Скачущие биметаллические диски. Научные игрушки

Подробности

Обновлено 14.06.2021 19:31

04.2012

">

А у Вас нет такой прыгающей штучки?
Но, об этом чуть позже ...

Биметаллические пластины в настоящее время широко применяются в различных бытовых и промышленных устройствах, например, в термометрах и термовыключателях, а также в детских игрушках.
В первой половине 18-го века, английский часовщик Джон Харрисон (1693-1776) изготовил очень точные часы. В них он использовал биметаллические полоски, с помощью которых компенсировал влияние изменения температуры на точность хода часов.

Так выглядит, например, биметаллический термометр. Внутри него установлена биметаллическая спираль. Спираль показана рядом с увеличением

">

При снижении температуры в вашем доме биметаллические пластины в термостате включают обогреватель. Таким образом, комнатная температура остается неизменной.

В автомобиле металлический диск из биметалла открывает или закрывает клапан в радиатор, поэтому вода остается примерно одинаковой температуры, что способствует хорошей работе двигателя.

Широко применяются биметаллические диски в котельных в качестве прерывателей при достижении необходимой температуры в водяных котлах.

Принцип действия биметаллической пластины довольно прост. Когда две металлические пластины из разных металлов с различными коэффициентами теплового расширения накладывают друг на друга и соединяют вместе, то при изменении температуры происходит искривление поверхности пластины в ту или иную сторону.

">

Рассмотрим обычные круглые биметаллические диски диаметром от 1 до 3 см, состоящие из комбинации двух определенных металлов: стали и инвара(железо-никелевого сплава).

Сталь имеет относительно большой коэффициент теплового расширения, а коэффициент расширения инвара в 10-20 раз меньше, чем у стали.

Если положить такой диск стальной стороной вверх, то при низкой температуре диски будут иметь вогнутую форму, а при высокой температуре происходит деформация диска и он примет выпуклую форму.

">

Деформация диска (пластины) происходит резким скачком. При изменении формы диска возникает механическая сила упругости, которая подбрасывает лежащий диск вверх. Если биметаллический диск или пластина установлены в каком-либо устройстве, то возникшей при деформации силы достаточно для срабатывания механического переключателя или замыкания электрического контакта.

Подбирая металлы при изготовлении такого биметаллического диска, можно варьировать температуру, при которой произойдет изменение формы диска, а следовательно, использовать эти диски в совершенно различных устройствах.
Толщина одного слоя биметаллической пластины составляет примерно 0,15 мм, а вся пластина будет иметь толщину 0, 3 мм.

Вот таким образом выглядит скачкообразный процесс изменения формы диска. Красная точка – это центр тяжести диска в разных положениях.

">

Ниже представлена качественная характеристика деформации биметаллического диска в зависимости от температуры. Черным цветом обозначен стальной слой пластины, красным – инварный.

">

Переход между двумя температурами дает выраженный гистерезисный эффект.

При высокой температуре происходит скачкообразный перегиб диска на общую высоту 2hs. Так, например, при проведении данного эксперимента температура Тus соответствовала примерно 30 градусам Цельсия, температура Tos была выше 100градусов.

Однако, сильное нагревание биметаллической пластины, например, газовой горелкой, приводит к тому, что биметаллический диск перестает срабатывать. Это объясняется свойствами инвара, который безвозвратно меняет свои механические свойства при сильном нагревании.

Исходя из формулы скорость = корень квадратный из 2gh, начальная скорость диска при подскоке достигнет 3.5 м.
Интересно стартовое ускорение диска, которое можно рассчитать разными способами. Вот один из них:
чтобы перегнуть диск пальцами требуется сила около F= 34 Н.
Если эта силу использовать для расчета ускорения диска, то оно будет составлять
a = F/m = 34H/0,001235 кг = 27530 м/с2 (где g=10 м/с2)
Это составит десятую часть ускорения пули.

Биметаллические диски уже давно продаются как детские игрушки. А сколько веселых игр придумано с этим диском ( не только для детей, но и для «оффисного использования»)!


Прыгающий диск – игрушка

Возьмите плоский диск в руку и начните растирать его пальцами. Через некоторое время температура диска повысится до 30-40 ° C, и он изогнется. Далее быстро положите диск на более холодную жесткую поверхность (например, на комнатный стол) вогнутой стороной вниз. Через некоторое время, температура диска снизится, и, изменяя свою форму, он подпрыгнет!
В зависимости от подобранных металлов и размеров диска меняется температурный интервал и высота подскакивания диска. Так температурный интервал можно подобрать всего лишь от комнатной температуры до температуры тела человека, а высота подпрыгивания диска может достигать даже нескольких метров!

Существуют игрушки-прыгающие диски с термоиндикацией, которые в зависимости от степени нагрева могут менять свой цвет.
Когда диск нагрет в руках, он будет иметь любой цвет (синий или зеленый), но отличный от черного. После того, как Вы «зарядили» диск, поместите его на гладкую твердую поверхность. Диск начнет остывать, его цвет будет меняться.

">

Остывая, перед подпрыгиванием диск начинает чернеть. Когда диск станет черным, это значит, что он сейчас сделает прыжок. Теперь Вы сможете «предугадать», когда диск прыгнет.
У этих прыгающих дисков даже можно «перенастроить» температурный режим, если допустим, окружающая температура воздуха очень высокая – «жара, как в Африке».

Вы можете подшутить над кем-нибудь, положив такой диск перед человеком и посмотреть на его реакцию, когда диск подпрыгнет вдруг высоко вверх.

Световые качели

">

Еще одна игрушка, где применяется биметаллы - это световые качели.
Здесь установлена биметаллическая спираль, которая находится на одном стержне с красным шариком. При разогреве огнем свечи происходит срабатывание биметаллической спирали, шарик перекидывается с одной стороны на другую, качели меняют крен. При этом спираль меняет свое положение, выходит из пламени свечи и начинает остывать, при достижении нижней температуры опять происходит срабатывание спирали, перекидывание шарика, крен качелей в другую сторону. И снова спираль – в пламени свечи!
Эту игрушку можно настраивать, меняя положение фигурок и шарика.


Звонок со свечным биметаллическим приводом

">

В латунном цилиндре высотой примерно 20 см классическая биметаллическая пластина нагревается пламенем свечи. В результате срабатывания пластины меняется положение ударного элемента – шарика и раздается мелодичный звук удара.

">

Из-за трепетания пламени частота ударов и тоны звуков меняются. Для полноты эффекта звуки сопровождаются мерцающим свечением из цилиндра.

Источник: журн. "Phys. Unserer Zeit"