setir Magnetik Maxwell

Fisikawan Inggris James Clark Maxwell, sing urip saka taun 1831-79, paling misuwur amarga ngrumusake sistem persamaan sing ndasari elektrodinamika-lan digunakake kanggo prédhiksi anané gelombang elektromagnetik. Nanging, iki ora kabeh prestasi sing signifikan. Maxwell uga melu termodinamika, kalebu. menehi konsep "setan" sing misuwur sing ngarahake gerakan molekul gas, lan ngasilake rumus sing nggambarake distribusi kecepatan. Dheweke uga sinau komposisi werna lan nemokke piranti banget prasaja lan menarik kanggo nduduhake salah siji saka hukum alam paling dhasar - prinsip konservasi energi. Ayo dadi nyoba kanggo luwih ngerti piranti iki.

Aparat kasebut diarani roda Maxwell utawa pendulum. Kita bakal menehi hasil karo rong versi. Pisanan bakal diciptakake dening Maxwell - ayo diarani klasik, sing ora ana magnet. Mengko kita bakal ngrembug versi modifikasi, sing luwih apik tenan. Ora mung kita bakal bisa nggunakake loro opsi Tur, i.e. nyobi kualitas, nanging uga kanggo nemtokake efektifitas. Ukuran iki minangka parameter penting kanggo saben mesin lan mesin sing digunakake.

Ayo dadi miwiti karo versi klasik saka Maxwell wheel .

Lynx. 1. Versi klasik saka setir Maxwell: 1 - bar horisontal, 2 - Utas kuwat, 3 - poros, 4 - wheel karo wayahe dhuwur inersia.

Versi klasik saka Maxwell wheel ditampilake ing Fig. anjir. 1. Kanggo nggawe, kita masang rod sing kuwat kanthi horisontal - bisa dadi sikat teken sing diikat ing mburi kursi. Banjur sampeyan kudu nyiyapake roda sing cocog lan dilebokake ing poros tipis. Saenipun, diameteripun bunder kudu kira-kira 10-15 cm, lan bobote kira-kira 0,5 kg. Iku penting sing meh kabeh massa rodha tumiba ing circumference. Ing tembung liyane, setir kudu tengah cahya lan pelek abot. Kanggo maksud iki, sampeyan bisa nggunakake rodha spoked cilik saka cart utawa tutup timah gedhe saka komplong lan mbukak mau watara circumference karo nomer cocog giliran kabel. Roda diselehake tanpa obah ing poros tipis kanthi setengah dawane. Sumbu kasebut minangka potongan pipa utawa rod aluminium kanthi diameter 8-10 mm. Cara paling gampang kanggo pengeboran bolongan ing rodha karo diameteripun 0,1-0,2 mm kurang saka diameteripun poros, utawa nggunakake bolongan ana kanggo sijine rodha ing poros. Kanggo sambungan sing luwih apik karo rodha, poros bisa diolesi karo lem ing titik kontak unsur kasebut sadurunge mencet.

Ing sisih loro bunder, kita dasi segmen benang tipis lan kuwat kanthi dawane 50-80 cm menyang sumbu. ing diameteripun, nglebokake benang liwat bolongan kasebut lan diikat. Kita dasi ujung benang sing isih ana menyang rod lan kanthi mangkono nggantung bunder kasebut. Penting yen sumbu bunder kasebut horisontal, lan benang vertikal lan jarak rata saka bidange. Kanggo nggenepi informasi, iku kudu ditambahake sing uga bisa tuku setir Maxwell rampung ing perusahaan sing adol piwulang utawa dolanan pendidikan. Ing jaman biyen, iki digunakake ing meh kabeh laboratorium fisika sekolah. 

Eksperimen pisanan

Ayo dadi miwiti karo kahanan nalika rodha macet ing sumbu horisontal ing posisi paling, i.e. loro Utas rampung unwound. Kita nangkep poros roda kanthi driji ing ujung loro lan alon-alon muter. Mangkono, kita nggulung benang ing sumbu. Sampeyan kudu mbayar manungsa waé kanggo kasunyatan sing giliran sabanjuré saka thread wis roto-roto - siji jejere liyane. As roda kudu tansah horisontal. Nalika rodha nyedhaki rod, mungkasi nduwurke tumpukan lan supaya poros pindhah bebas. Ing pengaruh bobot, rodha wiwit pindhah mudhun lan Utas unwind saka poros. Roda muter alon banget ing wiwitan, banjur luwih cepet lan luwih cepet. Nalika Utas wis kebak unfolded, rodha tekan titik paling, lan banjur soko apik tenan. Rotasi rodha terus ing arah sing padha, lan rodha wiwit mindhah munggah, lan Utas wis tatu watara sawijining sumbu. Kacepetan setir mboko sithik sudo lan pungkasanipun dadi padha karo nul. Roda banjur katon ing dhuwur padha sadurunge dirilis. Gerakan munggah lan mudhun ing ngisor iki diulang kaping pirang-pirang. Nanging, sawise sawetara utawa rolas obahe kuwi, kita sok dong mirsani sing dhuwur sing rodha mundhak dadi cilik. Pungkasane setir bakal mandheg ing posisi sing paling murah. Sadurunge iki, asring bisa mirsani osilasi saka sumbu rodha ing arah jejeg ing thread, kaya ing kasus pendulum fisik. Mulane, roda Maxwell kadhangkala disebut pendulum.

Lynx. 2. Parameter utama roda Maxwell: - bobot, - radius rodha, - radius poros, - bobot saka rodha karo poros, - kacepetan linear, ₀ - dhuwur wiwitan.

Ayo kita saiki nerangake apa setir Maxwell tumindak ing cara iki. Nguripake benang ing poros, ngunggahake roda ing dhuwur ₀ lan nglakoni (anjir. 2). Akibaté, rodha ing posisi paling dhuwur nduweni energi potensial gravitasi _pdiandharake kanthi rumus [1]:

endi percepatan tiba bebas.

Nalika benang unwinds, dhuwuré suda, lan karo energi potensial gravitasi. Nanging, setir njupuk munggah kacepetan lan kanthi mangkono entuk energi kinetik. _kkang diwilang nganggo rumus [2]:

endi wayahe inersia setir, lan kecepatan sudut (= /). Ing posisi paling ngisor setir (₀ = 0) energi potensial uga padha karo nol. Nanging, energi iki ora mati, nanging dadi energi kinetik, sing bisa ditulis miturut rumus [3]:

Nalika setir munggah, kacepetan mudhun, nanging dhuwure mundhak, banjur energi kinetik dadi energi potensial. Owah-owahan iki bisa njupuk sawetara wektu yen ora kanggo resistance kanggo gerakan - resistance online, resistance digandhengake karo nduwurke tumpukan Utas, kang mbutuhake sawetara karya lan nimbulaké rodha alon mudhun kanggo mandeg lengkap. Energi ora ditekan, amarga karya sing ditindakake kanggo ngatasi resistensi gerakan nyebabake paningkatan energi internal sistem lan kenaikan suhu sing gegandhengan, sing bisa dideteksi kanthi termometer sing sensitif banget. Karya mekanik bisa diowahi dadi energi internal tanpa watesan. Sayange, proses mbalikke diwatesi dening hukum kaloro termodinamika, lan energi potensial lan kinetik rodha pungkasanipun suda. Bisa dideleng yen roda Maxwell minangka conto sing apik banget kanggo nuduhake transformasi energi lan nerangake prinsip prilaku.

Efisiensi, carane ngetung?

Efisiensi mesin, piranti, sistem utawa proses ditemtokake minangka rasio energi sing ditampa ing wangun migunani. _u kanggo ngirim energi _d. Nilai iki biasane dituduhake kanthi persentase, mula efisiensi kasebut dituduhake kanthi rumus [4]:

                                                        .

Efisiensi obyek utawa proses nyata tansah ngisor 100%, sanajan bisa lan kudu cedhak banget karo nilai kasebut. Ayo kita ilustrasi definisi iki kanthi conto sing prasaja.

Energi migunani saka motor listrik yaiku energi kinetik gerakan rotasi. Supaya mesin kuwi bisa digunakake, iku kudu powered by listrik, contone, saka baterei. Kaya sing sampeyan ngerteni, bagean saka energi input nyebabake pemanasan gulungan, utawa dibutuhake kanggo ngatasi gaya gesekan ing bantalan. Mulane, energi kinetik sing migunani luwih murah tinimbang listrik input. Tinimbang energi, nilai [4] uga bisa diganti dadi rumus.

Kaya sing wis ditetepake sadurunge, roda Maxwell duweni potensi energi gravitasi sadurunge diwiwiti. _p. Sawise ngrampungake siji siklus gerakan munggah lan mudhun, rodha uga nduweni energi potensial gravitasi, nanging ing dhuwur sing luwih murah. ₁dadi kurang energi. Ayo dadi ndudohke energi iki minangka _P1. Miturut rumus [4], efisiensi roda kita minangka konverter energi bisa digambarake kanthi rumus [5]:

Formula [1] nuduhake yen energi potensial sebanding langsung karo dhuwur. Nalika ngganti rumus [1] menyang rumus [5] lan njupuk menyang akun tandha dhuwur cocog lan ₁, Aku ngerti [6]:

Formula [6] nggampangake kanggo nemtokake efisiensi bunder Maxwell - cukup kanggo ngukur dhuwur sing cocog lan ngetung quotient. Sawise siji siklus gerakan, dhuwur isih bisa cedhak banget. Iki bisa kelakon karo wheel dirancang kasebut kanthi teliti, karo wayahe gedhe inersia wungu kanggo dhuwur owahan. Dadi sampeyan kudu njupuk pangukuran kanthi akurasi sing apik, sing bakal angel ing omah kanthi panguasa. Bener, sampeyan bisa mbaleni pangukuran lan ngetung nilai rata-rata, nanging sampeyan bakal entuk asil luwih cepet sawise njupuk rumus sing njupuk akun wutah sawise gerakan liyane. Nalika kita mbaleni prosedur sadurungé kanggo nyopir siklus, sawise kang rodha bakal tekan dhuwur maksimum _n, banjur rumus efisiensi bakal dadi [7]:

ing dhuwur _n sawise sawetara utawa rolas utawa luwih siklus gerakan, iku dadi beda saka ₀sing bakal gampang kanggo ndeleng lan ngukur. Efisiensi roda Maxwell, gumantung saka rincian manufaktur - ukuran, bobot, jinis lan kekandelan benang, lan liya-liyane - biasane 50-96%. Nilai sing luwih cilik dipikolehi kanggo roda kanthi massa cilik lan radius sing digantung ing benang sing luwih kaku. Temenan, sawise nomer cukup akeh siklus, rodha mandheg ing posisi paling, i.e. _n = 0. Sing maca sing ati-ati, Nanging, bakal ngomong yen efisiensi sing diwilang kanthi rumus [7] padha karo 0. Masalahe yaiku ing turunan rumus [7], kita kanthi tacit diadopsi asumsi simplifying tambahan. Miturut dheweke, ing saben siklus gerakan, rodha kelangan bagean sing padha karo energi saiki lan efisiensine tetep. Ing basa matématika, kita nganggep manawa dhuwur sing berturut-turut mbentuk kemajuan geometris kanthi quotient. Ing kasunyatan, iki ngirim ora nganti setir pungkasanipun mandheg ing dhuwur kurang. Kahanan iki minangka conto saka pola umum, miturut kabeh rumus, hukum lan teori fisik nduweni ruang lingkup sing winates, gumantung saka asumsi lan simplifikasi sing diadopsi ing formulasi kasebut.

Versi magnetik

Lynx. 3. setir Magnetik Maxwell: 1 - wheel karo wayahe dhuwur inersia, 2 - sumbu karo wesi sembrani, 3 - guide baja, 4 - konektor, 5 - rod.

Saiki kita bakal menehi hasil karo versi Magnetik setir Maxwell - rincian construction diwenehi Sego. 3 lan 4. Kanggo ngumpulake, sampeyan butuh rong magnet neodymium silinder kanthi diameter 6-10 mm lan dawane 15-20 mm. Kita bakal nggawe poros setir saka tabung aluminium kanthi diameter batin sing padha karo diameter magnet. Tembok tabung kudu cukup tipis

1 mm. Kita nglebokake magnet menyang tabung, dilebokake ing jarak 1-2 mm saka ujung, lan lem nganggo lem epoksi, kayata Poxipol. Orientasi kutub magnet ora masalah. Kita nutup ujung tabung kanthi cakram aluminium cilik, sing bakal nggawe magnet ora katon, lan sumbu bakal katon kaya rod sing padhet. Kahanan sing kudu ditindakake roda lan carane nginstal padha kaya sadurunge.

Kanggo versi setir iki, sampeyan uga kudu nggawe panuntun baja saka rong bagean sing dipasang ing podo karo. Conto dawa panuntun, trep ing panggunaan praktis, yaiku 50-70 cm, sing disebut profil tertutup (kothong ing njero) saka bagean kothak, sisih pinggir sing dawane 10-15 mm. Jarak antarane panuntun kudu padha karo jarak magnet sing diselehake ing sumbu. Ujung pandhuan ing sisih siji kudu diajukake ing setengah bunderan. Kanggo penylametan sumbu sing luwih apik, potongan-potongan rod baja bisa dipencet menyang pandhuan ing ngarep file. Sisa ujung loro ril kudu ditempelake ing konektor rod ing sembarang cara, contone, karo bolts lan perkakas. Thanks kanggo iki, kita entuk gagang sing nyaman sing bisa dicekel ing tangan sampeyan utawa dipasang ing tripod. Munculé salah siji saka salinan diprodhuksi saka Maxwell kang Magnetik wheel nuduhake FOTO. sanga.

Kanggo ngaktifake roda magnet Maxwell, pasang ujung poros ing permukaan ndhuwur ril cedhak konektor. Nyekel panuntun kanthi gagang, ngiringake kanthi diagonal menyang ujung sing dibunderaké. Banjur rodha wiwit muter ing sadawane panuntun, kaya ing bidang miring. Nalika ends babak saka Panuntun tekan, wheel ora tiba, nanging nggulung liwat wong-wong mau lan

Lynx. 4. Rincian desain roda magnet Maxwell ditampilake ing bagean aksial:

1 - wheel karo wayahe dhuwur inersia, 2 - poros tabung aluminium, 3 - silinder neodymium magnet, 4 - aluminium disk.

iku ndadekake évolusi sange - nggulung munggah lumahing ngisor saka Panuntun. Siklus gerakan sing diterangake diulang kaping pirang-pirang, kaya versi klasik saka roda Maxwell. Kita malah bisa nyetel ril vertikal lan setir bakal nindakake persis padha. Tetep setir ing lumahing guide bisa amarga daya tarik poros karo wesi sembrani neodymium didhelikake ing.

Yen, ing sudhut amba saka inclination saka panuntun, rodha minger bebarengan, banjur ends saka sumbu kudu kebungkus siji lapisan saka sandpaper fine-grained lan glued karo lim Butapren. Kanthi cara iki, kita bakal nambah gesekan sing perlu kanggo mesthekake rolling tanpa slipping. Nalika versi Magnetik saka Maxwell wheel obah, owah-owahan padha ing energi mechanical kedaden, kaya ing cilik saka versi klasik. Nanging, mundhut energi bisa uga luwih gedhe amarga gesekan lan pembalikan magnetisasi pandhuan. Kanggo versi iki wheel , kita uga bisa nemtokake efficiency ing cara sing padha diterangake sadurungé kanggo versi klasik. Bakal menarik kanggo mbandhingake nilai sing dipikolehi. Iku gampang kanggo guess sing Panuntun ora kudu langsung (bisa uga, contone, wavy) lan banjur gerakan rodha bakal luwih menarik.

lan panyimpenan energi

Eksperimen sing ditindakake kanthi roda Maxwell ngidini kita nggawe sawetara kesimpulan. Sing paling penting yaiku transformasi energi sing umum banget ing alam. Ana tansah dadi-disebut mundhut energi, kang bener transformasi menyang wangun energi sing ora migunani kanggo kita ing kahanan tartamtu. Mulane, efisiensi mesin, piranti lan proses nyata tansah kurang saka 100%. Mulane ora mungkin kanggo mbangun piranti sing, yen wis disetel, bakal obah ing salawas-lawase tanpa sumber energi eksternal sing perlu kanggo nutup kerugian kasebut. Sayange, ing abad kaping XNUMX, ora kabeh wong ngerti babagan iki. Mulane, saka wektu kanggo wektu, Kantor Paten Republik Polandia nampa rancangan panemuan saka jinis "Piranti universal kanggo nyopir mesin", nggunakake energi magnet "ora entek" (mbokmenawa uga ing negara liya). Mesthine, laporan kasebut ditolak. Justifikasi kasebut cendhak: piranti kasebut ora bisa digunakake lan ora cocok kanggo panggunaan industri (mulane ora nyukupi syarat sing dibutuhake kanggo entuk paten), amarga ora tundhuk karo hukum dhasar alam - prinsip konservasi energi.

Foto 1. Katon salah siji saka gembong Magnetik Maxwell.

Pembaca bisa uga sok dong mirsani sawetara analogi antarane roda Maxwell lan dolanan populer sing diarani yo-yo. Ing kasus yo-yo, mundhut energi diisi maneh dening karya pangguna dolanan, sing kanthi irama ngangkat lan ngedhunake ujung ndhuwur senar. Sampeyan uga penting kanggo nyimpulake yen awak kanthi momen inersia sing gedhe angel diputer lan angel mandheg. Mulane, setir Maxwell alon-alon njupuk kacepetan nalika obah mudhun lan uga alon sudo nalika munggah. Siklus munggah lan mudhun uga bola-bali kanggo dangu sadurunge setir pungkasanipun mandheg. Kabeh iki amarga energi kinetik gedhe disimpen ing rodha kuwi. Mulane, proyèk dianggep kanggo nggunakake gembong karo wayahe gedhe inersia lan sadurunge digawa menyang rotasi cepet banget, minangka jenis "accumulator" energi, dimaksudaké, contone, kanggo gerakan tambahan kendaraan. Ing jaman biyen, flywheels sing kuat digunakake ing mesin uap kanggo nyedhiyakake rotasi sing luwih rata, lan saiki uga dadi bagian integral saka mesin pembakaran internal mobil.