Преобразователи энергии волн
Преобразователи, отслеживающие профиль волны
В этом классе преобразователей остановимся в первую очередь на разработке профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, названной в честь создателя "утка Солтера". Техническое название такого преобразователя - колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности (рис.9).
Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилиндрическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие распространения волны направо при колебаниях утки вокруг оси. Мощность может быть снята с оси колебательной системы с таким расчетом, чтобы обеспечить минимум отражения энергии. Отражая и пропуская лишь незначительную часть энергии волн (примерно 5%), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждающих колебаний (рис.10).
Первоначально Солтером был создан макет достаточно узкополосного по частоте устройства. В волновом бассейне оно поглощало до 90 % падающей энергии. Первые испытания в условиях, близких к морским, были проведены в мае 1977 г. на оз. Лох-Несс. 50-метровая гирлянда из 20-метровых "уток" общей массой 16 т была спущена на воду и испытывалась в течение 4 месяцев при различных волновых условиях. В декабре того же года эта модель в 1 / 10 будущей величины океанского преобразователя была вновь спущена на воду и дала первый ток. В течение 3 мес одного из самых суровых зимних периодов модель первой английской волновой электростанции работала с КПД около 50 %.
Дальнейшие разработки Солтера направлены на то, чтобы обеспечить утке способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде достаточно гибкой линии. Предполагается, что характерный размер реальной утки будет равен примерно 0,1л, что для 100-метровых атлантических волн соответствует 10 м. Нить из уток протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт.
Наиболее серьезными недостатками для "уток Солтера" оказались следующие:
Необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;
Необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности;
Вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн необходимость отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования;
Затруднения при сборке и монтаже из-за сложность формы поверхности "утки".
Другой вариант волнового преобразователя с качающимся элементом - контурный плот Коккерелла. Его модель также в 1/10 величины испытывалась в том же, что и "утка Солтера", году в проливе Солент вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот - многозвенная система из шарнирно соединенных секций (рис.11). Как и "утка", он устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль.
Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1 / 100 показали, что его эффективность составляет около 45 %. Это ниже, чем у "утки" Солтера (но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным). Изготовление таких плотов не потребует создания новых промышленных предприятий и позволит поднять занятость в судостроительной промышленности.
Преобразователи, использующие энергию колеблющегося водяного столба
При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Поток может регулироваться так, чтобы проходить через турбину в одном направлении, или может быть использована турбина Уэлса. Уже известны по крайней мере два примера коммерческого использования устройств на этом принципе - сигнальные буи, внедренные в Японии Масудой (рис. 12) и в Великобритании сотрудниками Королевского университета Белфаста. Более крупное и впервые включенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия) фирмой Kvaernor Brug A/S. Основной принцип действия колеблющегося столба показан на рис.13. В Тофтестоллене он используется в 500-киловаттной установке, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, национальная электрическая лаборатория (NEL) Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне. Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредственного воздействия соленой морской воды.
Подводные устройства
Преимущества подводных устройств состоят в том, что эти устройства позволяют избежать штормового воздействия на преобразователи. Однако при их использовании увеличиваются трудности, связанные с извлечением энергии и обслуживанием.
Для примера можно рассмотреть преобразователь типа "бристольский цилиндр", относящийся к группе устройств, работающих под действием скоростного напора в волне. Наполненный воздухом плавучий корпус (цилиндр), имеющий среднюю плотность 0,6-0,8 т/м 3 , закреплен под водой на опорах, установленных на грунте. Цилиндр колеблется в волне, совершая движение по эллиптической траектории и приводя в действие гидравлические насосы, вмонтированные в опоры и преобразующие энергию движения цилиндра. Перекачиваемая ими жидкость может подаваться по трубопроводам на генераторную станцию, единую для нескольких цилиндров. Одно из преимуществ идеи "бристольского цилиндра" то, что после настройки на оптимальную частоту он не отражает энергию других частот, а дает ей возможность распространяться далее, где ее могут поглотить другие преобразователи, например цилиндры с другой частотой.
Передача движения от исполнительного электродвигателя к выходному звену электромеханического модуля может быть обеспечена с помощью различных преобразователей движения (передач), структура и конструктивные особенности которых зависят от типа двигателя, вида перемещения рабочего органа и способа их расположения. Преобразователи движения оказывают существенное влияние на качество работы электромеханической системы в целом.
При проектировании электромеханических модулей тип преобразователя движения выбирают исходя из сложности его конструкции, к.п.д., люфта в передаче, габаритных размеров, массы, свойств самоторможения, жесткости, удобства компоновки, технологичности, стоимости и др.
Назначение и классификация преобразователей движения
Преобразователи движения предназначены для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и рабочего органа. Для преобразования движения используют зубчатые, червячные, цепные, ременные и фрикционные передачи, а также передачи винт-гайка (рис. 4.1). В связи с тем, что угловая скорость вращения электродвигателей, как правило, на много выше скоростей рабочих органов электромеханических модулей, то в преобразователях движения применяются понижающие передачи.
Рис. 4.1. Классификация механических передач
преобразователей движения
Зубчатые передачи
Наиболее распространенными преобразователями движения являются зубчатые передачи – механизмы, передающие или преобразующие движение с помощью зацепления с изменением угловых скоростей и моментов. Такие передачи применяют для преобразования вращательного движения между валами с параллельными (рис. 4.2, а-г ), пересекающимися (рис. 4.2, е-з ) осями, а также для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот (рис. 4.2, д ).
Рис. 4.2. Основные виды зубчатых передач:
а – цилиндрическая с прямыми зубьями; б – цилиндрическая с косыми зубьями; в – цилиндрическая с шевронными зубьями; г – цилиндрическая внутреннего зацепления с прямыми зубьями; д - реечная передача; е – коническая с прямыми зубьями; ж – коническая с тангенциальными зубьями; з – коническая с круговыми зубьями;
Кинематическая схема цилиндрической и конической передач приведены на рис. 4.3. Передаточное соотношение может быть найдено из соотношения числа зубьев входной z 1 и выходной z 2 шестерен
Основными характеристиками механических передач являются мощности на валах и в Вт
, угловые скорости и в с -1
, (или частота вращения и в мин -1
), моменты сил и в , передаточное соотношение и к.п.д. . Выражения, описывающие взаимосвязи основных характеристик зубчатых передач имеют вид 
или и , (4.2)
, (4.3)
Или , (4.4)
или при выделении момента потерь в передаче в виде
. (4.6)
Также следует отметить, что приведение моментов инерции элемента электромеханического модуля, вращающегося со скоростью или поступательно движущегося со скоростью , к скорости может быть выполнено на основании закона сохранения кинетической энергии
или 
(4.7)
в соответствии с выражением
Или , (4.8)
где – масса поступательно движущегося тела; – радиус приведения к валу со скоростью
Для реечной передачи, при преобразовании вращательного движения в поступательное, линейная скорость рейки определится как
, , (4.10)
передаточное соотношение
, , (4.11)
где – диаметр шестерни в мм .
Передаточное соотношение реечной передачи может находиться в диапазоне 10…200 м -1 . К.п.д. цилиндрических передач составляет 0,95…0,99.
На рис. 4.4 приведена схема планетарной передачи. Планетарными называют зубчатые передачи, в которых геометрическая ось хотя бы одной шестерни подвижна. Основными элементами планетарной передачи являются:
Солнечная шестерня 1 (находится в центре);
Водило 2 , жёстко фиксирующее друг относительно друга оси нескольких планетарных шестерён одинакового размера 3 (сателлитов), находящихся в зацеплении с солнечной шестерней;
Кольцевая шестерня 4 (эпицикл), имеющая внутреннее зацепление с планетарными шестернями.
При использовании планетарной передачи в качестве редуктора один из трёх её основных элементов фиксируется неподвижно, другой элемент используется как ведущий, а третий – в качестве ведомого.
В случае, когда водило 2 зафиксировано (), а мощность подводится через солнечную шестерню 1 , планетарные шестерни 3 будут вращаться на месте со скоростью, определяемой отношением числа их зубьев относительно солнечной шестерни
Вращение планетарных шестерён 3 передается кольцевой шестерне 4 . Если кольцевая шестерня имеет зубьев, то она будет вращаться со скоростью
В итоге, если водило заблокировано, то общее передаточное отношение системы будет равно
В случае, если закреплена кольцевая шестерня (), а мощность подводится к водилу, то передаточное отношение на солнечную шестерню будет больше единицы и составит
Наиболее широкое применение планетарные передачи нашли в автомобильных дифференциалах и в суммирующих звеньях кинематических схем металлорежущих станков. В современных устройствах могут использоваться каскады из нескольких планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел. На этом принципе работают многие автоматические коробки передач автомобилей.
Достоинствами планетарных передач по сравнению с обычными цилиндрическими или коническими передачами являются меньшие габариты и масса. Недостатками – повышенная точность изготовления, большее число подшипников качения.
Для получения больших передаточных чисел (до 90000) применяют волновые передачи (см. рис. 4.5). Волновая передача состоит из жесткого неподвижного элемента – зубчатого колеса 1
с внутренними зубьями, неподвижного относительно корпуса передачи; гибкого элемента – тонкостенного упругого зубчатого колеса с наружными зубьями 2
, соединенного с выходным валом; генератора волн – кулачка 3
, эксцентрика или другого механизма, растягивающего гибкий элемент до образования в двух (или более) точках пар зацепления с неподвижным элементом. Число зубьев гибкого колеса несколько меньше числа зубьев неподвижного элемента.
Принцип работы волновой зубчатой передачи проиллюстрирован на рис. 4.6. Например, при числе зубьев гибкого колеса 200, а неподвижного элемента – 202 и двухволновой передаче (два выступа на генераторе волн) при вращении генератора по часовой стрелке первый зуб гибкого колеса будет входить в первую впадину жёсткого, второй во вторую и т.д. до двухсотого зуба и двухсотой впадины. На следующем обороте первый зуб гибкого колеса войдёт в двести первую впадину, второй – в двести вторую, а третий – в первую впадину жёсткого колеса. Таким образом, за один полный оборот генератора волн гибкое колесо сместится относительно жёсткого всего на 2 зуба.
Передаточное соотношение волновой передачи от вала генератора волн к валу гибкого колеса равно
где , – соответственно число зубьев жесткого и гибкого зубчатых колес.
Основной недостаток таких редукторов – низкий к.п.д. (не более 70…80%), а также высокие требования к точности изготовления и свойствам применяемых материалов.
Червячная передача
Червячная передача – это механизм для передачи вращения между перекрещивающимися (как правило, взаимно перпендикулярными) валами. При вращении червяка 1
(рис. 4.7) его витки плавно входят в зацепление с зубьями колеса 2
и приводят последнее во вращение.
Ведущее звено червячной передачи – червяк, а ведомое – червячное колесо. Отличительной особенностью червячной передачи является наличие эффекта самостопорения, т.е. невозможности обратной передачи мощности от колеса к червяку.
Передаточное число червячной передачи зависит от числа заходов червяка :
| свыше | |||
и числа зубьев колеса
Основным недостатком червячных передач является низкий к.п.д. – 70…80%. По этой причине их применяют для передачи небольших и средних мощностей, как правило, до 50 кВт, реже – до 200 кВт.
Передачи с гибкой связью
Передачи с гибкой связью предназначены для передачи вращательного движения и преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. К передачам с гибкой связью относят ременную, цепную и тросовую.
Ременные передачи
Механизм для передачи вращения при помощи гибкого элемента (ремня) за счёт сил трения (для зубчатых ремней – сил зацепления) называется ременной передачей. Ременная передача (см. рис. 4.8) состоит из ведущего 1 и ведомого 2 шкивов и надетого на них ремня 3 . В состав механизма могут также входить натяжное устройство 4 и ограждение (на рис. 4.8 не показано).
Передаточное отношение определяется отношением диаметров ведомого и ведущего шкивов и, как правило, с учетом упругого скольжения ремня по шкивам
, (4.16)
которое обычно принимают на уровне .
К.п.д. ременной передачи составляет 90…95%
Основными достоинствами являются: возможность работы с высокими скоростями, плавность и малошумность работы, простота конструкции и низкая стоимость. Недостатками ременной передачи являются: значительные силы, действующие на валы и опоры, непостоянство передаточного отношения, малый срок службы ремней.
Цепная передача
Цепная передача (рис. 4.9) – это механизм для передачи вращения между параллельными валами при помощи жестко закрепленных на валах зубчатых колес-звездочек, через которые перекинута замкнутая приводная цепь.
Передаточное отношение цепной передачи определяется отношением числа зубъев ведомой и ведущей звездочек
Средняя скорость цепи определяется по зависимости
где р – шаг цепи, мм .
Цепные передачи универсальны, просты и экономичны. По сравнению с зубчатыми передачами они менее чувствительны к неточностям расположения валов, ударным нагрузкам, допускают практически неограниченные межцентровые расстояния, обеспечивают более простую компоновку. В сравнении с ремёнными передачами они характеризуются следующими достоинствами: отсутствие предварительного натяжения и связанных с ним дополнительных нагрузок на валы и подшипники; передача большой мощности, как при высоких, так и при низких скоростях; сохранение удовлетворительной работоспособности при высоких и низких температурах; приспособление к любым изменениям конструкции удалением или добавлением звеньев.
К недостаткам цепных передач следует отнести: неравномерность хода, возрастающая по мере уменьшения числа зубьев звёздочек и увеличения шага звеньев; повышенный шум и износ цепи при неправильном выборе конструкции, небрежном монтаже и плохом уходе; необходимость в смазке и устранении провисания холостой ветви по мере износа цепи.
Тросовая передача
В тросовой передаче преобразование вращательного движения в поступательное и наоборот между звеньями (ведущим 1
и ведомым 2
) осуществляют при помощи троса 3
(рис. 4.10). Тросы изготавливают из стальной проволоки (обычно оцинкованной).
При работе тросовой передачи отдельные проволоки троса подвергаются растяжению, изгибу, кручению и смятию. Из условия ограничения напряжения изгиба в тросе минимальный диаметр шкивов находят по условию
, (4.19)
А ) и винт-гайка качения (рис. 4.11, б ). Основными элементами передачи являются: винт 1 и гайка 2 .
В паре скольжения для повышения к.п.д. уменьшением потерь на трение между этими элементами помещаются стальные шарики 3
. При вращении винта (гайки) шарики благодаря трению перекатываются по винтовым поверхностям винта и гайки и передают вращение от винта к гайке, или от гайки к винту. Скорость перемещения шариков отличается от скорости винта и гайки, поэтому с целью обеспечения непрерывной циркуляции шариков концы рабочей части резьбы соединяют возвратным каналом.
Передаточное соотношение передачи винт-гайка определится как, м -1 :
, , (4.21)
откуда линейную скорость винта (гайки) можно рассчитать по зависимости
, (4.22)
где р – шаг резьбы, мм ; к – число заходов резьбы.
В промышленно изготавливаемых передачах винт-гайка передаточное число составляет 300…2000 .
К.п.д. передачи винт-гайка качения составляет 0,85…0,95, а винт-гайка скольжения – 0,25…0,6.
Достоинством передачи является высокая точность перемещений, малая металлоемкость. Недостатком – низкий к.п.д. в передачах скольжения и сложность изготовления передач качения.
1. Сформулируйте определение для преобразователей движения. Какие механические передачи преобразователей движения Вы знаете? Назовите основные характеристики механических передач.
2. Вспомните основные достоинства и недостатки всех известных Вам механических передач.
3. Перечислите основные виды зубчатых передач. Поясните принцип действия планетарной передачи.
4. В чем заключается эффект самостопорения червячной передачи?
Волны окружают нас везде, так как мы живем в мире движений и звуков. Какова природа волнового процесса, в чем суть теории волновых процессов? Рассмотрим это на примере опытов.
Понятие о волнах в физике
Общим понятием для многих процессов является наличие звучания. По определению звука, он является результатом быстрых колебательных движений, которые создаются воздухом или другой средой, воспринимающимися нашими слуховыми органами. Зная это определение, можно перейти к рассмотрению понятия «волновой процесс». Существует ряд опытов, которые позволяют наглядно рассмотреть это явление.
Изучаемые волновые процессы в физике, могут наблюдаться в виде радиоволн, звуковых, волн сжатия при использовании голосовых связок. Они распространяются по воздуху.
Для визуального определения понятия в лужу бросают камень и характеризуют распространение эффектов. Это пример Она возникает вследствие поднятия и опускания жидкости.
Акустика
Изучению свойства звука в физике посвящен целый раздел, который называется «Акустика». Разберемся, что же он характеризует. Сосредоточим внимание на явлениях и процессах, в которых еще не все ясно, на проблемах, которые ещё только ждут своего решения.
У акустики, как и у других разделов физики, ещё много неразгаданных тайн. Их ещё предстоит открыть. Займемся рассмотрением волнового процесса в акустике.
Звук
Это понятие связано с наличием которые производятся частицами среды. Звук - это ряд колебательных процессов, связанный с возникновением волн. В процессе образования в среде сжатий и разряжений и возникает волновой процесс.
Показатели длины волн зависят от характера среды, где имеют место колебательные процессы. Практически все явления, которые происходят в природе, связаны с наличием звуковых колебаний и звуковых волн, которые распространяются в среде.
Примеры определения волнового процесса в природе
Эти движения могут информировать о явлении волнового процесса. Высокочастотные звуковые волны могут распространяться на тысячи километров, например, если происходит извержение вулкана.
При землетрясении идут сильные акустические и геоакустические колебания, которые можно зарегистрировать специальными звуковыми приёмниками.
При подводном землетрясении имеет место интересное и страшное явление - цунами, которое представляет собой огромную волну, возникшую при мощном подземном или подводном проявлениях стихии.
Благодаря акустике можно получить информацию о том, что приближается цунами. Многие из таких явлений известны издавна. Но до сих пор некоторые понятия физики требуют тщательного изучения. Поэтому для исследования загадок, которые ещё не раскрыты, приходят на помощь именно звуковые волны.
Теория тектоники
В XVIII веке родилась «гипотеза катастроф». В то время не были связаны понятия «стихия» и «закономерность». Тогда обнаружили, что возраст дна мирового океана намного младше, чем суша, и эта поверхность постоянно обновляется.
Именно в это время, благодаря новому взгляду на землю, безумная гипотеза переросла в теорию «Тектоники литосферных плит», которая утверждает, что земная мантия движется, а твердь - плывет. Такой процесс подобен движению вечного ледохода.
Для понимания описанного процесса важно освободиться от стереотипов и привычных взглядов, осознать другие виды бытия.
Дальнейшие достижения науки
Геологическая жизнь на земле имеет свое время и состояние материи. Науке удалось воссоздать подобие. На дне океана происходит непрерывное движение, при котором возникают разрывы и образования рифтовых хребтов, когда новое вещество из глубин земли поднимается на поверхность и постепенно остывает.
В это время на суше происходят процессы, когда на поверхности земной мантии плавают колоссальные плиты литосферы - верхней каменной оболочки земли, которая несет на себе материки и морское дно.
Число таких плит насчитывает около десяти. Мантия неспокойна, поэтому литосферные плиты начинают двигаться. В лабораторных условиях этот процесс имеет вид изящного опыта.
В природе это грозит геологической катастрофой - землетрясением. Причиной являются глобальные процессы конвекции, которые происходят в глубинах земли. Результатом бурления будут цунами.
Япония
Среди других сейсмически опасных районов земли Япония занимает особенной место, эту цепь островов называют «огненным поясом».
Пристально следя за дыханием земной тверди, можно предсказать грозящую катастрофу. Для изучения колебательных процессов в толщу земли внедрили сверхглубокую буровую. Она проникла на глубину 12 км и позволила ученым сделать выводы о наличии внутри земли определенных пород.
Скорость электромагнитной волны изучают на уроках физики в 9 классе. Показывают опыт с грузиками, расположенными на равном расстоянии друг от друга. Они связаны одинаковыми пружинками обычного вида.
Если сместить первый грузик вправо на определенное расстояние, второй некоторое время остается в прежнем положении, но пружинка уже начинает сжиматься.
Определение понятия «волна»
Поскольку произошёл такой процесс, возникла сила упругости, которая будет толкать второй грузик. Он получит ускорение, через некоторое время наберет скорость, сместится в этом направлении и сожмет пружинку между вторым и третьим грузиком. В свою очередь, третий получит ускорение, начнет разгоняться, сместится и повлияет на четвертую пружинку. И так процесс будет происходить на всех элементах системы.
При этом смещение второго груза по времени будет происходить позже, чем первого. Следствие всегда запаздывает по отношению к причине.
Также смещение второго груза повлечет за собой смещение третьего. Данный процесс имеет тенденцию распространяться вправо.
Если первый груз начал колебаться по гармоническому закону, тогда этот процесс распространится и на второй грузик, но с запоздалой реакцией. Следовательно, если заставить колебаться первый груз, можно получить колебание, которое распространится в пространстве с течением времени. Это и есть определение волны.
Разновидности волн
Представим вещество, которое состоит из атомов, они:
- обладают массой - как предложенные в опыте грузики;
- соединяются друг с другом, образуя твердое тело путем химических связей (как рассмотренные в опыте с пружинкой).
Отсюда следует, что вещество является системой, напоминающей модель из опыта. В нем может распространяться Этот процесс связан с возникновением сил упругости. Такие волны часто называют «упругими».
Существует два типа упругих волн. Для их определения можно взять длинную пружину, закрепить её с одной стороны и растянуть вправо. Так можно увидеть, что направление распространения волны - вдоль пружины. Частицы среды смещаются в том же самом направлении.
В такой волне характер направления колебания частиц совпадает с направлением распространения волны. Данное понятие называется «продольная волна».
Если растянуть пружинку и дать ей время прийти в состояние покоя, а потом резко изменить положение в вертикальном направлении, будет видно, что волна распространяется вдоль пружины и многократно отражается.
Но направление колебания частиц теперь вертикальное, а распространение волны - горизонтальное. Это поперечная волна. Она может существовать только в твердых телах.
Скорость электромагнитной волны разного вида отличается. Этим свойством успешно пользуются сейсмологи, чтобы определить расстояние до очагов землетрясения.
Когда распространяется волна, отмечается колебание частиц вдоль или поперек, но это не сопровождается переносом вещества, а только движением. Так указано в учебнике "Физики" 9 класс.
Характеристика волнового уравнения
Волновое уравнение в физической науке - разновидность линейного гиперболического дифференциального уравнения. Оно используются также для других областей, которые охватывает теоретическая одно из уравнений, которые применяет для расчетов математическая физика. В частности, описываются гравитационные волны. Применяются для описания процессов:
- в акустике, как правило, линейного типа;
- в электродинамике.
Волновые процессы отображаются в вычислении для многомерного случая однородного волнового уравнения.
Отличие между волной и колебанием
Замечательные открытия следуют из размышлений над заурядным явлением. Галилей за эталон времени брал биение своего сердца. Так было открыто постоянство процесса колебаний маятника - одно из основных положений механики. Оно абсолютно лишь для математического маятника - идеальной колебательной системы, которая характеризуется:
Для выведения системы из равновесия необходимо условие возникновения колебания. При этом сообщается определенная энергия. Разным колебательным системам требуются различные виды энергии.
Колебанием называется процесс, который характеризуется постоянным повторением движений или состояний системы в определенные периоды времени. Наглядной демонстрацией колебательного процесса является пример качающегося маятника.
Колебательные и волновые процессы наблюдаются почти во всех природных явлениях.
Волна имеет функцию возмущать или изменять состояния среды, распространяемое в пространстве и несущее энергию без необходимости переносить вещество. Это отличительное свойство волновых процессов, они в физике изучаются давно. При исследованиях можно выделить длину волны.
Звуковые волны могут существовать во всех сферах, их нет только в вакууме. Особыми свойствами обладают электромагнитные волны. Они могут существовать везде, даже в вакууме.
Энергия волны зависит от её амплитуды. Круговая волна, распространяясь от источника, рассеивает энергию в пространстве, поэтому её амплитуда быстро уменьшается.
Интересными свойствами обладает линейная волна. Её энергия не рассеивается в пространстве, поэтому амплитуда таких волн убывает только за счет силы трения.
Направление распространения волн изображается лучами - линиями, которые перпендикулярны к фронту волны.
Угол между падающим лучом и нормалью - это Между нормалью и отраженным лучом - угол отражения. Равенство этих углов сохраняется при любом положении преграды относительно волнового фронта.
При встрече волн, движущихся в противоположных направлениях, может образовываться стоячая волна.
Итоги
Частицы среды между соседними узлами стоячей волны колеблются в одинаковой фазе. Таковы параметры волнового процесса, зафиксированные в волновых уравнениях. При встрече волн могут наблюдаться как увеличения, так и уменьшения их амплитуд.
Зная основные характеристики волнового процесса, можно определить амплитуду результирующей волны в данной точке. Установим, в какой фазе придет в эту точку волна от первого и второго источника. Причем фазы противоположны.
Если разность хода - нечетное число полуволн, амплитуда результирующей волны в этой точке будет минимальная. Если разность хода равна нулю или целому числу длины волн, в точке встречи будет наблюдаться увеличение амплитуды результирующей волны. Это при сложении волн от двух источников.
Частота электромагнитных волн фиксируется в современной технике. Приёмное устройство должно регистрировать слабые электромагнитные волны. Если поставить отражатель, в приёмник попадет больше энергии волн. Систему отражателей устанавливают так, чтобы она создавала максимальный сигнал на приёмном устройстве.
Характеристики волнового процесса лежат в основе современных представлений о природе света и строении материи. Таким образом, при изучении их по учебнику физики 9 класса можно успешно научиться решать задачи из области механики.
В этой главе мы будем обсуждать новое явление - волны. О волнах часто и много говорится в физике, и мы наше внимание должны сконцентрировать на этом вопросе не только потому, что собираемся рассмотреть частный пример волн - звук, - но и потому, что волновые процессы имеют и другие многочисленные применения во всех областях физики.
Изучая гармонический осциллятор, мы уже отмечали, что существуют примеры как механических колеблющихся систем, так и электрических. Волны тесно связаны с колебательными системами, однако волновое движение есть не только колебание в данном месте, зависящее от времени, но и движение в пространстве.
Мы уже на самом деле изучали волны. Когда мы говорили о волновых свойствах света, мы обращали особое внимание на пространственную интерференцию волн одной и той же частоты от различных источников, расположенных в разных местах. Существуют еще два важных явления, о которых мы не упоминали и которые свойственны как свету, т. е. электромагнитным волнам, так и любой другой форме волнового движения. Первое из них - это явление интерференции, но уже не в пространстве, а во времени. Когда мы слушаем звуки сразу от двух источников, причем частоты их слегка отличаются, к нам приходят то гребни обеих волн, то гребень одной волны и впадина другой (фиг. 47.1). Звук то усиливается, то ослабевает, возникают биения, или, другими словами, происходит интерференция во времени. Второе явление - это волновое движение в замкнутом объеме, когда волны отражаются то от одной, то от другой стенки.
Фиг. 47.1. Интерференция звука во времени от двух источников с несколько отличающимися частотами приводит к биениям.
Все эти эффекты можно было, конечно, рассмотреть и на примере электромагнитных волн. Мы этого не сделали по той причине, что на одном примере мы не почувствовали бы общего характера явления, свойственного самым разным процессам. Чтобы подчеркнуть общность понятия волн вне рамок электродинамики, мы рассмотрим здесь другой пример - звуковые волны.
Есть еще пример - морские волны, набегающие на берег, или мелкая водяная рябь. Кроме того, существуют два рода упругих волн в твердых телах: волны сжатия (или продольные волны), в которых частицы тела колеблются вперед и назад в направлении распространения волны (звуковые колебания в газе именно такого типа), и поперечные волны, когда частицы тела колеблются перпендикулярно направлению движения волны. При землетрясениях в результате движения участка земной коры возникают упругие волны обоих типов.
И, наконец, есть еще один тип волн, который нам дает современная физика. Это волны, определяющие амплитуду вероятности нахождения частицы в данном месте, - «волны материи», о которых мы уже говорили. Их частота пропорциональна энергии, а волновое число пропорционально импульсу. Эти волны встречаются в квантовой механике.
В этой главе мы будем рассматривать только такие волны, скорость которых не зависит от длины волны. Пример таких волн - распространение света в вакууме. Скорость света в этом случае одна и та же для радиоволн, для синего и зеленого света и вообще для света любой длины волны. Именно поэтому, когда мы описывали волновые явления, мы сначала и не заметили самого факта распространения волн. Вместо этого мы говорили, что если перенести заряд в некоторую точку, то электрическое поле на расстоянии будет пропорционально ускорению заряда, но не в момент времени , а в более ранний момент времени . Поэтому распределение электрического поля в пространстве в некоторый момент времени, изображенное на фиг. 47.2, спустя время передвинется на расстояние . Выражаясь математически, можно сказать, что в рассматриваемом нами одномерном случае электрическое поле есть функция от . Отсюда видно, что при оно оказывается функцией только . Если взять более поздний момент времени и несколько увеличить мы получим ту же самую величину поля. Например, если максимум поля возникает при и в момент времени , то положение максимума в момент времени находится из равенства
Мы видим, что такая функция отвечает распространению волны.
Итак, функция описывает волну. Мы можем все сказанное записать кратко так:
если . Конечно, существует еще и другая возможность, когда источник излучает волны не направо, как указано на фиг. 47.2, а налево, так что волны будут двигаться в сторону отрицательных . Тогда распространение волны описывалось бы функцией .
Фиг. 47.2. Примерное распределение электрического поля в некоторый момент времени (а) и электрическое поле через промежуток времени (b).
Может еще случиться, что в пространстве одновременно движется несколько волн, и тогда электрическое поле есть сумма всех полей и все они распространяются независимо. Это свойство электрических полей можно выразить так: пусть отвечает одной волне, a - другой, тогда их сумма также описывает некоторую волну. Это утверждение называется принципом суперпозиции. Он справедлив и для звуковых волн.
Мы хорошо знаем, что звуки воспринимаются в той последовательности, в какой они создаются источником. А если бы высокие частоты распространялись быстрее, чем низкие, то вместо звуков музыки мы слышали бы резкий и отрывистый шум. Точно так же если бы красный свет двигался быстрее, чем синий, то вспышка белого света выглядела бы сначала красной, затем белой и наконец синей. Мы хорошо знаем, что такого на самом деле не происходит. И звук, и свет движутся в воздухе со скоростью, почти не зависящей от частоты. Примеры волнового движения, где этот принцип не выполняется, будут рассмотрены в гл. 48.
Для света (электромагнитных волн) мы получили формулу, определяющую электрическое поле в данной точке, которое возникает при ускорении заряда. Казалось бы, нам остается теперь подобным образом определить какую-нибудь характеристику воздуха, скажем давление на заданном расстоянии от источника через движение источника, и учесть запаздывание при распространении звука.
В случае света такой подход был приемлем, так как все наши знания сводились к тому, что заряд в одном месте действует с некоторой силой на заряд в другом месте. Подробности распространения взаимодействия из одной точки в другую были абсолютно несущественны. Но звук, как известно, распространяется по воздуху от источника к уху, и естественно спросить, чему равно давление воздуха в каждый данный момент. Кроме того, хотелось бы знать, как именно движется воздух.
В случае электричества мы могли поверить в правило, поскольку законы электричества мы еще не проходили, но для звука это не так. Нам недостаточно сформулировать закон, определяющий распространение звукового давления в воздухе; этот процесс должен быть объяснен на основе законов механики. Короче, звук есть часть механики, и он должен быть объяснен с помощью законов Ньютона. Распространение звука из одной точки в другую есть просто следствие механики и свойств газов, если звук распространяется в газе, или свойств жидкостей и твердых тел, если звук проходит через эти среды. Позднее мы выведем также свойства света и его волновое движение из законов электродинамики.
Волновая энергетика – отрасль энергетики связанная с получением энергии из морских волн. Полученная энергия может использоваться для опреснения воды, перекачки воды и для производства электроэнергии.
Первый патент устройства, для получения энергии из морских волн был выдан в 1799 году в Париже. Там же в 1910 году было построено первое устройство захвата энергии волн.
Особое внимание волновая энергетика получила во время нефтяного кризиса 1973 года. Разработками новых устройств занимались ученые из Норвежского технологического института, Бристольского университета и университета Ланкастера.
После того, как цены на нефть стабилизировались, финансирование исследований сократилось.
Первая экспериментальная волновая электростанция была построена в Португалии, она имеет мощность около 2 МВт.
Основными элементами электростанции являются три преобразователя Pelamis P-750, которые под действием волн изгибаются. Специальные поршни подают масло в гидравлические двигатели, которые приводят в движение электрогенераторы.
В дальнейшем планируется расширение электростанции за счет постройки новых преобразователей.
По оценкам ученых общий потенциал волновой энергетики во всем мире около 2 ТВт. Самыми перспективными считаются: западное побережье Европы, Австралия, Новая Зеландия, северное побережье Великобритании. А также некоторые побережья в северной и южной Америке.
Проблемы, которые может вызвать использование энергии волн, находятся на стадии изучения. Волновая энергетика может оказать негативное влияние на местную флору и фауну. Так же волновые преобразователи вызывают шум, что может негативно сказаться на ловле рыбы.
Для производства электроэнергии волн используются различные преобразователи, вот некоторые из них:
Тихоокеанский Северо-западный Кооператив финансирует строительства волнового парка в штате Орегон на основе буев. Колебания буя от волн передаются на специальный генератор. Электричество передается с помощью подводной линии передачи. Буи предназначены для установки на расстоянии 8 миль от берега .
В Финляндии построена волновая электростанция с преобразователями WaveRoller. Они представляют собой небольшие плоты с якорем. Под действием волн они раскачиваются передавая энергию на поршневой насос.
В Дании в 2003 году построена электростанция с преобразователями типа Dragon . Они представляют собой искусственные водохранилища посреди океана, расположенные выше уровня воды. Возвращаясь под действием силы тяжести, вода проходит через гидротурбины.
В настоящее время волновая энергетика развивается некоторыми странами.
