Ako veci funguj a preo niekedy nefunguj RNDr

Ako veci fungujú a prečo niekedy nefungujú RNDr. Martin Plesch, Ph. D. Masarykova univerzita, Brno

Program p p p Jadrová bomba a jadrová elektráreň Vlaky a električky Vrtuľník Chladnička Vesmírny skafander Gule

Jadrové reakcie p Atóm sa skladá z jadra a obalu n p Jadro sa skladá z protónov a neutrónov n p Elektrónový obal je 100000 krát väčší ako jadro V jadre ich je približne rovnako veľa V jadre pôsobia základné sily n n n Gravitačná Elektromagnetická Silná

Jadro p Gravitačná sila je zanedbateľná n p Elektromag. sila pôsobí medzi protónmi n n p Hmotnosť častíc je malá Spôsobuje ich odpudzovanie Dosiahne ďaleko, aj krížom cez jadro Silná sila pôsobí na protóny aj neutóny n n Chová sa ako lepidlo, pôsobí na susedné častice Pôsobenie je veľmi silné

Veľkosť jadra p Malé jadrá držia dobre pokope n Optimum pri cca 16 častíc Pri veľkých jadrách stúpa elektromagnetické odpudzovanie, ale krajný protón je prilepený stále rovnako silno p Pri obrovských jadrách stačí málo (kopnutie okolo letiacou časticou) a rozpadnú sa p

Jadrová bomba p Dáme dokopy dostatok vhodne veľkých a nestabilných jadier n p p p Napríklad plutónium, urán (viď. Irán) Obalíme to konvenčnou bombou, ktorá to pri zapálení stlačí a zhreje Niektoré jadrá sa rozpadnú Ich úlomky (častice) rozbíjajú ďalšie jadrá

Ničivé účinky p Uvoľní sa veľa energie n n p Tlaková vlna zem zmetie Teplo zem vypáli Zostatky z bomby sú tvorené aj atómami, ktoré majú málo stabilné jadrá n n Jadrá sa postupne rozpadajú Okolie je rádioaktívne zamorené

Vodíková bomba p p p Ďalší level Najskôr vybuchne malá jadrová bomba Prvá časť spustí spájanie malých jadier n p Niekoľko guličiek drží lepšie ako dve – tri Má ničivejšie účinky v pomere k hmotnosti n n Vodík je ľahký Účinnosť rozpadu uránu je vyššia

Jadrová elektráreň p p p Chceme energiu získavať postupne Nechceme pritom zamoriť okolie Musíme udržať rozpad jadier pod kontrolou n n Toto je veľmi ťažké Zlyhanie kontroly rýchlosti jadrovej reakcie znamená katastrofu (Černobyľ)

Kontrolovaná reakcia p p Jadrové palivo musí byť čisté a z vopred známeho, presne definovaného zloženia Pri rozpade jadra sa uvoľňujú neutróny n n p Neutróny sú veľmi rýchle a zväčša „utečú“ mimo paliva skôr, ako stihnú rozbiť ďalšie jadro Ak ich vhodne spomalíme (grafit), zvýšime šance na úspešný zásah Požadovaný pomer je 1 rozpad = 1 zásah

Regulácia p p V reaktore sa striedajú tyče paliva (uránu) a tyče moderátora (grafitu) Ak tyče grafitu vytiahneme, neutróny sa nespomaľujú a reakcia spomaľuje n p p Zasunutie tyčí podporuje reakciu Tyče sú obtekané chladiacou vodou Celé je to zabalené v olove a betóne n Aby žiarenie zostalo vnútri

Výroba elektriny p p p Voda chladiaca reaktor je rádioaktívna Odovzdá teplo vo výmenníku „čistej“ vode Ďalej ako v tepelnej elektrárni n n p Vysokotlakové, stredno- a nízkotlakové turbíny Chladenie a kondenzácia kvapaliny Výkon jadrovej reakcie sa dá meniť len pomaly elektrárne zabezpečujú základný výkon do siete

Vlaky – trochu histórie p Už konské železnice mali vozne brzdené n n p Prvé lokomotívy brzdili len na svojich kolesách n p Skúste zabrzdiť vozík, ktorý ťaháte za sebou Je to náročnejšie ako ho rozbehnúť Vagóny mohli mať vlastného brzdára Neskôr sa zaviedla brzda na celú vlakovú súpravu

Čeľusťové brzdy

Kotúčové brzdy

Trochu teórie p p p Maximálna trecia sila je f je koeficient trenia koleso – koľajnica Maximálne spomalenie Násobok g Závisí len od f, ktoré je malé z princípu n n n Hladké koľajnice a kolesá znižujú trenie Obruč kolesa je extra tvrdá kvôli výdrži f<0, 1 pre mokrý povrch

Vlaky vs. električky p Vlakom pomalé brzdenie (až tak) nevadí n n p Zabezpečená trať Tiahle zákruty, dobre prehľadné Električka je v mestskej premávke n n n Nebezpečenstvo náhlej zmeny dopravnej situácie Jazda zo strmšieho kopca Predpisy požadujú a>2, 75 ms-1

Čo s tým? p Zvýšiť prítlak na koľajnicu n n p p Vírivé prúdy v koľajniciach Špeciálne brzdné systémy n p Zvýši sa efektívna hmotnosť vozu Tým sa zvýši brzdná sila aj spomalenie Zubačka Využitie odporu vzduchu

Elektromagnet medzi nápravami

Riešenie pre vlak

Ako to funguje p Variant 1 n n p Elektromagnet sa dotýka koľajnice a vytvára priame trenie Jednoduché, opotrebenie koľajníc a magnetov Variant 2 n n Elektromagnet len zvyšuje prítlak kolies Dá sa použiť aj pre rozbeh či brzdenie motorom (elektrodynamickou brzdou)

Vírivé prúdy p p p V kove pohybujúcom sa v magnetickom poli sa vytvárajú vírivé prúdy Vplyvom odporu zanikajú a tým brzdia pohyb Aj koľajnica je kov n n n Stačí nad ňou vytvárať vhodné MG pole Energia zostáva v koľajnici Treba vysoké rýchlosti (ICE vlaky v Nemecku)

Vrtuľník p Prečo má vôbec dve vrtule?

Analýza síl p Točiaca sa vrtuľa má veľký odpor vzduchu n p p Na to ju tam máme Ťahá vrtuľník nie len hore, ale ho aj roztáča v protismere vlastného točenia Druhá vrtuľa na chvoste pôsobí proti tomutu otáčaniu

Analýza síl

Tretia vrtuľa? p p p Zadná vrtuľa sa tiež otáča, vrtuľník je tlačený do protipohybu Podľa smeru otáčania zadnej vrtule ju to dvíha buď hore, alebo dole Tento pohyb je kompenzovaný správnou voľbou ťažiska n Okrem iného

Chinook

Dve vrtule inak p p p Obe vrtule sú vodorovné a dvíhajú vrtuľník Otáčajú sa proti sebe Vzniká iba sekundárny moment síl n n p Momenty síl sa kompenzujú, ale nepôsobia na jednom mieste Vrtuľník má tendenciu sa otáčať okolo vlastnej osi Je kompenzovaný nakláňaním lopatiek

Manévrovanie p p Základná konfigurácia umožňuje letieť, stúpať, klesať, otáčať sa Pohyb vpred a vbok zabezpečuje naklonenie vrtuľníka n p Na jeho dosiahnutie potrebujeme mať možnosť nakláňať lopatky vrtúľ, prípadne celé vrtule Na bojových strojoch sa niekedy montujú špeciálne motory na pohyb vpred

Chladenie a klimatizácia p Teplo sa dá vyrábať z čistej energie n p Chlad sa nedá vyrobiť, treba odčerpať teplo n n p Elektrina, plyn, uhlie. . . Na to znova treba energiu O to viacej tepla treba čerpať Historicky sa využíval rozdiel teplôt v lete a v zime n Zásoby ľadu v ladárňach

Expanzia plynu p p Stavová rovnica p. V=Nk. T Pri zmenšení tlaku narastá objem, alebo klesá teplota, alebo oboje n p p Opačne, pri stlačení plynu klesá objem a stúpa teplota Stlačím plyn, oteplí sa, ochladím ho vonku, prenesiem dnu, nechám expandovať Reálne je to oveľa zložitejšie

Fázový diagram

Vyparovanie a kondenzácia p Využitie výparného tepla n p Teplo potrebné na vyparenie látky Oveľa (rádovo) viac tepla na objem n n n Stlačím plyn, oteplí sa Ochladím ho, skondenzuje na kvapalinu Kvapalinu prenesiem Nechám je odpariť, ochladí sa Plyn zoberiem von

Technologické obmedzenia p Chladiace médium n n p Transport chladu na dlhé vzdialenosti (klimatizácie) problematický n p p Vysoké teplo odparovania, vhodné tlaky a teploty pre kvapalnú a plynnú fázu Dlho sa používali freóny, stále sú najlepšie Používa sa studená voda Problematická regulácia Kompresor je vždy hlučný

Alternatívne prístupy p Kondenzačná chladnička n n n p Kompresor je nahradený ohrievacím prvkom Neefektívne, tiché, pracuje aj na plyn Hotelové chladničky, plynové chladničky Peltierov jav n n n Ak tečie prúd cez rozhranie dvoch kovov, jednu časť zahrieva a druhú chladí Neefektívne, jednoduché, blbuvzdorné Použitie: autochladničky, chladiče procesorov

Skafander do vesmíru p Potrebujeme zabezpečiť n n n p Tlak Dýchanie Teplo a chlad Ochrana pred žiarením Ľudské potreby Ak čokoľvek zlyhá, ide o život komplikovaný systém

Vzduch p p V skafandri je stále rovnaký vzduch Kyslík sa dodáva z kyslíkovej fľaše Oxid uhličitý sa absorbuje na absorbéri Voda sa extrahuje v kondenzačnom systéme

Teplo a chlad p Spodné prádlo je vybavené sústavou rúrok, v ktorých prúdi kvapalina n p p Chladí alebo ohrieva kozmonauta Ohrev je zabezpečený elektrinou z batérie Chlad je zabezpečený odparovaním časti skondenzovanej vody

Ochrana pred radiáciou p p Materiál skafandra zabraňuje prestupu vysokoenergetickej radiácie Okuliare, resp. štít sú viacvrstvové a špeciálne upravené

Ľudské potreby p p Špeciálna forma plienok Malá potreba sa zachytáva, filtruje a ďalej používa ako iná voda n p Zväčša až na domovskej stanici Veľkú potrebu musí vydržať

Výstup do vesmíru

Gule p p Čo sa stane, ak o seba udieram dve veľké, ťažké, tvrdé oceľové gule? A čo sa stane, keď dám medzi ne papier? n n Mokrý papier? Alobal? Papier s alobalom? Prst?

Gule p p p Vzduch v papieri nestíha uniknúť, stláča sa Pri stlačení sa prudko ohrieva Papier sa môže zapáliť V mokrom papieri urobí dieru unikajúca voda Alobal nemá v sebe vzduch ani vodu Pri kombinácii alobalu a papiera alobal horí