Napęd (fizyka)

Napęd jest w technologii napędów (również jako siły napędowej ;) i związane z tym kwestie takie jak biomechaniki siła , która służy lokomocji. Siła reakcji siły napędowej w pojazdach z. B. przez koła, u istot żywych przez kończyny, takie jak skrzydła lub płetwy , przenoszone do środowiska. Napęd jest możliwy tylko poprzez odrzut w próżni.

Do wytworzenia napędu potrzebne jest zwykle źródło energii, przetwornik energii i element do przenoszenia mocy. Prostszymi przykładami są bezpośrednie wykorzystanie siły grawitacji lub siły wiatru do napędu.

Pojazdy lądowe

Pojazdy drogowe

Pojazdy samochodowe są narażone na różne opory , które muszą być kompensowane przez napęd: Na przykład opór powietrza The gradientu odporność przyspieszenie odporność lub opór toczenia kół. Te straty tarcia wewnątrz pojazdu, pomiędzy silnikiem napędowym a napędzanym kół dodaje się do zwiększenia wydajności maszyny napędowej (oporów tarcia łożyska, silnika i przekładni rezystancji ), a pojazd jest podzielony na dysku i stronie napędzanej , przy czym tylko to ostatnie uważa się tutaj.

Opór powietrza można obliczyć z:

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {WL}} = {\ Frac {\ rho} {2}} \, c_ {w} \, A \, v ^ {2}}$

${\ displaystyle \ rho}$: Gęstość powietrza , 1,4 ... 1,2 kg / m³ (−20 ° C do +30 ° C)

${\ displaystyle c_ {w}}$: Współczynnik oporu

${\ displaystyle A}$: Twarz

${\ displaystyle v}$: Prędkość zbliżania

Opór powietrza rośnie wraz z kwadratem prędkości.

• ${\ displaystyle c_ {w}}$wynosi 0,6 dla kabrioletu i około 0,25 dla nowoczesnego samochodu, stary VW Beetle miał 0,42, 0,7 dla ciężarówki z platformą i 1,1 dla naczepy.
• Powierzchnia czołowa wynosi ok. 2 m² dla samochodów osobowych, 10 m² dla ciężarówki (4 m × 2,55 m według StVO), dla pojazdów szynowych około 10–15 m² (norma europejska: 4,30 m × 3,25 m maksymalnie ).
• Opór toczenia jest obliczany ze współczynnika oporu toczenia c _Ro wynoszącego 0,001 dla kolei i około 0,006-0,015 dla opon samochodowych na asfalcie, wynosi około 1% dla pojazdów szynowych i samochodów, ale zwykle osiąga 3-5% na złych drogach i znacznie więcej dla pojazdów użytkowych.

Inne opory to odporność na pokonywanie zakrętów i wodoodporność w mokrych warunkach, które są zależne od prędkości (patrz aquaplaning ) i inne.

Ogółem opór pojazdu wynosi około 14% dla 40-tonowej ciężarówki przegubowej załadowanej z prędkością 80 km / h, a rozładowanej - 31%.

Napęd, który umożliwia ruch, jest zwykle przenoszony przez koła lub gąsienice , co można osiągnąć tylko poprzez poślizg . Zbyt duży poślizg ma negatywny wpływ na stabilność jazdy. Dlatego nowoczesne pojazdy mają systemy sterowania, które ograniczają napęd.

W przypadku pojazdów , które biją rekordy , wymagana moc nie może już być przenoszona na drogę, a napęd musi być wtedy generowany przez silniki odrzutowe. Inne możliwości generowania napędu to zwierzęta pociągowe, siła mięśni lub waga .

Pojazdy szynowe

Całkowity opór gruntu jest jednak dość istotny w pojazdach szynowych ze sztywną osią, bez układu kierowniczego i niskim tarciem statycznym stali o stal podczas pokonywania zakrętów (odporność na łuk lub na krzywiznę). Oba opory częściowe są całkowicie niezależne od prędkości, ale proporcjonalne do masy pojazdu. Kolejnym oporem jest opór tonu.

Opór gruntu jest spowodowany tarciem tocznym i kierownicą i składa się z oporu tarcia między obręczą koła a torem oraz oporu toczenia ( opór odkształcenia kół lub szyny). ${\ displaystyle c _ {\ mathrm {re}}}$ ${\ displaystyle c _ {\ mathrm {Ro}}}$

W sumie opór pojazdu wynosi około 4% dla pociągu towarowego 1800 t (czteroosiowego) przy 80 km / h.

W pociągach z lewitacją magnetyczną nie ma oporu toczenia. Napęd jest generowany przez silniki liniowe iw porównaniu z układem koło-szyna nie jest ograniczony przez połączenie cierne. Pozwala to na większe nachylenia. Inną możliwością pokonywania stromych wzniesień jest kształtowe połączenie koła zębatego z listwą zębatą na torach zębatych .

Przyspieszenie i wydajność

Gdy przyspieszenie pojazdu, nie tylko masa ale również obrotowe części (silnik, skrzynię biegów, koła), muszą być brane pod uwagę. Masowe momenty bezwładności obracających się części są redukowane do osi napędowej. Rezultatem jest obrotowa siła oporu:

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {czerwony}} = {\ Frac {\ Theta _ {\ mathrm {czerwony}}} {r ^ {2}}} a}$

${\ displaystyle \ Theta _ {\ mathrm {czerwony}}}$: Moment bezwładności wszystkich obracających się części na osi napędu jest zredukowany

${\ displaystyle r}$: Promień koła

Siła ta jest częścią wewnętrznego oporu pojazdu i dlatego nie jest już dostępna do przyspieszenia pojazdu.

Całkowita siła wymagana do przyspieszenia wynika ze składowej postępowej i obrotowej:

${\ Displaystyle F_ {B} = \ lewo ({\ Frac {\ Theta _ {\ mathrm {czerwony}}} {r ^ {2}}} + m \ prawo) \ cdot a}$

${\ displaystyle a}$: Przyspieszenie

${\ displaystyle m}$: Wymiary

Moc wymagana do wyników prędkości od sumy wszystkich oporów : ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle F _ {\ mathrm {W}}}$

${\ displaystyle P = F _ {\ mathrm {W}} \ cdot v}$

Moc zależy od prędkości w trzeciej potęgi, ponieważ opór powietrza rośnie z kwadratem prędkości. Dlatego maksymalna prędkość zależy tak bardzo od mocy napędu, a zdolność przyspieszania również gwałtownie spada wraz z kwadratem prędkości.

Samolot

W lotnictwie ważny jest tylko opór powietrza (z wyjątkiem startu i lądowania). Podczas lotu kierunek ruchu i siła napędowa są na ogół w jednej linii, a ponieważ prędkość przepływu zależy głównie od prędkości lotu, również opór na kadłubie. Opór powietrza można podzielić na opór formy, opór bardziej pasożytniczy i opór wywołany siłą nośną. Opracowano wiele różnych układów napędowych samolotów , aby generować niezbędny napęd .

Lżejszy od powietrza

• W najprostszym przypadku balonu nie ma siły napędowej, wypór jest generowany przez przemieszczenie (wypór statyczny) : balon porusza się wszędzie tam, gdzie wieje wiatr i tak szybko, jak wieje wiatr (zakładając stabilny prąd), ruch nad ziemią występuje tylko poprzez ruch medium.
• W sterowcu pływalność jest również generowana przez korpus wypornościowy. Dla małych prędkości opór powietrza jest obliczany zgodnie z liniowym prawem oporu , czyli jest proporcjonalny do prędkości. Opór powietrza sterowca jest mniej zależny od powierzchni jego ramy (czoła), ale raczej od jego objętości , tj . Od stosunku długości do średnicy. Uwzględniono optymalne wartości . Napęd jest generowany przez śmigła, które można obracać, aby poprawić manewrowość.${\ displaystyle V}$${\ displaystyle l / d \ około 4 {,} 5}$
  

Cięższe niż powietrze

Siły na skrzydle w locie szybowcowym

Podczas lotu na skrzydłach decydującym czynnikiem jest dynamiczna siła nośna generowana przez skrzydła . Opór przyłożony do skrzydła to całkowity opór samolotu. Aby odnieść opór kadłuba do skrzydła, wyznaczając równowagę sił, wprowadza się obszar szkodliwy , czyli obszar kwadratowej płyty (o wartości c _W równej 1,2) o takim samym oporze jak części niepływające statku powietrznego i należy sobie wyobrazić, że jest zamontowany w punkcie nacisku profilu. Ta wartość jest po prostu dodawana do skrzydeł.

• W przypadku szybowców w ślizgu stacjonarnym ustala się równowagę między oporem powietrza a składową ciężaru w kierunku lotu, która zapewnia napęd.
• W statkach powietrznych z napędem śmigłowym położenie odpowiada lotowi szybowcowi z dodatkową mocą napędową. Na skrzydłach śmigła zachodzi ten sam fizyczny proces, co na skrzydłach, tylko tutaj uniesienie skrzydeł stanowi napęd ( siłę skręcania ).

Siły w samolocie

• Z odrzutu napędu, siła napędowa jest nazywany oporowe .
  Krótko przed dotarciem do bariery dźwiękowej współczynnik oporu powietrza gwałtownie rośnie, ale ponownie spada w locie naddźwiękowym . W tych obszarach indeks Macha ( prędkość przez prędkość dźwięku ) jest ważnym parametrem. C _w -wartość wzrasta czasami wielu wartości i zbliża się ponownie do wartości stabilnego, który jest zbliżony do wartości poddźwiękowego.${\ Displaystyle Ma = v / c}$${\ displaystyle Ma \ do 1}$${\ displaystyle Ma> 2}$

Statek kosmiczny

Opór powietrza jest najniższy, gdy rakieta ma kształt wydłużonego trójkąta, ponieważ „jeździ” po strumieniu spalin (który również rozszerza się w bok) i nie ma oporu ssania z tyłu. Wszechmocne skrzydła służą zwykle tylko jako stabilizatory lotu , które zapobiegają obracaniu się pocisku wokół jego osi podłużnej lub rozpoczynaniu wirowania .

Napęd generowany jest przez silniki rakietowe przeznaczone do pracy w próżni .

Paliwo stanowi dużą część masy pocisku, dlatego nie można go uznać za stałą. Obowiązuje podstawowe równanie dotyczące rakiety :

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {V}} = F _ {\ mathrm {P}} = v _ {\ mathrm {s}} \ cdot {\ Frac {\ mathrm {d} m} {\ mathrm {d} t} }}$

v _s : prędkość odrzutowa silnika

W przypadku sond kosmicznych z. B. w programie Voyager do przyspieszania wykorzystuje się grawitację innych ciał niebieskich (tzw. „ Swing-by ”), gdyż paliwo na pokładzie nie byłoby wystarczające do takich misji.

Jednostki pływające

• Podczas pływania napęd zależy od stylu pływania : najszybszym stylem jest pełzanie .
• Łodzie z napędem mięśniowym używają wiosła lub pasów do przenoszenia mocy do wody. Na tratwach również kołki do odepchnięcia się od ziemi.
• W promach odchylających się energia płynącej wody jest wykorzystywana do napędu.
• Parowce łopatkowe są napędzane przez koła łopatkowe. Obecnie są one używane głównie w celach turystycznych.
• Dziedzina napędu łodzi i statków nazywana jest "napędem".

literatura

• Karl-Heinrich Grote, Jörg Feldhusen (Hrsg.): Dubbel - miękka okładka dla inżynierii mechanicznej . , Springer, Berlin, różne wydania, obecnie: wydanie 22, 2007, ISBN 978-3-540-49714-1
• Manfred Mitschke: Dynamika pojazdów silnikowych . Springer, Berlin 1972, 1982, ISBN 3-540-05207-0 , 2004, ISBN 978-3-540-42011-8
• Dietrich Wende: Dynamika jazdy. Transpress, Berlin 1983, 1990, ISBN 3-344-00363-1
• H. Oertel (red.): Prandtl przewodnik po mechanice płynów. Podstawy i zjawiska . Vieweg, 2002 (wydanie 11), ISBN 3-528-48209-5

Indywidualne dowody

1. ^ Automotive miękka . Wydanie 22. Springer, 1998, ISBN 978-3-662-22073-3 ( ograniczony podgląd w wyszukiwarce książek Google).  
2. ↑ ^{a b} Dubbel, rozdz. Odporność pojazdów
3. ↑ ^{a b} Rainer Rauschenberg: Potencjał ograniczenia skutków zewnętrznych sektora transportu poprzez zdecentralizowany i zautomatyzowany kolejowy transport towarowy . Rozprawa doktorska, Wydział Ekonomii, Uniwersytet Goethego, Frankfurt nad Menem; zwłaszcza rozdz. 4: Techniczne zmienne wpływające ( dokument internetowy ), ogółem 27 listopada 2007
4. ↑ ^{a b} Mitschke, 1972, s. 39 i nast. - za Rauschenberg
5. ↑ Reif (red.): Systemy stabilizacji jazdy i systemy wspomagające kierowcę . Wydanie 1. Springer, 2010, ISBN 978-3-8348-1314-5 ( ograniczony podgląd w wyszukiwarce książek Google). 
6. ^ Wende, 1983, s. 36ff - za Rauschenberg
7. ↑ Dubbel, wydanie 7, s. 272, ryc.69