Проект создания альтернативного двигателя своими руками

Мой дед, Тодоров Леонид Николаевич – инженер-конструктор, имеет несколько наград за рационализаторские предложения и их внедрение. Он постоянно что-либо мастерит, придумывает механизмы и электрические устройства для дома.

Уже несколько лет мы с дедом мечтали собрать небольшой автомобиль своими руками. Но у деда не хватает времени. Поэтому я решил начать сам с модели двигателя.

Что такое двигатель ?

Двигатели вокруг нас. Они в нас. Они - синонимы к таким словам как "наука" ("наука - двигатель прогресса"), "реклама" и т. п.

Всевозможные словари дают им практически одинаковое определение: "Двигатели - это энергетические силовые машины, преобразующие какую-либо энергию в механическую работу". Без них наша жизнь уже немыслима.

При этом редко кто задумывается об устройстве этих механизмов или об их пользе.

Но когда хотя бы один из них выходит из строя, это как минимум создает массу неудобствДвигатель = мотор.

Термин "двигатель" встречается в отечественных письменных источниках с XIV века. Значение его в различные времена менялось: от "средства обеспечения движения" до "силы, побуждающей к действию".

Виды энергии

Итак, самое главное, что необходимо для создания двигателя – это источник энергии.

Виды энергии:

• Механическая

• Электрическая

• Электромагнитная

• Химическая

• Ядерная

• Тепловая

• Вакуума

• Гипотетические:

• Тёмная

Механика различает потенциальную энергию (энергия взаимодействия тел) и кинетическую энергию (энергия движения).

Их сумма называется полной энергией.

Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную и ядерную энергии.

Закон сохранения энергии

Зако́н сохране́ния эне́ргии— фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую.

Именно поэтому большинство ученых считает, что создание «perpetum mobile»-вечного двигателя невозможно.

Мои опыты по созданию источника тока в домашних условиях

На батарейках есть знаки + и -, значит перед Вами источник постоянного тока. Если присоединить прибор, то по цепочке побежит электрический ток, причем, в одном направлении.

На розетках же возникает ток переменный, при котором заряды «трясутся на месте»

В обоих случаях движение зарядов приводит к выделению энергии в нужном месте.

Источник электрического тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.

Существуют различные виды источников тока:

Механический

Световой

Химический (гальванический элемент).

1) Опыт с лимоном.

Опыт с лимоном меня заинтересовал на прошлогоднем конкурсе исследовательских работ.

В лимон вставлены 2 пластины: медная и железная, раствор лимонного сока служит электролитом, получается электричество.

2). Мне удалось создать в экспериментальных условиях свой источник электричества:

Я сложил стопкой медную монету, кусок фольги и кусочек бумаги, смоченной раствором соли шестикратно и соединил проводами с лампочкой.

Результат опыта:

Вольфрамовая нить стала слабо светиться ,ее держатели раскалились, а концы провода нагрелись. Это + и – заряженные частицы (ионы) соли стали притягиваться к противоположно заряженным металлам. Я получил источник электрического тока.

Виды двигателей

А) Биологические двигатели

С возникновением жизни появились биологические двигатели - мускулы, использующие химическую энергию, позволяющие живому существу передвигаться, искать пищу, качать кровь по телу.

Но нашему предку пришла в голову мысль приручать животных. Одними из них стали лошади; спустя тысячелетия благодаря которым за единицу мощности двигателя была принята "лошадиная сила".

Б) Классификация двигателей.

1) Двигатели можно классифицировать по различным критериям. Например, по виду используемой энергии их можно поделить на первичные и вторичные.

К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, а ко вторичным— преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками.

К первичным двигателям (ПД) относятся парус (парусом пользуются уже более 7 тысяч лет) и ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм— их приводит в действие сила гравитации (падающая вода и сила притяжения), тепловые двигатели— в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии.

Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электродвигатель (электромотор), пневмодвигатель, гидродвигатель (гидромотор).

2). По виду использования источника энергии выделяют два вида двигателей:

• Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), где топливо сгорает внутри машины.

• Двигатели внешнего сгорания, где топливо сгорает вне машины, как в паровом двигателе или двигателе Стирлинга.

С). Основные типы двигателей:

• Паровые

• Бензиновые

• Дизельные

• Турбореактивные

• Ракетные

Все эти двигатели вторичные, т. к. источником энергии в них служит горючее (уголь, бензин или дизельное топливо).

Паровые машины

А) Древние паровые машины.

В I веке до нашей эры в Египте Герон Александрийский разработал конструкцию первой паровой машины «сегнерово колесо». По сути, это было первое устройство, использующее внутреннюю энергию вещества. Однако эта идея на многие века опередила свое время, и только во второй половине XVIII века появилась поршневая паровая машина непрерывного действия, нашедшая применение в промышленности и на транспорте (паровоз, пароход).

Первая паровая машина (вручную впрыскивается холодная вода, пар конденсируется, образуется вакуум и поршень приходит в движение. )

Б). Паровой двигатель.

Самодвижущиеся экипажи на паровой тяге обычно не появляются в обзорах последних новинок в мире транспорта. Да и о том, чтобы они пытались побить мировые рекорды скорости, как-то не слышно.

Но в настоящее время британский инженер-проектировщик Глинн Баушер со своей командой почти завершили создание сверхбыстрого парового транспортного средства, напоминающего "Бэтмобиль".

Двигатели внутреннего сгорания

А). Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС)— это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Двигатель внутреннего сгорания - это устройство в котором химическая энергия топлива превращается в полезную механическую работу.

Несмотря на то, что ДВС относятся к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т. д. ), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

Б). Бензиновые ДВС.

Бензиновые двигатели используют в современных автомобилях, автобусах, некоторых самолетах

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее подаётся через клапаны в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. Искра воспламеняет эту смесь, толкая поршень вверх-вниз в четырехтактном цикле. Поршень при помощи шатуна поворачивает коленчатый вал, через коробку передач, подающий вращение на колеса.

С). История создания ДВС (сокращ)

Дизельные двигатели

В 1897 году инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сильнейшего нагрева при сжатии топливной смеси поршнем в цилиндре, названный впоследствии дизелем. Взрыв смеси толкает поршень назад, заставляя машину работать.

Роторный двигатель

Роторный двигатель внутреннего сгорания - это тепловой двигатель, в котором главный подвижный рабочий элемент двигателя - ротор, совершает вращательное движение. Именно этим роторные ДВС отличаются от наиболее распространенных сегодня поршневых ДВС, в которых главный подвижный рабочий элемент - поршень, совершает возвратно- поступательные движения.

Самый первый тепловой двигатель в истории - эолипил Герона Александрийского (1 в. н. э) также относится к роторным двигателям.

Турбореактивный двигатель

Появление и применение воздушно-реактивных двигателей (ВРД) связано с авиацией. Первый биплан, пролетевший всего 260 метров имел двигатель внутреннего сгорания (ДВС). На таком же принципе работали все авиамоторы вплоть до конца второй мировой войны. В это время дальнейшее развитие авиации стало невозможным. Тогда авиаторы обратились к озвученным ранее идеям ВРД. Прообразом послужили работы Леонардо да Винчи.

Такие двигатели произвели революцию в авиастроении, т. к. позволили преодолеть звуковой барьер. И сейчас многие самолеты используют ВРД.

Ракетный двигатель

Первый ракетный двигатель придумали и построили китайцы еще в 9 веке. Он работал на твердом топливе (порохе) и брался для фейерверков и ракет. Такие ракеты во всем мире незаменимый атрибут любого праздника.

и подготовил теорию многоступенчатых двигателей для ракет.

Для полетов в космос в данный момент используются лишь химические двигатели: жидко- и твердотопливные. Разработаны различные виды ядерных и электрических (ионный) двигателей

Ионный двигатель

Ионный двигатель с решеткой

Ионные двигатели с решеткой начали эксплуатироваться в 1960 году в NASA. Обладая высоким КПД они предлагали значительное увеличение в полезной нагрузке, времени эксплуатации и уменьшали стоимость оборудования.

Ионные двигатели производят тягу, разгоняя луч из положительно заряженных ионов с помощью электростатического поля.

Самый мощный двигатель

С первых лет постройки двигателей, их создатели соревнуются в мощности, скорости, надежности.

Больше всего «лошадок» среди ДВС у Wartsila-Sulzer. Он развивает мощность около 109 тысяч лошадиных сил.

Двигатель внешнего сгорания

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга.

В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём.

КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований.

В проекте создания российской станции на луне планируется широкое использование двигателей Стирлинга.

Электромагнитный двигатель

Это двигатель, который заинтересовал меня больше всего как возможность создать его лабораторную модель.

А). Принципы работы электромагнитного двигателя.

Электричество – невидимый энергии, создаваемой движением заряженных частиц.

Электричество возникает, когда электрон перепрыгивает на другой атом.

Это может быть вызвано магнетизмом, химической реакцией, трением.

Магнетизм - форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля

Электрогенератор действует по принципу электромагнитной индукции, открытому английским ученым Майклом Фарадеем.

Ученый обнаружил, что при вращении проволочной рамки между полюсами магнита в проводе возникает электрический ток.

Электричество легко превращается в другие виды энергии.

Б). Электродвигатели, история их создания. (сокращ)

В). Электрическая машина, ее устройство.

В основу работы любой электрической машины положен принцип электромагнитной индукции.

Электрическая машина состоит из статора (неподвижной части) и ротора (якоря в случае машины постоянного тока) (подвижной части), электрическим током (или также постоянными магнитами) в которых создаются неподвижные и/или вращающиеся магнитные поля.

Статор - неподвижная часть электродвигателя, чаще всего - внешняя.

В зависимости от типа двигателя, может создавать неподвижное магнитное поле и состоять из постоянных магнитов и/или электромагнитов, либо генерировать вращающееся магнитное поле (и состоять из обмоток, питаемых переменным током).

Ротор - подвижная часть электродвигателя, чаще всего располагаемая внутри статора. Может состоять из:

- постоянных магнитов

- обмоток на сердечнике (подключаемых через щёточно-коллекторный узел)

- короткозамкнутой обмотки ("беличье колесо" или "беличья клетка"), токи в которой возникают под действием вращающегося магнитного поля статора).

Взаимодействие магнитных полей статора и ротора создает вращающий момент, приводящий в движение ротор двигателя. Таким способом происходит преобразование электрической энергии, подаваемой на обмотки двигателя, в механическую (кинетическую) энергию вращения. Полученную механическую энергию можно использовать приводя в движение механизмы.

Г). Электродвигатели переменного тока.

Один из таких двигателей я разобрал. Четко понял, как он устроен и как и почему он работает. Увидел, почему так быстро стираются щетки щеточно-коллекторного узла (сила трения, касательный механизм).

В основе работы электродвигателей лежит процесс электромагнитной индукции, которая возникает при движении проводящей среды в магнитном поле.

Магнитное поле в электродвигателе создается либо с помощью постоянных магнитов, либо возбуждающими обмотками, которые обтекаются токами.

Электродвигатели обратимы, то есть могут работать по преобразованию электрической энергии в механическую и, наоборот, в режиме генератора.

огромное значение для большинства видов промышленности.

Д). Двигатель постоянного тока

Простейший двигатель является машиной постоянного тока, состоит из двухполюсного статора из постоянного магнита с явно выраженными полюсами, двухполюсного ротора с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой из двух частей, щёточноколлекторного узла с двумя пластинами и двумя щетками.

Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси ротора.

Щёточно-коллекторный узел является переключателем тока со скользящими контактами.

Е). Перспективы развития электромагнитных двигателей

На состоявшейся 16 января 2001 года конференции в Доме журналиста группа российских конструкторов заявила, что у них есть чертежи и готовые модели уникального электромагнитного двигателя, которому не нужно топливо, поскольку движущую силу он черпает из взаимодействия с магнитным полем Земли.

Основная идея изобретения : чтобы создать нужную тягу, необходимо изолировать одну половинку замкнутого проводника от магнитного поля. В этом случае на одну часть проводника будет действовать сила, а в изолированной от магнитного поля половине никакой силы не возникнет. Таким образом, одна из двух сил останется неуравновешенной – она-то и создаст тягу.

Ж). Магнитные вечные двигатели.

Наиболее вероятными для построения считаются магнитные двигатели, однако и они не допускают вечного движения.

Для магнитных « Перпетуум Мобиле» часто использовались те же схемы, что и для механических. К примеру, устройство, состоящее из вала и троса с нанизанными на него шарами. магнит на пол-оборота. И маятник снова отталкивается.

Свойства магнитов брались меньше, чем воды для создания вечного двигателя. Причиной этого была малая изученность магнитного поля. Еще меньше проектов по устройству вечного двигателя с помощью свойств электрических полей. Лишь в 20 веке стали появляться такие проекты.

Эксперимент по созданию лабораторной модели электромагнитного двигателя

Для опыта мне понадобилось:

- источник электрического тока (батарейка или аккумулятор типа АА);

- 2 металлических держателя (для удобства я использовал булавки или скрепки);

- рамка из медной проволоки;

- сильный магнит.

Конструкция представляет собой достаточно традиционную версию электромагнитного двигателя. Я создал электрическую цепь, включающую проволочную рамку и поместил ее под влияние магнитного поля магнита. (см. фото). Рамка стала вращаться с очень высокой скоростью. Скорость вращения увеличивалась с течением времени. Если к рамке присоединить устройство , напоминающее коленчатый вал, то энергия вращения превратится в механическую работу.

На свободные заряды, движущиеся радиально от оси магнита к его ободу или наоборот, в магнитном поле магнита действует сила Лоренца, направление которой находится по правилу левой руки. Эта сила и создаёт вращающий момент.

Опытным путем я определил, что наиболее важными факторами в работе этого двигателя являются:

- чистота контактов, электрический ток должен течь по рамке непрерывно;

- сила магнита, устойчиво двигатель работает только с неодимовым магнитом;

- электропроводность магнита;

- количество витков рамки, оно должно быть оптимальным, достаточным для создания поля, но не слишком большим, чтобы не утяжелять конструкцию;

- проводящие электрический ток свойства рамки.

Эксперимент по созданию униполярного двигателя Фарадея

Для опыта мне понадобилось:

- источник электрического тока (батарейка или аккумулятор типа АА);

- рамка из медной проволоки, сконструированная особым образом;

- сильный магнит.

Это лабораторная модель униполярного двигателя Фарадея. Хотя сам Майкл Фарадей использовал несколько другие материалы (небезопасные для домашних условий), открытые им принципы действуют безупречно. Хотя до сих пор остается много вопросов по их теоретическому обоснованию (но это тема специального исследования).

Если хорошо уравновесить рамку из медной проволоки на источнике токаи соединить с магнитным полем сильного токопроводящего магнита, то рамка начинает очень быстро вращаться, постепенно увеличивая скорость до больших оборотов.

• На проводник с током в магнитном поле действует сила Лоренца, которая приводит его во вращение.

Ротором здесь является рамка, через нее мы пропускаем ток, а магнитное поле обеспечивает магнит. Все просто. Учитывая малую силу трения (рамка касается батарейки в одной точке), ротор-рамка может раскручиваться до очень высокой скорости.

Двигатель, созданный космосом

Наиболее существенной сферой современного применения представления об униполярном генераторе является астрофизика. В ряде звёздных систем в космосе наблюдаются природные магнитные поля и проводящие диски из плазмы, поведение которых как бы повторяет опыты Фарадея.

Торнадо тоже является природной моделью двигателя Фарадея.

Я считаю, что выглядит он следующим образом: земля – магнит, молния – источник тока, сила вращает воздушный поток.

Применение униполярного двигателя

Очень тихий мощный униполярный двигатель для военных кораблей подводных лодок со сверхпроводящими обмотками. Если в системе нет полюсов, все работает тихо, это основное преимущество таких двигателей.

Эксперимент. Альтернативный двигатель, сконструированный из подручных материалов

По типу этот двигатель можно отнести к тепло-магнитным. Поэтому, по сути, он является альтернативой для создания новых типов двигателей. Перспективы исследования этого направления конструирования двигателей возможно лежат в будущем.

• Эта конструкция состоит из железного кольца на медных держателях (медь не притягивается магнитом), укрепленного на железном стержне с заостренным кольцом, чтобы снизить силу трения. Специальная конструкция подставки определяет возможность устранения препятствия для работы двигателя. Эффект двигателя объясняется тем, что магнит перестает притягивать железо, раскаленное до 600 градусов. Холодная часть колеса притягивается магнитом, а горячая - нет. Колесо вращается.

• Опытным путем я установил, что решающую роль в работе такого двигателя играет:

- устранение силы трения в точке соприкосновения с подставкой;

- масса и площадь сечения проволоки для кольца (нужно разогреть до 600 градусов);

- равновесие конструкции;

- сила магнита;

- совмещение полюсов магнита.

Идею создания этого двигателя я нашел в опытах Тома Тита. Свою модель я усовершенствовал, особенности и «подводные камни» нашел и устранил опытным путем. Для того чтобы этот двигатель заработал, потребовалось очень много терпения, проб и ошибок, усилий для теоретического поиска и анализа.

Я провел много консультаций с инженерами радиомастерских города, с выпускниками лучших инженерных ВУЗов страны. Многое объяснил и показал мне дед. Что-то помог исправить отец. Я был счастлив, когда мои двигатели наконец устойчиво заработали.

Вообще, экспериментальная работа заставляет мыслить гораздо больше и эффективнее, чем простое теоретическое исследование (у меня есть с чем сравнивать). Мучающий вопрос: «Почему он не работает? Что я не учел?» заставляет думать, искать, пробовать, анализировать. Поэтому радость от положительного результата огромна и бесценна. А победа окрыляет. Буду признателен, если Вы сможете оценить эту работу по достоинству.

Обоснование и перспективы применения альтернативного двигателя

Недавно (около 10 лет назад) был обнаружен новый класс веществ, способный не оказывать сопротивление электротоку при относительно высокой температуре. Это явление назвали сверхпроводимость. Ведь металлы теряют способность сопротивляться току лишь вблизи абсолютного нуля температур, а это минус 273 градуса по Цельсию.

Противоположное свойство - что железо перестает притягиваться магнитом, если раскалить его до 600 градусов. Холодная часть колеса притягивается магнитом сильнее, чем горячая и колесо начинает вращаться.

Следовательно, при изменении температуры внутри схемы изменяются её электромагнитные свойства.

Возможно, это еще одна перспективная идея для создания нового типа двигателей, как в продемонстрированном опыте.

Итого

• 1. Двигатель – это не чудо, а порождение научных экспериментов и исследований.

• 2. Источником работы двигателя является энергия и ее превращение.

• 3. Энергия никуда не исчезает, она превращается в другой вид.

• 4. Двигатель – это устройство, преобразующее энергию в механическую работу.

• 5. При наличии необходимых знаний и терпения можно создать модель двигателя своими руками и добиться его работы.

• 6. Для создания двигателя необходимо понимать теоретические основы физических явлений и учитывать их в работе.