Вы когда-нибудь задумывались, почему возникает пробка при сужении проезда?

Меня иногда посещают странные ассоциации с похожими явлениями из физики, а иногда, в силу создания научпоп-контента, я намеренно ищу такие аналогии. Сегодня поделюсь мыслями, которые случайно пришли мне в голову, когда я стоял в пробке и размышлял о причинах её возникновения.

При сужении проезжей части и уменьшении количества полос возникает эффект так называемого бутылочного горлышка: пропускная способность всей системы ограничивается количеством «вещества», проходящего через это узкое место. Однако, на мой взгляд, аналогия с бутылочным горлышком не совсем уместна — ведь в бутылке обычно находится жидкость, которую можно рассматривать как сплошную среду. Сплошная среда — это упрощение в физике, когда вещество представляется единым целым и равномерно заполняет пространство, а не состоит из отдельных атомов и молекул.

Для сплошной среды (жидкостей и газов) существует уравнение неразрывности струи. Оно говорит о том, что расход вещества при любой площади сечения трубы остаётся постоянным. Иными словами, если жидкость текла в трубе большого сечения с какой-то скоростью, то при сужении трубы скорость течения увеличивается, и через узкое место проходит то же количество жидкости в единицу времени. То есть при переходе жидкости из бутылки в горлышко она начинает течь быстрее.

Таким образом, если рассматривать поток автомобилей как сплошную среду, то при въезде в узкий проезд они просто должны ускоряться — и тогда никаких пробок бы не было.

Проблема, конечно, в том, что множество движущихся автомобилей не работает как сплошная среда. Машины, заезжающие с боковых полос в центральные, не могут ускориться — водители боятся столкновения при перестроении. У автомобилей есть водители со своими характерами, которые не могут договориться друг с другом, кто проедет первым. Сюда добавляется разное время реакции каждого водителя и запаздывающее начало движения каждого следующего автомобиля в цепочке — это превращает поток в растягивающуюся и сжимающуюся гармошку.

Поэтому автомобили в городском потоке всё-таки являются отдельными уникальными элементами с индивидуальными паттернами поведения. Они не соответствуют определению сплошной среды, а значит, для них не выполняется уравнение неразрывности струи. И поэтому при сужении дороги возникает пробка.

Худо-бедно избежать этого явления и приблизить такую систему к сплошной среде можно, например, если все водители договорятся между собой: кто, за кем и когда будет проезжать через место сужения. Тогда при чётком соблюдении этих правил скорость потока в этом месте действительно упадёт меньше. Но, очевидно, осуществить такое на практике невозможно.

После въезда в узкую часть при отсутствии препятствий впереди поток снова ускоряется после долгого простоя. Но создаётся впечатление, что его скорость всё-таки становится меньше, чем на широком участке до начала сужения. Здесь, на мой взгляд, работает механизм, противоположный уравнению неразрывности: на более узком участке дороги водителям страшнее проезжать ближе к ограждению или другим машинам, и они замедляются. У молекул жидкости, как вы знаете, такого страха нет.

Вот такие мысли посещают меня в пробке, и это моё личное видение проблемы. Пишите, что думаете на этот счёт, согласны или нет, и как ещё можно решить эту проблему.

Как направить трение в нужное русло?

Человечество, развивая машиностроение, идет по пути наибольшего избавления от такого неприятного и мешающего работать механизмам фактора, как трение. Придумывает различные смазки, полирует поверхности и т.д. Кстати, коллеги уже сделали отличный и веселый пост про смазки.

Как мы знаем, в процессе трения выделяется большое количество тепла. Тормозные диски автомобиля, например, могут разогреваться выше 600 градусов, а когда мы сверлим дырку в стене, то потом не можем прикоснуться к сверлу. Но что если это выделяющееся тепло направить туда, где оно нужно, например, на локальное расплавление металла?

Как вы уже поняли, сегодня мы поговорим об интересном способе соединять детали — о сварке трением. О том, что такое обычная дуговая сварка и обо всех ее физических принципах, я рассказывал в двух частях (раз и два).

Самый простой способ соединить две детали сваркой трением — это раскрутить одну и во время вращения плотно прижать к другой. Чем сильнее раскрутим и прижмем, тем больше будет возникать сила трения. Ведь она зависит от силы давления одной детали на другую, а количество выделяющегося тепла — от того, как долго и с какой силой детали трутся. Таким образом, проще всего использовать сварку трением для соосных цилиндрических деталей — труб, валов, дисков, колец и др.
На первом этапе соприкосновения вращающихся деталей происходит разрушение силой трения оксидных и жировых пленок на металле. Затем происходит сглаживание шероховатостей и образование идеально гладких поверхностей — наилучших условий для их соединения. После этого происходит многократное разрушение межатомных связей и образование новых, тем самым заставляя атомы быстро двигаться, а усиление колебаний атомов приводит к нагреву материала.

Таким образом, при большой силе трения металл может нагреваться в месте контакта до высоких температур, вплоть до температуры, когда он становится очень текучим, но еще не жидким.

Продолжающееся вращение перемешивает металл нагретых поверхностей в зоне контакта, а после образования соединения происходит резкая остановка вращения и увеличение сдавливания. Резкая остановка прекращает разогрев, и зона контакта быстро остывает за счет теплопроводности в холодные части деталей, а увеличенное сдавливание «дожимает» и проковывает остатки несваренных поверхностей, чтобы соединение было без несплошностей. При большом сдавливании излишки очень пластичного горячего металла выходят наружу, образуя его наплыв (на профессиональном жаргоне — грат), который потом срезается.

Помимо вращательных движений есть и другие способы сварки трением. Можно просто тереть друг о друга плоские поверхности вибрирующими движениями или в стык двух плоских деталей ввести специальное вращающееся сверло, которое будет бегать вдоль стыка, задевая обе поверхности, нагревать и перемешивать между ними металл, образуя сварной шов, похожий на традиционный. Такой метод называется сварка трением с перемешиванием.

Сварка трением имеет ряд преимуществ перед дуговой сваркой. Во-первых, из-за того, что металл все-таки не плавится, микроструктура у шва получается лучше, чем у дуговой сварки с локальным расплавлением и кристаллизацией, а значит, такой шов при прочих равных будет прочнее. Хотя сейчас нормальные сварщики уже научились получать высокую прочность шва традиционным способом. Во-вторых, сварка трением позволяет сваривать разнородные металлы и металлы, которые обычной сваркой сварить сложно. Например, алюминий: у него мгновенно на поверхности возникает оксидная пленка, мешающая нормально свариться. Сила трения срывает эту оксидную пленку, а в условиях высокого давления и температуры она просто не успевает вырасти заново.

Если у вас возникла идея варить детали на своем токарном станке в гараже, спешу вас расстроить — он вряд ли сможет обеспечить то сильное сдавливание, которое нужно для сварки трением, не сломавшись. Для этого нужны машины помощнее. Хотя, можете попробовать.

На ютубе много видео, как выглядит сварка трением, поэтому добавлять сюда не буду. Советую вбить в поиске, выглядит круто.

Традиционно май оказался довольно тяжелым, т.к. это пора усиленной подготовки к экзаменам. В этот раз еще наложились командировка, автомобильные делишки с приходом тепла и много основной работы. Поэтому, как вы могли заметить, май на посты не был богат. Плюс ко всему, я нечаянно не туда нажал и удалил пост про инвары 😁. Сейчас все разгребаю и стараюсь входить в прежний режим.

А пока вхожу, прошу вас написать в комментариях, на какие темы вам было бы интересно почитать следующие посты. Может вы будете источником вдохновения)

Вот еще нашел статью где показывают как происходит деформация тормозного диска по торможении с 200 до 50 км/ч. И еще распределение температуры по окружности диска, где видны те самые горячие точки.

На этой картинке, как раз, показано, что через 10 секунд после окончания торможения форма диска уже в процессе возвращения в исходное положение.

P.S. я не знаю почему у них по оси абсцисс отложен не угол а ангел)

Как создать микрохолодильник?

Все мы знаем, что охлаждающие бытовые приборы, такие как холодильник или кондиционер, работают по принципу забора тепла из ограниченного пространства и его выброса в окружающую среду. Для этого у них есть сложная система трубок, по которым насосом прокачивается жидкий хладагент.

Но что если холодильник нужен там, где места совсем мало? Например, когда нужно охлаждать какие-то электронные компоненты в устройстве. Физика все еще позволяет нам создать микрохолодильник, и человечество уже нашло способ сделать это, основанный на эффекте Пельтье.

На самом деле эффект Пельтье, можно сказать, является обратным эффекту Зеебека, о котором я рассказывал в посте про термопары.

В термопаре между двумя ее концами с разными температурами возникает разность потенциалов и электрический ток. При эффекте Пельтье, наоборот, при пропускании электрического тока один конец нагревается, а другой охлаждается. Рассмотрим подробнее, как это работает.

У каждого металла есть своя средняя энергия, которую могут иметь электроны при той или иной температуре. Она зависит от электронного строения атомов, и электроны в каждом веществе не могут иметь энергию больше той, которая предусмотрена его строением.

Когда мы соединяем два разных металла и прикладываем к концам разность потенциалов, через это соединение начинает идти ток, и электроны перепрыгивают из одного металла в другой. Но когда электрон с определенной энергией оказывается в металле, где такая энергия не предусмотрена его строением, он волей-неволей подстраивается под правила новой среды обитания и изменяет свою энергию до средней энергии электронов в новом веществе.

Таким образом, если, например, электрон перескочил из металла, где он имел большую энергию, в металл с меньшей энергией, по закону сохранения ее излишек отдается колебаниям атомов решетки, и те начинают колебаться сильнее, а температура металла растет. Напротив, если электрон перескочил из металла, где он имел меньшую энергию, в металл с большей, то ему, чтобы существовать в новой среде обитания, нужно дополнительную энергию откуда-то взять. Он берет ее из колебаний решетки, тем самым замедляя их, а металл при этом охлаждается.

Если мы создадим так называемый элемент Пельтье — последовательно соединим чередующиеся металлы, то при каждом переходе отдача или забор тепла у кристаллической решетки будет суммироваться, и в итоге мы получим существенный нагрев одной стороны элемента и сильное охлаждение с другой. Таким образом, этот прибор является своеобразным тепловым насосом, который перекачивает через себя тепло из одной части в другую, также как и холодильник, только гораздо меньших размеров.

Эффективно работающие холодильники Пельтье содержат в себе полупроводники вместо металлов. Разница между энергиями электронов разных металлов не такая большая, и эффект Пельтье в них достигается очень слабый. Гораздо сильнее этот эффект в полупроводниках: при протекании тока через проводники n- и p-типа на их границах происходит рекомбинация электронов и дырок, при которой на одном контакте выделяется энергия, уходящая в тепло, а на другой — поглощается, что и создает охлаждение. О том, как работают полупроводники и диоды я рассказывал здесь. Поэтому современные элементы Пельтье — это сложное последовательное чередование полупроводников n- и p-типов и металлических перемычек между ними. Перемычки перенаправляют ток между полупроводниками так, чтобы выделяющаяся и поглощающаяся энергия суммировалась, приводя к образованию горячей и холодной противоположных сторон элемента.

Еще одним важным условием для элемента Пельтье является его низкая теплопроводность. Ведь большая разница температур противоположных контактов, находящихся рядом, при высокой теплопроводности (например, в металлах) неизбежно приводит к быстрому перетеканию тепла от горячего к холодному. И тогда это устройство становится бессмысленным. Здесь как раз еще один бал в пользу полупроводников, плохо проводящих тепло.

Хотели бы себе такой холодильник?

Кстати, закаленное стекло еще и более термостойкое по той же причине накопленных сжимающих напряжений на поверхности.

Когда на стекло попадает горячая жидкость или воздух, внешняя поверхность пытается расшириться, а внутренняя, еще холодная из-за низкой теплопроводности стекла, не дает ей это сделать. В результате в стекле возникают растягивающие термические напряжения. Закаленное стекло просто позволяет возникать бОльшим напряжениям до разрушения, чем сырое, ведь его поверхность сжата. Нужно, как я уже говорил, сначала «расжать сжатое». И предельное значение растягивающих напряжения для распространения трещины становится больше.