Εργ.Αεροδυναμικής,ΕΜΠ. Καθ. Γ.Μπεργελές

Transcript

1 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΟΙ ΝΟΜΟΙ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Αρχή της Παγκοσμιότητας Αρχή της Αιτιότητας Νόμος του Ακροτάτου Διατήρηση Μάζας ή Ενέργειας Νόμος Εντροπίας και άλλοι 1

2 Νόμοι Νεύτωνα Νόμοι Μηχανικής Στατική και Δυναμική ισορροπία κατασκευών-αντοχή Υλικών Εξισώσεις Lagrange Κίνηση σωμάτων- ταλαντώσεις μηχανών- Δυναμικές φορτίσεις Εξισώσεις Navier-Stokes Κίνηση ρευστών- Πτήση αεροσκαφών-λειτουργία καρδιάς 2

3 Μαθηματικά Κορμός των Μαθηματικών για Μηχανικούς Ανάλυση και διαφορικό-ολοκληρωτικό λογισμό Γραμμική Άλγεβρα Διακριτά Μαθηματικά Πιθανότητες και Στατιστική Μαθηματικά Επιλογής (Σειρές Bessel, Μετασχηματισμός Laplace, Μιγαδικές συναρτήσεις, Στοχαστικές διαφορικές εξισώσεις, Προβλήματα ακροτάτων) 3

4 Μαθήματα κορμού Προγράμματος Σπουδών Μηχανολόγου Μηχανικού (κατάταξη) Σχεδιασμός-κατασκευή-λειτουργία μηχανών Παραγωγή Ενέργεια Μεταφορικά μέσα ( επίγεια και εναέρια) Μέθοδοι ελέγχου Παραγωγής και ανθρωπίνων πόρων Λειτουργίας μηχανών Μέθοδοι μοντελοποίησης Εργαστηριακές Υπολογιστικές 4

5 Στατική ισορροπία Ισορροπία δυνάμεων (γενικά 3 εξισώσεις) Ισορροπία ροπών (γενικά 3 εξισώσεις στους τρείς άξονες) R A +R C =50 R C.4=

6 Ισορροπία δυνάμεων 6

7 Είδη ισορροπιών/έλεγχος 7

8 Παραδείγματα ασταθούς 8 Τμήμα Μηχανολόγων και ευσταθούς στήριξης Παράδειγμα ανατροπής Ισορροπία δυνάμεων-ροπών

9 Στατική ισορροπία-ανατροπή R=W/2 Ισορροπία δυνάμεων Ισορροπία ροπών (I): F.1,5+R.0,15=W.0,1 (II): F.1,2+R.0,9=W.0,45 Πως εξισορροπείται η F; 9

10 Αντοχή υλικών-ελαστικότητα Τάση: σ=f/a Aνηγμένη επιμήκυνση : ε=δl/l Nόμος του Hooke: σ=ε.ε 10

11 σ=e.δl/l P/A=E.ε Νόμος του Hooke σ max σ Ελαστική περιοχή ε σ επ = σ max /λ 11 Θραύση πλαστική

12 Ελαστικότητα-Θραύση F=k.Δl Ε=0,5.k.Δl 2 F 12 Τάση σ σ=f/a

13 Επιφάνεια ελέγχου Σχήμα όγκου ελέγχου Ισολογισμοί μάζας-ι Σκέψου: Τι μπαίνει, τι βγαίνει και τι παραμένει Στον όγκο ελέγχου-αναφοράς 13 Κρίσιμα σημεία εφαρμογής Όγκος ελέγχου Σύστημα συντεταγμένων Ποσότητα παρακολούθησης Φυσική της διεργασίας Χρονική κλίμακα

14 Όγκος ισολογισμού 14

15 Παραδείγματα 15 Τμήμα Μηχανολόγων ισολογισμού μάζας

16 Παράδειγμα 16 Τμήμα Μηχανολόγων Παραδείγματα Λέβητας κεντρικής θέρμανσης Χημικές διεργασίες Σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής Διαδικασίες παραγωγής ισολογισμού μάζας Όγκος ελέγχου Ακίνητος Βάρος

17 Παράδειγματα: Κινητήρας αεροσκάφους Πτερύγια υδροστροβίλων Ισολογισμός μάζας 17 Κινούμενος όγκος ελέγχου ή μεταβλητής γεωμετρίας

18 Παρασκευή τσιμέντου 18

19 Διεργασία ξήρανσης 19

20 Χημική-Θερμική-Μηχανική Ορισμός Ενέργειας και Έργου -Παραδείγματα-Βαθμοί απόδοσης 20 Μηχανική-Μηχανική

21 Ισολογισμός ενέργειας 21

22 Μονάδες Ενέργειας-Ισχύος- Παραδείγματα τάξης μεγέθους 1 kcal (Χιλιοθερμίδα ή μεγάλη θερμίδα=1000 θερμίδες) 1 kjoule (κιλο τζούλ) (1 kcal=4,2 kj) 1 kw (κιλοβατ)=1 kj/s =1 κιλο τζούλ σε ένα δευτερόλεπτο 1 kwh=1 χβω 1 kg πετρέλαιο=10000 kcal Θερμαντικές ανάγκες διαμερίσματος kcal/h ημερήσιες ανάγκες ανθρώπου=3000 kcal (=12600 kj ή 0,145 kw) 1 πάστα=300 kcal 1 ώρα άσκηση=600 kcal 1ώρα ύπνος = 35 kcal/m 2 /h (52 kcal/h ) Θερμοσίφωνας=3 kw Κουζίνα 1-3 kw Ψυγείο 500 w Μηχανή αυτοκινήτου 50 kw 22

23 Ηλεκτρική ενέργεια Μηχανική ενέργεια Χημική Ενέργεια Θερμική Ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Μορφές Ενέργειας Θερμική (βραστήρας-θερμοσίφωνο) Μηχανική (μίξερ, στεγνωτήριο ρούχων) Ηλεκτρική (υδροηλεκτρικός σταθμός) Μηχανική (Ανεμοκινητήρες) Θερμική-Καύση-Μηχανική (Κινητήρες) Ηλεκτρική (μπαταρίες-κυψέλες καυσίμου) Θερμική (κουζίνες Φυσικού αερίου) Μηχανική (Σταθμοί Ηλεκτροπαραγωγής) Θερμική (ηλιακοί θερμοσίφωνες) Ηλεκτρική (φωτοβολταικά στοιχεία) 23

24 Ισολογισμός ενέργειας- Μηχανή - κιβώτιο 24

25 Νόμοι της Θερμοδυναμικής & τηςεξέλιξηςτηςζωής-ι 1 ος Θερμοδυναμικός Νόμος Η Ενέργεια διατηρείται ή τίποτα δεν παίρνεις τζάμπα (αεικίνητο πρώτου είδους) (η ενέργεια του σύμπαντος είναι σταθερή όση ήταν στο χρόνο μηδέν...ακόμα ψάχνουμε να την βρούμε... που πήγε το 25%) Η μια μορφή ενέργειας μετατρέπεται σε άλλη-συνολικά όμως διατηρείται Μορφή ενέργειας Α Διεργασία Μορφή ενέργειας Β Ποσότητα Ε (Μηχανή) Α Ποσότητα Ε Β Ε Α =Ε Β +Ε Γ Μορφή ενέργειας Γ Ποσότητα Ε Γ 25 η=ε Β /Ε Α

26 Ισορροπία ροπών: W.D 2 =F.D 1 Διατήρηση ενέργειας Διατήρηση έργου: W.δx w =F.δx F Ισορροπία Δυνάμεων; 26

27 Νόμοι της Θερμοδυναμικής & τηςεξέλιξηςτηςζωής-ιι 2 ος Θερμοδυναμικός Νόμος Η θερμότητα μεταφέρεται (από μόνη της) από υψηλότερες θερμοκρασίες σε χαμηλότερες-ποτέ αντίθετα. Μεταφορά θερμότητας από χαμηλότερη θερμοκρασία σε υψηλότερη γίνεται με δαπάνη έργου (ηλεκτρικό ψυγείο). Μετατροπή θερμότητας σε μηχανικό έργο δεν είναι δυνατή παρά με απόρριψη θερμότητας σε χώρο χαμηλότερης θερμοκρασίας (κινητήρες αυτοκινήτων, σταθμοί παραγωγής ΗΕ) Χημική ενέργεια καυσίμου Κινητική ενέργεια οχήματος Μηχανή Ποσότητα Ε Α Ποσότητα Ε η=ε Β /Ε Α Β Καυσαέρια Νερό ψύξης Ποσότητα Ε Γ η=30% 27

28 Συμβατικό Ενεργειακό Παράδειγμα Θερμοηλεκτρικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας kw (καύσιμο λιγνίτης) Βαθμός απόδοσης η=33% Ε Β = kw Ε Α =100000/0,33= kw E Γ = = kw M λιγν =300000/5000=60 kg/s M αερ =4Μ λιγν =240 kg/s 28

29 Συνέπειες των Θερμοδυναμικών Νόμων Ο Πολιτισμός-μας χρειάζεται ενέργεια, που είναι τα καύσιμα; ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Γιαναπαράγειςχρήσιμοέργο, απορίπτεις θερμότητα στο περιβάλλον. (Θερμική ρύπανση νερών-αέρα & ρύπανση ατμόσφαιρας) ΡΥΠΑΝΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ 29

30 Μη συμβατικό ενεργειακό παράδειγμα Πόσα σκαλιά πρέπει να ανεβούμε για να κάψουμε τιςθερμίδεςμιαςπάστας; 1 πάστα=300 kcal. Άνθρωπος βάρους 100 kg ανεβαίνοντας 5 σκαλιά Ανυψώνει το σώμα του 1 μέτρο, άρα εκτελεί έργο =1000 J=1 kj ή 0,24kcal. Ο μυς είναι μηχανή μετατροπής χημικής ενέργειας σε μηχανική με η=5% Άρα ,05=0,24.χ, χ=62 μέτρα! ή 300 επί τόπου πηδηματάκια. 30

31 Πόσο παραπάνω καθημερινά πρέπει να τρώει μια έγκυος; Το παιδί τελικά έχει βάρος 3 kg. Δεχόμαστε οτι το βάρος των πρωτεινών ισοδυναμεί με το 25% του βάρους του, συνεπώς ισοδύναμη ενέργεια 3.0, =6000 kcal. To βάρος αυτό πρέπει να παίρνεται σταδιακά μέσα σε 270 ημέρες. Άρα καθημερινά η έγκυος έχει ανάγκη επι πλέον θερμίδων για τη δημιουργία ιστών 6000/270=22 kcal/day Δηλαδή 22/0.1= 220 kcal/ημέρα για τη δημιουργία ιστών. Επι πλέον για τη λειτουργία των οργάνων του εμβρύου κατά μέγιστο χρειάζεται 110 kcal/ημέρα. Άρα συνολικά 330 kcal/day σε σύγκριση με τις 3000 kcal/ημέρα που χρειάζεται. 31

32 Big bang- H ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ Δημιουργία βαρέων πυρήνωνάνθρακας-μέταλλα Δημιουργία-Ήλιος-Γη ΟΗλιος- Σύντηξη Φωτιά-Κεραυνός- Ξύλα- Άνεμος-Νερό-Κάρβουνο-Φ.Α Ανεμος- Ήλιος- Σχάση- Σύντηξη 32

33 Χρονική εξέλιξη της ετήσιας παγκόσμιας ενεργειακής κατανάλωσης 33

34 Αποθέματα ορυκτών καυσίμων Παγκόσμια διαθέσιμα ορυκτά καύσιμα 177 δισ tce 34 Πετρέλ ΦΑ Κάρβ

35 Διαθέσιμα αποθέματα πετρελαίου και κάρβουνου 35

36 Κατανάλωση καυσίμων ΗΠΑ(1998), Σύνολο 2180 Mtoe, Ανανεώ σιμες 70 Mtoe Παγκόσμια ετήσια ενεργειακή κατανάλωση Παγκόσμια κατανάλωση καυσίμων (1998), Σύνολο 9500 Mtoe, Ανανεώσιμες 2700 Mtoe solid oil nat.gas nuclear solid oil nat.gas nuclear Κατανάλωση καυσίμων στην ΕΕ (1998), Σύνολο 1450 Mtoe, Ανανεώσιμες 84 Mtoe 36 solid oil nat.gas nuclear

37 Προοπτικές-Συνέπειες Εξάντληση ορυκτών καυσίμων-κυρίως πετρελαίου (πόλεμοι, χημική βιομηχανία, φαρμακοβιομηχανία) Εναλλακτικές πηγές ενέργειας Ρύπανση περιβάλλοντος ( Kyoto-Montreal) Ετήσιες εκπομπές ρυπαντών στην ΕΕ σε Mt Πράσινη τεχνολογία-αντιρρυπαντική τεχνολογία Γίναμε πολλοί...καιρός.για δράση. 37 CO2,35 SO2,12 Nox, 10 VOC, 5 CO, 33

38 Διαστατική ανάλυση-ι Διαστατική ομογένεια εξισώσεων π.χ για κάποιο ελαττήριο P=kx Διαστάσεις P : Δύναμη Nt Διαστάσεις x : Μετατόπιση m Σταθερά ελαττηρίου k: Nt/m Συμπέρασμα: Το αριστερό μέλος έχει τις ίδιες διαστάσεις με το δεξιό μέλος 38

39 Διαστατική ανάλυση ΙΙ Ενέργεια (Ε) εκφράζεται σε Joule ή w.s Ο νόμος ισοδυναμίας ενέργειας μάζας Ε=mc 2 Διαστάσεις μάζας: kg Διαστάσεις ταχύτητας: m/s Άρα διαστάσεις ενέργειας : [Ε]=kg.m 2.s -2 Είναιισοδύναμεςοιδύοεκφράσεις; 39

40 Διαστατική ανάλυση -ΙΙΙ Η κινητική ενέργεια στερεού σώματος είναι συνάρτηση της μάζας του σώματος και της ταχύτητας του σώματος. Να ευρεθεί η συσχέτιση. Ε, m, v Διαστάσεις [Ε]=kg.m 2.s -2, [m]=kg, [v]=m.s -1 E=m a v b Kg.m 2.s -2 =kg a.m 2b.s -2b Συνεπώς: a=1, b=1. E=σταθ.mv 2 σταθ=0,5 40

41 Πρόγραμμα σπουδών Κορμού μαθημάτων Μηχ/γου Μηχανικού Απαιτήσεις από το πρόγραμμα σπουδών Ο κορμός των Μηχανολογικών Μαθημάτων Στατική και κατασκευές Επικοινωνία, σχεδιασμός και CAD Συστήματα κατασκευών Αυτόματος έλεγχος Ηλεκτρονική Δυναμική και Ταλαντώσεις Υλικά Αντοχή Υλικών Ρευστομηχανική 41 Θερμοδυναμική-Μεταφορά θερμότητας Ενεργειακές μηχανές Αντιρρυπαντική τεχνολογία Προσομοιώσεις ( εργαστηριακέςαριθμητικές) Αισθητήρες και μετρητικά συστήματα Οικονομικά Διοίκηση και οργάνωση επιχειρήσεων

42 Ενεργειακός Θερμορευστομηχανική Ψύξη-Κλιματισμός Ενεργειακές Μηχανές Περιβάλλον Κατασκευών Ρομποτική Μέθοδοι κατασκευών Υλικά Μέθοδοι κατεργασιών Μαθήματα Κύκλου (Master of Engineering) Οργάνωσης και Διοίκησης Επιχειρήσεων 42 Οργάνωση και διοίκηση Παραγωγής Επιχειρησιακή Έρευνα Τεχνολογική Οικονομική Εργονομία και ασφάλεια Μεταφορικών Μέσων (οχήματα-αεροσκάφη) Δυναμική και Αεροδυναμική Οχημάτων Σχεδίαση Αεροσκαφών-Πτήση

43 Τα Μαθήματα επιλογής - Διεπιστημονικές περιοχές -- Βιοϊατρικής τεχνολογίας και βιολογίας Ενέργειας και Περιβάλλοντος Μηχανοτρονικής, Νανοτεχνολογίας και Μικροκατασκευών Χρηματο-οικονομικά Διπλωματική Εργασία Μαθηματικά Επιλογής Μαθήματα Επιλογής Διπλωματική Εργασία Σεμιναριακά μαθήματα σε Τεχνολογίες Αιχμής 43

44 Λύκειο (Πρώτη ύλη) Διαδικασία ελέγχου και ανάδρασης Έλεγχος Πανεπιστήμιο (Κοινωνικός έλεγχος) Έλεγχος Βιομηχανία (Πελάτης) 44 Μαθητής Εκπαίδευση Διπλ. Μηχανικός