Страница 17 из 20
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).