Домашнее приготовление фруктовых и ягодных соков...("Сделай сам" №3∙2005)

Почти вечное движение

Ю.Н. Новожилов

Биметаллическая лента, полоска — это известный материал. В частности, он может представлять собой элемент, состоящий из двух скрепленных полосок разнородных металлов, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения: например, одна полоска из латуни, другая — из железа. Их коэффициенты линейного расширения различаются почти в два раза.

Биметаллические полоски как чувствительные к температуре элементы используются в различных устройствах: в термометрах, температурных реле (например, для холодильников, в различных электрических аппаратах, в магнитных пускателях, контакторах и др.). Используя биметаллические элементы, можно изготовить интересные устройства, обеспечивающие почти вечное движение (рис. 1).

Рис. 1. Качающееся устройство:

_{1 — двухплечий рычаг; 2 — шарнир; 3 — биметаллический петлеобразный элемент; 4 — биметаллический петлеобразный элемент; 5 и 6 — грузы; 7 и 8 — ограничители}

Устройство состоит из двухплечевого рычага 1, который своей срединой закреплен на шарнире 2 и может вокруг шарнира поворачиваться. На обоих концах рычага 1 закреплены биметаллические, петлеобразные элементы 3 и 4, а на их концах находятся грузы 5 и 6. Биметаллические элементы 3 и 4 — это пластинки, согнутые так, чтобы при их нагреве они сгибались еще больше, а при охлаждении частично разгибались. Это достигается тогда, когда с наружной стороны петли находится металл с большим коэффициентом линейного расширения. Например, для биметаллической полоски, состоящей из латуни и железа с наружной стороны элемента в виде петли должна быть латунь.

Грузы 5 и 6 могут быть выполнены из свинца, или в их качестве используются обычные гайки.

Проверить правильность изготовления петлеобразного элемента из биметалла можно путем его нагрева.

Для четкости работы устройства установлены ограничители хода, упоры 7 и 8.

Рычаг 1 вместе с биметаллическими элементами 3 и 4, а также с грузами 5 и (5 должен быть сбалансирован.

Для работы устройства его следует разместить над горячей водой, налитой в какую-нибудь посуду, таз, ванну, как показано на рис. 1.

Для запуска устройства в работу следует рукой погрузить в горячую воду один из биметаллических элементов-петель, например элемент 3. А в горячей воде биметаллический элемент 3 нагревается сам и еще больше изгибается, перемещая при этом груз ближе к шарниру 2. А так как груз 6 остается на прежнем месте, то есть он расположен от шарнира 2 на большее расстояние, то после того, как воздействие руки на элемент 3 прекратилось, рычаг 1 повернется по часовой стрелке до упора 8. Это происходит под действием вращающего момента, возникшего из-за несимметричного расположения грузов 5 и 6. При этом биметаллический элемент 4 погружается в горячую воду и нагревается от нее.

Вследствие этого форма его изменяется, он изгибается еще больше и груз 6 перемещается ближе к шарниру 2. А биметаллический элемент 3, поднявшийся из горячей воды в воздух, охлаждается и принимает первоначальную форму, удаляя груз 5 от шарнира 2. При этом возникает вращающий момент и под его воздействием рычаг 1 повернется вокруг оси шарнира 2 против часовой стрелки до упора 7, а биметаллический элемент 3 вновь погрузится в горячую воду, где нагревается, изменяет свою форму, перемещая груз 5 ближе к шарниру 2. А элемент 4 выходит из горячей воды в воздух, охлаждается и принимает первоначальную форму, удаляя груз 6 от шарнира 2.

Далее циклы повторяются вновь: рычаг 1 поворачивается по часовой стрелке до упора. А элемент 4 погружается в горячую воду, а элемент 5 поднимается из горячей воды в воздух.

Рычаг 1 этого устройства будет автоматически совершать такие колебания до тех пор, пока горячая вода не остынет.

Элементы из биметалла могут входить в конструкцию простейшего двигателя, для работы которого также используется различный нагрев его элементов, обусловленный различием температур воздействующих на них сред (рис. 2).

Рис. 2. Двигатель:

_{1 — колесо двигателя; 2 — ось; 3 — спицы; 4 — грузы; 5 — петлеобразные детали; 6 — биметаллические элементы; А — угол; Б — угол}

В конструкцию двигателя входит колесо 1, выполненное из металла или пластмассы, на его оси 2 зафиксированы концы спиц 3, их противоположные концы проходят в отверстия на ободе колеса и на них размещены грузы 4, например шарики.

На каждой спице имеется петлеобразная деталь 5, изготовленная в виде металлической пластинки или стержня. В средней части каждой спицы встроен дуговой элемент 6 из биметалла, который при нагреве выпрямляется.

Когда весь двигатель находится в среде с одинаковой температурой, например в воздухе, равным будет и нагрев биметаллических элементов, а спицы одинаково выступают за обод и грузы 4 находятся на равном расстоянии от оси 2.

В таком состоянии система уравновешена и неподвижна. Однако если колесо частично погрузить в горячую воду, то оказавшиеся в ней биметаллические элементы распрямятся и отодвинут от оси колеса грузы 4.

Рассмотрим этот процесс подробнее. Находящийся в петлеобразной детали биметаллический элемент 6, коснувшись нагретой воды, нагреется сам и, распрямившись, отодвинет груз 4 от оси, равновесие колеса нарушится, на нем возникнет вращающий момент, и оно повернется по часовой стрелке, а в воду опустится следующий элемент из биметалла, и процесс повторится.

Одновременно с левой стороны колеса из горячей воды выходит другой биметаллический элемент, остывает на воздухе и принимает первоначальную форму, сгибаясь и подтягивая груз 4 к оси, уменьшая этим вращающий момент против часовой стрелки.

За счет петлеобразных деталей в левой и правой половинах колеса появится асимметрия по числу выдвигаемых спицами грузов. Так, грузы будут выдвинуты от оси при нахождении спиц в угле А и выдвинуты при нахождении спиц в угле Б, который больше А.

Выдвинутые с правой стороны грузы образуют для колеса вращающий момент по часовой стрелке, а грузы, выдвинутые в левой стороне, образуют вращающий момент против нее.

Естественно, большее число отодвинутых грузов справа создают вращающий момент больший, нежели отодвинутые слева, и колесо вращается по часовой стрелке.

Когда очередная спица достигает угла Б, связанный с нею биметаллический элемент касается горячей воды, распрямляется и отводит свой груз от оси колеса, которое продолжает вращаться, погружая в нагретую воду следующие биметаллические элементы.

А с левой стороны колеса биметаллические элементы, выйдя из горячей воды, остывают и принимают первоначальную форму, подтягивая свои грузы ближе к оси.

В сущности, это тепловая машина. Перенос в ней тепла от нагретой к холодной среде осуществляется за счет теплоемкости биметаллических элементов. Поскольку они не велики, на их нагрев не нужно много тепла и прочие элементы двигателя должны иметь небольшую теплоемкость.

Этот двигатель станет работать и тогда, когда температура воздуха будет выше, чем у воды, но вращаться он будет в противоположном направлении.

Как видно, конструкция двигателя предельно проста, для него не требуется электроэнергии или топлива. Для нагрева биметаллических элементов можно использовать сфокусированный солнечный луч, излучение лампы, подвод тепла от батареи отопления, печки, газовой горелки.

Этот двигатель позволяет получить достаточно интересный и неожиданный эффект (рис. 3).

Рис. 3. Плавающее устройство:

_{1 — колесо двигателя; 2 — лопасти; 3 — поплавки}

Обод колеса 1 оснащаем лопастями 2, а затем закрепляем на двух поплавках 3. Получилось устройство, напоминающее катамаран.

Если это устройство опустить в горячую воду, то оно поплывет!

Как уже рассматривалось выше, частично погруженное в горячую воду колесо 1 будет вращаться, и своими лопастями 2 вода будет отбрасываться назад, а колесо с поплавками поплывет вперед. Если температура воздуха будет выше, чем у воды, то колесо 1 будет вращаться в другую сторону и устройство с поплавками поплывет в обратную сторону.

Просто удивительно — несложное устройство, основанное на всем известных принципах, а позволяет преобразовать небольшую разность температур сред в собственное движение. Причем без каких-то других преобразований энергии.

Чем выше разность температур сред, тем быстрее будет вращаться колесо и тем быстрее будет плыть наше транспортное средство.

Эффективность работы таких двигателей зависит от величины разности температур воды и воздуха, а также от характеристик биметалла, определяемых разностью коэффициентов линейного расширения металлов, из которых он изготовлен.

Так, например, коэффициент линейного расширения железа равен 0,00001, а у латуни этот коэффициент составляет 0,000019. То есть коэффициенты линейных расширений латуни и железа различаются почти в два раза.

У инвара коэффициент линейного расширения равен 0,0000005. Значит, что коэффициенты линейных расширений у латуни и инвара различаются в 40 раз. Естественно, что биметаллические элементы, выполненные из этих металлов, будут работать весьма эффективно. В подобных устройствах вместо биметаллических элементов можно использовать термочувствительные элементы, изготовленные из нитинола — это сплав (никеля и титана) с памятью формы, которая изменяется при определенных температурах. Эти элементы из нитинола при обычной температуре могут иметь изогнутую форму, а при нагреве до определенной температуры распрямляются и удаляют грузы от оси колеса. При охлаждении (тоже до определенной температуры) элементы принимают прежнюю форму и возвращают грузы в первоначальное положение.

Электросамолет

Дома или на даче легко можно сделать интересную электромеханическую игрушку.

Для этого нужно иметь миниатюрный электродвигатель любого типа для моделей, работающий от батарейки карманного фонарика с напряжением 4,5 В, медную проволоку диаметром 0,6–1,0 мм, электрический ключ или кнопку. А еще надо из деревянной дощечки сделать небольшой пропеллер.

Игрушка представляет собой следующее (рис. 1).

Рис. 1. Электросамолет

На валик двигателя 1 насаживают сделанный пропеллер 2. А к каждому электрическому выводу двигателя припаивают проволочные петли 3 и 4. Их изготавливают из медной проволоки диаметром 1,5 мм. При помощи этих петель электродвигатель с пропеллером надевают на две проволоки диаметром 0,6–1,0 мм, протянутые по комнате, в огороде, в саду. На рисунке эти проволоки-троллеи обозначены цифрами 5 и 6, изоляция с них должна быть снята. Для удобства сборки этой схемы электродвигатель может быть закреплен на пластинке из тонкой фанеры, а уже эта пластинка с электродвигателем при помощи петель 3 и 4 надевается на проволоки-троллеи 5 и 6. Эти протянутые проволоки-троллеи, электродвигатель, электрическая кнопка или ключ 7 и подключенная батарейка 8 представляют собой электрическую схему.

Расстояние между проволоками 5 и 6 должно позволять пропеллеру 2 вращаться. Расстояние между проволоками-троллеями должно быть постоянным. Для обеспечения этого концы проволок 5 и 6 можно закрепить на заданном расстоянии одну от другой на небольших дощечках 9, а уже дощечки с проводами укрепить на стене, дереве так, чтобы проволоки-троллеи были натянуты.

Когда такая схема собрана, при замыкании цепи ключом 7 обмотка двигателя будет обтекаться электрическим током, двигатель заработает, пропеллер 2 закрутится, и двигатель с пропеллером помчится по натянутым проволокам-троллеям 5 и 6. В этой схеме электрическая энергия от батарейки 8 к электрическому двигателю 1 подводится по проводам-троллеям 5 и 6.

Эту схему можно несколько видоизменить. Для этого обе проволоки-троллеи 5 и б следует расположить наклонно, как изображено на рис. 2.

Рис. 2. Электросамолет на наклонной проволоке

Батарейку 8 к проводам 5 и 6 следует подключить так, чтобы при замыкании цепи ключом 7, работающий электродвигатель с пропеллером 2 устремился по проводам-троллеям 5 и 6 вверх.

Но при размыкании ключом 7 цепи, двигатель 1 перестает работать и под действием своего веса он сползает по проводам-троллеям вниз, к исходной точке.

При повторном замыкании ключа двигатель с пропеллером вновь заработает и опять заскользит по проволокам 5 и 6 вверх. Так можно повторять многократно. Возможен и другой вариант схемы (см. рис. 3).

Рис. 3. Электрическая схема для обеспечения реверса электросамолета

В этой схеме можно изменять полярность потенциалов на проводах-троллеях. При таких изменениях полярности будет изменяться и направление вращения электрического моторчика с пропеллером, а значит, и направление его движения по проводникам-троллеям.

В качестве ключа для такой схемы можно использовать тумблер. Такая схема позволяет управлять движением моторчика с пропеллером: можно его отправить в дальний конец проволок-троллеев, а можно простым переключением тумблера вернуть его обратно, на исходное место.

Для моторчика с пропеллером можно из бумаги изготовить оболочку, придающую ему вид самолета или другого устройства.