Паровой двигатель из лего

Обновлено: 02.05.2024

Простые механизмы – устройства, служащие для преобразования силы. Представляют собой элементы более сложных механизмов. В большинстве случаев простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить в несколько раз силу, действующую на тело. Классические расчеты действия простых механизмов принадлежат выдающемуся античному механику Архимеду из Сиракуз, который жил в III веке до нашей эры. Он рассчитал, во сколько раз механизм дает выигрыш в силе и во столько же раз получается проигрыш в расстоянии.

Виды простейших механизмов

Принято выделять восемь простейших механизмов:

· Наклонная плоскость — простой механизм в виде плоскости, установленной под острым углом к горизонтальной поверхности.

· Клин — позволяет увеличить давление за счёт концентрации силы на малой площади. Используется в копье, лопате, пуле и др.

· Винт — используется в шурупах, для подъёма воды (Архимедов винт), в качестве сверла в дрелях, отбойных молотках и др.

· Рычаг — используется для подъёма тяжестей, в качестве выключателей и спусковых крючков (шатун-кривошип — используется в ткацком станке, паровой машине, двигателях внутреннего сгорания).

· Ворот — используется для подъёма воды в колодцах, для ременной передачи и др.

· Блок — колесо с жёлобом, по которому пропускают верёвку, трос или цепь. Применяется для изменения величины или направления силы.

· Колесо — используется на транспорте и в зубчатых передачах.

· Поршень – позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов или пара. Применяется в огнестрельном оружии и паровой машине.

Простые механизмы в лего – конструировании

§ Наклонная плоскость – плоская поверхность, установленная под углом, отличным от прямого, к горизонтальной поверхности. Есть возможность выбрать: приложить большое усилие и поднимать данный груз по короткому пути на нужную высоту или затратить намного меньшее усилие на его постепенный подъем по более длинной наклонной плоскости.

Может быть применена для преодоления препятствия.

Рычаг – используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече. Сделав плечо рычага достаточно длинным, теоретически, можно развить любое усилие.

Рычаг позволяет захватывать детали различных форм ( колесо, шестеренка и др.)

В зависимости от длины рычага может изменяться траектория полета.

Катапульта

Система рычагов играет важную роль для поднятия груза.

§ Винт – является разновидностью наклонной плоскости. В виде винта рассмотрим элемент, называемый червячной передачей.

Червячная передача

Винт используется для преобразования вращательного движения в поступательное.

Платформа, перемещающаяся за счет винтовой передачи

Платформа для перемещения рабочего стола на станках с ПУ

Колесо - движитель, свободно вращающийся или закреплённый на оси диск, позволяющий поставленному на него телу катиться, а не скользить.

Колесо состоит из двух частей: диск и шина. Диск позволяет
крепить колесо к оси и является корпусом для крепления шины. Шина состоит из резины и позволяет увеличить сцепление робота с поверхностью.

Чем шире колесо, тем больше сила сцепления с поверхностью

§ Блок - простое механическое устройство, позволяющее регулировать силу, ось которого закреплена при подъеме грузов. Представляет собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси.

Неподвижный блок употребляется для подъёма небольших грузов или для изменения направления силы.

Подвижный блок имеет свободную ось и предназначен для изменения величины прилагаемых усилий.

Использование системы блоков для передвижения груза

§ Ворот – механизм, предназначенный для создания тягового усилия на канате. В более широком смысле воротом называют рычаг, совершающий при работе полный оборот.

Ворот колодца с ручкой

Ворот, использующийся в отвертке

Ворот, используемый в велосипеде

Использование ворота при поднятии груза

§ Зубчатая передача – механизм передачи движения, при этом усилие от одного элемента к другому передаётся с помощью зубьев.

Повышающая передача (мультипликатор) служит для увеличения частоты вращения.

Мультипликатор

Понижающая передача (редуктор) служит для уменьшения частоты вращения.

Редуктор

Поворот корпуса робота за счет зубчатого колеса

§ Маховик - массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя энергии.

Робот при движении с горы будет использовать энергию торможения для раскручивания маховика. При подъеме в гору энергия маховика будет помогать моторам крутить колеса.

Заключение

Я познакомилась с простыми механизмами, используемыми в лего – конструировании и узнала о их назначении.

Обряды и обрядовый фольклор: составляли словесно-музыкальные, драматические, игровые, хореографические жанры, которые.

Поиск по сайту

Роботы и механизмы в Lego запись закреплена

ОСЕВАЯ ФОРМУЛА ПАРОВОЗА

Осевая формула — набор цифр, который определяет тип паровоза по количеству, назначению и расположению осей колёсных пар в экипажной части локомотива.

В классической конструкции паровоза встречаются три основных вида колёсных пар или осей:
Показать полностью.

1. Бегунковые колёсные пары (направляющие колёсные пары) — служат для улучшения вписывания паровоза в кривые. При прохождении паровозом кривых направляющие оси отклоняются в сторону поворота и тем самым снижают вероятность схода с рельсов и уменьшают нагрузку от основных колёс на рельсы в поперечном направлении. Колёса этих осей, как правило, имеют значительно меньший диаметр, чем на спаренных осях. Чаще всего встречаются на быстроходных, пассажирских паровозах.

2. Движущие колёсные пары (сцепные колёсные пары, сцепные оси, движущие колёса и т.д.) — служат для реализации тягового усилия генерируемого двигателем. Присутствие их на любом паровозе обязательно. Поскольку частота вращения механически связанных колёс одинакова, диаметр их тоже должен быть одинаков. Как правило, это самые большие по диаметру колёса на паровозе. В общем случае чем больше мощность локомотива, тем большее количество движущих колёсных пар на нём применяется.

3. Поддерживающие колесные пары — служат для перераспределения нагрузки на рельсы, в том числе для снижения нагрузки на ведущие оси до допустимых значений. Колёса этих осей, как правило, имеют значительно меньший диаметр, чем движущие колёса. На паровозах встречаются не всегда.

Способы записи осевых формул отличаются в разных странах. Русский способ, который аналогичен Американскому, где запись производится цифрами в порядке: Бегунковые - Движущие - Поддерживающие

Например, 1-4-1 для паровоза из LEGO ниже можно проиллюстрировать схемой оООООо

УМК: Начальная школа 21 века Программа: «Технология» 3 класс.

Тема: «Паровые двигатели. Паровой двигатель» Изделие: транспорт из конструктора lego

Тип урока: урок освоения новых знаний

Планируемые результаты

Личностные: обучающиеся демонстрируют умение работать с учителем и сверстниками, проявляют интерес к новому виду деятельности и положительное отношение к труду и результату труда.

Метапредметные: демонстрируют регулятивные УУД (проявляют волевую саморегуляцию, умение формулировать цель деятельности на уроке; выявлять учебную проблему; планировать практическую деятельность на уроке; умение работать по плану составленному совместно с учителем, использовать необходимые средства (рисунки, инструкционные карты, инструменты), осуществлять контроль точности выполнения действий; определять успешность выполнения своего задания); познавательные УУД (Наблюдают и сравнивают особенности строения предметов; находят ответы на предлагаемые вопросы, используя учебник, свой жизненный опыт и информацию, полученную на уроке) коммуникативные УУД (умеют вести диалог по теме урока, коллективно анализировать изделия; вступать в беседу и обсуждение на уроке и в жизни; слушать учителя и одноклассников, высказывать свою точку зрения).

Предметные: обучающиеся имеют представления о паровых двигателях и где они используются.

Цель: формирование познавательных универсальных учебных действий в процессе изучения темы «Паровые двигатели. Паровой двигатель».

Воспитательная: воспитать умение работать с учителем и сверстниками, проявляют интерес к новому виду деятельности и положительное отношение к труду и результату труда.

Развивающая: формировать регулятивные УУД (проявляют волевую саморегуляцию, умение формулировать цель деятельности на уроке; выявлять учебную проблему; планировать практическую деятельность на уроке; умение работать по плану составленному совместно с учителем, использовать необходимые средства (рисунки, инструкционные карты, инструменты), осуществлять контроль точности выполнения действий; определять успешность выполнения своего задания); познавательные УУД (Наблюдают и сравнивают особенности строения предметов; находят ответы на предлагаемые вопросы, используя учебник, свой жизненный опыт и информацию, полученную на уроке) коммуникативные УУД (умеют вести диалог по теме урока, коллективно анализировать изделия; вступать в беседу и обсуждение на уроке и в жизни; слушать учителя и одноклассников, высказывать свою точку зрения).

Образовательная: формировать у обучающихся представление о паровых двигателях и где они используются.

Первые упоминания об использовании кривошипно-шатунного механизма можно отнести ко временам Древнего Рима (примерно III век н.э.). Машина для распиливания каменных блоков передавала вращение от водяного колеса с помощью зубчатой передачи на кривошипно-шатунный механизм, который преобразовывал вращательное движение в возвратно-поступательное движение полотна пилы. Также такие устройства могли использоваться на древних лесопилках.

Схема водяного древнеримского распиловочного станка с КШМ

Большого распространения такие машины не получили – деревянные части из-за большого количества трущихся деталей быстро изнашивались и требовали частого ремонта, а рабский труд был намного дешевле и не требовал большой квалификации рабочих.

В XVI веке кривошипно-шатунный механизм появился на деревянных самопрялках. Самопрялка – это ручной станок для прядения нити из шерсти, состоящий из двух катушек. В самопрялке для скручивания нити использовался принцип ременной передачи. Раньше большую катушку приходилось раскручивать рукой. К самопрялке добавили педаль. Нажимая ногой на педаль, работник смог раскручивать катушку без использования рук. Этот механизм упростил работу и позволил за то же время производить больше пряжи. В данном устройстве возвратно-поступательное движение педали передавалось через деревянный шатун на кривошип и преобразовывалось во вращательное движение большой катушки (шкива).

Самопрялка с педалью и КШМ позволяла освободить руки и сделать работу более производительной

КШМ в паровых машинах

Начиная с начала XVIII века большую популярность среди изобретателей и ученых начинают получать паровые машины. Первый паровой двигатель для водяного насоса построил в 1705 году английский изобретатель Томас Ньюкомен для выкачивания воды из глубоких шахт.

Позднее устройство парового двигателя было усовершенствовано шотландским инженером и механиком Джеймсом Уаттом (1736-1819). Кстати, именно Джеймс Уатт ввел в оборот термин «лошадиная сила», а его именем назвали единицу мощности Ватт. Паровая машина Уатта получила сложную систему связанных тяг, а планетарная зубчатая передача преобразовывала возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика (большого тяжелого колеса). Данная паровая машина стала универсальной, так как в отличие от машины Ньюкомена поршень имел рабочий ход в обе стороны. Машина Уатта получила широкое распространение на ткацких фабриках, в металлургии, при строительстве первых паровозов для железных дорог XVIII века.

Паровая машина Джеймса Уатта. Вместо кривошипа — сложная планетарная зубчатая передача

Шотландский изобретатель Джеймс Уатт (James Watt)

В XIX веке паровую машину Уатта упростили, заменив сложный планетарный механизм на кривошипно-шатунный механизм.

Паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом Схема паровой машины с кривошипно-шатунным механизмом

Паровая машина с КШМ нашла широкое применение при строительстве первых автомобилей на паровой тяге и паровозов, перевозящих грузы по железной дороге.

КШМ в двигателях внутреннего сгорания

До этого мы рассматривали использование кривошипно-шатунного механизма в паровых двигателях. В паровом двигателе топливо сгорает в печи (вне цилиндра) и нагревает водяной котел, и уже водяной пар в цилиндре толкает поршень.

В двигателе внутреннего сгорания топливная смесь (воздух + газ, или воздух + бензин и т.д.) поджигается внутри цилиндра и продукты горения толкают поршень. Сокращенно такие двигатели называют ДВС.

Первый одноцилиндровый ДВС на газовом топливе построил в 1860 году в Париже французский изобретатель Жан Ленуар.

Двигатель внутреннего сгорания Жана Ленуара (внешне очень похож на паровую машину)

Однако широкое применение двигатели внутреннего сгорания нашли в конце XIX века после получения керосина и бензина из нефти. Появление жидкого топлива позволило создать экономичные двигатели небольшой массы, которые можно было использовать для привода транспортных машин.

В 1881-1885 гг. российский изобретатель Огнеслав Костович сконструировал и построил в России восьмицилиндровый двигатель мощностью 59 кВт.

Двигатель внутреннего сгорания Огнеслава Костовича

В 1897 г. немецким инженером Рудольфом Дизелем был спроектирован и построен первый двигатель с воспламенением от сжатия. Это был компрессорный двигатель, работающий на керосине, впрыскиваемом в цилиндр при помощи сжатого воздуха.

Рудольф Дизель и его двигатель внутреннего сгорания

Все эти ДВС имели схожие черты и использовали кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала.

Давайте посмотрим на схему устройства современного двигателя внутреннего сгорания.

Схема кривошипно-шатунного механизма в двигателе внутреннего сгорания

Поршень совершает возвратно-поступательное движение вдоль цилиндра – он ходит вверх и вниз.

Шатун – деталь, связывающая кривошип и поршень.

Кривошип – условная деталь, которая связывает шатун с коленвалом.

Противовес снижает вибрации при вращении коленвала.

Блок цилиндров – корпус, в котором находятся цилиндры двигателя.

Поршневой палец – цилиндрическая деталь, ось вращения шатуна относительно поршня.

Коленвал (коленчатый вал) – ось вращения ступенчатой формы.

Верхняя мертвая точка – крайнее верхнее положение поршня, где меняется направление его движения.

Нижняя мертвая точка — крайнее нижнее положение поршня, где меняется направление его движения.

Ход поршня — расстояние между крайними положениями поршня. Равно удвоенному радиусу кривошипа.

Блок цилиндров, поршень с шатуном и коленвал

Видео:

Литература:

Маятник Капицы

Обычный маятник, если перевернуть его кверху ногами, неустойчив. Для него крайне трудно найти верхнюю точку равновесия. Но если совершать быстрые вертикальные возвратно-поступательные колебания, то положение такого маятника становится устойчивым.

Петр Леонидович Капица

Советский академик и нобелевский лауреат по физике Петр Леонидович Капица (1894 — 1984) использовал модель маятника с вибрирующим подвесом для построения новой теории, которая описывала эффекты стабилизации тел или частиц. Работа Капицы по стабилизации маятника была опубликована в 1951 году, а сама модель получила название «маятник Капицы». Более того, было открыто новое направление в физике — вибрационная механика. Данная модель позволила наглядно показать возможности высокочастотной электромагнитной стабилизации пучка заряженных частиц в ускорителях.

Владимир Игоревич Арнольд

Другой советский математик и академик Владимир Игоревич Арнольд (1937-2010), который был заместителем Капицы, вспоминал его слова:

«Он (Капица — примечание) сказал: «Вот смотрите — когда придумывается какая-то физическая теория, то прежде всего надо сделать маленький какой-нибудь прибор, на котором его наглядно можно было-бы продемонстрировать кому угодно. Например, Будкер и Векслер хотят делать ускорители на очень сложной системе. Но я посмотрел, что уравнения, которые говорят об устойчивости этого пучка, означают, что если маятник перевернут кверху ногами, он обычно неустойчив, падает. Но если точка подвеса совершает быстрые вертикальные колебания, то он становится устойчивым. В то время как ускоритель стоит много миллионов, а этот маятник можно очень легко сделать. Я его сделал на базе швейной электрической машинки, он вот здесь стоит». Он нас отвел в соседнюю комнату и показал этот стоящий вертикально маятник на базе швейной машинки».

Демонстрация динамической стабилизации перевернутого маятника с помощью электробритвы

У математика Арнольда не было своей швейной машинки, и он огорчился. Но у него была электробритва «Нева», из которой и был собран перевернутый маятник. К сожалению, в первой конструкции маятник падал. Тогда Арнольд вывел формулу и увидел, что длина маятника не должна быть больше 12 сантиметров. Известный математик укоротил подвес до 11 сантиметров и все получилось.

Давайте посмотрим, какие силы действуют на «маятник Капицы». После прохождения верхней мертвой точки подвес маятника начинает тянуть грузик вниз. После прохождения нижней мертвой точки подвес толкает грузик вверх. Так как углы вежду векторами сил в верхней и нижней точке разные, то сумма их векторов дает силу, направленную к оси вертикальных колебаний маятника. Если эта сила больше силы тяжести, то верхнее положение маятника становится устойчивым.

А эта формула описывает взаимосвязь частоты вибраций подвеса, амплитуды колебаний и длины жесткого подвеса.

Исторические паровые локомотивы, такие как "The Rocket" Стивенсона служили вдохновением для пневматических машин, показанных на этой странице. Эта картинка из D.H. Thurston, A History of the Growth of the Steam-Engine (Appleton, New York, 1878).

Марк I

Компактные двухцилиндровые двигатели в автомобилях на этой странице, вдохновлены дизайном доктором Dr. C. S. Soh и Joe Nagata, больше информации можно найти на их веб-сайтах. Двух цилиндровый привод такой же коленчатый вал, но на 90 градусов вне фазы. Таким образом, один цилиндр производит максимальный крутящий момент, когда другой проходит через мертвые центры на концах его хода. Это дает возможность покончить с необходимостью в большом маховике, который помогает одноцилиндровому двигателю проходить его мертвые центры. Клапаны, которые распределяют сжатый воздух к каждой стороне поршней, приводятся в действие распределительным валом, соединенным с коленчатым валом с помощью зубчатых колес. В Марке I, показанном выше, клапан и его механизм расположен в машине, между цилиндрами и ведущими колесами. (Регулировка времени клапанов, безусловно, сложная часть строительства работающего автомобиля). Сжатый воздух производится с помощью насоса, приводимого в действие электродвигателем, и хранится в синем баке. CRX brick на самом деле используется только в качестве прославленного корпуса для батареи, эти автомобили могут быть одинаково хорошо построены и с помощью стандартного корпуса батареи.

Марк II

Мой автомобиль второго поколения - это Марк II. Он похож на Марк I, но он был построен, чтобы иметь снаружи как можно больше деталей из двигателя и трубок для более удобного просмотра. Два изображения выше показывают полные виды Марк II. Двухцилиндровый насос спереди приводится в действие электродвигателем под синим воздушным резервуаром. Голубые трубки ведут от насоса к резервуару и от резервуара к клапанам.

Эти две картинки крупным планом показывают двигатель Марк II; без изменений слева и с отделенным стержнем клапана от клапана справа. Сжатый воздух поступает в клапан через синюю трубку. Он направляется с двух сторон поршня через светлые и темные серые трубки, в зависимости от положения клапана. Поршень приводит в действие большую шестерню, которая сцепляется с меньшей на оси колеса (скрытой за шиной). Большие шестерни на правой и левой сторонах, которые на 90 градусов вне фазы, связаны через коленчатый вал. На коленчатом валу, внутри автомобиля, есть третья большая шестерня, которая приводит в действие распределительный вал через большую шестерню, которая выглядывает наружу через крышу автомобиля. Шкивы распределительного вала приводятся в действие клапанами с помощью стержней клапанов. Для сглаживания операции, тело клапана прикреплено к боку автомобиля двумя Лего блоками 1/3 ниже коленчатого вала. (Это уловка, которую я узнал от стационарного двигателя C.S. Soh). Стержень цилиндра на том же уровне, что и коленчатый вал.

Читайте также: