Новые типы движителей для плавсредств

Эксперимент. Измерения и наблюдения выполнялись в аквариуме и ванне. Сначала в качестве двигателя использовали скрученный резиновый шнур. Однако оказалось, что в этом случае можно было только наблюдать движение модели, измерить же какие-либо параметры было трудно из-за непостоянства потенциальной энергии раскручивающегося резинового шнура. Поэтому в дальнейшем мы собрали модель на основе электродвигателя постоянного тока. Для измерений силы использовали обычный школьный динамометр с полной шкалой 5 Н и ценой деления 0,1 Н. Временные интервалы измеряли таймером (в сотовом телефоне – цена деления 0,001 с, что давало повод поговорить об ошибках измерений). Для определения скорости модели измеряли проходимый ею с установившейся скоростью путь 20 см (между метками на стенках аквариума). Время и силу тяги измеряли каждый раз трижды три различных оператора. в дальнейших расчётах использовались результаты, усреднённые по этим девяти измерениям.

Измеряемые величины

F_ср – сила, действующая на шток. Определяли динамометром в процессе работы движителя в воде.

ω – угловая скорость вала вращения, на который насажен кривошипно-шатунный механизм, задающий возвратно-поступательное движение штока: определяли как число n возвратно-поступательных движений штока за 1 с, умноженноe на 2π радиан.

F_тяги – сила тяги, возникающая в процессе работы движителя: определяли с помощью динамометра, закреплённого одним концом в неподвижном штативе, а другим – за корпус модели. Динамометр располагали параллельно поверхности воды на высоте около 1 см.

v – скорость установившегося движения модели. Определяли по формуле v = Δs/Δt, где
Δs – заранее заданный интервал пути,
Δt – измеренный интервал времени, за который модель его проходила.

u – средняя скорость движения штока. За один полный цикл возвратно-поступательного движения шток (и точка захвата движителя) проходит путь, равный 4r, где
r – плечо кривошипа, а за 1 с он проходит путь d = 4rn, поэтому численно u = 0,032n (в нашем случае r = 0,008 м)

Рассчитываемые величины

η = А_пол/А_затр, где А_пол – полезная работа движителя,
А_затр – затраченная им работа.
Поскольку мощность – это работа в единицу времени,
то N_пол = А_пол/Δt, N_затр = А_затр/Δt, где Δt – интервал времени, в течение которого выполнялась работа (в нашем случае Δt = 1 с).
Полезную мощность определим как N_пол = F_тягиv, а затраченную как N_затр= F_ср d

Относительная поступь λ = v/u,
где v – скорость установившегося движения модели,
u – скорость прохождения движителем пути d; для винта u = rω.

В таблице приведены результаты измерений и вычислений для предложенного нами движителя, а также (для сравнения) для гребного винта диаметром 0,05 м [10].

 Зависимость КПД от поступи винта
летательного аппарата

Замечание. Известно, что КПД винта летательного аппарата достигает максимального значения (80%) при λ = 0,25 [10]. При λ , близких к нулю, летательный аппарат приближается к состоянию покоя, а винт находится в режиме холостого хода, т.е. η = 0. При больших λ летательный аппарат движется с такой скоростью, что встречный поток начинает раскручивать винт, т.е. наступает режим, схожий с режимом холостого хода винта, в этом случае также η = 0. Т.е. полёт аппарата с поступью винта, близкой к 1, вообще исключён.

_____________________

* Когда у вертолёта отказывает двигатель, он падает. При этом пропеллер раскручивается встречным потоком воздуха. Так же и у самолёта: если самолёт будет лететь очень быстро, то уже не вращающийся винт будет толкать самолёт, а наоборот, самолёт при своём движении будет раскручивать винт, что приводит к торможению самолёта и даже к отрицательному КПД винта. – Г.У.

Заключение

1. Предложен новый способ создания силы тяги в текучих средах, а также устройство – движитель для плавательных аппаратов, – в основу разработки которых положены результаты, полученные в проекте [1].

2. Экспериментально показано, как наличие знакопеременной силы, действующей на движитель в поперечном к его поверхности направлении, порождает силу тяги у плавсредства с таким движителем.

3. Выполнена опытно-конструкторская разработка радиоуправляемой модели плавательного средства с движителями различной конфигурации, но общего принципа действия, удовлетворяющего правилу
U = 0,29, найденного для маховых перьев птиц.

4. Опытно-конструкторская разработка – радиоуправляемая модель с новым типом движителя – испытана в лабораторных условиях.

5. Показано, что КПД нового движителя равен 76% при относительной поступи движителя λ= 1, где λ = u/v , u – скорость поступательного движения плавсредства, v – средняя скорость перемещения движителя под воздействием знакопеременной силы. (При таком значении λ винт вообще уже не работает как движитель, становясь ветряком-пропеллером, как у ветряной мельницы.)

Литература

1. Ручкин И., Алексеев К., Белых А. (школа № 1273). Почему летают птицы: Исследовательская работа: Руководитель Г.П.Устюгина. – «Ярмарка идей Юзао», москва, 2004.

2. Краснопевцев Д., Шапкин А.(школа № 1273). Подводный кайт: Проектная работа: Руководитель Г.П.Устюгина. – «Ярмарка идей Юзао», москва, 2004.

3. Меркулов В.И. Загадка плавания рыб. nauka.relis.ru/cgi/nauka.pl?05+0112+ 05112088+HTML

4. Что нужно знать о гребном винте. www.kater.ru/catalog/links_u_ustroistvo_sudna.htm

5. Энциклопедия «Кругосвет». www.krugosvet.ru/articles/14/1001453/1001453a6.htm

6. Семёнов Г.А. Патент РФ № 2090441 «Движитель для судов и аппаратов надводного и подводного плавания».

7. Семёнов Г.А. Затраты энергии на транспорте могут быть снижены в 10 раз. www.eprussia.ru/epr/info/sklad/036/new_tech_1.3.htm

8. Мазейкин Е.М., Шмелёв В.Е. Конструирование и моделирование технических устройств. www.tula.net/tgpu/resources/construct/index.htm

9. Сахновский Б.М. Модели судов новых типов. – Судостроение, 1987. http://www.shipmodeling.ru/books/NewTypeShips/newtypeships.pdf

10. Прандтль Л. Гидроаэродинамика: R@C Dynamics. – М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002.