Робочий цикл 4-тактного карбюраторного Д. в. с. відбувається за 4 ходи поршня (такти), тобто за 2 обороти колінчастого валу. При 1-му такті - впусканні поршень рухається від верхньої мертвої точки (в. м. т.) до нижньої мертвої точки (н. м. т.). Впускний клапан при цьому відкритий (рис. 1) і горюча суміш з карбюратора надходить в циліндр. Протягом 2-го такту - стиснення, коли поршень рухається від н. м. т. кв. м. т., впускний і випускний клапани закриті і суміш стискається до тиску 0,8-2 Мн / м ² (8-20 кгс / см ^2). Температура суміші в кінці стискання складає 200-400 ° C. Наприкінці стискування суміш запалюється електричною іскрою і відбувається згорання палива. Згоряння має місце при положенні поршня, близькому кв. м. т. Наприкінці згоряння тиск в циліндрі становить 3-6 Мн / м ² (30-60 кгс/1см ^2), а температура 1600-2200 ° C. Третій такт циклу - розширення називається робочим ходом; протягом цього такту відбувається перетворення тепла, отриманого від згоряння палива, на механічну роботу. 4-й такт - випуск відбувається при русі поршня від н. м. т. до ст. м. т. при відкритому випускному клапані. Відпрацьовані гази витісняються поршнем.
Робочий цикл 2 - тактного карбюраторного Д. в. с. здійснюється за 2 ходи поршня або за 1 оборот колінчастого валу (рис. 2). Процеси стиску, згорання і розширення практично аналогічні відповідним процесам 4-тактного Д. в. с. За інших рівних умовах 2-тактний двигун повинен бути в 2 рази більш потужним, ніж 4-тактний, т. к. робочий хід у 2-тактному двигуні відбувається в 2 рази частіше, проте на практиці потужність 2-тактного карбюраторного Д. в. с. часто не тільки не перевищує потужність 4-тактного з тим же діаметром циліндра і ходом поршня, але виявляється навіть нижче. Це обумовлено тим, що значна частина ходу (20-35%) поршень робить при відкритих вікнах, коли тиск в циліндрі невелике і двигун практично не виробляє роботи; продування циліндра вимагає витрат потужності на стиск повітря в продувному насосі; очищення простору циліндра від продуктів згоряння газів і наповнення його свіжим зарядом значно гірше, ніж в 4-тактному Д. в. с.
Робочий цикл карбюраторного Д. в. с. може бути здійснено при дуже великій частоті обертання валу (3000-7000 об / хв). Двигуни гоночних автомобілів і мотоциклів можуть розвивати 15 000 об / хв і більше. Нормальна горюча суміш складається приблизно з 15 частин повітря (за масою) і 1 частини парів бензину. Двигун може працювати на збідненої суміші (18: 1) або збагаченої суміші (12: 1). Занадто багата чи занадто бідна суміш викликає сильне зменшення швидкості згоряння і не може забезпечити нормального протікання процесу згоряння. Регулювання потужності карбюраторного Д. в. с. здійснюється зміною кількості суміші, що подається в циліндр (кількісне регулювання). Велика частота обертання і вигідні співвідношення палива і повітря в суміші забезпечують отримання великої потужності в одиниці об'єму циліндра карбюраторного двигуна, тому ці двигуни мають порівняно невеликі габарити і масу [1-4 кг / кВт (0,75-3 кг / л. С. )]. Застосування низьких ступенів стиснення обумовлює помірні тиску наприкінці згоряння, внаслідок чого деталі можна робити менш масивними, ніж, наприклад, в дизелях. При збільшенні діаметру циліндра кароюраторного Д. в. с. зростає схильність двигуна до детонації, тому карбюраторні Д. в. с. не роблять з великими діаметрами циліндрів (як правило, не більше 150 мм ). Прикладом карбюраторного Д. в. с. може служити двигун ГАЗ-21 «Волга». Це 4-циліндровий 4-тактний двигун, що розвиває потужність 55 кВт ( 75 л . с.) при 4000 об / хв і ступеня стиснення 6,7. Питома витрата палива на найбільш економічному режимі складає 290 г ; ^(Квт. Год).
Найбільша потужність 4-тактного карбюраторного Д. в. с. 600 кВт ( 800 л . с.). Мотоциклетні карбюраторні 2-тактний і 4-тактний Д. в. с. мають потужність від 3,5 до 45 кВт (від 5 до 60 л . с.). Авіаційні поршневі двигуни з безпосереднім уприскуванням бензину та іскровим запалюванням розвивають до 1100 кВт ( 1500 л . с.) і більше.
Карбюраторні Д. в. с. являють собою складний агрегат, що включає ряд вузлів і систем.
Остов двигуна - група нерухомих деталей, які є базою для всіх інших механізмів і систем. До остову відносяться блок-картер, головка (головки) циліндрів, кришки підшипників колінчастого валу, передня і задня кришки блок-картера, а також масляний піддон і ряд дрібних деталей.
Механізм руху - група рухомих деталей, що сприймають тиск газів в циліндрах і перетворюють цей тиск в крутний момент на колінчастому валу двигуна. Механізм руху включає в себе поршневу групу (поршні, шатуни, колінчастий вал і маховик).
Механізм газорозподілу служить для своєчасного впуску горючої суміші в циліндри і випуску відпрацьованих газів. Ці функції виконують кулачковий (розподільний) вал, що приводиться в рух від колінчастого валу, а також штовхачі, штанги і коромисла, що відкривають клапани. Клапани закриваються клапанними пружинами.
Система змащення - система агрегатів і каналів, що підводять мастило до поверхонь, що труться. Масло, що знаходиться в масляному піддоні, подається насосом у фільтр грубого очищення і далі через головний масляний канал у блок-картері під тиском надходить до підшипників колінчастого і кулачкового валів, до шестерням і деталей механізму газорозподілу. Мастило циліндрів, штовхачів та інших деталей проводиться масляним туманом, що утворюється при розбризкуванні масла, що випливає із зазорів в підшипниках обертаються деталей. Частина масла відводиться по паралельних каналах у фільтр тонкого очищення, звідки зливається назад в піддон.
Система охолодження може бути рідинної та повітряної. Рідинна система складається з сорочок циліндрів і головок, заповнених рідиною, що охолоджує (водою, антифризом і т. п.), насоса, радіатора, у якому рідина охолоджується потоком повітря, створюваним вентилятором, і пристроїв, що регулюють температуру води. Повітряне охолодження здійснюється обдувом циліндрів і головок вентилятором або потоком повітря (на мотоциклах).
Система харчування здійснює приготування горючої суміші з палива й повітря в пропорції, що відповідає режиму роботи, і в кількості, що залежить від потужності двигуна. Система складається з паливного бака, топливоподкачивающего насоса, паливного фільтра, трубопроводів і карбюратора, що є основним вузлом системи.
Система запалювання служить для утворення в камері згоряння іскри, воспламеняюшей робочу суміш. У систему запалювання входять джерела струму - генератор і акумулятор, а також переривник, від якого залежить момент подачі іскри. У систему включається розподільник струму високої напруги по відповідним циліндрах. В одному агрегаті з переривником знаходяться конденсатор, що поліпшує роботу переривника, і котушка запалювання, з якої знімається висока напруга (12-20 кв). У той час, коли Д. в. с. не мали електричного запалювання, застосовувалися запальні калоризатор.
Система пуску складається з електричного стартера, шестерень передачі від стартера до маховика, джерела струму (акумулятора) та елементів дистанційного управління. У функції системи входить обертання валу двигуна для пуску.
Система впуску і випуску складається з трубопроводів, повітряного фільтра на впуску і глушника шуму на випуску.
Газові Д. в. с. працюють здебільшого па природному газі і газах, одержуваних при виробництві рідкого палива. Крім того, можуть бути використані: газ, генерований в результаті неповного згоряння твердого палива, металургійні гази, каналізаційні гази та ін Застосовуються як 4-тактний, так і 2-тактнис газові Д. в. с. За принципом сумішоутворення і займання газові двигуни поділяються на: Д. в. с. із зовнішнім сумішоутворенням і іскровим запалюванням, в яких робочий процес аналогічний процесу карбюраторного двигуна; Д. в. с. із зовнішнім сумішоутворенням і запаленням струменем рідкого палива, займистого від стиснення; Д. в. с. з внутрішнім сумішоутворенням та іскровим запалюванням. Газові двигуни, що використовують природні гази, застосовуються на стаціонарних електростанціях, компресорних газоперекачувальних установках і т. п. Скраплені бутано-пропанові суміші використовуються для автомобільного транспорту (див. газобалонних автомобілів).
Економічність роботи Д. в. с. характеризується ефективним ккд, який представляє собою відношення корисної роботи до кількості тепла, що виділяється при повному згорянні палива, витраченого на отримання цієї роботи. Максимальний ефективний ккд найбільш досконалих Д. в. с. близько 44%.
Основною перевагою Д. в. с., так само як і ін теплових двигунів (наприклад, реактивних двигунів), перед двигунами гідравлічними і електричними є незалежність від постійних джерел енергії (водних ресурсів, електростанцій тощо), у зв'язку з чим установки, обладнані Д. в. с., можуть вільно переміщатися і розташовуватися в будь-якому місці. Це зумовило широке застосування Д. в. с. на транспортних засобах (автомобілях, с.-г. та будівельно-дорожніх машинах, самохідної військовій техніці і т. п.).
Удосконалення Д. в. с. йде по шляху підвищення їх потужності, надійності та довговічності, зменшення маси та габаритів, створення нових конструкцій (див., наприклад, Ванкеля двигун). Можна намітити також такі тенденції у розвитку Д. в. с., як поступове заміщення карбюраторних Д. в. с. дизелями на автомобільному транспорті, застосування багатопаливних двигунів, збільшення частоти обертання і ін
Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ)
Один з найпоширеніших двигунів - двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Його встановлюють на автомобілі, кораблі, трактори, моторні човни і т. д., в усьому світі налічуються сотні мільйонів таких двигунів. Існує два типи двигунів внутрішнього згоряння - бензинові і дизелі.
Бензинові двигуни внутрішнього згоряння працюють на рідкому паливі (бензині, гасі і т. п.) або на нафтовий газ (збереженому в стислому вигляді в сталевих балонах або видобувається сухою перегонкою з дерева). Проектують двигуни, де пальним буде водень.
Основна частина ДВС - один або кілька циліндрів, усередині яких відбувається спалювання палива. Звідси і назва двигуна.
Усередині циліндра ковзає поршень - металевий стакан, оперезаний пружними кільцями (поршневі кільця), вкладеними в канавки на поршні. Поршневі кільця не пропускають газів, що утворюються при згорянні палива, в проміжки між поршнем і стінками циліндра.
Поршень забезпечений металевим стрижнем - пальцем, він з'єднує поршень з шатуном. Шатун передає руху поршня колінчастого валу (див. рис.).
Верхня частина циліндра сполучається з двома каналами, закритими клапанами. Через один з каналів - впускний подається горюча суміш, через інший - випускний видаляються продукти згорання. У верхній частині циліндра поміщається свічка - пристосування для запалювання горючої суміші за допомогою електричної іскри.
Найбільшого поширення в техніці отримав чотиритактний двигун. Розглянемо його роботу. 1-й такт - впуск (всмоктування). Відкривається впускний клапан. Поршень, рухаючись вниз, засмоктує в циліндр горючу суміш. 2-й такт - стиснення. Впускний клапан закривається. Поршень, рухаючись вгору, стискає горючу суміш, при стисканні вона нагрівається. Третій такт - робочий хід. Поршень досягає верхнього положення. Суміш підпалюється електричною іскрою свічки. Сила тиску газів - розпечених продуктів горіння - штовхає поршень вниз. Рух поршня передається колінчастого валу, вал повертається, провадиться тим самим корисна робота. Виробляючи роботу і розширюючись, продукти згоряння охолоджуються, тиск в циліндрі падає майже до атмосферного. 4-й такт - випуск (вихлоп). Відкривається випускний клапан, відпрацьовані продукти згорання викидаються через глушник в атмосферу.
З 4 тактів двигуна лише один, третій - робітник. Тому двигун постачають маховиком, інерційним двигуном, запасають енергію, за рахунок якої колінчастий вал (див. Вали й осі машин) повертається впродовж решти тактів. Відзначимо, що одноциліндрові двигуни встановлюють головним чином на мотоциклах. На автомобілях, тракторах і т. п. для більш рівномірної роботи ставлять 4,6,8 і більше циліндрів на загальному валу.
Двигуни з циліндрами, встановленими у вигляді зірки навколо одного вала, отримали назву зіркоподібних. Потужність зіркоподібних двигунів досягає 4 МВт. Використовують їх головним чином в авіації.
Дизель - інший тип двигуна внутрішнього згоряння. На відміну від бензинового займання в його циліндрах відбувається при упорскуванні палива в повітря, попередньо стислий поршнем і, отже, нагрітий до високої температури.
Цей двигун назвали по імені німецького інженера Р. Дизеля, що побудував в 1897 р . перший двигун із займанням від стиснення - в цьому і полягає його відмінність від бензинового двигуна внутрішнього згоряння, що використовує особливий пристрій для запалення палива.
Конструктивно дизель мало чим відрізняється від бензинового двигуна внутрішнього згоряння. На малюнку видно, що у нього є циліндр, поршень, клапани. Та й принцип дії дизеля такою ж. Але є і відмінності: у голівці циліндра знаходиться паливний клапан - форсунка. Призначення її - в певні фази обертання колінчастого вала впорскувати паливо в циліндр. Клапани, паливний насос, що живить форсунку, отримують рух від розподільного валу, який, у свою чергу, приводиться в рух від колінчастого вала двигуна.
Нехай початковим становищем поршня буде верхня мертва точка. При русі поршня вниз (перший такт) відкривається впускний клапан, через який в циліндр засмоктується повітря. Впускний клапан при зворотному ході поршня закривається і в продовження всього другого такту залишається закритим.
У циліндрі дизеля відбувається стиснення повітря (в бензиновому двигуні внутрішнього згоряння на цій фазі стискається горюча суміш). Ступінь стиснення в дизелях в 2-2,5 рази більше, внаслідок чого температура повітря наприкінці стиснення піднімається до температури, достатньої для запалення палива. У момент підходу поршня у верхню мертву точку починається подача палива в циліндр з форсунки. Потрапляючи в гаряче повітря, мелкораспиленное паливо самозаймається. Згоряння палива (в третьому такті) відбувається не відразу, як в бензинових двигунах внутрішнього згоряння, м поступово, протягом деякої частині ходу поршня вниз; обсяг простору в циліндрі, де паливо згоряє, збільшується. Тому тиск газів під час роботи форсунки залишається постійним.
Коли поршень повертається в нижню мертву точку, відкривається випускний клапан 8 тиск газів відразу падає, після чого закінчується четвертий такт, поршень повертається у верхню мертву точку. Цикл далі повторюється.
Дизель економічніший бензинового двигуна внутрішнього згоряння, він працює на дешевих видах палива. Дизель відноситься до найбільш економічним тепловим двигунам; tro ккд досягає 44%. Сконструйовані і побудовані двигуни потужністю до 30 000 кВт. Дизелі використовуються головним чином як головних і допоміжних суднових двигунів, на пересувних електростанціях, на тепловозах, тракторах, вантажівках.
Чи будете ви трактористом, машиністом, водієм чи просто автоаматором, ви обов'язково познайомитеся з роботою двигунів внутрішнього згоряння. Але вже більш детально.

ДВИГУНИ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

В даний час існує велика кількість пристроїв, що використовують теплове розширення газів. До таких пристроїв відноситься карбюраторний двигун, дизелі, турбореактивні двигуни і т.д.
Теплові двигуни можуть бути розділені на дві основні групи. 1. Двигуни з зовнішнім згорянням - парові машини, парові турбіни, двигуни Стірлінга і т.д. 2. Двигуни внутрішнього згоряння. В якості енергетичних установок автомобілів найбільшого поширення отримали двигуни внутрішнього згоряння, в яких процес згоряння палива з виділенням теплоти і перетворенням її в механічну роботу відбувається безпосередньо в циліндрах. На більшості сучасних автомобілів встановлені двигуни внутрішнього згоряння.
Найбільш економічними є поршневі і комбіновані двигуни внутрішнього згоряння. Вони мають достатньо великий термін служби, порівняно невеликі габаритні розміри і масу. Основним недоліком цих двигунів слід вважати зворотно-поступальний рух поршня, пов'язане з наявністю криво шатунного механізму, ускладнює конструкцію і обмежує можливість підвищення частоти обертання, особливо в значних розмірах двигуна.
А тепер трохи про перші ДВС. Перший двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) був створений в 1860 р . французьким інженером Етвеном Ленуар, але ця машина була ще досить недосконалою. У 1862 р . французький винахідник Бо де Роша запропонував використовувати в двигуні внутрішнього згоряння чотиритактний цикл: 1) всмоктування; 2) стиск; 3) горіння і розширення; 4) вихлоп. Ця ідея була використана німецьким винахідником Н. Отто, яка вибудувала в 1878 р . перший чотиритактний двигун внутрішнього згоряння. ККД такого
двигуна досягав 22%, що перевершувало значення, отримані при використанні двигунів всіх попередніх типів.
Швидке поширення ДВС у промисловості, на транспорті, в сільському господарстві і стаціонарній енергетиці була обумовлена ​​низкою їхніх позитивних особливостей.
Здійснення робочого циклу ДВС в одному циліндрі з малими втратами значним перепадом температур між джерелом теплоти і холодильником забезпечує високу економічність цих двигунів. Висока економічність - одне з позитивних якостей ДВС. Серед ДВС дизель в даний час є таким двигуном, який перетворює хімічну енергію палива в механічну роботу з
найбільш високим ККД у широкому діапазоні зміни потужності. Це якість дизелів особливо важливо, якщо врахувати, що запаси нафтових палив обмежені.
До позитивних особливостей ДВС варто віднести також те, що вони можуть бути з'єднані практично з будь-яким споживачем енергії. Це пояснюється широкими можливостями отримання відповідних характеристик зміни потужності та крутного моменту цих двигунів.
Розглянуті двигуни успішно використовуються на автомобілях тракторах, сільськогосподарських машинах, тепловозах, судах, електростанціях і т.д., тобто ДВС відрізняються гарною пристосованістю до споживача.
Порівняно невисока початкова вартість, компактність і мала маса ДВС дозволили широко використовувати їх на силових установках, що знаходять широке застосування і мають невеликі розмірів моторного відділення.
Установки з ДВС мають великою автономністю. Навіть літаки з ДВС можуть літати десятки годин без поповнення пального. Важливою позитивною якістю ДВЗ є можливість їх швидкого пуску в звичайних умовах. Двигуни, що працюють при низьких температурах, забезпечуються спеціальними пристроями для полегшення і прискорення пуску. Після пуску двигуни порівняно швидко можуть приймати повне навантаження. ДВС володіють значним гальмівним моментом, що дуже важливо при використанні їх на транспортних установках.
Позитивною якістю дизелів є здатність одного двигуна працювати на багатьох паливах. Так відомі конструкції автомобільних багатопаливних двигунів, а також суднових двигунів великої потужності, які працюють на різних паливах - від дизельного до котельного мазуту. Але поряд з позитивними якостями ДВС мають ряд недоліків. Серед них обмежене в порівнянні, наприклад з паровими і газовими турбінами агрегатна потужність. Високий рівень шуму, відносно велика частота обертання колінчастого вала при пуску і неможливість безпосереднього з'єднання його з провідними колесами споживача, Токсичність вихлопних газів, зворотно-поступальний рух поршня, що обмежують частоту обертання і є причиною поява не врівноважених сил інерції і моментів від них. Але неможливо було б створення двигунів внутрішнього згорання, їх розвитку та застосування, якщо б не ефект теплового розширення. Адже в процесі теплового розширення нагріті до високої температури гази здійснюють корисну роботу. Внаслідок швидкого згоряння суміші в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння, різко підвищується тиск, під впливом якого відбувається переміщення поршня в циліндрі. А це якраз і є та сама потрібна технологічна функція, тобто силовий вплив, створення великих тисків, яку виконує теплове розширення, і заради якої це явище застосовують у різних технологіях і зокрема в ДВС. Саме цьому явищу я хочу приділити увагу в наступному розділі.

Поршневий двигун внутрішнього згорання

Як було вище сказано, теплове розширення застосовується у ДВС. Але яким чином воно застосовується і яку функцію виконує ми розглянемо на прикладі роботи поршневого ДВЗ. Двигуном називається енергосилових машина, яка перетворює будь-яку енергію в механічну роботу. Двигуни, в яких механічна робота створюється в результаті перетворення теплової енергії, називаються тепловими. Теплова енергія виходить при спалюванні будь-якого палива. Тепловий двигун, в якому частина хімічної енергії палива, що згоряє в робочій порожнині, перетворюється на механічну енергію, називається поршневим двигуном внутрішнього згоряння. (Радянський енциклопедичний словник)
Бернуллі рівняння, основне рівняння гідродинаміки, що зв'язує (для встановленого течії) швидкість поточної рідини v, тиск у ній р і висоту h розташування малого об'єму рідини над площиною відліку. Б. в. було виведено Д. Бернуллі у 1738 для цівки ідеальної нестисливої ​​рідини постійної щільності , що знаходиться під дією тільки сил тяжіння. У цьому випадку Б. в. має вигляд:
v ² / ² + pl  + gh = const,
де g - прискорення сили тяжіння. Якщо це рівняння помножити на , то 1-й член буде представляти собою кінетичну енергію одиниці об'єму рідини, а ін 2 члени - його потенційну енергію, частина якої обумовлена ​​силою тяжіння (останній член рівняння), а ін частина - тиском p. Б. у. в такій формі виражає закон збереження енергії. Якщо вздовж струмка рідини енергія одного виду, наприклад кінетична, збільшується, то потенційна енергія на стільки ж зменшується. Тому, наприклад, при звуженні потоку, поточного по трубопроводу, коли швидкість потоку збільшується (тому що через менший переріз за той же час проходить таку ж кількість рідини, як і через більший перетин), тиск відповідно в ньому зменшується (на цьому базується принцип роботи витратоміра Вентурі).
З Б. в. випливає ряд важливих наслідків. Наприклад, при закінченні рідини з відкритого посудини під дією сили тяжіння (рис. 1) з Б. в. слід:
v ² / 2g = h або

тобто швидкість рідини в вихідному отворі така ж, як при вільному падінні частинок рідини з висоти h.
Якщо рівномірний потік рідини, швидкість якого v ₀ і тиск p _0, зустрічає на своєму шляху перешкоду (рис. 2), то безпосередньо перед перешкодою відбувається підпір - уповільнення потоку; в центрі області підпору, у критичній точці, швидкість потоку дорівнює нулю. З Б. в. випливає, що тиск в критичній точці p ₁ = p ₀ +  v ² ₀ / 2. ріст тиску в цій точці, рівне p ₁ - p ₀ =  v ² ₀ / 2, називається динамічним тиском, або швидкісним напором. У струмку реальної рідини її механічна енергія не зберігається вздовж потоку, а витрачається на роботу сил тертя і розсіюється у вигляді теплової енергії, тому при застосуванні Б. в. до реальної рідини необхідно враховувати втрати на опір.
Б. в. має велике значення в гідравліці та технічної гідродинаміці: воно використовується при розрахунках трубопроводів, насосів, при вирішенні питань, пов'язаних з фільтрацією, і т.д. Бернуллі рівняння для середовища зі змінною щільністю р разом з рівнянням незмінності маси і рівнянням стану є основою газової динаміки.

Рух рідини по трубах. Залежність тиску рідини від швидкості її течії

Стаціонарне протягом рідини. Рівняння нерозривності

Розглянемо випадок, коли нев'язка рідина тече по горизонтальній циліндричній трубі із змінним поперечним перерізом.
Перебіг рідини називають стаціонарним, якщо в кожній точці простору, займаного рідиною, її швидкість з плином часу не змінюється. При стаціонарному перебігу через кожний поперечний переріз труби за рівні проміжки часу переносяться однакові об'єми рідини.
Рідини практично нестисливі, тобто можна вважати, що дана маса рідини завжди має незмінний обсяг. Тому однаковість об'ємів рідини, що проходять через різні перерізу труби, означає, що швидкість течії рідини залежить від перетину труби.
Нехай швидкості стаціонарного течії рідини через перерізу труби S ₁ і S ₂ рівні відповідно v ₁ і v _2. Об'єм рідини, що протікає за проміжок часу t через перетин S _1, дорівнює V ₁ = S ₁ v ₁ t, а об'єм рідини, що протікає за той же час через перетин S2, дорівнює V ₂ = S ₂ v ₂ t. З рівності V ₁ = V ₂ випливає, що
S ₁ V ₁ = S ₂ V _2. (5.10)
Співвідношення (5.10) називають рівнянням нерозривності. З нього випливає, що
v ₁ / v ₂ = S ₂ / S _1.
Отже, при стаціонарному перебігу рідини швидкості руху її частинок через різні поперечні перерізу труби обернено пропорційні площам цих перерізів.

Тиск у рухомої рідини. Закон Бернуллі

Збільшення швидкості течії рідини при переході з ділянки труби з більшою площею поперечного перерізу в ділянку труби з меншою площею поперечного перерізу означає, що рідина рухається з прискоренням.
Згідно з другим законом Ньютона, причиною прискорення є сила. Цією силою в даному випадку є різниця сил тиску, що діють на поточну рідина у широкій і вузькій частинах труби. Отже, б широкої частини труби тиск рідини повинно бути більше, ніж у вузькій. Це можна безпосередньо спостерігати на досвіді. На рис. показано, що на ділянках різного поперечного перерізу S ₁ і S ₂ в трубу, по якій тече рідина, вставлені манометричні трубки.
Як показують спостереження, рівень рідини в манометричній трубці у перерізу S ₁ труби вище, ніж у перерізу S _2. Отже, тиск в рідині, що протікає через перетин з більшою площею S _1, вище, ніж тиск в рідині, що протікає через перетин з меншою площею S _2. Отже, при стаціонарному перебігу рідини в тих місцях, де швидкість течії менше, тиск в рідині більше і, навпаки, там, де швидкість течії більше, тиск в рідині менше. До цього висновку вперше прийшов Бернуллі, тому даний закон називається законом Бернуллі.

Закон Бернуллі є наслідком закону збереження енергії для стаціонарного потоку ідеальної (тобто без внутрішнього тертя) нестисливої ​​рідини:

Тут
ρ - густина рідини,
v - швидкість потоку,
h - висота, на якій знаходиться розглянутий елемент рідини,
p - тиск.
Константа в правій частині зазвичай називається напором, або повним тиском. Розмірність усіх доданків - одиниця енергії, що припадає на одиницю об'єму рідини.
Це співвідношення називають рівнянням Бернуллі. Величина в лівій частині має відношення до інтегралу Бернуллі.
Для горизонтальної труби h = const і рівняння Бернуллі приймає вигляд .


Відповідно до закону Бернуллі повний тиск у сталому потоці рідини залишається постійним уздовж цього потоку. Повний тиск складається з вагового, статичного і динамічного тиску. Із закону Бернуллі випливає, що при зменшенні перерізу потоку, через зростання швидкості, тобто динамічного тиску, статичний тиск падає. Закон Бернуллі справедливий і для ламінарних потоків газу. Явище пониження тиску при збільшенні швидкості потоку лежить в основі роботи різного роду витратомірів, водо-і пароструминних насосів.
Закон Бернуллі справедливий у чистому вигляді лише для рідин, в'язкість яких дорівнює нулю, тобто таких рідин, які не прилипають до поверхні труби. Насправді експериментально встановлено, що швидкість рідини на поверхні твердого тіла завжди в точності дорівнює нулю.
Закон Бернуллі можна застосувати до закінчення ідеальної нестисливої ​​рідини через малий отвір у бічній стінці або дні широкого судини.
Відповідно до закону Бернуллі прирівняємо повні тиску на верхній поверхні рідини і на виході з отвору:
,
де
p ₀ - атмосферний тиск,
h - висота стовпа рідини в посудині,
v - швидкість витікання рідини.
Звідси: . Це - формула Торрічеллі. Вона показує, що при закінченні ідеальної нестисливої ​​рідини з отвору в широкому посудині рідина набуває швидкість, яку отримало б тіло, вільно падаюче з висоти h.

Глайдірующій літальний апарат

Ми вже вказали, які чотири сили діють на моторний літак в процесі сталого горизонтального польоту: його вага тягне вниз, рівна протилежна підйомна сила крил підтримує його, вперед штовхає мотор, тому тягне рівне опір повітря.
Але що ж є таке на землі, а вірніше в повітрі, що штовхає вперед глайдер? Це частина або компонент ваги літального апарату, тобто та ж сила, яка змушує кульку скочуватися по похилій поверхні. Ще один відступ: Розрахунок сил:
Нам вже відомо, що дві однакових сили, що діють в протилежному напрямку (підйомна сила і вага, тяга двигуна і опір повітря у випадку з літаком), врівноважують один одного, залишаючи тіло в стані спокою чи рівномірного руху з постійною швидкістю в заданому напрямку.
Якщо дві або більше сил діють в одному напрямку, ми просто складаємо їх. Якщо кінь може тягти екіпаж з силою, скажімо, 50 кг , То двоє коней докладуть зусилля в 100 кг , А три коні (Руська "трійка") у 150 кг . На нашому малюнку ми просто малюємо сили на шкалі одну за одною, потім стираємо стрілки, крім останньої. Результат (який називається результуючої силою) - це просто більш довга одиночна стрілка:
Коли ми маємо справу з нерівними силами, що діють в протилежному напрямку, все як і раніше просто: ми віднімаємо з більш довгою стрілки довжину короткої і залишаємося з результуючої силою, яка за величиною менше:
<
Але що якщо дві нерівні сили діють під кутом? Є зовсім простий шлях знаходження результуючої, який виглядає наступним чином:
Спочатку ми малюємо дві наші сили, позначені через F1 і F2, з точки 0. Потім з кінця F1 малюємо допоміжну лінію, паралельну F2, а з кінця F2 - іншу, паралельну F1. Тепер з точки 0 проводимо лінію в точку перетину двох допоміжних прямих. Ось це і є наша результуюча сила:
Ми можемо використовувати даний метод не тільки для складання двох сил в результуючу, але і для розкладання однієї сили на дві, що діють у різноманітних напрямах, які ми вибираємо. Спробуємо застосувати це на прикладі кульки, що котиться по похилій площині.
Кулька має певну вагу, який тягне його вниз. Якщо б він був на плоскому столі, він залишався б на місці, чинячи тиск на точку прямо під власним центром ваги, і нікуди б не котився. На похилій площині, проте, його вага як і раніше спрямований прямо вниз в той час, як точка підтримки, тобто точка дотику з площиною зміщена назад. Тут має місце відсутність рівноваги, і ми можемо розкласти вагу W на дві сили: одна проходить через точку контакту з площиною, а друга тягне кулька вздовж напрямку нахилу.
Будемо вважати вага (стрілка W) результуючої силою. Тоді малюємо цю силу з центру кульки вертикально вниз у масштабі, що відбиває справжній вагу. Нам вже відомі напрямки двох сил, які ми шукаємо: перше, що відповідає за тиск на похилу площину, проходить через точку контакту з нею, а друге - скачують кульки - паралельно нахилу площини. Тепер з кінця сили ваги проводимо дві прямих паралельно двом силам, напрямки яких ми щойно відзначили, і ці прямі відсічуть по довжині від зазначених напрямків дві величини, що визначають силу скочування до тиску на площину.
Проробимо тепер те ж саме з планером, який, хоч і "ковзає вниз" по тонкому повітрю замість жорсткої поверхні, проте, підкоряється тим же правилам. Вага планера діє в напрямку прямо вниз. Розкладаючи його на дві компоненти, одна з яких протилежна підйомної сили крила, а друга тягне вперед у напрямку планування, ми приходимо до балансу всіх сил.
(У разі, якщо вас цікавить, звідки взялася енергія, що замінює роботу двигуна літака, відповідь проста: ви самі запасли її, піднімаючись або в'їжджаючи на пагорб, а тепер використовуєте її, повертаючись по повітрю до підніжжя пагорба).
(У гарну погоду є можливості і засоби піднятися набагато вище, ніж точка зльоту, і залишатися там годинами - одне їх найбільших задоволень цього спорту, але там ви використовуєте силу вхідних потоків повітря. Це більше підходить під визначення "ширяння", а не " глайдірованія ", і ми розглянемо ці можливості пізніше в цій книжці).

Кут атаки

Ми бачили, що, коли наше крило або надутий купол параглайдера планує вперед, потік повітря створює різницю тисків під крилом і над ним, в результаті чого з'являється підйомна сила, яка підтримує нас, крім того, створюється менша сила опору, яку необхідно подолати "тягнучої" компонентою нашого ваги.

У попередніх ілюстраціях ми малювали потік повітря під крилом паралельно його плоскому днища, як на малюнку вище.
Кут між цією плоскою нижньою поверхнею крила і потоком повітря, з яким вона зустрічається, називається кутом атаки. (Це не зовсім вірно для всіх профілів, але ми приймемо, що це так для того, щоб спростити наші ілюстрації). Коли нижня поверхня крила паралельна потоку повітря, кута атаки немає, тобто він дорівнює нулю. (Будь ласка, відзначте, що крило при цьому вже створює підйомну силу за рахунок кривизни своїй поверхні).
Тепер подивимося, що станеться, якщо ми поступово будемо збільшувати кут атаки, нахиляючи крило вгору і примушуючи потік повітря заглиблюватися не лише в передню кромку, але і частково знизу.
Зрозуміло, при тій же швидкості повітря підйомна сила (а також опір повітря) зростуть. Це відбувається через те, що повітря, що йде поверх крила, тепер повинен пройти більший шлях до возз'єднання з потоком під крилом, і падіння тиску (всмоктування вгору) на вершині крила більше. Що ще важливіше, потік повітря знизу крила чинить тиск на його нижню похилу поверхню, збільшуючи загальний тиск і виштовхуючи крило вгору ще більше.
Це чудово. Використовуючи наші можливості управління, ми нахиляємо крило до кута атаки в п'ять градусів, і наша підйомна сила збільшується. Десять градусів - і вона ще більше. П'ятнадцять градусів - і ми отримуємо жахливу підйомну силу від нашого крила. Двадцять градусів і ...
Вся підйомна сила пропала і ми різко пірнаємо вниз!
Що трапилося?
Це називається ВТРАТА ШВИДКОСТІ. Поки ми нахиляли наш профіль все до великих кутах атаки, повітря повинен був проходити через вершину крила все більший і більший шлях, і шлях цей повинен був ставати все більш кривим. У якійсь точці, зазвичай між 15 і 20 градусів, повітря вже не в змозі рухатися так, він розбивається на турбулентні вихори - це явище називається турбуленцією - і припиняє забезпечувати піднімальну силу, залишаючи нас наодинці з силою опору повітря. На практиці, якщо втрата швидкості відбувається на великій висоті, ви знову набираєте її в результаті занурення і повертаєтеся знову до нормального польоту, втративши частину висоти і зазнавши прискорене серцебиття. Але на більш низьких висотах ви можете пірнути в землю перш, ніж набереться підйомна сила. Втрата швидкості - це одна з перших речей, яких вас навчать уникати на курсах параглайдингу.

Щоб усвідомити всі ці зміни підйомної сили, введемо в розгляд ще одне рівняння і один графік. Рівняння (яке виглядає аналогічним рівнянню для сили опору, записаному кількома сторінками раніше) описує піднімальну силу для даного крила:
ПІДЙОМНА СИЛА = 1 / 2 х р х cl х А х V ²
Ми вже зустрічали р (щільність повітря) і V (квадрат нашої швидкості). "А" - це площа або поверхню нашого парашута (зазвичай між 20 і 30 м ). Нове позначення тут - це cl - КОЕФІЦІЄНТ підйомної сили. Він залежить завжди від конкретної форми вашого профілю, але, крім того, як ми тільки що бачили, від кута атаки. Якщо ми намалюємо графік, де на горизонтальній осі показано різні кути атаки, а на вертикальній - коефіцієнт підйомної сили, то отримаємо приблизно такий вигляд кривої:
При нульовому куті атаки на вертикальній осі ми бачимо, що вже існує деяка підйомна сила. (Крива починається зі значення близько 0,2). На 5 градусах ми отримуємо по кривій коефіцієнт підйому 0,4. Підйомна сила крила подвоїлася! При 10 градусах коефіцієнт дорівнює 0,6, а при 15 - трохи більше, але крива вирівнюється, ми не отримуємо великий підйомної сили. Десь між 15 і 20 градусами вона повністю падає; більше немає підйомної сили, і крило падає.

Кут глайдірованія

Спостерігаючи з боку за глайдірующім парашутом, ви помічаєте, що його купол має негативний кут по відношенню до горизонту, тобто передня кромка знаходиться нижче задній. Не звертайте на це уваги. Ми цікавимося тільки двома "непоказним" вухами. Напрямком нашого шляху глайдірованія, яке також задає напрямок повітряного потоку, і кутом атаки нашого крила щодо цього напрямку:
У спокійному повітрі (про вітер ми розповімо пізніше) глайдірующій парашут покриває відстань у кілька разів більше, ніж висота, з якою він стартував. Це відношення (відстань, ділене на висоту), зване ставленням глайдірованія, може мінятися від помірного 3:1 для простого (але стабільного і безпечного) навчального парашута до 6:1 для парашута високої якості.

Міжнародно-правові аспекти проблеми екології космосу

Основоположним документом, що мають відношення до проблеми збереження сталого екологічного стану космічної середовища, є договір з космосу ( 1967 р .). Стаття 1 цього Договору передбачає здійснення космічної діяльності таким чином, щоб не ускладнити і не порушити права інших країн на мирне освоєння космосу. У статті 4 Договору підкреслюється, що держави несуть міжнародну відповідальність за національну діяльність у космічному просторі (у тому числі і що загрожує негативними екологічно-ми наслідками), незалежно від того, чи здійснюється вона урядовими органами чи неурядовими юридичними особами або організаціями. Стаття 7 передбачає, що учасники Договору, що здійснюють або організують запуск об'єкта в космос, а також держава, з території або установок якої здійснюється запуск космічного об'єкта, несуть міжнародну відповідальність за шкоду, заподіяну такими об'єктами або їх частинами на Землі, у повітряному або космічному просторі . Відповідно до статті 9 Договору його учасник зобов'язаний провести міжнародні консультації, якщо його діяльність або запланований експеримент створюють потенційно шкідливі перешкоди діяльності інших держав у справі мирного освоєння космосу (при цьому відсутні чіткі критерії, які відносять перешкоди до категорії "шкідливих", а також механізм проведення і не визначена форма консультацій). І нарешті, та ж 9-та стаття Договору закликає держави інформувати Генерального секретаря ООН, громадськість і міжнародну наукову спільноту в максимально можливій і практично здійснюваній мірі про характер, хід, місця і результати своєї космічної діяльності, у тому числі і пов'язану з забрудненням Землі і космосу.
Особливе місце в міжнародно-правовому регулюванні питань екології космосу належить "Конвенції про відповідальність за шкоду, заподіяну космічними об'єктами" ( 1972 р .). Конвенція накладає на державу, яка здійснює запуск, абсолютну відповідальність за шкоду, завдану космічними об'єктами на поверхні Землі і повітряному судну в польоті (ст. 2). У разі якщо завдається шкода космічному об'єкту однієї держави космічним об'єктом іншої держави, послід неї несе відповідальність тільки тоді, коли шкода заподіяна з вини або його, або осіб, за яких вона відповідає. Визначаючи термін "космічний об'єкт", як включає складові частини "космічного об'єкта", а також засоби її доставки (ракети-носії) та його частини (щаблі й його окремі вузли), не обов'язково функціонуючі, конвенція зберігає потенційну відповідальність держави, що запускає за забруднення космосу .
Встановлення відповідальності за шкоду, що наноситься космічним об'єктом космічної навколишнього середовищі дуже проблематично. Тут важливо враховувати, що відповідальність виникає лише в результаті шкоди. Цей термін визначається в статті 1 Конвенції як "позбавлення життя, тілесне ушкодження або інше ушкодження здоров'я, знищення або пошкодження майна держав або фізичних та юридичних осіб або майна міжнародних міжурядових організацій". Незважаючи на досить значний перелік можливих ситуацій, очевидно, що всі вони відносяться до фізичного збитку і не поширюються на космічну середу. "Угода про врятування космонавтів і повернення об'єктів, запущених у космічний простір" ( 1968 р .) Також містить ряд положень, що мають непряме відношення до екології космосу. За цією Угодою сторона, що виявила, що космічний об'єкт або його частину приземлився на її території, зобов'язана повідомити про це як країну, запустила об'єкт в космос, так і ООН. Якщо у країни, що виявила цей об'єкт, є причини вважати, що сам об'єкт або його частина представляє якусь загрозу чи шкода, то ця країна може повідомити про це державу, запустити об'єкт, яке, у свою чергу, зобов'язана вжити негайних ефективних кроки ( під керівництвом і контролем країни, що виявила об'єкт) для усунення загрози чи шкоди.
"Конвенція про реєстрацію космічних об'єктів, що запускаються в космічний простір" ( 1975 р .) Також має певне відношення до правового регулювання питань екології космосу, оскільки зобов'язує державу зберігати юрисдикцію і контроль над своїм космічним об'єктом на всіх стадіях польоту. Особливим документом, хоча й декларативно, але прямо забороняє забруднення космосу і що має пряме відношення до даного питання, є "Конвенція про заборону військового чи іншого ворожого використання засобів впливу на природне середовище" ( 1977 р .). Згідно з її вимогам держави-учасники зобов'язалися не вдаватися до військового або будь-якого іншого ворожого використання засобів впливу на природне (у тому числі космічну) середовище, застосування яких викликає широкі, довгострокові або серйозні наслідки, шляхом навмисної зміни її динаміки, складу або структури. Однак з огляду універсального характеру Конвенції її внесок у вирішення проблеми екології космосу носить дуже загальний і, скоріше, декларативний характер. Яких-небудь конкретних положень, які торкаються проблем засмічення космосу техногенними космічними тілами, та механізму прийняття практичних заходів Конвенція не містить.
При цьому існує очевидне і доступне громадському розумінню рішення проблеми екології космосу - скорочення масштабів космічної діяльності (її регулювання в плані вдосконалення ракетно-космічної техніки в екологічному відношенні, тобто зменшення кількості залишаються в космосі некерованих об'єктів, спуск в атмосферу Землі відпрацювали свій ресурс КА, примусова очищення орбіт), проте до цих пір ніхто достовірно не оцінив ні результативності таких заходів, ні їх придатності за критерієм "витрати - ефективність". Тому перспективи вдосконалення міжнародно-правового режиму в напрямку вирішення екологічної проблеми в космічному середовищі дуже розпливчасті. Починаючи з кінця 1980-х рр.. питання про засмічення космосу порушувалося Науково-технічним та Юридичним підкомітетами Комітету ООН з використання космічного простору в мирних цілях, куди в 1988 р . був представлений розроблений КОСПАР та МАФ доповідь про стан справ з "космічним сміттям". У 1989 - 1991 рр.. низкою держав (ФРН, Нідерландами та ін) в Комітет представлялися робочі документи з питань зіткнень супутників і пілотованих платформ з іншими космічними об'єктами і з проблеми екології космосу в це-лом.
У грудні 1990 р . Генеральна Асамблея ООН у своїй резолюції № 45/72 вперше відзначила, що питання про "космічному смітті" викликає занепокоєння у всіх державі в зв'язку з цим висловилася за те, що світовій спільноті необхідно приділяти більше уваги питанню оцінки небезпеки зіткнень з космічним сміттям та іншим аспектам цієї проблеми, а також закликала продовжити національні дослідження в цьому напрямку. До екологічних проблем сучасної космонавтики належить проблема забезпечення безпеки використання ядерних джерел енергії (ЯІЕ) на борту космічних об'єктів, яка виникає у разі їх проникнення в атмосферу або падіння на поверхню Землі. Що стосується небезпеки радіоактивного забруднення небесних тіл в результаті перебування на них таких об'єктів, то при сучасному рівні розвитку техніки навряд чи можливо виходити за рамки вже не раз згадуваного вище Договору по космосу ( 1967 р .).
Запобігання забруднення космосу радіоактивними матеріалами штучного походження регламентується трьома міжнародними угодами:
· "Договором про обмеження випробувань ядерної зброї в атмосфері, космічному просторі й під водою" ( 1963 р .), Що забороняє вибухи ядерної зброї або інші ядерні вибухи в космічному просторі і в атмосфері Землі;
· "Конвенцією про оперативне оповіщення про ядерну аварію" ( 1986 р .), Що передбачає обов'язки сторін щодо оповіщення держав про можливу загрозу від інциденту з реактором або від застосування радіоізотопів в космосі;
· "Конвенцією про допомогу в разі ядерної аварії або радіаційної аварійної ситуації" ( 1986 р .), Встановлює рамки, в межах яких одна сторона може надати допомогу іншій у випадку ядерного інциденту або радіологічної небезпеки, пов'язаної з появою радіоактивних космічних уламків.
Генеральна Асамблея ООН 14 грудня 1992 р . схвалила і прийняла "Принципи, що стосуються використання ядерних джерел енергії в космічному просторі". У спеціальній резолюції підкреслювалася застосовність міжнародного права до діяльності, пов'язаної з використанням ядерних джерел енергії. Цей документ передбачає зобов'язання держав, що запускають космічні об'єкти з ядерними джерелами енергії на борту, докладати зусилля для захисту окремих осіб, населення та біосфери від радіологічної небезпеки. Конструкція та використання космічних об'єктів з ядерними джерелами енергії на борту з високим ступенем впевненості повинні забезпечувати таку безпеку, щоб за передбачуваних або аварійних обставин ступінь небезпеки була нижчою за прийнятні рівні. Керівним принципом безпечного використання ЯІЕ названо зведення до мінімуму кількості радіоактивного матеріалу в космосі.
У ході нормальної експлуатації космічних об'єктів з ядерними джерелами енергії на борту має дотримуватися рекомендований міжнародної Комісією з радіологічного захисту вимога забезпечення належного захисту населення. Особливо обумовлені випадки аварії з космічними об'єктами, що мають ЯІЕ у складі своєї конструкції.
У прийнятих Принципах формулюється ряд вимог до космічної техніки, що несе на борту ядерний матеріал, а саме вимоги:
· До систем безпеки пристроїв з ядерними джерелами енергії;
· До ядерних реакторів і радіоізотопним генераторам, які використовуються в якості ЯІЕ на космічних об'єктах;
· З безпеки застосування ЯІЕ.
Особливе місце в "Принципах, що стосуються використання ядерних джерел енергії в космічному просторі" відводиться принципу повідомлення про повернення. Проведений аналіз договорів, угод та принципів діяльності, що мають відношення до проблеми космічної екології, свідчить про те, що ці документи створюють досить хорошу основу майбутнього міжнародного режиму для вирішення завдань захисту космічного середовища.

Авіаційна промисловість України тримається на плаву завдяки постачанням ракет "повітря-повітря" на експорт

Міністерство промислової політики України пропонує при внесенні змін і доповнень до держбюджету на 2008 рік з коштів у розмірі 590 млн. грн., Передбачених на виконання заходів Державної комплексної програми розвитку авіаційної промисловості України до 2010 року, направити 90 млн. грн. ($ 18 млн.) на добудову літаків високого ступеня готовності. Про це кореспонденту ІА REGNUM у Києві повідомили в прес-службі Мінпромполітики сьогодні, 25 лютого.
Згідно з наданою інформацією, таку пропозицію щодо змін і доповнень до держбюджету-2008 прозвучала на засіданні колегії Мінпромполітики, де обговорювався стан виконання Державної комплексної програми розвитку авіаційної промисловості України до 2010 року та заходи щодо забезпечення серійного виробництва літаків Ан-148, а також щодо функціонування галузевої науки та шляхів підвищення ефективності науково-технічного сектору промисловості України. На засіданні також відзначалося, що протягом 2007 року авіаційна промисловість виробила товарів і надала послуг на суму 4,2 млрд. грн., Що в порівнянні з 2006 роком складає 112%. Значною мірою такий показник зумовлений постачаннями авіаційного озброєння ракети "повітря-повітря" на експортВ 2008 році на розвиток авіаційної промисловості України в держбюджеті передбачено виділити 765 млн гривень. ($ 150 млн). Ці обсяги в 3,3 рази перевищують державне фінансування цієї галузі в 2007 році. Про це 6 жовтня кореспондент ІА REGNUM у Києві повідомили в прес-службі кабінету міністрів Украіни.Правітельство Віктора Януковича передбачало спрямувати ці гроші на створення та підготовку до серійного виробництва літака Ан-148 і авіадвигунів Д-436-148, АІ-450МС.Кроме цього , проектом держбюджету на 2008 рік передбачено надання урядом державних гарантій підприємствам для закупівлі літаків вітчизняного виробництва на суму 1 млрд гривень ($ 200 млн). Крім авіації, проект бюджету Україні в 2008 році передбачає виділення 444 500 000 гривень ($ 88 млн) державних грошей на розвиток ракетно-космічної галузі і 240 млн гривень. ($ 47 млн) на створення технології утилізації твердого ракетного палива.