Магнитная подушка принцип действия

Что такое Магнитная Подушка? и принцип её работы?

Существует множество видов транспорта и способов добраться из одной точки в другую. Одним из них являются поезда. Он относится к железнодорожному наземному транспорту, занимающейся перевозкой пассажиров и тяжеловесных грузов при помощи силы электричества и дизельного топлива. Но с годами идет развитие и усовершенствование способов перемещения для создания более высокоскоростного транспорта. Результатом такого труда стали поезда на магнитных подушках!

Преимуществом этого транспорта является его высокая скорость, экономичность электроэнергии, экологичность и бесшумная работа. Его скорость, можно сравнить со скоростью самолетов.

Принцип работы . Используется свойство магнитов отталкиваться друг от друга одноименными полюсами. Вот это явление и получило «популярное название — магнитная подушка».

В основе движения поезда лежит принцип соединения разных полюсов магнитов, которые притянутся друг к другу. За счет этого поезд буквально скользит по воздуху на незначительном расстоянии от рельсов. На данный момент уже разработано две технологии, приводящие в действие магнитную подушку или подвес. Концентрация магнитного поля, должно быть, сфокусирована в определенной точке, снижая ее в других. Постоянные магниты, установленные по всей длине вагона, генерируют магнитное поле, которое индуцирует достаточные токи в обмотках полотна под находящимся в движении вагонов. При остановке поезда, вагоны опускаются на дополнительные шасси при этом эффект парения по воздуху прекращается.

Совершая движение по магнитной трассе, этот поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля, не соприкасаясь с путями и не вызывая трения. Аэродинамическое сопротивление становится тормозящей силой данной системы.

Единственным препятствует, может послужить тот факт, что перемещаться по традиционным железнодорожным покрытиям они не могут. Данный вид поездов на магнитных подушках нуждаются в построении специальных магистралей. Создаваемое магнитное поле способно негативно влиять на организм человека, так как генерирующееся магнитное поле, превышающее миллионные доли Т

Магнитная подушка

Как ни перспективна воздушная подушка для создания летающих поездов, у нее есть серьезный конкурент. Поезд может лететь над рельсами и без воздушной подушки, место которой способна занять ее своеобразная дальняя родственница — тоже подушка, но… магнитная.

Явление магнетизма, магнетическая сила известны людям с древних нор. Наука и теперь далеко не до конца выяснила природу магнетизма, его роль в жизни, однако сумела во множестве случаев использовать эту могучую природную силу на службе людям. Вполне реально и будущее магнитной подушки для рельсолетов.

Самый простой путь для этого — использование силы отталкивания одноименных полюсов магнита или, наоборот, притягивания разноименных полюсов. Но обычные магниты слишком слабы для этого, а применение мощных электромагнитов, образующих сильное магнитное поле с помощью электрического тока, связано со многими трудностями.

Наиболее эффективный путь решения задачи был впервые продемонстрирован в лаборатории одного из московских физических институтов полвека назад. Изумленные наблюдатели видели магнит, недвижно повисший в стеклянном сосуде над небольшой свинцовой тарелочкой.

Значение опыта столь велико, что о нем стоит рассказать подробнее. Прежде всего, для чего нужна была свинцовая тарелочка? Не на случай ли возможного падения магнита?

Ее роль была куда более важной. В сосуде под тарелочкой находился жидкий гелий, температура которого всего на четыре градуса выше абсолютного нуля. При столь низкой температуре свинец приобретает удивительное свойство сверхпроводимости. Если в сверхпроводящем веществе возник электрический ток, то он никогда не прекратится: сопротивление току равно нулю.

Вот что происходило в опыте, ставшем историческим. Когда магнит, небольшой брусок квадратного сечения, бросили в сосуд, то он упал на тарелочку, но не остался лежать на ней, как можно было ждать. Поведение магнита казалось необъяснимым — он подпрыгнул, еще раз и… завис над тарелочкой.

Когда магнит падал на свинцовую тарелочку, то вызвал в ней электрический кольцевой ток. Общеизвестно, что перемещение проводника в магнитном поле наводит (индуцирует) в нем ток. Сила наведенного в тарелочке тока была небольшой, при обычных условиях из-за сопротивления свинца ток почти сразу прекратился бы. Но свинец был сверхпроводящим, и ток, раз возникнув, продолжал существовать. Но раз появился ток, то появилось и связанное с ним магнитное поле, которое мешало магнитному стержню приблизиться к тарелочке.

Невидимая глазу борьба магнитных сил привела в конце концов к тому, что магнитный брусок недвижно завис в воздухе над тарелочкой. Вместо воздушной подушки «призраком» стала на этот раз подушка магнитная, сотканная из незримых силовых линий магнитного поля.

Исследования показали, что создание летающего поезда на магнитной подушке не только технически возможно, но и вполне оправдано. Он обладает некоторыми преимуществами перед рельсолетом на воздушной подушке — расходует меньше энергии, бесшумен, не поднимает туч пыли, не загрязняет атмосферу шлейфом выхлопных газов. Теперь, когда защита окружающей природы становится одним из главных требований к создаваемой технике, это важные достоинства.

Есть у магнитного поезда и недостатки. Главное — нужно достичь сверхпроводимости, а для этого обеспечить охлаждение чуть ли не до абсолютного нуля. Успехи физики и техники сверхнизких температур столь велики, что широкое использование явления сверхпроводимости в технике не за горами. И все же пока это сложно и дорого.

Исследование и проектирование рельсолетов на магнитной подушке ведется и у нас в стране, и за рубежом. Первые рельсолеты для регулярных рейсов будут, наверное, все же воздушными, и лишь потом в ряд с ними станут рельсолеты магнитные.

Собственно, магнитная подушка появилась на свет даже раньше воздушной. Первую модель вагона на магнитной подушке сделал бельгиец монтер Башле в 1910 году. Она тогда нашумела на весь мир, вызвала настоящую сенсацию. Еще бы, модель вагона весом пятьдесят килограммов не только поднималась магнитным полем и парила в воздухе над рельсами, но и мчалась с совершенно фантастической по тем временам скоростью — пятьсот километров в час!

Прошло четверть века, и другую модель построил немецкий инженер Кемпер Он оказался более практичным и взял патент на изобретение «Дороги с бесколесными вагонами, которые могут двигаться вдоль железных рельсов, будучи приподнятыми магнитным полем».

В обоих случаях для магнитной подвески служили электромагниты. Изобретатели применили немало интересных технических новшеств, но их проекты, намного опережавшие время, не смогли быть реализованы.

Новые перспективы открыло использование сверхпроводимости. Как будут выглядеть магнитные летающие поезда, если судить по известным проектам?

Магнитная подушка создается в них силой отталкивания между сверхпроводящими магнитными катушками под днищем вагона и расположенными вдоль полотна пути алюминиевыми обмотками-контурами. Место контуров может занять и обычный токопроводящий рельс, например алюминиевая полоса. Создающий отталкивающее магнитное поле ток в контурах или рельсе наводится магнитами проносящегося поезда. Помимо контуров, создающих подушку, вдоль пути должны быть расположены и другие контуры, уже не горизонтальные, а вертикальные — они служат для направления поезда, чтобы он не сошел со своих магнитных рельсов.

Подобным же образом могут быть устроены и высокоскоростные автомагистрали, по которым будут мчаться автолеты со сверхпроводящими магнитами под днищем. В бетон или асфальт шоссе должны быть заделаны отталкивающие контуры. Хочешь — можешь лететь на автолете, нет — ехать по нему на обычном автомобиле.

Первая модель вагона на магнитной подушке испытана в Японии лет десять назад. Позднее вагончик длиной семь метров промчался метров двести со скоростью почти пятьсот километров в час над полотном пути на высоте шесть сантиметров — его удерживала магнитная подушка со сверхпроводящим магнитом, а для движения служил линейный электрический двигатель.

Экспериментальный вагон на магнитной подушке построен в США. Сверхпроводящие катушки под днищем вагона изготовлены из ниобиевой проволоки, проложенной внутри тщательно изолированного кабеля с жидким гелием. Предполагается, что поезд на сто пассажиров будет обладать скоростью более четырехсот пятидесяти километров в час.

В ФРГ в 1971 году начаты испытания двух экспериментальных магнитных вагонов: один весом пять, другой — одиннадцать тонн.

В Англии имеются проекты создания летающего поезда с использованием и воздушной и магнитной подушек. Предполагается, что воздушная подушка будет несущей, а магнитная — направляющей.

У нас в стране работы по магнитным рельсолетам ведутся в Москве, Ленинграде, Киеве, Ростове-на-Дону. В Ростовском институте инженеров железнодорожного транспорта первая модель локомотива на магнитной подушке была создана студентами и участвовала в 1970 году во Всесоюзной выставке студенческих работ, получив там премию. Она парила на высоте четырех-пяти миллиметров над магнитами. В 1973 году в институте велись испытания модели локомотива «Молниеносный» на магнитной подушке с линейным электрическим двигателем. Предполагается создать магнитолет с четырьмя пассажирами. Уже не раз выпускники института свои дипломные проекты посвящали магнитным рельсолетам, работают над ними и ученые института.

Как работает маглев

Идея создания поезда на магнитных подушках появилась в начале двадцатого века, а первый прототип — «Transrapid 02» — был создан лишь в 1971 году на территории ФРГ. Спустя 8 лет была создана усовершенствованная модель маглева – «Transrapid 05», первой получившая лицензию на перевозку пассажиров. Испытательный трек длиной 908 метров построили в Гамбурге для выставки IVA 79. Максимальная скорость этого поезда составляла 75 км/ч. А первый коммерческий маглев появился в 84 году в английском Бирмингеме. 600-метровая линия соединяла терминал аэропорта и железнодорожную станцию. Одновременно работы по созданию маглева начали вести в Японии, Южной Корее и Китае. Как же работает маглев – об этом в сегодняшнем выпуске!

Маглев, или поезд на магнитной подушке, — это состав, который удерживается над дорожным полотном и движется силой электромагнитного поля. В основу маглева положено базовое свойство магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, а разные – притягиваются. В настоящий момент существует две основные технологии магнитного подвеса: электромагнитная EMS и электродинамическая EDS.

В поездах первого типа под днищем вагона крепятся мощные магниты в сантиметрах от Т-образного стального полотна. При движении поезда магнитный поток, проходящий через контур полотна, постоянно меняется, и в нем возникают сильные индукционные токи. Они создают мощное магнитное поле, которое отталкивает магнитную подвеску поезда. Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов и притягивания разных полюсов магнитов. А специальная система сохраняет величину зазора между магнитами в 15 миллиметров постоянной. При увеличении зазора система повышает силу тока в несущих магнитах и приближает вагон, при уменьшении — понижает силу тока, и зазор увеличивается. Также на электромагнитные маглевы устанавливают специальные батареи, позволяющие поезду левитировать при остановке.

Движение поезда осуществляется линейным двигателем – поочерёдно включаются обмотки статора, создавая бегущее магнитное поле. Статор поезда втягивается в это поле и движет весь состав. При этом с частотой 4000 раз в секунду происходит смена полюсов на магнитах путем попеременной подачи тока. Изменение силы и частоты тока позволяет регулировать скорость состава.

Существует также электродинамическая EDS-технология, при которой движение маглева осуществляется за счет взаимодействия двух полей. Одно из них создается в дорожном полотне, а второе – на корпусе поезда. В отличие от EMS с обычными магнитами, EDS использует сверхпроводящие электромагниты, которые могут проводить электричество даже после отключения источника питания.

Кроме того, EDS не нуждается в специальных системах корректировки расстояния между поездом и полотном. При его сокращении возникает сила отталкивания, которая возвращает магниты в первоначальное положение. А при увеличении расстояния увеличивается сила притяжения, что также ведет к стабилизации системы.

Еще одно отличие поездов, созданных по технологии EDS, — необходимость в дополнительных колёсах при движении на малых скоростях (до 150 км/ч). При достижении высокой скорости колёса отделяются от земли и поезд летит на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности. Также стоит отметить, что из-за сильных магнитных полей на корпусе поезда необходима магнитная защита – экранирование.

Маглев — это самый быстрый общественный наземный транспорт. Рекорд скорости был установлен японским поездом Синкансэн L0 в апреле 2015 года — он разогнался до 603 км/ч.

Поездом Москва — Петербург за полтора часа. Что такое маглев и почему его до сих пор нет в России

Коллаж © LIFE Фото © LIFE / Стас Вазовски © Shutterstock

» src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/12/74649859905.99013.jpg» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Наша страна одной из первых построила самые быстрые в мире поезда на магнитной подушке. А сейчас у отечественных учёных есть маглев-технология, которой могут позавидовать в Шанхае и Токио. Когда мы сможем объехать всю Россию за 14 часов?

Фото © LIFE / Стас Вазовски

Выглядит величественно, верно? Этот потерпевший крушение космический корабль — советский поезд маглев. Магнитолевитационный. То есть поезд, который не едет, а летит, не касаясь путей. Это не макет, не бутафория. Он настоящий. Он ездил.

Репортаж о советском маглеве для телевидения Австралии, 1986 год. Видео предоставлено Московским государственным университетом путей сообщения

А вот, кстати, ещё, не припоминаете? Короткометражка 1987 года из цикла «Этот фантастический мир». Была такая телепрограмма, вёл её космонавт Георгий Гречко. Это 12-й выпуск под названием «С роботами не шутят» по рассказу «Судебный процесс» шведского писателя Фредерика Чиландера. Человек с цветами — Авангард Леонтьев, а перекрашенный специально для фильма вагон с надписью Fire-ball и есть тот шаг в будущее, который не произошёл.

В реальности на нём написано ТП-05. Поскольку это была разработка института ВНИИПИ Транспрогресс, позволим себе предположить, что ТП — это от слов «транспорт» и «прогресс». Его специалисты трудились над технологией маглева ещё с 70-х. Испытания этого вагона начались в 1986-м. Он был не просто демонстрационным.

Фото © LIFE / Стас Вазовски

Вагон строился, чтобы показать, как это будет работать, как будет перевозить пассажиров на проекте Ереван — Севан — Абовян. Но случилось землетрясение в Спитаке, и закончилось финансирование. Хотя мы уже начали строительство, уже первые сваи там забили

Главный конструктор по транспорту на магнитном подвесе инженерно-научного центра «Тэмп», доктор электротехники

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/9/1286763730584.663.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Главный конструктор магнитолевитационного вагона ТП-05 Андрей Галенко (справа). Фото © LIFE / Стас Вазовски

Ещё один вариант советского летающего поезда создавали для маршрута Алма-Ата — Медео.

Но руководство в конце концов сказало: ну, это всё хорошо, ребята, но мы будем строить метро

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/9/1286763730584.663.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Был и проект маглева Москва — Шереметьево. Но это было в 1992 году.

Проект был закрыт из-за отсутствия финансирования. 1992 год. Каждый выживал как мог. Всё разрушили, что могли

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/9/1286763730584.663.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Надо сказать, что после распада СССР отечественные маглев-технологии продолжали и продолжают развивать. Кстати, вы знали, что московский монорельс, который столичное правительство на днях предложило закрыть, тоже, по сути, магнитолевитационный транспорт? Под вагонами состава и на путевой структуре есть магниты, именно они и удерживают состав на своём месте. Этот транспорт, которым Москва когда-то гордилась, разрабатывали те же люди, которые создавали советский маглев.

Юра, мы ещё не всё! Россия могла строить многоразовые ракеты раньше Илона Маска

Как устроен маглев

Вспомните «фокус» из школьной программы: если повернуть магниты друг к другу разными полюсами, они притягиваются, одинаковыми — отталкиваются. Вот этим и ещё некоторыми вещами из школьного курса физики и решили воспользоваться для создания прогрессивного транспорта. Под вагоном закрепили электромагниты. Разработчики называют это магнитной лыжей.

Магниты под днищем советского маглева ТП-05. Фото © LIFE / Стас Вазовски

Электромагниты расположены не только под вагоном, но и под самими рельсами. При взаимодействии магнитов поезда и рельсов образуется магнитная подушка, по которой «скользит» состав. Из-за этого эффекта 18-тонный вагон, рассчитанный на четыре десятка пассажиров, зависает на высоте около сантиметра. А чтобы он поехал, при помощи электричества создаётся бегущее магнитное поле, оно образует движущую силу, которая и толкает вагон.

Что это нам даёт

Маглев способен обеспечить передвижение на скорости до 600 километров в час. Если подумать, трасса Санкт-Петербург — Петрозаводск — Ханты-Мансийск — Челябинск — Владивосток длиной более 12 тысяч километров могла бы преодолеваться за 14 часов

Заместитель генерального директора НИИ электрофизической аппаратуры по термоядерным и магнитным технологиям

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/9/1156256721103.5117.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

В городе магнитолевитационную трассу можно строить буквально в двух метрах от стеклянной поверхности любого здания. Нет вибрации, нет шума, только рассекаемый воздух

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/9/1156256721103.5117.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Если сейчас у нас на путь между Петербургом и Москвой выходит до полутора тысяч рабочих каждую ночь, чтобы поправить его перед дальнейшей эксплуатацией, то здесь этого не надо. Нет контакта с путями — нет износа

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/9/1156256721103.5117.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Как рассчитали учёные из Петербургского университета путей сообщения и Российского университета транспорта, билет на российский маглев будет стоить примерно 2300 рублей — дешевле, чем на «Сапсан» (поездка на нём обходится от 2700 до 10 с лишним тысяч рублей).

Звёздные войны, новая эра. В России возродят советский боевой космолёт

Маглев в других странах

Шанхай. Поезд курсирует между аэропортом и метро. Пролетает 30 километров за 10 минут. Именно пролетает. Билет — 40 юаней, что в переводе 355 рублей. Как просветили создатели советского маглева, это адаптированная китайская версия немецкой системы «Трансрапид», разработанной в 60–70-е годы.

Сеул, Южная Корея. Неторопливый маглев, всего 110 километров в час. А больше и не надо — линия всего шесть километров. Внутригородская.

В Японии маглев тестируют. Между Токио и Нагоей. Их разделяет примерно 440 километров. На машине ехать больше шести часов. А на новом поезде обещают всего час.

Но этот поезд летит по немного другой системе. Магниты на борту сделаны из материалов, которые держат при температуре жидкого азота. Это примерно минус 200 по Цельсию. Поэтому в таком лютом морозе ток через них проходит беспрепятственно. Это называется сверхпроводимостью: вещество приобретает сверхспособность проводить ток, ему нужно сравнительно мало электричества, чтобы создать мощное магнитное поле. Такая особенность имеется, например, у свинца, алюминия, олова и некоторых других металлов.

Фото © LIFE / Стас Вазовски

Это явление известно как «эффект Мейснера». Правда, сам профессор Мюнхенского университета Вальтер Фриц Мейснер величал его более возвышенно: «гроб Магомета». Дело в том, что в священной книге мусульман описано, как после смерти пророка Мохаммеда гроб с его телом висел в воздухе без всякой поддержки. Учёный не был религиозен, просто начитан.

Берётся сверхпроводник, в данном случае квадратная пластина из подходящего сплава. Заливается жидким азотом. Только, пожалуйста, без самодеятельности, все эксперименты под присмотром опытных людей. А теперь попробуем сверху положить магнитик. Ну как? Кажется, произошло чудо.

Фото © LIFE / Стас Вазовски

В принципе, поезд можно сделать на таком эффекте, только нужно, наоборот, из магнита сделать дорогу, а внутри поезда разместить сверхпроводник, потому что дорогу мы не можем охлаждать, то есть у нас будет внутри поезда сверхпроводник, охлаждаемый жидким азотом, а полотно дороги сделано из магнитов, вдоль которых может левитировать состав

Научный сотрудник компании «Суперокс»

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/9/1226848746726.4421.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Придумано в СССР. Водородные самолёты Airbus — наследие забытого Ту-155

На заводе компании «Суперокс», где для нас устроили этот эксперимент, делают высокотемпературные сверхпроводники. Конечно, на обывательский взгляд, трудно назвать высокотемпературным то, что работает при минус 170. Но если сравнить, к примеру, с жидким гелием — минус 270, то, конечно, да. Разница есть.

Фото © LIFE / Стас Вазовски

Эта катушка стоит около миллиона рублей. По три тысячи за метр металлической (в основном металлической) ленты шириной в четыре миллиметра. Здесь метров 300.

Читать еще: Стиральная машина шумит, гудит, вибрирует

Научный сотрудник компании «Суперокс» Вадим Амеличев. Фото © LIFE / Стас Вазовски

В качестве подложки — жаропрочный никелевый сплав хастелой, и на ней выращиваются тонкие плёнки. Сам сверхпроводник — это слой толщиной один-три микрона. Весь ток идёт по этому тонкому слою, всё остальное — это, скажем так, некий саппорт, обеспечение нужных свойств сверхпроводника

Научный сотрудник компании «Суперокс»

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/9/1226848746726.4421.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Плёнки осаждаются в специальных вакуумных камерах. В самой последней виднеется мерцание — это лазер распыляет драгоценный слой сверхпроводника — кристаллы особой керамики.

Процесс лазерного напыления слоя керамического сверхпроводника. Фото © LIFE / Стас Вазовски

Целая катушка производится за день. А за неделю отсюда забирают километр готовой ленты. Годовой объём — около сотни километров.

В основном за рубеж продаётся. Изначально основными потребителями были скорее околонаучные организации, научно-исследовательские институты, ЦЕРН, в ЦЕРН мы продавали

Научный сотрудник компании «Суперокс»

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/9/9/1226848746726.4421.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

«Остатки» ленты «Суперокса» раздобыли и в Петербургском научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры имени Д.В. Ефремова. Здесь дорогу в будущее прокладывают за счёт личного энтузиазма и «нецелевого расходования металлов». Это криостат — устройство, через которое жидкий азот из бака поступает к сверхпроводниковому магниту. Он находится внутри той ёмкости, что поменьше. Так что вся конструкция целиком называется высокотемпературным электромагнитом. Она должна размещаться в нижней части вагона.

Криостат, разработанный в НИИЭФА. Фото © LIFE / Стас Вазовски

А чтобы экономить и сверхпроводники, и электричество, в НИИЭФА разработали технологию «комбинированного» подвеса: кроме катушек с обмоткой из сверхпроводника используют обычные постоянные неодимовые магниты, для которых ток вообще не нужен. Они без электричества удерживают состав в воздухе, а лента с керамическими кристаллами нужна только собственно для движения и для контроля высоты зазора, то есть высоты полёта поезда.

Вакуумный поезд на магнитной подушке

Этот вид транспорта пока существует только в виде чертежей. Согласно расчётам, он мог бы достичь скорости до тысячи километров в час. Вакуумный поезд был впервые предложен ещё в первой половине XIX века, а первые практические эксперименты с использованием магнитной подушки проводились учёными из Сибири более 100 лет назад. Однако технология до сих пор опережает время.

Принцип действия вакуумного поезда

Поезда на магнитной подушке (другие названия: магнитопланы или маглевы) есть в Японии, Китае, Германии, Великобритании, Южной Корее. Тестовые магнитопланные участки до конца 80-х работали в СССР в Московской области. Технология хорошо себя зарекомендовала, поскольку позволяет организовать сообщение на сверхвысокой скорости на расстоянии до тысячи километров.

Советский экспериментальный манитоплан ТП-05

Это стало возможно благодаря магнитной левитации. Как известно, магниты имеют два полюса, которые условно называются северный и южный. Одинаковые полюса отталкиваются друг от друга, противоположные — притягиваются друг к другу. работают, благодаря именно этому принципу.

В конструкцию состава и рельсов входят магниты. Они повёрнуты друг к другу одинаковыми полюсами, в результате чего состав и рельсы отталкиваются друг от друга. Поезд при движении висит в воздухе и совсем не соприкасается с рельсами. Это и называется «магнитная левитация». За счёт неё движение поезда не тормозится силой трения о железнодорожное полотно, и маглев может развить гораздо большую скорость, чем обычный поезд — до 600 км/ч.

Технология, конечно, не идеальна, поскольку остаётся трение состава о воздух. Чтобы свести её к минимуму, инженеры придают поездам аэродинамическую форму. Но есть технология, которая позволяет совсем исключить этот фактор, благодаря чему скорость состава может возрасти по разным подсчётам в 1,5-10 раз.

Первые предложения о вакууме

Ещё в 1835 году англичанин Генри Пинкус предложил идею поезда, который движется в тоннеле с разряженным воздухом. Он даже построил тестовую ветку. Поезд в ней приводился при помощи реактивной тяги, энергией сжатого воздуха. Увы, по экономическим причинам эта технология не нашла широкого применения.

В 1909 году американец Роберт Годдард предложил движение машин по вакуумному тоннелю. Позже, уже после его смерти, в его бумагах были найдены чертежи изобретённого им вакуумного поезда (поезда, который движется в туннеле, из которого откачан весь воздух). Согласно его расчётам, в таких условиях поезд может развить скорость до 1600 км/ч.

Идея сибирского учёного Бориса Вейнберга

Первая реально работающая модель вакуумного поезда была создана в сибирском городе Томске. В начале второго десятилетия XX века в Томском технологическом институте (нынешний Томский политехнический университет) работал аэротехнический кружок. Студенты и преподаватели в свободное от работы и учёбы время на личные средства и по собственной инициативе разрабатывали летательный аппарат.

Борис Петрович Вейнберг

Среди них был учёный, заведующий кафедрой физики, Борис Петрович Вейнберг. Он пытался найти альтернативные способы поднятия самолёта в воздух и по ходу этого поиска наткнулся на принцип магнитной левитации. Самолёт, работающий по этому принципу, он не создал, зато разработал поезд — свой вариант магнитоплана.

Вакуумный поезд в действии

Вейнберг сильно увлёкся этим своим изобретением и «заразил» этим увлечением коллег. Например, известно об участии в работе над вакуумным поездом другого выдающегося томского учёного — Александра Николаевича Добровидова.

Вместе они построили первую работающую модель вакуумного поезда. Сам магнитоплан представлял собой сигарообразную капсулу длинной 2,5 метра и высотой почти метр. В движение маглев приводился с помощью электромагнитной катушки-соленоида. А чтобы на капсулу не действовала сила трения, она была помещена в медную трубу, из которой был откачан воздух.

Эксперименты проводились с 1911 по 1913 годы. Вейнберг и Добровидов смогли развить скорость своего поезда до 1000 км/ч. В 1914 году Вейнберг отправился в Петербург, где перед научным сообществом прочитал лекцию на тему «Движение без трения», в которой рассказал о своей разработке. Вот что писал об этой лекции знаменитй российский физик и математик Яков Перельман:

«Не могу забыть того ошеломляющего впечатления, которое произвёл на холодную петербургскую публику этот смелый и оригинальный проект, когда изобретатель в блестящей лекции нарисовал перед слушателями картину будущей борьбы с пространством».

Томичи планировали продолжить разработку, но началась Первая мировая война. Пришлось даже разобрать медную трубу, в которой двигался магнитоплан, поскольку воюющая страна остро нуждалась в меди. Вейнберг ещё несколько лет периодически писал статьи о своём вакуумном поезде, но, трезво рассудив, что пока нет условий для реализации этой технологии, переключился на другие исследования.

Судьба вакуумного поезда

Сейчас вакуумный поезд считается наиболее перспективной технологией железнодорожного сообщения:

В Китае к 2020 году планируют построить подземную железнодорожную ветку с разряженным воздухом.
В одном из вариантов концепции Трансатлантического тоннеля, который должен пройти по дну Атлантического океана и соединить Америку с Европой, используется именно технология вакуумного поезда.
Известный американский бизнесмен Илон Маск заявил о готовности вложиться в проект Hyperloop, использующий технологию вакуумного поезда. Он соединит города Сан-Франциско и Лос-Анджелес.
В России ОАО «РЖД» совместно с НИИ имени С.А. Векшинского создали рабочую группу по внедрению технологии вакуумного поезда. Сейчас идёт работа по организации испытаний.

Транспорт на магнитной подушке: физический механизм действия

Автор: Пользователь скрыл имя, 29 Февраля 2012 в 23:45, реферат

Краткое описание

Недавно знаменитый английский писатель-фантаст Артур Кларк сделал очередное предсказание. «. Мы, возможно, стоим на пороге создания космического аппарата нового типа, который сможет покидать Землю с минимальными затратами за счет преодоления гравитационного барьера, — считает он. — Тогда нынешние ракеты станут тем же, чем были воздушные шары до первой мировой войны».

Введение………………………………………………………………………………………3
1. Левитация против гравитации: импульс к созданию поездов на магнитной подушке. Физический принцип действия …………………………………………..….………….5
2. Поезда MAGLEV: основные характеристики
и перспективы эксплуатации…………………………………………………………….11
3. Летающие экспрессы. Отечественные и зарубежные разработки…………………….15
3.1 Разработки новых видов транспорта…………………………………………. 15
3.2 Высокоскоростной транспорт на магнитном подвесе………………………. 18
Вывод ……………………….……………………………………………………………….21
Список литературы ……………

Файлы: 1 файл

Транспорт на магнитной подушке.doc

Очередную попытку укрощения левитации предприняли в конце 1997 г. японские исследователи, которые работают по контракту с международной корпорацией «Мацусита». Они решили использовать для создания машины, преодолевающей силу тяжести, обыкновенный гироскоп. Их опыты подкупающе просты. Небольшой гироскоп раскручивают до 18 000 об/мин и помещают в герметичный контейнер, из которого выкачан воздух, и тот сбрасывают вниз. При падении контейнер преодолевает фиксированную дистанцию около 2 м, причем время замеряется точнейшим образом с помощью двух лазерных лучей. Когда пересекается один (старт), запускается электронный секундомер, когда же другой (финиш) — он останавливается.

К сказанному остается добавить, что при свободном падении контейнер не испытывает никакого постороннего возмущения, кроме земного тяготения, поскольку воздух из башни, где проводятся опыты, тоже выкачан. Единственное различие в серии повторяющихся экспериментов, это то, что гироскоп либо вращается против часовой стрелки, либо не вращается. И что же выяснилось? В первом случае время падения на ничтожные доли секунды — на 0,025 с — больше, чем во втором. Иначе говоря, получается, что вращающийся гироскоп на 1/7000 легче.

Примечателен еще и тот факт, что гравитация ослабевала, лишь когда волчок раскручивали против часовой стрелки. Когда же — по часовой, никакого эффекта не было. «То же самое, — утверждают исследователи, — мы наблюдали и в опытах 1989 года. Только тогда гироскоп взвешивали на точнейших весах». А потому новая серия опытов, по их мнению, позволяет отбросить всякие сомнения — эффект действительно существует.

Однако, многие специалисты отнеслись к затее японцев с великим скепсисом. Например, английский ученый Эрик Лейтон, который является основоположником использования принципа магнитной подушки на транспорте и вот уже многие годы занимается проблемами ее внедрения, утверждает: поскольку гироскоп — прибор чисто механический, свойства его симметричны; и вращайся он или нет, ничего особенного не произойдет.

Другие исследователи выражаются и того резче. Вплоть до того, что японские эксперименты не стоят и той бумаги, на которой они описаны. Между тем кое-какие намеки на объяснение можно отыскать. Скажем, подобный эффект, еще лет тридцать назад, обнаружил наш соотечественник, профессор А.Н.Козырев, который полагал: он вполне укладываестя в теорию относительности, как одно из ее следствий. Суть дела заключается в следующем. В каждой точке Вселенной вектор тяготения имеет определенное направление. Если момент вращения гироскопа совпадает с этим вектором, то суммарная сила тяготения увеличивается; в противном случае — уменьшается. (Однако остается непонятным, почему японцы заметили эффект лишь при определенном направлении вращения и ничего — в противоположном.)

Как видите, он висит в воздухе без всякой поддержки.

Еще одно возможное объяснение связано с силой Кориолиса. Когда направление вращения гироскопа совпадает с вращением Земли, траектория падения контейнера будет несколько иной, чем если бы гироскоп был неподвижным или вращался в обратную сторону. Ну а поскольку дистанции разные, то и время их преодоления различно.

2. Поезда MAGLEV: основные характеристики и перспективы эксплуатации

Необходимость поездов на магнитной подушке (MAGLEV) [Magnetic Levitation] обсуждается уже долгие годы, однако результаты попыток их реального применения оказались обескураживающими. Важнейший недостаток поездов MAGLEV заключается в особенности работы электромагнитов, которые и обеспечивают левитацию вагонов над полотном. Электромагниты, не охлаждаемые до состояния сверхпроводимости, потребляют гигантские объемы энергии. При использовании же сверхпроводников в полотне стоимость их охлаждения сведет на нет все экономические преимущества и возможность осуществления проекта.
Альтернатива предложена физиком Ричардом Постом из Lawrence Livermore National Laboratory, Калифорния. Ее суть заключается в использовании не электромагнитов, а постоянных магнитов. Ранее применяемые постоянные магниты были слишком слабы, что бы поднять поезд, и Пост применяет метод частичной акселерации, разработанный отставным физиком Клаусом Хальбахом из Lawrence Berkley National Laboratory. Хальбах предложил метод расположения постоянных магнитов таким образом, что бы сконцентрировать их суммарные поля в одном направлении. Inductrack – так Пост назвал эту систему – использует установки Хальбаха, вмонтированные в днище вагона. Полотно, само по себе, — это упорядоченная укладка витков изолированного медного кабеля.
Установка Хальбаха концентрирует магнитное поле в определенной точке, снижая ее в других. Будучи вмонтированной в днище вагона, она генерирует магнитное поле, которое индуцирует достаточные токи в обмотках полотна под движущимся вагоном, чтобы поднять вагон на несколько сантиметров и стабилизировать его [рис. 3]. Когда поезд останавливается, эффект левитации исчезает, вагоны опускаются на дополнительные шасси.
На рисунке представлено 20 метровое опытное полотно для испытания MAGLEV поездов типа Inductrack, которое содержит около 1000 прямоугольных индуктивных обмоток, каждая шириной 15 см. На переднем плане испытательная тележка и электрический контур. Алюминиевые рельсы вдоль полотна поддерживают тележку до момента достижения устойчивой левитации. Установки Хальбаха обеспечивают: под днищем – левитацию, по бокам – устойчивость.
Когда поезд достигает скорости 1-2 км/ч, магниты производят достаточные для левитации поезда токи в индуктивных обмотках. Сила, движущая поезд, генерируется электромагнитами, установленными с интервалами вдоль пути. Поля электромагнитов пульсируют таким образом, что отталкивают от себя установки Хальбаха, смонтированные в поезде, и двигают его вперед. Согласно Посту, при правильном расположении установок Хальбаха, вагоны не потеряют равновесия ни при каких обстоятельствах, вплоть до землетрясения. В настоящее время, исходя из успехов демонстрационной работы Поста в масштабе 1/20, NASA подписало 3-х годичный контракт с его коллективом в Ливерморе для дальнейшего исследования данной концепции для более эффективного запуска спутников на орбиту. Предполагается, что эта система будет использоваться в качестве многоразового разгонного носителя, который разгонял бы ракету до скорости около 1 Маха, перед включением на ней основных двигателей.

Читать еще: Как установить сенсорный выключатель своими руками

Однако, несмотря на все сложности перспективы использования транспорта на магнитной подушке остаются весьма заманчивыми. Так, японское правительство готовится возобновить работу над принципиально новым видом наземного транспорта — поездами на магнитной подушке. По заверениям инженеров, вагоны «маглева» способны покрывать расстояние между двумя крупнейшими населенными центрами Японии — Токио и Осакой — всего за 1 час. Нынешним скоростным железнодорожным экспрессам для этого требуется времени в 2,5 раза больше.

Секрет скорости «маглева» состоит в том, что вагоны, подвешенные в воздух силой электромагнитного отталкивания, двигаются не по колее, а над ней. Это напрочь исключает потери, неизбежные при трении колес о рельсы. Многолетние испытания, проводившиеся в префектуре Яманаси на пробном участке длиной 18,4 км, подтвердили надежность и безопасность этой транспортной системы. Вагоны, двигавшиеся в автоматическом режиме, без пассажирской нагрузки развивали скорость в 550 км/час. Пока что рекорд скоростного передвижения по рельсам принадлежит французам, чей поезд TGV в 1990 году на испытаниях разогнался до 515 км/час.

Японцев также тревожат экономические проблемы, и в первую очередь вопрос рентабельности сверхскоростной линии «маглева». Ныне ежегодно между Токио и Осакой совершают путешествие около 24 млн. человек, 70% пассажиров пользуются при этом скоростной железнодорожной линией. Сможет ли «маглев» выдержать конкуренцию с «синкансэном»? Ведь, по подсчетам футурологов, революционное развитие сети компьютерной связи неминуемо приведет к снижению пассажиропотока между двумя крупнейшими центрами страны. На загруженности транспортных линий может сказаться и наметившееся падение численности активного населения страны

Транспортом на магнитной подушке занимаются не только японцы. В ФРГ в течение ряда лет шли собственные изыскания по этой тематике, и в прошлом году немцы отказались от идеи прокладки линии «маглева» между Берлином и Гамбургом из-за непомерной дороговизны проекта. А вот в Китае, наоборот, ныне серьезно рассматривается возможность включения строительства линии «маглева» между Пекином и Шанхаем в 10-летний план развития национального хозяйства.

Власти Шанхая намерены продлить единственную в мире коммерческую железнодорожную ветку на магнитной подушке с тем, чтобы скоростные поезда курсировали между двумя международными аэропортами города. В настоящее время поезда, развивающие максимальную скорость 430 км/час, ходят от аэропорта Пудун до банковского центра. Теперь планируется соединить оба международных аэропорта на противоположных окраинах города, что позволит пассажирам добираться из одного в другой всего за 15 минут.

Шанхай выбран местом проведения Всемирной выставки в 2010 году. В борьбе за это право город потратил свыше $1 млрд на запуск поезда на магнитной подушке. Пока что проект имеет ограниченный успех: поезда ходят полупустыми, поскольку билеты на них дороги для китайцев, а остановки не соединены с какими-либо другими видами общественного транспорта. В этой стране уже построено 30 километров линий для поездов на магнитной подушке, а к Олимпиаде 2008 года планируется построить линию длиной 800 километров от Пекина от Шанхая. Время в пути составит 2 часа.

Российский проект открытия движения поездов на магнитной подушке из Москвы в Санкт-Петербург в ближайшее время не будет реализован, сообщил на пресс-конференции в Москве в конце февраля 2006 года руководитель Федерального агентства железнодорожного транспорта Михаил Акулов. С этим проектом могут быть проблемы, поскольку нет опыта эксплуатации поездов на магнитной подушке в условиях зимы, сказал Акулов, сообщив, что такой проект предложен группой российских разработчиков, которые взяли на вооружение опыт Китая. Вместе с тем Акулов отметил, что идея создания высокоскоростной магистрали Москва – Санкт-Петербург сегодня вновь актуальна. В частности, предложено совместить создание высокоскоростной магистрали с параллельным строительством автомобильного шоссе. Глава агентства добавил, что мощные бизнес-структуры из Азии готовы участвовать в этом проекте, не уточнив, о каких именно структурах идет речь.

Поезд на магнитной подушке

Zoom-презентация: http://zoom.pspu.ru/presentations/145

1. Назначение

Поезд на магнитной подушке или маглев (от англ. magnetic levitation, т.е. «maglev» — магнитоплан) – это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами, предназначенный для перевозки людей (рис. 1). Относиться к технике пассажирского транспорта. В отличие от традиционных поездов, в процессе движения он не касается поверхности рельса [2.1].

Рис. 1. Шанхайский поезд на магнитной подушке «Трансрапид» (технология EMS) [2.1]

2. Основные части (устройство) и их назначение

Существуют разные технологические решения в разработке данной конструкции (см. п.6). Рассмотрим принцип действия магнитной подушки поезда «Трансрапид» на электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS) (рис. 2).

Электронно-управляемые электромагниты (1) прикреплены к металлической «юбке» каждого вагона. Они взаимодействуют с магнитами на нижней стороне специального рельса (2), в результате чего поезд зависает над рельсом. Другие магниты обеспечивают боковое выравнивание. Вдоль пути уложена обмотка (3), которая создает магнитное поле, приводящее поезд в движение (линейный двигатель).

Рис. 2. Устройство магнитной подушки поезда «Трансрапид» (технология EMS) [1.1]

3. Принцип действия

В основе принципа действия поезда на магнитном подвесе лежат следующие физические явления и законы:

явление и закон электромагнитной индукции М. Фарадея

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, согласно которому изменение магнитного потока внутри проводящего контура возбуждает в этом контуре электрический ток даже при отсутствии в контуре источника питания. Оставленный Фарадеем открытым вопрос о направлении индукционного тока вскоре решил российский физик Эмилий Христианович Ленц.

Рассмотрим замкнутый круговой токопроводящий контур без подключенной батареи или иного источника питания, в который северным полюсом начинают вводить магнит. Это приведет к увеличению магнитного потока, проходящего через контур, и, согласно закону Фарадея, в контуре возникнет индуцированный ток. Этот ток, в свою очередь, согласно закону Био-Савара будет генерировать магнитное поле, свойства которого ничем не отличаются от свойств поля обычного магнита с северным и южным полюсами. Ленцу как раз и удалось выяснить, что индуцированный ток будет направлен таким образом, что северный полюс генерируемого током магнитного поля будет ориентирован в сторону северного полюса вдвигаемого магнита. Поскольку между двумя северными полюсами магнитов действуют силы взаимного отталкивания, наведенный в контуре индукционный ток потечет именно в таком направлении, что будет противодействовать введению магнита в контур. И это лишь частный случай, а в обобщенной формулировке правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его первопричине.

Правило Ленца сегодня как раз и используется в поезде на магнитной подушке. Под днищем вагона такого поезда смонтированы мощные магниты, расположенные в считанных сантиметрах от стального полотна (рис. 3). При движении поезда магнитный поток, проходящий через контур полотна, постоянно меняется, и в нем возникают сильные индукционные токи, создающие мощное магнитное поле, отталкивающее магнитную подвеску поезда (аналогично тому, как возникают силы отталкивания между контуром и магнитом в вышеописанном опыте). Сила эта настолько велика, что, набрав некоторую скорость, поезд буквально отрывается от полотна на несколько сантиметров и, фактически, летит по воздуху [2.4].

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Создатели поезда «Трансрапид» (рис.1) применили неожиданную схему магнитной подвески. Они использовали не отталкивание одноимённых полюсов, а притягивание разноимённых. Подвесить груз над магнитом несложно (эта система устойчива), а под магнитом — практически невозможно. Но если взять управляемый электромагнит, ситуация меняется. Система контроля сохраняет величину зазора между магнитами постоянной в несколько миллиметров (рис. 3). При увеличении зазора система повышает силу тока в несущих магнитах и таким образом «подтягивает» вагон; при уменьшении — понижает силу тока, и зазор увеличивается. Схема обладает двумя серьёзными преимуществами. Путевые магнитные элементы защищены от погодных воздействий, а их поле существенно слабее за счёт малого зазора между путём и составом; оно требует токов гораздо меньшей силы. Следовательно, поезд такой конструкции оказывается гораздо более экономичным [1.1].

Рис. 3. Принцип левитации поезда на магнитном подвесе (технологияEMS)

Движение поезда вперед осуществляется линейным двигателем. Такой двигатель имеет ротор и статор, растянутые в полосы (в обычном электромоторе они свёрнуты в кольца). Обмотки статора включаются поочерёдно, создавая бегущее магнитное поле. Статор, укреплённый на локомотиве, втягивается в это поле и движет весь состав (рис. 4, 5). [1.1, 1.3]. Ключевым элементом технологии является смена полюсов на электромагнитах путем попеременной подачи и снятия тока с частотой 4000 раз в секунду. Зазор между статором и ротором для получения надежной работы не должен превышать пяти миллиметров. Это труднодостижимо из-за свойственной всем типам монорельсовых дорог, кроме дорог с боковой подвеской, раскачки вагонов во время движения, особенно при прохождении поворотов. Поэтому необходима идеальная путевая инфраструктура.

Устойчивость системы обеспечивается автоматическим регулированием тока в обмотках намагничивания: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах (рис. 3) [2.6]. Сверхбыстродействующие системы управления контролировать зазор между дорогой и поездом.

Рис. 4. Принцип движения поезда на магнитном подвесе (технология EMS)

Единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления.

Рис. 5. Схема движения поезда на магнитной подвеске (технология EMS) [1.1]

Итак, схема движения поезда на магнитной подвеске: под вагоном установлены несущие электромагниты, а на рельсе — катушки линейного электродвигателя. При их взаимодействии возникает сила, которая приподнимает вагон над дорогой и тянет его вперёд. Направление тока в обмотках непрерывно меняется, переключая магнитные поля по мере движения поезда [1.1].

Несущие магниты питаются от бортовых аккумуляторов (рис.4), которые подзаряжаются на каждой станции. Ток на линейный электродвигатель, разгоняющий поезд до самолётных скоростей, подаётся только на том участке, по которому идёт поезд (рис. 6 а). Достаточно сильное магнитное поле состава будет наводить ток в путевых обмотках, а те, в свою очередь, — создавать магнитное поле.

Рис. 6. а Принцип движения поезда на магнитной подушке

Туда, где поезд увеличивает скорость или идет в гору, энергия подается с большей мощностью. Если нужно затормозить или ехать в обратном направлении, магнитное поле меняет вектор [2.2].

Ознакомьтесь с видеофрагментами «Закон электромагнитной индукции», «Электромагнитная индукция» «Опыты Фарадея».

Рис. 6. б Кадры из видеофрагментов «Закон электромагнитной индукции», «Электромагнитная индукция» «Опыты Фарадея».

голоса

Рейтинг статьи

Магнитная подушка принцип действия

Что такое Магнитная Подушка? и принцип её работы?

Магнитная подушка

Читайте также

Часть 1. Плыви подушка! Катись, подушка!

Подушка спасает утопающих

Подушка — рессора и домкрат

Подушка «взрывается»

Подушка-костюм

Часть 3. Подушка в небе

Подушка на самолете

Часть 4. Подушка-призрак

Подушка исчезла

Подушка и земледелец

Подушка в трубе

Еще одна невидимая подушка

§ 3.1 Магнитная модель атома и принцип Ритца

Как работает маглев

Поездом Москва — Петербург за полтора часа. Что такое маглев и почему его до сих пор нет в России

Репортаж о советском маглеве для телевидения Австралии, 1986 год. Видео предоставлено Московским государственным университетом путей сообщения

Юра, мы ещё не всё! Россия могла строить многоразовые ракеты раньше Илона Маска

Звёздные войны, новая эра. В России возродят советский боевой космолёт

Придумано в СССР. Водородные самолёты Airbus — наследие забытого Ту-155

Вакуумный поезд на магнитной подушке

Транспорт на магнитной подушке: физический механизм действия

Краткое описание

Оглавление

Файлы: 1 файл

Транспорт на магнитной подушке.doc

Поезд на магнитной подушке

1. Назначение

2. Основные части (устройство) и их назначение

3. Принцип действия