Номер 1, страница 496 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Темы проектов - номер 1, страница 496.

Условие.

1. Проведите историческую реконструкцию появления новых моделей автомобилей (дизайн — аэродинамические свойства, паровой двигатель — двигатель внутреннего сгорания).

Решение.

дизайн — аэродинамические свойства

Эволюция автомобильного дизайна тесно связана с постепенным осознанием важности аэродинамических свойств. Этот процесс можно разделить на несколько ключевых этапов.

1. Ранний этап (конец XIX – начало XX века): Первые автомобили по своей конструкции напоминали безлошадные кареты. Дизайн был сугубо утилитарным, а о влиянии сопротивления воздуха на скорость и расход топлива никто не задумывался. Кузова были угловатыми, с вертикальными радиаторами, большими отдельными крыльями и фарами, что создавало высокое аэродинамическое сопротивление. Ярким примером является Ford Model T.

2. Зарождение аэродинамического стиля (1920-е – 1930-е годы): С развитием авиации инженеры начали применять знания об аэродинамике в автомобилестроении. Появились первые "обтекаемые" автомобили. Пионерами в этой области стали такие инженеры, как Пауль Ярай, который запатентовал каплевидную форму кузова. Автомобили вроде Tatra T77 (1934) и Chrysler Airflow (1934) демонстрировали революционный подход: покатые лобовые стекла, интегрированные в кузов крылья и фары, гладкие линии. Эти модели значительно снижали сопротивление воздуха, но их футуристичный дизайн не всегда находил отклик у консервативных покупателей.

3. "Аэрокосмический" стиль (1950-е – 1960-е годы): После Второй мировой войны аэродинамика временно отошла на второй план, уступив место эпатажному дизайну, вдохновленному реактивными самолетами и ракетами. В моду вошли огромные "плавники" (tailfins), обилие хрома, панорамные стекла. Автомобили этого периода, например Cadillac Eldorado 1959 года, были яркими и запоминающимися, но их аэродинамические показатели были крайне низкими.

4. Возвращение к аэродинамике (1970-е – 1980-е годы): Нефтяные кризисы 1970-х годов заставили автопроизводителей всерьез заняться топливной экономичностью. Аэродинамика стала одним из главных инструментов для снижения расхода топлива. Автомобили стали проектироваться с использованием аэродинамических труб. В дизайне появились клиновидные силуэты, гладкие боковины, интегрированные бамперы и стекла, устанавливаемые заподлицо с кузовом. Эталоном того времени стали Audi 100 C3 (1982) с рекордно низким для серийного седана коэффициентом аэродинамического сопротивления $C_d = 0.30$ и Ford Sierra (1982).

5. Современный этап (с 1990-х годов по настоящее время): Аэродинамика стала неотъемлемой частью проектирования любого автомобиля. Для оптимизации форм широко используется компьютерное моделирование (CFD). Появились элементы активной аэродинамики (подвижные спойлеры и заслонки радиатора), гладкое днище, аэродинамически проработанные зеркала и колесные диски. С появлением электромобилей борьба за низкий коэффициент $C_d$ стала еще более острой, так как это напрямую влияет на запас хода. Примером может служить Mercedes-Benz EQS, чей $C_d$ достигает 0.20.

Ответ: Исторически дизайн автомобилей прошел путь от утилитарных "каретных" форм без учета аэродинамики к первым обтекаемым моделям 1930-х годов. После периода "аэрокосмического" стиля 1950-х, где эстетика доминировала над функцией, нефтяные кризисы 1970-х вернули аэродинамику в число приоритетов для повышения топливной эффективности. Сегодня оптимизация аэродинамических свойств с помощью компьютерного моделирования и аэродинамических труб является фундаментальным этапом разработки любого автомобиля, особенно электромобилей, где это напрямую влияет на запас хода.

паровой двигатель — двигатель внутреннего сгорания

Смена доминирующего типа двигателя с парового на двигатель внутреннего сгорания (ДВС) стала поворотным моментом в истории автомобилестроения и определила его развитие на целое столетие.

1. Эпоха пара (XVIII – XIX века): Первые в истории самодвижущиеся экипажи были паровыми. Начиная с "паровой телеги" Николя-Жозефа Кюньо (1769), паровые машины использовались на протяжении всего XIX века. Паровые автомобили, такие как Stanley Steamer, обладали рядом преимуществ: высокий крутящий момент с низких оборотов, что избавляло от необходимости в сложной трансмиссии, и всеядность (могли работать на дровах, угле, керосине). Однако их недостатки были более существенными:

• Низкий КПД: Большая часть тепловой энергии терялась.
• Большой вес и габариты: Требовался тяжелый котел, топка и значительный запас воды и топлива.
• Долгое время подготовки: На розжиг топки и подъем давления пара уходило от 15-20 минут до часа.
• Сложность в эксплуатации и небезопасность: Требовался постоянный контроль за давлением пара и уровнем воды в котле, существовал риск взрыва котла.

2. Появление и развитие ДВС (конец XIX века): Параллельно с паровыми машинами велись разработки двигателя, в котором топливо сгорало бы непосредственно внутри цилиндра. Ключевым изобретением стал четырехтактный двигатель Николауса Отто в 1876 году. В 1886 году Карл Бенц представил свой Benz Patent-Motorwagen – первый коммерчески успешный автомобиль, оснащенный легким и компактным бензиновым ДВС. Преимущества ДВС над паровым двигателем были очевидны:

• Высокое соотношение мощности к массе: ДВС был гораздо легче и компактнее при сопоставимой мощности.
• Быстрый запуск: Двигатель был готов к работе практически сразу.
• Высокий КПД: Эффективность преобразования энергии топлива в механическую работу была выше.
• Удобство заправки: Жидкое топливо (бензин) обладало высокой энергоемкостью и было проще в транспортировке и заправке, чем уголь или дрова.

3. Победа ДВС (начало XX века): В начале XX века на рынке конкурировали три типа привода: паровой, электрический и ДВС. Паровые машины оставались мощными, но громоздкими. Электромобили были тихими и чистыми, но имели малый запас хода и долго заряжались. ДВС, несмотря на шумность, вибрации и сложность запуска (рукояткой), предлагал наилучший компромисс между мощностью, весом, запасом хода и скоростью "заправки". Массовое производство доступного Ford Model T Генри Фордом и изобретение электрического стартера Чарльзом Кеттерингом в 1912 году, который избавил водителей от опасного ручного запуска, окончательно закрепили доминирующее положение двигателя внутреннего сгорания в автомобильной индустрии на десятилетия вперед.

Ответ: Переход от парового двигателя к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) был обусловлен ключевыми преимуществами последнего. Паровые двигатели, несмотря на высокий крутящий момент, были тяжелыми, громоздкими, имели низкий КПД и требовали длительной подготовки к запуску. ДВС оказался значительно легче, компактнее, эффективнее и удобнее в эксплуатации благодаря быстрому старту и использованию энергоемкого жидкого топлива. Массовое производство автомобилей с ДВС и изобретение электростартера окончательно утвердили его в качестве основного типа автомобильного двигателя на весь XX век.