МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ И ДЕФОРМАЦИЯ
В результате работы коррозионного элемента происходит коррозия цинка с водородной деполяризацией. Цинк является защитником, или протектором. А метод защиты называется «протекторная защита».
В.Л. Бурковский Ю.Н. Глотова
Д.А. Ефремов А.В. Романов
ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ЭФФЕКТЫ
В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Учебное пособие
| |
| |
ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»
В.Л. Бурковский Ю.Н. Глотова
Д.А. Ефремов А.В. Романов
ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ЭФФЕКТЫ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
| |
УДК 62-83(075.8)
Физические явления и эффекты в технических системах: учеб. пособие / В.Л. Бурковский, Ю.Н. Глотова, Д.А. Ефремов, А.В. Романов. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». 2007. 247 с.
В учебном пособии дан обзор физических законов, явлений и эффектов, используемых или перспективных для использования в сложных технических системах. Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям 140600 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии", 220200 «Автоматизация и управление», специальностям 140604 "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов", 220201 «Управление и информатика в технических системах», дисциплинам «Физические основы электроники», «Технические средства автоматики»
|
|
|
Издание предназначено для студентов технических специальностей очной формы обучения, аспирантов и специалистов, занимающихся вопросами разработки сложных технических систем.
Ил. 23. Библиогр.: 6 назв.
Рецензенты: кафедра автоматизации технологических процессов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.Д. Волков);
д-р физ.-мат. наук, проф. А.А. Щетинин
© Бурковский В.Л., Глотова Ю.Н., Ефремов Д.А., Романов А.В., 2007
| |
ВВЕДЕНИЕ
Создавая свои первые технические системы (ТС), человек использовал в них макрофизические (в частности, макромеханические) свойства окружающего его мира. Это не случайно, так как научное познание природы началось исторически именно с механических процессов на уровне вещества. Вещество с его внешними формами и геометрическими параметрами является объектом, непосредственно данным человеку в ощущениях. Это тот уровень организации материи, на котором она предстает перед человеком как явление, как форма, как количество. Поэтому каждый технологический метод воздействия и контроля соответствовал (во многих современных технических системах и сейчас соответствует) простейшей форме движения материи – механической.
|
|
|
С развитием науки и техники методы совершенствуются, но в их соотношении можно проследить известные изменения. Механические методы в большинстве случаев заменяются более эффективными физическими и химическими методами. Например, вместо механического дробления руды и подъема ее на поверхность получают распространение методы выщелачивания рудного тела и получения раствора металла с последующим его выделением химическим путем.
Дальнейшее развитие приводит к использованию воздействий сильных электрических, магнитных, оптических полей, которые способны изменить внутренние свойства вещества. Другими словами происходит переход от макротехнологии к микротехнологии, которая основывается на совершенно иных принципах.
Микротехнология строится на основе применения к производству современных достижений химической физики, ядерной физики, квантовой механики. Это новая ступень взаимодействия человека и природы, и это взаимодействие происходит на языке законов природы. Здесь нет инструмента непосредственного воздействия, орудия труда или рабочей части машины, как это имеет место при механических методах. Эти функции выполняют частицы веществ, участвующих в процессе – молекулы и атомы, причем на этом уровне процессы происходят бесшумно, безотходно и полностью автоматически.
|
|
|
Переход от макрофизических методов воздействия к микрофизическим позволяет значительно упростить любой технологический процесс, добиться при этом большего экономического эффекта, получить безотходные процессы. Надо только помнить, что безграничность возможностей научно-технического прогресса может успешно реализоваться лишь при соблюдении границ возможного в самой природе.
В основе методов воздействия или контроля в современных сложных технических системах всегда лежит какой-либо первичный физический эффект (термостойкость, электропроводность, фотоэлектрические явления и т.п.).
Существует множество физических явлений и эффектов, видов преобразования свойств вещества и энергии, которые можно использовать в технических системах.
|
|
|
В первую очередь эти явления используются в сенсорах (датчиках), являющихся источником информации о текущем состоянии технической системы. Датчики сами по себе могут иметь сложную структуру, используя несколько преобразований контролируемой физической величины. Выходные сигналы сенсоров, как правило, являются электрическими.
После переработки информации, поступившей от датчиков, в ТС вырабатывается управляющее воздействие, которое реализуется в исполнительных механизмах (ИМ) также с использованием физических свойств материи.
Знание физических законов, явлений и эффектов помогает лучше понять принципы работы технических систем, их фундаментальные физические возможности и ограничения.
Рассмотрим один из вариантов классификации физических законов, явлений и эффектов [1], показанный на рисунке.
Внешние эффекты и явления – это когда под воздействием воспринимаемой физической величины изменяется положение какой-либо части (органа) элемента, которое затем может посредствам дополнительных преобразований превратиться в перемещение индикатора или входного органа ИМ. Типичным примером является отклонение рамки с током в магнитном поле – принцип работы стрелочных индикаторов.
Внутренние эффекты позволяют получить непосредственную функциональную связь между изменением воздействия исходной физической величины и электрическими, магнитными и другими свойствами и параметрами вещества.
Внутренние эффекты в свою очередь подразделяются на простые и сложные внутренние эффекты.
Простые внутренние эффекты – эффекты, когда выходной сигнал появляется в результате только одного воздействия (механического, теплового или др.). Другие воздействия считаются несущественными, хотя реально всегда имеют место.
Сложные эффекты – когда естественный выходной сигнал определяется результатом действия не менее двух различных внешних воздействий на вещество.
Как воздействие, так и выходной сигнал могут быть механическими, тепловыми, оптическими, электрическими, магнитными, физико-химическими и др. Воздействия одного типа могут одновременно приводить к различным физическим эффектам. Например, механическое воздействие на вещество приводит к механическому эффекту в виде упругой деформации, к тепловому эффекту (нагреву), электрическому эффекту в форме изменения электрического сопротивления, к изменению оптической плотности и т.д. Любое из этих явлений может быть положено в основу создания соответствующего сенсора. Примером двойных внутренних эффектов являются фотопьезоэффект, термоэлектрический эффект, магнитотепловые эффекты и др.
Описанию первичных физических эффектов, используемых в науке и технике, посвящено данное учебное пособие, которое предназначено в первую очередь для специалистов, занимающихся вопросами изучения и разработки различных технических систем.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ И ДЕФОРМАЦИЯ
Силы инерции
Силы инерции возникают при движении тел с ускорением, т.е. в тех случаях, когда они изменяют свое количество движения. Если на тело действует сила, приложенная к его поверхности, то возникающая при этом сила инерции слагается из сил инерции его элементарных частиц как бы последовательно; более удаленные от места приложения действующей на тело силы частицы "давят" на более близкие. Во всем объеме тела возникают напряжения, приводящие к смещениям частиц тела. Этот эффект используется в различных инерционных выключателях, переключателях и акселерометрах. Силу инерции можно также использовать для создания дополнительного давления в различных технологических процессах.
Центробежная сила инерции возникает под действием центростремительной силы при вращении. Эта сила действует всегда только в одном направлении – от центра вращения, при этом энергия тела сохраняется. Примером использования может служить способ шлифования криволинейных поверхностей движущейся абразивной лентой. Фактически это есть сила взаимодействия между телом вращающимся и телом, удерживающим его на окружности. Их взаимодействие осуществляется посредством каких-либо связей – стержня, электрического или гравитационного поля и т.д. В случае разрыва связей, соединяющих взаимодействующие тела, оторвавшееся тело будет двигаться прямолинейно (по инерции). Чем больше масса вращающегося тела и чем дальше она отнесена от центра вращения, тем большим моментом инерции обладает тело.
Примером использования может служить способ регулирования энергии ударов в кузнечно-прессовых машинах ударного действия, заключающийся в изменении момента инерции маховых масс путем подачи или отвода жидкости в их внутренние полости.
Силы, возникающие в процессе вращательного движения, можно использовать для ускорения некоторых технологических процессов. Например, подвергая нагретую жидкость действию центробежного поля можно значительно увеличить производительность парогенераторов.
Другим примером является способ изготовления изделий с параболической поверхностью, основанный на использовании вращения резервуара с жидкостями разной плотности. На каждый элемент объема вращающейся вязкой жидкости действуют две силы: центробежная и сила тяжести. Обе силы пропорциональны плотности жидкостей, поэтому на форму параболического мениска плотность не влияет, т.е. любые жидкости будут иметь одинаковые формы. В данном случае в качестве формовочного элемента используют жидкость с большим удельным весом, на которую наносят жидкость с меньшим удельным весом, затвердевающую при вращении резервуара.
Еще одна особенность вращающегося тела в том, что оно обладает гироскопическим эффектом – способностью сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения. Гироскопы широко применяются в технике. Они являются одним из основных элементов современных систем управления судами, самолетами, планетоходами, космическими кораблями. При силовом воздействии с целью изменить направление оси вращения возникает прецессия гироскопических систем, т.е. движение оси вращения гироскопа по круговой конической поверхности [3]. Одновременно ось вращения может совершать нутационные колебания. Прецессия без нутационных колебаний называется регулярной. Измеряя прецессию гироскопа можно определить величину воздействующих внешних сил.
Поскольку при вращательном движении само тело остается на одном месте, а только участки тела совершают круговые движения, то во вращающемся теле можно аккумулировать кинетическую энергию, которую затем можно преобразовывать в кинетическую энергию поступательного движения. На этом принципе работают инерционные аккумуляторы, используемые, например, в гиробусах. Типичным примером использования запасенной кинетической энергии является применение в ТС больших маховых масс (маховиков).
Гравитация
Кроме того, что масса является мерой инертности тела, любая масса является источником гравитационного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие масс. Гравитационные силы самые слабые из всех сил, известных науке, но, тем не менее, при наличии больших масс (например, Земля) эти силы во многом предопределяют поведение физических систем. Количественно гравитационные взаимодействия описываются законом всемирного тяготения Ньютона:
, (1.1)
где G = 6,67·10-11 Н·м2/кг2 – гравитационная постоянная;
m1, m2 – массы взаимодействующих тел;
r – расстояние между массами.
Пропорциональность сил тяготения массе приводит к тому, что ускорение, приобретаемое в данной точке гравитационного поля различными телами, для всех тел одинаково (конечно, если на эти тела не действуют никакие другие силы – сопротивление воздуха и т.д.). Если рассматривать движение тел под действием силы тяжести Земли, то это движение будет равноускоренным – ускорение будет постоянно по величине и по направлению. Все отклонения от постоянства ускорения имеют те или иные конкретные причины – вращение Земли, ее несферичность, сопротивление воздуха или иной среды, наличие электрических или магнитных полей и т.д. Постоянство ускорения – это возможность определения массы посредством измерения веса, т.е. это часы, датчики времени и т.д.
Трение и износ
Трение представляет собой силу, возникающую при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Различают силы трения качения, трения скольжения и трения покоя. Ввиду зависимости сил трения от многих, порой очень трудно учитываемых факторов, предпочитают пользоваться феноменологической теорией трения, описывающей в основном факты, а не их объяснения.
Феноменологическая теория трения базируется на представлении о том, что касание твердых тел имеет место лишь в отдельных пятнах, на которых действуют силы диффузии, химической связи, адгезии и т.п. При скольжении каждое пятно касания (так называемая фрикционная связь) существует ограниченное время. Сумма всех сил, действующих на пятна касания, усредненная по времени и по поверхности носит название силы трения. Продолжительность существования фрикционной связи определяет такие важные величины, как износостойкость, температуру пограничного слоя, работу по преодолению сил трения. Характерно, что при трении наблюдаются значительные деформации пограничного слоя, сопровождающиеся структурными превращениями и избирательной диффузией. Учет всех этих процессов затруднен из-за сильной зависимости от температуры, которая на пятнах касания возрастает очень быстро и может достигать несколько сот градусов.
Обычно трение качения, при котором основная работа затрачивается на передеформирование материала, много меньше трения скольжения. Но как только скорость качения достигает скорости распространения деформаций, трение качения резко возрастает; поэтому при больших скоростях предпочтительнее наличие трения скольжения. Трение покоя (так называемое «залипание») больше трения движения, и этот факт снижает чувствительность точных приборов. Избавиться от этого недостатка можно, например [4], конструктивным выполнением втулки подшипника из пьезоэлектрического материала и покрытие ее электропроводящей фольгой, по которой пропускают переменный ток, заставляющий вибрировать пьезоэлектрик. Таким образом, трущиеся элементы конструкции совершают колебания, и трение покоя заменяется трением движения, увеличивая чувствительность прибора.
Установлено, что при достаточно сильном облучении одной из трущихся поверхностей ускоренными частицами (например, атомами гелия) коэффициент трения падает в десятки и даже сотни раз, достигая сотых и тысячных долей единицы. Для возникновения эффекта сверхнизкого трения необходимо, чтобы процесс трения осуществлялся в вакууме. Переход в состояние сверхнизкого трения может осуществляться далеко не всеми телами. Этой способностью обладают вещества со слоистой кристаллической структурой. Исследования показали, что очень тонкий поверхностный слой вещества при совместном действии трения и облучения испытывает сильную ориентацию, благодаря чему его структурные элементы располагаются параллельно плоскости контакта, за счет чего сильно уменьшается способность вещества образовывать сильные адгезионные связи. Роль облучения сводится к очень интенсивной очистке поверхности контакта от примесей и от молекул воды, препятствующих ориентации. Водная пленка к тому же сама является источником сильных адгезионных связей.
Износом называется изменение размеров, формы, массы технического объекта или состояния его поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок либо из-за разрушения поверхностного слоя при трении.
Трение и износ обычно считаются неразрывно связанными явлениями. Однако конструктивное решения подшипника, предложенное Крагельским И.В. и Гаркуновым Д.Н. [4], позволяет разъединить это невыгодное содружество и говорить об эффекте технической безизносности.
Рассмотрим подшипник на основе пары «сталь – бронза» с глицериновой смазкой. Глицерин, протравливая поверхность бронзы, способствует покрытию ее рыхлым слоем чистой меди, атомы которой легко переносятся на стальную поверхность. При работе устанавливается динамическое равновесие – атомы меди летают туда и обратно, и износа практически нет, ибо медный порошок прочно удерживает глицерин, который в свою очередь, защищает медь от кислорода. Таким образом, практически ликвидируется самый опасный вид износа – схватывание. В авиации уже испытаны бронзовые амортизационные буксы в стальной стойке шасси самолета.
Деформация
В самом общем случае под деформацией понимается такое изменение положение точек тела, при котором меняется взаимные расстояния между ними. Причинами деформаций, сопровождающихся изменениями формы и размеров сплошного тела, могут служить механические силы, электрические, магнитные, гравитационные поля, изменения температуры, фазовые переходы и т.д.
В теории деформации твердых тел рассматриваются многие типы деформаций – сдвига, кручения и т.д. Формальное описание их можно отыскать, например, в [2].
Если деформация исчезает после снятия нагрузки, то она называется упругой, в противном случае имеет место пластическая деформация. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому деформация пропорциональна механическому напряжению. Например, если стержень длиной L с поперечным сечением S растянут продольной силой F,то его удлинение ΔL:
, (1.2)
где Е– модуль упругости (модуль Юнга).
Если рассматривать деформации на атомарном уровне, то упругая деформация характеризуется, прежде всего, практически одинаковым изменением расстояния между всеми атомами кристалла; при пластических деформациях возникают дислокации – линейные дефекты кристаллической решетки. Величина деформации любого вида определяется свойствами деформируемого тела и величиной внешнего воздействия; следовательно, имея данные о деформации, можно судить либо о свойствах тела, либо о воздействиях; в некоторых случаях и о том и о другом, а в некоторых – о степени изменения свойств деформируемого тела при том или ином внешнем воздействии.
В 1975 году зарегистрирована зависимость пластической деформации металла от его проводимости [4]. При переходе в сверхпроводящее состояние повышается пластичность металла. Обратный переход понижает пластичность. Дело в том, что макроскопическая пластическая деформация осуществляется перемещением большого количества дислокаций, способность же кристалла оказывать сопротивление пластической деформации определяется их подвижностью.
Эффект наблюдался на многих сверхпроводниках при различных способах механических испытаний. В экспериментах было обнаружено значительное повышение пластичности металла (разупрочнение) при переходе его в сверхпроводящее состояние. Величина эффекта в некоторых случаях достигла нескольких десятков процентов. Детальное изучение явления привело к выводу, что "виновником" его следует считать изменение при сверхпроводящем переходе тормозящего воздействия электронов проводимости на дислокации. Силы "трения" отдельной дислокации об электроны в несверхпроводящем металле резко уменьшаются при сверхпроводящем переходе, который помог выявить роль электронов и позволил оценить электронную силу торможения. Стала очевидна прямая связь механической характеристики металла (пластичности) с чисто электронной характеристикой (проводимостью). Главный вывод проведенных исследований – электроны металлов тормозят дислокации всегда.
Но если электроны – главная причина торможения дислокаций, то изменение пластичности металла должно происходить не только в сверхпроводящем состоянии. Действительно, магнитное поле в сочетании с низкой температурой способны изменять буквально все свойства вещества: теплоемкость, теплопроводность, упругость, прочность и даже цвет. У материала появляются новые электрические свойства. Превращения происходят практически мгновенно – за 10-11 ..10-12 с.
Открытие электропластического эффекта в металлах привело к более глубокому пониманию механизма пластической деформации. Появилась возможность управлять механическими свойствами металлов, в частности, процессом обработки металлов давлением. Например, деформировать вольфрам при температурах не превышающих 200 °С и получить из него прокат с высоким качеством поверхности. В экспериментах с импульсным током было найдено, что электрический ток увеличивает пластичность и уменьшает хрупкость металла. Если создать хорошие условия теплоотвода от деформируемых образцов и пропускать по ним ток высокой плотности 104 … 106 А/см2, то величина эффекта будет порядка десятков процентов. Электрический ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается удобным технологическим фактором для снятия внутренних напряжений. Электропластический эффект линейно зависит от плотности тока (вплоть до 105 А/см2), более ярко выражен при импульсном токе, а при переменном токе отсутствует.
Явление разупрочнения металла при сверхпроводящем переходе связано с электропластическим эффектом. Однако если в первом случае в основе лежит уменьшение сопротивления движению и взаимодействию дислокаций при устранении из металла газа свободных электронов, во втором случае причиной облегчения деформации является участие самого электронного газа в пластической деформации металла. Электронный газ из пассивной и тормозящей среды превращается в среду, имеющую направленный дрейф и поэтому ускоряющую движение и взаимодействие дислокаций (или снижающую обычное электронное торможение дислокаций).
Фотопластический эффект. Естественно ожидать изменение пластических свойств и при других воздействиях на электронную структуру образца. Например, воздействие светового излучения на кристаллы полупроводника вызывает в них перераспределение электрических зарядов и, соответственно, изменение пластических свойств. Это явление зарегистрировали советские ученые Осиньян и Савченко [4]. Максимальное изменение сопротивления пластической деформации кристаллов полупроводников под действием света происходит при длинных волнах, соответствующих краю собственного поглощения кристаллов. В опытах образцы полупроводников сжимались и растягивались до наступления пластической деформации. Затем образец освещался светом. Вызванное перераспределение носителей заряда оказывало тормозящее действие на дислокации носителей пластической деформации, тотчас прочность образца увеличивалась почти вдвое. При выключении света прочность уменьшалась и достаточно быстро достигала своего первоначального значения. Дальнейшие исследования привели к наблюдению еще одного интересного явления – инфракрасного гашения фотопластического эффекта.
Эффект фотопластичности может быть использован для создания элементов автоматики, новой технологии полупроводников, для разработки качественно новых приемников видимого светового и инфракрасного излучения.
Эффект Пойнтинга. Английским физиком Д.Г. Пойнтингом было установлено, что при закручивании стальных и медных проволок они не только закручиваются, но также упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение проволоки пропорционально квадрату угла закручивания, а при заданном значении угла удлинение пропорционально квадрату радиуса. Диаметр проволоки при закручивании уменьшается, величина радиального сжатия при этом пропорциональна квадрату угла закручивания. Пойнтингом было доказано, что удлинение при закручивании не связано с изменениями модуля Юнга – это позволяет предполагать, что свойства материала остаются без изменений. Эффект используется в машиностроении и в некоторых областях измерительной техники.
Эффект Александрова. Известно, что при упругом ударе коэффициент передачи энергии от ударяющего тела к ударяющему зависит от отношения их масс – чем больше это отношение, тем больше передаваемая энергия. Поэтому в машинах ударного действия всегда старались учесть это соотношение, по крайней мере, до 1954 года, когда Е.В. Александровым [4] было установлено, что с ростом соотношения масс коэффициент передачи растет лишь до определенного критического значения, определяемого свойствами и конфигурацией соударяющихся тел. При увеличении отношения масс соударяющихся тел сверх критического передача энергии определяется не реальным соотношением масс, а критическим значением коэффициента передачи энергии. Соответственно, коэффициент восстановления определяется формой и массой соударяющихся тел и степенью рассеяния энергии. Очевидно, что эффект обязательно должен учитываться при проектировании машин ударного действия.
На основе открытия Александрова создан так называемый механический полупроводник, в котором передача энергии практически осуществляется только в одном направлении, независимо от жесткости опоры. Так же на этой основе создан новый отбойный молоток, который обладает меньшим весом и обеспечивает большую производительность.
Сплавы с памятью. Некоторые сплавы металлов (титан-никель, золото-кадмий, медь-алюминий) обладают эффектом памяти. Если из такого сплава изготовить деталь сложной формы, а затем ее деформировать, то после нагрева до определенной температуры деталь восстанавливает в точности свою первоначальную форму.
Наиболее уникальны по свойствам сплавы из титана и никеля (ТН или нитинол). ТН сплавы развивают большие усилия при восстановлении своей формы, легко обрабатываются, экономичны, коррозионностойки, хорошо гасят вибрации. Из нитинола, например, делают антенны для спутников. В момент запуска антенна свернута, занимает очень мало места. В космосе же нагретая солнечными лучами, она принимает сложнейшие формы, приданные ей еще на Земле.
Сплавы "с памятью" открывают новые возможности в деле непосредственного преобразования тепловой энергии в механическую. Перспективы их использования самые заманчивые – тепловая автоматика, быстродействующие датчики, термоупругие элементы, реле, приборы контроля, тепловые домкраты, напряженный железобетон и многое другое.
2. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Тепловое расширение вещества
Все вещества (газы, жидкости, твердые тела) имеют атомно-молекулярную структуру. Атом, равно как и молекулы, во всем диапазоне температур находятся в непрерывном хаотическом движении. С увеличением температуры повышается скорость перемещения отдельных атомов и молекул (в газах и жидкостях) или их колебания – в кристаллических решетках твердых тел. Поэтому с ростом температуры увеличивается среднее расстояние между атомами и молекулами, в результате чего газы, жидкости и твердые тела расширяются при условии, что внешнее давление остается постоянным. Коэффициенты расширения различных газов близки между собой (около 0,0037 °С-1); для жидкостей они могут различаться на порядок (ртуть – 0,00018 °С-1, глицерин – 0,0005 °С-1, ацетон – 0,0014 °С-1, эфир – 0,007 °С-1). Величина теплового расширения твердых тел определяется их строением. Структуры с плотной упаковкой (алмаз, платина, отдельные металлические сплавы) мало чувствительны к температуре, рыхлая, неплотная упаковка вещества способствует сильному расширению твердых тел (алюминий, полиэтилен).
При температурном расширении или сжатии твердых тел развиваются огромные силы, что можно использовать в соответствующих технологических процессах. Например, это свойство использовано в электрическом домкрате для растяжения арматуры при изготовлении напряженного железобетона. Принцип действия очень прост: к растягиваемой арматуре прикрепляют стержень из металла с подходящим коэффициентом термического расширения. Затем его нагревают током от сварочного трансформатора, после чего стержень жестко закрепляют и убирают нагрев. В результате охлаждения и сокращения линейных размеров стержня развивается тянущее усилие порядка сотен тонн, которое растягивает холодную арматуру до необходимой величины. Так как в этом домкрате работают молекулярные силы, он практически не может сломаться. С помощью теплового расширения жидкости также можно создавать необходимые гидростатические давления.
Тепловое расширение помогает решать технические задачи, которые обычными средствами реализуются с большим трудом. Например, для прочного охвата вала ступицу перед запрессовкой нагревают, а после охлаждения надетой на вал ступицы силы термического сжатия делают этот узел практически монолитным. Но как после этого разобрать данное соединение? Механически – почти не возможно без риска испортить деталь. Но достаточно сделать вал или ввести в сопрягаемое пространство прокладку из металла с меньшим коэффициентом термического расширения, как техническое противоречие исчезает.
Общеизвестные биметаллические пластинки – соединенные каким-либо способом две металлические полоски с различным коэффициентом терморасширения. Это надежный преобразователь тепловой энергии в механическую.
Использование эффекта различного терморасширения у металлов позволило создать тепловой диод. Тепловое расширение, как процесс обратимый и легко управляемый, применяется при проведении прецизионных работ, таких, как микроперемещение объектов, например, в поле зрения микроскопа.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 731; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!