Transport  

 

Liikumine ja transport on üks inimkonna alustalasid. Jala on küll tore liikuda, kuid mõne sõiduki abiga on seda palju kiirem teha. Esimesed paadid ehitati tõenäoliselt juba ca 8000 eKr, kuid mootoriga sõiduvahendid jõudsid kasutusse alles 19. sajandil.

Transpordi tähtsust tänapäeva ühiskonna normaalsel toimimisel on raske alahinnata. Me transpordime iga päev miljoneid tonne tooteid ühest kohast teise. Kiire transport on väga suur hüve. Me tajume seda alles siis, kui Alibabast tellitud asjadel võtab pikalt aega, et Hiinast meie postkasti jõuda.

Transpordiahel koosneb mitmetest osadest. Hetkel sõidavad enamus transpordiahela sõiduvahenditest fossiilkütustega. Fossiilkütustega on hea algust teha transpordi arendamisel, kuna tegemist on laialt levinud energiaallikaga, kuid siiski on selle ressursid piiratud ning sellega kaaseb märkimisväärne kahju keskkonnale. Kuna aga hetkel pole igakülgselt paremat alternatiivi välja mõeldud, on need endiselt domineerivas rollis.

Üks põhjus, miks fossiilkütused on endiselt domineerivad tuleneb energiaallikate keemilisest struktuurist. Erinevatel kütustel on erinev energiatihedus. See näitab seda, kui palju energiat vabaneb ühe kilogrammi kütuse kasutamisel. Võrdluseks enam kasutatavateke kütustele on allolevas tabelis toodud ka patareide ja akude energiatihedus. Siit tuleb hästi välja, miks ei ole veel võimalik luua akudel töötavat elektrilennukit – akude energiatihedus on nõnda madal, et vajaliku energiakoguse mahutamiseks kuluv akude mass on nii suur, et oleks tõeline väljakutse saada selline lennuk õhku tõusma.

Keemilise energia sisaldus, MJ/kg

Hetkel on transpordis veel parimad lahendused bensiin ja sisepõlemismootor. Allpool on näha tüüpiline sisepõlemismootori ülesehitus. Sisepõlemismootori tähtsaimad osad on põlemiskamber ehk silinder, kolb ja väntvõll. Põlemine toimub põlemiskambris, mis on ühes küljest piiratud kolviga, mis saab gaasi paisudes liikuda. Kui gaasi põlemisel gaas soojeneb ja selle ruumala suureneb, liigub kolb alla. Kolvi liikudes lükkab see ka väntvõlli pöörlema. Et mootor jookseks sujuvalt ja oleks tasakaalustatud, peab järgmine plahvatus toimuma siis, kui väntvõll on 90 kraadi pööranud.

Sisepõlemismootor animatsioon (energy.gov)

Kui jõud on antud edasi väntvõllile, kantakse see edasi mootori külge kinnitatud käigukastile. Käigukast kombineerib erinevate suurustega hammasrattaid, millega saab mootorist tulevat jõudu erineva kiirusega edasi anda differentsiaalile ning see omakorda ratastele endale.

Takistus liikumisel

Kuna aga mootori ja rataste vahel on mitmeid liikuvaid osasid, tekib iga ülekanega väike kadu. See on tingitud lõtkudest, hõõrdumisest ja deformatsioonist. Need kokku aga võivad madaldada mootori kasulikku võimsust paar kuni paarteist protsenti. Lisaks jõuülekande kuludele, esineb veel teisigi kadusid, mis on seotud auto ülejäänud osadega. Kõikide liikuvate, ka veerevate, objektide vahel on takistus. Samamoodi on takistus ka rehvide ja maapinna vahel ning õhu ja autokere vahel.   

Nende takistuste vähendamiseks on pikalt vaeva nähtud. Näiteks jõuülekande kadude vähendamiseks loodi esiveoline auto, kus vedavad rattad on kohe mootori juures ning seega läheb vähem jõudu kaduma jõu liigutamisel ebavajalikult kaugeleRehvide takistuse vähendamine on keerukam kuna rehvi eesmärk ongi haakuda maapinnaga ja autot hoida teel. Tänapäevane rehvitehnoloogia on eesmärk rehvide disainimisel on võimalikult väike takistus ühtlasel liikumisel, kuid samal ajal ka saavutada hea haakuvus teekattega.  

Oluline faktor auto liikumise juures on ka aerodünaamika. Tihti küll ei võeta seda arvesse koolifüüsikas, kuid tegu on äärmiselt olulise teguriga, kui kiirused on suuremad kui 30 km/h. Rattaga sõites on tunda, et juba seda kiirust on horisontaalsel pinnal keerukas tavalise rattaga hoida, kuna õhutakistus on sedavõrd suur. Aerodünaamilist takistust arvutatakse valemiga: 

kus Cd on aerodünaamilise takistuse tegur 

A eestvaate pindala (m2); 

r vedeliku (või gaasi) tihedus (kg/m3); 

v kiirus (m/s). 


Samamoodi on oluline ka Bernoulli printsiip, mis on otseselt seotud keha aerodünaamikaga. Bernoulli printsiibi kohaselt väheneb kiirenevas vedelikus või gaasis rõhk, kuna selle kineetiline energia kasvab ning kuna kogu süsteemi energia peab jääma samaks peab vähenema selle rõhuenergia, mis väljendub rõhukaona. 

Bernoulli printsiibi abil saab ka seletada, kuidas töötab lennukitiib. Kiiremini liikuv õhk tiiva kohal tekitab madalama rõhu ja kõrgem rõhk tiiva all surub tinglikult tiiba üles poole. Bernoulli võrrandit kasutatakse enamasti kujul: 

Kus  

z1 on voolu geodeetiline kõrgus ühes punktis (m) 

p1 on rõhk voolu ühes punktis (Pa) 

v1 on kiirus voolu ühes punkis (m/s) 

z2 on voolu geodeetiline kõrgus teises punktis (m) 

p2 on rõhk voolu teises punktis (Pa) 

v2 on kiirus voolu teises punkis (m/s) 


Kiiresti liikuvatel lennuvahenditel tekib hõõrdumine õhu osakeste ja kere vahel. Eriti suur hõõrdumine tekib teravate nurkade või äärte juures, kus õhk liigub aeglasemalt ning tänu Bernoulli printsiibile on siis rõhk suurem. Suurema rõhuga aga suureneb õhu temperatuur ning sellega ka lennuki kere temperatuur.

Kus

T on temperatuuritõus (K) 

T on välise õhu temperatuur (K) 

k on spetiifiline soojenemisnäitaja (õhus 1,4) 

Ma on Machi arv 


Auto aerodünaamika (picdn.net)

Transpordi teema ülesanded 

  1. Leida Tesla Model S aerodünaamiline takistus, kui see liigub kiirusel 50km/h. Vastusele lisada ka keskmine auto eestvaate pindala, mida on arvutustes kasutatud. Keskmine aerodünaamilise takistuse tegur leida ise internetist.
    Vastus: Arvestades, et Tesla S mudeli eestvaate pindala on 2,418 m2 ja aerodünaamilise takistuse tegur (Cd) on 0,25, tuleb selle takistuseks 50 km/h liikumise puhul 75, 21 N. (kõik ligilähedased vastused on loetud õigeks). NB! Kiirus peab olema m/s!
  2. Õhust tihedamate kehade lendamine on võimalik tänu erinevate füüsikaliste jõudude tasakaalule – kergitusjõud (või üleslükkejõud), pidurdusjõud (lennuki tiiva taha tekkivast turbulentsist), raskusjõud ja tõukejõud. Lendamise puhul peab üleslükkejõud tasakaalustama raskusjõudu ning tõukejõud peab ületama pidurdusjõudu. Lennuki puhul on tiivad üleslükkejõu tekitamiseks ja mootorid tõukejõu jaoks. Lendamise puhul tekib üleslükkejõud lennukitiiva omalaadsest kujust, mis põhjustab õhuvoolude voolamist erinevatel kiirustel tiiva peal ja all – vastavalt kiiremini tiiva pealt ja aeglasemalt tiiva alt. Olgu meil vaadeldavaks lennukiks Boeing 737, mille maksimaalne mass õhkutõusmisel on 80 t (tühi lennuk 41 t + 18 t kütus + muu tavaar). Tema tiivaulatus on 36 m ning tiibade pindala on 102 m2. Leida rõhkude vahe lennukitiiva all ja peal.
    Vastus: Rõhkude vahe lennuki tiiva all ja peal on 7,7 kPa.3. Arvestades, et lennukid lendavad üldiselt 11 km kõrgusel ning temperatuur sellel kõrgusel on 217 K, siis hõõrdumisest tingitud temperatuuritõus on 271 K ning lennuki pinna lõplik temperatuur on 488 K.
  3. Leidke kui palju lennuki pind soojeneb, kui lennuk liigub kiirusega Mach 2,5? Millise Mach 2,5 lennukiga on tegemist, kui see lennuk on ainus seda tüüpi lennuk, mis on ka Eestis maandunud?
    Vastus: Ainus Mach 2,5 tüüpi lennuk, mis on Eestis maandunud on F-15 Eagle.

 

Need on viimased teooria küsimused ning nendele ootame vastuseid sellel lingil kuni 25. aprill kell 23:59. 

Ootame ka teie tagasisidet ja muljeid ülesannetest ja võistlusest. Tagasisidet saab anda sellel lingil. 

Juba laupäeval, 24. aprillil on käes ka praktilise finaalülesande aeg, seni aga edu veel teooria ülesannetega!