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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Hinter dem Heck, in einem schaumigen Bach. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Ein flinker Rennroller und ein halbkilometerlanger Tanker, ein Atom-U-Boot und ein Flussschlepper – diese ungleichen Schiffe und Dutzende andere bewegen sich mit Hilfe eines Propellers im und unter Wasser. Neun von zehn modernen Schiffen mit Eigenantrieb verfügen über einen Propellerantrieb.
Hydrobiologen untersuchten Hunderte von Bewohnern von Flüssen, Seen und Ozeanen – von Garnelen bis zu Tintenfischen, von Sprotten bis zu Walen – und untersuchten sorgfältig ihre Bewegungsmethoden im Wasser. Die Natur hat keinen von ihnen mit etwas ausgestattet, das einem Propeller ähnelt. Wie das Rad gibt es auch für das Hauptantriebsgerät der modernen Flotte keine Entsprechungen in der Natur. Der Schiffspropeller ist ein Nachkomme des Propellers, der vom brillanten Archimedes zur Wasserförderung geschaffen wurde. Wenn wir uns auch an das Gesetz von Archimedes erinnern, stellt sich heraus, dass die heutige Schifffahrt doppelt dem großen Syrakus zu verdanken ist ... Im Jahr 1793 schlug der französische Mathematiker Ponton vor, Schiffe mit einem Propeller anzutreiben. Drei Jahrzehnte später entwickelte der tschechische Erfinder I. Ressel das erste Schneckendesign – die Schnecke. Und im Jahr 1836 führte ein Unfall dazu, dass die Schnecke der heutigen Form – der Klingenschnecke – Platz machte. Während der Tests brach eine lange Schraube, ähnlich einem Fleischwolf, ab und das Schiff fuhr schneller. Im Jahr 1849 wurden die Vorteile des Propellers in einem fairen Kampf unter Beweis gestellt. Englische Dampfschiffe - die Schraube „Niger“ und die Raddampfer „Basilisk“, beide mit 400-PS-Motoren, durch Kabel verbunden, fuhren in entgegengesetzte Richtungen. Es war so etwas wie ein Tauziehen. Über eine Stunde lang zog das Propellerschiff seinen Gegner mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Knoten. Zwar wurden nach diesem Wettbewerb jahrzehntelang Raddampfer gebaut. Aber höchstwahrscheinlich aufgrund der Trägheit ... Der Spitzenreiter der Welttankerflotte, Globtic Tokyo, hat Motoren mit einer Gesamtleistung von 45 PS an Bord. s., Motorleistung des Eisbrechers "Ermak" - 000 42 l. s., Passagierschiff „Queen Eliabeth-0“ – 2 l. Mit. Doch Energie zu gewinnen ist nicht alles: Sie muss genutzt werden. Das Schiff bewegt sich und schleudert Wasserströme weg, mit anderen Worten, alle selbstfahrenden Schiffe sind Hydrometeore. Die Räder schleudern das Wasser weg, indem sie es mit einer Klinge – einer Platte – zusammendrücken. Bei einer Schraube ist dieser Vorgang komplizierter. Jede seiner Klingen dient als eine Art Flügel. Wenn sich das Blatt in der Wassersäule dreht, bildet sich auf einer Oberfläche des Flügels eine Verdünnungszone und auf der anderen eine Kompressionszone. Der Druckunterschied erzeugt die Auftriebskraft und die Summe der Auftriebskräfte der Blätter erzeugt den Schub des Propellers. Im Gegensatz zu einer gewöhnlichen Schraube, deren Kopf sich bei jeder Drehung des Schraubenstifts um einen Schritt bewegt, entfernt der Propeller sozusagen den Faden und wirft eine Wassermasse zurück. Je größer diese Masse ist, desto stärker ist der Anschlag und desto besser ist die Schraube. Es scheint, dass es ausreicht, die Geschwindigkeit zu erhöhen, um die Betonung zu erhöhen. Doch in diesem Fall handelt es sich nicht mehr um eine Quetschung, sondern um einen Bruch des unsichtbaren Wasserfadens. Der Druck an der Vorderkante des Blattes sinkt noch mehr, das Wasser kocht und bildet zahlreiche Blasen. Sobald die Blase aus der Tiefdruckzone fliegt, kollabiert sie: Sie wird durch die Wassersäule komprimiert. Der Tod jeder Blase wird von einer Mikroexplosion begleitet. Der explosive Aufprall von Blasen auf ein Propellerblatt verursacht mehr als nur Lärm und Vibrationen. Der schützende Oxidfilm wird vom Metall abgerissen und es beginnt die Kavitationserosion. Ein Propellerblatt, das der Kavitation ausgesetzt ist, ähnelt einem von Kugeln durchsiebten Ziel. Bei bestimmten Propellergeschwindigkeiten tritt Kavitation auf. Um dieses äußerst unangenehme Phänomen zu beseitigen, müssen Sie die Geschwindigkeit reduzieren. Aber dann stoppt die Schraube und ihr Schub wird nachlassen. Der Kampf gegen die Navigationserosion von Metall führte zu einer paradoxen technischen Lösung: Sie beschlossen, die Kavitation zu erhöhen. Es entstanden Propeller mit speziellen Profilblättern. Bei extrem hohen Geschwindigkeiten begannen Navigationsblasen die gesamte Arbeitsfläche des Blattes zu bedecken und bildeten eine riesige Dampfblase. Eine Erhöhung der Drehzahl eines solchen Propellers verändert den Druck in der Dampfblase nahezu nicht, wohl aber der Druck hinter dem Blatt und der Gesamtschub. Solche Propeller werden Superkavitation genannt. Für gewöhnliche Schiffe sind sie wirkungslos, aber unersetzlich, wenn Geschwindigkeiten über 40 Knoten erreicht werden müssen. Beispielsweise ist das sowjetische Gasturbinen-Tragflügelboot „Typhoon“ mit einem Superkavitationspropeller ausgestattet. Die Klingen drehen sich in einem kontinuierlichen Tanz. Es genügt, dass einer von ihnen „aus dem Tritt gerät“, damit der gesamte Propeller und dahinter das gesamte Heck vibrieren. Es kam vor, dass aufgrund der Vibration des Propellers ein Umbau des Schiffes erforderlich wurde. Deshalb werden die Propeller mit besonderer Sorgfalt ausgewuchtet, die Form der Blätter und deren Neigung mit speziellen Schablonen überprüft und die Oberfläche mindestens einmal im Jahr auf Hochglanz poliert. Wenn bei der Inspektion einer Schraube, die schon länger funktioniert, auf der Oberfläche Schlaglöcher mit einer Tiefe von mehr als einem Millimeter festgestellt werden, werden diese mit Epoxidharzverbindungen gespachtelt und erneut auf Hochglanz geschliffen. Ein besonderes Problem stellt die Wahl des Metalls für die Schraube dar. Aufgrund der starken Korrosion im Meerwasser sind herkömmliche Stähle praktisch ungeeignet. Es genügt zu sagen, dass beim Eisbrecher Murmansk im Laufe von zwei Betriebsjahren jedes Schraubenblatt 200 Kilogramm an Gewicht verloren hat. Dieses ist aus speziellen legierten Stählen gefertigt! Schiffspropeller werden in den letzten Jahren zunehmend aus Messing oder Bronze gefertigt. Die Korrosionsbeständigkeit von Messing ist hundertmal höher als die von gewöhnlichem Stahl. Aber auch Messing ist im Meerwasser anfällig für Korrosion – Zink wird daraus ausgewaschen. Bereiche mit niedrigem Zinkgehalt werden mit Rissen bedeckt und die Festigkeit der Klingen nimmt ab. Mit jeder Drehung der Schraube öffnet und schließt sich ein kleiner Riss; Korrosionsprodukte polieren seine Kanten und erweitern ihn. Und dann kommt der Moment, in dem das Metall es nicht mehr aushält und zerbricht ... Messing ist kein sehr haltbares Metall. Für Hochgeschwindigkeitspropeller wird häufig Manganaluminium oder Nickel-Aluminium-Bronze verwendet, deren Festigkeit der von legierten Stählen nahe kommt und deren Beständigkeit im Meerwasser um ein Vielfaches höher ist als die von Messing. Aus solchen Bronzen werden Propeller mit einem Gewicht von mehr als 50 Tonnen für moderne Containerschiffe und Supertanker gegossen. Allerdings können solche Legierungen Kollisionen selbst mit leichtem Eis nicht standhalten. Daher ist es für Eisbrecher notwendig, Propeller aus legiertem Edelstahl herzustellen, der Kupfer, Mangan, Nickel, Titan und eine Reihe anderer Zusätze enthält. Eine Geschichte über moderne Materialien für Schiffspropeller wäre unvollständig, ohne Kunststoffe zu erwähnen. Schiffe verwenden bereits Propeller aus Gussnylon. Aber nur auf kleinen Schiffen. Selbst mit Stahlblechen umrandete Nylonblätter können den enormen mechanischen Belastungen, denen die Propeller großer Schiffe ausgesetzt sind, nicht standhalten. Aber den Propeller gibt es schon seit anderthalb Jahrhunderten, und die ersten Experimente mit Kunststoffblättern begannen erst vor zehn Jahren ... Autoren: M.Korotkiy, M.Nayding
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