?

Log in

No account? Create an account
Научная кунсткамера [entries|archive|friends|userinfo]
Научная кунсткамера

[ website | lj ]
[ userinfo | livejournal userinfo ]
[ archive | journal archive ]

Летим по ветру быстрее ветра [Dec. 23rd, 2008|10:04 pm]
Научная кунсткамера

science_freaks

[dp074]
[Tags|, , ]

Давненько мы не видели попыток сделать какой-нибудь новый, оригинальный вечный двигатель.
Все сложнее и сложнее было изобретателям, гонимых стозевным чудищем академической науки, выбивать под свою деятельность финансирование.

Но вот, пожалуйста, свежая струя ветра.
И изобретатель летит быстрее этой свежей струи!
И толпы восхищенных поклонников на множестве форумов летят за ним на всех парах.

Суть идеи заключается в следующем: воздушный корабль летит точно по ветру со скоростью быстрее ветра, движимый только ветром. Иллюстрируется тележкой с пропеллером

LinkReply

Comments:
[User Picture]From: ice_blackwell
2008-12-24 04:26 pm (UTC)
сила попутного ветра, вращающая пропеллер

(терпеливо) Ветер не вращает пропеллер. Вращающий момент на пропеллер передаётся от колёс. Если вы в безветрие будете толкать эту тележку вперёд руками, пропеллер будет дуть назад, на вас.
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: yurilax
2008-12-24 04:36 pm (UTC)
Давайте по порядку.
Вот у нас есть тележка и попутный ветер (10 м/с). Отпускаем тележку. Ветер начинает вращать пропеллер, пропеллер передаёт крутящий момент на колёса, тележка разгоняется. До 5 м/с, 7, 9... Всё это время что является двигателем тележки? Пропеллер, не так ли?

И вот, тележка достигает 10 м/с, сила ветра действующая на пропеллер становится равна нулю и что, по-вашему, происходит? Колёса теперь берут роль двигателя на себя и теперь уже они разгоняют тележку дальше, вращая пропеллер и отталкиваясь от уже встречного потока?
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: ice_blackwell
2008-12-24 04:55 pm (UTC)
Нет.
Вот у нас есть тележка и попутный ветер. Отпускаем тележку. Ветер толкает вперёд всю тележку вместе с пропеллером, колёса передают на пропеллер крутящий момент, пытаясь вращать его в одну сторону, и при этом ветер действует на пропеллер, пытаясь вращать его в другую сторону. Если мы правильно выбрали передаточное число и геометрию пропеллера, колёса "перетянут", и тележка двинется вперёд, одновременно раскручивая пропеллер навстречу ветру, в результате сила, действующая на пропеллер, увеличится, тележка начнёт двигаться быстрее, пропеллер тоже... и т.д., имеем положительную обратную связь. Но по мере увеличения скорости будет расти трение в механике, а относительная скорость ветра - уменьшаться, и в конце концов установится равновесие. При этом скорость тележки станет постоянной, и вполне может превышать скорость ветра. Может и не превышать - если потери на трение и КПД пропеллера слишком большие. Но если сделать всё аккуратно - то нет проблем.
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: yurilax
2008-12-24 06:13 pm (UTC)
Ветер толкает вперёд всю тележку вместе с пропеллером, колёса передают на пропеллер крутящий момент,

Что значит "ветер толкает"? Пропеллер - не парус же. Вот, посмотрите, ветер встречный, а тележка едет ему навстречу - почему же он её не "толкает" от себя? Ответ простой - и при встречном, и при попутном ветре тележка едет исключительно из-за пропеллера, вращаемого воздухом. Разъедините связь пропеллера с колёсами и тележка не сдвинется с места, не смотря на "толкающий" её ветер - ни встречный, ни попутный.
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: ice_blackwell
2008-12-24 06:36 pm (UTC)
По порядку:

1. Ветер давит на любой предмет, имеющий ненулевое сечение. Соответственно, любой предмет (включая пропеллер) может работать как парус.
2. Тележка из этого видеоролика отличается от обсуждаемой коэффициентом передачи. Тот самый случай, когда "перетягивает" пропеллер, а не колёса. От себя ветер тележку тоже толкает, но слабее, чем колёса тянут её навстречу ветру.
3. Если разъединить пропеллер и колёса, тележка не сдвинется с места, только если поставить её на тормоз или если подшипники плохие. В противном случае она тупо уедет по ветру.
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: yurilax
2008-12-24 07:08 pm (UTC)
В том-то и дело, что у тележки соотношение сечение/масса настолько мало, что давлением ветра можно пренебречь. Ну никак не ветер ей движет, а пропеллер. И не "как парус", а из-за перевода силы ветра в крутящий момент.

Тот самый случай, когда "перетягивает" пропеллер, а не колёса. От себя ветер тележку тоже толкает, но слабее, чем колёса тянут её навстречу ветру.

Колёса не сами по себе тянут, а из-за крутящего момента пропеллера. И, кстати, пока пропеллер не раскрутился, тележка спокойно себе стояла на месте, не смотря на давление встречного ветера. Опять же - сечение/масса.


Если разъединить пропеллер и колёса, тележка не сдвинется с места, только если поставить её на тормоз или если подшипники плохие. В противном случае она тупо уедет по ветру.

Ну, если ветер ураганный, то уедет, конечно, а то и улетит.
Но, как мы видим из вышеприведённого видео, при обычном ветре, пока пропеллер не раскрутится и не начнёт передавать крутящий момент на колёса, тележка с места не сдвинется. Поэтому ваше утверждение, что ветер первначально разгоняет тележку за счёт парусного эффекта, а не за счёт крутящего момента пропеллера, кажется мне неверным.
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: ice_blackwell
2008-12-24 07:28 pm (UTC)
Охохонюшки...
Судя по вашим комментариям, вы просто не представляете себе механику и принцип действия конструкции. Ну неужели не ясно, что раз колёса жёстко связаны с пропеллером, то при неподвижном пропеллере тележка может ехать только юзом, потому что колёса тоже не крутятся?..
Короче, хватит. Лезьте в википедию и читайте, что такое крутящий момент, парусность и воздушный винт. Для последнего лучше английский вариант, там подробно и с формулами. А мне очевидные вещи объяснять надоело, уж извините.
(Reply) (Parent) (Thread) (Expand)
[User Picture]From: ice_blackwell
2008-12-24 07:31 pm (UTC)
Вот, кстати, человек вразумительно объяснил:
http://community.livejournal.com/science_freaks/1106853.html?thread=27057317#t27057317
Попробуйте прочитать, может, так понятнее.
(Reply) (Parent) (Thread) (Expand)
[User Picture]From: bam_77
2009-01-11 07:42 pm (UTC)
спасибо, я понял :)
понятно, когда объясняете, что ветер движет всю тележку целиком
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: kobak
2008-12-26 02:19 pm (UTC)
Можно Вам задать уточняющий вопрос? Если рассматривать разгон обсуждаемой тележки ветром с нулевой скорости до скорости быстрее ветра, верно ли, что разгон от нулевой скорости до скорости ветра происходит НЕ из-за того, что ветер крутит пропеллер, а пропеллер крутит колеса, а из-за того, что ветер давит на всю тележку, как на парус? А пропеллер изначально крутится *в другую сторону* и на первом этапе (до достижения скорости ветра) только мешает разгону?
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: ice_blackwell
2008-12-26 04:15 pm (UTC)
На самом деле тут два вопроса:
верно ли, что разгон от нулевой скорости до скорости ветра происходит НЕ из-за того, что ветер крутит пропеллер, а пропеллер крутит колеса, а из-за того, что ветер давит на всю тележку, как на парус?
Да, именно так.
А пропеллер изначально крутится *в другую сторону* и на первом этапе (до достижения скорости ветра) только мешает разгону?
А вот это не так.
Постараюсь объяснить развёрнуто.
Вот у нас есть пропеллер и ветер.
Если пропеллер может свободно вращаться на оси, ветер начнёт его раскручивать. Скорость вращения сперва будет увеличиваться, потом стабилизируется. Если теперь подсоединить к пропеллеру некий механизм и начать отбирать энергию, скорость вращения несколько уменьшится. Назовём этот режим режимом генератора.
Если же, наоборот, подсоединить к пропеллеру некий мотор и заставить его крутиться в другую сторону, пропеллер начнёт отбрасывать воздух против ветра. Назовём этот режим режимом двигателя.
Теперь возвращаемся к нашей тележке.
Берём колёса, шестерёнки, пропеллер и соединяем так, чтобы движение тележки по ветру заставляло пропеллер крутиться в режиме двигателя. Что произойдёт?
Это зависит от коэффициента передачи.
Допустим (для наглядности), что коэффициент передачи - 1000:1, то есть за 1000 оборотов пропеллера колёса делают 1 оборот. Соотношение моментов будет обратным, то есть пропеллер будет вращаться очень легко. В таком случае, ветер благополучно раскрутит пропеллер в режиме генератора, и тележка медленно, но верно поползёт против ветра.
Теперь начнём плавно уменьшать коэффициент передачи. Сперва тележка поползёт быстрее, потом замедлится, потом остановится (пропеллер, разумеется, остановится тоже), а потом поползёт назад - и пропеллер одновременно начнёт вращаться в режиме двигателя. Чем быстрее будет вращение, тем больше будет сопротивление воздуха, и тем быстрее будет двигаться тележка. Однако, со временем набор скорости прекратится из-за одновременного возрастания потерь на трение и падения относительной скорости ветра. К этому моменту пропеллер будет вовсю гнать воздух назад, создавая дополнительную силу, разгоняющую тележку. Если эта сила будет достаточно большой - тележка будет двигаться быстрее ветра.

И есть ещё один нюанс.
Вернёмся к случаю свободно вращающегося пропеллера на ветру. Будем мерить силу, с которой ветер на него давит.
Сперва, когда пропеллер неподвижен, эта сила невелика. Но затем, по мере возрастания скорости вращения, сила будет увеличиваться. См. в википедии статью "Авторотация". Именно из-за этого тележку во втором случае, возможно, придётся подтолкнуть - изначально парусности может не хватить для начала движения.
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: kobak
2008-12-26 11:43 pm (UTC)
Огромное спасибо за подробный ответ.

Поясню вторую часть своего вопроса: "А пропеллер изначально крутится *в другую сторону* и на первом этапе (до достижения скорости ветра) только мешает разгону?" (Вы ответили "нет"). Я не имел в виду, что пропеллер изначально крутится в одну сторону, а потом начинает крутиться в другую.

Я имел в виду что у обсуждаемой тележки (которая может ехать быстрее ветра), которая стартует с нулевой скорости, пропеллер изначально вертится в сторону противоположную той, в которую его "стремится раскрутить" попутный ветер. Я не очень удачно выразился, но под "мешает разгону" имел в виду именно это: что пропеллер не обеспечивает этот разгон так, как мог бы его обеспечивать, если бы был перевернут на 180 градусов (т.е. находился бы в режиме генератора).

Верно?

И еще одно, про авторотацию. Я открыл статью в википедии, и, по-моему, там написана какая-то глупость. Цитирую:

"В момент отказа двигателя несущий винт, продолжая двигаться по инерции, какое-то время будет по прежнему создавать подъемную силу. Пилот должен как можно быстрее поставить шаг винта на минимально возможный, чтобы не дать винту потерять скорость. Из-за уменьшения шага винта вертолет начинает быстро снижаться, обеспечивая сильный набегающий снизу поток воздуха. Набегающий поток воздуха оказывает сильное воздействие на винт, заставляя его раскручивая его в том же направлении, в котором он вращался."

Как это "в том же направлении"?! Разве в том же? Ведь пока вертолет поднимался, воздух проходил через винт сверху вниз. Когда самолет падает в режиме авторотации, воздух проходит через винт снизу вверх. Как при этом винт может вращаться в том же направлении?

Как я понял Ваше объяснение, авторотация работает из-за того, что воздух крутит винт (неважно в какую сторону), а раскрученный винт испытывает большее сопротивление воздуха, чем нераскрученный, поэтому вертолет как бы планирует на своем крутящем винте. Так?
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: ice_blackwell
2008-12-27 09:32 am (UTC)
Я не имел в виду, что пропеллер изначально крутится в одну сторону, а потом начинает крутиться в другую.
Вот теперь понятно. Я-то решил, что вы именно про смену направления.

под "мешает разгону" имел в виду именно это: что пропеллер не обеспечивает этот разгон так, как мог бы его обеспечивать, если бы был перевернут на 180 градусов (т.е. находился бы в режиме генератора).
Мелкое уточнение: перевернув пропеллер, вы ему направление не смените, надо зеркально отражать. И да, пропеллер обсуждаемой тележки действительно тормозит её, но скорее посредством колёс - с них отводится мощность для его раскручивания.
То есть, если мы устроим гонки двух тележек - с пропеллером и с парусом, парусная уделает пропеллерную на старте, но безнадёжно проиграет на дистанции.

Про авторотацию вертолёта - ключевые слова там вот эти: Пилот должен как можно быстрее поставить шаг винта на минимально возможный. У вертолётных винтов (да и вообще у любых) угол атаки уменьшается от втулки к концу лопасти, и при минимальном шаге винта на конце лопасти угол атаки становится отрицательным. В результате набегающий снизу поток крутит лопасть вперёд, но одновременно средняя часть лопасти, где угол атаки положительный, гонит воздух вниз, тормозя падение вертолёта. А небольшая часть лопасти возле втулки работает на закритическом угле, то есть тупо тормозит винт, впустую перемешивая воздух.
Однако, вертолётный винт в этом режиме работает фигово. Крутись он в другую сторону - тормозил бы эффективнее. У автожиров так и происходит.
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: kobak
2008-12-29 11:39 am (UTC)
У вертолётных винтов (да и вообще у любых) угол атаки уменьшается от втулки к концу лопасти, и при минимальном шаге винта на конце лопасти угол атаки становится отрицательным. В результате набегающий снизу поток крутит лопасть вперёд, но одновременно средняя часть лопасти, где угол атаки положительный, гонит воздух вниз, тормозя падение вертолёта.

Давайте проверим, верно ли я Вас понял: когда двигатель отключается, пилот переставляет "шаг винта" (что бы это ни значило) на минимально возможный, из-за чего концы лопастей оказываются развернуты в другую сторону. Поэтому поток воздуха снизу вверх продолжает крутить винт в ту же сторону, что и раньше (когда воздух шел сверху вниз). При этом в середине винта угол атаки остается прежним, поэтому эта часть лопастей продолжает посылать воздух вниз и тем самым тормозит падение.

Так?

В википедии, кажется, написано наоборот: "Ведущая зона, или зона авторотации, обычно составляет от 25 до 70 % радиуса винта и является источником движущей силы вращения лопасти при авторотации. Суммарная аэродинамическая сила в этй области направлена немного вперед отностительно оси вращения и вызывает ускорение вращения винта" (в английской вроде бы так же).

У автожиров так и происходит.

Ух как интересно. Об автожирах я вообще раньше не слышал (но какое противное слово! по-русски же "гироскоп", а не "жироскоп", так что должен быть и "автогир"). Почитал немного про то, что это такое, но, боюсь, что понял не до конца. Один вопрос: в чем разница между устройством винта вертолета и автожира? Винт вертолета гонит воздух вниз -- и в результате создается подъемная сила. Через винт автожира воздух проходит снизу вверх, но подъемная сила создается все равно.

Очень грубо говоря, что нужно сделать с винтом вертолета, чтобы превратить его в винт автожира?

И дополнительный вопрос: из того, что я прочел, следует, что автожиры обладают определенными преимуществами и перед самолетами, и перед вертолетами. А в том, что они не получили распространения, виноваты только исторические и/или психологические причины. Это действительно так?
(Reply) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: ice_blackwell
2008-12-29 04:41 pm (UTC)
Ну, шаг винта - это очень простая штука.
Это расстояние, на которое переместился бы воздушный винт за один оборот, если бы воздух был твёрдым и винт ввинчивался в него, как шуруп в дерево. Шаг винта зависит от угла атаки.
Угол атаки - это угол между плоскостью лопасти и плоскостью вращения винта. Если угол атаки равен нулю, винт превращается в мешалку для воздуха. Если 90o - тоже, но более эффективную, потому что лопасти стоят перпендикулярно. Если угол атаки больше нуля, винт отбрасывает воздух вниз, если меньше - то вверх. На практике всё чуть сложнее, потому что лопасти винтов - не плоские, но суть та же.
Угол атаки лопастей у всех винтокрылых машин и у многих самолётов - величина переменная, потому что лопасти могут поворачиваться вокруг продольной оси специальным механизмом.
Следует также различать угол атаки и угол набегающего потока. Последний совпадает с углом атаки только в случае неподвижного винта, в иных случаях вектор скорости лопасти складывается с вектором скорости набегающего потока, меняя его угол.
Кстати. В каком-то старом номере "Науки и жизни" был описан такой опыт: кусок круглой деревяшки резался вдоль оси, получался полуцилиндр. Он насаживался на проволочную ось, как пропеллер, и помещался в струю воздуха плоскостью вперёд. Получался "безразличный" воздушный винт, который начинал с ускорением крутиться в ту сторону, в которую подтолкнули. Суть - именно в описанном выше сложении скоростей.

Механика авторотации - штука сложная, и на уровне формул я её толком не знаю, а врать не хочу. Суть процесса - растрата кинетической энергии набегающего воздуха на преодоление сил трения, перемешивание воздуха и прочую ерунду. Попутно создаётся сила, тормозящая набегающий поток. Эта сила - исключительно полезна, потому что не даёт вертолёту с отказавшим двигателем быстро падать, а для автожира она вообще подъёмная.

Винт вертолёта и винт автожира - абсолютно одинаковые конструкции, вся разница в изначальном направлении вращения. Чтобы сделать из вертолёта автожир, надо отпилить от вала винта двигатель (пусть винт свободно крутится), оторвать хвост (не нужен), и присобачить к корпусу толкающий или тянущий пропеллер самолётного типа. Всё.
Преимущества автожира над вертолётом - экономичность, простота конструкции и основной режим авторотации - то есть, при отказе движка автожир спокойно опускается вниз.
Недостатки - неспособность висеть неподвижно и взлетать без разбега (но садиться на пятачок может!).
Преимущества автожира над самолётом - отсутствие скорости сваливания (опять же по причине авторотации), пофигизм на качество аэродрома (очень короткие разбег и посадка), простота управления.
Недостатки - меньшая экономичность, сильно меньшая скорость, дороговизна винта (до половины стоимости всей машины).
Итого - автожир выгоден только если он маленький и гражданский. А именно этот класс летательных аппаратов и в мире-то не особо развит, а у нас в стране так вообще отсутствует чуть менее, чем полностью. Отсюда и слабое распространение.
Про автожиры в России и вообще:
http://twistairclub.narod.ru/
Про причины неразвитости малой авиации (местами весьма спорно, но всё равно интересно):
http://proza.ru/avtor/rozoff , "Политэкономия полёта".
Вообще, кстати, Розов неплохо пишет, рекомендую.
(Reply) (Parent) (Thread) (Expand)