giraangiraha magnetic Maxwell
Tusmo
Fiisigiste Ingiriisi James Clark Maxwell, oo noolaa intii u dhaxaysay 1831-79, waxa uu caan ku ahaa samaynta nidaamka isle'egyada ka hooseeya electrodynamics-iyo adeegsiga si uu u saadaaliyo jiritaanka hirarka korantada. Si kastaba ha ahaatee, tani maaha dhammaan guulaha muhiimka ah ee uu gaaray. Maxwell waxa kale oo uu ku lug lahaa thermodynamics, incl. siiyey fikradda ah "jinni" caanka ah ee haga dhaqdhaqaaqa molecules gaaska, oo laga soo qaatay qaacido qeexaya qaybinta xawaarahooda. Waxa kale oo uu bartay halabuurka midabka oo uu abuuray qalab aad u fudud oo xiiso leh si uu u muujiyo mid ka mid ah sharciyada aasaasiga ah ee dabiiciga ah - mabda'a ilaalinta tamarta. Aan isku dayno inaan si fiican u barano qalabkan.
Qalabka la sheegay waxaa lagu magacaabaa Maxwell's wheel ama pendulum. Waxaan la macaamili doonaa laba nooc oo ka mid ah. Marka hore waxaa ikhtiraacan doona Maxwell - aan ugu yeerno classic, kaas oo aan lahayn magnets. Ka dib waxaan ka wada hadli doonaa nooca la bedelay, taas oo xitaa ka sii yaab badan. Kaliya ma awoodno inaan isticmaalno labada ikhtiyaar ee demo, i.e. tijaabooyin tayo leh, laakiin sidoo kale si loo go'aamiyo waxtarkooda. Cabirkani waa halbeeg muhiim u ah mishiin kasta iyo mishiin kasta oo shaqeeya.
Aan ku bilowno nooca caadiga ah ee wheel Maxwell.
Lynx mid. Nooca caadiga ah ee giraangiraha Maxwell: 1 - bar toosan, 2 - dun adag, 3 - axle, 4 - giraangiraha oo leh daqiiqad sare oo firfircoon.
Nooca caadiga ah ee giraangiraha Maxwell waxaa lagu muujiyey Fig. fig. 1. Si loo sameeyo, waxaan ku dhejineynaa ul xooggan oo siman - waxay noqon kartaa buraash ku xiran dhabarka kursiga. Kadibna waxaad u baahan tahay inaad diyaariso taayir ku habboon oo aad ku dhejisid dhaqdhaqaaq la'aan xagasha khafiifka ah. Sida habboon, dhexroorka goobada waa in ay ahaataa qiyaastii 10-15 cm, miisaankuna waa inuu ahaado qiyaastii 0,5 kg. Waxaa muhiim ah in ku dhowaad dhammaan cufnaanta giraangiraha ay ku dhacaan wareegga. Si kale haddii loo dhigo, giraangiraha waa inuu lahaadaa xarun khafiif ah iyo gees culus. Ujeedadaas awgeed, waxaad isticmaali kartaa giraangiraha yar yar ee gaariga ama dabool weyn oo daasad ah oo ka soo baxa daasadaha oo ku dheji wareegga wareegga tirada ku habboon ee xargaha. Shaagagga waxa la dul saaray dhidib dhuuban oo dhererkiisu kala badh yahay. dhidibku waa qayb ka mid ah tuubo aluminium ah ama ul dhexroorkeedu yahay 8-10 mm. Sida ugu fudud ayaa ah in dalool giraangirta laga dhex dalooliyo dhexroorka 0,1-0,2mm ka yar dhexroorka faaska, ama la isticmaalo dalool jira si aad giraangiraha ugu dhejiso dabada. Si loo sii wanaajiyo xidhiidhka giraangiraha, faashashka waxaa lagu maari karaa koollo meesha ay ku xiran yihiin walxahan ka hor inta aan la cadaadin.
Labada dhinac ee goobada, waxaan ku xireynaa qaybo ka mid ah dun khafiif ah oo xooggan oo dhererkeedu yahay 50-80 cm dhererka dhidibka. Si kastaba ha ahaatee, hagaajin dheeraad ah oo la isku halleyn karo ayaa lagu gaaraa iyada oo la qodayo dhidibka labada daraf ee dhuuban (1-2 mm). dhexroorkeeda, isagoo dunta ka gelaya godadkaas oo ku xidhaya. Waxaan ku xireynaa darafyada haray ee dunta oo ku dhejineynaa usha oo sidaas awgeed goobada ku dheji. Waxaa muhiim ah in dhidibka goobada uu si adag u siman yahay, oo duntu ay yihiin kuwo toosan oo siman oo ka soo jeeda diyaaradeeda. Dhamaystirka macluumaadka, waa in lagu daraa in aad sidoo kale ka iibsan karto taayir Maxwell ah oo dhammaatay shirkadaha iibiya agabka waxbarashada ama agabka waxbarashada. Waagii hore, waxa loo isticmaali jiray ku dhawaad shaybaadhka fiisigiska dugsi kasta.
Tijaabooyinka ugu horreeya
Aan ku bilowno xaalada marka giraangiraha uu ka laadlaado dhidibka jiifka ah ee booska ugu hooseeya, i.e. Labada dunoodba gabi ahaanba waa kuwo aan dhaawac ahayn. Waxaynu ku qabsanaynaa dabada giraangirta farahayada labada daraf oo si tartiib ah u rogrogayna. Sidaas awgeed, waxaan dabaylaha dunta dhidibka. Waa inaad fiiro gaar ah u yeelataa xaqiiqda ah in wareegyada soo socda ee duntu ay si siman u siman yihiin - mid ka mid ah kan kale. Fiishka giraangiraha waa inuu had iyo jeer ahaadaa mid siman. Marka giraangirku u soo dhawaado usha, jooji dabaysha oo ha u dhaqaaqdo si xor ah. Saamaynta miisaanka, giraangirku wuxuu bilaabaa inuu hoos u dhaqaaqo oo duntu waxay ka furaan dabaysha. Shaaggu marka hore si tartiib ah ayuu u socdaa, ka bacdina si degdeg ah oo dhaqso badan. Marka dunta si buuxda loo furo, giraangirku wuxuu gaaraa meesha ugu hooseysa, ka dibna wax la yaab leh ayaa dhacaya. Wareegga giraangiraha wuxuu ku socdaa isla jihadii, oo shaaggu wuxuu bilaabay inuu kor u kaco, oo duntu waxay ku dhaawacmaan dhidibka. Xawaraha giraangiraha ayaa si tartiib tartiib ah hoos ugu dhacaya ugu dambeyntiina wuxuu noqonayaa eber. Shaagaggu wuxuu markaas u muuqdaa inuu la mid yahay dhererka ka hor intaan la sii deyn. Dhaqdhaqaaqyada soo socda kor iyo hoosba marar badan ayaa soo noqnoqda. Si kastaba ha ahaatee, ka dib dhowr ama daraasiin dhaqdhaqaaqyo noocan oo kale ah, waxaan ogaanay in dhererka taayirku uu sii yaraanayo. Ugu dambeyntii giraangiraha wuxuu joogsan doonaa meesha ugu hooseysa. Taas ka hor, inta badan waxaa suurtagal ah in la ilaaliyo dhaqdhaqaaqa dhidibka giraangiraha ee jihada toosan ee dunta, sida kiiska pendulum jirka. Sidaa darteed, wheel Maxwell waxaa mararka qaarkood loogu yeeraa pendulum.
Lynx mid. Calaamadaha ugu muhiimsan ee giraangiraha Maxwell: - miisaanka, - radius giraangiraha, - radius axle, - miisaanka giraangiraha oo leh geesaha, - xawaaraha toosan, 0 - dhererka bilowga ah.
Aynu hadda sharaxno sababta giraangiraha Maxwell uu sidan u dhaqmo. Dabaysha dunta dabada, kor u qaad shaagagga dhererka 0 oo aad ka shaqeysid (fig. 2). Natiijo ahaan, giraangiraha meesha ugu sarreeya ayaa leh tamarta suurtagalka ah ee cuf-isjiidadka p, oo lagu muujiyey qaacidada [1]:
aaway dardargelinta dayrta xorta ah.
Marka duntu furto, dhererku wuu yaraadaa, oo ay la socoto tamarta suurtagalka ah ee cuf-isjiidadka. Si kastaba ha ahaatee, giraangirku wuxuu qaadaa xawaare oo sidaas darteed wuxuu helaa tamar dhaqdhaqaaqa. kkaas oo lagu xisaabiyo qaacidada [2]:
aaway daqiiqada firfircoonida giraangiraha, waana xawaarihiisa xagal (= /). Meesha ugu hooseysa ee giraangiraha (0 = 0) Tamarta iman karta waxay la mid tahay eber. Tamartani, si kastaba ha ahaatee, ma dhiman, laakiin waxay isu beddeshay tamarta kinetic, taas oo loo qori karo si waafaqsan qaacidada [3]:
Marka giraangirku kor u kaco, xawaarhiisu hoos u dhaco, laakiin dhererka ayaa kordha, ka dibna tamarta kinetic waxay noqotaa tamar suurtagal ah. Isbeddelladani waxay qaadan karaan wakhti kasta haddii aysan ahayn caabbinta dhaqdhaqaaqa - caabbinta hawada, caabbinta la xiriirta dabaysha dunta, taas oo u baahan xoogaa shaqo ah oo keenaysa in taayirku hoos u dhaco si buuxda loo joogsado. Tamartu ma cadaadiso, sababtoo ah shaqada la qabtay si looga gudbo iska caabinta dhaqdhaqaaqa waxay keenaysaa kororka tamarta gudaha ee nidaamka iyo kororka heerkulka la xiriira, kaas oo lagu ogaan karo heerkulbeeg aad u xasaasi ah. Shaqada makaanikada waxaa loo rogi karaa tamarta gudaha iyada oo aan xaddidnayn. Nasiib darro, habka rogaal celiska ah waxaa xannibay sharciga labaad ee thermodynamics, sidaas darteed awoodda iyo tamarta tamarta ee giraangiraha ayaa ugu dambeyntii hoos u dhacda. Waxaa la arki karaa in giraangiraha Maxwell uu yahay tusaale aad u wanaagsan si uu u muujiyo isbeddelka tamarta oo uu u sharaxo mabda'a habdhaqankiisa.
Waxtarka, sida loo xisaabiyo?
Hufnaanta mishiin kasta, qalab, nidaam ama habraac kasta waxa lagu qeexaa sida saamiga tamarta helay qaab waxtar leh. u si loo gaarsiiyo tamarta d. Qiimahan waxaa badanaa lagu muujiyaa sida boqolkiiba, markaa waxtarka waxaa lagu muujiyay qaacidada [4]:
.
Waxtarka walxaha ama hababka dhabta ah ayaa had iyo jeer ka hooseeya 100%, inkastoo ay awoodaan oo ay tahay inay aad ugu dhowaato qiimahan. Aan ku muujinno qeexidan tusaale fudud.
Tamarta waxtarka leh ee matoor koronto waa tamarta dhaqdhaqaaqa wareegtada. Si uu matoorka noocaan ah u shaqeeyo waa in uu ku shaqeeyaa koronto, tusaale ahaan batari. Sidaad ogtahay, qayb ka mid ah tamarta wax soo galinta waxay keentaa kuleylinta dabaylaha, ama waxaa loo baahan yahay si looga gudbo xoogaga is jiid jiidka. Sidaa darteed, tamarta kinetic ee waxtarka leh waxay ka yar tahay koronto-gelinta. Halkii tamarta, qiyamka [4] sidoo kale waxaa lagu beddeli karaa qaacidada.
Sidaan horey u dhignay, wheel Maxwell wuxuu leeyahay tamarta suurtagalka ah ee cufisjiidka ka hor inta uusan bilaabin inuu dhaqaaqo. p. Ka dib marka la dhammeeyo hal wareeg oo dhaqdhaqaaq kor iyo hoos ah, giraangirku wuxuu kaloo leeyahay tamar cufisjiid, laakiin dherer hoose. 1sidaas darteed waxaa yaraanaya tamarta. Aynu u tilmaamno tamartan sida P1. Marka loo eego qaacidada [4], waxtarka giraangiraha sida beddelka tamarta waxaa lagu muujin karaa qaacidada [5]:
Formula [1] waxay tusinaysaa in tamarta imanaysa ay si toos ah u siman tahay dhererka. Marka la beddelo qaacidada [1] oo loo beddelo qaacidada [5] iyadoo la tixgelinayo calaamadaha dhererka u dhigma iyo 1, ka dibna waxaan heleynaa [6]:
Formula [6] waxa ay fududaynaysaa in la go'aamiyo waxtarka goobada Maxwell - waa ku filan in la cabbiro dhererka u dhigma lana xisaabiyo qiyaastooda. Ka dib hal wareeg oo dhaqdhaqaaq ah, dhererka ayaa weli noqon kara mid aad u dhow midba midka kale. Tani waxay ku dhici kartaa giraan si taxadar leh loo naqshadeeyay oo leh daqiiqad weyn oo firfircooni ah oo kor loo qaaday dherer aad u badan. Markaa waa inaad cabbirtaa si sax ah, taas oo ku adkaan doonta guriga oo leh taliye. Run, waxaad ku celin kartaa cabbirada oo aad xisaabin kartaa celceliska, laakiin waxaad si dhakhso ah u heli doontaa natiijada ka dib markaad soo qaadato qaacido tixgelinaysa koritaanka ka dib dhaqdhaqaaqyo badan. Marka aan ku celino habraacii hore ee wareegyada wadista, ka dib markaa giraangiraha ayaa gaari doona dhererka ugu sarreeya n, markaas qaacidada hufnaantu waxay noqon doontaa [7]:
heerka sare n dhowr ama toban ama wax la mid ah wareegyada dhaqdhaqaaqa ka dib, way ka duwan tahay 0in ay fududahay in la arko lana qiyaaso. Waxtarka Maxwell wheel, iyadoo ku xiran faahfaahinta soo saarideeda - cabbirka, miisaanka, nooca iyo dhumucda dunta, iwm - inta badan waa 50-96%. Qiimaha yaryar waxaa lagu helaa taayirrada leh cufnaanta yaryar iyo radiyada ku xayiran dunta adag. Sida cad, ka dib tiro ku filan oo wareeg ah oo badan, giraangiraha wuxuu istaagaa booska ugu hooseeya, i.e. n = 0. Si kastaba ha ahaatee, akhristaha fiiro gaar ah u leh, si kastaba ha ahaatee, wuxuu odhan doonaa markaa waxtarka lagu xisaabiyay qaacidada [7] waxay la mid tahay 0. Dhibaatadu waxay tahay in marka la soo saaro qaacidada [7], waxaan si xeeladaysan u qaadannay malo fudud oo dheeraad ah. Sida laga soo xigtay isaga, wareeg kasta oo dhaqdhaqaaqa, giraangiraha lumiyaa isla saamiga tamarta hadda iyo waxtarkeedu waa joogto. Luuqadda xisaabta, waxaanu u qaadanay in dhererka is-daba-jooga ahi uu sameeyo horu-mar joomatari oo leh odhaah. Dhab ahaantii, tani maahan inay ahaato ilaa giraangirku uu ugu dambeyntii istaago meel hoose. Xaaladdani waa tusaale tusaale guud ah, marka loo eego dhammaan hababka, sharciyada iyo aragtiyaha jireed ay leeyihiin xaddidaad xaddidan oo ku habboon, taas oo ku xidhan male-awaalka iyo fududaynta la qaatay qaabaynta.
Nooca magnetic
Lynx mid. giraangiraha birta ee Maxwell: 1 - giraangire leh daqiiqad sare oo firfircooni ah, 2 - dhidib leh magnets, 3 - hagaha birta, 4 - iskuxiraha, 5 - usha.
Hadda waxaan la macaamili doonaa nooca magnetic ee wheel Maxwell - faahfaahinta dhismaha ayaa la soo bandhigay Bariis 3 iyo 4. Si aad u ururiso, waxaad u baahan doontaa laba magnets cylindrical neodymium oo leh dhexroor 6-10 mm iyo dhererka 15-20 mm. Waxaan ka samayn doonaa dabada giraangirta tuubo aluminium ah oo dhexroor gudaha ah oo le'eg dhexroorka birlabadaha. Derbiga tuubada waa inuu ahaadaa mid khafiif ah oo ku filan
1 mm. Waxa aanu galinaa birlabadaha tuubada, anagoo saarayna meel u jirta 1-2 mm cidhifkeeda, waxaanu ku dhejinaynaa xabagta epoxy, sida Poxipol. Jihaynta tiirarka birlabku macno ma laha. Waxaan ku xireynaa cidhifyada tuubada oo leh cajalado aluminium ah oo yaryar, taas oo ka dhigi doonta magnets aan la arki karin, dhidibkuna wuxuu u ekaan doonaa ul adag. Shuruudaha lagu buuxinayo giraangiraha iyo sida loo rakibo waxay la mid yihiin sidii hore.
Noocaan giraangiraha ah, sidoo kale waa lagama maarmaan in la sameeyo hagitaanno bir ah oo ka socda laba qaybood oo lagu rakibay isku mid ah. Tusaale ahaan dhererka hagitaannada ku habboon isticmaalka dhabta ah waa 50-70 cm Waxa loogu yeero profiles xiran (gudaha godan) ee qaybta labajibbaaran, dhinaceeda dhererkeedu yahay 10-15 mm. Masaafada u dhaxaysa hagayaasha waa inay la mid tahay masaafada birlabeedka la saaray dhidibka. Dhammaadka hagayaasha hal dhinac waa in lagu xereeyaa goobaabin badhkeed. Si loo sii hayo dhidibka si fiican, qaybo ka mid ah usha birta ah ayaa lagu cadaadin karaa hagayaasha hor yaal faylka. Cidhifyada soo hadhay ee labada bir waa in lagu xidhaa xidhiidhiyaha usha si kastaba, tusaale ahaan, boolal iyo lows. Waad ku mahadsan tahay tan, waxaan helnay gacan-qabad raaxo leh oo lagu hayn karo gacantaada ama lagu dhejin karo tripod. Muuqashada mid ka mid ah nuqullada la soo saaray ee Maxwell ee giraangiraha birlabeedka ayaa muujinaya SAWIR mid.
Si aad u dhaqaajiso giraangiraha birlabeedka Maxwell, dhig cidhifyada faashadeeda meelaha sare ee biraha ee u dhow xiriiriyaha. Ku hay hagayaasha gacanta, u janjeeri dhanka cidhifyada wareegsan. Dabadeed giraangiraha wuxuu bilaabaa inuu ku rogo hagayaasha, sida haddii uu jiro diyaarad u janjeedha. Marka darafyada wareega ee hagayaasha la gaadho, giraangirku ma dhaco, laakiin wuu dul rogaa oo
Lynx mid. Faahfaahinta naqshadda giraangiraha magnetic Maxwell waxaa lagu muujiyey qaybta axial:
1 - giraangiraha leh daqiiqad sare oo firfircoon, 2 - aluminium tube axle, 3 - magnet neodymium cylindrical, 4 - disk aluminium.
Waxay ka dhigaysaa horumar la yaab leh - waxay kor u qaadaysaa sagxadaha hoose ee hagayaasha. Wareegga la tilmaamay ee dhaqdhaqaaqa ayaa lagu soo noqnoqdaa marar badan, sida nooca qadiimiga ah ee Maxwell's wheel. Xataa waxaan u dejin karnaa biraha si toosan oo giraangirku wuxuu u dhaqmi doonaa isla sidiisii. Ku haysashada giraangiraha dusha hagaha ayaa suurtagal ah sababtoo ah soo jiidashada faashashka leh magnets neodymium oo ku qarsoon.
Haddii, xagasha weyn ee hagitaannada, giraangiraha ayaa ku dul wareegaya iyaga, ka dibna cidhifyada dhidibkeeda waa in lagu duuduubaa hal lakab oo warqad ciid ah oo si fiican loo yaqaan oo lagu dhejiyo koolada Butapren. Sidan, waxaanu ku kordhin doonaa is jiid jiidka lagama maarmaanka u ah si aanu u hubinno duubista iyada oo aan simbiriirixin. Marka nooca magnetic ee giraangiraha Maxwell uu dhaqaaqo, isbedel la mid ah tamarta farsamada ayaa dhaca, sida kiiska nooca qadiimiga ah. Si kastaba ha ahaatee, luminta tamarta ayaa laga yaabaa inay xoogaa ka sii weynaato iyadoo ay ugu wacan tahay is jiid-jiidka iyo rogidda magnetization-ka ee hagayaasha. Waayo, version this ee giraangiraha, waxaan sidoo kale go'aamin kartaa hufnaanta si la mid ah sida hore loogu tilmaamay version classic. Waxay noqon doontaa mid xiiso leh in la barbardhigo qiyamka la helay. Way fududahay in la qiyaaso in hagayaashu aysan ahayn inay toosan yihiin (waxay noqon karaan, tusaale ahaan, wavy) ka dibna dhaqdhaqaaqa giraangiraha wuxuu noqon doonaa mid aad u xiiso badan.
iyo kaydinta tamarta
Tijaabooyinka lagu sameeyay giraangiraha Maxwell ayaa noo ogolaanaya inaan soo saarno gabagabo dhowr ah. Tan ugu muhiimsan ee kuwan ka mid ah ayaa ah in isbeddellada tamarta ay aad ugu badan yihiin dabeecadda. Had iyo jeer waxaa jira wax loogu yeero khasaaraha tamarta, kuwaas oo dhab ahaantii isbeddelaya qaababka tamarta oo aan waxtar noo lahayn xaalad la bixiyay. Sababtan awgeed, waxtarka mashiinnada dhabta ah, qalabka iyo hababka ayaa had iyo jeer ka yar 100%. Taasi waa sababta aysan suurtogal u ahayn in la dhiso qalab, marka la dejiyo dhaqdhaqaaqa, oo weligiis socon doona iyada oo aan la helin sahayda tamarta dibadda ee lagama maarmaanka u ah si loo daboolo khasaaraha. Nasiib darro, qarnigii XNUMXaad, qof kastaa kama warqabo arrintan. Taasi waa sababta, waqti ka waqti, Xafiiska Patent ee Jamhuuriyadda Poland wuxuu helayaa mashruuc hindise ah nooca "qalabka caalamiga ah ee mashiinnada wadista", iyadoo la adeegsanayo tamarta "aan la dhammayn" ee magnets (malaha, waxay ku dhacdaa waddamo kale. sidoo kale). Dabcan, wararka noocaas ah waa la diiday. Fikradda waa mid gaaban: qalabku ma shaqeyn doono oo kuma habboona isticmaalka warshadaha (sidaas darteed ma buuxinayo shuruudaha lagama maarmaanka ah ee helitaanka patent), sababtoo ah ma waafaqsana sharciga aasaasiga ah ee dabiiciga ah - mabda'a ilaalinta tamarta.
Sawirka 1. Muuqashada mid ka mid ah taayirrada magnetic Maxwell.
Akhristayaashu waxa laga yaabaa inay ogaadaan qaar ka mid ah isbarbardhigga u dhexeeya wheel Maxwell iyo toyga caanka ah ee loo yaqaan yo-yo. Xaaladda yo-yo, luminta tamarta waxaa buuxinaya shaqada isticmaalaha toy-ga, kaas oo si qaafi ah kor ugu qaadaya oo hoos u dhigaya dhamaadka sare ee dunta. Waxa kale oo muhiim ah in la soo gabagabeeyo in jidhka oo leh daqiiqad weyn oo firfircooni ay adag tahay inuu wareego oo ay adagtahay in la joojiyo. Sidaa darteed, wheel Maxwell wuxuu si tartiib tartiib ah u qaadaa xawaaraha marka uu hoos u socdo oo sidoo kale si tartiib ah hoos ugu dhiga marka uu kor u kaco. Wareegyada kor iyo hoosba sidoo kale waa lagu soo celceliyaa wakhti dheer ka hor inta uusan giraangigu ugu dambeyntii istaagin. Waxaas oo dhan waa sababta oo ah tamar weyn oo kinetic ah ayaa lagu kaydiyaa giraangirahan oo kale. Sidaa darteed, mashaariicda waxaa loo tixgeliyaa isticmaalka taayirrada leh daqiiqad weyn oo firfircoon oo hore loo keenay wareeg aad u degdeg ah, sida nooc ka mid ah "kumbuyuutar" tamarta, oo loogu talagalay, tusaale ahaan, dhaqdhaqaaqa dheeraadka ah ee baabuurta. Waagii hore, giringiradaha xoogga leh ayaa loo isticmaali jiray matoorada uumiga si ay u bixiyaan wareeg xitaa, maantana waxay sidoo kale qayb muhiim ah ka yihiin matoorada gubashada gudaha ee baabuurta.
