1 / 47

Ako veci fungujú a prečo niekedy nefungujú

Ako veci fungujú a prečo niekedy nefungujú. RNDr. Martin Plesch, PhD. Masarykova univerzita, Brno. Program. Jadrová bomba a jadrová elektráreň Vlaky a električky Vrtuľník Chladnička Vesmírny skafander Gule. Jadrové reakcie. Atóm sa skladá z jadra a obalu

kemal
Download Presentation

Ako veci fungujú a prečo niekedy nefungujú

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Akovecifungujúa prečo niekedy nefungujú RNDr. Martin Plesch, PhD. Masarykova univerzita, Brno

  2. Program • Jadrová bomba a jadrová elektráreň • Vlaky a električky • Vrtuľník • Chladnička • Vesmírny skafander • Gule

  3. Jadrové reakcie • Atóm sa skladá z jadra a obalu • Elektrónový obal je 100000 krát väčší ako jadro • Jadro sa skladá z protónov a neutrónov • V jadre ich je približne rovnako veľa • V jadre pôsobia základné sily • Gravitačná • Elektromagnetická • Silná

  4. Jadro • Gravitačná sila je zanedbateľná • Hmotnosť častíc je malá • Elektromag. sila pôsobí medzi protónmi • Spôsobuje ich odpudzovanie • Dosiahne ďaleko, aj krížom cez jadro • Silná sila pôsobí na protóny aj neutóny • Chová sa ako lepidlo, pôsobí na susedné častice • Pôsobenie je veľmi silné

  5. Veľkosť jadra • Malé jadrá držia dobre pokope • Optimum pri cca 16 častíc • Pri veľkých jadrách stúpa elektromagnetické odpudzovanie, ale krajný protón je prilepený stále rovnako silno • Pri obrovských jadrách stačí málo (kopnutie okolo letiacou časticou) a rozpadnú sa

  6. Jadrová bomba • Dáme dokopy dostatok vhodne veľkých a nestabilných jadier • Napríklad plutónium, urán (viď. Irán) • Obalíme to konvenčnou bombou, ktorá to pri zapálení stlačí a zhreje • Niektoré jadrá sa rozpadnú • Ich úlomky (častice) rozbíjajú ďalšie jadrá

  7. Ničivé účinky • Uvoľní sa veľa energie • Tlaková vlna zem zmetie • Teplo zem vypáli • Zostatky z bomby sú tvorené aj atómami, ktoré majú málo stabilné jadrá • Jadrá sa postupne rozpadajú • Okolie je rádioaktívne zamorené

  8. Vodíková bomba • Ďalší level • Najskôr vybuchne malá jadrová bomba • Prvá časť spustí spájanie malých jadier • Niekoľko guličiek drží lepšie ako dve – tri • Má ničivejšie účinky v pomere k hmotnosti • Vodík je ľahký • Účinnosť rozpadu uránu je vyššia

  9. Jadrová elektráreň • Chceme energiu získavať postupne • Nechceme pritom zamoriť okolie • Musíme udržať rozpad jadier pod kontrolou • Toto je veľmi ťažké • Zlyhanie kontroly rýchlosti jadrovej reakcie znamená katastrofu (Černobyľ)

  10. Kontrolovaná reakcia • Jadrové palivo musí byť čisté a z vopred známeho, presne definovaného zloženia • Pri rozpade jadra sa uvoľňujú neutróny • Neutróny sú veľmi rýchle a zväčša „utečú“ mimo paliva skôr, ako stihnú rozbiť ďalšie jadro • Ak ich vhodne spomalíme (grafit), zvýšime šance na úspešný zásah • Požadovaný pomer je 1 rozpad = 1 zásah

  11. Regulácia • V reaktore sa striedajú tyče paliva (uránu) a tyče moderátora (grafitu) • Ak tyče grafitu vytiahneme, neutróny sa nespomaľujú a reakcia spomaľuje • Zasunutie tyčí podporuje reakciu • Tyče sú obtekané chladiacou vodou • Celé je to zabalené v olove a betóne • Aby žiarenie zostalo vnútri

  12. Výroba elektriny • Voda chladiaca reaktor je rádioaktívna • Odovzdá teplo vo výmenníku „čistej“ vode • Ďalej ako v tepelnej elektrárni • Vysokotlakové, stredno- a nízkotlakové turbíny • Chladenie a kondenzácia kvapaliny • Výkon jadrovej reakcie sa dá meniť len pomaly  elektrárne zabezpečujú základný výkon do siete

  13. Vlaky – trochu histórie • Už konské železnice mali vozne brzdené • Skúste zabrzdiť vozík, ktorý ťaháte za sebou • Je to náročnejšie ako ho rozbehnúť • Prvé lokomotívy brzdili len na svojich kolesách • Vagóny mohli mať vlastného brzdára • Neskôr sa zaviedla brzda na celú vlakovú súpravu

  14. Čeľusťové brzdy

  15. Kotúčové brzdy

  16. Trochu teórie • Maximálna trecia sila je • f je koeficient trenia koleso – koľajnica • Maximálne spomalenie • Násobok g • Závisí len od f, ktoré je malé z princípu • Hladké koľajnice a kolesá znižujú trenie • Obruč kolesa je extra tvrdá kvôli výdrži • f<0,1 pre mokrý povrch

  17. Vlaky vs. električky • Vlakom pomalé brzdenie (až tak) nevadí • Zabezpečená trať • Tiahle zákruty, dobre prehľadné • Električka je v mestskej premávke • Nebezpečenstvo náhlej zmeny dopravnej situácie • Jazda zo strmšieho kopca • Predpisy požadujú a>2,75 ms-1

  18. Čo s tým? • Zvýšiť prítlak na koľajnicu • Zvýši sa efektívna hmotnosť vozu • Tým sa zvýši brzdná sila aj spomalenie • Vírivé prúdy v koľajniciach • Špeciálne brzdné systémy • Zubačka • Využitie odporu vzduchu

  19. Elektromagnet medzi nápravami

  20. Riešenie pre vlak

  21. Ako to funguje • Variant 1 • Elektromagnet sa dotýka koľajnice a vytvára priame trenie • Jednoduché, opotrebenie koľajníc a magnetov • Variant 2 • Elektromagnet len zvyšuje prítlak kolies • Dá sa použiť aj pre rozbeh či brzdenie motorom (elektrodynamickou brzdou)

  22. Vírivé prúdy • V kove pohybujúcom sa v magnetickom poli sa vytvárajú vírivé prúdy • Vplyvom odporu zanikajú a tým brzdia pohyb • Aj koľajnica je kov • Stačí nad ňou vytvárať vhodné MG pole • Energia zostáva v koľajnici • Treba vysoké rýchlosti (ICE vlaky v Nemecku)

  23. Vrtuľník • Prečo má vôbec dve vrtule?

  24. Analýza síl • Točiaca sa vrtuľa má veľký odpor vzduchu • Na to ju tam máme • Ťahá vrtuľník nie len hore, ale ho aj roztáča v protismere vlastného točenia • Druhá vrtuľa na chvoste pôsobí proti tomutu otáčaniu

  25. Analýza síl

  26. Tretia vrtuľa? • Zadná vrtuľa sa tiež otáča, vrtuľník je tlačený do protipohybu • Podľa smeru otáčania zadnej vrtule ju to dvíha buď hore, alebo dole • Tento pohyb je kompenzovaný správnou voľbou ťažiska • Okrem iného

  27. Chinook

  28. Dve vrtule inak • Obe vrtule sú vodorovné a dvíhajú vrtuľník • Otáčajú sa proti sebe • Vzniká iba sekundárny moment síl • Momenty síl sa kompenzujú, ale nepôsobia na jednom mieste • Vrtuľník má tendenciu sa otáčať okolo vlastnej osi • Je kompenzovaný nakláňaním lopatiek

  29. Manévrovanie • Základná konfigurácia umožňuje letieť, stúpať, klesať, otáčať sa • Pohyb vpred a vbok zabezpečuje naklonenie vrtuľníka • Na jeho dosiahnutie potrebujeme mať možnosť nakláňať lopatky vrtúľ, prípadne celé vrtule • Na bojových strojoch sa niekedy montujú špeciálne motory na pohyb vpred

  30. Chladenie a klimatizácia • Teplo sa dá vyrábať z čistej energie • Elektrina, plyn, uhlie... • Chlad sa nedá vyrobiť, treba odčerpať teplo • Na to znova treba energiu • O to viacej tepla treba čerpať • Historicky sa využíval rozdiel teplôt v lete a v zime • Zásoby ľadu v ladárňach

  31. Expanzia plynu • Stavová rovnica pV=NkT • Pri zmenšení tlaku narastá objem, alebo klesá teplota, alebo oboje • Opačne, pri stlačení plynu klesá objem a stúpa teplota • Stlačím plyn, oteplí sa, ochladím ho vonku, prenesiem dnu, nechám expandovať • Reálne je to oveľa zložitejšie

  32. Fázový diagram

  33. Vyparovanie a kondenzácia • Využitie výparného tepla • Teplo potrebné na vyparenie látky • Oveľa (rádovo) viac tepla na objem • Stlačím plyn, oteplí sa • Ochladím ho, skondenzuje na kvapalinu • Kvapalinu prenesiem • Nechám je odpariť, ochladí sa • Plyn zoberiem von

  34. Technologické obmedzenia • Chladiace médium • Vysoké teplo odparovania, vhodné tlaky a teploty pre kvapalnú a plynnú fázu • Dlho sa používali freóny, stále sú najlepšie • Transport chladu na dlhé vzdialenosti (klimatizácie) problematický • Používa sa studená voda • Problematická regulácia • Kompresor je vždy hlučný

  35. Alternatívne prístupy • Kondenzačná chladnička • Kompresor je nahradený ohrievacím prvkom • Neefektívne, tiché, pracuje aj na plyn • Hotelové chladničky, plynové chladničky • Peltierov jav • Ak tečie prúd cez rozhranie dvoch kovov, jednu časť zahrieva a druhú chladí • Neefektívne, jednoduché, blbuvzdorné • Použitie: autochladničky, chladiče procesorov

  36. Skafander do vesmíru • Potrebujeme zabezpečiť • Tlak • Dýchanie • Teplo a chlad • Ochrana pred žiarením • Ľudské potreby  • Ak čokoľvek zlyhá, ide o život  komplikovaný systém

  37. Vzduch • V skafandri je stále rovnaký vzduch • Kyslík sa dodáva z kyslíkovej fľaše • Oxid uhličitý sa absorbuje na absorbéri • Voda sa extrahuje v kondenzačnom systéme

  38. Teplo a chlad • Spodné prádlo je vybavené sústavou rúrok, v ktorých prúdi kvapalina • Chladí alebo ohrieva kozmonauta • Ohrev je zabezpečený elektrinou z batérie • Chlad je zabezpečený odparovaním časti skondenzovanej vody

  39. Ochrana pred radiáciou • Materiál skafandra zabraňuje prestupu vysokoenergetickej radiácie • Okuliare, resp. štít sú viacvrstvové a špeciálne upravené

  40. Ľudské potreby • Špeciálna forma plienok • Malá potreba sa zachytáva, filtruje a ďalej používa ako iná voda • Zväčša až na domovskej stanici • Veľkú potrebu musí vydržať

  41. Výstup do vesmíru

  42. Gule • Čo sa stane, ak o seba udieram dve veľké, ťažké, tvrdé oceľové gule? • A čo sa stane, keď dám medzi ne papier? • Mokrý papier? • Alobal? • Papier s alobalom? • Prst?

  43. Gule • Vzduch v papieri nestíha uniknúť, stláča sa • Pri stlačení sa prudko ohrieva • Papier sa môže zapáliť • V mokrom papieri urobí dieru unikajúca voda • Alobal nemá v sebe vzduch ani vodu • Pri kombinácii alobalu a papiera alobal horí

More Related