Сборник самодельных технических устройств для проведения физических и инженерных опытов

Владимир Хаустов

Сборник самодельных технических устройств для проведения физических и инженерных опытов

Введение

Настоящий сборник – это попытка зафиксировать путь, пролегающий между идеей, чертежом на бумаге и искрой зажигания между электродами самодельного устройства.

Это не просто подборка технических разработок или отчётов по экспериментам – это живая история инженерного мышления, воплощённого в металле, проводниках, хомутах и, порой, бутылках с солью.

Здесь представлена коллекция устройств, созданных «с нуля» – от идеи и конструирования до испытаний в реальных условиях.

Сборник охватывает широкий диапазон направлений: от фундаментальных экспериментов по электролизу и инфразвуковой генерации, до сугубо прикладных решений – как, например, защитные гофры для направляющих фрезерных станков или планшайбы для установки патрона на делительную головку.

Все устройства объединяет один принцип: они сделаны своими руками, из доступных материалов, с минимумом высокотехнологичных ресурсов и максимумом инженерной изобретательности.

С одной стороны, в этих проектах живёт школа старого доброго «советского» кружкового моделирования – с картоном, болтами, шамотной глиной и собственноручным намотанным фехралем. С другой – они часто идут дальше, нащупывая интересные грани современной «гаражной науки», инженерного и прикладного изобретательства. Здесь есть и физические эксперименты уровня школьного кабинета физики. Это не просто поделки – это полноценные технические решения, прошедшие испытания, а порой и попавшие в практику инженерной деятельности.

Особый интерес представляют устройства, в которых классические принципиальные решения реализованы неожиданно простыми средствами.

1. Электролизный генератор водорода

Изготовлена в 1999 году для проведения ОКР

Генератор водорода представляет собой устройство, основанное на принципе электролиза воды с применением щелочного электролита – водного раствора гидроксида калия (KOH) или гидроксида натрия (NaOH). Он сконструирован в виде классического электролизёра многоячеистого типа, предназначенного для эффективного разделения и сбора продуктов электролиза – водорода (H2) и кислорода (O2).

Конструктивное исполнение.

Рис. № 1. Электролизерная система генерации водорода.

Электроды выполнены из стальных пластин толщиной 0,5 мм, обеспечивающих устойчивость к коррозии в щелочной среде и хорошую проводимость тока. Между пластинами установлены резиновые уплотнительные кольца диаметром 200 мм для герметизации и поддержания межэлектродного расстояния.

Система собрана по многоячеистой схеме, что подразумевает наличие чередующихся положительных и отрицательных пластин, создающих серию электрохимических ячеек. Это повышает эффективность процесса электролиза за счёт увеличения рабочей площади и более равномерного распределения тока.

Полость электролизёра частично, примерно наполовину, заполнена щелочным раствором (чаше всего 20–30% KOH или NaOH). Щёлочь повышает проводимость воды, снижая сопротивление и ускоряя разложение воды на водород и кислород.

Для предотвращения обратного распространения газа и возможного воспламенения водорода, к системе подключены два гидрозатвора, выполненные на базе стеклянных трёхлитровых банок. Крышки этих банок снабжены входной и выходной трубками, позволяющими безопасно направлять выделяющиеся газы – водород и кислород – в различные сборники или газовую магистраль.

Рис. № 2. Электролизер в сборе.

Принцип действия:

При подаче постоянного напряжения на электроды происходит разложение молекул воды:

– На катоде (отрицательный электрод):

2H2O + 2e → H2 + 2OH

– На аноде (положительный электрод):

4OH – 4e → O2 + 2H2O

Это приводит к выделению водорода на катоде и кислорода – на аноде. Газы далее по трубкам направляются в гидрозатворы, где могут отделяться от влаги и далее использоваться по назначению.

Преимущества конструкции

– Простота и надёжность конструкции;

– Доступность используемых материалов;

– Безопасность благодаря применению гидрозатворов;

– Возможность масштабирования (добавления дополнительных ячеек для увеличения производительности водорода).

Таким образом, данный электролизёр представляет собой эффективную установку для лабораторного или экспериментального получения водорода методом щелочного электролиза.

2. Инфразвуковой генератор на основе газоструйного резонатора

Изготовлена в 1999 году для проведения ОКР

Разработанный инфразвуковой генератор представляет собой устройство для создания низкочастотных колебаний (инфразвука) в диапазоне частот ниже порога слышимости человека (менее 20 Гц). Он выполнен по принципу классического газоструйного излучателя – в простейшем виде, это подобие свистка, в котором поток газа возбуждает колебания воздуха в объёмной полости-резонаторе.

Конструктивные особенности

В качестве резонатора использованы пластиковые трубы диаметром 120 мм и общей длиной 5 метров. Эта длина определяет основную резонансную частоту системы, соответствующую длине продольной стоячей волны звука.

Для открытого с одного конца трубчатого резонатора длина волны основного тона определяется как:

λ ≈ 4L,

а частота f = v / λ,

где v – скорость звука в воздухе (примерно 343 м/с).

При длине L = 5 м:

λ ≈ 20 м

f ≈ 343 / 20 = 17 Гц

Это уже в диапазоне инфразвука.

Входной конец труб снабжён форсункой, направляющей мощную струю воздуха от компрессора (2,2 кВт потребляемой мощности) на начало резонатора. Подобно работе органной трубы или свистка, турбулентное обтекание создает автоколебательный процесс, возбуждая стоячие волны в резонаторе.

Рис. № 3. Инфразвуковой генератор (газоструйный резонатор), вид в сборе.

Принцип действия

Благодаря большой длине и определённой геометрии, в трубке формируется мощная низкочастотная акустическая волна. При резонансных условиях в трубе возникает инфразвуковая колебательная система, аналогичная механизму звучания органной трубы. Однако, в отличие от слышимого звука, инфразвук человек не ощущает ушами, но он воздействует на телесные резонансы организма.

Предупреждение об опасности

Особенность инфразвука – его способность проникать сквозь стены, мебель, и даже воздействовать на внутренние органы человека. Несмотря на то, что ухо не регистрирует эти звуковые колебания, тело (в особенности полые органы как желудок, кишечник, лёгкие) может в резонансе с отдельными частотами начать вибрировать, вызывая:

– Ощущение давления, тревоги, паники;

– Нарушения ориентации;

– Сильный дискомфорт, мигрени;

– Нарушение работы вестибулярного аппарата;

– У животных – дезориентацию и панику.

Пример

При подаче давления на газоструйный резонатор во время эксперимента, слуховая система не зафиксировала явно выраженного гула (в силу низкой частоты – менее 20 Гц). Однако пользователь испытал физический дискомфорт из-за вибрационного воздействия на внутренние органы. Особенно показательной стала реакция животного: кот, находившийся в соседней комнате, в панике выскочил через открытую форточку, что указывает на мощное инфразвуковое воздействие.

Выводы и рекомендации

– Инфразвук – физически ощутим, но не слышим;

– Не использовать устройство в жилых помещениях;

– Ограничить доступ людей и животных при проведении экспериментов;

– Надежно экранировать зону действия генератора;

– Не превышать допустимое звуковое давление.

Инфразвук – могущественный, но крайне опасный физический феномен. Использование подобных генераторов требует строгого соблюдения техники безопасности и понимания потенциального влияния на здоровье окружающих.

3. Тепловой автогенератор звука Рийке

Изготовлена в 1999 году для проведения ОКР

Тепловой автогенератор звука, получивший имя в честь физика Рудольфа Рийке, был впервые продемонстрирован в 1859 году. Его открытие стало первым достоверным примером устройства, в котором звук возникает вследствие термического (теплового) возбуждения без применения механических или электрических источников колебаний.

Поже лорд Рэлей предложил качественную теорию этого явления в рамках акустики и термодинамики, показав, что прибор Рийке является примером теплоакустического генератора, где тепло, вводимое в систему с определенным фазовым сдвигом, может усиливать звуковые волны.

Принцип действия

Прибор Рийке представляет собой открытую с обоих концов вертикально ориентированную трубку (резонатор), внутрь которой на высоте приблизительно L/4 от нижнего конца помещается металлическая сетка, нагретая до высокой температуры.

Физический механизм генерации звука.

При нагревании сетки она передает тепловую энергию проходящему через неё потоку воздуха. Под действием конвекции (или внешнего нагрева, например, спиртовой горелкой) возникает восходящий поток воздуха через трубку. Если сетка расположена правильно – именно в нижней половине трубки (около четверти её длины от низа) – происходит резонансное усиление звуковых колебаний: теплота поступает в фазе с увеличением давления среды в волне, что приводит к самоподдерживающемуся звуку. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в акустическую без движущихся частей – образуется громкий устойчивый однотонный звук.

Расчёт

Поскольку труба открыта с обеих сторон, её основное акустическое колебание соответствует стоячей волне с пучностями звукового давления у концов и узлом посередине. Длина волны λ и частота F определяются:

F = C / λ = C / (2L)

Где:

– C – скорость звука в воздухе (около 343 м/с при 20 C);

– λ – длина звуковой волны;

– L – длина генерирующей трубки.

Рис. № 4. Тепловой автогенератор звука Рийке

Таким образом, для трубы длиной 1 метр основная частота составит:

F = 343 / 2 × 1 = 171,5 Гц – в диапазоне слышимого звука (низкий гул).

Эксперимент

В практической реализации был использован следующий прототип установки Рийке.

Трубка: стеклянная трубка от старой люминесцентной лампы (СССР), длиной 1 метр и диаметром 40 мм;

Нагревательный элемент: мелкая металлическая сетка (например, из нержавеющей стали), закреплённая внутри трубки на расстоянии L/4 от её нижнего конца;

Источник тепла: пламя спиртовки или газовой горелки, подведенное снаружи к сетке через стекло (или с использованием открытого торца трубки, в случае отсутствия герметичности);

Условия: вертикальное положение трубки, помещение без сквозняков.

Рис. № 5. Тепловой автогенератор звука Рийке из стеклянной лампы дневного света.

Результаты

После 10–20 секунд прогрева сетки наблюдалось возникновение громкого однотонного звука.

Характер акустического сигнала – устойчивый низкий гул, похожий на звучание органной трубы.

Эффект возникает исключительно при достаточной длине трубки – желательно от 1 метра и выше.

В более коротких трубках (менее 0,7 м) возбуждение автоколебания сложно или невозможно: резонанс ограничен, тепловой вклад недостаточен.

Выводы

Прибор Рийке – уникальное демонстрационное устройство, наглядно иллюстрирующее взаимосвязь между теплом и звуком.

Он способен генерировать звук только за счёт тепловой энергии, без электрических схем и движущихся частей.

При соблюдении условий (достаточная длина трубки, правильное размещение нагревателя, устойчивый поток воздуха) эффект возникает стабильно.

4. Генератор тумана для визуализации вихревых течений

Изготовлена в 1999 году для проведения ОКР

Генератор тумана разработан для наглядного отображения вихревых и ламинарных течений воздуха или газа в различных аэродинамических и гидродинамических экспериментах. Туман служит в качестве пассивного индикатора потока: рассеиваясь в воздухе и перемещаясь вместе с потоком, он позволяет визуализировать структуру течения (вихри, границы перехода от ламинарного потока к турбулентному и т.д.).

Конструкция

– Основной элемент – ТЭН (трубчатый электронагреватель) U-образной формы, рассчитанный на напряжение 220 В. Он обеспечивает необходимую температуру для испарения жидкости.

– Нагревательная часть обмотана медной трубкой (диаметром 5 мм) по длине ТЭНа. Это обеспечивает максимально равномерный и стабильный подогрев жидкости, проходящей внутри трубки, без перегрева и образования капель.

– Жидкость для генерации тумана (обычно это гликоле содержащая дым-жидкость, используемая в сценических или концертных дым-машинах) подаётся в трубку с помощью бачка-резервуара, встроенного насоса и тонкой подачи через штуцер. В качестве подающего насоса удобно использовать готовый насос от автомобильной системы омывателя лобового стекла.

Рис. № 6. Генератор тумана

Принцип действия

После включения ТЭН прогревается и начинает нагревать медную трубку.

При подаче специальной дымообразующей жидкости в нагретую медную трубку происходит её частичное испарение.

Образующиеся пары при температуре 200–300 C выходят из сопла (или выходного канала) в виде густого белого тумана.

Туман может быть направлен в поток воздуха (например, из вентилятора или аэродинамической трубы) и тем самым позволяет визуально отслеживать линии тока, зону рециркуляции, вихревые образования и т.п.

Материалы

– ТЭН на 220 В (можно использовать от обогревателя или чайника);

– Медная трубка (5 мм) – теплоустойчивая, лёгкая в сгибании;

– Жидкость: театральная сцена-дым-жидкость (на основе пропиленгликоля или глицерина);

– Насос подачи (от бачка омывателя авто);

– Бачок-резервуар для жидкости;

– Соединенные шланги, крепёж, опоры и теплоизоляция (по необходимости).

Преимущества использования

Контур вихревого потока становится легко различимым невооружённым глазом.

Устройство подходит как для настольных исследований, так и для демонстраций в классе или лаборатории.

Компактность и автономность конструкции позволяют использовать её в закрытых помещениях.

Жидкость безопасна (в разумных дозах соответствует сценическим требованиям), не токсична и быстро рассеивается.

Для устойчивой подачи лучше использовать регулятор давления или диммер для плавной подачи жара на ТЭН.

Не допускается перегрева трубки, иначе жидкость может закоксоваться внутри – необходимо контролировать разогрев.

Предупреждение / безопасность

При работе генератора образуется горячий пар и металлические части также могут сильно нагреваться – требуется соблюдать меры безопасности.

Устройство использовать только в проветриваемом помещении.

Туман не должен вдыхаться в больших количествах – особенно людям с респираторными заболеваниями.

Заключение

Простой, но эффективный генератор тумана на базе ТЭНа и медной трубки позволяет реализовать визуализацию потоков с высоким качеством. Это незаменимое устройство для физического моделирования воздушных потоков, демонстрации явлений вихреобразования, граничных слоёв и многого другого.

5. Индукционная печь по мостовой схеме на базе полупроводников

Изготовлена в 1999 году для проведения ОКР

Представленная индукционная печь является изделием, собранным на базе частотно-преобразовательной мостовой схемы с использованием полупроводниковых ключей. Она предназначена для высокоэффективного нагрева металлических заготовок, в том числе в целях термообработки (отпуска, закалки, пайки и др.), и успешно применялась в опытно-конструкторских работах (ОКР).

Рис. № 7. Аппаратное исполнение индукционной печи

Электрическая схема:

За основу взята классическая мостовая схема резонансного инвертора, работающего на высоких частотах (обычно в диапазоне от десятков до сотен килогерц). Основными элементами схемы являются:

– Мост из четырёх полупроводниковых транзисторов (IGBT или MOSFET);

– Конденсатор в резонансном контуре;

– Индуктор (катушка нагрева);

– Высокочастотный ферритовый трансформатор для согласования уровней напряжения и гальванической развязки;

– Силовой драйвер управления ключевыми транзисторами (ШИМ или автогенератор);

– Блок питания и фильтры помех.

Принцип действия:

Постоянное напряжение, подаваемое от первичного источника питания (например, выпрямленного сетевого напряжения), преобразуется в переменное напряжение высокой частоты с помощью мостового инвертора. Образуется высокочастотный ток, протекающий через индуктор (индукционную катушку), который создает быстро меняющееся электромагнитное поле. Заготовка из токопроводящего материала (металл), помещённая внутрь или рядом с индуктором, испытывает вихревые токи и вихревую потерю, в результате чего нагревается. При правильной настройке резонансной цепи (индуктор + конденсатор), схема работает в режиме минимальных потерь и высокой добротности – повышая КПД системы.