Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2006 № 01
Вот еще о распылении. Запатентован пульверизатор, распыляющий… расплавленный металл. Его капелькам дают остыть и получают тончайший порошок.
Вспомните, при первой пробе пульверизатора мы получали крупные капли, уносимые струей воздуха, и лишь потом настроили прибор на тонкое распыление. Однако это нужно далеко не всегда. Если далее на пути капель поставить сужающийся конус, то они сольются в струю. Ее скорость и давление могут быть достаточно велики. На этом принципе делают насосы для перекачивания жидкостей.
В 1858 г. французским инженером Анри Жиффаром был создан инжектор — насос, подающий в паровой котел свежую воду при помощи струи пара (рис. 4).
Вот как он работал. Струя пара, вытекая из сопла, засасывала воду, захватывала ее и с большой скоростью бросала в сужающийся конический раструб. Здесь пар смешивался с водой, сам превращался в воду, а вода от этого заметно подогревалась. Весь этот поток врывался в котел. Любопытно, что давление воды, покидающей инжектор Жиффара, может быть в десятки раз выше, чем давление поступающего в него пара. В наше время инжекторы такого типа применяются для подачи топлива в двигатели ракет.
Итак, струя газа может успешно перекачивать жидкость. Но возможно и обратное. На любой пожарной машине имеется дымосос. Он присоединяется к широкому брезентовому рукаву, подведенному к задымленному помещению. Сам дымосос: (рис. 5) — это труба переменного сечения, в начале которой установлено сопло, разбрызгивающее воду.
Струи воды смешиваются с воздухом и гонят его к выходу. Так дым отсасывается из помещения, и пожарники получают возможность нормально работать. Такое устройство первоначально применялось для вентиляции шахт. Изобрели его в XIX веке англичане братья Кертинг.
В нашем эксперименте со свечкой пульверизатор засасывал воздух. Это явление используется в горелке газовой плиты. Струя газа захватывает воздух, смешивается с ним и поступает в зону горения.
Но почему газ горит именно в конце горелки? Все дело в площади поперечного сечения канала, по которому движется газовоздушная смесь, и скорости распространения пламени. В начале площадь велика, а скорость движения смеси мала. Но горелка накрыта крышкой. Она оставляет для движения газовоздушной смеси лишь несколько отверстий. Суммарная площадь их сечения мала. Благодаря этому здесь и немного далее, скорость смеси возрастает и становится больше, чем скорость распространения пламени. Но после выхода из горелки скорость смеси начинает вновь уменьшаться и где-то становится равна скорости пламени. Здесь-то и начинается его спокойное устойчивое горение. Изобрел такую горелку с газоструйным инжектором великий немецкий химик XIX века Г.X.Бунзен.
Когда при аварии летчик морского самолета покидает машину, в его ранце находится не только парашют, но и компактная надувная лодка. Однако в раздутом состоянии объем ее достигает 200 и более литров. Надуть ее нужно за считанные секунды. Как? Казалось бы, достаточно присоединить к лодке баллон со сжатым воздухом. Но он получается тяжел и громоздок. Выручает инжектор, в который поступает воздух из крохотного баллончика. При этом он захватывает из окружающей среды в десятки раз больше воздуха, и лодка успешно наполняется. Размером инжектор чуть больше авторучки.
При старте ракеты, когда скорость ее очень мала, порою расходуется десятая часть топлива, что превышает по массе ее полезную нагрузку. Для того чтобы этот расход уменьшить, тоже применяют инжектор (рис. 6).
Он выглядит как окружающее хвост ракеты кольцо обтекаемой формы. В нем происходит множество сложных процессов, но приближенно работу инжектора молено описать так.
Струя газов, выходящих из ракетного двигателя, засасывает воздух и смешивается с ним. Скорость от этого уменьшается, но масса газов, выбрасываемых ракетой, значительно возрастает. От этого во много раз увеличивается тяга двигателя, что и уменьшает расход топлива на старте. Но почему только на старте? Да потому, что с увеличением скорости работа инжектора ухудшается, и его обычно в определенный момент сбрасывают. На этом принципе в нашей стране удалось создать ракеты высочайшего совершенства, но о них нужен особый рассказ.
Перечислять области применения и типы струйных насосов можно до бесконечности. Каждый месяц появляются десятки новых патентов на эту тему. Над чем же бьются изобретатели всего мира? Они решают множество практически важных вопросов, но при этом постоянно остается один главный. Струйный насос, инжектор, энергетически не совершенен. Его КПД всего лишь 10–15 %. Это связано с тем, что в нем происходит так называемый неупругий удар. Проиллюстрировать это понятие поможет такой пример.
Когда шар на бильярдном столе ударяет по другому, неподвижному, происходит обмен энергиями. Первый шар останавливается, второй летит со скоростью первого. Это удар упругий.
Если бы те же два шара были сделаны из пластилина, то при соударении они бы слиплись. Это удар неупругий.
Дальше продолжал бы движение объединенный ком пластилина. Скорость его была бы вдвое меньше скорости первого шара. Кинетическая энергия этого кома составляла бы всего лишь половину энергии первого шара. Куда же девалась вторая половина? Превратилась в тепло, потраченное на деформацию пластилина. В инжекторе масса струи газа или жидкости, подаваемой внешним насосом, объединяется с массой перекачиваемой среды, и далее они движутся совместно. Тут-то и происходит потеря механической энергии на неупругий удар. Однако способы уменьшения этих потерь, в принципе, есть. Их нужно лишь довести до уровня технического решения. И тогда появятся бесшумные самолеты без винтов, простые сверхэкономичные двигатели, холодильники и тепловые насосы.
А. ВАРГИН
Рисунки автора
СДЕЛАЙ ДЛЯ МЛАДШЕГО
Стрекозища
Однажды на одной из выставок ребята из Таганрогского клуба «Эврика» под восторженные крики на длинную ковровую дорожку стремительно выкатилось нечто негромко жужжащее, на длинных паучьих ногах. Это «нечто» представляло собою четырех колесную модель с двумя воздушными винтами (рис. 1).
Каркас его был сделан из стальной проволоки диаметром 3 мм, узлы которого спаяли или скрутили изолентой. На концах его длинных «ног» устанавливались колеса от игрушечных автомобилей.
Чтобы «жук» хорошо бегал, важно все. Прежде всего, точка схода плоскостей колес модели должна быть далеко позади нее. Тогда ход его будет прямолинейным. Чтобы уменьшить трение между колесами и их осями, лучше применить шарикоподшипники, но если их нет, а диаметр отверстия в колесе много больше диаметра оси, то вставьте в него втулку из промазанной клеем бумажной ленты, намотанной на кусок проволоки того же диаметра, что и ось. А чтобы детали не склеились, окуните проволоку в жидкий парафин с добавлением графита. После высыхания клея заготовку аккуратно снимите и запрессуйте в отверстие колеса. У вас получится вполне современное колесо со втулкой из самосмазывающегося материала.
Важно еще уменьшить трение между колесом и полом. В самом общем случае оно тем меньше, чем меньше диаметр колеса. При этом, кстати, уменьшаются и потери на трение во втулках колес.
Если «жуку» предстоит бегать по паркету или кафельному полу, то колеса следует выбирать поуже.
Ковровая дорожка для такой модели то же самое, что для автомобиля грунтовая дорога. На такой случай выбирайте широкие колеса от игрушечных тракторов.
Двигателем модели служит агрегат из двух пластиковых бутылок с резиномотором внутри и двумя воздушными винтами по концам, прикрепленный к каркасу при помощи изоленты. Резиномотор — это жгут, сделанный из сложенной вдвое, а затем завитой авиамодельной резины. Для снижения трения между нитями жгута его следует смазать глицерином.
Во время работы резиномотор натянут и сильно прижимает втулки винтов к крышечкам бутылок. В этих местах возможны большие потери на трение. Авиамоделисты избавляются от них применением шарикоподшипников. Можно использовать две стальные шайбы — одну на крышечке, другую — на втулке винта, а между ними — крохотную промежуточную втулку, выточенную из латуни. Трение латуни по стали очень мало. Но еще меньше трение по стали фарфора.
Вскройте перегоревший нагревательный элемент от чайника. Там вы найдете фарфоровые четки. Их как раз можно использовать в качестве промежуточной втулки. Смазывать маслом узел между воздушным винтом и крышкой бутылки бесполезно. Оно будет мгновенно выдавлено натяжением резиномотора. Но если вы насыпете в это место толченого графита от мягкого карандаша, хуже не будет.
