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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

10 Использование закона сохраненя импульса

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

12 Свободный гироскоп

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

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

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

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

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

18 Моменты инерции некоторых тел

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

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

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

22 22 Благодарю за внимание!