LAILA LØSET Agathe

Transkript

1 LAILA LØSET 2006 Agathe 1

2 INNHOLD TRANSPORT Transport på landjorda Bilen og dens mange funksjoner..3 Transport på havet Transport i lufta Båter.30 Ballonger..46 Fly.50 Helikopter.61 2

3 Bilen Bilmotor De fleste av dagens biler har 4 takts bensinmotor. Noen har dieselmotor og andre typer drivstoff er under utprøving. Elektrisk bil Trenger ikke sylinder og stempel Mye enklere motor enn bensinmotoren og er fullstendig forurensningsfri. Ugunstig: Lavere toppfart. Må lades opp med jevne mellomrom. Det tar lang tid. Hybridbil Har både bensin- og elektrisk motor. Bensinmotoren er tilknyttet en energideler. En del av energien går til en generator. Så lenge bensinmotoren går brukes den energidelen til å lade opp batteriet. I unnabakke vil bensinmotoren bli koblet ut og hjulenergi går gjennom motoren og lader opp batteriet. Ved akselerasjon kan begge motorer tilkobles. 3

4 Bilens indre Bensintank Omtrentlig plassering av en del av bilens indre deler Differensial Overføring Trommelbrems (vanligvis) Ratt og styring Luftfilter Skivebrems Motor Skivebrems Vifte Batteri 12 V Radiator 4

5 Stempelmotor Konverterer opp-ned bevegelse til rotasjon. Prinsipp Stempel Overføringsarm Stemplet og svinghjulet er koblet sammen med en leddet overføringsarm. Festet på svinghjulet er på siden slik at hjulet går rundt når stemplet går opp og ned. Overføringsprinsippet kan brukes begge veier, man kan dreie hjulet og få noe til å gå opp og ned f eks et vannhjul som driver en oppgangssag. Svinghjul I en stempelmotor er det drivstoffet som driver stempelbevegelsen. Svinghjulet har stort treghetsmoment som bidrar til å opprettholde jevn bevegelse RPM Omdreininger pr. minutt. Farten bestemmes av størrelsen på delene. Store motorer her RPM (Lokomotiv og store skip) De minste over RPM ( modellfly) 5

6 Stempelmotor Fordeler og ulemper Det er lett å regulere RPM, motorene er relativt billige å produsere og reparere. Stempelmotoren har lav effekt ca % effekt så energitapet er meget stort: Hvert stempel produserer lite energi slik at store motorer må ha mange sylindre så da blir de ganske dyre likevel og det blir mange bevegelige deler. Små motorer med stor RPM har ofte et kort liv Dessuten er brenslet dyrt. Smøring Alle bevegelige deler må smøres kontinuerlig for å motvirke slitasje pga friksjon. Små motorer bruker gjerne oljeblandet bensin. Større motorer har oljepumper som fordeler olje til de bevegelige deler. Startsystem For å starte en stempelmotor må svinghjulet dras i gang. Små motorer startes med tau som er festet til svinghjulet som vi drar med håndkraft. I gamle dager ble bilmotorene sveivet i gang, nå startes de med en egen startmotor. ( se s 27 ) 6

7 Kjølesystem Pga det store energitapet i motoren utvikles det mye varme, så motorene må ha et kjølesystem for å holde temperaturen under kontroll. Små motorer har ofte luftkjøling i form av en vifte som er festet på svinghjulakselen. Bilmotorer har også vannkjøling en pumpe sirkulerer vann rundt motorblokka og tilbake til radiatoren hvor det blir avkjølt. Varmen som vannet avgir kan brukes til å varme opp kupéen. Radiator Vannpumpe Motorblokk Viftereima er viktig. Den drar dynamo og vannpumpe. Dynamoen lader batteriet (se s 18) Veivaksel På nyere biler sitter vifta på radiatoren og er termoststatstyrt Viftereim Dynamo Vannpumpe 7

8 4 takts bensinmotor 2. takt -- kompresjon 1. takt -- innsuging Innsugingsventilen er åpen begge ventiler er stengt En blanding av bensin og luft suges inn i sylinderen når stemplet beveger seg nedover Stemplet beveger seg oppover gassblandingen blir presset sammen 3. takt -- forbrenning 4. takt -- utblåsing Utblåsingsventilen åpnes En gnist fra tennpluggen har antent gassblandingen og stemplet drives nedover Eksosgassen blåses ut av sylinderen når stemplet beveger seg oppover igjen 8

9 Dieselmotor Virker etter selvtenningsprinsippet. For at drivstoffet skal selvantenne må trykk og temperatur være tilstrekkelig høyt. Dieselinnsprøytningsventil Luftinntak Innsprøyting og Kompresjon Forbrenning Eksosutblåsing Avviker fra bensinmotor ved at sylinderen inneholder kun luft under kompresjonen. Kompresjonsforholdet er særdeles høyt 1 : 22 Lufta får da meget høyt trykk og temperatur.. Diesel sprøytet inn og selvantenner; motoren har altså ikke tennplugger. Dieselmotoren bygges både som totakt- og firetaktmotor. Totaktmotorer kan være veldig store og brukes i hovedsak til større båter. Mindre dieselmotorer er vanligvis firetaktmotorer og brukes i mindre båter og i biler. En turbodieselmotor har en gassturbin som utnytter energien i avgassen til ytterligere kompresjon av lufta slik at motorens ytelse øker. 9

10 Ventilene Innsugventil Tennplugg Utblåsingsventil Innsugventilen åpnes når stemplet er på topp. Når stemplet går nedover vil trykket i brennkammeret avta og bensin/luftblanding fra forgasseren trekkes inn. Brennkammer Stempel Åpning og lukking av ventilene styres mekanisk av eksentriske skiver som er festet på en kamakselen. Akse arket Eksentrisk skive Fjær På ventilene sitter en fjær som presses sammen når ventilen åpnes. Fjæra presser ventilen oppover når den retter seg ut og bevirker at ventilen stenges når den skal. Ventilen er åpen Ventilen er lukket 10

11 Wankelmotor Wankelmotor er en spesiell type rotasjonsmotor, oppkalt etter sin oppfinner. Den har en trekantformet rotor som dreier inni et ovalformet stempelhus. Innsuging Utblåsning Forbrenning Kompresjon Har de samme 4 takter som stempelmotoren, men all bevegelse er sirkulær. Fordelen med det er at den har færre bevegelige deler enn stempelmotoren fordi det ikke trengs å overføre opp/nedbevegelse til rotasjon. Derfor har den lettere vekt og gir mindre vibrasjon. Det er også mulig å øke effekten ved å øke størrelsen. Mange typer drivstoff kan brukes. Wankelmotoren egner seg likevel ikke så godt til bil fordi den er mest effektiv hvis den løper på samme RPM over lengre tid. Dessuten er den dyrere å produsere enn stempelmotoren og dyrere i drift. Flere bilprodusenter har forsøkt å videreutvikle wankelmotoren så den skal egne seg bedre til biler, men har hatt liten suksess hittil. Det er vissnok bare en bil som bruker slik motor for tiden og det er en utgave av Mazda. 11

12 Tennpluggsystemet Her ser vi hele tennpluggsystemet. (Coilen og kamskiva blir forklart spesielt på de følgende sider.) Coilen Strømfordeler V 2 4 Sekundærspolen (høyspenning) er koblet til en strømfordeler. Bryteren (blå) dreier rundt og kobler inn tennpluggene etter tur. 12

13 Coil Coilen er en transformator hvor sekundærspolen ligger inni primærspolen. Poenget med coilen er å skaffe høy spenning til tennpluggene. Det er en jernkjerne inni spolene (ikke tegnet) Høyspenning koblet til fordeleren Lavspenning Koblet til batteriet Sekundærspole Primærspole Batteri 12 V Primærspolen (P) er koblet til batteriet og får dermed 12 V Sekundærspolen (S) er koblet til tennpluggene. Fordi S har mange flere viklinger enn P blir spenningen i S >> 12 V Stor nok til å gi gnister. Tennpluggen sitter øverst i stempelsylinderen og har til oppgave å gi en gnist når drivstoffet er maksimalt komprimert. Når tennpluggen får høy spenning slår en gnist mellom de to stiftene. Stifter 13

14 Kamskiva For å få indusert spenning i coilens sekundærspole må vi ha vekselstrøm, mens bilbatteriet gir likestrøm. Når vi har likestrømsbatteri kan vi få vekselstrøm ved å slå strømmen raskt av og på. Til dette bruker vi kamskiva. Den roterer med motoren og pga den spesielle formen slår den strømmen av og på. Når vi har firesylindret motor må kamskiva være firkantet. Til fordeler Coilens S-spole Coilens P-spole 12V Kontakt lukket strøm i primærspolen Kontakt åpen ingen strøm i primærspolen Batteri 12 V 14

15 Forgasser Regulerer tilførsel av drivstoff. Drivstoffet forstøves og blandes med luft. Forgasseren er koblet til motoren med en manifold som er et forgreningsrør som fordeler drivstoffet til motorens sylindre. Motoren trenger forskjellig drivstoffblanding ved kald motor, tomgang, akselerasjon og jevn kjøring. Derfor har forgasseren flere dyser og flere spjeld som regulerer dette. Luftinntak Drivstoffinntak Choke er et spjeld som regulerer luftmengden i gassblandingen. For start på kalde dager trengs det mer bensin i blandingen, og spjeldet stenges delvis slik at mindre luft slipper inn. Bensin blandes med luft Moderne biler har ikke choke. Bensinmengden reguleres elektronisk. Spjeld Dreining av spjeldet regulerer drivstoffmengden Gassblanding til manifold og motor 15

16 Drivstoff Bensinpumpe Bensinpumpe Til forgasser Bensinmåler på dashbordet Bensinfilter Flottør Bensintank Flottøren flyter på bensinens overflate og dens posisjon kan registreres og overføres til bensinmåleren som viser nivået i tanken. Vindusspyler Kuleventilene A og B åpner når trykket under blir større enn trykket over og lukker når trykket over er størst Bilvindu Stempel Når stemplet trykkes inn øker trykket i sylinderen B lukker og A åpner Spylevæske går gjennom ventilen og spruter på vinduet. A Når vi slipper vil fjæra bringe stemplet mot høyre Trykket inni sylinderen avtar A lukker og B åpner spylevæske kommer inn i sylinderen fra kontaineren. B Fjær Kontainer med spylevæske 16

17 Hjuloppheng Til hjulopphenget er koblet støtdemper og fjæring som har til oppgave å dempe bevegelse som skyldes ujevnheter i underlaget og sikre stabil veikontakt. Dette er viktig for at styring og bremsing skal fungere. Dessuten gir det også økt kjørekomfort. Differensialen Hydrauliske støtdempere Skruefjær Fjær og støtdemper er festet til karosseriet. Ved dumper i veien blir de presset sammen. Støtdemperen sørger for at fjæra ikke blir satt i svingninger. Ellers ville hjulet hoppe flere ganger. 17

18 Bilens elektriske system Et bilbatteri er av typen blyakkumulator og består av 6 celler hver på 2 V. Batteri 12 V En blyakkumulator kan holde mye ladning og kan dermed gi meget høy strømstyrke. Den forsyner starter, lys og vindusviskere med strøm. Starteren trenger meget høy strømstyrke i en kort periode. En blyakkumulator er oppladbar og batteriet lades opp under kjøring vha en dynamo. En dynamo består av en spole (rotor) og en fast magnet (stator). Rotoren dras rundt av viftereima. Når en spole roterer i et magnetfelt, blir det strøm i spolen. Denne strømmen brukes til å lade opp batteriet. (Prinsipptegning neste side.) Viftereima går rundt med veivakselen og drar dynamoen rundt. (og vannpumpa) Veivaksel dras rundt av motoren Hvis viftereima blir slak, vil den slure og vi får for lite strøm. Dynamo Til batteriet 18

19 Dynamo Rotoren er en spole med mange viklinger ( Bare en er tegnet her). Dreieakse N S Magnet Rød ledning er festet til rød ring og blå til blå Glidekontakt. Børster (grønne) ligger an mot ringene (rød og blå) som roterer med rotoren N S En halv omdreining senere. Røde piler viser at strømmen har skiftet retning. Det skjer to ganger på hver runde. Vi får vekselstrøm. 19

20 Hydraulisk prinsipp F 2 F 1 To væskefylte sylindre med forskjellig diameter er forbundet med et rør. Det er da like stort trykk i hele systemet. Trykk er definert slik kraft trykk flate Hvis eksempelvis arealet av det store stempelet er 10 ganger så stort som arealet av det lille får vi en kraftforstekning F 2 = 10F 1. Det betyr også at vi med en viss kraft F 1 kan løfte en last med tyngde 10F 1. Bilens bremsesystem utnytter det hydrauliske system til kraftforsterkning. Når vi trår på bremsen trykkes stemplet inn i mastersylinderen. Dette gir trykkøkning væsken og dermed i hele rørsystemet inkludert slavesylinderene som dermed aktiverer bremsene. Bremsekraften blir forsterket ved at slavesylinderene har større areal enn mastersylinderen. Bremsevæske Bremsepedalen fungerer som vektstang og gir dermed en viss kraftforsterking. Kobles til skive/trommelbrems Mastersylinder Slavesylinder Rørsystem Moderne biler har også mer sofistikerte bremseforsterkingssystem. 20

21 Skivebrems En metallskive er festet til hjulet og roterer sammen med det. Når bremsen aktiveres presses to bremseklosser mot skiva.. Mastersylinder x Fra bremsepedal Bremsekloss 3x Mastersylinder har diameter x og slavesylinder har 3x. Da er forholdet mellom arealene 9 og kraften på bremsen blir 9 ganger kraften på mastersylinderen. Bremseskive S y Slavesylinder Mastersylinder 4y Bremsen er en vektstang som har akse i S. Mastersylinderens arm er y og pedalens arm er 4y. Da er forholdet mellom armene 4 og dermed er kraften på mastersylinderen 4 ganger kraften på pedalen. Bremsepedal 21

22 Trommelbrems Bremsesko Bremsebelegg Her er bremsene er aktivert. Fjær Slavesylinder Fjæra trekker bremseskoen tilbake når bremsen slippes. Bremsevæske strømmer inn i slavesylinderen og presser bremseskoene fra hverandre slik at de sklir mot hjulet. Bremsebelegget gir god friksjon Det er vanlig med skivebremser på forhjul og trommelbrems på bakhjul. Bremseforsterkning fungerer likt på begge typer bremser. Moderne biler har i tillegg servo på bremsene som gir ytterligere forsterkning. 22

23 Bremsesystemet Bremsene er koblet sammen i to kretser med tre hjul i hver. Skulle den ene kretsen ryke, får vi likevel god bremseeffekt. Trommelbrems Bremsekrets 1 Skivebrems Bremselys Mastersylinder Bremsekrets 2 Bremsepedal og håndbrems er koblet til mastersylinderen som er koblet separat til de to bremsekretsene. Bremsene er også koblet til en bryter som slår på bremselysene automatisk. 23

24 Differensial Differensialen er en mekanisme som tillater maskindeler som er forbundet med hverandre å ha ulik rotasjonshastighet. Når vi kjører i en sving vil da det innerste hjulet kunne rotere langsommere enn det ytterste samtidig som hjulene trekker med samme kraft.. En ulempe ved differensialkonstruksjoner er at det ene hjulet lett kan spinne i løs sand eller glatt føre. Dette kan motvirkes med såkalte differensialsperrer. Differensialen er bygd opp av disse delene: Solhjul Pinjong Planethjul Mellomhjulaksel Kronhjul Planethjulene er koblet sammen med et solhjul på hver side. Det kan roterer om egen akse og samtidig ha uavhengig sirkelbevegelse. Solhjulene er koblet til hver sin del av bakakselen. 24

25 Slik virker differensialen Fra motor Overføring av kraft fra motor gjennom koniske tannhjul med en felles akse vil medføre at det ene hjulet vil subbe når bilen svinger. Aksen må deles for å oppnå at hjulene kan ha forskjellig hastighet. Hver aksel får et drivhjul eller solhjul. Mellom solhjulene har vi utligningshjul eller planethjul (røde). Differensialhylse Til differensialhylsen blir det festet et kronhjul som er koblet til pinjongen. Kronhjul Pinjong Når bilen svinger til venstre vil planethjulene rotere i pilens retning og tillate høyre hjul å gå fortere enn venstre. 25

26 Gir Drivhjul 32 tenner Følgehjul 16 tenner Utveksling = antall tenner på følgehjulet antall tenner på drivhjulet Et gir består av flere slike tannhjulsett som dette. Giret har til oppgave å regulere kraftoverføring fra motor til drivhjul. Girskiftinger gjør at motorens omløpstall kan holdes i det området hvor motoren har best ytelse. Lave gir gir stor utveksling. Da går hjulene langsomt, men det blir mye mer kraft på dem. Dette er nødvendig ved start og når man skal opp bratte bakker. Figuren på neste side viser eksempel på girboks i en bil. Hovedaksel roterer med motoren. Med girspaken kan vi velge mellom et antall mulige kombinasjoner av tannhjul. I revers får vi med et ekstra tannhjul slik at utgangsakselen går i motsatt retning. 26

27 Gir Her har vi tegnet giret på en mer skjematisk måte slik at vi ser hvilke tannhjul som er koblet sammen. Når vi vet antall tenner kan vi regne ut utvekslingen 20 tenner 25 tenner 35 tenner Hovedaksel Revers 25 tenner 15 tenner 13 tenner 30 tenner Utveksling: Hvilke gir har vi her? Beregn utveksling. 27

28 Startsystemet Startmotoren må ha over 100 A for å få bilen i gang. Bilen startes derfor med en relébryter for at ikke føreren skal komme i kontakt med slik livsfarlig strømstyrke. Reléprinsippet En spole er koblet inn i krets 1. Når strømmen sluttes blir spolen magnetisk og trekker til seg armaturet slik at strømmen også blir sluttet i krets 2 og motoren settes i gang. Krets 1 Krets 2 Motor Slik kan det se ut i en bil. De tykke ledningen til og fra startmotoren indikerer at de skal tåle høy strømstyrke BMW Batteri 12 V De to separate kretsene er her koblet til samme batteri Startmotor Startmotoren er koblet til bilmotoren og drar 28 svinghjulet rundt

29 Oppgaver 1 Hvordan virker en induksjonsspole? 2 Hvordan virker en relèbryter? 3 Hvorfor trengs en egen startmotor i biler? 4 Hvorfor bruker man relebryter til bilens startmotor? 5 Hvordan overføres opp/ned-bevegelse i en stempelmotor til rotasjon? 6 Hva skjer hvis vi har for tynne ledninger mellom batteriet og startmotoren i en bil? 7 I en vindusspyler er det en fjær på knotten som vi trykker inn. Hva er vitsen med denne fjæra? 8 Hvordan virker ventilene i en vindusspyler? 9 Hvordan må kamskive og fordeler i en sekssylindret bil se ut? 10 Hva er forskjellen på en bensinmotor og en dieselmotor? 11 Forklar det hydrauliske prinsipp. 12 Forklar hvordan et trykk med foten på bremsepedalen er nok til å stoppe en bil. 13 Figuren viser en hydraulisk jekk. Forklar ut fra tegningen hvordan den fungerer. Last 29

30 Pål Oppdrift Det kan du takke Arkhimedes for Per, jeg flyter! Per Arkhimedes lov Et legeme som senkes ned i en væske/gass får en oppdrift som er lik tyngden av den væsken/gassen det fortrenger dvs tyngden av en væske/gass-mengde som har samme volum som legemet. 30

31 Tetthet Pål Per! Vi må finne tettheten av denne treklossen. Tetthet er masse delt på volum. Da må vi veie og måle den Per Volum = 0.012m kg Per 0.3m 0.2m 0.2m Tettheten blir da 7.32 : = 610 kg/m 3 Pål 7.32 kg 31

32 Tetthet Denne steinen kan jeg ikke måle. Pål kg Jeg bruker et måleglass med desiliterinndeling. Så ser jeg hvor mye vannet stiger. Per 1.6 dl Da har steinen tetthet 4700 kg/m dl = m 3 Per Tetthet i kg/m 3 Vann 1000 Etanol 789 Stål 7800 Aluminium 2700 Luft 1,3 Helium 0,179 Pål 32

33 Oppdrift Nå kan jeg finne oppdriften ved å veie steinen før og etter den er senket i vann N 5.92 N 1.6 dl Per 1.6 dl vann har tyngden 1.6N Oppdriften er 1.6 N. Det er akkurat tyngden av det vannet har steget NB! Vi bruker for enkelthets skyld g = 10 m/s 2 Pål 33

34 Flyte eller synke For at et legeme skal flyte må oppdriften være like stor som tyngden Tre Jern Vann Tre har mindre tetthet enn vann. Trebiten flyter så høyt at tyngden av det vannet den fortrenger er lik tyngden av trestykket. Et legeme som har samme tetthet som vann vil flyte akkurat i vannskorpa Jernet har større tetthet enn vann. Derfor er oppdriften mindre enn tyngden og jernet vil synke. 34

35 Oppdrift i forskjellige væsker Et trebit flyter i ferskvann, saltvann og etanol, men den flyter ikke like høyt. Fortrengt væske Ferskvann 1000 kg/m 3 Fordi trebiten flyter, må den fortrengte væsken ha lik tyngde som trebiten. Saltvann 1025 kg/m 3 Saltvann har størst tetthet. Da er den fortrengte væskemengde minst. Etanol 790 kg/m 3 Etanol har minst tetthet. Da er den fortrengte væskemengde størst 35

36 Båter En båt som er laget av stål vil flyte mens en massiv stålblokk med samme masse vil synke. Det er fordi båten pga sin form fortrenger mye mer vann. Når båten flyter er tyngden av fortrengt vann er like stor som tyngden av båten Fortrengt vann Tyngden av fortrengt vann er mye mindre enn tyngden av stålblokken 36

37 Stabilitet Oppdrift En båt flyter så lenge den har oppdrift like stor som båtens tyngde. Stabilitet En båt må kunne rette seg opp hvis den krenger pga vind og bølger Erna Krengestabilitet Langsgående stabilitet Har med lastens plassering å gjøre Erna 37

38 Krengestabilitet S er båtens tyngdepunkt. Her virker båtens tyngde G. W er tyngdepunktet for det fortrengte vannet. Her virker oppdriften O Normalt ligger S og W på samme vertikale linje Hvis båten krenger vil W flytter seg til W` M metasenter: skjæringspunkt mellom båtens symmetriakse og retningen for oppdriften O O O S G S W S G W W G Symmetriakse Hvis M ligger over S vil oppdriften gi et dreiemoment som får båten tilbake til likevektsstillingen Hvis M ligger under S vil båtens tyngde dreie båten slik at den kantrer. Det er altså viktig at båtens tyngdepunkt ligger lavt. 38

39 Forskjellige metoder til å stabilisere skip. Pontonger Stabilisator Kjøl Kraft Rotasjon av stabilisator 39

40 Seilbåt Båten på figuren er utstyrt med storseil, fokk og klyver. Storseilet er festet til en bom som kan svinge i et plan vinkelrett på masta Klyver Fokk Storseil Kjøl Fremdrift Seilet har tre funksjoner: Fanger opp vinden slik at den virker med en kraft på seilet. Aerodynamisk effekt. Når seilet fylles av vind får det en buet overflate som virker på en tilsvarende måte som en flyvinge. Vi får undertrykk på forsiden og en kraft forover som tilsvarer løft av en flyvinge. Vi får en jet-lignende effekt pga luftstrøm mellom fokk og storseil Konkurransebåter har ofte fokk som som rekker et stykke bakom masta for å forsterke denne effekten. 40

41 Kjøl Store seilbåter har fast kjøl med bly-ballast. Den er designet slik at den sammen med lateral resistans i vannet motvirker dreieeffekten som vindtrykket på seilet gir. Båten fungerer omtrent som en vektstang og blir holdt i balanse av fire krefter: Vindtrykket mot seilet Vanntrykket mot kjølen Båtens tyngde Oppdrift Små seilbåter har ofte bevegelig kjøl uten ballast slik at mannskapet må lene seg ut for unngå at båten kantrer. 41

42 Seiling Seil Vind Kraft forover Krengekraft Total aerodynamisk kraft Kraft forover Vind Krengekraft Total aerodynamisk kraft Kraft forover 42 Vind

43 Ubåt Kan seile både på overflaten og under vann. Når ubåten skal dykke fylles ballasttankene med vann. Da blir tyngden større enn oppdriften og båten synker. Krefter som virker på ubåten er tyngde og oppdrift Ballasttanker Tyngde = oppdrift båten flyter Finner Oppdrift Når vannet pumpes ut av ballasttankene, vil båten stige. Hvor mye som skal pumpes ut bestemmes av hvilken last ubåten har. Tyngde Ballasttankene er fulle tyngde > oppdrift båten synker 43

44 Luftputebåt Luftstrøm Bæreplan Løftehøyde Luftpute Luftsjikt som holder en gjenstand svevende over underlaget slik at den kan bevege seg med minimal friksjon Luftstrøm Løftehøyde Luftputebåter har ofte et skjørt som holder lufta på plass. Luftpute lages ved at en vifte, kompressor eller dyse blåser luft under gjenstanden. Luftputefartøy kan i prinsippet bevege seg både på land og vann. 44

45 Oppgaver 1 Både en tømmerstokk og en tannpirker flyter på vann selv om tømmerstokken er mye tyngre. Hvorfor? 2 En trebit har tyngde 5 N. Hvor vil den flyte høyest, i ferskvann eller saltvann? 4 Når du bader i sjøen vil du merke at du flyter høyere når du har pustet inn enn når du har pustet ut. Hvorfor? 5 Hvaler har store mengder olje i kroppen for å opprettholde oppdriften på store dyp. Hvorfor? 6 Hvorfor har seilbåter kjøl? 7 Hvorfor er det viktig at en båt har lavt tyngdepunkt? 8 Hvordan kan en ubåt gå opp og ned? 9 Vi har to like kar med like mye vann som vist på figurene. Hvor står vannet høyest? Båt Vann Murstein 45

46 Ballong For at ballongen skal lette og stige opp, må oppdriften være større enn tyngden. Når ballongen har kommet opp i lufta kan den sveve når oppdriften er lik tyngden., slik at summen av vertikale krefter er lik null. Oppdrift Oppdrift Tyngde Tyngde Passasjerene kan regulere oppdriften slik at de kan stige og synke etter behag. 46

47 Ballong Varm luft Kald luft Helium Varm luft har færre molekyler enn kald luft og dermed mindre tetthet oppdriften blir større enn tyngden og ballongen kan lette Samme temperatur som lufta utenfor ballongen letter ikke Heliummolekylene er lettere enn luftmolekyler derfor kan ballongen lette 47

48 Luftskip Luftfartøy som i prinsippet fungerer som en ballong. Den består av en meget stor beholder fylt med hydrogen eller helium som er mye lettere enn luft. Oppdrift Tyngde av luftskip + passasjerer Tyngde av fortrengt luft Luftskip er styrbare og drives frem av motorer med propeller. Luftskip hadde stor betydning under 1. verdenskrig, men ble etter hvert utkonkurrert av fly. I våre dager er det igjen aktuelt med luftskip. I Tyskland bygges for tiden verdens største luftskip på 260m som skal brukes til å frakte store industrielle anlegg, mobile sykehus etc. De har store fordelene i forhold til landeveistransport. 48

49 Oppgaver 1 Vi har tre like store ballonger fylt med hhv kald luft, varm luft og helium. Hvilken har størst oppdrift? 2 Hva ville skje om vi tok med en heliumballong til månen? 3 Varmluftballong -- løfter den best på kalde eller varme dager? 4 Du kjører bil og stopper brått. Tunge ting i bilen fyker forover. Hvorfor vil en heliumballong bevege seg bakover? 5 En kinaputt fungerer slik: når den brenner fylles en liten papirlomme med gass som har meget høy temperatur og trykk. Hva er det som forårsaker lyden? 6 Hvorfor faller ikke luftmolekylene ned på jorda siden alle andre ting faller ned, de har jo en viss tyngde? 7 Hvorfor er lufta tynnere på fjellet enn ved havet? 8 Hvis vi suger ut all luft av en plastpose, blir den helt flat. Hva kommer det av? Hvorfor utvider den seg når vi blåser luft inn? 9 Et bilhjul som har for lavt lufttrykk vil flate ut i kontakt med underlaget. Hvorfor er kontaktarealet avhengig av lufttrykket? 49

50 Aerodynamikk Her var det sterk motvind Vindretning Vind Vind er en luftstrøm. Når vi beveger oss i motvind opplever vi luftmotstand. Jo større flate vinden virker på jo større er luftmotstanden. Hvis jeg legger meg forover får jeg mindre luftmotstand Vindretning Nå ble vinden mye svakere Det er den relative hastigheten som bestemmer luftmotstanden. Vindretning 50

51 Luftmotstand Luftmotstanden regnes ofte å være proposjonal med v 2 dvs den 4-dobles når farten dobles. Fart Motorkraft Luftmotstand Fart Motorkraft Luftmotstand Ved en viss fart vil derfor motorkraften være lik luftmotstanden og du kjører med jevn fart. Aerodynamisk form Kjøretøy som skal bevege seg fort i en luftstrøm, kan minimalisere luftmotstanden med en aerodynamisk form som er en form som gir minst mulig luftmotstand. 51

52 Flyvinge En flyvinge har aerodynamisk form. Formen er også slik at relativ hastighet mellom flyvinge og luft blir størst på oversiden. Dette gjør at trykket blir høyere på undersiden enn på oversiden. Det er denne trykkforskjellen som gir løftekraften Luftstrøm Løft Trykkrefter Løftekraft Tre måter å øke løftekraften: Større vingeareal Mer krummet vinge Øke flyets fart Det er en grense for hvor lav fart et fly kan ha. Hvis farten er for lav er løftet mindre enn flyets tyngde og flyet kan ikke holdes oppe. For små propellfly er denne hastigheten relativt lav. Store jetfly derimot må ha ca 220 km/h og det krever lang rullebane. Jo større fart flyet har, jo mindre vingeareal trengs, og mindre vingeareal gir mindre luftmotstand. 52

53 Luftstrøm omkring flyvingen Fart Luftmotstand Løft Når flyet starter på rullebanen er luftstrømmen rundt vingen jevn og stabil. Når farten øker vil det oppstå en virvel i bakkant av vingen. Da får vi et nytt stabilt luftstrømmønster som gir lavere trykk på oversiden av vingen. Vingen får et løft som er avhengig av fart og vingens form. Hvis hastigheten er jevn vil løftekraften øke med angrepsvinkelen inntil en viss grense. Angrepsvinkel Hvis angrepsvinkelen blir for stor, vil vi få turbulens på baksiden av vingen, løftet avtar, luftmotstand øker og flyet steiler. Turbulens 53

54 Cruising Vannrett flyging med konstant fart. Mesteparten av flyturen foregår på denne måten Under cruising er det likevekt mellom kreftene som virker på flyet dvs løftekraften er lik tyngdekraften og propellkraft er lik luftmotstand. Luftmotstand Luftmotstanden øker med flyvingens størrelse. Det er derfor gunstig å ha så små vinger som mulig. Luftmotstanden øker også med farten, men det er formen som teller mest. Løftekraft Løftekraften øker med vingeflaten og med økende fart. De flyene som går fortest kan altså ha mindre vingeflate. 54

55 Flaps og slats Ved take-off og landing og ved lav hastighet kan løftet økes ved hjelp av flaps og slats. Disse gir utvidelse av vingearealet og økt krumning. De kan trekkes inn når farten er stor nok slik at luftmotstanden blir minimalisert. Flyging ved lav hastighet Slat Flaps Takt-off og landing Løftet økes ytterligere ved å trekke ut maksimalt med flaps og øke buen på vingen Normal flyging Flaps og slats er gjemt inni vingen. 55

56 Krefter som virker på et fly Gravitasjon Underlagskraft Løft Propellkraft Motstandskrefter Flyet står på bakken: bare gravitasjonen og underlagskraften virker Når flyet kjører på rullebanen virker i tillegg propellkraft og rullemotstand og luftmotstand Når farten øker, øker etter hvert løftet. Da avtar underlags-kraften, mens luftmotstanden øker Når den rette hastighet er oppnådd, tippes flyet fort oppover. Da økes løftekraften ytterligere og flyet letter. 56

57 Propell Propellen dytter luft bakover slik at lufta dytter flyet forover. Propellen fungerer som en skrue som skrur seg inn i lufta. ( Se Enkle Maskiner ) Husker du Newtons 3. lov? Propellen skyver luft bakover Per Propellens dreieretning Mer luft på baksiden gir større trykk på baksiden av propellen slik at den skyves forover Små og mellomstore fly er stort sett propelldrevet. 57

58 Jetmotor Prinsipp Forenklet figur som viser rakett-prinsippet Drivstoff inn En eksplosjon i et lukket kammer vil gi trykkrefter på alle sidene av kammeret. Retningen på kreftene utlignes og kammeret beveger seg ikke. Hvis man lager en åpning i kammeret vil gassene fra eksplosjonen strømme ut av åpningen i stor fart og gi en netto kraft på kammeret i motsatt retning. Brukes i store fly, raketter og romskip Rakettmotor Jetmotor i fly tar luft fra armosfæren, mens raketten må medbringe oksygen fordi den skal operere utenfor atmosfæren,. Fordeler Meget høy effekt Flere typer drivstoff kan brukes Ingen bevegelige deler. Ulemper Meget høye kostnader (Raketter er vanligvis til en gangs bruk) Kraftens retning kan ikke endres. 58

59 Styring av fly Sideror Høyderor Krengeror Flyet har 5 ror til manøvrering. De fungerer etter samme prinsipp som flyvingen. Rorene beveges som vist under. Trykket er størst på undersiden av buen. Dette gir et dreiemoment med flyets tyngdepunkt som akse. Ror Tyngdepunkt 59

60 Styring av fly Venstresving Høyre krengeror opp og venstre ned, sideror til høyre Høyresving Venstre krengeror opp og høyre ned, sideror til venstre Opp og ned Høyderoret senkes flyet dukker Høyderoret løftes flyet stiger 60

61 Helikopter Kan fly i alle retninger Kan ta av og lande vertikalt og trenger dermed liten landingsplass. Kan fly meget langsomt. Landingsplass Brukes mye til trafikkovervåking Kan til og med stå stille i lufta. Helikopter er spesielt gunstig når man skal fiske opp astronauter 61

62 Rotor Helikopteret har en horisontal rotor (propell) som tilsvarer flyets vinger. Rotorbladenes fasong ligner flyvingens slik at de på samme måte produserer en trykkforskjell som gir et løft. Den relative lufthastighet frembringes ved at rotorbladene roterer. Jo raskere rotasjon, jo større løft. Luftstrøm Angrepsvinkel Vertikal flyving Når rotasjonshastigheten er tilstrekkelig høy vil løftet bli større enn tyngden og helikopteret letter vertikalt. Løft Løft Tyngde Tyngde 62

63 Manøvrering av helikopter Løft Bevegelsesretning Når helikopteret tar av må løftet være likt på alle rotorblader Rotorbladene kan vris forover og bakover slik at helikopteret kan manøvreres i alle retninger. Horisontal flyving Når piloten bikker rotoren forover blir løftet størst på det rotorbladet som vender bakover. Da flyr helikopteret horisontalt Sving til høyre Helikopteret må legge seg over for å svinge: Rotoren bikkes over i svingretningen Sving til venstre 63

64 Oppgaver 1 Hvorfor er vingene på små propelldrevne fly relativt store og buet sammenlignet med vingene på store jet-fly? 2 Hvorfor bruker flyet bremseklaffer ved take-off og landing? 3 Hvordan kan flyet forandre hastighet når det er i lufta? 3 Hvorfor har flyet hale? 4 Hvordan kan noen fly fly opp ned? 5 Hvorfor bruke de fleste fly jetmotorer og ikke propeller. 6 Når flyet skal øke høyde må flynesa peke oppover. 7 Hvis piloten prøver å bikke den for fort opp kan flyet falle ned -- hvorfor? 8 Hvordan fungerer høyderorene? 9 Hva må piloten gjøre når han skal svinge til høyre? 10 Hvorfor må flyet krenge når det skal svinge? 11 Forklar hvordan et helikopter kan stå stille i lufta. 12 Hva gjør en pilot for å få helikopteret til å stige? 13 Hvordan kan helikopteret svinge? 64