В первом модуле было несколько заданий на то, чтобы придумать решения различных инженерных проблем (перетащить блок для пирамиды в Древнем Египте, к примеру) и чтобы подумать какие инженерные достижения хотелось бы видеть вокруг себя
Подумайте, как предложенные Вами идеи, да и вообще окружающую действительность, можно «оцифровать» и обсчитать?
К примеру:
- Сколько шаров, какого объема и с какой плотностью воздуха в них нужно взять, чтобы они подняли блок пирамиды, массой 2.5 тонны? (гелия и водорода на тот момент еще не придумали)
- До какой скорости может разогнаться троллейбус и что его в этом ограничивает? Можно ли сделать такие условия, в которых обычный троллейбус разгонится до скорости 200 км/ч?
- Что мешает разогнаться Вам на роликовых коньках или велосипеде до скорости 50 км/ч? Как посчитать эту предельную скорость?
- Почему при подключении к старой электропроводке дополнительных потребителей она выходит из строя? Как это описать и объяснить с помощью формул и инженерных расчетов?
Инженерные задачи вокруг нас – дерзайте!
Сопротивление воздуха и придел мощности развиваемой человеком. Мощность человека в средним 200 ватт. Приблизительно сопротивление воздуха можно определить по формуле F=B*v^2. Где B- коэффициент обтекаемости, v- скорость движения. Если принять F равной мощности человека, то преобразовав формулу найдем максимальную скорость. Максимальная скорость будет равна v=(F/B)^0,5
F - создаваемая человеком движущая сила?
Откуда информация по мощности человека и что она из себя представляет? :)
Для примера возьмем хорошо натренированного человека.Например конькобежца Дениса Юскова,который прбежал L=3000м за t=214,37 секунд.Масса спортсмена ,который поддерживает свою форму ,m=80 кг.Коэф. трения скольжения конька об лед n= 0,02.Получается: N*t=mgnL.В итоге :N=223 Вт
В своих предыдущих рассчетах я забыл учесть сопротивление воздуха.Коэфициэнт аэродиномического сопротивления C=0.8. Далее находим площадь поперечного сечения:площад поверхности тела человека приблизително равна 2м^2, получается что площадь поперечного сечения человека равна приблизительно 1м^2,но конькобежцы при беге наклоняются вперед получается ,что площадь их поперечного сечения равна примерно S=0,5 м^2.
Средняя скорость,взятого мною для примера конькобежца, равна:v=L/t=14 м/с.r=1.2 кг/м^3
Nt=mgLn+(CS r v^2)L/2
N=882.2 ВТ
Интересные расчеты, Дильшат!
Из неизведанного осталось понять, почему коэффициент вязкого трения о воздух взять 0.8 для нагнувшегося спортсмена. Это важно, т.к. сильно влияет на ответ (как Вы только что показали)
Нашел в интернете(не знаю можно ли доверять этим данным) вот ссылка:http://lib.sportedu.ru/Texts.idc?DocID=98530
Правильно, что используете научный подход - в своих расчетах надо ссылаться на уже известные знания и другие расчеты, уже проведенные. Но и данные, на которые ссылаетесь, должны тоже подтверждаться или ссылаться на что-то, иначе нарушается научность расчетов.
Представьте: я пишу статью в которой утверждаю, что КПД может быть больше 100% в некоторых случаях, а Вы следующей статьей описываете вечный двигатель, ссылаясь на меня.
В данном случае нужные ссылки возможно есть в полном издании книги, указанной в подписи внизу.
Статья ,на данные которой я опирался ,является частью научного доклада.Доклад я не нашел,но многие дирломные работы размещенные в интернете опираются на него.Так что я считаю, что данные которые я использовал при рассчете достоверны.
Да, средняя мощность человека, взял с википедии. Конечно человек может кратковременно развивать и большую мощность.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BF%...
Чем больше потребителей тем большое количество электричества проходит через проводку. А так как проводка имеет сопротивление то она нагревается и при большем количестве потребителей может расплавится. Из закона Джоуля — Ленца который я посмотрел в википедии известно что Q=I^2Rt где Q количество тепла выделяемого за отрезок времени, I сила тока, R сопротивление проводника, t отрезок времени. Так как проводник мгновенно не охлаждается это приводит к его нагреву, а когда температура проводника достигает температуры его плавления проводник плавится и проводка приходит в негодность.
Больше проводников - больше ток - хорошие здравые рассуждения. Но как рассчитать это?
Наводка: а как это связано с формулой расчета сопротивления параллельно подключенных сопротивлений?
P = P1+P2+...+Pn
P = U*I
I = P/U
т.к напряжение мы не меняем, то ток растет с увеличением числа потребителей. Но это далекие от практики расчеты. Сейчас смотрят на длительно допустимый ток в ПУЭ! Туда уже заложены расчеты охлаждения для конкретного провода и способа прокладки.
Интересный подход - из очевидности аддитивности мощностей сделать вывод аддитивности токов. Всё правильно.
Можно было зайти с другой стороны и воспользоваться законом Ома и расчетом сопротивления сложной цепи из параллельно подключенных сопротивлений: 1/R = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn
Почему при подключении к старой электропроводке дополнительных потребителей она выходит из строя? Как это описать и объяснить с помощью формул и инженерных расчетов?
При увеличении количества потребителей возрастает суммарная мощность. Суммарная мощность всех потребителей равна произведению напряжения в сети на силу протекающего по ней тока. Так как напряжение постоянно (220 В), при увеличении потребляемой мощности возрастает сила тока. По закону Джоуля - Ленца количество выделившейся теплоты на проводнике равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени, в течении которого ток протекает по проводнику. Следовательно, при увеличении количества потребителей провода начинают нагреваться намного сильнее (резко возрастает количество выделившейся на них теплоты). Старая проводка не рассчитана на прохождение по ней больших токов - провода тонкие и к тому же, чаще всего, алюминиевые, и как следствие имеют относительно высокое сопротивление, поэтому и нагреваются очень сильно и могут даже расплавиться (хотя чаще загорается изоляция и начинается пожар). В новой проводке применяются провода большего сечения и почти всегда медные. Такие провода имеют значительно меньшее сопротивление, меньше нагреваются, не плавятся и изоляция не возгорается.
1.Допустим воздух(сухой) нагрели до температуры 373 К.Тогда рассчитав его плотность p=(Pn)/(RT) .(p-плотность,P- давление ,n-молярна масса) получим р=0,93 кг/м^3 .Пусть температура окружаещего воздуха будет равна 293 К,при такой температуре его плотность будет равна p1=,2041 кг/м^3. Посчитаем объем шаров требуемых для поднятия блока:V=M/(p1-p) =2500/(1.2041-0.93)=9121 м^3.(массы оболочек шаров и объем блока я не учитывал)
Илья Романов в задаче про роликовые коньки вроде бы все правильно посчитал ,но забыл учесть трение с дорогой.В идеале ,конечно,нужно бы ещё учесть трение в осях колес.
Теоретически возможно создание троллейбусных линий, работающих на большой установившейся скорости, но основным ограничением является контактная сеть и токосъёмники. Проблема в том, что штанговый токоприёмник очень чувствителен к дефектам контактной сети и дорожного покрытия.При увеличении скорости вероятность схода токоприёмника увеличивается.
Допустим ,что с токоприемником проблем нет.Тогда скорость зависит от мощности двигателя,сопротивления воздуха и силы трения.
N=110кВт ;n(коэф .тр.)=0,006; Сx=1.42 S=7.5м2 r=1.2 кг/м 3 ;M=10т
N / v=(С x S v2 r)*0.5+Mgn; N=(С x S v3 r)*0.5+Mgnv
решив уравнение получаем v=25.4 м/с=91,44 км/ч
Значит обычный троллейбус не сможет развить скорость 200 км/ч,ему для этого не хватит мощности двигателя.
Скорость троллейбуса в технических характеристиках указана 60 км/ч. Это означает, что на горизонтальном участке дороги при полной нагрузке и напряжении 550В скорость будет не ниже 60км/ч. Это техническая скорость, при которой завод-изготовитель гарантирует бесперебойную работу, включая устойчивый токосъём, и не означает его реальный предел. На самом деле пустой троллейбус может ехать быстрее, примерно до 90 км. в час. Все зависит от условий.
Ограничивает скорость троллейбуса мощность электродвигателя, а также (что самое главное) контактная сеть и токосъёмники. Проблема в том, что штанговый токоприёмник очень чувствителен к дефектам контактной сети и дорожного покрытия. Также вероятность схода токоприёмника увеличивается при отклонении троллейбуса от контактной сети, что очень сильно ограничивает манёвренность троллейбуса на большой скорости.
Теоретически можно разогнать троллейбус до больших скоростей. Для этого необходимо найти идеально ровный участок дороги, смонтировать специальную контактную сеть, улучшить подвеску контактной сети (в частности использовать цепную) и увеличить прижимную силу токоприёмника. Также необходимо увеличить мощность электродвигателя, поднять наряжение на тяговой подстанции и минимизировать трение (использовать новейшие подшипники и максимально узкие шины).
Можно задуматься и о аэродинамике. Например, создать троллейбусу обтекаемый купол из стекловолокна или пустить вперед автомобиль и скрыться в его аэродинамическом мешке (как ставят рекорды велосипедисты).
Интересный способ создание "высокоскоростного трамвая" предложил Илон Маск в проекте Hyperloop. В этом проекте так называемый поезд движется по трубе в которой откачан воздух. Так так сопротивление воздуха практически нету, можно достичь больших скоростей (до 1000 км/ч).
Действительно, при подключении дополнительных подребителей возрастает ток в проводе, и увеличивается нагрев, что приводит к ускоренному старению, а то и возгоранию изоляции. Здесь работает закон Джоуля-Ленца. Но это со стороны физики.
Если брать инженерные расчеты, то при проектировании электросети смотрят не только на максимальную можность (активную и реативную), но и вводят коэффициент использования установленной мощности (ведь не все потребители работают одновременно), а также определяют среднюю мощность за смену/день/год исходя из графика нагрузок. Такие системы стойки к кратковременным перегрузкам, имеют запас надежности и возможность присоединения дополнительных электроприемников. Ограничивающим фактором тут служит длительно допустимый ток, который определяют из Правила Устройства Электроустановок, своебразной "Библии электрика".
Вопрос с подвохом)
Если заполнить шары (какого угодно размера) воздухом, его плотность будет БОЛЬШЕ плотности окружающего воздуха, т.к. внутри он сжат. Согласно закону Архимеда Fa = p*g*V все шары опустнятся на землю. Если мы хотим поднять шары над землей, то необходимо, наоборот, откачать воздух, тем самым понизив давление. Естественно оболочки таких шаров тут же схлопнутся. Однако эту задачу можно решить посредством примнения каркасных конструкций. Получится некое подобие дирижабля)
Рассчитать его объем можно следующим образом. Сила Архимеда должна (как минимум) уравновешивать силу тяжести блока пирамиды и шара. Приравняем их. Массой каркаса пренебрежем. Упростим формулы. Примем плотность воздуха равной p = 1,225 кг/м3. Плотность воздуха в шаре будем обозначать p'. Отсюда, задавая этот параметр, будем находить объем нашего дирижабля. Так например, создав в нем абсолютный вакуум, мы сможем поднять блок пирамиды, массой 2.5 тонны при объеме шара не менее V = 2041 м3.
Расчеты приведены ниже:
Вадим, плотнгость воздуха внутри шара не больше чем плотность воздуха окружающей среды.
Воздушный шар плывет по воздуху, потому что наполняющие его газы весят меньше, чем воздух, окружающий его. Но как может шар из пластика или шелка, наполненный воздухом, весить меньше, чем окружающий его воздух? Все очень просто: газ при нагревании расширяется. Таким образом, литр горячего воздуха содержит молекул меньше, чем литр более плотного холодного воздуха, а значит, воздушный шар с горячим воздухом весит меньше, чем холодный воздух. Благодаря этой разности воздушный шар и летит!
Так плотность нагретого воздуха получается меньше плотности холодного, так как объем шара не меняется.
Дильшат, плотность воздуха внутри закрытого шара чуть больше, т.к. он в любом случае немного сжат.
Нагрев, один из способов, да. Тут необходимо расчитать мощность горелки и установившуюся температуру воздуха внутри шара. Выведенное выше уравнение можно использовать и в этом случае. Подставляем плотность воздуха из таблицы в зависимости от его температуры и вуаля.
Сперва подумал что такая конструкция не взлетит, погуглил, нашел статью про вакуумный дирижабль http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B0%D0%BA%D1%83%D1%83%D0%BC%D0%BD%...