Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2000 № 11
По последним данным, летающие ранцы оснащены небольшими турбовентиляторными двигателями. Они надежны, прекрасно управляемы, работают на обычном керосине. Человек с парой таких двигателей за спиной может пролететь более 20 км.
А вот одно из недавних предложений. Назовем его условно костюм-самолет (рис. 4).
Это скафандр удобообтекаемой формы с системой обеспечения жизнедеятельности. На нем укреплено крыло с парой двигательных установок по концам. Это могут быть турбовентиляторные двигатели или очень легкие поршневые с винтами. Запас топлива размещен в крыле и примыкающем к нему баке. В аварийной ситуации крыло может быть сброшено, а человек спасется на парашюте. Под оболочкой скафандра расположена система управления полетом и сохранения равновесия. Кнопочные органы управления расположены в особых рукавицах. На стекле шлема отображается панель управления и параметры полета, как это делается в кабинах современных истребителей. Взлет и посадка самолета-костюма производятся вертикально за счет тяги двигателей.
Далее направление тяги меняется, и пилот постепенно переходит в горизонтальный полет с использованием подъемной силы крыла.
Воздухоплавательная мода». Карикатура XIX века.
А теперь несколько цифр. Истребитель Второй мировой войны с мотором 1000 л.с. развивал 600 км/ч при весе 2,5 т. Можно ожидать, что самолет-костюм весом 150 кг достигнет такой скорости с двигателями мощностью 60–70 л.с. У многих возникает вопрос: сможет ли человек носить их на своих плечах? Думаем, сможет. Поршневые двигатели, выполненные из композиционных материалов, сегодня весили бы 10–15 кг. Еще легче бесшатунные и газотурбинные. Таким образом, названный нами взлетный вес, вероятнее всего, сильно завышен.
Очевидно, самолет-костюм открывает новые, революционные возможности не только в передвижении людей, но и в их общении друг с другом. Хорошо это или плохо, зависит только от пользователей. Поживем — увидим.
А.ИЛЬИН
СДЕЛАЙ ДЛЯ ШКОЛЫ
Раз-два… взяли!
Каких только подъемных механизмов не придумано за тысячелетия — от многотонных подъемных кранов до механических рук с искусственным интеллектом. Но и до сих пор необходимость поднимать непомерно большие грузы своими силами отнюдь не отпала. В таких случаях, как и сотни веков назад, мы применяем простые устройства. Не имеющие собственных источников энергии, они многократно увеличивают нашу силу.
Однако за это мы расплачиваемся уменьшением скорости и высоты подъема груза. На рисунке 1 показан подвижный блок.
Рис. 1
По соображениям симметрии можно сделать вывод, что вес груза должен делиться на две равные части между правой и левой половиной веревки, охватывающей блок.
Для того чтобы поднять груз на один метр, через устройство необходимо протащить два метра веревки. Но необходимая для этого сила в идеале составит лишь половину от веса груза. Таким образом, выигрывая в силе ровно вдвое, мы столько же проигрываем в пути, в скорости или во времени.
Действие подвижного блока можно разъяснить и через его аналогию с рычагом.
Однако приведенный нами вывод, основанный на симметрии, более общий. Во флоте, например, иногда вместо подвижного блока используется талреп — простая дощечка с отверстием для каната.
Ее действие, разумеется, можно вывести из свойств виртуального рычага, но это потребует акробатической работы мышления. В то же время соображения симметрии и здесь воспринимаются абсолютно естественно.
На рисунке 2 полиспаст — комбинация из нескольких подвижных и неподвижных блоков.
На первый взгляд кажется, что, взяв достаточно много блоков, можно получить любой наперед заданный выигрыш в силе. Однако в блоках существуют потери на трение. Трение в осях и трение веревки при движении по ручью блока. Эти силы быстро растут по мере увеличения числа пар, и выигрыш в силе значительно уменьшается, поскольку рабочему приходится тратить силы не только на подъем груза, но и на преодоление трения в самом полиспасте.
Полиспасты, состоящие более чем из 4–5 пар блоков, почти не встречаются.
Пользуясь имеющимися в кабинетах физики наборами блоков, можно показать, как быстро растут потери на трение (рис. 3).
При этом становятся очевидными и все трудности, связанные с изготовлением и применением сложных полиспастов. В частности, постоянное спутывание нитей, соскальзывание их со шкивов. Все эго привело к изобретению широко применяемого в технике разностного (дифференциального) полиспаста, о котором в школьном курсе нет ни слова (рис. 4).
Рис. 4
Он состоит из двух неподвижных блоков различного диаметра на одной оси. Эти блоки имеют зубья, входящие в зацепление со звеньями охватывающей их замкнутой цепи. Одна часть цепи проходит через подвижный блок, другая, в виде свободной петли, охватывает оба блока и находится в руках рабочего. Натягивая и перебирая в руках петлю рабочий заставляет вращаться неподвижные блоки. В результате цепь с меньшего из них сматывается, а на больший наматывается. Подвижный блок поднимается очень медленно на величину, равную разности числа смотанных и намотанных звеньев цепи. В таких полиспастах достигается 18 — 20-кратный выигрыш в силе при КПД около 95 %.
Получить такие характеристики от классического полиспаста сегодня не представляется возможным.
Особую группу подъемных механизмов представляют собой домкраты. Изобретателем первого домкрата с зубчато-реечным механизмом считается Леонардо да Винчи. Однако такие домкраты неудобны в работе из-за необходимости нагибаться и вращать в вертикальной плоскости довольно большую рукоятку. В противном случае трудно получить значительные выигрыши в силе.
Более совершенны винтовые домкраты, которыми очень часто комплектуются автомобили. В станине такого домкрата расположена гайка, вращаемая при помощи рычажно-храпового механизма вокруг неподвижного винта. Выигрыш в силе здесь определяется прежде всего шагом винта. Вот, что это такое.
Винтовую линию (спираль) можно получить, навивая треугольник на цилиндрическую поверхность. По сути своей винт — это скрученная наклонная плоскость. Но у наклонной плоскости выигрыш в силе тем больше, чем более полого она располагается. Таким образом, и выигрыш в силе винта определяется углом наклона по отношению к оси его нарезки.
На практике измерять этот угол было бы делом весьма трудоемким, да и, как оказалось, ненужным. Вместо этого достаточно измерить шаг резьбы — расстояние между ее витками — и диаметр винта. Теперь выигрыш в силе легко найти расчетом.
Казалось бы, уменьшая шаг винта, можно неограниченно увеличивать выигрыш в силе. Это верно. Только мы с вами забыли про несущую способность. При уменьшении шага витки (нитки) резьбы получаются очень узкими, неспособными нести большую нагрузку. Она их попросту мнет и срезает.
Одно из простейших решений — оставить шаг резьбы таким, который достаточен для того, чтобы выдерживать нагрузку, а гайку домкрата вращать через замедляющую передачу. Тогда общее замедление при подъеме груза равно замедлению, даваемому винтом, умноженному на замедление передачи. Выигрыш в силе значительно возрастает. Но по мере роста значительную часть его пожирают потери на трение.
Лучше работает домкрат более замысловатой конструкции (рис. 5).
Здесь гайка и винт вращаются в разных направлениях, в результате чего при каждом повороте рукоятки винт поднимается очень медленно. Конструкция довольно проста, содержит немного деталей. А как обстоят дела с потерями на трение, с реальным выигрышем в силе?
Он у всех винтовых домкратов зависит от нагрузки. В нормальных условиях между витками резьбы винта и гайки присутствует слой смазки, и тогда трение невелико. Если нагрузка превышает некоторый предел, масло выдавливается и витки начинают тереться всухую. Трение резко возрастает, чем ограничивает максимальный вес, который можно поднять данным домкратом.
Есть два пути борьбы с этой неприятностью. Один из них подбор смазки. Ее стараются делать достаточно густой, чтобы она не вытекала при больших давлениях. В нее добавляют графит, дисульфит молибдена — вещества, делающие поверхность достаточно скользкой даже тогда, когда масляная пленка частично разорвана. Однако, идя по этому пути, мы обычно уменьшаем трение при больших нагрузках, но оно растет при малых.
Более радикальный путь — шариковый винт. Это пара винт — гайка, между витками которых катаются стальные шарики, такие, как у подшипников. Здесь трение скольжения заменяется в десятки и сотни раз меньшим трением качения. Правда, за такую замену приходится дорого платить.
