Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое «нано»

Что такое «нано»?

Цель: дать учащимся представление о наноразмерах.

Ход урока

Учитель. Слово «нанотехнологии» сейчас у всех на слуху. Нанотехнология – это наука, которая занимается созданием устройств размером в несколько нанометров (1 нм – миллиардная доля 1 м). Это много­обещающая область деятельности, результаты которой должны затронуть все сферы жизни общества. По этой причине нанотехнология считается одной из ключевых технологий XXI в., которая призвана повлиять на развитие не только одной отдельной индустрии или отдельного рынка, – она создаст новые возможности для производства материалов, инструментов, в сфере здравоохранения, электроники, обороны, сенсорных технологий и т.д.

Учёные и инженеры за редким исключением убеждены, что нанотехнологии – это будущее человечества. Они способны изменить историю не меньше, чем двигатели внутреннего сгорания 100 лет назад или электричество 200 лет назад. «Эта сфера обладает совершенно гигантским потенциалом, и вполне возможно, что стоящие ныне перед цивилизацией проблемы будут решены благодаря нанотехнологиям», – сказал академик, директор Центра фотохимии РАН Михаил Алфимов.

Все мы не раз слышали слово «нанотехнологии», но все ли знают и понимают, о чём идёт речь? Мы не можем видеть этого, однако продукты нанотехнологии уже вошли в нашу повседневную жизнь, и мы, не задумываясь, используем их. Они в автомобильном оборудовании, персональных компьютерах, косметике, одежде и даже спортивном инвентаре. Нанотехнология – по-настоящему «сильная» наука. она создаёт устройства повышенной функциональности, надёжности и срока эксплуатации. Хороший пример – теннисный мячик. Благодаря наночастицам, включённым в его покрытие для уменьшения проницаемости воздуха, срок эксплуатации увеличился в пять раз, увеличилась и сила отскока. Новая технология производства материалов позволила облегчить и теннисную ракетку.

Давайте вспомним, как развивались представления учёных о строении вещества. Впервые представления о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов – появились в трудах древнегреческих учёных- философов – Левклиппа, Демокрита и Эпикура, живших в V–III вв. до н.э. Все явления природы они пытались объяснить движением этих невидимых частиц.

В эпоху Средневековья атомистические представления были полностью забыты, и в науке более тысячи лет господствовало мистическое учение Аристотеля, утверждавшего, что основу мира составляют четыре начала – вода, земля, воздух и огонь.

Возвращение атомистических представлений стало возможным с началом эпохи Возрождения, благодаря трудам первых учёных-экспериментаторов. Огромную роль в этом сыграли исследования Роберта Бойля и Исаака Ньютона. Р.Бойль, более 10 лет проводивший различные эксперименты, написал книгу «Химик-Скептик», в которой доказал полную несостоятельность начал Аристотеля.

Однако окончательное атомно-молекулярное учение утвердилось лишь к середине XIX в. В 1860 г. на международном конгрессе химиков в Карлсруэ были даны первые научные определения атома и молекулы. Наука развивалась, и в конце XIX–начале XX вв. произошли великие открытия в физике, которые в очередной раз изменили представления человечества об атоме.

Приставка нано- (греч. νάνο – карлик) означает одна миллиардная доля. 1 нм – это одна миллиардная доля метра, 10 –9 м. Как представить себе такую короткую дистанцию? Для сравнения: человеческий волос приблизительно в 60 000 раз толще одной молекулы. В латыни нано имеет значение маленький, крошечный. И действительно, 1 нм – это очень маленькая величина, увидеть невооружённым глазом объекты такого размера невозможно. Для сравнения заметим, что волосы человека растут со скоростью 10 нм в секунду (а мы этого не замечаем!), а толщина одного волоска составляет почти 100 000 нм, или 100 мкм. Наноразмерный масштаб используют для характеристики самых маленьких объектов, например, атомов и молекул.

Как представить себе нанометровую величину? Проще всего это сделать с помощью копеечной монеты: её диаметр относится к диаметру Земли так же, как нанометр к метру (кстати, если каждый житель Земли даст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора, – даже при том, что некоторые, как обычно, пожадничают).

Уменьшим слона до размеров микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда равной… 170 км.

Конечно, это только фантазии. Таких крошечных человечков и даже насекомых на свете быть не может. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа, вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно 10 нм – такие размеры имеют сложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (1 ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода составляет 0,14 нм.

Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи.

Лучший способ познать это – сравнить. Иногда путешествие в глубь материи по шкале масштабов называют путешествием по пятому измерению в дополнение к уже существующим четырём – трём пространственным и времени. Нанометры являются привычными единицами для описания длин волн света. Например, видимый свет имеет длины волн в диапазоне от 400 до 700 нм. В нанометрах измеряют также размеры микроорганизмов, клеток и их частей, биомолекул. Вот лишь некоторые примеры (см. слайд).

Чтобы лучше себе представить размеры нанометра, предлагаю вам решить занимательные задачи.

Читать еще:  Ваз мигает лампа неисправность двигателя

1. Когда-то, говорят, Чингис-хан приказал каждому из своих воинов принести по камню к его шатру. Приказано – сделано. Выросла гора. А что, если каждый человек на земном шаре принесёт по одной единственной квантовой точке (диаметр 10 нм, плотность 7 г/см 3 ) и положит её около штаб-квартиры государственной корпорации «Роснанотех» в кучу, то какую массу будет иметь эта куча?

2. Приблизительно сколько раз можно обернуть вокруг талии углеродной нанотрубкой показанную на фотографии (слайд) флейтистку, если длину нанотрубки увеличить во столько же раз, во сколько раз её диаметр увеличить до диаметра флейты? Считать длину окружности талии девушки равной 60 см, принять соотношение длины нанотрубок к их диаметру равным 100. Диаметры флейты и нанотрубки оценить из фотографий.

3. Сколько нанороботов сможет уместиться на острие швейной иглы? А иглы атомно-силового микроскопа?

ДЗ. Нарисуйте наномасштаб (объекты для сравнения придумайте самостоятельно).

1. Пусть d – диаметр одной квантовой точки, V – её объём, m – масса, ρ – плотность, N – численность населения Земли, M – масса кучи из квантовых точек.

По условию задачи, d = 10 нм = 10 –8 м, ρ = 7 г/см 3 = = 7 ∙ 10 6 г/м 3 . Примем, что население Земли в настоящее время составляет 6 млрд, т.е. N = 6 ∙ 10 9 .

Масса кучи из квантовых точек: M = N ∙ m = NρV.

Пусть квантовая точка имеет форму шара, тогда её объём V = (4πR 3 )/3 = (πd 3 )/6, а масса M = Nρ(πd 3 )/6 = (6 ∙ 10 9 ∙ 7∙10 6 г/м 3 ∙ 3,14 ∙ (10 -8 ) 3 м 3 )/6 ≈ 2,2 ∙10 -9 г.

2. Пусть d – диаметр нанотрубки, D – диаметр флейты, L – длина окружности талии девушки, l – длина исходной нанотрубки, lув – длина увеличенной нанотрубки, N – число витков увеличенной нанотрубки вокруг талии девушки.

Из рисунка оценим: D

Тогда увеличенную нанотрубку можно обернуть вокруг талии девушки: N = lув/L = 2 м / 0,6 м ≈ 3 раза.

3. Для решения нужно оценить размер наноробота, радиус острия швейной иглы и радиус иглы атомно-силового микроскопа. Пусть наноробот при посадке на поверхность занимает площадь в форме круга радиусом 100 нм, а острия швейной иглыы и иглы атомно-силового микроскопа представляют собой также плоские окружности. Кроме того, допустим, что нанороботы при посадке на остриё иглы «утрамбовываются» и занимают всю предоставленную им площадь.

Пусть rнр – радиус площадки, занимаемой нанороботом; Rши – радиус площадки на острие швейной иглы; Rасм – радиус площадки на острие атомно-силового микроскопа; Nши – число нанороботов, которые разместятся на острие швейной иглы; Nасм – число нанороботов, которые разместятся на острие иглы атомно-силового микроскопа.

Примем: rнр = 100 нм = 10 –7 м, Rши = 0,1 мм = 10 –4 м, Rасм = 1 нм = 10 –9 м.

Площадь, занимаемая одним нанороботом:

Площадь площадки на острие швейной иглы:

Площадь площадки на острие атомно-силового микроскопа: Sасм = πRасм 2 = (10 -9 ) 2 π = 10 -18 π м 2 .

Тогда число нанороботов, которые разместятся на острие швейной иглы, составляет:

а на острие атомно-силового микроскопа:

Nасм = Sасм / Sнр = 10 -18 π м 2 /10 -14 π м 2 = 10 -4 , т.е. ни одного!

Урок сопрождается презентацией, которая полностью представлена в электронных приложениях, как и презентация ученицы Горловой Татьяны. – Ред.

Мощность или крутящий момент

#1 06.10.2007 14:37:09

Мощность или крутящий момент

Что такое мощность, знают все автомобилисты. И неплохо в этом pазбиpаются. Любой водитель скажет, что 100 л.с. вполне достаточно для компактного хэтчбэка и маловато для тяжелого седана бизнес-класса. И что 400 л.с. — это очень много для автомобиля любого типа. Но когда речь идет про кутящий момент и про «ньютон-метpы», в которых он измеряется, возникает заминка. Например 100 Нм — это много или мало? И почему «…очень хорошо, что мотор развивает 200 Hм всего при 1750 об/мин»? Итак, pечь пойдет о величине, непонятной большинству водителей. Кpутящий момент. Что это такое?
Для начала вернемся к «лошадиным силам». То есть к мощности. Этот показатель характеризует силу мотора. Однако запас силы зависит от оборотов. Наибольшую мощность современные моторы выдают в среднем при 5000–6500 об/мин. Но кто ездит в таких режимах? В обычной городской езде тахометр показывает 2000–3000 об/мин. Получается, если двигатель вашего автомобиля развивает порядка 100 л.с. почти на предельном режиме, то двигаясь в городском потоке на средних оборотах, вы имеете в запасе около 40–50 сил.
Теперь представим, что нужно обогнать грузовик. Сейчас вам потребуются все 100 л.с. мотора. Но их нельзя вот так, сразу, собрать в единый табун. Только постепенно: сначала двигатель раскрутится до 4000 об/мин — и поголовье под капотом увеличится примерно до 70 л.с. Затем стрелка тахометра доберется до отметки 5000 об/мин — в вашем распоряжении окажутся 90 лошадей. И только когда мотор достигнет пика, скажем в 6000 об/мин, педаль акселератора будет повелевать полноценными, обещанными по паспорту 100 лошадиными силами.
В таких ситуациях и вступает в игру кутящий момент (далее КМ). Это «пастух», который на разгоне «сгоняет» в единую упряжку все лошадиные силы мотора. Чем больше КМ, тем быстрее двигатель набирает обороты. И тем скорее собирается в единый кулак вся мощь мотора. И соответственно тем лучше ускоряется автомобиль.
Второй важный нюанс — обороты, на которых мотор развивает максимальный КМ. Скажем максимум выдается при 4000 об/мин. До них и нужно раскрутить двигатель, чтобы рассчитывать на приличное ускорение. А разгоняться придется с тех самых 2000–3000 об/мин, которые поддерживаются при нормальной езде. Здесь-то и теряется время, столь драгоценное при том же обгоне.
Другое дело, если максимальный КМ двигатель выдает, скажем, при 2000 об/мин. Тогда нет проблем. Вы просто давите на газ, и машина сразу напористо набирает ход, не теряя времени на раскрутку мотора. Теперь ясно, почему выгодно, чтобы двигатель выдавал много КМ на низких оборотах? И почему «…очень хоpошо, что мотор развивает максимальные 200 Hм всего пpи 1750 об/мин»? В последнем контексте упор делается не столько на КМ как таковой, сколько на завидно малые обороты, при которых он развивается. Такие двигатели называют «тяговитыми».
Кстати КМ впрямую зависит от литража. Наименее тяговиты моторы малолитражек. Например, на ВАЗ 2108 с объемом двигателя 1,5 л и ниже хороший КМ не получишь. Их водители часто переключаются на более низкие передачи, чтобы искусственно поддерживать высокие обороты. В противном случае мотор, как говорят автомобилисты, не тянет. Чтобы здесь получить «момент на низах» необходимо увеличивать объем двигателя.

Читать еще:  Двигатель 4d33 не заводится

Что надо знать про мощность и крутящий момент в автомобиле

Мощность двигателя – это величина, показывающая, какую работу способен совершить мотор в единицу времени. То есть то количество энергии, которую двигатель передает на трансмиссию за определенный временной промежуток. Измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с.).

Как рассчитывается мощность двигателя?

Расчет мощности мотора проводится несколькими способами. Самый доступный способ – через крутящий момент. Умножаем крутящий момент на угловую скорость – получаем мощность двигателя.

N_дв=M∙ω=2∙π∙M∙n_дв

N_дв – мощность двигателя, кВт;

M – крутящий момент, Нм;

ω – угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/сек;

π – математическая постоянная, равная 3,14;

n_дв – частота вращения двигателя, мин-1.

Мощность рассчитывается и через среднее эффективное давление. Камера сгорания имеет определенный объем. Разогретые газы воздействуют на поршень в цилиндре с определенным давлением. Двигатель вращается с некоторой частотой. Произведение объема двигателя, среднего эффективного давления и частоты вращения, поделенное на 120, и даст теоретическую мощность двигателя в кВт.

N_дв=(V_дв∙P_эфф∙n_дв)/120

V_дв – объем двигателя, см3;

P_эфф – эффективное давление в цилиндрах, МПа;

120 – коэффициент, применяемый для расчета мощности четырехтактного двигателя (у двухтактных ДВС этот коэффициент равен 60).

Для расчета лошадиных сил киловатты умножаем на 0,74.

N_(дв л.с.)=N_дв∙0,74

N_дв л.с. – мощность двигателя в лошадиных силах, л. с.

Другие формулы мощности двигателя используются в реальных расчетах реже. Эти формулы включают в себя специфичные переменные. И чтобы измерить мощность двигателя по другим методикам, нужно знать производительность форсунок или массу потребленного двигателем воздуха.

На практике расчет мощности автопроизводители выполняют эмпирическим способом, то есть замеряют на стенде и строят график зависимости по факту, на основании полученных во время испытаний показателей.

Мощность двигателя – величина непостоянная. Для каждого мотора есть кривая, которая отображает на графике зависимость мощности от частоты вращения коленчатого вала. До определенного пика, примерно до 4-5 тысяч оборотов, мощность растет пропорционально оборотам. Далее идет плавное отставание роста мощности, кривая наклоняется. Примерно к 7-8 тысячам оборотов мощность идет на спад. Сказывается перекрытие клапанов на большой частоте вращения коленвала и падение КПД мотора из-за недостаточно интенсивного газообмена.

Чтобы узнать мощность двигателя, обратитесь к инструкции по эксплуатации авто. В разделе с техническими характеристиками мотора будет указана мощность и обороты, при которых она достигает пикового значения. Если мощность указана киловаттах, чтобы рассчитать лошадиные силы двигателя, воспользуйтесь приведенной выше формулой. В некоторых случаях автопроизводитель предоставляет график, на котором есть зависимость мощности двигателя и крутящего момента от частоты оборотов.

Видео: Простыми словами без сложных формул и расчетов, что такое мощность, крутящий момент и обороты двигателя.

Мощность ДВС определяет, насколько быстро автомобиль способен передвигаться или ускоряться (совершать работу). Полезная мощность двигателя рассчитывается с учетом потерь в трансмиссии, то есть указывает, сколько от изначальной мощности мотора по факту доходит до колес авто.

Что такое крутящий момент

Крутящий момент в двигателе автомобиля – это вращающая сила, которая численно равна произведению приложенной силы (давление раскаленных газов на поршень) на плечо (расстояние между осями коренных и шатунных шеек коленчатого вала в проекции, перпендикулярной оси вращения коленвала). Измеряется крутящий момент в ньютонах на метр (Нм).

Крутящий момент ДВС зависит от силы давления на поршень и расстояния между коренными и шатунными шейками. Зависимость здесь прямая. Чем больше плечо и чем больше давление на поршень – тем больше крутящий момент двигателя.

У дизельных двигателей степень сжатия больше. Больше и ход поршня в цилиндре (при равном с бензиновым мотором диаметре цилиндров). А это значит, что и расстояние между коренными и шатунными шейками будет больше. То есть длиннее плечо. За счет большей степени сжатия при рабочем такте у дизелей выше сила, давящая на поршень. Крутящий момент в дизельных моторах при прочих равных больше, чем в бензиновых.

Крутящий момент влияет на то, сколько энергии отдает мотор в текущий момент времени. Крутящий момент есть та величина, которая определяет фактически передаваемую в данный момент времени энергию на трансмиссию. Чем больше момент, тем сильнее тяга двигателя при текущих оборотах.

Что лучше: мощность или крутящий момент

Мощность и крутящий момент двигателя – величины взаимосвязанные. Это хорошо видно в формуле из первого пункта.

Читать еще:  Выдавливает антифриз двигатель холодный

Пик крутящего момента на графике зависимости от частоты вращения мотора появляется раньше, чем пик мощности. Это справедливо как для дизельных, так и для бензиновых моторов. Однако у дизелей крутящий момент достигается раньше, и плато (интервал частоты вращения при пиковом значении) длиннее. У бензиновых ДВС мощность выше, хотя для ее достижения нужно раскрутить мотор почти до максимальных оборотов.

Сказать определенно, что лучше: мощность или крутящий момент, нельзя. Все зависит от случая. Трансмиссия современного авто способна трансформировать эти величины под требуемые условия. Поясним на примерах.

Для тяжелой техники, которой важна тяга в широком диапазоне оборотов, важнее крутящий момент. Мотор должен хорошо тянуть. Раскручивать его до предельных оборотов не нужно. Отчасти поэтому почти вся коммерческая техника оснащается дизельными моторами.

В гоночных автомобилях важнее мощность. Моторы этих авто по оборотам пилоты во время заездов держат в красной зоне. Двигатель отдает максимальную мощность. А трансмиссия преобразовывает мощность в тягу.

Для гражданских авто важен стиль вождения. Для езды на автомате подойдут оба мотора. Автоматическая трансмиссия будет держать мотор в диапазоне оборотов, при которых двигатель отдает максимум своего потенциала.

Для агрессивной езды на механике с раскручиванием двигателя в красную зону тахометра лучше подойдет бензиновый мотор. Но в этом случае нужно понимать, что для получения максимальной производительности от мотора потребуется держать его на пике оборотов и часто переключать передачи. Пик мощности у бензинового ДВС имеет малый диапазон и находится около максимальных оборотов. Для уверенных обгонов и ускорений нужно будет понижать передачу и раскручивать двигатель.

Для размеренной езды, особенно в городе, больше подходит дизель. Для обгона на дизельном авто зачастую не потребуется переходить на пониженную передачу, а высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов позволит реже переключаться.

Мощность или крутящий момент

Что такое мощность, знают все автомобилисты. И неплохо в этом pазбиpаются. Любой водитель скажет, что 100 л.с. вполне достаточно для компактного хэтчбэка и маловато для тяжелого седана бизнес-класса. И что 400 л.с. — это очень много для автомобиля любого типа. Но когда речь идет про кутящий момент и про «ньютон-метpы», в которых он измеряется, возникает заминка. Например 100 Нм — это много или мало? И почему «…очень хорошо, что мотор развивает 200 Hм всего при 1750 об/мин»? Итак, pечь пойдет о величине, непонятной большинству водителей. Кpутящий момент. Что это такое?

Для начала вернемся к «лошадиным силам». То есть к мощности. Этот показатель характеризует силу мотора. Однако запас силы зависит от оборотов. Наибольшую мощность современные моторы выдают в среднем при 5000–6500 об/мин. Но кто ездит в таких режимах? В обычной городской езде тахометр показывает 2000–3000 об/мин. Получается, если двигатель вашего автомобиля развивает порядка 100 л.с. почти на предельном режиме, то двигаясь в городском потоке на средних оборотах, вы имеете в запасе около 40–50 сил.

Теперь представим, что нужно обогнать грузовик. Сейчас вам потребуются все 100 л.с. мотора. Но их нельзя вот так, сразу, собрать в единый табун. Только постепенно: сначала двигатель раскрутится до 4000 об/мин — и поголовье под капотом увеличится примерно до 70 л.с. Затем стрелка тахометра доберется до отметки 5000 об/мин — в вашем распоряжении окажутся 90 лошадей. И только когда мотор достигнет пика, скажем в 6000 об/мин, педаль акселератора будет повелевать полноценными, обещанными по паспорту 100 лошадиными силами.

В таких ситуациях и вступает в игру кутящий момент (далее КМ). Это «пастух», который на разгоне «сгоняет» в единую упряжку все лошадиные силы мотора. Чем больше КМ, тем быстрее двигатель набирает обороты. И тем скорее собирается в единый кулак вся мощь мотора. И соответственно тем лучше ускоряется автомобиль.

Второй важный нюанс — обороты, на которых мотор развивает максимальный КМ. Скажем максимум выдается при 4000 об/мин. До них и нужно раскрутить двигатель, чтобы рассчитывать на приличное ускорение. А разгоняться придется с тех самых 2000–3000 об/мин, которые поддерживаются при нормальной езде. Здесь-то и теряется время, столь драгоценное при том же обгоне.

Другое дело, если максимальный КМ двигатель выдает, скажем, при 2000 об/мин. Тогда нет проблем. Вы просто давите на газ, и машина сразу напористо набирает ход, не теряя времени на раскрутку мотора. Теперь ясно, почему выгодно, чтобы двигатель выдавал много КМ на низких оборотах? И почему «…очень хоpошо, что мотор развивает максимальные 200 Hм всего пpи 1750 об/мин»? В последнем контексте упор делается не столько на КМ как таковой, сколько на завидно малые обороты, при которых он развивается. Такие двигатели называют «тяговитыми».

Кстати КМ впрямую зависит от литража. Наименее тяговиты моторы малолитражек. Например, на ВАЗ 2108 с объемом двигателя 1,5 л и ниже хороший КМ не получишь. Их водители часто переключаются на более низкие передачи, чтобы искусственно поддерживать высокие обороты. В противном случае мотор, как говорят автомобилисты, не тянет. Чтобы здесь получить «момент на низах» необходимо увеличивать объем двигателя.

а якже 1.4 TSI да надув но 1500 всі нютон-метри і багато

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector