Матовый двигатель что такое
Скорость света ближе, чем казалось: ученые создали первый пузырь Алькубьерре
Еще одна технология из Star Trek оказалась больше наукой, чем фантастикой. Ученые под финансированием DARPA создали так называемую «warp bubble» — область пространства, способную расширяться или уменьшаться быстрее скорости света. Об этом сообщает бывший специалист НАСА по варп-двигателям Гарольд Уайт. Это первый настоящий «пузырь варп-движения», созданный в лаборатории. Который, как минимум, подтверждает, что такое возможно. И, по словам Уайта, устанавливает новую перспективу для тех, кто захочет создать первый космический корабль, способный к деформации.
Чтобы быть ясным, наше открытие — не аналог варп-пузыря, это настоящий, хотя и скромный и крошечный, варп-пузырь. Поэтому это так важно.
Теоретические двигатели быстрее скорости света
Доктор Гарольд «Сонни» Уайт
В 1994 году мексиканский математик Мигель Алькубьерре предложил первое математически правильное уравнение для варп-двигателя. Вдохновленный перелетами в Star Trek, он в общих чертах обрисовал двигательную установку космического корабля, которая может перемещаться по космосу быстрее скорости света без нарушения законов физики.
Это решение хвалили за элегантную математику, но одновременно высмеивали за использование «науки из сериала» и траты многих лет работы впустую над решением, которое казалось невозможным на практике.
Десять лет спустя теория Алькубьерре претерпела серьезные изменения, когда доктор Уайт, работавший тогда в НАСА, переработал исходную метрику Алькубьерре и привел ее в каноническую форму. Это изменение в дизайне двигателя резко сократило требования к экзотическим материалам и снизило необходимые затраты энергии. Тогда исследователи и поклонники научной фантастики получили проблеск надежды на то, что реальный варп-двигатель может однажды стать реальностью. Работа Уайта также привела к неофициальному переименованию первоначального теоретического проекта: теперь концепцию чаще называют «Варп-двигатель Алькубьерре/Уайта».
С тех пор многие физики и инженеры предпринимали попытки разработать жизнеспособный варп-двигатель, включая целую группу международных исследователей, работающих над двигателем варпа, не требующего никакой странной материи. Однако, как и Алькубьерре и Уайт до них, их концепции до сих пор оставались полностью теоретическими. Но теперь, похоже, ситуация изменилась.
Время — всё. Особенно на скорости света
Часто говорят, что время решает все. Поэтому неудивительно, что когда доктор Уайт начал свое последнее исследование, финансируемое DARPA, он и не думал о создании варп-пузыря. Ученые занимались исследованием геометрии пустот Казимира (наноскопической структуры, возникающей в результате эффекта, заставляющего две металлические пластины притягиваться в вакууме).
Не вдаваясь глубоко в сложную физику, лежащую в основе пустот Казимира и странных квантовых сил, наблюдаемых в этих структурах, достаточно сказать, что они никоим образом не связаны с механикой варп-двигателя. По крайней мере, так думали раньше. Но, по словам Уайта, они с его командой в LSI очень увлечены этой работой, а по мнению DARPA она имеет ряд возможных применений, выходящих далеко за рамки даже текущей находки.
Первый варп-пузырь
В итоге один из немногих ученых с интересом к варп-пузырям и пониманием уравнений Алькубьерре оказался в нужное время и в нужном месте. И заметил поразительное сходство между его текущим проектом и теоретическим микроскопическим двигателем, способным перемещаться быстрее скорости света.
Проверка учеными и подтверждение пузыря Алькубьерре
Фактические результаты, опубликованные после проверки в European Physical Journal, говорят:
При проведении анализа, связанного с проектом, финансируемым DARPA, по оценке возможной структуры плотности энергии, присутствующей в полости Казимира, как это предсказано динамической моделью вакуума, была обнаружена наноразмерная структура, которая предсказывает распределение плотности отрицательной энергии, которое близко соответствует требованиям метрики Алькубьерре.
Или, проще говоря, как говорит Уайт, «Насколько мне известно, это первая статья в рецензируемой литературе, которая говорит о реальной наноструктуре, которая, по прогнозам, будет являться настоящим, хотя и скромным, пузырем деформации».
Это случайное открытие, по словам Уайта, не только подтверждает предсказанную «тороидальную» структуру варп-пузыря и наличие в нем отрицательной энергии, но также дает потенциальный путь другим исследователям, пытающимся спроектировать, а в один прекрасный день и построить настоящий космический корабль, способный на перемещение путем искажения пространства-времени вокруг себя.
«Эта потенциальная структура будет генерировать отрицательное распределение плотности энергии вакуума, которое очень похоже на то, что требуется для деформации пространства Алькубьерре».
Путь вперед
Чтобы оценить возможные перспективы, Уайт и его команда разработали проект тестируемого наномасштабного «корабля с варп-двигателем». Во время его презентации AIAA (крупнейшему в мире аэрокосмическому техническому сообществу) он объяснил:
Мы проанализировали игрушечную модель двигателя, состоящую из сферы диаметром 1 микрон, расположенной в центре цилиндра диаметром 4 микрона. Она показала трехмерную плотность энергии Казимира, которая хорошо коррелирует с требованиями метрик Алькубьерре.
Эта качественная корреляция предполагает, что мы можем проводить эксперименты в масштабе наночипа, чтобы попытаться измерить крошечные сигнатуры. Но пока что мы видим наглядную иллюстрацию реального, хотя и очень скромного по размерам, варп-пузыря деформации.
Уайт развил эту идею в электронном письме в The Debrief:
Мы уже можем предложить сообществу структуру, которая генерирует отрицательное распределение плотности энергии вакуума, очень похожее на то, что требуется для деформации космоса Алькубьерре.
Уайт говорит, что такие мини-двигатели уже можно производить — если использовать 3D-принтер GT, печатающий в нанометровом масштабе. Но в настоящее время ученые продолжают заниматься тем, на что получили финансирование — исследовании свойств полостей Казимира. А постройкой кораблей и масштабированием двигателей для них могут заняться все остальные.
Предложение для следующего эксперимента
Уайт и его команда даже предлагают путь для дальнейших исследований. По их словам, стоит построить эксперимент, включающий несколько созданных пустотами Казимира варп-пузырей, стоящих друг за другом в виде цепочки. По их словам, такая конструкция позволит лучше понять физику структуры варп-пузыря, а также то, сможет ли корабль однажды пересечь реальное пространство внутри такого пузыря.
Уайт на конференции AIAA объяснил:
Мы могли бы провести исследование оптических свойств этих маленьких, наноразмерных пузырей деформации. Если объединить большое количество из них подряд, мы можем намного усилить эффект, чтобы можно было его увидеть и изучить.
Ползти, идти, бежать
Учитывая, что DARPA платит лаборатории LSI Eagleworks за исследование полостей Казимира, а не за случайное открытие пузыря искривления пространства-времени, независимо от его (потенциально) невероятных последствий Уайт и его команда не могут бросить свой текущий проект. Поэтому призывают других ученых попробовать реализовать варп-пузыри и протестировать их свойства. Поскольку DARPA принадлежит Министерству обороны США, публично обнародовать результаты проектов им сложно. Текущий прорыв был достигнут еще в начале лета, а говорить о нем в деталях стало можно только сейчас. И это при том, что исследование полостей Казимира официально не было засекреченным, что и позволило ученым в итоге выйти на публику.
Если DARPA профинансирует работу LSI над космическим кораблем с наноразмерным варп-двигателем, о таком проекте мы можем не услышать еще много лет.
В конце концов, особенно с учетом масштабов этого открытия и его потенциальных последствий, Уайт считает, что создание и испытание его мини-варп-корабля — это лишь вопрос времени. По его мнению, теперь наука будет медленно, но верно продвигаться к этой цели в виде космического корабля, способного к деформации.
Когда его спросили, как быстро протестированный наноразмерный «корабль» может быть масштабирован до чего-то, на чем действительно можно было бы летать в космос, Уайт предложил более реалистичный подход к этому исследованию:
Еще рано задавать вопросы о каких-то реальных летательных экспериментах. На мой взгляд, первый шаг — просто изучить основную науку в нано / микромасштабе. И постепенно пытаться переходить к чему-то более крупному. Сначала мы должны научиться ползать, потом — идти, и только потом — бежать.
Дополнительный разбор того, что становится возможным с варп-двигателем, на Хабре есть тут.
Перевод статьи научного журнала TheDebrief.
Первая презентация варп-пузыря Уайтом на Propulsion Energy Forum доступна на ютубе. Тогда его находка еще не была проверена научным сообществом.
Хотите найти крутую работу? Подключайте телеграм-бот g-mate. Указываете желаемую зарплату, и он выдает вам лучшие вакансии от топовых компаний, и помогает пройти интервью. Для старта не нужно ни резюме, ни портфолио, настройка занимает меньше 30 секунд.
СОДЕРЖАНИЕ
Простой двухполюсный двигатель постоянного тока
На следующем рисунке показан простой двухполюсный щеточный двигатель постоянного тока.
Если вал двигателя постоянного тока вращается под действием внешней силы, двигатель будет действовать как генератор и создавать электродвижущую силу (ЭДС). Во время нормальной работы вращение двигателя создает напряжение, известное как противо-ЭДС (CEMF) или противо-ЭДС, поскольку оно противодействует приложенному напряжению на двигателе. Обратная ЭДС является причиной того, что электродвигатель в режиме холостого хода не имеет такого же низкого электрического сопротивления, как провод, содержащийся в его обмотке. Это та же самая ЭДС, которая возникает, когда двигатель используется в качестве генератора (например, когда электрическая нагрузка, такая как электрическая лампочка, помещается на клеммы двигателя, и вал двигателя приводится в движение внешним крутящим моментом). Следовательно, полное падение напряжения на двигателе состоит из падения напряжения CEMF и паразитного падения напряжения, возникающего из-за внутреннего сопротивления обмоток якоря. Ток через двигатель определяется следующим уравнением:
Механическая мощность, производимая двигателем, определяется по формуле:
п знак равно я ⋅ V cemf <\ displaystyle P = I \ cdot V _ <\ text 
Когда ненагруженный двигатель постоянного тока вращается, он генерирует движущуюся в обратном направлении электродвижущую силу, которая сопротивляется току, приложенному к двигателю. Ток через двигатель падает с увеличением скорости вращения, и у двигателя свободного вращения очень небольшой ток. Только когда к двигателю приложена нагрузка, замедляющая ротор, ток, протекающий через двигатель, увеличивается.
Коммутационный самолет
Компенсация искажения поля статора
В настоящей динамо-машине поле никогда не бывает идеально однородным. Вместо этого, когда ротор вращается, он вызывает эффекты поля, которые перетаскивают и искажают магнитные линии внешнего невращающегося статора.
Чем быстрее вращается ротор, тем больше степень искажения поля. Поскольку динамо-машина наиболее эффективно работает с полем ротора, расположенным под прямым углом к полю статора, необходимо либо замедлить, либо продвинуть положение щетки, чтобы установить поле ротора в правильное положение, чтобы оно находилось под прямым углом к искаженному полю.
Эти полевые эффекты меняются местами, когда направление вращения меняется на противоположное. Поэтому сложно построить эффективную реверсивную коммутируемую динамо-машину, поскольку для максимальной напряженности поля необходимо перемещать щетки на противоположную сторону от нормальной нейтральной плоскости.
Эффект можно рассматривать как нечто похожее на опережение времени в двигателе внутреннего сгорания. Обычно динамо-машина, которая была разработана для работы с определенной фиксированной скоростью, будет иметь свои щетки, постоянно закрепленные для выравнивания поля для максимальной эффективности на этой скорости.
Варианты конструкции двигателя
Двигатели постоянного тока
Щеточные двигатели постоянного тока состоят из роторов с обмоткой и статоров с обмоткой или постоянными магнитами.
Обмотка статоров
Катушки возбуждения традиционно существовали в четырех основных форматах: с раздельным возбуждением (sepex), с последовательной обмоткой, с шунтирующей обмоткой и с комбинацией последних двух; составная рана.
Двигатели с постоянными магнитами
Осевые полевые двигатели
Контроль скорости
Последовательно-параллельный
Это обеспечило три скорости движения с минимальными потерями сопротивления. Для трогания с места и разгона дополнительный контроль обеспечивали сопротивления. Эта система была заменена электронными системами управления.
Ослабление поля
Скорость двигателя постоянного тока можно увеличить за счет ослабления поля. Уменьшение напряженности поля осуществляется путем включения сопротивления последовательно с шунтирующим полем или добавления сопротивлений вокруг последовательно соединенной обмотки возбуждения для уменьшения тока в обмотке возбуждения. При ослаблении поля обратная ЭДС уменьшается, поэтому через обмотку якоря протекает больший ток, и это увеличивает скорость. Ослабление поля используется не само по себе, а в сочетании с другими методами, такими как последовательно-параллельное управление.
Чоппер
Уорд Леонард
Крутящий момент и скорость двигателя постоянного тока
А двигатель постоянного тока «сек скорость и крутящий момент характеристики варьируются в зависимости от трех различных источников намагничивания, независимым возбуждением поля, самовозбуждением поля или постоянного поля, которые используются выборочно для управления двигателем по диапазону механической нагрузки в. Самовозбуждающиеся полевые двигатели могут быть последовательными, шунтирующими или составными, намотанными на якорь.
Основные свойства
Уравнение противо-ЭДС
Противодействующая ЭДС двигателя постоянного тока пропорциональна произведению общей силы магнитного потока машины и скорости якоря:
Уравнение баланса напряжения
Входное напряжение двигателя постоянного тока должно преодолевать противоэдс, а также падение напряжения, создаваемое током якоря на сопротивлении двигателя, то есть совокупное сопротивление между щетками, обмоткой якоря и последовательной обмоткой возбуждения, если таковая имеется:
Уравнение крутящего момента
Крутящий момент двигателя постоянного тока пропорционален произведению тока якоря и общей магнитной индукции машины:
Уравнение скорости
Крутящие и скоростные характеристики
Шунтирующий двигатель
Двигатель с серийной обмоткой
Наиболее примечательной характеристикой двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой является то, что его скорость почти полностью зависит от крутящего момента, необходимого для привода нагрузки. Это подходит для больших инерционных нагрузок, поскольку двигатель разгоняется от максимального крутящего момента, крутящий момент постепенно уменьшается по мере увеличения скорости.
Поскольку скорость серийного двигателя может быть опасно высокой, серийные двигатели часто имеют редуктор или напрямую подключаются к нагрузке.
Двигатель с постоянным магнитом
Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами характеризуется линейной зависимостью между крутящим моментом при остановке, когда крутящий момент максимален при остановленном валу, и скоростью холостого хода без приложенного крутящего момента на валу и максимальной выходной скоростью. Между этими двумя точками оси скорости существует квадратичная зависимость мощности.
Защита
Пускатели двигателей постоянного тока
Противо-ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь. При первом подаче питания на двигатель якорь не вращается. В этот момент противоэдс равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, являются сопротивление и индуктивность якоря. Обычно сопротивление якоря двигателя менее 1 Ом; поэтому ток через якорь при подаче питания будет очень большим. Этот ток может вызвать чрезмерное падение напряжения, влияющее на другое оборудование в цепи, и даже срабатывание устройств защиты от перегрузки.
Следовательно, возникает необходимость в дополнительном сопротивлении, включенном последовательно с якорем, для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не создаст противоэдс. По мере увеличения вращения двигателя сопротивление постепенно снижается.
Реостат с ручным пуском
Когда были впервые разработаны электрические двигатели и двигатели постоянного тока, большая часть оборудования постоянно обслуживалась оператором, обученным управлению системами двигателей. Самые первые системы управления двигателями были почти полностью ручными, с сопутствующим запуском и остановкой двигателей, очисткой оборудования, устранением любых механических неисправностей и т. Д.
Этот стартер включает в себя функцию магнитного удержания без напряжения, которая заставляет реостат пружинить в положение выключения при потере питания, так что двигатель не будет позже пытаться перезапустить в положении полного напряжения. Он также имеет защиту от перегрузки по току, которая переводит рычаг в выключенное положение, если обнаруживается чрезмерный ток сверх установленной величины.
Трехточечный стартер
Входящие силовые провода называются L1 и L2. Как следует из названия, есть только три подключения к пускателю: одно к входящей мощности, одно к якорю и одно к полю. Подключения к якорю называются A1 и A2. Концы катушки возбуждения (возбуждения) называются F1 и F2. Для управления скоростью полевой реостат включен последовательно с шунтирующим полем. Одна сторона линии подключается к рычагу стартера. Рычаг подпружинен, поэтому он вернется в положение «Выкл.», Если не удерживается ни в каком другом положении.
Четырехточечный стартер
Четырехточечный стартер устраняет недостаток трехточечного стартера. В дополнение к тем же трем точкам, которые использовались с трехточечным стартером, другая сторона линии, L1, является четвертой точкой, подводимой к стартеру, когда рычаг перемещается из положения «Выкл.». Катушка удерживающего магнита подключается к линии. Удерживающий магнит и пусковые резисторы работают так же, как и в трехпозиционном пускателе.
Виды и типы двигателей
Приветствуем Вас на нашем сайте уважаемый гость. Сегодня в рубрике «Интересные факты» мы решили рассказать Вам от том, какие виды и типы двигателей изобрело человечество и где они используются.
Итак, двигатели различаются по виду используемой энергии, которую они преобразуют в механическую работу. Также их разделяют на первичные и вторичные, то есть, первые используют природные ресурсы (топливо, энергия ветра и воды, сила гравитации и т. д.). вторые же работают на энергетических ресурсах, накопленных или произведенных другими источниками (электричество, сжатый газ и т. п.).
Первичные виды и типы двигателей
Парус
Одним из старейших типов двигателей, который был изобретен примерно пять с половиной тысяч лет назад, предположительно в древнем Египте, является парус. Он преобразует энергию ветра в поступательное движение. С момента изобретения этого нехитрого, на 1-й взгляд, приспособления, парус претерпел рад изменений и усовершенствований. Из обычного прямоугольного полотна, закрепленного на мачте с помощью рангоута, он эволюционировал в сложные трехмерные формы и изготавливается из современных композитных материалов.
Применяется для придачи движения, в основном, водным судам, но также находит применение и на наземных транспортных средствах, в основном спортивного и развлекательного назначения.
Водяное колесо
Водяное колесо – не менее древний тип двигателя чем предыдущий. По некоторым данным первая мельница с приводом от конструкции в виде колеса, приводимого в движение водой, появились в Иллирии во II веке до нашей эры.
С тех пор сфера использования водяных колес расширялась и охватила такие виды деятельности как: Ирригация (орошение), суковальное дело, изготовление бумаги, кузнечное дело, распиловка, ткацкое производство, получение электричества.
Таким образом, появление этого типа двигателя привело к промышленной революции в Англии в конце XIII столетия. А немного позже во Франции и Германии.
К XVI веку двигатели, работающие на энергии воды, применялись более чем в сорока различных производствах. И только в конце XIX века их стали заменять на паровые машины.
И даже сейчас, в эру цифровой техники, они стоят на службе человечества – именно с помощью гидроэлектростанций получают примерно 24% всей электроэнергии в мире.
Виды и типы двигателей – использование ветра
Еще одним из древнейших типов двигателей является ветряной двигатель, ярким представителем которого стала ветряная мельница. Ее жернова приводятся в действие при помощи огромных крыльев, вращающихся под напором ветра.
Считается, что ветряные мельницы появились в Вавилоне примерно 1750 году до нашей эры. А закат ВМ произошел совсем недавно, в конце XIX столетия с появлением более мощных паровых механизмов.
Однако, и в наши дни, ветер используют для получения электричества. Все большее распространение набирают современные ветрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Во многих странах, в том числе и в России (в Ставропольском крае) строятся огромные поля с «ветряками». Лидируют в области ветроэнергетики США, Великобритания, Канада, Дания, Германия, Китай.
Паровой двигатель
Паровая машина, относится к первичным двигателям внешнего сгорания, который трансформирует давление водяного пара в возвратно-поступательное движение поршня, а в последствии во вращение вала.
Первейшее из известных устройств, которое приводилось в действие с помощью пара, описывается Греческим математиком и механиком Героном Александрийским (Iв. н. э), где пар, вырывающийся из сопел, расположенных на шаре, заставлял его крутиться.
Вам может быть интересно — «Необычный транспорт».
Первой действующей паровой машиной считается установка, построенная физиком из Франции Дени Папеном в XVII столетии. Она представляла собой цилиндр, в котором под давлением пара поднимался поршень, а когда пар сгущался, поршень под силой атмосферного давления воздуха опускался назад.
Российские инженеры тоже не отставали. В 1766г. Иван Ползунов создал механизм, работающий непрерывно под действием пара и представляющий собой два цилиндра с поршнями.
С тех пор началась эпоха паровых двигателей, которые начали использовать повсеместно. На производстве для привода оборудования и станков и в транспорте. С появлением ПД широкое развитие получили железнодорожный и водный транспорт, свет увидел паровозы и пароходы.
И лишь ко второй половине XX в. На смену паровым машинам пришли электродвигатели и ДВС.
Виды и типы двигателей – двигатель внутреннего сгорания
В отличии от двигателей внешнего сгорания в этом типе двигателей топливная смесь сгорает внутри рабочей камеры. Сегодня существует огромное количество типов и видов ДВС, различающихся назначением, способом отдачи мощности и многими другими параметрами.
Таким образом, на сегодняшний день существуют ДВС:
Вторичные виды и типы двигателей
Электродвигатель
Современный и всем нам известный тип двигателя – электродвигатель. В основе его действия лежит принцип электромагнитной индукции. Состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Наиболее используемыми являются электродвигатели магнитоэлектрические. Они в свою очередь разделяются на моторы постоянного и переменного тока. Однако, встречаются и универсальные, способные действовать от обоих видов тока.
Первые разделяются на коллекторные и бесколлекторные (вентильные) двигатели. Вторые на синхронные и асинхронные.
Сегодня электромотор, изобретенный английским физиком Майклом Фарадеем в 1821г. используется во всех сферах деятельности человека. Кстати, 1-й пригодный для использования электрический двигатель, изобрел и построил в 1834г. Российский ученый Борис Семенович Якоби.
Пневмодвигатели и гидродвигатели
Работают на заранее запасенной под высоким давлением в баллонах газах и жидкостей. Используются в местах, где применение ДВС и электромоторов невозможно. Например, в шахтах, из-за скопления взрывоопасных газов. Также пневмодвигатели и гидродвигатели широко используются на различных производствах в качестве инструмента и исполнительных механизмов.