IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
СКОРОСТНЫЕ ВАКУУМНЫЕ ПОЕЗДА
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Актуальность темы: Главными преимуществами нового транспорта станет высокая скорость, безопасность и отсутствие вредных выбросов, использование альтернативной энергии, не зависит от погодных условий. Благодаря эффективности технологии перемещения по вакуумной трубе транспортировка будет довольно дешевой.
Область исследования – физика, магнитная левитация.
Предмет исследования – модель скоростного вакуумного поезда.
Цели: Перспективы применения вакуумных поездов.
Задачи:
1. Изучить теоретические основы магнитной левитации, технические возможности вакуумных поездов.
2. Построить модель вакуумного скоростного поезда для проведения исследования.
Методы исследования: Сбор информации, анализ, обобщение, изучение теоретического материала, проведение исследований.
Гипотеза - я предполагаю, что возможно применение вакуумного скоростного поезда.
2. Основная часть.
Существует великое множество самых разных способов передвижения. Наиболее известными из них можно назвать: Автомобильный транспорт
Железнодорожный транспорт
Воздушный транспорт
Меня заинтересовала тема развития скоростных вакуумных поездов.
2.1. Автомобильный транспорт
Преимущества:
маневренность и большая подвижность, мобильность
широкая сфера применения по территориальному признаку, видам груза и системам сообщения
большая топливо энергоемкость
загрязняет окружающую среду
Проблема: Низкая скорость, не экологичный.
2.2. Железнодорожный транспорт
Преимущества:
1. низкая себестоимость транспортировки, что позволяет эффективно перевозить по железной дороге большие партии грузов на большие расстояния
2. регулярность перевозок
Недостатки:
недостаточно высокая скорость перевозки на небольших расстояниях
изношенность подвижного состава
-
Воздушный транспорт
Преимущества:
Высокая скорость доставки
Недостатки:
1. Дорогостоящие перевозки.
2.4.Скоростной вакуумный поезд
Преимущества:
1. Из-за отсутствия сопротивления воздуха и трения могут быть достижимы очень высокие скорости, выше чем у любого другого наземного вида транспорта.
2. Отсутствие износа труб и вагонов по причине отсутствия контакта с ними.
3. Потенциально низкая стоимость поездки.
4. Полностью автоматическая маршрутизация.
5. Применение альтернативных источников энергии: солнечные батареи, ветровые установки.
6.Экологичный транспорт.
Недостатки:
1. Высокая стоимость инфраструктуры.
2. Помехи от сильного магнитного поля на чувствительные устройства.
2.5. История транспортных систем на магнитном подвесе.
Отечественная история транспортных систем на магнитном подвесе начинается в 1911 г., когда профессор Томского технологического института Б.П. Вейнберг построил установку, в которой вагончик массой 10 кг бегал по 20-метровому кольцевому путепроводу из медной трубы диаметром 32 см. В своей установке Вейнберг применил электромагнитный подвес, и линейный синхронный электродвигатель . Капсула-вагон подвешивалась под электромагнитами, которые передавали ее по цепочке от одного к другому.
2.6. Теория К.Э.Циолковского.
Впервые в 1927 году в небольшой брошюре «Сопротивление воздуха и скорый поезд» К.Э.Циолковский опубликовал теорию и схему поезда на воздушной подушке. Если вагон имеет хорошую, легко обтекаемую форму, является возможность получать огромные скорости - писал Циолковский. Эта теория легла в основу создания транспорта на воздушной подушке спустя многие годы. Так же вопросами аэродинамики К.Э.Циолковский занялся в середине 80х годы 19 века.
Диаграмма скоростей разных видов транспорта.
2.7. Принцип работывакуумного скоростного поезда.
Новый поезд сможет разгоняться до скорости более 1100 км/ч, при этом совершенная аэродинамика и тоннель с разреженным воздухом снизят сопротивление движению. Разгон поезда будет производиться с помощью магнитного поля, Тем не менее, даже такое низкое давление создает слишком большое сопротивление на сверхзвуковых скоростях – поезд, как поршень шприца будет двигать перед собой весь воздух в тоннеле впереди и всасывать воздух позади.
Для решения этой проблемы в носу поезда будет установлен вентилятор, перекачивающий воздух с носа поезда на корму и создающий воздушную подушку, которая заменяет поезду колеса. Тоннели будут расположены на бетонных опорах, оснащенных системой компенсации сейсмической активности.
Аэродинамическая труба - это техническое устройство, предназначенное для моделирования воздействия среды на движущиеся в ней тела.
Магнитная левитация — технология, метод подъёма объекта с помощью одного только магнитного поля. Магнитное давление используется для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений.
Магистрали будут приподняты над землёй на 4 – 5 метров, поэтому нет помех для наземного автомобильного и железнодорожного транспорта.
Безопасность поезда.
Расстояние в 550 км поезд сможет преодолеть всего за 35 минут, то есть быстрее, чем современный авиалайнер, особенно учитывая время подготовки самолета к вылету и его зависимость от погодных условий. Такой вид транспорта в первую очередь эффективно построить на участках интенсивного перемещения пассажиров (Москва – Сочи, Москва – Ставрополь, Москва – С-Петербург. Безопасность поезда обеспечиваетсяцелым рядом «умных» систем, которые останавливают пассажирскую капсулу в случае опасной разгерметизации салона или тоннеля. Даже если внешнее питание полностью отключится, вентилятор в носу поезда продолжит работу и обеспечит поддержание воздушной подушки, поскольку он питается от аккумуляторов, расположенных в хвосте поезда.
3.Опытно-экспериментальная часть.
Моё исследование состоит из двух частей. Первая часть включает создание модели. А вторая часть это исследование моей собственной модели –на предмет применения.
ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ МОДЕЛИ
Создание платформы с магнитным полем. То есть вдоль платформы прокладываются магнитные рельсы.
На капсуле крепятся магниты так, чтобы была однополярность магнитного поля снизу. Это означает, что капсула будет зависать в воздухе.
Для приведения в движения в капсулу помещается двигатель 12V с подсоединёнными батарейками и винтом в хвостовой части.
Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых магнитных полюсов. Движение осуществляется двигателем и вентилятором, расположенными на поезде.
Созданное магнитное поле нам помогает держать капсулу в воздухе.
3.1. Собственные испытания.
Описание опыта.
Опытным путём я решил доказать, что возможно создание и применение скоростных вакуумных капсульных поездов.
При подключении к батарее, модель капсулы начинает движение вперёд, не отклоняясь от центральной продольной оси и не залипая ни на одну из сторон. То есть точное расположение магнитов друг над другом создают устойчивое магнитное поле.
ТЕОРЕМА ИРНШОУ
Формулировка теоремы: Не существует такой конфигурации неподвижных зарядов, которая была бы устойчивой, если нет других сил, кроме сил кулоновского взаимодействия между зарядами системы.
Доказательство. Допустим, что равновесие устойчиво. Тогда при смещении любого из зарядов системы из его положения равновесия в любом направлении на него должна действовать сила, стремящаяся возвратить заряд в положение равновесия. Эта сила создается электрическим полем остальных зарядов системы. Окрестность, ограниченная замкнутой поверхностью, выбирается достаточно малой, чтобы после смещения заряда в ней не осталось никаких зарядов системы. По теореме Гаусса, поток через замкнутую поверхность создается зарядом, находящемся в ограниченном ею объеме. Это противоречит предположению о том, что поле создано зарядами, расположенными вне окрестности точки. Значит, допущение, что равновесие зарядов устойчиво неверно.
Если помимо электрических сил, в системе действуют какие - либо другие силы, то равновесие может оказаться устойчивым.
В нашем случае действуют силы:
Подъёмная сила
Сила магнитного давления
Сила сопротивления(минимальная)
Подъёмная сила.
Магнитные материалы и системы способны притягивать или отталкивать друг друга с силой, зависящей от магнитного поля и поверхности магнита. Из этого следует, что может быть определено магнитное давление.
Магнитное давление магнитного поля сверхпроводника подсчитывается по формуле:
Pmag=B^2/2mu0
где Pmag — сила на единицу площади поверхности в Паскалях,
B — магнитная индукция над сверхпроводником в Теслах,
mu _0 = 4π×10−7 Н·А−2 — магнитная проницаемость вакуума
Статическая
Статическая устойчивость значит, что любое смещение из состояния равновесия заставляет равнодействующую силу выталкивать объект обратно в состояние равновесия.
Существует несколько возможностей сделать левитацию реальной, на примере использования электронной стабилизации или диамагнетиков может быть показано, что диамагнитные материалы устойчивы относительно как минимум одной оси и могут быть устойчивы относительно всех осей.
Динамическая
Динамическая устойчивость проявляется в случаях, когда левитирующая система способна подавить любое возможное виброобразное движение.
Магнитные поля в принципе не могут иметь встроенный способ подавления
Подавление движения осуществляется несколькими способами:
1.внешнее механическое подавление- лобовое сопротивление
2.использование вихревых токов (влияние на проводник полем)
3.Инерционный демпфер в левитируемом объекте
4.электромагниты, управляемые посредством электроники.
Вывод : На основании практических опытов, сопоставляя и сочетая теорию с практикой я выяснил, что имеет место быть применение вакуумного скоростного поезда.
4.Заключение.
В результате изучения энциклопедической литературы, создания модели, проделанных мной опытов я понял, что моя гипотеза – что возможно применение вакуумного скоростного поезда верна.
Список использованной литературы
Перышкин А.В. Учебник по физике за 8 класс. М.: Дрофа, 2013г., 233с.
pikabu.ru (Вактрейн — безвоздушный транспорт на магнитной подушке).
popmech.ru (Подземный космос: вакуумные поезда )
Приложение 1.
ВИД РАСПОЛОЖЕНИЯ МАГНИТОВ СБОКУ
|
1 |
||||||||
|
3 |
||||||||
|
2 |
||||||||
Магнитная платформа
Магнитная дорога
Магниты
Приложение 2.
ВИД РАСПОЛОЖЕНИЯ МАГНИТОВ СПЕРЕДИ
|
1 |
|||
|
3 |
|||
|
2 |
|||
Передвижная платформа
Магнитная дорога
Магниты
Приложение 3.
ВИД СБОКУ НА ОПОРАХ
|
1 |
|||||||||
|
3 |
|||||||||
|
3 |
|||||||||
|
4 |
4 |
4 |
|||||||
Магнитная платформа
Магнитная дорога
Магниты
Опоры