🔥💨⚙️ Джеймс Уатт и паровая машина

Джеймс Уатт (англ. James Watt; 1736 — 1819) — шотландский инженер, изобретатель-механик. Ввёл первую единицу мощности — лошадиную силу. Его именем названа единица мощности — Ватт. Усовершенствовал паровую машину Ньюкомена. Создал универсальную паровую машину двойного действия. Изобретения Уатта запустили процесс промышленной революции в Англии, а затем и во всём мире. Впрочем, так считалось лишь прежде, в наши же дни оба этих утверждения активно пересматриваются исследователями. Уатт также оказался самым активным пропагандистом патентной системы в XVIII веке. Ныне его рассматривают не как бескорыстного ученого, а как искусного производителя и эффективного защитника экономических прав изобретателей

Ещё в 1759 году приятель Уатта Джон Робисон заинтересовал его вопросом использования пара как источника двигательной энергии. Паровая машина Ньюкомена существовала уже пятьдесят лет, находя применения большей частью для откачки воды из шахт, однако за всё это время она ни разу не была усовершенствована, и мало кто разбирался в принципе её работы. Уатт начинает исследования по применению пара с нуля, так как до этого ни разу не сталкивался с этим вопросом. Однако попытки создать рабочую модель аппарата ничем не заканчиваются. Ему удаётся соорудить лишь что-то вроде модели паровой машины Севери, используя котёл Папена. Однако модель обладала такими большими недостатками, что Уатт бросает разработки.

Зимой 1763 года к нему обратился профессор физики университета Глазго Джон Андерсон с просьбой отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена. Макет был оснащен 2-дюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в 6 дюймов. Уатт провел ряд экспериментов, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды, и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом, энергия пара тратилась на постоянный разогрев цилиндра, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию.

Уатт проводит ряд опытов над кипением воды, изучает упругость водяных паров при различных температурах. Теоретические и опытные изыскания приводят его к пониманию важности скрытой теплоты. Опытным путём он устанавливает, что вода, превращённая в пар, может нагреть до кипения в шесть раз большее количество воды. Уатт приходит к выводу: «…Для того, чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра (37.5 °C)». Уатту остаётся сделать один шаг до того, чтобы отделить «сгущение пара» от цилиндра и осуществлять его в отдельном сосуде. Однако на этот шаг у него уходит очень много времени. В 1765 году ему, наконец, приходит на ум догадка, и начинаются попытки воплотить её в жизнь.

Первым значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал в 1769 году, была изолированная камера для конденсации. В этот же год ему удаётся построить действующую модель, работающую по этому принципу. Однако создать полноразмерную машину не получалось. Уатту требовались капиталовложения. Некоторую помощь ему оказал Джозеф Блэк, а основная поддержка пришла от Джона Роубака (англ. John Roebuck), основателя легендарной Carron Company (англ. Carron Iron Works). Основная сложность заключалась в том, чтобы заставить работать поршень и цилиндр. Металлопроизводство того времени не было способно обеспечить нужную точность изготовления. #физика #механика #динамика #видеоуроки #мкт #physics #термодинамика #mechanics #научные_фильмы #термех #sciece

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🔥❄️ Самое лёгкое твёрдое вещество на Земле

Аэрогель — самое легкое твердое вещество с самой низкой плотностью в мире. Это гель, на 99,8% состоящий из воздуха. Выглядящий как замороженный дым, этот материал почти так же легок, как сам воздух. Это всего 1,74 грамма.
Он настолько легкий, что его могут поднять даже мыльные пузыри. Несмотря на свой вес, он может выдерживать экстремальные температуры от -275 до 650 градусов по Цельсию и обеспечивает защиту от жары, как ничто другое на земле.
Однако даже при небольшом надавливании пальцем аэрогель разбивается на тысячи кусочков и превращается в пыль. Но что удивительно, так это то, что если я возьму эту пыль аэрогеля и нанесу ее на любую поверхность, например на свое тело, она станет на 100% гидрофобной. Это делает меня полностью водонепроницаемым. Кроме того, эта пыль также образует новые нехрупкие пеноподобные аэрогелевые композиты, которые можно использовать в экстремальных условиях, требующих защиты.
Аэрогели могут быть разной формы, учитывая, что они на 99% состоят из воздуха. Можете ли вы угадать, какой звук будет издавать аэрогель? Это похоже на падение пустой банки на стальную поверхность, очень металлическую. Это сильно отличается от того, что большинство из вас может ожидать.

Аэрогели (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода. #физика #механика #наука #physics #science #космос #термодинамика #мкт

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🔥💨 Паровой или реактивный двигатель ?

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу, таким образом к паровым машинам можно было бы отнести и паровую турбину, имеющую до сих пор широкое применение во многих областях техники.

Первый паровой двигатель был создан и использован Фердинандом Вербистом в 1672 году в его изобретении - игрушкой на паровом двигателе, сделанной для китайского императора. Вторая паровая машина была построена в XVII веке французским физиком Дени Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей.

Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть своё изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось: он умер 27 мая 1766 года, а его машина пущена в эксплуатацию на Барнаульском заводе только летом. Через пару месяцев из-за поломки она перестала действовать и впоследствии была демонтирована. #опыты #научные_фильмы #физика #термодинамика #мкт #видеоуроки #gif #physics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

😠 Опыты по физике. Конвекция в жидкости:
▪️ в круглодонной колбе;
▪️ в U-образной трубке

Конвекция (от лат. convectiō — «перенесение») — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передаётся струями и потоками самого вещества. Существует так называемая естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.

Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.

Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.
#физика #термодинамика #опыты #мкт #теплота #нагрев #лекции #physics #science

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

〰️ Физика в опытах: Искривление луча в неоднородной среде 🔴

Искривление луча в неоднородной среде связано с изменением показателя преломления среды. Например, если среда состоит из плоскопараллельных слоёв с показателем преломления, меняющимся скачкообразно от слоя к слою, то световой луч, преломляясь на границе слоёв, примет форму ломаной линии. Если неограниченно увеличивать число слоёв, устремляя к нулю их толщины и скачки показателей преломления, то в пределе показатель преломления среды станет меняться непрерывно, а луч перейдёт в кривую с непрерывно изменяющейся касательной. Искривление луча в неоднородной среде происходит в сторону увеличения показателя преломления.

💧 Полезно понаблюдать на опыте, как распространяется узкий световой пучок в оптически неоднородной среде. Рассмотрим жидкую среду. Чтобы поставить опыт, надо, во-первых, приготовить такую среду, а во-вторых, позаботиться о том, чтобы световой пучок был хорошо виден в ней. Наполним аквариум прямоугольной формы или специально изготовленную плоскопараллельную кювету водой примерно до половины. Затем через воронку со шлангом, конец которого надо опустить до самого дна кюветы, будем медленно наливать насыщенный раствор поваренной соли (300 г соли на литр воды). Раствор соли будет растекаться по дну кюветы и будет постепенно вытеснять вверх воду. В итоге нижняя половина кюветы окажется заполненной более плотной жидкостью (раствором соли), а верхняя - менее плотной (водой). Вследствие взаимной диффузии между жидкостями через некоторое время образуется переходный слой с плавно изменяющейся в вертикальном направлении плотностью, а значит, и показателем преломления. Он будет постепенно возрастать в направлении сверху вниз. Чтобы световой луч был хорошо виден в жидкости, можно предварительно добавить в чистую воду и в солевой раствор щепотку хвойного концентрата, продающегося в аптеке, слабый раствор которого обладает способностью светиться зеленым светом (люминесцировать) под действием обычного (белого) света.

В оптически неоднородной среде световой луч изгибается так, что его траектория всегда оказывается обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды. Насколько резко будет искривляться световой луч в среде с непрерывно изменяющимся показателем преломления? Это зависит от того, насколько быстро изменяется показатель преломления при переходе от одних точек среды к другим.

Гервидс Валериан Иванович — доцент кафедры общей физики МИФИ, кандидат физико-математических наук
#физика #мкт #оптика #космос #optics #thermodynamics #термодинамика #physics #science

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib