Transcript stiahni prezentáciu

Ako veci fungujú
a prečo niekedy nefungujú
RNDr. Martin Plesch, PhD.
Masarykova univerzita, Brno
Program






Jadrová bomba a jadrová elektráreň
Vlaky a električky
Vrtuľník
Chladnička
Vesmírny skafander
Gule
Jadrové reakcie

Atóm sa skladá z jadra a obalu


Jadro sa skladá z protónov a neutrónov


Elektrónový obal je 100000 krát väčší ako jadro
V jadre ich je približne rovnako veľa
V jadre pôsobia základné sily



Gravitačná
Elektromagnetická
Silná
Jadro

Gravitačná sila je zanedbateľná


Elektromag. sila pôsobí medzi protónmi



Hmotnosť častíc je malá
Spôsobuje ich odpudzovanie
Dosiahne ďaleko, aj krížom cez jadro
Silná sila pôsobí na protóny aj neutóny


Chová sa ako lepidlo, pôsobí na susedné častice
Pôsobenie je veľmi silné
Veľkosť jadra

Malé jadrá držia dobre pokope

Optimum pri cca 16 častíc
Pri veľkých jadrách stúpa
elektromagnetické odpudzovanie, ale krajný
protón je prilepený stále rovnako silno
 Pri obrovských jadrách stačí málo
(kopnutie okolo letiacou
časticou) a rozpadnú sa

Jadrová bomba

Dáme dokopy dostatok vhodne veľkých a
nestabilných jadier




Napríklad plutónium, urán (viď. Irán)
Obalíme to konvenčnou bombou, ktorá to
pri zapálení stlačí a zhreje
Niektoré jadrá sa rozpadnú
Ich úlomky (častice)
rozbíjajú ďalšie jadrá
Ničivé účinky

Uvoľní sa veľa energie



Tlaková vlna zem zmetie
Teplo zem vypáli
Zostatky z bomby sú tvorené aj atómami,
ktoré majú málo stabilné jadrá


Jadrá sa postupne rozpadajú
Okolie je rádioaktívne zamorené
Vodíková bomba



Ďalší level
Najskôr vybuchne malá jadrová bomba
Prvá časť spustí spájanie malých jadier


Niekoľko guličiek drží lepšie ako dve – tri
Má ničivejšie účinky v pomere k hmotnosti


Vodík je ľahký
Účinnosť rozpadu uránu je vyššia
Jadrová elektráreň



Chceme energiu získavať postupne
Nechceme pritom zamoriť okolie
Musíme udržať rozpad jadier pod
kontrolou


Toto je veľmi ťažké
Zlyhanie kontroly rýchlosti jadrovej reakcie
znamená katastrofu (Černobyľ)
Kontrolovaná reakcia


Jadrové palivo musí byť čisté a z vopred
známeho, presne definovaného zloženia
Pri rozpade jadra sa uvoľňujú neutróny



Neutróny sú veľmi rýchle a zväčša „utečú“
mimo paliva skôr, ako stihnú rozbiť ďalšie jadro
Ak ich vhodne spomalíme (grafit), zvýšime
šance na úspešný zásah
Požadovaný pomer je 1 rozpad = 1 zásah
Regulácia


V reaktore sa striedajú tyče paliva (uránu) a
tyče moderátora (grafitu)
Ak tyče grafitu vytiahneme, neutróny sa
nespomaľujú a reakcia spomaľuje



Zasunutie tyčí podporuje reakciu
Tyče sú obtekané chladiacou vodou
Celé je to zabalené v olove a betóne

Aby žiarenie zostalo vnútri
Výroba elektriny



Voda chladiaca reaktor je rádioaktívna
Odovzdá teplo vo výmenníku „čistej“ vode
Ďalej ako v tepelnej elektrárni



Vysokotlakové, stredno- a nízkotlakové turbíny
Chladenie a kondenzácia kvapaliny
Výkon jadrovej reakcie sa dá meniť len
pomaly  elektrárne zabezpečujú základný
výkon do siete
Vlaky – trochu histórie

Už konské železnice mali vozne brzdené



Prvé lokomotívy brzdili len na svojich
kolesách


Skúste zabrzdiť vozík, ktorý ťaháte za sebou
Je to náročnejšie ako ho rozbehnúť
Vagóny mohli mať vlastného brzdára
Neskôr sa zaviedla brzda na celú vlakovú
súpravu
Čeľusťové brzdy
Kotúčové brzdy
Trochu teórie





Maximálna trecia sila je F  f . F g  f .m . g
f je koeficient trenia koleso – koľajnica
Maximálne spomalenie
F
f .m . g
a

 f .g
Násobok g
m
m
Závisí len od f, ktoré je malé z princípu



Hladké koľajnice a kolesá znižujú trenie
Obruč kolesa je extra tvrdá kvôli výdrži
f<0,1 pre mokrý povrch
Vlaky vs. električky

Vlakom pomalé brzdenie (až tak) nevadí



Zabezpečená trať
Tiahle zákruty, dobre prehľadné
Električka je v mestskej premávke



Nebezpečenstvo náhlej zmeny dopravnej
situácie
Jazda zo strmšieho kopca
Predpisy požadujú a>2,75 ms-1
Čo s tým?

Zvýšiť prítlak na koľajnicu




Vírivé prúdy v koľajniciach
Špeciálne brzdné systémy


Zvýši sa efektívna hmotnosť vozu
Tým sa zvýši brzdná sila aj spomalenie
Zubačka
Využitie odporu vzduchu
Elektromagnet medzi nápravami
Riešenie pre vlak
Ako to funguje

Variant 1



Elektromagnet sa dotýka koľajnice a vytvára
priame trenie
Jednoduché, opotrebenie koľajníc a magnetov
Variant 2


Elektromagnet len zvyšuje prítlak kolies
Dá sa použiť aj pre rozbeh či brzdenie motorom
(elektrodynamickou brzdou)
Vírivé prúdy



V kove pohybujúcom sa v magnetickom poli
sa vytvárajú vírivé prúdy
Vplyvom odporu zanikajú a tým brzdia
pohyb
Aj koľajnica je kov



Stačí nad ňou vytvárať vhodné MG pole
Energia zostáva v koľajnici
Treba vysoké rýchlosti (ICE vlaky v Nemecku)
Vrtuľník

Prečo má vôbec dve vrtule?
Analýza síl

Točiaca sa vrtuľa má veľký odpor vzduchu



Na to ju tam máme
Ťahá vrtuľník nie len hore, ale ho aj roztáča
v protismere vlastného točenia
Druhá vrtuľa na chvoste pôsobí proti
tomutu otáčaniu
Analýza síl
Tretia vrtuľa?



Zadná vrtuľa sa tiež otáča, vrtuľník je
tlačený do protipohybu
Podľa smeru otáčania zadnej vrtule ju to
dvíha buď hore, alebo dole
Tento pohyb je kompenzovaný správnou
voľbou ťažiska

Okrem iného
Chinook
Dve vrtule inak



Obe vrtule sú vodorovné a dvíhajú vrtuľník
Otáčajú sa proti sebe
Vzniká iba sekundárny moment síl



Momenty síl sa kompenzujú, ale nepôsobia na
jednom mieste
Vrtuľník má tendenciu sa otáčať okolo vlastnej
osi
Je kompenzovaný nakláňaním lopatiek
Manévrovanie


Základná konfigurácia umožňuje letieť,
stúpať, klesať, otáčať sa
Pohyb vpred a vbok zabezpečuje naklonenie
vrtuľníka


Na jeho dosiahnutie potrebujeme mať možnosť
nakláňať lopatky vrtúľ, prípadne celé vrtule
Na bojových strojoch sa niekedy montujú
špeciálne motory na pohyb vpred
Chladenie a klimatizácia

Teplo sa dá vyrábať z čistej energie


Chlad sa nedá vyrobiť, treba odčerpať teplo



Elektrina, plyn, uhlie...
Na to znova treba energiu
O to viacej tepla treba čerpať
Historicky sa využíval rozdiel teplôt v lete a
v zime

Zásoby ľadu v ladárňach
Expanzia plynu


Stavová rovnica pV=NkT
Pri zmenšení tlaku narastá objem, alebo
klesá teplota, alebo oboje



Opačne, pri stlačení plynu klesá objem a stúpa
teplota
Stlačím plyn, oteplí sa, ochladím ho vonku,
prenesiem dnu, nechám expandovať
Reálne je to oveľa zložitejšie
Fázový diagram
Vyparovanie a kondenzácia

Využitie výparného tepla


Teplo potrebné na vyparenie látky
Oveľa (rádovo) viac tepla na objem





Stlačím plyn, oteplí sa
Ochladím ho, skondenzuje na kvapalinu
Kvapalinu prenesiem
Nechám je odpariť, ochladí sa
Plyn zoberiem von
Technologické obmedzenia

Chladiace médium



Transport chladu na dlhé vzdialenosti
(klimatizácie) problematický



Vysoké teplo odparovania, vhodné tlaky a
teploty pre kvapalnú a plynnú fázu
Dlho sa používali freóny, stále sú najlepšie
Používa sa studená voda
Problematická regulácia
Kompresor je vždy hlučný
Alternatívne prístupy

Kondenzačná chladnička




Kompresor je nahradený ohrievacím prvkom
Neefektívne, tiché, pracuje aj na plyn
Hotelové chladničky, plynové chladničky
Peltierov jav



Ak tečie prúd cez rozhranie dvoch kovov, jednu
časť zahrieva a druhú chladí
Neefektívne, jednoduché, blbuvzdorné
Použitie: autochladničky, chladiče procesorov
Skafander do vesmíru

Potrebujeme zabezpečiť






Tlak
Dýchanie
Teplo a chlad
Ochrana pred žiarením
Ľudské potreby 
Ak čokoľvek zlyhá, ide o život
 komplikovaný systém
Vzduch




V skafandri je stále rovnaký vzduch
Kyslík sa dodáva z kyslíkovej fľaše
Oxid uhličitý sa absorbuje na absorbéri
Voda sa extrahuje v kondenzačnom systéme
Teplo a chlad

Spodné prádlo je vybavené sústavou rúrok,
v ktorých prúdi kvapalina



Chladí alebo ohrieva kozmonauta
Ohrev je zabezpečený elektrinou z batérie
Chlad je zabezpečený odparovaním časti
skondenzovanej vody
Ochrana pred radiáciou


Materiál skafandra zabraňuje prestupu
vysokoenergetickej radiácie
Okuliare, resp. štít sú viacvrstvové a
špeciálne upravené
Ľudské potreby


Špeciálna forma plienok
Malá potreba sa zachytáva, filtruje a ďalej
používa ako iná voda


Zväčša až na domovskej stanici
Veľkú potrebu musí vydržať
Výstup do vesmíru
Gule


Čo sa stane, ak o seba udieram dve veľké,
ťažké, tvrdé oceľové gule?
A čo sa stane, keď dám medzi ne papier?




Mokrý papier?
Alobal?
Papier s alobalom?
Prst?
Gule






Vzduch v papieri nestíha uniknúť, stláča sa
Pri stlačení sa prudko ohrieva
Papier sa môže zapáliť
V mokrom papieri urobí dieru unikajúca
voda
Alobal nemá v sebe vzduch ani vodu
Pri kombinácii alobalu a papiera alobal horí