Seuraa 
Viestejä9265
Liittynyt10.12.2006

En ole opiskellut fysiikkaa enempää kuin mitä on ollut pakko, mikä tuntuu vähän hassulta kun minua kuitenkin kiinnostaa fysiikka jossain määrin. Nyt ihmettelin suihkussa ilmiötä, että kun on suihku päällä, ja vääntää siitä suuttimesta sellaista vipstaakkelia että tulee vähemmästä määrästä reikiä se vesi (jonkinlainen hierontamodi olevinaan) niin samalla työntövoima selvästi kasvaa, se "potku". Kuinka se tälleen? Mistä tuo potkuhomma oikeastaan riippuu? Toki virtausnopeus kasvaa kun aukkoa pienentää mutta luulisi äkkiseltään että veden määräkin vähenee samalla ja että ne jotenkin kumoaisi toistensa vaikutuksen voiman suhteen, mutta ilmeisesti ei mene niin.

くそっ!

Kommentit (15)

lokki
Seuraa 
Viestejä4880
Liittynyt3.1.2010
Ronron

En ole opiskellut fysiikkaa enempää kuin mitä on ollut pakko, mikä tuntuu vähän hassulta kun minua kuitenkin kiinnostaa fysiikka jossain määrin. Nyt ihmettelin suihkussa ilmiötä, että kun on suihku päällä, ja vääntää siitä suuttimesta sellaista vipstaakkelia että tulee vähemmästä määrästä reikiä se vesi (jonkinlainen hierontamodi olevinaan) niin samalla työntövoima selvästi kasvaa, se "potku". Kuinka se tälleen? Mistä tuo potkuhomma oikeastaan riippuu? Toki virtausnopeus kasvaa kun aukkoa pienentää mutta luulisi äkkiseltään että veden määräkin vähenee samalla ja että ne jotenkin kumoaisi toistensa vaikutuksen voiman suhteen, mutta ilmeisesti ei mene niin.

Työntövoima on massavirta kertaa nopeus. Jos virtausaukon muutos suurentaa tuota tuloa, suurenee työntövoima.

Massavirta on kg/s nopeus on m/s kerrottuna nuo keskenään tulee kgm/s² = Newton.

Suuttimen tuottama nopeus suuttimen rei'issä riippuu lähinnä paineesta suihkukahvan sisällä, eli paine-erosta suihkukahvan sisä- ja ulkopuolen välillä.

Jos virtausaukon (suihkun reiät) painehäviö on niin pieni, eli paine kahvassa on pieni ja hanan ja putkiston ym. painehäviö syö osan virtausta kiihdyttävästä paineesta, jää työntövoima vähäisemmäksi kuin siinä tapauksessa, että virtausaukon painehäviö (paine-ero sisä ja ulkopuolen välillä) on suurempi ja siis poikkipinta-ala pienempi.

JPI
Seuraa 
Viestejä25959
Liittynyt5.12.2012

Massavirran pieneneminen vähentää työntövoimaa ja massavirran nopeuden kasvu lisää sitä. Siispä massavirran nopeuden kasvu on merkittävämpää kuin massavirran pieneneminen. Tämä on selvää tyypilliselle suihkulle, koskapa lokin mainitsemat virtaushäviöt eivät ole kovin merkittäviä ko. tilanteessa.

3³+4³+5³=6³

Ronron
Seuraa 
Viestejä9265
Liittynyt10.12.2006

Saadaanko työntövoimaa aina kasvatettua kun pienennetään virtausreikää? Tai mihin asti se tapahtuu? Oikeastaan kysytään näin että miksi esim suihkumoottorin ulostusreikä on sen kokoinen kuin on? Miksi juuri se koko on se kaikkein optimaalisin?

くそっ!

JPI
Seuraa 
Viestejä25959
Liittynyt5.12.2012

Koska paine vesijohdossa on vakio, niin reikää pienennettäessä käy lopulta niin, että massavirta pienenee ja virtausnopeus ei edes viskoosittomalla nesteellä (jos sellaista olisi olemassa) jatka kasvuaan (tuolle maksinopeudelle paineen funktiona on kaava, en nyt muista). Jotenka siis ei saada aina kasvatettua sitä työntövoimaa. En nyt suihkumoottorista osaa äkkiä sanoa, mutta rakettimoottorista kyllä. Siinä polttokammion ulostuloreiän koko ja sen sisäinen paine määrä massavirran ja sen nopeuden paineen alaisena. Moottorin suutin on kuitenkin about yhtä oleellinen työntövoiman generoinissa (suutin about kaksinkertaistaa suuttimettoman moottorin työnnön), siinä kuuma kaasu laajenee ja kasvattaa nopeuttaan ilman että sen sisältämä energia menisi "harakoille." Voimien suhteen tilannetta käsitellen (näin ei todellisuudessa tarvitse tehdä), suuttimessä laajeneva kaasu ikäänkuin laajetessaan "kiilaa" sitä suutinta toiseen suuntaan. Jos laitat molemmat kätesi V:n muotoisen kappaleen sisään ja levität niitä, näet suurinpiirtein miten voimat syntyvät suuttimessa. Kuitenkin mekaniikan lakeja käyttämällä tällaisia voima ei tarvitse vältttämättä tilanteen analyysissä tarkastella. 

3³+4³+5³=6³

lokki
Seuraa 
Viestejä4880
Liittynyt3.1.2010
JPI

Massavirran pieneneminen vähentää työntövoimaa ja massavirran nopeuden kasvu lisää sitä. Siispä massavirran nopeuden kasvu on merkittävämpää kuin massavirran pieneneminen. Tämä on selvää tyypilliselle suihkulle, koskapa lokin mainitsemat virtaushäviöt eivät ole kovin merkittäviä ko. tilanteessa.

Massavirran muutokset ovat tasan yhtä merkittävia, kuin nopeuden muutokset. Työntövoima on massavirta kertaa nopeus.

Nimenomaan painehäviöstä ennen suihkukahvan suutinta riippuu, suureneeko työntövoima suihkukahvan suutinta pienennettäessä. Jos suihkusuutin on suuren säiliön kyljessä niin, ettei ennen suutinta ole painhäviötä tuottavaa kanavaa, noudattaa suihkun työntövoima lineaarisesti massavirran määrää. Työntövoima suurenee sitä mukaa, kun virtausmäärä kasvaa.

Suihkun tilanteessa hanan kuristuksessa ja muun aiemman putkiston painehäviö muuttuu neliöllisesti. Massavirran pudotessa puoleen hanan ja putkiston painehäviö laskee neljännekseen. Jos se siis oli 4 bar, kun suihkukahvan virtausaukot olivat isolla virtaamalla ja suihkukahvan paine vaikkapa vain 1 bar ylipaineinen, nousee suihkukahvan paine 4 baariin, kun suihkusuuttimen virtauspoikkipinta-ala puolittuu ja sen painehäviö nelinkertaistuu. Hanan ja putkiston painehäviö virtausnopeuden puolituttua putosi neljästä baarista yhteen, suihkusuuttimen nousi yhdestä neljään. Kun pienennät suihkukahvan suutinpinta-alaa, suurempi osa painehäviöstä siirtyy suihkukahvan suuttimiin kiihdyttämäään vettä ja tuottamaan työntövoimaa.

Kun suuttimien pienentäminen ja siis virtausmäärän vähentäminen ei enää riittävästi nosta suihkukahvan paine-eron tuottamaa virtausnopeuden ja massavirran tuloa, on suihkun työntövoima maksimissaan.

JPI
Seuraa 
Viestejä25959
Liittynyt5.12.2012
lokki

[quote author="JPI" time="12.04.2014 klo 20:33"]

Massavirran pieneneminen vähentää työntövoimaa ja massavirran nopeuden kasvu lisää sitä. Siispä massavirran nopeuden kasvu on merkittävämpää kuin massavirran pieneneminen. Tämä on selvää tyypilliselle suihkulle, koskapa lokin mainitsemat virtaushäviöt eivät ole kovin merkittäviä ko. tilanteessa.

Tottakai ovat, sanoin että massavirran nopeuden kasvu on merkittävämpää, koska nopeus kasvaa enemmän kuin massavirta pienenee. Herrajestas sentaan! En sanonut: massavirran nopeuden vaikutus on merkittävämpääkuin massavirta, lisänä olivat sanat pienenminen ja kasvu, lue kunnolla.

3³+4³+5³=6³

korant
Seuraa 
Viestejä8326
Liittynyt16.12.2013
JPI
Moottorin suutin on kuitenkin about yhtä oleellinen työntövoiman generoinissa (suutin about kaksinkertaistaa suuttimettoman moottorin työnnön)
Kysehän oli vesisuihkusta eikä neste laajene kuten kuuma kaasu. Tosin nestesuihkussakin suuttimen muoto vaikuttaa mutta huomattavasti vähemmän.

lokki
Seuraa 
Viestejä4880
Liittynyt3.1.2010
JPI
lokki

[quote author="JPI" time="12.04.2014 klo 20:33"]

Massavirran pieneneminen vähentää työntövoimaa ja massavirran nopeuden kasvu lisää sitä. Siispä massavirran nopeuden kasvu on merkittävämpää kuin massavirran pieneneminen. Tämä on selvää tyypilliselle suihkulle, koskapa lokin mainitsemat virtaushäviöt eivät ole kovin merkittäviä ko. tilanteessa.

Tottakai ovat, sanoin että massavirran nopeuden kasvu on merkittävämpää, koska nopeus kasvaa enemmän kuin massavirta pienenee. Herrajestas sentaan! En sanonut: massavirran nopeuden vaikutus on merkittävämpääkuin massavirta, lisänä olivat sanat pienenminen ja kasvu, lue kunnolla.

 

Kirjoitit, että "lokin mainitsemat virtaushäviöt eivät ole kovin merkittäviä ko. tilanteessa". Nimenomaan noista virtaushäviöistä johtuu, että nopeus suutinta pienennettäsessä yleensä kasvaa ja vieläpä kasvaa enemmän, kuin massavirta pienenee. "Herrajestas sentaan!" 

Kontra
Seuraa 
Viestejä981
Liittynyt22.3.2013

Edellä oli juttua suihkumoottorin työntövoimasta. Työntövoima noudattaa yhtälöä:

työntövoima  F  =  (m/t)(vj – v) + (mf /t)vj + (pj – po) Aj

m/t  ilmamassavirta moottorin läpi

v   ilman tulonopeus moottoriin = lentonopeus

vj  suihkun nopeus ( j  jet) 

mf /t polttoainevirta  ; (v = 0) ; merkitys marginaalinen

pj    suihkuaukon staattinen paine

po  ilmanpaine                                                                

Aj  suihkuaukon pinta-ala

Lentokoneen startatessa suihkusuutin on avarrettu maksimikokoon. Silloin työntövoima on suurimmillaan. Paine suihkuaukolla on maksimissaan, mutta suihkun nopeus minimissään.

Lentonopeuden kasvaessa suihkun nopeutta pitää nostaa suutinta kuristamalla.

Paine suihkuaukolla silloin laskee paine-energian muuttuessa liike-energiaksi. Työntövoima on vastaavasti laskenut.

Eli minkä suihkun nopeudessa voittaa, sen työntövoimassa häviää. (Tosin tietyn lentonopeuden jälkeen työntövoima alkaa kasvaa patopaineen vuoksi hävittäjien tai vast. moottoreilla)

Suutin avarrettuna paineen ollessa suihkuaukolla suuri, lämpöhäviö on myös suuri, ja se on energiasta pois. Suutin kuristettuna lämpöä karkaa vähemmän, kun paine on laskenut, ja energiaa  riittää.

korant
Seuraa 
Viestejä8326
Liittynyt16.12.2013
JPI
Onkohan tässäkin kansainvälinen salaliitto?
Ilmeisesti sen pelko estää sinua ratkaisemasta sitä vesirakettitehtävää jonka lupasit ratkaista hetkessä. Kovin pitkä hetki ja jatkuu edelleen.

Kontra
Seuraa 
Viestejä981
Liittynyt22.3.2013

Kirjoitin tuossa edellisessä kommentissani suihkumoottorista: "Eli minkä suihkun nopeudessa voittaa, sen työntövoimassa häviää." Tämä koskee vain alhaisia nopeuksia, kun suihkuaukon painevoimalla on oleellista merkitystä.

Kun tarkastellaan työntövoimahyötysuhteen yhtälöä

ηp = 2 / (1+ vj/v) ;  vj suihkun nopeus, v lentokoneen nopeus

nähdään, että mitä pienempi suihkun ja lentonopeuden ero on, sitä parempi on hyötysuhde. Eli pienellä lentonopeudella hyvin nopea suihku hukkaa tehoa. 

Kun suurella nopeudella lennettäessä suutin avarretaan, suihkun nopeus laskee minimiin ja työntövoima katoaa, vaikka moottori käy täysillä.

Seuraavassa nettiosoitteessa kuvataan suihkusuuttimen toimintaa

http://en.wikipedia.org/wiki/Propelling_nozzle  / Convergent nozzles 

Siinä sanotaan mm: ”.....narrower convergent nozzles give lower thrust and higher exhaust speed, but wider convergent nozzles give lower exhaust speed and higher thrust....”.

Kun netistä en ole löytänyt enempää tietoa ko asiasta, muutama oleellinen asia on jäänyt epäselväksi.

Esimerkiksi:

Miten suutinta kuristetaan lentonopeuden funktiona? Millä nopeudella suutin säätyy pienimmäksi (suihkun nopeus suurimmaksi) ja paine suutinaukolla minimiin?  

Laskeeko moottorin teho kun suutinta kuristetaan? Nimittäin suutinta kuristettaessa suihkuputkessa paine (turbiinin vastapaine) luulisi nousevan, jolloin turbiinin teho laskisi, ahtimen teho laskisi ja moottorin teho laskisi. (Vaikka suutin kuristettuna paine suihkuaukolla laskee, paine suihkuputkessa ei laske, ennemminkin luulisi nousevan. Suihkuaukolla paine laskee jyrkästi.) 

Kontra
Seuraa 
Viestejä981
Liittynyt22.3.2013

Etten syyllistyisi väärän tiedon levittämiseen, pitää korjailla aikaisempia kirjoituksiani.

 

Ensiksikin unohdin mainita, että liikennelentokoneiden ja muiden aliäänikoneiden suihkusuuttimet ovat kiinteitä, eli niitä ei säädetä. Kuitenkin vasta matkanopeudella suihkun nopeus on optimi, ja tehoa hukkuu alhaisilla nopeuksilla, kuten työntövoimahyötysuhteen yhtälö osoittaa

ηp = 2 / (1+ vj/v) ; vj suihkun nopeus, v lentokoneen nopeus.

Tästä asiasta olen aikaisemmin kirjoittanut palstalla ”Suihkumoottorin tehot”

 

Toiseksi, kun kirjoitin suihkumoottorin työntövoimasta: ”... minkä suihkun nopeudessa voittaa, sen työntövoimassa häviää”, se ei näyttäisi pitävänkään paikkaansa. Se perustui nettitiedostoon

http://en.wikipedia.org/wiki/Propelling_nozzle / Convergent nozzles, ja

siinä lauseeseen: ”.....narrower convergent nozzles give lower thrust and higher exhaust speed, but wider convergent nozzles give lower exhaust speed and higher thrust....”.

 

Tiedoston päivityksissä tämä lause on juuri äskettäin poistettu. Nyt näyttäisikin siltä, että lauseen sisältö on joko täysin virheellinen, tai siitä saa virheellisen käsityksen.

 

Olen selaillut asiaan liittyviä tiedostoja, enkä ole löytänyt missään mainintaa, että nousukiidon ja nousun aikana, ilman jälkipolttoa (”dry”), suihkusuutinta säädettäisiin, vaan suutin on ilmeisesti koko ajan kuristettuna samaan asentoon.

 

Ilmeisesti sitten startissa kone paikallaankin työntövoima on kuitenkin suurempi suutin kuristettuna, kuin avarrettuna. Minulla oli aikaisemmin päinvastainen käsitys tuon em wikin tiedoston perusteella, eli päättelin avarretun suuttimen painevoiman olevan suurempi, kuin kuristetun suuttimen dynaamisen voiman. Em työntövoimahyötysuhteen yhtälön mukaan pienellä lentonopeudella hyvin nopean kuristetun suihkun teho menee kuitenkin pääasiassa hukkaan, mutta toisaalta suutin avarrettuna lämpöhäviöt suuremman paineen vuoksi ovat myös suuret. Kuristetun suuttimen suutinpaine pyritään saamaan mahdollisimman lähelle ympäröivää ilmanpainetta, jolloin lämpöhäviötkin ovat pienet. (Alle ympäröivän ilmanpaineen sitä ei voi säätää, koska alipaine aiheuttaa voiman taaksepäin.) Toisaalta suihkun nopeus ei voi nousta yli äänen nopeuden ennenkuin koneella itsellään on riittävästi nopeutta. (Kaikissa esimerkkilaskussa olen nähnyt kuitenkin esiintyvän myös pienen ylipaineen suuttimella.) Vaikka kaasujen fysiikan ja termodynamiikan tuntemukseni on hyvin vajavainen, olen päätynyt em käsitykseen suihkusuuttimen toiminnasta.

 

Jälkipolttoa käytettäessä (”wet”), lähtökiihdytyksessä ja nousussa suutinta ei kuristeta eikä avarreta, mutta yliäänellä lennettäessä kaksiosainen suutin ensin kuristuu, sitten avartuu.

 

Seuraavassa tiedostossa on kuvattu erilaisia suihkusuuttimia:

http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/nozzle.html

 

Suosituimmat

Uusimmat

Uusimmat

Suosituimmat