книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Крупные капли, попадая в поле центробежных сил, выпадают из общего потока воздуха и устремляются к периферии потока.

Недостатками применения коагулятора являются: с увеличением влажности воздуха растет и гидравлическое сопротивление коагуля- тора 2,что обусловлено загромождением каналов сеток жидкой плен- кой влаги; при поступлении воздуха с отрицательной температурой насыщенный влагой коагулятор 2 обмерзаети становится непроница- ем для прохода воздуха, что приводит к его разрушению.

Чтобы предохранить коагулятор от разрушения предусмотрен пе- репускной клапан 4,который,пропуская через себя избыточную часть воздуха, уравнивает давления перед коагулятором и за ним.

Устройством сепаратора, в котором молекулярные силы предна- значены для получения технических преимуществ, является и сепа- ратор по изобретению а. с. 1733856. Рисунок ниже.

Молекулярные силы упорядочивают распределение уловленной жидкости, её осаждение и накопление в камере сбора влаги, они пре- дотвращают безвозвратные потери рабочего воздуха.

Сепаратор содержит: 1 — камеру сбора влаги; 2 — трубку рециркуляции; 3 — перепускноеустройство;4 —мембрану;5 —дренажныйштуцер;6 —пружину;7 — шток; 8 — клапан; 9 — дроссельный канал.

Мембрана 4 между верхней и нижней частями камеры сбора влаги 1 выполнена из многослойного сеточного материала: из набора мел- коячеистых (0,1–0,2 мм 2) металлических сеток.

Фрагментывлаги,поступаявкамерусборавлаги1,оседаютнамем- бране 4 и проникают в ячейки её сеточного материала.

100

Влага перемещается по толщине мембраны 4 к внутренней её по- верхности, концентрируется в перекрестиях проволок сеточного ма- териала и коагулируется в виде крупных капель. Крупные капли под действием сил тяжести отрываются от внутренней поверхности мем- браны 4, падают и накапливаются в виде жидкости в нижней части камеры сбора влаги 1.

По мере заполнения ячеек сеточного материала мембраны 4 вла- гой увеличивается перепад давлений над и под ней. Возникает уси- лие на мембране 4, которое, преодолевая сопротивление пружины 6, перемещает центральную часть мембраны 4 вместе со штоком 7 и клапаном 8 вниз, открывая отверстие в полость дренажного шту- цера 5 для прохода жидкой влаги. Жидкость под давлением вытес- няется в полость дренажного штуцера 5 и далее транспортируется за пределы ЛА.

За жидкостью в полость дренажного штуцера 5 через мембрану 4 под давлением устремляется часть рабочего воздуха. Рабочий воз- дух, освобождая от влаги ячейки сеточного материала, проникает под мембрану 4 и уравнивает давления над и под ней.

Усилие на мембране 4 исчезает и пружина 6, упруго выпрямляясь, возвращает её центральную часть вместе со штоком 7 и клапаном 8 в исходное положение, перекрывая отверстие в полость дренажного штуцера 5.

Закрытие клапана 8 предотвращает проход рабочего воздуха в по- лость дренажного штуцера 5 до следующего заполнения ячеек сеточ- ного материала мембраны 4 влагой.

Процесс повторяется по мере поступления и накопления влаги в сеточной структуре материала мембраны 4.

Припоступлениисухоговоздухаячейкисеточногоматериаламем- браны 4 свободны от влаги и перепада давлений на ней не возникает. Полость дренажного штуцера 5 остается перекрытой клапаном 8, что и исключает безвозвратные потери рабочего воздуха.

Дроссельный канал 9 задает минимальный перепад давлений на мембране 4 способствующий эффективному впитыванию и коагу- ляции влаги.

Упругость и пластичность, прочность и хрупкость

Всё в мире находится в движении, а значит, подвержено деформа- циям.

Деформация (с лат. «искажение») это изменение конфигурации каких-либо материальных объектов под действием внешних или вну- тренних сил. Деформация это противодействующее сопротивление материала какому-либо воздействию.

101

Деформируемыми являются все вещества. Воздействиями могут быть тепловая энергия, внешние механические силы, магнитные и электрические поля. Часто внешние воздействия, получаемые из- вне, бывают бесплатными. Изменение форм и размеров тела или его частей приводит к изменению сил взаимодействия между матери- альными частицами его составляющими, или к образованию напря- жений.

Тепловое или термическое расширение (сжатие) веществ отно- сится к тепловой деформации, наиболее распространённой в пред- метном мире. В сварке деформацию сварных конструкций называют короблением.

Все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжи- маются, что следует учитывать при значительных перепадах тем- ператур (например, введением различного рода компенсаторов, определённой свободы температурных перемещений). Объёмному расширению (сжатию) подвержены газы и в меньшей степени жид- кости. Твёрдые тела подвержены линейному расширению и в мень- шей степени объёмному.При небольших измененияхтемператур из- менение размеров тела практически пропорционально изменению температур.

Коэффициент объёмного теплового расширения примерно равен утроенному коэффициенту линейного расширения. Коэффициенты линейного расширения (величина приращения нормальной длины тела при нагреве на 10 С) у разных материалов различно. Практиче- ски одинаковый температурный коэффициент расширения имеют железо и бетон (противоположности — металл и неметалл), что по- зволило получить удобный и прочный строительный материал —же- лезобетон.

Биметаллические пластинки собраны из двух тонких пластинок разнородных металлов (с разными температурными коэффициента- ми расширения), сваренные друг с другом, реагируют на изменение температуры значительной деформацией. Например, они применя- ются в устройстве термореле обычного электрического чайника.

Тепловое расширение и сжатие тел при охлаждении относят к тех- ническим преимуществам в случае их применения.

В изобретении а. с.120435 К. К. Иванова на «Устройстводля натяже- ния арматуры» термическим способом при изготовлении предвари- тельно напряжённых железобетонных конструкций, чтобы не нагре- вать всю арматуру (по причине снижения её прочности), применены отдельные (один или несколько) металлических стержней нагревае- мые электрическим током и служащие тяговым узлом по отношению к арматуре.

102

Устройство для натяжения арматуры содержит: 1 — стержни арматуры; 2 — анкер; 3 — неподвижную обойму; 4 — цанговый зажим; 5 — подвижную обойму; 6 — тяговый стержень; 7 — электрическую цепь; 8 — мерную шайбу.

При включении электрического тока стержень 6, нагреваясь, удли- няется до определённого размера, что фиксируется мерной шайбой 8 на подвижной обойме 5. После остывания стержень 6 укорачива- ется, создавая тяговое усилие, которое воздействует на арматурные стержни 1 через подвижную обойму 5, благодаря чему арматурные стержни 1 получают предварительное натяжение.

В изобретении а. с. 247159 на «Способ направленного бурения скважин» предложен полиметаллический отклонитель с возможно- стью регулирования угла кривизны ствола скважины вместо жёстких искусственных отклонителей. Они создают нагрузки на долото, дав- ления в системе и не имеют возможности регулировать угол набора кривизны ствола. Регулирование осуществляется путём изменения температуры отклонителя.

Полиметаллический отклонитель собран из нескольких металлов сразличнымикоэффициентамилинейногорасширения.Онвстраива- ется в низ колонны бурильных труб и на заданной глубине поворачи- вается по направлению намеченного искривления ствола той частью, которая имеет наименьший коэффициент линейного расширения.

Отклонительнагреваютиприступаюткбурению.Темпнаборакри- визны и величину угла наклона получают с помощью температуры нагрева материала частей отклонителя, имеющих разные коэффици- енты линейного расширения, и его длины, сообразуясь с характером разбуриваемых пород

Известен сплав под названием нитинол или никелид титана — ин- терметаллид,соединениетитана и никеля,в процентном соотношении 45 % (титан) + 55 % (никель) и с равным количеством атомов каждого вещества. Данное соединение обладает свойством «памяти формы» — свойством возврата закалённого идеформированного при низкойтем- пературе материала к первоначальной форме после нагрева.

103

Если деталь сложной формы подвергнуть нагреву до красного ка- ления, то она запомнит эту форму (то есть, закалится). После остыва- ния до комнатнойтемпературы деталь можно деформировать,но при нагреве выше 40 0 С она восстановит первоначальную форму.

Уникальным делает нитинол свойство,благодаря которому при за- калке взаимное расположение атомов упорядочивается (фаза мартен- сита),что приводитк запоминанию формы.Применяется в медицине, авиационной и космической технике.

В изобретении а. с. 958837 «Теплообменный элемент» (рисунок ниже) имеет лепестки, выполненные с различным порогом чувстви- тельности к температуре из материала, обладающего обратимым мартенситным превращением.

Лепестки делят на группы (рисунки ниже): с одинаковой чувстви- тельностью, составные лепестки с участками, имеющими разную чувствительность, лепестки, имеющие проволочные турбулизаторы с разной чувствительностью,лепестки с перфорацией и отбортовкой.

При обтекании теплообмен- ного элемента теплоносителем лепестки прогреваются и по до- стижения разных порогов чув-

ствительности к температуре образуют на нём различный вид оре- брения, например, шахматный. Внешний вид оребрения (или вид турбулизации) может быть произвольным и регулируемым в зависи- мости от температуры теплоносителя для данной степени интенси- фикации теплообмена.

Значительны деформации,которые возникают под действием гра- витационных и внешних механических сил, например в строитель- стве и машиностроении, и они требуют учёта.

104

То, что одни твёрдые тела пластичны (с греч. «податливые»), а дру- гие — хрупкие, определяются силами связи между составляющие их материальными единицами.

Все твёрдые тела обладают упругой деформацией при малых на- грузках.

Степень сопротивления твёрдого тела внешним механическим воздействиям определяется возможностями его атомной структуры сохранять форму.

Возможности структурытвёрдоготела обусловлены силами проти- водействия или величиной ответа на силы сжатия и растяжения.

В зависимости отстепени сопротивления силам деформациитвёр- дое тело обладает упругостью и пластичностью.

Для упругого твёрдого тела характерен процесс, в котором прило- женная сила деформирует тело до образования равной противодей- ствующей силы, или до образования равновесия сил, а затем, после её удаления противодействующая сила начинает действовать и восста- навливает формутела.Упругость сохраняется длительное время.Увсех тел упругие деформации со временем переходят в пластические.

Пластичноетело сохраняет полученную деформацию после снятия нагрузки.

Медленная непрерывная деформация под действием постоянной нагрузки или постоянного механического напряжения называется ползучестью материала.

При упругой деформации зависимость между напряжениями и ве- личинами малых деформаций линейная: деформирующая сила про- порциональна величине деформации (закон Гука).

Учёт пластичности позволяет определять запас прочности мате- риала конструкций балок и ферм. У всех конструкционных материа- лов имеется определённый предел текучести и определённый предел прочности.

Превышение предела текучести приводит к пластической дефор- мации и упрочнению материала.

Прочность твёрдых тел это сопротивление материала разрушению или необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. Чем больше величина сопротивле- ния разрушающим нагрузкам, тем прочнее материал. В сопротивле- нии материалов при расчётах конструкций применяют коэффициент запаса прочности — соотношение между расчётной нагрузкой, обе- спечивающей безопасность, и максимальной теоретической допусти- мой нагрузкой.

Прочность твёрдого тела определяется не столько силами связи между материальными единицами,сколько влиянием макроскопиче- ских дефектов на его поверхности, а также формой тел. Полый шар

105

легче сплющить, чем разорвать изнутри. Это используется в сосудах высокого давления (шаровых, цилиндрических).

Различают вязкое разрушение и хрупкое.

Хрупкость это свойство материала разрушаться при небольшой упругойдеформации,при напряжениях ниже пределатекучести.Про- цесс хрупкого разрушения связан с образованием малых локальных зон пластических деформаций, образованием трещин и с условиями работы материала. Перекалённая сталь, стекло, мрамор ярко выра- женные хрупкие материалы.

Простейшими элементами деформации является относительное продольное удлинение (сжатие) и сдвиг.

Относительноеудлинениеэтоотношениеизменениядлиныстерж- ня к первоначальной его длине.

Продольная деформация тел возникает под действием двух проти- воположно направленных сил.

Сдвиг это деформация тела двумя равными противоположно на- правленнымимоментамисил.Поформематериальныйэлементсдви- га представляет собой наклонённый параллелепипед, который равен по объёму исходному прямому недеформированному параллелепи- педу.Например,состояние сдвига испытываю заклёпки связывающие пластины, которые подвержены растяжению.

Особое состояние сдвига возникает при кручении длинных стерж- ней, определяемое углом кручения. При упругой деформации и за- данном крутящем моменте угол кручения стержня практически про- порционален длине стержня и обратно пропорционален четвёртой степени его диаметра. Деформацию кручения испытывают вращаю- щиеся валы машин, шпиндели станков, винты вентиляторов. Растя- гивание цилиндрической пружины приводит к кручению проволоки, из которой изготовлена пружина.

В технике наиболее часто встречающейся деформацией является изгиб — деформация, приводящая к одновременному растяжению и сжатию противоположных поверхностей тела по направлению дей- ствия силы.

Срединная часть сечения балок, которые подвержены изгибу, вменьшейстепенипротиводействуетизгибу,поэтомуонаможетбыть частично удалена, что облегчает конструкции и экономит материал без ухудшения эксплуатационных качеств. Например, так использу- ются трубы,тавровые и двутавровые балки, рельс.

В технике также различают материалы по их твёрдости.

Алмаз самый твёрдый природный материал. Для производствен- ных нужд используется искусственные алмазы.

Деформации ферро-и ферримагнетиков под действием магнитно- го поля называют магнитострикцией (магнит + стрикция с лат. «сжа-

106

тие, натягивание»). Используется в магнитострикционных преобра- зователях,радиотехнических устройствах,излучателях и приёмниках ультразвука.

Деформации диэлектриков (твёрдых, жидких, газообразных) под действием электрического поля называют электрострикцией. В част- ности, к ней относится пьезоэлектрический эффект.

По изобретению а. с. 465502 на «Тормозное устройство» (ри- сунок справа) тормозное кольцо установлено на вал с натягом, исключающим его вращение.

Применяемое тормозное кольцо изготавливалось из маг- нитострикционного материала.

При подаче импульса электромагнитной энергии внутренний диа- метр тормозного кольца увеличивается,и вал освобождается для дви- жения.При снятии импульса натягмежду валом и кольцом восстанав- ливается, чем обеспечивается фиксация вала.

Магнитное поле ограничивает технические возможности пре- цизионных приборов, отрицательно влияет на их составные части. Управляющая электромагнитная система имеет низкую резонансную частоту переключений и значительные размеры. Техническое преи- мущество достигается тем, что тормозное кольцо предложено изго- тавливать из пьезокерамики, это позволило устранить данные огра- ничения. При подаче от высокочастотного генератора к электродам прибора электрического напряжения кольцо увеличивается в разме- рах и освобождает вал для движения.При снятии напряжения —коль- цо мгновенно фиксирует вал.

Выше рассматривались внешние проявления внутренних процес- сов физических явлений доступные прямому наблюдению.

Далее — внутренние процессы физических явлений недоступные прямому наблюдению.

Положительные и отрицательные заряды

Проводники и изоляторы

Элементарные частицы электрон и протон обладают противопо- ложными качествами одного рода или противоположными электри- ческими зарядами. Ионы также обладают противоположными элек- трическими зарядами.Однако,если у элементарных частиц входящих в ионы природа качеств заряда однозначна противоположная по вну- треннемуустройству,тоуионовкачествозарядахарактеризуетсяпре-

107

обладанием в его составе качества одного из элементарных частиц. Для простоты рассматривается количество самых быстрых и лёгких элементарных частиц — электронов (отрицательное электричество).

Если в составе иона преобладают электроны, значит, ион заряжен отрицательно, если есть недостаток электронов, то — положительно, ибо, в таком случае, преобладает положительный заряд протонов, имеющихся в ядре атома.

Все заряженные электричеством тела состоят из молекул, и каче- ство электрического заряда у них определяется, как и у ионов, избыт- ком или недостатком электронов. Явление заряжения и разряжения тел представляет собой перераспределение электронов без измене- ния и сохранения общего их количества.

В Природе, начиная с зарядов элементарных частиц, существуют два противоположных качества заряда тел одного электрического рода, которые условились обозначать знаками «+» и «-», или разде- лять на положительные и отрицательные заряды. Одноимённые от- талкиваются, а разноимённые притягиваются. Сила взаимодействия парыточечных зарядов в вакууме равна произведению величин заря- дов деленного на квадрат расстояния между ними F = q1 . q2/r 2 — закон Кулона (по форме он подобен закону всемирного тяготения). Сумма противоположных зарядов равна нулю.

Процесс перенесения на тело электронов или ионов или их раз- деление называется электризацией. Процесс электризации тела с лю- бым знаком заряда сопровождается обязательной электризацией другого тела равным ему зарядом противоположного знака. Электри- зация трением или трибоэлектричество это явление возникновения при подвижном тесном (соизмеримом с межмолекулярными расстоя- ниями) соприкосновении пары разных тел (диэлектриков, полупро- водников, проводников, их комбинации, различающихся по плот- ности, поверхности) двойного электрического слоя на границе этих тел, на поверхности одного из них образуется избыток электронов, а на другом —их недостаток.При раздвижениител каждое из них ста- новиться заряженным противоположными знаками.

Электричество это форма энергии, существующая в виде проти- воположных качеств одного рода: статических и подвижных элек- трических зарядов противоположного знака. Явление перетекания электрических зарядов от одного тела к другому называют электри- ческим током (потоком, стоком). Тела, осуществляющие перетекание электрических зарядов, называются проводниками, а тела, препят- ствующее этому, — изоляторами или диэлектриками. Такое разделе- ние условно, так как и через диэлектрики протекает электрический ток, но несравнимо меньший. Одно и то же вещество в одних услови- ях проявляет свойства диэлектрика, а в других — проводника и даже

108

сверхпроводника. Большинство природных материалов относят к по- лупроводникам, то есть, занимающим промежуточное положение между хорошими проводниками и хорошими диэлектриками. В каче- стве проводников применяют исключительно металлы (медь, алюми- ний), по которым заряды распространяются очень легко, а в качестве изоляторов —вещества с высокими изолирующими свойствами (стек- ло,фарфор,эбонит,текстолит).В металлахлюбые ионы перемещаться не могут, и единственными переносчиками заряда являются электро- ны — свободные электроны или электроны проводимости. Свобод- ные электроны хаотически движутся в пространстве между атомами решётки металла под действием внешней тепловой энергии. В диэ- лектриках нет электронов проводимости (их ничтожное количество), и поэтому в них не переносятся электрические заряды.

Перенесение зарядов в проводниках первого рода (металлах) обу- словлено перемещением электронов, второго рода (газах и жидко- стях) — перемещением ионов.

Явление электризации создаёт кроме полезного и нежелательное накопление электрических зарядов (статического электричества) в диэлектриках, например, в синтетической ткани, в бумаге (в поли- графии), в полимерах при их обработке. Такие заряды отводят путём заземления металлических деталей, ионизации воздуха, применения электрических разрядников,увеличения проводимости диэлектриков (например, увлажнением). Электризация тел возникает и без непо- средственного контакта с заряженным телом, на некотором расстоя- нии от него. Это явление получило название электризация через вли- яние или электростатическая индукция (наведение), Заряд называют наведённым или индуцированным. То есть, он не постоянный и по- сле удаления заряженного тела исчезает (перераспределяется и тело разряжается). Явление обусловлено перераспределением зарядов у проводящих тел и поляризацией микрочастиц у непроводящих тел. В зависимости от знака заряда у заряженного тела на ближнем кон- це заряжаемого тела образуется избыток или недостаток электронов, а на дальнем конце соответственно избыток или недостаток положи- тельных зарядов.

В изобретении а. с. 755247 на «Способ опыления трудно опыляе- мых сельскохозяйственных культур», например, люцерны, цветки которой неэффективно открывать турбулентным воздушным пото- ком из-за малого их размера и низкой парусности. Предложено для лучшего проникновения пыльцы к пестику цветов, перед обдувани- ем растений турбулентным воздушным потоком с помощью устрой- ства для опыления растений по изобретению а. с. 490438, лепестки открывать путём воздействия на них электростатического заряда. То есть, перейти к состоянию противоположному естественному. Для

109