Fyzika
Zážehový čtyřdobý motor
Zážehový motor je v současné době bezesporu nejužívanějším a nejrozšířenějším tepelným strojem na světě. Běžně je používán jako pohonný agregát osobních i některých nákladních automobilů, je součástí čerpadel či vývěv, nezřídka kdy pohaní super výkonné kompresory a dokonce je na něm závislé lano největšího žebříku na Zemi. Používání motoru bylo rozšířeno během osmnáctého století, v průběhu něhož byl výrazně zdokonalen a uzpůsoben běžnému provozu. Zřejmě největší zásluhu na dnešní podobě motoru mají němečtí technici Benz. Ve spalovacích motorech se přeměňuje při hoření paliva část vnitřní energie paliva na pohybovou energii pístu.Jejich předností je spalování paliva přímo v pracovním válci. Podle způsobu zapalování pohonné směsi rozlišujeme motory zážehové a vznětové. V automobilech se dnes nejčastěji používá zážehový čtyřdobý motor navržen r.1867 německým technikem N.A.Ottem. Jako palivo se v něm používá směs benzínu a vzduchu, která se připravuje v karburátoru. Zapaluje se svíčkou ve válcích.Mezi střední a vnější elektrodou přeskočí jiskra v okamžiku, kdy rozdělovač spojí svíčku s vysokým napětím(asi 10 000V).Posuvným pohybem pístu ve válci motoru přeměňuje na otáčivý pohyb klikového hřídele. Motor se nazývá čtyřdobý, protože pracuje ve čtyřech dobách: 1.SÁNÍ:Píst jde dolů(z horní úvrati do dolní), nad ním vzniká podtlak.Proto otevřeným sacím ventilem vniká do válce chladná palivová směs. 2.STLAČOVÁNÍ-KOMPRESE:Píst jde nahoru a stlačuje směs, oba ventily jsou při tom uzavřené. Tím se zvýší tlak směsi i teplota. Ve vhodném okamžiku, kdy se píst blíží své horní poloze, zapálí se stlačená palivová směs elektrickou jiskrou. 3.ROZPÍNÁNÍ-EXPANZE-VÝBUCH:Zapálená směs hoří, zvyšuje se tlak vznikajícího C). Oba ventily jsou uzavřené. Vytvořený plynplynu i teplota( asi na 2 000 se prudce rozpíná a tlačí píst dolů. Koná práci a jeho vnitřní energie se zmenší, plyn se ochlazuje část vnitřní energie plynu se přemění na pohybovou energii pístu. 4.VÝFUK:Píst jde nahoru, výfukový ventil se otevře, sací ventil zůstává uzavřen. Spálené plyny jsou pohybem pístu vytlačeny výfukovým ventilem z válce. Protože ve válci vzniká při hoření vysoká teplota, je nutno motor chladit vodou nebo vzduchem. Musí být zajištěno i dobré mazání všech pohybujících se součástí olejem. Výzkum vesmíru Éra výzkumů vesmíru začala v roce 1957, kdy bylo v tehdejším Sovětském svazu vypuštěno první umělé kosmické těleso SPUTNIK 1. To byl začátek nové řady lidských dobrodružství. Hubblův teleskop Laboratoře v kosmu Voyager Pohled na noční oblohu V roce 1609 Galileo Galilei sestrojil malý dalekohled k pozorování hvězd. Byl ohromen tím, co spatřil. Viděl, že Měsíc je posetý krátery a objevil další měsíce obíhající kolem planety Jupiter. Mohl pozorovat mnohem více hvězd než kdokoli jiný před ním. Jak vědci postupem času konstruovali větší a lepší dalekohledy, umožňující vidět dále do vesmíru, uvědomili si, že všechny hvězdy viditelné ze Země patří do obrovské skupiny, kterou nazvaly GALAXIE. Mezi hvězdami viděli zářící oblaka prachu a plynu – mlhoviny a také vybuchující hvězdy. Světlo z nejbližší hvězdy potřebuje k dosažení Země okolo čtyř let (tj. je vzdálena 4 světelné roky), můžeme však vidět i hvězdy vzdálené 600 000 světelných let. Velké dalekohledy vidí objekty vzdálené více než 10 000 miliónů let !! Pobyt v kosmické stanici nebo raketoplánu Space Shuttle je docela pohodlný. Astronauti mohou nosit běžný oděv, protože uvnitř je normální vzduch k dýchání. Největším rozdílem je stav beztíže. Vše, co není připevněno, se vznáší. Je to proto, že v kosmickém prostoru nepůsobí gravitace, která nás přitahuje k Zemi. Chtějí-li astronauti zůstat na místě, musí připevnit i sami sebe užitím speciálních opor pro nohy a ruce nebo bezpečnostních pásů. Z téhož důvodu nápoje nezůstanou ve sklenici, ale poletují jako kuličky tekutiny. Proto je nutné je pít pomocí slámky z plastikového balíčku. Strava je úmyslně poněkud lepkavá, aby zůstávala na lžičce či vidličce. Stav beztíže působí i na lidské tělo. Většina astronautů trpí několik prvních dní nevolností. Vlivem beztíže se také změní jejich tělo, protože do hlavy jim proudí více krve, která způsobuje otok obličeje. Vzduch se na kosmické stanici čistí a znovu používá. Filtry udržují vzduch čerstvý a odstraňují oxid uhličitý a vodní páry, které astronauti vydechují. Nulová gravitace může být velmi užitečná při výrobě materiálů, které by se jinak daly na Zemi obtížně vyrábět. Např. směs roztavených kovů zůstává v beztížném prostoru rovnoměrně rozložena při svém tuhnutí. To je na Zemi nemožné – horká tavenina nikdy nezůstává v klidu, protože teplejší složky stoupají k povrchu. Vědcům se také podařilo získat velmi čisté látky pro lékařské účely. Byl to velmi těžký úkol zkonstruovat raketový nosič a kosmickou loď, které by kosmonauty dopravily bezpečně na Měsíc i zpět na Zemi. Obrovská raketa Saturn 5 byla velký úspěchem. Nesla kosmickou loď skládající se ze tří částí: velitelské sekce se třemi kosmonauty na palubě, pomocné sekce s hlavním motorem včetně paliva i dalších zásob a lunárního modulu, jehož úkolem bylo dopravit dva kosmonauty na měsíční povrch a zase zpět k lodi. Vesmír Vesmír je vše co existuje – hmota, prostor, energie a čas. Jsou to všechny hvězdy, planety a další objekty ve vesmíru. Velikost vesmíru hraničí s lidským chápáním. Viditelné části mají rozlohu 1,6 • 1024 km a nikdo neví, jak daleko sahají doposud nepoznané části vesmíru. Bylo vytvořeno mnoho teorií vysvětlujících, jak vesmír vznikl a jak se vyvíjel až do dnešních dnů. Obvykle uznávaná teorie velkého třesku tvrdí, že vesmír byl vytvořen obrovskou explozí před 15 miliardami let. Tato jedinečná událost stvořila nejen hmotu, ale i energii, prostor a dokonce i čas. Je nesmyslné mluvit o době před velkým třeskem, protože žádná neexistovala. Astronomové se domnívají, že po velkém třesku byl vesmír nesmírně horký a plný záření. Po deseti sekundách se vytvořili elementární částice (protony, neutrony a elektrony), ale atomy samotné (vodík a helium) se vytvořili až po několika stovkách tisíc let, kdy se vesmír rozpínal a ochlazoval. Astronomové odhadují teplotu vesmíru na zhruba 3 K neboli 3 stupně nad absolutní nulou. Vesmír se skládá z hvězd a prostoru. Hvězdy však nejsou v prostoru roztroušeny libovolně, jsou společně seskupeny v obrovské útvary, které nazýváme galaxie. Všechny hvězdy, které vidíme na noční obloze, jsou hvězdy naší galaxie. Je mnoho druhů galaxií: eliptické, spirálovité – sem patří naše galaxie, sombréro, podivně spirálovité, spirálovité s široce rozptýlenými rameny, spirálovitě s těsně přitaženými rameny, vodní výr a tabulkovitá galaxie. Ve vesmíru nejsou jenom galaxie, ale i planety a jejich měsíce, slunce, hvězdy, mlhoviny, pulsary, kvasary (vysílají velmi silné rádiové záření), komety, meteory, supernovy a černé díry. V už zmíněných mlhovinách – obrovská oblaka prachu a plynu, většinou vodíku – vznikají hvězdy. Životnost hvězdy je tak dlouhá (někdy až desítky miliard let), že astronomové nemohou žádnou hvězdu sledovat po celou dobu její existence. Hvězdy se rodí, když se hmota uvnitř mlhoviny začíná shlukovat. Nikdo neví, proč ke shlukování dochází a co ho spouští. Existuje mnoho druhů hvězd. Vyvíjejí se a zanikají už mnoho milionů let. Hvězdy se dělí do pěti skupin: superobři, obří hvězdy, střední hvězdy, červení trpaslíci a bílí trpaslíci. Jsou zde i tzv. dvojhvězdy. Obecně bývá jedna složka dvojné soustavy větší než druhá a prochází svým cyklem životnosti mnohem rychleji. Takže se změní nejprve na červeného obra a potom na bílého trpaslíka, zatímco její družka je stále normální hvězdou. Když se družka změní na červeného obra, začnou se dít věci. Bílý trpaslík začne přitahovat plyn z rozpínajícího se obra. Plyn se na bílém trpaslíku hromadí a ten se tím ještě více stlačuje. Po přibližně 100 000 letech stoupne teplota a tlak natolik, že spustí reakci jaderné syntézy. Vrstva plynu prudce vybuchne a způsobí, že trpaslík zvýší svůj jas až milionkrát. Pozorujeme-li takový jev ze Země, nazýváme jej výbuchem NOVY, protože vypadá, jako by se zrodila nová hvězda. Vesmír je tak obrovský, že část, která je prozkoumána, tvoří pravděpodobně pouze 8% a zřejmě nikdy ani celý prozkoumaný nebude. Energie Tepelné elektrárny Vodní elektrárny Solární panely V našich podmínkách lze využívat solární energii aktivními a pasivnímy systémy. Pasivní systémy lze dobře využít zejména u nově budovaných staveb, kdy se jim musí přizpůsobit celé architektonické řešení, ale i u staveb staršího data vybudováním skleněných přístavků (příkladem mohou být skleněné verandy). Solární systémy se u nás budují většinou dodatečně k již existujícím objektům. Proto mají největší význam aktivní systémy, jež získávají tepelnou energii pomocí kapalinových kolektorů. Ty lze téměř vždy dodatečně instalovat a využívat zejména pro ohřev užitkové vody a přitápění. Často se jimi přihřívá voda v bazénu. Větrné elektrárny
Motor tedy koná práci jen ve třetí době, kdy se rozpínají plyny vzniklé hořením palivové směsi. Ve zbývajících dobách pracovního cyklu se píst udržuje v pohybu díky setrvačnosti klikového hřídele a k němu připevněnému těžkému setrvačníku. Motor automobilu s čtyřdobým motorem má zpravidla čtyři válce, nebo více válců na společném klikovém hřídeli. Když v jednom z nich je sání, tak ve druhém je stlačování, ve třetím rozpínání a ve čtvrtém výfuk. Tím je zajištěno, že vždy v jednom z válců se koná práce. Čtyřdobý motor je sice účinnější než dvoudobý, přesto dokáže přeměnit, pouze přibližně jednu energie paliva v energii pohybovou. Zbytek energie je nevyužitý. Hlavní problém spočívá ve vratném pohybu pístu(pohybu tam a zpět). Píst neustále zrychluje na vysokou rychlost jedním směrem, potom směr pohybu obrátí a zrychluje druhým směrem. Každý pohyb pístu nahoru a dolu několiktisíckrát za minutu spotřebuje část energie dodávanou palivem.
První živý tvor na oběžné dráze kolem Země byl ruský pes Lajka.Byl vypuštěn ve Sputniku 2 v listopadu 1957 a žil v kosmu týden.
Největší katastrofa v historii výzkumu vesmíru se stala v lednu 1986,kdy sedm členů posádky včetně dvou žen zahynulo,když raketoplán Challenger explodoval 73 sekund po startu.
Hubblův kosmický teleskop, pojmenovaný podle amerického astronoma Edwina Hubbla , byl ve středu ctižádostivých plánů vypustit dalekohled do vesmíru, aby na oběžné dráze mohl dosáhnout skvělého obrazu bez rušivého vlivu zemské atmosféry.Toho zpočátku,při jeho výrobě, nebylo dosaženo,po její nápravě nyní poskytuje dokonalé snímky.
Další část kosmického výzkumu probíhá v blízkosti Země.Spočívá v umisťování
Kosmických stanic,na nichž se provádí vědecké práce,na oběžných dráhách kolem země.Tyto kosmické stanice, jakými jsou např.Skylab nebo ruský Mir
Setrvávají v kosmu a mohou být navštěvovány astronauty, jako by to byly kosmické hotely. Kosmický raketoplán, je prvním krokem k pravidelným letům pasažérů do kosmu a nakonec k prvním koloniím pozemšťanů mimo Zemi.
Program Voyager byl zahájen Spojenými státy v roce 1977.Jeho cílem bylo pomocí sond oblétnout a fotografovat čtyři vnější planety sluneční soustavy: Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. Mezi překvapeními,která Voyager 1 a 2 přinesli,
Patřila existence měsíců či družic Jupitera a Saturna,které jsme předtím nespatřili.Dále že Jupiter má kolem sebe prstenec z plynů. Voyager 2 také prolétl kolem uranu a Neptunu a nyní letí mimo sluneční soustavu.
Moderní dalekohledy jsou v mnohém stejné jako Galileův. Nové poznatky o vesmíru jsou získávány neustále, zvláště nyní, kdy dalekohledy jsou umisťovány do kosmu a vesmírné sondy navštěvují různé planety.
Největší teleskop na zemi má reflektor o průměru 6 metrů. Astronomové používají ve velkých teleskopech fotoaparáty k získání detailního snímku (např. nejasné mlhoviny nebo vzdálené galaxie).
Život astronautů
Pavouci i ryby byli zpočátku stavem beztíže zmateni – ryby plavaly stále dokola, pavouci se však i zde brzy naučili splétat sítě. Sovětští kosmonauti ve svých stanicích vypěstovali hrách a cibuli.
Lidé na Měsíci
V letech 1969 – 1972 odstartovalo k Měsíci 6 výprav. Při první návštěvě strávili kosmonauti na povrchu jen dvě a půl hodiny. Odebrali vzorky měsíční horniny a připravili experimenty. Každá další výprava strávila na měsíčním povrchu delší dobu a celkově bylo odvezeno téměř 380 kg měsíční horniny. Pro kosmonauty nebylo vůbec lehké se pohybovat po Měsíci, protože na sobě měli neohebné skafandry. Zjistili, že je snadnější pohyb přískoky než chůzí, a že k odběru vzorků je nutno použít kleště a naběračky, protože jim skafandry neumožňovaly hlubší předklon. Tíhu obleků však příliš nepociťovali, jelikož Měsíc má malou gravitaci – vše je šestkrát lehčí než na Zemi.
Na Měsíci není vzduch ani voda, a tak stopy kosmonautů zůstanou patrné tisíce let. Budoucí průzkumníci se také budou moci setkat se zbytky starých kosmických sond.
Dnes existuje dost cest jak získat energii.
Největší množství energie se získá z tepelných elektráren. Nejprve se chemická energie uhlí, ropy, zemního plynu nebo jaderná energie přeměňují na energii tepelnou, dále na mechanickou a pak elektrickou energii. Hlavní součástí elektráren jsou strojovny s turbínami a generátory a dále část transformační a rozvodná. V elektrárnách spalujících fosilní paliva, což je uhlí, ropa a zemní plyn,se téměř 2/3 uvolněné tepelné energie ztrácejí do atmosféry nebo do okolního prostředí, a jen o něco málo víc než 1/3 energie se skutečně použije k výrobě elektřiny. K dalším ztrátám dochází při přenosu elektrické energie rozvodnou sítí. Spotřebitel tuto energii zpravidla znovu přeměňuje na teplo, a to buď záměrně, nebo zcela náhodně při jiném využití. Třebaže je celý systém výroby a spotřeby energie nedokonalý, představuje nejlepší zdroj energie pro množství zařízení, strojů a přístrojů v domácnostech a průmyslu. Tepelné elektrárny ale značně znečišťují ovzduší. Ve většině elektráren pracuje víc než jeden generátor, aby se v případě jeho poruchy nezastavil provoz. V době špičkové spotřeby elektřiny pracují většinou všechny generátory na maximální výkon. Jakmile se spotřeba sníží, mohou se jednotlivé generátory vyřadit z provozu, ale některé se ponechávají částečně zatížené a v době náhlého zvýšení spotřeby je zle rychle uvést do chodu. generátory jsou spojeny přípojnicemi, což jsou velké pevné vodiče ve tvaru kovových tyčí s transformátory ,které zvyšují napětí proudu pro dálkový přenos. Z elektráren se střídavý proud o napětí 110 nebo 400 kV rozvádí dálkovým vedením, což jsou vodiče zavěšené na vysokých ocelových stožárech, do různých míst, kde se jeho napětí snižuje transformátory na výši potřebnou pro rozvod ke spotřebitelům, což je asi 110kV. Část rozvodu lze vést kabely uloženými v zemi, které končí v rozvodně. Tam se opět sníží napětí, tentokrát na 22kV a dalším vedením se vede se do průmyslových a osídlených oblastí, kde se napětí opět snižuje na 380 a 230V. Toto napětí je odebíráno domácnostmi. Rozvodná soustava střídavého proudu o vysokém napětí je zpravidla trojfázová.
Dále se u nás používají vodní elektrárny. Voda totiž patří k nevyčerpatelným (obnovitelným) zdrojům energie. Energie vody je historicky nejstarším využívaným zdrojem energie a využívá se zejména k výrobě elektrické energie. Ta může být použita k vlastní spotřebě výrobce např. k osvětlení, vytápění objektů, k ohřevu vody nebo může být využívána lokálně více odběrateli (v případě vyšších výkonů). U větších zařízení je možné dodávat vyrobenou elektrickou energii do veřejné rozvodné sítě. Pro výrobu elektrické energie má v současnosti z technického hlediska největší význam mechanická energie vody. V České republice jsou možnosti využití energie vody omezené vzhledem k přírodním podmínkám. Hydroenergetický technicky využitelný potenciál našich toků je asi 3 400 GWh/rok. Z toho v malých vodních elektrárnách je využitelné 1 600 GWh/rok. V současné době se v ČR provozuje asi 550 malých vodních elektráren. Přibližně 2/3 z nich mají výkon do 100 kW. Vodní elektrárny fungují tomto principu. Na vodní tok navazuje vtokový objekt (jez, přehrada), který soustřeďuje průtok a zvyšuje spád vodního toku. Voda je přivedena přivaděčem přes česle (hrubé a jemné), které zadržují mechanické nečistoty, do strojovny. Tam se hydraulická energie vody v turbíně mění na mechanickou. Mechanická energie z turbíny je přes hřídel přenášena do generátoru, kde se mění na elektrickou energii. Vodní elektrárny se dělí podle systému zadržení vodní energie.
Méně se u nás využívá energie sluneční i přesto, že celková doba slunečního svitu (bez oblačnosti) je u nás od 1400 do 1700 hod/rok. Energie dopadající kolmo na 1m2 plochy je 800 až 1000 Wh. Slunce ročně vyzáří k Zemi asi 900 biliard kilowatthodin. To je 10 000krát víc energie, než v současnosti potřebuje celá naše planeta. Z těchto čísel je vidět, že při dobré účinnosti solárního systému lze získat z poměrně malé plochy (podstatně menší než je střecha rodinného domku) poměrně velký výkon.
Nejlepších výsledků se obvykle dosáhne kombinací jednotlivých systémů přeměny energie slunečního záření na jinou pro nás použitelnou formu.
Dále se ve světě využívá větrných elektráren. Energie větru patří k historicky nejstarším využívaným zdrojům energie. V České republice jsou možnosti využití energie větru, vzhledem k přírodním podmínkám (vnitrozemské klima s nepravidelným prouděním vzduchu), dosti omezené. Vhodné lokality pro využití větrné energie jsou většinou ve vyšších nadmořských výškách, kde vítr dosahuje vyšších rychlostí (nad 5m/s).
Málokdo by řekl, že ze všech druhů získávání energie potřebují nejvíce pracovníků. Jaderné elektrárny zaměstnávají na každých tisíc gigawattů za hodinu sto pracovníků ročně. Tepelné elektrárny na totéž množství potřebují sto šestnáct lidí, solární dvě stě čtyřicet osm a větrné pět set čtyřicet dva pracovníky. Zajímavý projekt, který by měl dokázat, že lze vyrábět energii pouze s využitím alternativních zdrojů, představilo Dánsko. Vláda na něj zatím vyčlenila v přepočtu 350 milionů korun. Tvůrci projektu počítají s tím, že ostrov Samsö bude kompletně převeden na samozásobování obnovitelnými energiemi. Podle dánské ministra životního prostředí Svena Aukena bude na ostrově mezi Jutskem a Švédskem po přechodné, maximálně desetileté fázi veškerá elektřina pocházet z větrných mlýnů a teplo ze spalování slámy a dřeva. V dopravě se bude v první fázi usilovat o přechod na elektromobily, jejichž baterie se budou rovněž dobíjet z větrných mlýnů. Dánská vláda chce podle Aukena na příkladu ostrova Samsö dokázat proveditelnost přechodu na obnovitelné zdroje energie.