Портфолио

ДМИТРИЙ КРАСНОПЕВЦЕВ, АЛЕКСЕЙ ШАПКИН,
ученики 10-го класса школы № 1273, г. Москва

Новые типы движителей для плавсредств

Ученический научно-исследовательский проект

Даётся в сокращённом и отредактированном виде. – Ред.

Сейчас уже общепризнано, что проектная деятельность не только становится для ученика образовательной, даёт навыки научно-исследовательской работы, но и, что самое главное, позволяет на практике освоить метод научного познания действительности. Это особенно важно на фоне современной «свободы слова» с обилием сомнительных «новых» теорий и псевдооценок явлений природы. Проектная деятельность позволяет увидеть, как результаты собственной исследовательской работы могут быть использованы для решения вполне конкретных общественно-значимых практических задач. Ниже приведена одна из двух ученических опытно-конструкторских работ, являющихся продолжением исследовательских проектов «Почему летают птицы» и «Подводный кайт», содержание которых кратко изложено в статье «Полёты в воздушной и водной средах» («Физика» № 29/2004). Проекты были выполнены при технической помощи ОАО «Мика-Антикор» и представлялись на конкурсе «Ярмарка идей на Юго-Западе» в апреле 2005 г., где заняли первое место. Руководитель проектов Галина Павловна Устюгина, учитель физики. ustyugina@voxnet.ru Научный консультант Юрий Евгеньевич Устюгин, к.ф.-м.н.

Наши предыдущие исследования [1, 2] привели к мысли, что возвратно-поступательное воздействие знакопеременной силы на движитель определённой формы может привести к появлению силы тяги, поперечной к направлению воздействия, и высокоэкономичной работе движителя. Эти предположения мы проверяли методом физического моделирования: изготавливали соответствующие движители и приводы для них, создавали модели плавательных средств с двигательно-движительной системой и исследовали их работу. Выяснилось, что предлагаемые нами новые движители по экономическим показателям превосходят такой широко используемый для движения транспортных средств в воздухе, на воде и под водой, как винт.

1. ПРОБЛЕМА ЭКОНОМИЧНОСТИ

Живая природа нередко ставит в тупик исследователей, преподнося различные «технические» загадки. Одна из них, над которой ломает головы не одно поколение учёных, – как многие морские животные, рыбы и дельфины умудряются двигаться в плотной воде со скоростями, порой недоступными даже для полёта в воздухе? Меч-рыба, например, развивает скорость до 130 км/ч; тунец – до 90 км/ч. Расчёты показывают: чтобы преодолеть сопротивление воды и набрать такую скорость, рыбе необходимо развить мощность автомобильного двигателя – порядка 100 л.с. Украинские учёные изготовили модель меч-рыбы, подвесили её на быстроходный катер и определили сопротивление среды и требуемую для движения мощность. В пересчёте на скорость и размеры рыбы модель испытывала сопротивление 4000 Н (408 кгс) и требовала для своего движения мощности 100 л.с. (73,6 кВт)!

Рекордсмен подводного плавания – меч-рыба

Энергию живые существа получают за счёт окислительных процессов. Но рыбы – существа холоднокровные, их температура ненамного выше температуры воды, в которой кислород, кстати, растворён в очень небольшом количестве. Такие мощности для них недостижимы! Остаётся предположить только одно: рыбы каким-то образом «умеют» очень сильно понижать сопротивление воды. Гипотезу, объясняющую этот феномен, выдвинул профессор Института теоретической и прикладной механики СО РАН В.И.Меркулов (г. Новосибирск) [3].

Традиционные движители для плавсредств

Существует четыре основных вида судовых движителей: водомётный, гребное колёсо, гребной винт и крыльчатый.

Водомётный движитель. Это, по существу, просто поршневой или центробежный насос, который засасывает воду через отверстие в носу или днище корабля и выбрасывает её через сопла в кормовой его части. Создаваемый упор (сила тяги) определяется разностью количеств движения (импульсов) струи воды на выходе и на входе движителя. Водомётный движитель был впервые предложен и запатентован Тугудом и Хейсом в Англии в 1661 г. Как и другие, предложенные разными изобретателями более поздние варианты, конструкция обладала низким КПД. Водомётный движитель применяется, когда низкий КПД компенсируется преимуществами в других отношениях, например, для плавания по мелководным или засорённым рекам.

Гребное колесо. Это широкое колесо с лопастями по периферии. В более совершенных конструкциях лопасти могут поворачиваться относительно колеса так, чтобы создавать нужную пропульсивную силу при минимальных потерях. Ось вращения колеса выше уровня воды, так что погружена лишь его небольшая часть, и в каждый данный момент времени только несколько лопастей создают упор. КПД гребного колеса, вообще говоря, возрастает с увеличением его диаметра, так что колёса диаметром 6 м и более – не редкость. Частота вращения большого колеса получается небольшой. Когда-то она соответствовала возможностям паровых машин, однако со временем машины совершенствовались, и малые обороты стали серьёзным препятствием – гребные колёса уступили место гребным винтам.

Гребной винт. Винт использовали ещё древние египтяне для подачи воды из Нила. Есть свидетельства, что в средневековом Китае для движения судов использовали винт с ручным приводом. В Европе винт в качестве судового движителя впервые предложил Р.Гук (1680 г.)... (Далее обсуждаются параметры винта, не использованные в приводимой работе. – Ред.)

Размеры современных гребных винтов варьируются от 0,2 до 6 м и более. Мощность, развиваемая винтом, может составлять доли киловатта, а может превышать 40 МВт, соответственно частота вращения лежит в диапазоне от 2000 об/мин для малых винтов до 60 об/мин для больших. КПД хороших винтов может достигать 80%, однако на практике довольно трудно оптимизировать все основные параметры, поэтому на малых судах КПД обычно около 45%. Максимальный КПД достигается при относительном скольжении (отношение скорости движения судна к скорости перемещения движитекля.) 10–30% и быстро уменьшается до нуля при работе винта как в режиме швартовки, так и при больших оборотах [4].

Корабельный винт

Крыльчатый движитель. Это диск, по периферии которого перпендикулярно плоскости диска размещены 4–8 лопастей-лопаток. Диск устанавливается заподлицо с днищем корабля, а в поток опускаются только лопасти. Помимо того что диск с лопастями вращается относительно своей оси, сами лопасти могут поворачиваться относительно своих продольных осей. В результате вода ускоряется в требуемом направлении и создаётся упор для движения судна. Такой тип движителя имеет преимущество перед гребным винтом и гребным колесом, поскольку упор может создаваться в любом желаемом направлении: вперёд, назад и даже вбок без изменения направления вращения двигателя. Для управления судном с крыльчатым движителем не требуется привычных рулей. Крыльчатые движители весьма эффективны в некоторых специальных случаях [5].

Крыльчатый движитель – пропеллер Воиса–Шнайдера.– с четырьмя лопастями. Лопасти вращаются с ротором относительно центральной т. О в одном направлении с постоянной скоростью и связаны жёсткими штангами в т. N, которая не вращается вместе с ротором. Если эта точка смещена относительно т. О, то угол атаки каждой лопасти по отношению к касательной к окружности изменяется по мере движения точки захвата лопасти по окружности. Управление судном очень легко осуществляется смещением т. N: чем больше она удалена от оси вращения O, тем больше сила тяги пропеллера (members.surfeu.at/fprossegger/english/vsp-function)

Общий вид крыльчатого движителя (www.voith-schiffstechnik.com/media/vohs_marine_01.pdf) и циркуляция судна с этим движителем (www.voithturbo.de/media/vohs_1810e_VWT.pdf)

Движитель типа «рыбий хвост»

Природа постоянно демонстрирует человеку один из самых лучших и эффективных движителей – хвост рыбы, совершающий характерные визуально наблюдаемые колебательные движения. Соответствующим движителям придают форму, близкую к форме хвоста рыбы, и принуждают его совершать колебательные движения. Одним из примеров является разработка Г.А.Семёнова [6, 7]. Как он пишет, «...многим известен „парадокс Грея”: дельфин, развивая скорость 10 м/с, должен иметь мощность, в 10 раз большую им располагаемой. Из этого, на мой взгляд, следуют такие выводы: 1) современные плавсредства при мощностях, которыми они располагают, должны передвигаться со скоростями, хотя бы в несколько раз большими; 2) при неизменном запасе топлива плавсредство с таким же движителем, как у дельфина, обеспечит в 10 раз большую дальность плавания». В разработанной им модели катамарана с плавниковым движителем (приводится рисунок. – Ред.) главной особенностью является клин, позволяющий повысить КПД. Однако, на наш взгляд, движитель Семёнова, как и другие аналогичные, является гребковым движителем, принципиально отличающимся от природного «рыбьего хвоста» и потому не способным достичь его КПД.

2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Известные варианты. Для экспериментальных исследований необходимо собрать или изготовить электромеханический привод, с помощью которого можно передавать энергию двигателя движителю. Из общеизвестных вариантов приводов (в оригинаде приводится рисунок. – Ред.) [8] мы выбрали для своих моделей зубчатую и ременную передачи.

Наш вариант привода. Общий вид электромеханического привода дан на фото. В качестве двигателя мы использовали электродвигатель (угловая скорость 75 об/с) от радиоуправляемой игрушки на четырёх батареях постоянного (4 1,5 В) напряжения типа АА. Два редуктора понижали угловую скорость двигателя до 5–7 об/с: один, шестерёнчатый, от той же игрушки, другой, ременной, изготовлен нами. В качестве ремня использовалось резиновое кольцо. На один конец вала был насажен шкив, на другой – кривошип.

Электромеханический привод  

Кривошипно-шатунный механизм

Общий вид модели плавсредства, несущей всю двигательно-движительную систему, показан на фото. Система допускает быструю замену движителя, закрепляемого на штоке и совершающего в процессе работы возвратно-поступательное движение. Шток – силовой элемент, оказывающий знакопеременное силовое воздействие на движитель.

Общий вид модели плавсредства – надводного судна

3. НАШИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Гипотеза. При выполнении проектов [1, 2] мы выявили правило U = /l = 0,29, выполняющееся для всех маховых перьев птиц (исследовались перья городского голубя, вороны, орла и чайки). Более того, оказалось, что выбор точки захвата подводного кайта в соответствии с правилом U = 0,29 приводит буквально к вылету модели из-под воды. В результате родилась гипотеза: если взять гибкую упругую пластину и придать ей знакопеременное перемещение в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, то следует ожидать появления силы тяги в направлении, перпендикулярном направлению этого перемещения. Такая колеблющаяся пластина может использоваться как судовой движитель.

Рис. 4. Сечение махового пера, О

Движители. На фото представлены движители различной формы, которые испытывались нами в лабораторных условиях, будучи установленными на модели описанного выше радиоуправляемого надводного судна. Сначали испытывались движители прямоугольной формы, выполненные из полимерной плёнки толщиной 0,4 мм (в) и 0,15 мм (д). Положение точки захвата движителя (круглое отверстие – белая точка на фото) определялось в соответствии с правилом U = 0,29. Выяснилось, что прямоугольная пластина деформируется сложным образом (рис. А): при движении точки захвата вверх передние углы пластины, помеченные двумя верхними звёздочками, отгибаются вниз, также как и задняя часть пластины, причём наиболее сильно отклоняется её средняя точка (правая звёздочка).

Рис. А. Форма прямоугольного движителя в свободном состоянии (вверху) и под действием внешней силы F (внизу). Звёздочками помечены области максимального смещения

Рис. Б. К определению внутреннего контура движителя

Пунктирные контуры – внешний (красный) и внутренний (синий) – ограничивают часть движителя, играющую роль ствола птичьего пера. Поэтому сначала, чтобы оконтурить движитель, обрезали пластинку из пластика толщиной 0,4 мм по внешнему (красному) контуру. Затем строили внутренний контур (рис. Б): из каждой точки, например C, внешнего контура восстанавливали перпендикуляр до пересечения с линией заднего обреза (точка D) и делили отрезок CD на две части в соответствии с правилом U = 0,29. После этого по возможности ближе к внутреннему контуру просверливали точку захвата. На образованный таким образом «ствол» наклеивали тонкую (0,015 мм) полимерную плёнку (варианты а, б, г, ж на фото). Так получились движители типа а, б на фото. Движители типа г, ж использовались для выяснения влияния разрезов и силовых элементов («рёбер жёсткости»). Движитель е – простейшая имитация рыбьего хвоста.

Варианты движителей

Эксперимент. Измерения и наблюдения выполнялись в аквариуме и ванне. Сначала в качестве двигателя использовали скрученный резиновый шнур. Однако оказалось, что в этом случае можно было только наблюдать движение модели, измерить же какие-либо параметры было трудно из-за непостоянства потенциальной энергии раскручивающегося резинового шнура. Поэтому в дальнейшем мы собрали модель на основе электродвигателя постоянного тока. Для измерений силы использовали обычный школьный динамометр с полной шкалой 5 Н и ценой деления 0,1 Н. Временные интервалы измеряли таймером (в сотовом телефоне – цена деления 0,001 с, что давало повод поговорить об ошибках измерений). Для определения скорости модели измеряли проходимый ею с установившейся скоростью путь 20 см (между метками на стенках аквариума). Время и силу тяги измеряли каждый раз трижды три различных оператора. в дальнейших расчётах использовались результаты, усреднённые по этим девяти измерениям.

Измеряемые величины

• F_ср – сила, действующая на шток. Определяли динамометром в процессе работы движителя в воде.

• – угловая скорость вала вращения, на который насажен кривошипно-шатунный механизм, задающий возвратно-поступательное движение штока: определяли как число n возвратно-поступательных движений штока за 1 с, умноженноe на 2 радиан.

• F_тяги – сила тяги, возникающая в процессе работы движителя: определяли с помощью динамометра, закреплённого одним концом в неподвижном штативе, а другим – за корпус модели. Динамометр располагали параллельно поверхности воды на высоте около 1 см.

• – скорость установившегося движения модели. Определяли по формуле = s/t, где s – заранее заданный интервал пути, t – измеренный интервал времени, за который модель его проходила.

• u – средняя скорость движения штока. За один полный цикл возвратно-поступательного движения шток (и точка захвата движителя) проходит путь, равный 4r, где r – плечо кривошипа, а за 1 с он проходит путь d = 4r ^. n, поэтому численно u = 0,032n (в нашем случае r = 0,008 м).

Рассчитываемые величины

• = А_пол/А_затр, где А_пол – полезная работа движителя, А_затр – затраченная им работа. Поскольку мощность – это работа в единицу времени, то N_пол = А_пол/t, N_затр = А_затр/t, где t – интервал времени, в течение которого выполнялась работа (в нашем случае t = 1 с). Полезную мощность определим как N_пол = F_тяги, а затраченную как N_затр= F_ср d.

• Относительная поступь = /u, где – скорость установившегося движения модели, u – скорость прохождения движителем пути d; для винта u = r.

В таблице приведены результаты измерений и вычислений для предложенного нами движителя, а также (для сравнения) для гребного винта диаметром 0,05 м [10].

Замечание. Известно, что КПД винта летательного аппарата достигает максимального значения (80%) при = 0,25 [10]. При , близких к нулю, летательный аппарат приближается к состоянию покоя, а винт находится в режиме холостого хода, т.е. = 0. При больших летательный аппарат движется с такой скоростью, что встречный поток начинает раскручивать* винт, т.е. наступает режим, схожий с режимом холостого хода винта, в этом случае также = 0. Т.е. полёт аппарата с поступью винта, близкой к 1, вообще исключён.

Зависимость КПД от поступи винта летательного аппарата

Из таблицы видно, что КПД нашего движителя (76%) выше КПД гребного винта (45%). Существенно и различие в относительной поступи: 1,1 против 0,855, т.е. больше приблизительно на 30%. Модель с винтом движется в 7,5 раз быстрее, но при этом и энергетические потери у неё значительно больше: в 7,34/0,0264 = 282 раза! Таким образом, «провал» в среду, характерный для гребковых движителей, приводит и к существенным экономическим потерям.

Полученные нами результаты позволяют ожидать существенный экономический выигрыш при эксплуатации предлагаемых безопорных вихревых средств возбуждения силы тяги перед гребковыми средствами. Применение спаренных, действующих в противофазе движителей должно исключить вибрацию корпуса плавсредства и позволить преобразовать часть энергии, прежде расходовавшуюся на эту вибрацию, в кинетическую энергию поступательного движения плавсредства.

_______________________

* Когда у вертолёта отказывает двигатель, он падает. При этом пропеллер раскручивается встречным потоком воздуха. Так же и у самолёта: если самолёт будет лететь очень быстро, то уже не вращающийся винт будет толкать самолёт, а наоборот, самолёт при своём движении будет раскручивать винт, что приводит к торможению самолёта и даже к отрицательному КПД винта. – Г.У.

Заключение

1. Предложен новый способ создания силы тяги в текучих средах, а также устройство – движитель для плавательных аппаратов, – в основу разработки которых положены результаты, полученные в проекте [1].

2. Экспериментально показано, как наличие знакопеременной силы, действующей на движитель в поперечном к его поверхности направлении, порождает силу тяги у плавсредства с таким движителем.

3. Выполнена опытно-конструкторская разработка радиоуправляемой модели плавательного средства с движителями различной конфигурации, но общего принципа действия, удовлетворяющего правилу
U = 0,29, найденного для маховых перьев птиц.

4. Опытно-конструкторская разработка – радиоуправляемая модель с новым типом движителя – испытана в лабораторных условиях.

5. Показано, что КПД нового движителя равен 76% при относительной поступи движителя 1, где = u/, u – скорость поступательного движения плавсредства, – средняя скорость перемещения движителя под воздействием знакопеременной силы. (При таком значении винт вообще уже не работает как движитель, становясь ветряком-пропеллером, как у ветряной мельницы.)

Литература

1. Ручкин И., Алексеев К., Белых А. (школа № 1273). Почему летают птицы: Исследовательская работа: Руководитель Г.П.Устюгина. – «Ярмарка идей Юзао», москва, 2004.

2. Краснопевцев Д., Шапкин А.(школа № 1273). Подводный кайт: Проектная работа: Руководитель Г.П.Устюгина. – «Ярмарка идей Юзао», москва, 2004.

3. Меркулов В.И. Загадка плавания рыб. nauka.relis.ru/cgi/nauka.pl?05+0112+05112088+HTML.

4. Что нужно знать о гребном винте. www.kater.ru/catalog/links_u_ustroistvo_sudna.htm.

5. Энциклопедия «Кругосвет». www.krugosvet.ru/articles/14/1001453/1001453a6.htm.

6. Семёнов Г.А. Патент РФ № 2090441 «Движитель для судов и аппаратов надводного и подводного плавания».

7. Семёнов Г.А. Затраты энергии на транспорте могут быть снижены в 10 раз. www.eprussia.ru/epr/info/sklad/036/new_tech_1.3.htm.

8. Мазейкин Е.М., Шмелёв В.Е. Конструирование и моделирование технических устройств. www.tula.net/tgpu/resources/construct/index.htm.

9. Сахновский Б.М. Модели судов новых типов. – Судостроение, 1987. http://www.shipmodeling.ru/books/NewTypeShips/newtypeships.pdf.

10. Прандтль Л. Гидроаэродинамика: R@C Dynamics. – М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002.

  Дмитрий Краснопевцев

  Алексей Шапкин

Галина Павловна Устюгина – выпускница физического факультета Ташкентского государственного университета 1971 г. по специализации «Радиационная физика», учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 33 года, почётный работник общего образования Российской Федерации. В целях поиска путей совершенствования системы образования принимала активное участие в работе творческой лаборатории народного учителя СССР Б.И.Вершинина в г. Томске в 1993 г. Дальнейший поиск привёл к системе развивающего обучения Д.Б.Эльконина–В.В.Давыдова. Основные принципы этой системы сейчас положены в основу уроков педагога. Галина Павловна участвовала в разработке методик преподавания физики. По приглашению руководства Горно-Алтайского республиканского института повышения квалификации прочитала курс лекций по теме «Моделирование учебно-воспитательного процесса при обучении физике». На республиканском семинаре «Инновации в процессе преподавания физики» представила авторские разработки методики развивающего обучения физике. В 1998 г. стала призёром республиканского конкурса «Учитель года». В 2002–2004 гг. проводила окружные семинары для учителей физики ЮЗАО г. Москвы, в 2003 г. в составе делегации работников просвещения г. Москвы провела один из лучших уроков физики по программе «Мастер-класс» в г. Киеве. Участвовала в работе второго (2003 г.), третьего (2004 г.) и четвёртого (2005 г.) Московских марафонов учебных предметов, организуемых МДО, МИОО и ИД «Первое сентября». В настоящее время является руководителем и организатором проектно-исследовательских работ в школе. Её ученики Сергей Панюшкин и Владимир Апальнов стали призёрами в номинации «Проектно-исследовательские работы» на конкурсе «Ярмарка идей на Юго-Западе-2003» и лауреатами 7-й научной конференции молодых исследователей «Шаг в будущее. Москва» (2004 г.), которая проходила в МГТУ им. Н.Э.Баумана, выступив с работой «Моделирование торнадо-процесса». Проектные работы учащихся 9-го класса «Почему летают птицы» (Иван Ручкин и Андрей Белых) и «Подводный кайт» (Дмитрий Краснопевцев и Алексей Шапкин) были удостоены дипломов 1-й степени в конкурсе «Ярмарка идей на Юго-Западе-2004». Ученики Галины Павловны регулярно занимают призовые места на олимпиадах по физике. Имеет публикации в газете «Физика», журнале «Квант», патенты на изобретения. Незаменимым помощником Галины Павловны является её муж Юрий Евгеньевич Устюгин, с которым она вместе училась в ТашГУ. Юрий Евгеньевич – к.ф.-м.н., автор ряда публикаций по физике множественного образования частиц при высоких энергиях, ядерной геофизике, антикоррозийным покрытиям нефтесодержащего оборудования и сооружений (журналы «Ядерная физика», «Доклады АН СССР», «Известия АН УзССР», «Трубопроводный транспорт нефти», сборники статей по геологии и ядерной геофизике), имеет авторские свидетельства и патенты на изобретения. В 1996 г. разработал оригинальную технологию производства высокоантикоррозийного пигмента «спекулярит», освоил его промышленное производство и внедрил на предприятиях ОАО «Центрсибнефтепровод». В 1998–2000 гг. в должности гендиректора восстанавливал ГУП «Акташское горно-металлургическое предприятие», в 2000 г. был приглашён холдингом «Содружество» в Москву для работы в качестве замгендиректора по финансам и экономике в ОАО «Угли Кузбасса», в 2001 г. переведён на должность гендиректора Орско-Халиловского комбината «НОСТА». В последние годы занят вопросами гидро- и аэродинамики и подготовкой будущих физиков. Семья педагогов вырастила двух дочерей, а теперь растит двух внучек и внука, уделяя им всё свободное время, которого, к сожалению, так не хватает на всех. Хобби – горный туризм.