Silniki, telegraf, telefon, radio, telewizja, internet, znaczenie

Omówwienie działania silnika spalinowego (konstrukcji
niemieckiego inżyniera Otta)
W silniku tym wykorzystuje się siłę powstającą w wyniku wybuchu mieszanki
paliwowo-powietrznej (inicjowanym przez iskrę). Siła ta powoduje przemieszczenie się tłoka które to z kolei zamieniane jest na ruch obrotowy.
Poniższy rysunek przedstawia schemat działania takiego silnika:
(1)
(3)
(2)
(4)
(5)
SSANIE
PRACA
SPREZANIE
I ZAPLON
WYDECH
(1) – zawór wlotowy, (2) – świeca zapłonowa, (3) – zawór wylotowy, (4) – tłok,
(5) – korbowód
Cykl pracy silnika spalinowego składa się z czterech etapów. Podczas pierwszego następuje zassanie mieszanki paliwa i powietrza (itwarty zawór wlotowy).
Następnym etapem jest sprężenie mieszanki paliwowo-powietrznej do wysokiego
ciśnienia (obydwa zawory są wówczas zamknięte). W momencie maksymalnego
sprężenia następuje, powodowany iskrą świecy zapłonowej, zapłon i wybuch mieszanki, co powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia i silnik wykonuje pracę (tłok
przesuwa się w dół, oba zawory są zamknięte). Po wykonaniu pracy następuje
otwarcie zaworu wylotowego i przemieszczający się w górę tłok wypycha gazy
spalinowe i silnik powraca do położenia w którym następuje otwarcie zaworu
wlotowego i ssanie.
Jak widać cykl działania silnika składa się z 4 etapów, ale tylko w jednym z
nich wykonywana jest praca, dlatego najczęściej stosuje się silniki 4 cylindrowe
(zapewnia to płynność działania, ponieważ zawksze w którymś cylindrze jest
wykonywana praca)
2
Omówwienie działania silnika elektrycznego
Silnik elektryczny wykorzystuje fakt występowania siły elektrodynamicznej, czyli
działającej na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym. Gdy
rozważany przewodnik nawinięty jest np. na prostokątną ramkę, to siła elektrodynamiczna powoduje jej obrót. Jedynym problemem natury inżyniersko-technicznej
jest to jak zasilać obracającą się ramkę, oraz jak zmieniać kierunek prądu (aby
silnik obracał się w jedną stronę). Problem ten rozwiązuje się np. umieszczając tzw. komutator do którego dociskane są doprowadzajce prąd do uzwojeń,
szczotki.
Schemat silnika prądu stałego przedstawia poniższy rysunek:
Jak widać ramka podłączona jest z komutatorem do którego poprzez szczotki
dostarczane jest zasilanie.
Zaletą silnika elektrycznego jest jego bardzo duża sprawność dochodząca do
90% (silniki spalinowe mają sprawność około 50%).
3
Omówienie działania silnika parowego
Silnik parowy jest jednym z przykładów silnika cieplnego, czyli urządzenia zamieniającego energię wewnętrzną na pracę mechaniczną.
Pomijając wszelkie aspekty techniczne budowę silnika parowego da się przedstawić na poniższym rysunku:
turbina
KOCIOL
para wodna, wysokie
cisnienie i temperatura
woda
dostarczanie ciepla (ZR. CIEPLA)
pompa
odbior ciepla
(CHLODNICA)
Opis: Podgrzewamy wodę a potem parę wodną w kotle do wysokiej temperatury
i ciśnienia. Para ta rozprężając się na łopatkach turbiny wykonuje pracę, po czym
ulega sklopleniu w chłodnicy i jako woda jest przepompowywana do kotła.
Analizując działanie np. silnika parowego można dostrzec następujące prawidłowości:
• aby silnik pracował w sposób ciągły to zachodzące w nim procesy muszą
mieć charakter cykliczny (stan początkowy układu musi być odtwarzany)
• w każdym silniku musi istnieć źródło ciepła i chłodnica,
• tylko część energii wewnętrznej zamieniana jest na pracę, reszta zostaje
oddana do chłodnicy,
4
Telegraf
Działanie telegrafu, mimo iż jest on dzisiaj nieużywany jest istotne, ponieważ na
podobnej zasadzie działają inne środki przekazu informacji, a ponadto jest ono
szalenie proste. Schemat telegrafu przedstawia poniższy rysunek:
wiadomosc
(np. telegram)
kodowanie
wiadomosci
alf. Morsa
zamiana alf.
Morsa na imp.
elektryczne
przesyl imp.
elektrycznych
do odbiorcy
zamiana imp.
elektrycznych
na alf. Morsa
dekodowanie
wiadomosci
Przesyłanie sygnału elektrycznego może odbywać się za pomocą drutów telegraficznych; w poźniejszym czasie używano do tego celu fal radiowych.
Telefon
Działanie telefonu polega na przesłaniu mowy za pomocą kabla albo fal elektromagnetycznych. W odróżnieniu od telegrafu przesyłanie informacji odbywa sie w
obie strony i przedstawione jest to na poniższym schemacie:
zamiana fali
dzwiekowej na
s..elektr.i odwr
modulator i
multiplexer
linia
transmisyjna
demodulator
i demultiplex
zamiana syng.
elektrycznego
na fale i odwr.
Linia transmisyjna może być tu szalenie skomplikowana bo obejmuje zarówno
centrale jak i przekaźniki telefonii komórkowej.
W przypadku transmisji cyfrowej dodaktowym elementem toru jest przetwornik
analogowo-cyfrowy i cyfrowo-analogowy.
Radio i telewizja
W obu przypadkach mamy do czynienia z jednokierunkowym przekazem dźwięku
lub obrazu i dźwięku. Schemat przesyłu sygnału przedstawiony jest na rysunku:
studio radiowe
lub telewizyjne
modulator i
nadajnik
linia
transmisyjna
odbiornik i
demodulator
wzmacniacz
ekran i glosnik
W studio telewizyjnym rozproszona fala świetlna i fala akustyczna zostają zamienione na sygnał elektryczny, który przed wysłaniem musi być odpowiednio
przygotowany (modulacja). Tor transmisyjny to albo fala w powietrzu, albo
napięcie w przewodniku. Po dotarciu do odbiornika trzeba sygnał zdemodulować
zamieniając go potem na obraz i dźwięk.
5
Internet
W odróżnieniu od poprzednich sposobów przekazu informacji w internecie mamy
do czynienia jedynie z sygnałem cyfrowym. Internet jest to układ połączonych ze
sobą komputerów w ten sposób aby awaria jednego nie powodowała zakłócen w
działaniu całej sieci. Strukturę komunikacji sieciowej opisuje standard OSI (Open
Systems Interconnection) zakładający istnienie 7 warstw:
1. Warstwa fizyczna, np. IEEE 802.3 określa strukturę kabla sieciowego
2. Warstwa łącza danych, np. PPP określa sposób działania modemu
3. Warstwa sieciowa, np. IPv4 czy IPv6 określające drogę sygnału
4. Warstwa transportu, np. TCP busuje strumień danych
5. Warstwa sesji, synchronizuje dane
6. Warstwa prezentacji, tłumacząca dane
7. Warstwa aplikacji,
Poszczególne warstwy komunikują się w systemie klient-serwer.
Interesującym jest też np. to że nawet wysyłając e-maila dosiebie ze swojego
komputera dane przebywają najpierw całą drogę w dół (od aplikacji do fizycznej)
a potem z powrotem w drugą stronę.
Znaczenie najważniejszych odkryć dla rozwoju nauki o przemysłu
Pomimo wielości i rożnorodności odkryć naukowych niektóre z nich mają o wiele
większe znaczenie niż pozostałe (nawet gdy nie są jakoś wyrafinowane naukowo).
Są one swoistymi „kamieniami milowymi” za którymi otwiera się kolejna „nowa
era”
Pomijając cały dorobek z czasów wcześniejszych takimi momentami przełomowymi dla fizyki są:
• działalność Galileusza, jego odkrycia astronomiczne ale przede wszystkim to
że jako pierwszy zaczął stosować metodę naukową w opisie przyrody
• odkrycie Kopernika „ustawiające” Ziemie i Słońce na „właściwych” miejscach
i uświadamiące nam że nie jesteśmy w centrum.
• sformułowanie rachunku różniczkowego i mechaniki klasycznej (NewtonLiebnitz i inni)
6
• wynalezienie silników dzięki którym nie jesteśmy zdani jedynie na swoje
mięśnie doprowadza do rewolucji wprzemyśle
• wprowadzenie elektryczności „pod strzechy” dzięki prostej w budowie i efektywnej prądnicy prądu zmiennego
• odkrycie jądra atomowego (przede wszystkim jego rozmiaru) i reakcji jądrowych oraz wykorzystanie energi jądrowej
• sformułowanie mechaniki kwantowej opisującej przyrodę w skali mikro i
przewidującej zjawiska dzięki którym możliwa jest konstrukcja większoci
współczesnych urządzeń
Historyczny kontekst wielkich odkryć naukowych
Mądre przysłowie mówi, że „potrzeba jest matką wynalazków” i ilekroć pojawiało
się jakieś zapotrzebowanie to pojawiały się nowe odkrycia. Niestety wielu przypadkach tą potrzebą były działania wojenne; w tym kontekście należy wymienić
choćby odkrycia: radaru, maszyn liczących, prochu czy bomb jądrowych i termojądrowych. Również i trwająca po II wojnie światowej zimna wojna spowodowała
wiele ważnych odkryć, szczególnie w zakresie poznawania układu słonecznego
(np. loty na Księżyc).
Dyskusyjną dzisiaj sprawą jest pytanie: czy globalizacja ma pozytywny wpływ na
odkrycia naukowe. Dostępność informacji i możliwość wykorzystywania pomysłów
ludzi na całym świecie to oczywiście pozytywne aspekty tego zjawiska, ale
doprowadziło ono także do pewnej jednorodności myślenia, co korzystnym się
być nie wydaje.
7