Скорость тока под водой

Под водой со скоростью 300 км/час?

на страницах сайта

www.electrosad.ru

Периодически появляются описания непонятных объектов движущихся под водой со скоростью более 300 км/час. В результате появляются рассуждения о чудесах, сверхестественном. Но ничего сверхестественного в этом нет.

Кавитация.

О кавитации в Wikipedia пишут:

При движении струи жидкости с ростом ее скорости падает местное давление ниже порогового и образуются паро-газовые полости. При попадании такого кавитационного пузыря в область где давление выше порогового он схлопывается и образует ударную волну.

Число кавитации

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

P — гидростатическое давление набегающего потока, Па;

P_s — давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;

ρ — плотность среды, кг/м³;

V — скорость потока на входе в систему, м/с.

Как уже говорилось выше, кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = V_c , когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

Хотелось бы обратить Ваше внимание на параметр Ps — давление насыщенных паров жидкости, который зависит не только от температуры, но и от давления в жидкости. Это говорит о том что скорость выхода на кавитационный (и выше) режим существенно зависит от параметров среды.

В зависимости от величины Χ можно различать четыре вида потоков:

• докавитационный — сплошной (однофазный) поток при Χ >1,
• кавитационный — (двухфазный) поток при Χ

1,

пленочный — с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Χ

суперкавитационный — при Χ

Результат работы кавитации

Кавитация работает в промышленности в системах ультразвуковой очистки деталей от загрязнений.

Общеизвестно, что проявление кавитации имеет отрицательный эффект. Она разрушает поверхность узлов находящихся в контакте с кавитирующим потоком. Известно применение кавитации в военной технике.

Ранее разработки в области сверхкавитации применялись при создании оружия:

— Это Российская подводная ракета «Шквал» способна развивать скорость до 200 узлов (около 100 метров в секунду) и крайне эффективна в борьбе с надводными и подводными кораблями.

— Германской антиторпедной ракеты Barracuda с подводной скоростью движения 200 узлов и выше, а также,

— новой иранской торпеды.

— В США была создана авиационная система быстрого разминирования Rapid Airborne Mine Clearance System, в которой вертолет отстреливал сверхкавитационные снаряды.

— Известны также специализированное личное оружие для подводной стрельбы – автомат Симонова АПС и подводный пистолет Heckler & Koch P11, которые стреляют стальными стрелами и используют эффект сверхкавитации.

Факторы сдерживающие применение кавитации и суперкавитации

Еще в декабре 2006 появилось сообщение:

Управление перспективных оборонных проектов Пентагона DARPA выбрало подрядчиков для проектирования так называемого «Подводного Экспресса» — сверхбыстрой перспективной подводной лодки, способной перемещаться под водой со скоростью до 100 узлов — свыше 150 км/ч. По сообщениям издания C4I Journal, компания Electric Boat (дочерняя фирма General Dynamics) и Northrop Grumman Electronic Systems получили контракты на общую сумму более $11 млн. (с опционным продолжением до $71 млн.). По заданию управления DARPA, разработчики должны обеспечить технический прорыв в области сверхкавитации – эффекта, связанного с обтеканием быстродвижущихся под водой тел пузырьками газа. По данным DARPA, сверхкавитация позволяет снизить сопротивление движению подводного объекта на 70%.

Но, прошло более 5лет, пока об результатах этой работы неизвестно. Хотя при малейшем успехе у американских компаний звон стоит изрядный.

Попробуем разобраться

Движение под водой в суперкавитационной паро-газовой оболочке снижает гидродинамическое сопротивление движению, за счет создания оптимального обтекания и снижения трения на границе раздела жидкость — паро-газовая оболочка.

Физика явления кавитации и суперкавитации говорит: — «нет проблем в достижении и применении этих эффектов, надо просто разогнать подводную лодку до скорости более 75 — 100 км/час».

Так ли это просто?

Практика показывает, что для достижения подводной лодкой скорости 30 узлов, в зависимости от ее размеров (лобового сопротивления), массы и других параметров, требуется мощность привода ходовых винтов более 35000 л.с. (35000 — 200000 л.с.). Для достижения скорости выхода на суперкавитационный режим нужна многократно большая мощность (более 10 раз).

Правда с помощью создания искусственной парогазовой оболочки можно снизить требуемое увеличение мощности энергоустановки для выхода на кавитационный до 3-5 раз.

Сопротивление движению в режиме суперкавитации снижается на 70% по сравнению с сопротивлением движению на той же скорости без паро-газовой суперкавитационной оболочки.

Но все равно, для современных АПЛ и аппаратов подобного водоизмещения (подводных танкеров), это мощности 100 — 1000 тыс. л.с.

Проблемы

Есть несколько проблем маячащих на горизонте при создании суперкавитационных скоростных подводных аппаратов.

Первая проблема

Это мощность двигательной установки.

Для достижения скоростей необходимых для выхода на скорости необходимые для перехода в кавитационный режим необходимы мощности многократно превосходящие мощности современных подводных аппаратов.

Поскольку технический прогресс идет в направлении увеличения мощности двигательных установок транспортных средств, можно предположить, что решение этой проблемы нас ожидает в близком будущем.

Вторая и наиболее важная проблема

Это движитель подводного аппарата движущегося в суперкавитационном режиме.

Та самая сверх кавитационная паро-газовая оболочка, которая помогает выходу подводного аппарата на сверхскоростной режим движения лишает его возможности отталкиваться от среды и двигаться. Поскольку винт оптимизированный для движения в воде попадая в воздушную (паро-газовую) среду почти полностью теряет свою тягу (работает в газовой среде), применение винта, как движителя, не допустимо.

Да и сам винт (его поверхности расположенные на максимальном расстоянии от оси его вращения) имеет линейную скорость приближающуюся к скоростям при которых возникает кавитация и не может служить движителем подводных аппаратов.

Из имеющихся сейчас движителей, только ракетный может работать при движении подводного аппарата в суперкавитационном режиме. Он и используется в существующих моделях таких подводных аппаратов — например ракетной торпеде Шквал.

Получается, что для движения в водной среде в суперкавитационном режиме нужен движитель с тягой создаваемой без взаимодействия с окружающей средой. пока таких двигателей нет.

Третья проблема

Управление подводным аппаратом движущимся в суперкавитационной каверне.

Та самая паро-газовая каверна, которая позволяет двигаться с огромными скоростями под водой лишает подводный аппарат связи со средой и воздействия на нее для создания управляющих движением моментов.

Получается для управления движением в нашем случае нужен управляемый вектор тяги. Управляемый вектор тяги известен и применяется в современной авиации и ракетной технике.

И самое последнее

Наличие в этом режиме движения среды многократно меняющейся плотности (твердая поверхность аппарата — > паро-газовая каверна -> плотная водная среда) не позволяет, при существующем уровне развития техники, поддерживать связь, контролировать курс и окружающее пространство, управлять аппаратом.

Так можно ли создать подводные аппараты со скоростью самолета?

Смею утверждать — можно!

Но, самое главное, для этого надо этого энергетическая установка с мощностью по крайней мере на порядок — несколько большей существующих. И возможно еще на порядок большими мощностями двигательной установки для обеспечения требуемой управляемости — ведь законы физики отменить нельзя.

Не менее важно, чтобы они имели движитель нового уровня, работающий без механического контакта с внешней средой, а для обеспечения управления подводным аппаратом движущимся в режиме сверхкавитации он должен иметь управляемый вектор тяги. И вполне возможно это совсем не движитель построенный на принципе реактивной тяги.

Вам это ничего не напоминает?

Одно можно сказать торпеда это реальность, а подводный обитаемый (да и автомат тоже) аппарат продолжительность плавания которого измеряется часами и сутками — это дело не года — пяти, а существенно более дальних времен.

И что самое главное, такие подводные аппараты смертельно опасны для всего живого на их пути!

Источник

Почему субмарина имеет более высокую максимальную скорость при погружении, а не на поверхности?

Удивительно, ведь при погружении сопротивление воды должно быть больше, чем при на поверхности

Но здесь стоит рассматривать две составляющие:
► Сопротивление или механическая сила, возникающая
при взаимодействии и контакт твёрдого тела с жидкостью
► Двигательная установка

Сопротивление воды это сложная проблема. Современные подводные лодки предназначены для работы при полном погружении, поэтому, возможно , они имеют меньшее сопротивление воды при таком варианте, чем на поверхности. Также возможно , что волны на поверхности добавляют больше сопротивления, чем дополнительная, покрываемая водой, площадь корпуса, при погружении.

В целом, удивительно, если бы под водой сопротивление было значительно ниже, чем на поверхности .

Движущая сила — это и есть главное преимущество , которое возникает при работе на глубине. Подводная лодка или корабль идут с помощью гребного винта, который отбрасывает воду назад.

Одним из наиболее важных ограничений, влияющих на винтовую производительность является кавитация. Кавитация — явление, происходящее, когда вода движется слишком быстро, вследствие чего падает давление и возникает пузырь , то есть пустота.

И это далеко не очень хорошо. Когда пузырь лопнет, он создаст ударную волну , способную повредить агрегаты. Кавитация для подлодки
представляет собой тройную проблему: уменьшает тягу, изнашивает узлы, создаёт неимоверный шум . Но это явление возникает только
в том случае, если движение винта в воде приводит к падению давления
до нуля.

По мере того, как субмарина погружается глубже, начальное давление растёт . Поэтому, если винт кавитирует на 5-метровой глубине, он может избавиться от этого недостатка на глубине 15 метров.

Источник

Электрический ток и его скорость

Жизнь современного человека полна комфорта. Сегодня мы имеем все блага цивилизации в свободном доступе. Главным достижением, которое совершенствовалось в течение долгого времени, является электрическая энергия, доступная практически в любой части мира. Мы привыкли к тому, что электроэнергия повсюду и задумываемся о ней лишь в тот момент, когда она внезапно пропадает. На самом деле явление электричества таит в себе много интересного, что желательно было бы знать каждому человеку.

Например, одним из вопросов, которым нужно задаться, является скорость электрического тока. Мало кто думал о том, как быстро зажжется лампочка, находящаяся в сотне километров от источника энергии. Этот вопрос актуален для населенных пунктов, которые находятся вдали от цивилизации.

Опытным путем учеными и исследователями было доказано, что электрический сигнал движется по кабелю со скоростью света, а именно 300 тысяч км/сек.

Важно отметить, что электроны и ионы в проводнике при этом движутся совсем не с такой скоростью. Они просто на просто не могут иметь столь высокую скорость в проводящем материале.

Под скоростью света в случае с электрическим током понимается показатель скорости, с которым заряженные частицы приходят в движение друг за другом, а не движутся относительно друг друга. Носители заряда при этом обладают средней скоростью, равной, как правило, нескольким миллиметрам за 1 сек.

Более подробно объясним данную ситуацию примером:

К заряженному конденсатору присоединяются провода большой длины, идущие к лампе, что находится на расстоянии около 100 км. Замыкание цепи происходит вручную. После этого носители зарядов приходят в движение на том отрезке провода, который подключен к конденсатору. При этом начинается покидание электронами минусовой обкладки конденсатора, следовательно, происходит уменьшение электрического поля в конденсаторе параллельно с уменьшением плюсовой обкладки.

Таким образом, между обкладками сокращается разность потенциалов. При этом электроны, пришедшие в движение, приходят на место тех, что ушли. То есть, запущен процесс перераспределения электронов внутри провода за счет влияния электрического поля. Данный процесс растет, как снежный ком, и переходит дальше по всей длине провода, достигая в итоге нити накаливания лампы.

Получается, что перемены в состоянии электрического поля распространяются внутри проводника со скоростью, равной скорости света. При этом происходит активация электронов в электрической цепи с аналогичной скоростью. Хотя сами электроны движутся друг за другом по проводнику с гораздо меньшей скоростью.

Теперь разберемся в явлении гидравлической аналогии. Рассмотрим это понятие на примере движения водного потока из пункта А в пункт Б.

Допустим, что из небольшого населенного пункта по трубе в город поступает вода. Для этого функционирует специальный насос, который повышает давление внутри трубы, и вода под влиянием давления движется гораздо быстрее. Малейшие перемены в давлении по трубе распространяются очень быстро (приблизительно 1400 км/сек). Скорость распространения данных перемен напрямую зависит от показателя плотности жидкости, ее температуры и степени оказываемого давления. Через совсем короткий промежуток времени (доля секунды) вода уже поступила в город. Но это уже совсем другая вода. Ведь молекулы в ее составе провоцируют движение друг друга из-за столкновений между собой. При этом скорость движения данных молекул гораздо меньше, ведь дрейфовая скорость имеет прямую связь с силой напора. То есть, столкновения молекул друг с другом распространяются очень быстро, а скорость одной молекулы при этом не увеличивается.

Абсолютно аналогичный процесс происходит с электрическим током. Проведем параллели: скорость распространения поля есть скорость распространения давления, а скорость движения молекул, следовательно, есть скорость электронов, создающих ток.

Дрейфовая скорость – это скорость последовательного движения заряженных частиц. Электронами данная скорость приобретается за счет действия внешнего электрического поля.

В случае, если внешнее электрическое поле отсутствует, то движение электронов внутри проводника происходит хаотично. Иными словами, конкретного направления у электрического тока нет, а дрейфовая скорость при этом нулевая.

При наличии внешнего электрического поля у проводника носители заряда приходят в движение, скорость которого зависит от ряда факторов (концентрация свободных электронов, площадь сечения провода, величины тока).

Таким образом, электрический ток имеет скорость распространения по проводнику равную скорости света. При этом скорость движения тока в проводнике – очень мала.

Вам будут интересны такие познавательные статьи, как:

Источник