Rozmowa - część I

Henryk Doruch – Tu jest tłok – sprężyna pneumatyczna [A], są też zapadki, które zostawiają układ w takim stopniu sprężenia, do jakiego został ściśnięty. Dalej [w lewo] jest tensometr (wykorzystaliśmy tensometry z elektronicznej wagi łazienkowej, bo tensometr przemysłowy kosztował dużo więcej, a te dwa połączone w szereg dają dość dobry układ pomiarowy). Siłę mierzymy poprzez układ przetwornika analogowo-cyfrowego na laptopie. Na czym polega pomiar: puszczam lokomotywę z pochylni z pewnej wysokości [wózek najeżdża na tłok, zderzając się z nim w punkcie B, mechanizm rozpędza koło zamachowe C] i teraz ten wirniczek się rozkręca. Hamowanie polega na rozkręceniu wirnika. Teraz mamy zdemontowany czujnik obrotów, bo ten który był, miał za duże opory aerodynamiczne (to była taka ponacinana tarczka).

Tutaj włączyliśmy jeszcze miernik przeciążeń [na końcu białego kabla, w górnej części wózka], akcelerometr piezoelektryczny, z tym że on ma zbyt duże pasmo przenoszenia i reaguje na wszelkie drgania łożyska, uderzenia zęba o ząb, więc widzi większe przeciążenia, niż występują rzeczywiście.

Wózek ma prawie 10 kg. Obroty wirnika, jakie mierzyliśmy poprzednio, osiągały 6 tys. obrotów na minutę już po 1/4 obrotu. Droga hamowania jest do 5 cm. To koło zębate w wózku [E] jest duralowe, pokryte we Francji diamentem (żeby zmniejszyć opory); wirnik [C,D] jest stalowy. Wszystkie elementy trące, powodujące, że energia zamienia się w ciepło, dają siłę hamowania newtonowską (masa razy przyspieszenie ujemne). Natomiast przekaz energii kinetycznej wózka do wirnika jest w zasadzie bezsiłowy. Ten model ma przełożenie przekładni tylko 1:5, i to niestety pozwala, przynajmniej teoretycznie, tylko pięciokrotnie zmniejszyć siły hamowania i przeciążenia.

Poniższy schemat pochodzi z "Energetycznej natury mechaniki".

Schemat ten nie w pełni odpowiada modelowi przedstawionemu na zdjęciach: do pomiarów używano tłoka [A] przymocowanego nieruchomo do przeszkody, natomiast w punkcie [B] zamontowano widoczne na zdjęciu zderzaki. Stało się to przyczyną przerwania pomiarów:

H.D. – Teraz musieliśmy przerwać pomiary – taki błąd ideowy: część energii pozostaje tutaj wciśnięta w tej sprężynie pneumatycznej [A]. I ta część jest pochłonięta klasycznie: energia kinetyczna przechodzi w potencjalną, więc siły hamowania i przeciążenia są w tym układzie większe, niż powinny być. Tłok musi być zamontowany do wózka [jak na schemacie], ale ponieważ to jest układ długi, zaczepiałby o podłoże zjeżdżając z pochylni. Zamierzamy to przerobić, tutaj chcę dać parę mocnych magnesów, czyli sprężynę o charakterystyce kwadratowej – optymalna jest kwadratowa, bo energia kinetyczna wirnika rośnie z kwadratem obrotów; chodzi o to, żeby póki wirnik jest nierozkręcony, ma jakiś moment bezwładności, a energii nie odbiera. Więc początkowo pcha ten wirnik duża siła, a energia nie jest odbierana, jest gromadzona w gazie lub polu magnetycznym, dopiero potem, jak się wirnik rozkręca, ten gaz energię oddaje.

Jakub Wróblewski – Czy dobrze rozumiem: gdyby tę sprężynę [A] połączyć z wózkiem, to wtedy efekt byłby inny, niż teraz?

H.D. – Lepszy. Tutaj energia jest gromadzona, poza tym lokomotywka się odbija. Znaczna część energii jest tracona.

J.W. – No dobrze, a jak sprężyna będzie przy wózku? Na czym polega różnica?

H.D. – Jeśli byłaby tutaj, początkowo będzie się ściskała, a potem, jak wirnik zaczyna się rozkręcać i ta listwa [G] ucieka, to sprężyna się rozpręża i oddaje energię.

J.W. – To tak samo, jak teraz.

H.D. – To nie jest to samo.

J.W. – W momencie kiedy one się zderzają [w punkcie B], to sprężynę można by w tym momencie szybko przykręcić śrubami do wózka, a z drugiej strony przeciąć i efekt powinien być ten sam.

H.D. – Proszę zobaczyć: w czasie, kiedy ta lokomotywa ściska tłok, już wirnik więcej energii nie pochłonie [skończyła się zębatka E], a tłok się w dalszym ciągu ściska, lokomotywa jedzie dalej i po chwili jest odbijana z powrotem. I siła sumaryczna, którą mierzę tym tensometrem, to jest jeden impuls – rozpędzanie wirnika, i drugi – odpychanie wózka. On normalnie powinien jechać i przykleić się bez odbicia. Na przykład ten samochód, maluch, przy prędkości paręnaście metrów na sekundę, jedzie i odbija się 5-10 cm po uderzeniu w ten cały układ.

J.W. – A co by było, gdyby zamiast tego wirnika zamontować taką zwiniętą zegarkową sprężynę z zapadką, żeby ona stawiała mniej więcej taki sam opór, jak to koło przy rozkręcaniu?

H.D. – Ale tu znowu zamieniamy energię kinetyczną w potencjalną.

J.W. – To znaczy efekt byłby inny?

H.D. – Byłoby to klasyczne newtonowskie hamowanie. Efekt byłby inny. Wtedy siła równa się masa razy przyspieszenie ujemne.

J.W. – I to samo z energią w tłoku, energią podnoszonego ciężarka...

H.D. – Tak. Natomiast jeśli energia kinetyczna z jednego obiektu jest przerzucana, transferowana (ja nie wiem, co to jest energia kinetyczna) do drugiego obiektu, to nie ma zjawiska hamowania. Jest tylko przeniesienie energii, czyli ta lokomotywa się nie zatrzymuje, ona jedzie dalej – tutaj [w wirniku]. Energia przesiada się do małej masy o dużej prędkości.

Tu jest zamontowany czujnik przeciążeń. Teoretycznie to się nazywa akcelerometr, bo normalnie przeciążenie i przyspieszenie jest synonimem. Ale u nas jest miernikiem przeciążeń, a nie przyspieszeń. Przyspieszenie ujemne jest dużo większe, niż wielkość przeciążenia. Wielkość przeciążenia w naszym przypadku powinna być, teoretycznie, pięciokrotnie mniejsza, niż ujemnego przyspieszenia, a praktycznie wychodziła nam trzykrotnie mniejsza. Niedużo, ale to mimo wszystko bardzo dużo! Zmniejszenie przeciążeń w konstrukcji samochodu o 5-10% to wielkie osiągnięcie technologiczne.

Wspominałem panu o tej windzie w Kowarach. Woziłem tam miernik przeciążeń na długim kablu; ktoś, kto nią jechał, trzymał go w ręku, bo jak był zamocowany do windy, to zakłócenia wynikające z jazdy po torach były dużo większe, niż przeciążenie przy hamowaniu. Winda spadała z wysokości metra do trzech metrów, rejestrowano przeciążenia poniżej 1 g przy zatrzymaniu na drodze kilkunastu cm. To jest szokujące wrażenie, sam spadałem w windzie z wysokości metra na siedząco, spodziewa się człowiek jakichś ewidentnych uszkodzeń i nagle zdziwienie, szok, żadnych dużych sił hamowania.

J.W. – Przyglądam się temu układowi i się zastanawiam, czy dałoby się zrobić taki eksperyment, w którym lokomotywka zatrzymuje się na dokładnie tej samej drodze raz z zastosowaniem wirnika, a raz bez niego?

H.D. – Jak najbardziej. Tylko ten tłok nie jest optymalny do hamowania klasycznego – początkowo siła jest niewielka, potem rośnie. Całka będzie ta sama, ale amplituda – i przeciążenia – ogromne. Optymalne hamowanie newtonowskie jest wtedy, gdy siła jest stała. Idealne amortyzatory lotnicze to frez ścinający materiał zawsze z tą samą siłą. Jednorazowe, ale bardzo skuteczne. Albo układ hydrauliczny ze stałym oporem przepływu cieczy. Ja nawet zrobiłbym do tego wózka prosty układ cierny, ale po co robić coś takiego, co jest znane? Przecież wszyscy wiedzą, że jak jest taka prędkość, taka droga hamowania, to przeciążenie będzie takie. Natomiast tutaj – przeciążenia są dużo mniejsze, niż by to wynikało z przyspieszenia.

J.W. – Najbardziej wiarygodnym testem byłoby nie porównywanie tego z wynikiem teoretycznym, tylko z pomiarem na tym samym układzie, ale bez wirnika. Wiadomo, że teoria tych wszystkich oporów nie uwzględni.

H.D. – No tak, ja wiem, tylko muszę zrobić ten układ cierny. Tutaj niestety widać, że różnych oporów jest dużo, choćby aerodynamicznych. To jest układ daleko nieidealny. Im mniejszy model, tym procent strat na tarcia będzie większy. Samochód byłby dużo lepszy.