МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ТУРОЧАКСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА ИМЕНИ ГЕРОЯ СОВЕТСКОГО СОЮЗА ЯКОВА ИЛЛАРИОНОВИЧА БАЛЯЕВА"

Научный проект

Пневматика в быту

                                                                                                         Автор: Тадыкин С.А.,

Ученик 11 «Б» класса.,

Консультант: Шевченко А.В.

с. Турочак

2021 год.

Паспорт

• Название проекта: Пневматика в быту
• Руководитель: Шевченко А.В.
• Учебный предмет: Физика
• Идея проекта: Не многие люди знают, где и как применяется пневматика
• Автор: Тадыкин Самир Аржанович
• Тип проекта: Научная работа
• Цель проекта: Рассказать о применении пневматики в жизни общества и человека в частности
• Задача проекта: Сбор справочного материала и проведение ознакомительных предприятий
• Необходимое оборудование: Персональный компьютер (+ клавиатура, мышь),  интернет, канцелярия
• Аннотация: Сие произведение поведает вам об одной из интереснейших отраслей физики: пневматике, а также о ее истории и особенностях.
• Этапы проект   1) Теория и понятия

                                  2) История и примеры

                                  3) Перспективы

                                  4) Превосходство пневматики над аналогами

                                  5) Недостатки пневматики

                                  6) Вывод…

• Литература к ознакомлению: Левин В. И. Профессии сжатого воздуха и вакуума, Шунков В.Н. Газовое и пневматическое оружие,

Трактат Герона Пневматика.                            

Данный «Научный проект» имеет лишь научно популярный характер, и создан лишь с целью ознакомления с данной темой

_________________1) Теория и понятия ________________________

Пневматика (от греч πνεῦμα — дыхание, дуновение, дух) — раздел физики изучающий равновесие и движение газов, а также посвящённый механизмам и устройствам, использующим разность давления газа для своей работы. Технически пневматика близка к гидравлике^[1].

Пневматические механизмы широко используются в промышленности. Подобно сети электроснабжения, на предприятиях устанавливают централизованную систему распределения сжатого воздуха или другого газа.

Обычно пневматические устройства используют поршни и клапаны для управления потоками газа (воздуха), но есть целая ветвь устройств, использующих особенности течения струй газа и жидкости в каналах определенной формы. Такие струйные устройства вообще не имеют подвижных деталей, отличаются дешевизной изготовления и высокой стойкостью к температуре и радиации.

__________________2) История и примеры______________________

Одним из первых устройств, использующих сжатый воздух, являются кузнечные мехи с ручным приводом (Приложение «1»), которые появились более чем за 3000 лет до н. э.

В I веке до н. э. греческий математик и механик Герон Александрийский (Приложение «2») в трактате «Пневматика» описал механизмы, приводимые в движение нагретым или сжатым воздухом (Приложение «3»). Живший в Александрии примерно в одно время с Героном древнегреческий изобретатель и математик Ктезибий изобрёл поршневой насос и музыкальную машину, прообраз современного органа (Приложение «4», «5»).

В 1760 году в Англии был разработан поршневой компрессор^[2]: цилиндрические мехи (Приложение «6»), обеспечивающий давление сжатого воздуха в 0,2 МПа^[3].

На данный момент одной из наиболее перспективных технологий, можно считать пневматические мышцы: (Приложение «7») устройства, сжимающиеся или растягивающиеся под действием воздушного давления. Представляют собой герметичную оболочку в кожухе плетеном из нерастяжимых нитей. Так же, как и человеческие мышцы, ВМ^[4] обычно используют парами: один сгибатель и один разгибатель. Также стоит выделить иные, более распространенные примеры: различные низкотемпературные машины (детандеры, компрессоры и т.п.) пневматическое оружие (Приложение «8»), дыхательные аппараты, Вакуумный аппарат пожарных насосов. 

Так же менее популярная технология на данный момент, но достойная упоминания: Паровой двигатель (Приложение «9») это тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала.

Ну а сейчас по подробнее о примерах…

Пневматическое оружие.

Пневматическое оружие: разновидность оружия, в котором снаряд вылетает под воздействием газов.    

По принципу действия делится на:

• Духовая трубка: снаряд запускается при помощи легких стрелка.

Наибольшую популярность приобрела в регионах где древесина непригодна для создания лука^[5]. Основным предназначением является охота с применением яда

• Пружинно-поршневая пневматика: запуск снаряда производится при помощи пружины-поршня, в свою очередь так же делится, на:

• газопружинная пневматика, в которой используется газовая пружина^[6] . Наиболее распространенным пример является «переломка» (Приложение «10»).
• электропневматическое оружие («приводы»): пружина взводится при помощи электро-моторчика и аккумулятора в качестве источника энергии. Наибольшую популярность приобрели у спортсменов («Страйкбол»)  

• Газобаллонная пневматика: снаряд запускается при помощи сжатого газа. В свою очередь так же делится на типы:

• С отъемным резервуаром;
• С неотъемным, пополняемым резервуаром.

Стоит отметить то, что газобаллонная пневматика в корне отличается по принципу действия от остальных примеров, но в тоже время является наиболее древней за исключением духовой трубки.

        Паровой двигатель.

Как и ранее сказано. Паровой двигатель — это тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала.

История: Первая 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. 

(Для начала о КПД) КПД теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно^[7]

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако:

•  Двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более.
•  Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД в 30—42 %.
•  Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать КПД в 50—60 %.
•  На ТЭЦ^[8] эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

Я считаю, что пик пневматики как раздела физики еще не достигнут. Многие из разработок и уже более-менее готовые изобретения имеют не малый потенциал. Об этом и этот раздел…

________________________3) Перспективы__________________________

         Пневматика как технология имеет множество направлений:

• Медицина: в данный момент самое первое, что приходит на ум это аппарат ИВЛ^[9]. (Приложение «11») Считаю, что в ближайшем будущем времени человечество сможет, не только поддерживать жизнь в теле, но также давать новые возможности.  В данный момент мы уже можем создавать сложные механизмы, способные заменить родные легкие, но разумеется технология еще сырая и будет только отрабатываться.

• Промышленность и военное дело: я объединил эти сферы жизни, т.к. перспективы схожи. Я говорю о механических увеличениях физических способностей человека это экзоскелет (Приложение «12»): устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей, а также для передачи нагрузки при переносе груза через внешний каркас в опорную площадку стопы экзоскелета.  А именно, те самые искусственные мышцы, на данный момент единственной проблемой считается: управление.

        ___________4) Превосходство пневматики над аналогами______________

На данный момент по мимо пневматики есть как минимум 2 аналогичные технологии: ранее затронутая гидравлика и электрические системы.

Над гидравликой:

 Экологическая чистота

• Результатом любой утечки из пневматической системы, использующей воздух, будет тот же атмосферный воздух.

 Надёжность

• Пневматические системы обычно имеют долгие сроки службы и требуют меньшего обслуживания, чем гидравлика.

 Хранение

• Сжатый газ можно долго хранить в баллонах, позволяя использовать пневматику без электроэнергии.

 Безопасность

• Меньшая пожароопасность по сравнению с гидравликой на масле.
• Пневматические машины из-за лучшей сжимаемости воздуха лучше защищены от перегрузок, чем гидравлика.

 Технологичность

• Пневматический механизм не требует дополнительного отвода. Отработанный воздух можно выпустить в атмосферу. Компрессор тоже может брать воздух непосредственно из атмосферы.
• Пневматические машины легко разработать на базе обычных цилиндров и поршней.
• Пневматические машины легко изготовить, поскольку пневматика обычно не требует деталей высокой точности.

Удельные показатели

• Пневматическая система легче, чем гидравлика, при таких же давлениях.
• Удельная мощность, передаваемая по одинаковым трубам, у пневматики выше, чем у гидросистем, а потери меньше.
• У пневматических приводов выше скорость, чем у гидравлических.

            Над электрической системой:

Безопасность

• Повреждение электропривода в результате поломки создаёт возможность для искрообразования, что неприемлемо при работе во взрывоопасной или пожароопасной среде. Пневматический привод лишён этого недостатка.

Экономичность

• В пневматической системе, расход топлива меньше чем в электрической.

____________________5) Недостатки пневматики_____________________

Также, как и любая другая технология, пневматика имеет свои недостатки

В сравнении с гидравликой:

 Взрывоопасность

• Высокая взрывоопасность сосудов, наполненных газом под высоким давлением.

В сравнении с электрической системой

  Низкая скорость

• Низкая скорость передачи сигнала в газовой среде.

______________________6) Вывод_____________________________

Подводя итоги моей проектной деятельности можно отметить:

• Пневматика: раздел физики, изучающий возможности газов

• Воздух, как и многие газы: заполняет все пространство вокруг

• Если этот проект не пройдет, то Автор пойдет в армейку

• По сравнению с пневматикой, гидравлика уже не настолько крутая да?

• Ну и пневмомышцы это конечно вещь.