, названная нами в рабочем порядке «большой», имеет более низкую траекторию и, следовательно, ее начальная скорость ниже, чем у остальных.

Через точки траектории была проведена наилучшая кривая из класса кривых второго порядка. Как видно, коэффициент детерминации ( R 2 ) близок к 1. Таким образом, можно утверждать, что траектория полета представляет собой параболу, а полет птиц соответствует движению в поле однородном поле тяжести. Это означает, что траектория должна описываться формулами (10). Функционал программы MSExcel позволяет получить уравнение наилучшей кривой, коэффициенты которого можно соотнести с параметрами из уравнения (10).

y, пикс y = -0,0019x + 0,9432x + 10, R = 0, y = -0,0025x + 0,9604x + 5, 80 R2 = 0, Большая птица Обычная птица Аппроксимация (большая птица) Аппоксимация (обычная птица) x, пикс 0 50 100 150 Рис. 13. Траектории полета для различных типов птиц.

Как видно из уравнения траектории (10), свободный член может возникнуть только, если x0 или y0 не равны нулю. При измерениях система координат выбиралась таким образом, чтобы начало координат совпадало с местом начала полета. Тем не менее, птица – это достаточно крупный объект, поэтому погрешность в определении центра данного объекта привела к появлению свободного члена в уравнении траектории.

VV Таким образом, можно sin oy tan Коэффициент при x равняется.

VV cos x получить, что угол к горизонту, под которым бросили большую птицу, Б =43,8°, малую птицу М =43,3°.

g g Коэффициент при x, согласно уравнению (10), равен 2 2x 2.

V V0 cos Используя данные из графика (рис. 13) и величины углов, полученные выше, получаем:

0 g0,gКонечно, никак нельзя узнать, чему равно g, особенно в ;

2.

V 386 V Б М принятых нами условных единицах. Тем не менее, один интересный вывод сделать все таки можно. Предположим, что резина рогатки передает птицам одинаковую энергию. Эта mV энергия переходит в кинетическую энергию птицы. Значит, отношение масс птиц m V,g 2, т.е. большая птица на 30% тяжелее.

М Б, m V 386g М Б 6. Заключение В работе осуществлен комплексный (расчетно-теоретический и экспериментальный) подход к изучению движения тела в однородном поле тяжести. По результатам работы можно сделать следующие выводы.

Траектория движения материальной точки в однородном поле тяжести 1.

является параболой.

Погрешность расчета дальности полета тела по методу Ньютона при 2.

использовании шага по времени t =0,025с не превышает 0,06%.

При малых расстояниях полета (до 3 м) влияние окружающей атмосферы на 3.

траекторию полета шара пренебрежимо мало (около 1%).

Создана экспериментальная установка, способная бросать снаряд (шар) с 4.

одной и той же начальной скоростью при разных углах наклона вектора начальной скорости к горизонту (стабильно работает при углах до 20°).

Птицы в игре «Angry birds» двигаются, как тела в однородном поле тяжести, 5.

следовательно, к их полету можно применять соотношения из механики.

Показано, что, анализируя траекторию полета птицы, можно найти угол, под 6.

которым она была брошена;

определено, что большая птица на 30% тяжелее, чем все остальные.

Список литературы 1. Пинский А.А. Основы физики: В 2 т: Т. 1: Механика;

Молекулярная физика;

Электродинамика. 4-е переработанное издание. М.: 2001.

2. Широков Н.Н., Вознесенский Э.Н. Введение в механику жидкости и газа: [учеб.

пособие]. М.: МФТИ, 2007.

3. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Учеб. руководство: Для втузов.

5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит, 1991.

4. http://chrome.angrybirds.com/ .

Морозов Дмитрий, Щелкунов Даниил, 9 класс ЛЕВИТАЦИЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Руководители: Гуленко Т. Н., Морозов П.В.

Введение Цель нашей работы – изучить принципы магнитной левитации.

Наши задачи:

1. выяснить, на какой высоте от постоянного магнита располагается магнитная яма и исследовать зависимость высоты этой ямы от массы волчка.

2. провести аналогию между магнитной левитацией макрообъекта и классической диамагнитной левитацией, которая основана на одинаковых принципах и законах магнитного взаимодействия.

Левитация в магнитном поле С древних времен человека интересовал вопрос, может ли он заставить окружающие его предметы парить над землей. Этот вопрос заинтересовал и нас.

По преданию гроб пророка Мухаммеда держится, ничего не касаясь, в воздухе подземного мавзолея. Когда физики обнаружили левитацию сверхпроводника, то назвали этот эксперимент “Гроб Магомеда” Цель нашей работы – изучить принципы магнитной левитации.

Наша задача – выяснить, на какой высоте от постоянного магнита располагается потенциальная яма.

Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была найдена французским учёным Ампером. Наблюдая поведение магнитной стрелки вблизи проводника с током в опыте Эрстеда, Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами, текущими внутри земного шара. То есть, магнитные свойства вещества можно объяснить токами, циркулирующими внутри него. Далее Ампер выдвинул более общее заключение - магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем. Магниты используются в отображающих приборах с отклоняющейся стрелкой, например, амперметр. Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Свойства всех магнитов обусловлены наличием магнитного поля внутри них.

У любого магнита есть два полюса: северный и южный. Всякий магнит является диполем. Существуют не только магнитные, но и электрические диполи, состоящие из двух одинаковых по величине, но разных по знаку электрических зарядов, смещенных друг относительно друга – что-то вроде гантельки. Если ее переломить, в одной руке у вас окажется положительный заряд, в другой - отрицательный. Ничего такого не произойдет, если переломить магнит. Разломив магнит, вы получите два полноценных магнита.

Магниты широко используются в самых разных сферах деятельности человека.

Их свойствами уже давно интересуется мир. Уже в древнем Египте, Греции и Китае существовали верования в магические свойства магнитов. Например, Клеопатра носила на руке магнитный браслет, считая, что он помогает ей сохранить молодость.

Постоянный магнит — изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В качестве материалов для постоянных магнитов обычно служат железо, никель, кобальт, некоторые сплавы редкоземельных металлов, а также некоторые естественные минералы, такие как магнетиты. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.

Электромагнит — устройство, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Как правило, это катушка-соленоид, со вставленным внутрь ферромагнитным (обычно железным) сердечником с большой магнитной проницаемостью.

Применение магнитов:

Громкоговорители и микрофоны: большинство громкоговорителей используют постоянный магнит и токовую катушку для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук). Обмотка намотана на катушку, прикрепляется к диффузору и по ней протекает переменный ток, который взаимодействует с полем постоянного магнита.

Компасы: компас (или морской компас) является намагниченным указателем, который может свободно вращаться и ориентируется на направление магнитного поля, чаще всего магнитного поля Земли.

Искусство: виниловые магнитные листы могут быть присоединены к живописи, фотографии и другим декоративным изделиям, что позволяет присоединять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям.

Игрушки: Учитывая их способность противостоять силе тяжести на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках с забавными эффектами.

Магниты могут использоваться при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов и т.д.). Та же идея может быть использована в рамках так называемого «Магнитного испытания», в которой кузов автомобиля обследуется с магнитом для выявления областей, отремонтированных с использованием стекловолокна или пластиковой шпатлевки. Сейчас многие люди коллекционируют магнитики на холодильник.

Согласно гипотезе Ампера, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Сейчас мы уже знаем, что эти токи представляют собой движение электронов по орбитам в атоме. Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул, составляющих тело, то их взаимодействия взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. И наоборот: если плоскости, в которых вращаются электроны, параллельны друг другу и направления нормалей к этим плоскостям совпадают, то такие вещества усиливают внешнее магнитное поле Существует такой вид магнита как ферромагнетик, который усиливают действие магнитного поля. (эксперимент со стрелками) И диамагнетики (эксперимент с грифелем) ослабляют действие магнитного поля.

ЛЕВИТАЦИЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

Диамагнетики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля Диамагнетизм был открыт Майклом Фарадеем в 1846. Он оказался настолько слабым, что никто и не думал, что он может привести к какому–нибудь заметному эффекту.

Поля, достаточно сильные для подъема диамагнитных веществ, стали доступными в середине 20 столетия. Вернер Браунбек заставил левитировать маленькие бусинки графита в вертикальном элекромагните. В 1945 году Аркадьев впервые наблюдал устойчивую левитацию сверхпроводника над магнитом, а также магнита над сверхпроводимой свинцовой чашей. По своим свойствам сверхпроводник – идеальный диамагнетик, так как внутрь него магнитное поле не проникает! Это явление выталкивание сверхпроводника из магнитного поля называют эффектом Мейссера.

Вот тогда и возникла идея создания электропоездов на магнитной подушке. До 80-х годов для получения сверхпроводника требовался жидкий гелий (-270) но такой поезд из области фантастики. Когда же в конце 20 века был открыты “высокотемпературные” сверхпроводники. Например жидкий азот (-200), то создание такого поезда стало реальностью.

До “летающих” поездов еще далеко, но можно насладиться левитацией сверхпроводника Левитация (от лат. Levitas «легкость, легковесность») — явление, при котором предмет без видимой опоры парит в пространстве (то есть левитирует) не притягиваясь к поверхности (земли, воды, пр.). Для левитации необходимо наличие силы, компенсирующей силу тяжести. Источниками таких сил могут быть струи газа, сильные звуковые колебания, лазерные лучи и др. Также научно была обнаружена и экспериментально доказана диамагнитная левитация и возможность левитации за счет эффекта Мейснера.

Эффект Мейснера (в некоторых источниках — эффект Мейсснера) — полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом. Отсутствие магнитного поля в объёме проводника позволяет заключить из общих законов магнитного поля, что в нём существует только поверхностный ток. Он физически реален и поэтому занимает некоторый тонкий слой вблизи поверхности.

Магнитное поле тока уничтожает внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле. В этом отношении сверхпроводник ведёт себя формально как идеальный диамагнетик.

Однако он не является диамагнетиком, так как внутри него намагниченность равна нулю.

«Гроб Магомета» — опыт, демонстрирующий этот эффект в сверхпроводниках.

По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой опоры, поэтому этот эксперимент называют «Гроб Магомета». Сверхпроводимость существует только при низких, при температуре ниже 200С. Поэтому предварительно вещество охлаждают при помощи жидкого азота.

Далее магнит кладут на поверхность плоского сверхпроводника. При увеличении поля вплоть до критического магнит поднимается всё выше. Одним из свойств сверхпроводников является выталкивание магнитного поля из области сверхпроводящей фазы. Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит «всплывает» сам и продолжает «парить» до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит одинаковой полярности и точно такого же размера, — что и вызовет левитацию.

Эксперимент по левитации при комнатной температуре можно провести при помощи сильного магнита.

В 1991 году Эрик Бюнон и Роберт Тюрнье подняли в магнитном поле воду и некоторые органические материалы. Им скоро последовали другие исследователи, у которых левитировали жидкий водород и жидкий гелий, а также икринки лягушки. В то же самое время Жан Киис Маан и Андрей Гейм в Университете Ниджмегена в сотрудничестве с Умберто Кармона и Петером Майном из Нотенгемского университета в Англии заставили левитировать практически все, что нашли вокруг, начиная с кусков сыра и пиццы, и кончая животными существами, в том числе лягушек и мышей. (к работе прилагается видео левитации лягушки в магнитном поле.) Явление левитации можно увидеть и с помощью устройства, которое называется левитрон.

Левитрон — волчок, который вращаясь, способен «зависать» в воздухе над специальным магнитом, образующим магнитную подушку. будучи в раскрученном состоянии, магнитный волчок массой ~20 граммов способен зависнуть над специально расположенной системой постоянных магнитов в коробке (так как магниты постоянные, левитрон не требует источника электрического тока). Волчок представляет из себя обычный кольцевой магнит, с осью, перпендикулярно проходящей через центр симметрии.

Магнит в коробке обычно тоже кольцо, но большего диаметра. Форма магнитного поля обусловлена сочетанием этих двух размеров. Над центром большого магнита на определённом расстоянии образуется потенциальная яма, то есть небольшая зона, магнитное поле в центре которой несколько слабее чем у краёв. Это не дает волчку отклониться от центра коробки. Размер этой зоны определяет вес, магнитное поле волчка, и место, где явление возможно. Вращение необходимо для того, чтобы волчок не перевернулся. Момент инерции вращающегося тела, в соответствии с законом сохранения момента импульса удерживает волчок в положении отталкивающим полюсом вниз.

Волчок испытывает силу трения только о воздух, вследствие чего, он может парить довольно долго.

Экспериментальная часть Наблюдение левитации волчка в магнитном поле.

Масса первого волчка 21 грамм Масса второго волчка 22 грамма Измерения высоты гравитационной ямы для первого и второго волчка.

Измерение высоты гравитационной ямы при увеличении массы волчков.

ВЫВОД: высота гравитационной ямы зависит от массы волчка Применение изученного явления.

Принцип действия поезда на магнитной подушке Стоит заметить, полотно состоит не как у обычных двух колеечных полотен железной дороги, поезд основывается на одной сплошной монорельсе и сойти с рельсов не может.

Разгоняется поезд как обычный, на колесах, но при достижении 130 км/ч, колеса у поезда постепенно втягиваются, как у авиалайнеров и под силой магнита происходит движение, создается ощущение — парения в воздухе.

Секрет кроется в простом — вдоль состава и направляющей монорельсе установлены электромагниты. Движение происходит по принципу электродвигателей.

Единственный недостаток поездов на магнитной подушке- требуются большие денежные затраты на строительство ”летунов” и дорог.

Но это не левитация диамагнетика. Применение нашего эксперимента науке пока неизвестно. У нас есть идеи, но публиковать мы их не будем.

Список литературы:

1. Супер профессор «Секреты магнитной левитации»

2. Майер «Левитация в поле электромагнита»

3. «Ученик физики 10 класс» Пинский А.А.

Мишин Денис, Пьянков Семен, 9 класс КОЛЬЦАР ЛАЗАРЕВА Руководитель: Мишин А.В.

«Практика - критерий истины»

К. Маркс «Абстрактной истины нет, истина всегда конкретна»

Г. Гегель Введение и история В начале 70-х годов прошлого века на страницах журнала «Химия и Жизнь»

появилась статья о якобы действующей модели вечного двигателя 2-го рода (автор — В.Жвирблис) — так называемом «кольцаре Лазарева», названного так по фамилии запатентовавшего его конструкцию изобретателя.

Позднее, в 1997 г. в журнале «Юный Техник» была опубликована статья В.

[4] Лихачёва «Как построить вечный двигатель своими руками», в которой тоже описывается эта конструкция.

Есть легенда, что подобную модель создал когда-то великий русский изобретатель И. Кулибин, но подтверждений этому нет.

Заинтересовавшись этим устройством, мы решили выяснить принципы его работы. Но столкнулись с проблемой — ни в литературе, ни в сети интернет научных объяснений этому феномену нам найти не удалось.

Все объяснения, которые мы нашли, сводились к утверждению, что кольцар Лазарева является вечным двигателем 2-го рода (подробно мы эти объяснения рассмотрим в конце нашей работы).

Удивившись тому факту, что человечество проигнорировало факт создание «вечного двигателя», мы решили выяснить истинные причины работы кольцара.

Областью исследования в данной работе является изучение принципов действия фонтана Кулибина (кольцара Лазарева), зависимости скорости работы этого прибора от материала мембраны, от изменений температуры.

Целью данной работы является исследование и попытка дать объяснение работе кольцара Лазарева с точки зрения современных знаний о термодинамике.

Для достижения намеченной цели необходимо было решить ряд задач:

1.Изучить имеющуюся литературу по данному вопросу.

2.Построить и изучить действующую модель устройства.

3.Проверить влияние различных начальных условий на работу кольцара.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

1.Анализ действия кольцара Лазарева (с привлечением к обсуждению научного руководителя).

2.Создание модели – образца кольцара Лазарева.

3.Анализ данных, полученных в результате измерений.

Описание установки Классическая модель кольцара (рис.1) представляет собой герметичный сосуд, в середине которого находится пористая мембрана (керамика, дерево). Мембрана как бы «делит» сосуд на две камеры: верхнюю и нижнюю. В обеих камерах находится жидкость;

через мембрану проходит трубочка, нижним своим концом находящаяся в жидкости нижней камеры, а верхний конец трубочки загнут и находится в верхней камере выше уровня жидкости.

В некоторых моделях для исследования свойств установки мы использовали трубочку, которая шла снаружи – так легче наблюдать за уровнем жидкости в ней. В наших установках будут некоторые другие нюансы, но их мы разберём по мере появления и возрастания их важности. Перейдём теперь непосредственно к работе кольцара.

Рис. Кольцар Лазарева: 1 – мембрана, 2 – жидкость в верхней и нижней камерах, 3 – трубочка (капилляр).

Исследование. Функционирование кольцара Лазарева.

В ходе исследования мы сделали вывод, что функционирование кольцара следует разделить на две фазы: фаза запуска и рабочая фаза. Они принципиально разные, поэтому рассказ разделим на две части.

Фаза первая (фаза запуска).

Своё исследование мы начали с изучения свойств компонентов кольцара.

Капиллярные эффекты.

Одна из главных составляющих кольцара – пористая мембрана, состоящая из множества капилляров. Рассмотрим, какие капиллярные явления проявляются в нашей установке.

Многие видели, что в тоненькой трубочке, погружённой одним концом в воду, уровень становится чуть выше, чем уровень окружающей её жидкости, а форма поверхности жидкости внутри трубки – вогнутая. Но так будет не с любой трубочкой, в некоторых всё будет с точностью до наоборот. То, как себя поведёт жидкость, зависит от свойств материала, с которым она контактирует.

В первом случае молекулы жидкости сильнее притягиваются к стенкам трубочки, чем к другим молекулам этой жидкости, образуя столб жидкости с вогнутой поверхностью - вогнутый мениск (форма поверхности жидкости у отверстия трубочки).

Жидкость начнет подниматься вверх по стенке трубочки, при этом сила поверхностного натяжения подтягивает соседние молекулы из жидкости, Но у любой жидкости есть сила поверхностного натяжения, стремящаяся уменьшить площадь поверхности, и эта сила будет чуть-чуть приподнимать молекулы жидкости, не контактирующие со стенками.

Во втором же случае, молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к стенкам, и начинают действовать те же эффекты, только в другом направлении.

Но в деревянной мембране нет трубочек, есть только волокна дерева и пространства между ними, т.е. как раз не трубочки, а «палочки» (“анти-трубочки»), соприкасающиеся между собой. Рассмотрим, как себя будет вести такая система:

поместим в жидкость два смачиваемых цилиндрических тела, и приблизим их друг к другу.

Мы замечаем, что уровень жидкости в месте соприкосновения достаточно сильно увеличивается (между волокнами дерева поднимается «столб» жидкости). Это значит, что мембрана, имеющая волокнистую структуру (фитиль), ведет себя примерно так же, как смачиваемые капилляры. (Аналогичный эффект можно наблюдать и с сыпучими телами, и с пористыми).

Посмотрим, как высоко сможет в себя втянуть воду обычная салфетка, являющаяся смачиваемой волокнистой структурой. Уровень поднялся достаточно сильно, значит, есть сила, которая заставила воду подняться, вопреки действию силы притяжения.

И сила эта весьма велика! Назовём её капиллярной силой. Как только вся салфетка пропитается жидкостью, поступление новых порций жидкости прекратится.

Но если есть сила, всасывающая воду в капилляр, может быть, она будет удерживать её там постоянно? Поднимем пропитанную салфетку, чтобы она не соприкасалась с поверхностью жидкости. С салфетки не капает! Значит, капиллярные силы способны удержать жидкость внутри салфетки.

Сможем ли мы извлечь из капилляров впитавшуюся в салфетку жидкость?

Проведём следующий опыт: возьмем 2 стакана;

один полностью наполним жидкостью, второй оставим пустым. Опустим салфетку так, чтобы один её конец был в пустом стакане, а второй – погружён в воду в полном стакане. Жидкость из полного стакана начнет всасываться в салфетку. Как только салфетка полностью пропитается жидкостью, с неё (с салфетки) начнёт капать в пустой стакан! Капль будет продолжаться, пока уровни воды в стаканах не сравняются.

Из этого опыта мы видим, что воду извлечь из капилляра можно, необходимо лишь, чтобы он был полностью насыщен водой, и сверх того мы должны придать небольшое избыточное давление жидкости. (В нашем случае это давление образовано разностью уровней жидкости в двух стаканах: была разность уровней — жидкость перетекала, не стало разности уровней — уровни сравнялись, жидкость перестала перетекать).

Соотнесём то, что мы выяснили в ходе этих опытов, с тем, что происходит в кольцаре.

Изначально у нас есть сухая (!) смачиваемая жидкостью мембрана;

две камеры, одна часть каждой камеры заполнена жидкостью, а другая часть – атмосферным газом. Обозначим объем газовой части верхней камеры как V1, а нижней – V2, и давления газа P1 и P2 соответственно.

Первоначально давления P1 и P2 равны (например, атмосферному давлению).

Мембрана начинает всасывать в себя жидкость из верхней камеры. Уровень жидкости в верхней камере падает. Объем газа в верхней камере соответственно увеличивается, давление падает.

Жидкость заполняет полости нашей перегородки, вытесняя воздух оттуда в нижнюю камеру. Тем самым всасывание жидкости повышает давление в нижней камере.

Таким образом, возникает разность давлений, выталкивающая жидкость из нижней камеры в трубочку. Но рано или поздно длина трубочки кончится, и, если разность давлений при всасывании превысит rgh, с верхней части трубочки начнётся капль.

В предыдущих опытах мы убедились, что капиллярная сила достаточно велика, и мембрана в любом случае пропитается жидкостью полностью.

Однако, разности давлений, создаваемой мембраной, может не хватить для поднятия уровня жидкости до необходимой нам высоты. Действительно, это так. Поэтому мы решили выяснить, какой объём должны занимать полости в мембране, чтобы нам заведомо хватило разности давлений для запуска кольцара.

Пусть в нашем кольцаре необходимо поднять жидкость на 10 см (rgh~1% от атмосферного давления). (Процесс происходит при постоянной температуре, то есть подчиняется формуле PV=const).

Тогда, чтобы изменить давление на один процент нам нужно будет на один процент поменять любой из объёмов (этого нам заведомо хватит) то есть объём полостей в мембране должен быть не меньше, чем 1% от меньшего из объемов V1 или V2 для гарантированного запуска. (Это достаточное условие, и даже слегка избыточное.) Более точные расчёты нам не требуются. В реальных моделях кольцаров объём мембраны составляет от 20% до 40% от минимального объёма газа в каждой из камер. Вся вода, вытесненная из-за избытка объёма полостей мембраны, будет просто перекачана через трубочку в верхнюю камеру. Тут важно лишь, чтобы вода в нижней камере не закончилась до того, как пропитается мембрана, ибо массопереноса у нас пока что нет.

В нашей модели используется не деревянная мембрана, а фитиль из салфетки. Деревянная мембрана может пропитываться жидкостью до 3-4 недель, в то время как фитиль переходит в рабочую фазу в среднем через полчаса – час после начала эксперимента с ним.

Фаза вторая (рабочая).

Итак, кольцар запущен. Под этими словами мы будем подразумевать, что вся мембрана уже пропитана жидкостью, разность давлений P1 и P2 установилась на уровне rgh, и уровень жидкости в трубочке остановился возле ее верхнего края. Капль, о которой мы вели речь ранее, на стадии запуска, прекратилась, дальнейшего впитывания жидкости в мембрану не происходит (мембрана уже наполнена жидкостью). Соответственно изменения в V1 и V2 больше не происходят. Вроде бы жидкость готова капнуть, но как только начинает расти капля, это приводит к таким изменениям V1 и V2, что меняются и давления P1 и P2, заталкивая капельку обратно.

Очевидно, что в этой точке разность давлений P1 и P2 максимальна (уровень в трубочке больше вырасти не может, h = max).

Условимся такую разность давлений P1 и P2 в дальнейшем называть «рабочий уровень» (по уровню жидкости в трубочке).

Теперь найдём минимально возможное значение разности давлений.

Проведём такой опыт: в запущенном кольцаре уровняем давления верхней и нижней камер (скажем, нарушив герметичность обеих). Уровень жидкости в трубочке достаточно быстро сравняется с уровнем жидкости в нижней камере.

Теперь снова восстановим герметичность камер. Поскольку на мембрану сверху давит столб жидкости верхней камеры, и это давление не уравновешено повышенным давлением газа снизу мембраны, жидкость начинает вытекать из мембраны С фитиля сразу видна капль (так как он не касается стенок), уровень в трубочке начинает медленно ползти вверх. (В том случае, если мембрана вплотную прилегает к стенкам камеры — мы видим, как жидкость тончайшим слоем по стенкам камеры начинает стекать вниз.) Уровень жидкости в трубочке начинает подниматься.

Капль будет продолжаться до тех пор, пока вода в трубке не поднимется до некоторого уровня, затем этот процесс прекратится.

Рассмотрим этот уровень более внимательно.

Заметим, что разность уровней в трубочке и в нижней камере в точности равна высоте жидкости в верхней камере + высоте мембраны.

Объясняется это тем, что на нижнюю камеру сверху давит столб жидкости, равный сумме высот мембраны и жидкости верхней камеры, плюс давление газа верхней камеры P1. На жидкость в трубочке давит газ из верхней камеры давлением P1. Именно уравновешивая эту разность давлений, уровень жидкости в трубочке и поднялся до данной точки. Снова возникла разность давлений P1 и P2 — равная rgh0 (где h0 – это вышеописанный уровень жидкости в трубочке).

Условимся в дальнейшем называть такую разность давлений P1 и P2 - «нулевой уровень». Мы видим, что падение уровня жидкости в трубочке ниже h0 приводит к капли с мембраны в нижней камере, если же разность давлений позволит ему подняться выше рабочего уровня, начнётся капль в верхней камере. Пока уровень жидкости в трубочке находится между этими двумя точками, капли не будет ни сверху, ни снизу.

Но что же заставляет колебаться уровни?

Рассмотрим закон Менделеева-Клапейрона для наших газов:

P*V/T=const.

Видим, что изменение одного из параметров влечёт за собой изменение двух других. Докажем это. По условиям устройства кольцара, выполняется условие:

V1+V2=const.

Это следует из следующего рассуждения: конструкция кольцара жёсткая, т. е. его общий объем постоянен, а общий объем состоит из объема жидкости в двух камерах (жидкость несжимаемая, ее объем постоянен), объема мембраны (постоянен), и суммы объемов газов V1 и V2.

Для простоты вычислений примем, что в момент запуска кольцара, еще при одинаковых P1 и P2 (равных атмосферному), первоначальные объемы газов в камерах были равны. Т.е. в газовой фазе в обеих камерах находилось одинаковое количество вещества.

(Константы в уравнении Менделеева-Клапейрона P*V/T=const будут одинаковы для газов в обеих камерах, а это значит, что оба газа будут находиться на одной изотерме).

То есть, будет соблюдаться равенство:

P1*V1=P2*V2.

Построим изотерму идеального газа для 300 градусов Кельвина. На изотерме видно, что интересующая нас область (около 100 кПа, маленькие объемы) находится в левой (верхней, крутопадающей вниз) ветви гиперболы.

Чуть нагреем кольцар, возьмём новую изотерму – она будет менее крутой, чем первая (так как при большей температуре и объём и давление будут чуть больше), и будет находиться чуть выше первой изотермы. Примем, что разность между нулевым и рабочим уровнем невелика (h0 и h отличаются незначительно).

В начале работы у нас была разница давлений rgh, отметим две точки на «холодной» изотерме для наших давлений. В отмеченных нами точках разность P1 и P (расстояние по вертикали между ними) будет соответствовать нашему рабочему уровню h.

Теперь проведём прямую через точку (V1+V2)/2. Это будет такая прямая, относительно которой объёмы V1 и V2 будут меняться только разнонаправленно и симметрично друг другу (так как сумма объёмов постоянна).

Теперь перенесём наши точки с нижней изотермы на верхнюю, не изменяя объёмов (мы синхронно нагрели обе камеры кольцара).

Посмотрим, что стало с разностью давлений – она уменьшится (так как крутизна гиперболы на этом отрезке при нагревании уменьшается)!

При этом она может упасть ниже rgh0, что приведёт к капли снизу. Вода перетекает из верхней части в нижнюю, объём газов сверху растёт, а снизу – падает. Таким образом, объемы газов в камерах изменяются на одинаковую величину, но разнонаправленно (вспомним про нашу ось симметрии изменений объёмов).

Теперь охладим кольцар до прежней температуры. Значения новых объемов (из предыдущего опыта с нагреванием) так же перенесём вниз без изменений на холодную изотерму и увидим, что разность давлений сильно возросла.

Если она возрастёт до значения, большего rgh, у нас начнётся капль сверху.

Теперь уменьшается верхний объём газов, а нижний растёт снова симметрично относительно прямой V=(V1+V2)/2.

Вот такой вот у нас получается цикл: нагрев-охлаждение. И именно этот цикл приводит к капли то сверху, то снизу.

Массоперенос идёт равномерно, так что если поддерживать этот цикл, кольцар будет работать достаточно долго.

На графике можно заметить, что если один из объёмов у нас будет много больше другого (а именно – верхний больше нижнего), то данный эффект будет куда более сильным. (Следует полагать, что в этом случае точки состояний газов в V1 и V2 в разных камерах окажутся на разных изотермах, больший объём – на более высокой изотерме).

Более того, если мы возьмём наоборот, снизу больший объём, а сверху – меньший, то кольцар будет работать по-другому (в обратном направлении): при нагревании он будет капать сверху, а при охлаждении – снизу. Это видно по графикам.

Продолжая анализировать эту гиперболу, заметим, что на определённых давлениях (так сказать, в экстремально низких давлениях) – кольцар снова поменяет направление своей работы, так как на этом отрезке гипербола при нагревании увеличивает угол своего наклона, а не уменьшает, как в первом случае.

Проверим то, что мы только что описали: создадим два кольцара с разными отношениями объемов V1 и V2. Исследуем их поведение при нагревании и охлаждении (после процесса запуска).

Великолепно! Всё так, как мы и описывали... за одной маленькой поправкой:

начинают они работать при резком изменении опять же в обратные стороны, но очень скоро процесс нормализуется и всё вновь идёт по плану. Скорее всего, это происходит из за того, что у нас разные объёмы газов, соответственно, они с разной скоростью будут изменять свою температуру. Но направление этого движения всегда неизбежно менялось на то, которое нам подсказало исследование изотерм.

Факторы, мешающие стабильности работы кольцара.

Отметим теперь факторы, мешающие стабильности работы кольцара (капли снизу или сверху).

Один из таких факторов – объём трубочки, во всяком случае, на промежутке от h0 до h1. Ведь в момент времени, когда жидкость находится в этой области, капли нет, а объёмы уже меняются!

Недостаточная разность объемов V1 и V2, при этом кольцар может работать с большими перебоями, так как колебания температуры, гарантировавшие капль при большой разности, могут оказаться недостаточными для работы кольцара при равных V1 и V2. (Чем сильнее отличаются V1 и V2, тем бльшие перепады давлений мы будем наблюдать при нагреве ).

Вывод — для увеличения чувствительности кольцара на изменения температуры окружающей среды нам необходимо: максимально увеличить отношение объемов V1 и V2, одновременно с этим имея наименьшее отношение площади сечения капилляра к площади сечения кольцара. (Однако, при чрезвычайно малом сечении трубки капиллярный эффект в ней может исказить наши результаты, кроме того, возникнет дополнительное сопротивление движению жидкости в трубочке, что замедлит реакцию устройства).

Обобщая все вышесказанное, можно сделать вывод: для любого малого колебания температуры окружающей среды dT мы можем подобрать такие отношения V и V2, и такое отношение сечений трубочки и камер кольцара, что у нас возникнет капль, т.е. кольцар будет работать!!!.

Одним из доказательств того, что кольцар можно считать вечным двигателем, было то, что он работает в термостате. Но даже самые современные термостаты способны обеспечить точность лишь в 0,01 градус Цельсия, при этом суть работы термостата (если похолодало – нагреть, если нагрелось – охладить) будет заставлять работать кольцар «как швейцарские часы».

Остался один нюанс – в кольцарах, представляемых Лазаревым и другими исследователями, капли с мембраны не наблюдалось! Более того, и нами было замечено, что кольцар может работать, когда капль идёт лишь сверху. Значит, есть альтернативный способ массопереноса.

Массоперенос в газовой фазе.

Капль в нижней камере видно лишь с фитиля, со стандартной деревянной мембраны мы капль можем и не увидеть. Капля в кольцаре с мембраной-фитилем собиралась в самом низу фитиля и капала. В кольцаре с твердой деревянной мембраной капля полностью растекается по поверхности мембраны, а далее – стекает по стенкам нижней камеры тончайшим слоем, едва заметным глазу… Такой вариант вероятен, но есть и ещё один, более интересный… Предположим, с мембраны идёт испарение, а на поверхности жидкости – конденсация, как и говорится в нескольких объяснениях. Для того чтобы понять, что там происходит, разберёмся с парами жидкости в составе смеси газов.

Введём понятие насыщенного пара. Насыщенный пар – максимально возможное содержание паров жидкости в замкнутом объеме при данной температуре. Он обладает некоторыми особыми свойствами.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 



 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.