Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Содержание
1. Изобретательство. Роль Архимеда в развитии механики.
2. Паросиловые установки XVIIв. - первой половины XIX в.
1.
В эллинистический период характер античной науки, по сравнению с древнегреческим периодом, значительно изменился. Нерасчлененная античная наука стала дифференцироваться, из нее выделились медицина, астрономия, математика и механика.9 Из всех разделов механики в рассматриваемый период наиболее обстоятельно была разработана статика (и гидростатика). Основополагающую роль в их возникновении и разработке сыграл Архимед (около 287-212 гг. до н. э.).
Математик по образованию, Архимед был выдающимся механиком, блестящим инженером, конструктором машин и механических аппаратов. Архимеду принадлежит установление понятия центра тяжести тел, он теоретически доказал закон простого рычага, сформулировал правило сложения параллельных сил. В гидростатике Архимед открыл закон, носящий его имя, и теоретически его доказал. АРХИМЕДА ЗАКОН: на всякое тело , погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости. Закон Архимеда справедлив и для газов.
Архимеду приписывают создание следующих механических конструкций: винт Архимеда, или «улитка» - усовершенствованная им машина, применявшаяся в Египте для поливки полей, различные военные машины, гидравлический орган(изобретение органа некоторые приписывают александрийскому инженеру Ктесибию), использовавшийся им для объяснения сущности души, а также планетарий - созданная им механическая модель небесной сферы, в которой при помощи одного вращательного движения производимого, по всей вероятности, водяным двигателем, возникали различные, несхожие между собой вращения небесных светил относительно сферы неподвижных звезд. Этот механический прибор- на котором можно было наблюдать движение планет, Солнца и Луны (описан Цицероном; после гибели Архимеда планетарий был вывезен Марцеллом в Рим, где на протяжении нескольких веков вызывал восхищение). Тем самым Архимед практически реализовал намеченный еще Анаксимандром метод рационального механического объяснения космических явлений, создав механически (технически реализованный) прототип Вселенной, предначертанный и схематизированный наукой. Особенно успешно Архимед разрабатывал конструкции военных машин. Это был первый ученый, уделявший много внимания и сил военным задачам.
В течение многих веков механика рассматривалась как наука о простых статических машинах. Ее основой была теория рычага, изложенная Архимедом в сочинении «О равновесии плоских фигур». В основе этой теории лежат следующие постулаты:
1. Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивают тяжести на большей длине.
2. Если при равновесии тяжестей на каких-нибудь длинах к одной из тяжестей будет что-нибудь прибавлено, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, к которой было прибавлено.
3. Точно так же, если от одной из тяжестей отнято что-нибудь, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, от которой не было отнято.
4. Основываясь на этих постулатах, Архимед доказывает следующие теоремы: «Соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, которые будут обратно пропорциональны тяжестям». И далее: «Если величины будут несоизмеримы, то они точно так же уравновесятся на длинах, которые обратно пропорциональны этим величинам». В этих предложениях содержится первая точная формулировка закона рычага. При этом под «величинами» следует понимать величины сил, действующих на рычаг.
Кроме закона рычага, в книге «О равновесии плоских фигур» содержатся определения центров тяжести треугольника, параллелограмма, трапеции, параболического сегмента, трапеции, боковые стороны которой являются дугами парабол. Понятие центра тяжести предполагается известным, и в начале книги приводятся постулаты о центрах тяжести (при совмещении конгруэнтных фигур центры тяжести совмещаются; центры тяжести подобных фигур подобно же расположены; у фигур с выпуклым периметром центр тяжести находится внутри фигуры). Само же определение центра тяжести, данное Архимедом, встречается в сочинении Паппа Александрийского, жившего в конце III в. н. э. Это определение гласит: «Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри его точка - такая, что если за нее мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение». Чтобы прийти к этому определению, понадобился длительный практический опыт, обобщением которого и явилась механика Архимеда.
Знаменитый «закон Архимеда» изложен в сочинении «О плавающих телах». Сиракузы были портовым и судостроительным городом. Вопросы плавания тел ежедневно решались практически, и выяснить их научные основы, несомненно, казалось Архимеду актуальной задачей. В своем сочинении он разбирает не только условия плавания тел, но и вопрос об устойчивости равновесия плавающих тел различной геометрической формы. Научный гений Архимеда в этом сочинении, оставшемся, по-видимому, незаконченным, проявляется с исключительной силой. Греческий историк Полибий свидетельствует: «Архимед соорудил машины приспособительно к метанию снарядов на любое расстояние. Так, если неприятель подплывал издали, Архимед поражал его из дальнобойных камнеметальниц тяжелыми снарядами или стрелами и повергал в трудное беспомощное положение. Если же снаряды начинали летать поверх неприятеля, Архимед употреблял в дело меньшие машины, каждый раз сообразуясь с расстоянием, и наводил на римлян такой ужас, что они никак не решались идти на приступ или приблизиться к городу на судах». Архимед изобрел и применил еще другие механизмы , о которых Полибий пишет: «… с машины пускалась прикрепленная к цепи железная лапа; управляющий жерлом машины захватывал этой лапой нос корабля в каком-нибудь месте и потом внутри стены опускал нижний конец машины. Когда нос судна был таким образом поднят и судно поставлено отвесно на корму, основание машины утверждалось неподвижно, а лапа и цепь при помощи веревки отделялись от машины. Вследствие этого некоторые суда ложились на бок, другие совсем опрокидывались, третьи (большинство) от падения на них передних частей со значительной высоты погружались в море, наполнялись водой и приходили в расстройство». Рассказав о том же, Плутарх (ок. 45 – 127г.) добавляет: «Под конец римляне были так напуганы, что когда только видели над стеной показывающиеся бревно или веревку, то кричали, что Архимед на них направляет какую-то машину, отступали и обращались в бегство».
Архимед - вершина научной мысли древнего мира. Последующие ученые - Герон Александрийский и Папп Александрийский - мало что прибавили к наследию Архимеда, и их труды по механике носят компилятивный характер.
В настоящее время Архимедов винт применяется как винтообразный вал внутри мясорубки и в различных машинах и механизмах, для перемещения деталей на заводах, подъема сыпучих грузов и даже в качестве движителя вездехода. Архимедов (бесконечный) винт с успехом употреблялся для подъема воды в течение двух тысяч лет.
2.
Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис.
В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p1, t1, i1, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p2 с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.
В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р2 и температуре t2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.
Хронология создания паровых машин:
Настоящая история паровых машин начинается лишь в 17 веке. Одним из первых, кто создал действующий прообраз паровой машины, был Дени Папен. Паровая машина Папена, была фактически лишь набросками, моделью. Он так и не сумел создать настоящую паровую машину, которая могла бы использоваться на производстве. Но его труды не были забыты на тысячелетия как труды античного Герона. Все его идеи нашли применение в следующем поколении паровых машин.
Если точно установить, кто первым в истории техники создал паровую машину очень сложно, то вот кто первым запатентовал и применил на практике свою паровую машину известно достоверно. В 1698 году, Англичанин Томас Севери, зарегистрировал первый патент на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня…». Как видите описание патента очень расплывчато. В действительности, им был создан первый паровой насос. Единственное что он мог делать, поднимать воду. При этом КПД насоса был крайне низким, потребление угля было просто огромно. Поэтому основное применение насос получил на угольных шахтах. Им откачивали грунтовые воды.
В 1712 году, мир увидел паровую машину ^ Томаса Ньюкомена. Паровая машина Ньюкомена вобрала в себя лучшие идеи из паровой машины Папена и парового насоса Севери. В ней для совершения движения применялся паровой цилиндр с поршнем как в паровой машине Папена. При этом пар получали отдельно, в паровом котле, как в паровом насосе Севери.
Несмотря на серьезный прорыв в создании паровых машин, свое основное распространение машина Ньюкомена получила только как привод для водяных насосов. Главные недостатки, паровой машины Ньюкомена заключались в ее огромных размерах и большом потреблении угля. Попытки применить ее для привода пароходов не увенчались успехом.
Более 50 лет паровая машина Ньюкомена оставалась неизменной. В 1763 году, ^ Джеймсу Уатту, работавшему механиком в университете Глазго, предлагают починить паровую машину Ньюкомена. В процессе работы с машиной Ньюкомена, Уатт приходит к мысли, что неплохо бы ее усовершенствовать.
Во-первых, Уатт решает, что паровой цилиндр надо держать постоянно горячим. Так можно будет сократить расход угля. Для этого он создает конденсатор для охлаждения пара. Следующее, что он делает, изменяет принцип работы парового цилиндра. Если в паровой машине Ньюкомена рабочий ход машина свершала под действием атмосферного давления, то в паровой машине Уатта, поршень свершал рабочий ход под действием давления пара. Благодаря этому можно было увеличить давление в цилиндре и уменьшить размер паровой машины. В 1773 году, Уатт, строит свою первую действующую паровую машину. А в 1774 году, совместно с промышленником Метью Болтоном, Уатт открывает компанию по производству паровых машин. Дела шли успешно и Болтон, просит Уатта создать паровую машину для своего нового листопрокатного завода. В 1784 году, Уатт создает первую универсальную паровую машину. Ее основное назначение – привод промышленных станков. С этого момента, паровая машина перестает быть привязана к угольным шахтам. Ее начинают применять на заводах, устанавливать на пароходы, создавать поезда. Именно паровая машина Уатта совершила технологический прорыв в технике. Она открыла новую эпоху в истории техники – эпоху паровых машин.
Никола Жозеф Кюньо. Первый автомобиль, так называемая малая телега Кюньо, с собственным именем «Фардье», развивал на дороге скорость 4,5 км/ч, но только в течение 12 мин, поскольку на большее не хватало ни воды, ни пара. Необходимо было наполнить котел водой и вновь разжечь под ним костер, так как у первого автомобиля отсутствовала даже топка. Построен этот первый паровой экипаж был в 1769 году. В конце 1770 г. были проведены испытания нового, более мощного парового автомобиля Кюньо в присутствии официальных военных экспертов. Они дали похвальное заключение, когда тягач полностью выполнил поставленные перед ним задачи, хотя его скорость не превышала 4 км/ч вместо требуемых 15. Движение было непрерывным, поскольку котел имел собственную топку и не требовалось разжигать на земле костер.
В начале XIX в. возникли и начали быстро развиваться железные дороги. Но из-за того что необходимо было прокладывать рельсы для паровоза, это не могли сделать на всей территории государства. Для подвозки грузов и пассажиров к железной дороге стали широко применять экипажи. К этому времени мощность паровых экипажей увеличилась в 10 раз по сравнению с повозкой Кюньо, значительно были уменьшены размеры машин и расход топлива. Однако развитие безрельсового парового транспорта, в отличие от железнодорожного, шло недостаточно быстро. Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Р. Тревитиком и в 1814 г. — Дж.Стефенсоном. В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми. В 1804 г. корнуэльский инженер А. Вулф запатентовал машину повышенного давления (3-4 атм.). Вулф использовал двукратное расширение пара последовательно в двух рабочих цилиндрах, повысив, таким образом, коэффициент полезного действия* машины более чем в 3 раза. пыты по созданию паросиловых установок высокого давления - до 45-50 атм. - были сделаны Дж. Перкинсом (1822 г.) в США и Э. Альбаном в Германии (1828 г.). Эти опыты опередили уровень техники того времени, когда и давление в 2-5 атм. считалось высоким. В самом конце рассматриваемого периода после исследований, проведенных в 50-х гг. во Франции Г. А. Гирном, началось применение перегретого пара в целях дальнейшего повышения КПД паровых двигателей. На протяжении всего последующего периода вплоть до 60-х гг. XIX в. паровая машина двойного действия была основным двигателем силовой установки. Котел, собственно паровой двигатель и передаточный механизм подвергались непрерывным усовершенствованиям. Конструкторы стремились к повышению мощности и экономичности паросиловых установок, увеличивая паро-производительность котлов, повышая начальное давление пара, создавая двигатели с многократным расширением пара (компаунд-машины), применяя перегрев пара, увеличивая скорость хода и т. д. Они отказались также от балансира, этой характерной детали передаточного механизма в первых уаттовских машинах; золотниковое парораспределение заменялось клапанным. Отдельные паросиловые установки к 60-м гг. XIX в. имели мощность более 1000 л. с. При фабриках и многих шахтах обычно строился особый корпус для размещения котельной и машинного отделения.. Фабричные паровые двигатели передавали работу трансмиссионным валам, располагавшимся внутри производственных цехов. Посредством шкивно-ременной передачи от этих валов приводились в действие разнообразные рабочие машины. Наряду со стационарными паросиловыми установками с 30-х гг. XIX в. в практику входят локомобили - передвижные несамоходные паросиловые установки. Они применяются в сельском хозяйстве ,на строительных работах и т. д.
Список литературы:
1. Черняк В.З. История и философия техники. УДК 6 Ч-498 М.: КНО Русь, 2006. - 573 с.
2. Поисковые системы Wikipedia и Educon
3. Сергей Викторович Житомирский. Архимед: Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1981.