28. Физические основы акустики.

Эволюция средств звукозаписи и воспроизведения звука

Акустика — учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в гагах,

жидкостях и твердых телах, слышимых человеческим ухом. Частоты таких колебаний

находятся в пределах 16—20000 Гц.

Физической основой передачи звука является распространение малых (в Пределах

модуля упругости) приращений давлений в среде. Скорость распространения таких

приращений давлений и есть скорость звука, которая в газе, например, связана

с тепловой скоростью перемещения молекул:

(73)

где g — отношение теплоемкостей (от 1 до 1,4), Р0 — среднее

давление в среде, р — плотность среды, R — универсальная газовая

постоянная, m — молекулярный вес газа, T — абсолютная температура.

Звук играет важнейшую роль в жизни человека. Значительная деля информации

выражается через звук, со звуком связана существенная сторона духовной жизни

людей — музыка, вообще искусство, поэтому средства накопления и запоминания

звуковой информации играют важную роль.

Звукозапись — процесс записи звуковой информации с целью ее сохранения и

последующего воспроизведения. Звукозапись основана на изменении физического

состояния или формы различных участков носителя записи — магнитной ленты,

граммофонной пластинки, кинопленки и пр.

Ранее использовалась механическая запись звука, при которой резец или

игла выдавливали или вырезали на поверхности движущегося носителя канав­ку,

форма которой соответствовала форме записываемых звуковых колебаний. В процессе

воспроизведения электропроигрывателем граммофонная игла, двигаясь по извилинам

канавки, повторяла эти колебания и передавала их мембране или звукоснимателю,

преобразовывавшего их в электрические колебания, которые затем усиливались и

воспроизводились динамиком.

Появившиеся позже магнитные способы записи основаны на перемагничивании

участков магнитной ленты, что выполнялось специальными магнитными головками при

пропускании в них звуковых колебаний с последующим затем изменением

напряженности магнитного поля, запоминавшихся носителем — магнитной лентой.

Повторное перемещение магнитной ленты около считывающей магнитной головки

возбуждало в ней электрические колебания, которые усиливались и

воспроизводились динамиком.

В настоящее время все шире используются оптические способы записи и

воспроизведения звуковой информации, основанные на записи звука с помощью

лазерного луча, изменяющего рельеф звуковой дорожки, который затем считывается

с помощью оптических систем. Этот способ отличается высокой плотностью

информации, благодаря чему оказывается возможным в малом объеме записать весьма

большой ее объем, высоким качеством записи и воспроизведения. Определенным

недостатком является то, что способ требует крайне бережного отношения

к носителю информации — оптическому диску, загрязнение которого выводит его

из строя.

Звукозапись широко используется в радиовещании, при воспроизведении

всевозможных выступлений, концертов и т. п.

29. Меры движения материи. Сущность параметров давления

использование на практике

Энергия есть мера движений материи, удельная энергия — мера движения

материи, заключенной в единице объема. Удельная энергия газа,

выраженная в Дж/м3, есть давление этого газа,

выраженное в Па (Паскалях), или. что то же самое, в Н/м2, т.е. силе,

выраженной в Ньютонах, приходящейся на единицу площади, выраженной в кв. м.:

(74)

(75)

Физическая сущность давления газа на поверхность заключается в упругой

передаче молекулами импульсов движения этой поверхности при изменении своего

направления движения в результате соударения с этой поверхностью. Таким

образом, давление будет тем больше, чем больше число молекул в единице объема

и чем выше их скорость.

Температура — это мера энергии одной молекулы газа:

(76)

где m — масса молекулы, u — ее скорость, k = 1,38 • 10-23 Дж/град.

Для перехода тел из одного состояния в другое — из твердого в жидкое или из

жидкого в газообразное нужно затратить дополнительную энергию — энергию

плавления или энергию парообразования соответственно. Для воды эта энергия

составляет 6,013 и 40,683 кДж/моль. При обратных фазовых переходах

(конденсации или кристаллизации) происходит выделение тепла. Благодаря этому

явлению не происходит полного замерзания рек и озер. Дождь идет теплым, что

важно для растений. Практическое применение теплоты плавления или

парообразования заключается в первую очередь в учете ее при расчете

затрачиваемого на плавление или парообразования тепла. Данное физическое

явление может быть в ряде случаев полезно использовано, например, для

поддержания постоянства температуры в некотором объеме. В этом случае

плавящееся или испаряющееся теле нужно специально подбирать или менять его

давление.

Следует учитывать, что температура фазовых переходов зависит от давления

(фазовая диаграмма с тройной точкой). Это используют на практике, например,

применение скороварок убыстряет процесс приготовления пищи, т. к.

температура кипения воды повышается. В горах, где давление воздуха ниже, мясо

варится более продолжительное время.

30. Химическое преобразование вещества.

Экзотермические и эндотермические реакции. Горение и взрыв

Соединение различных веществ приводит к их химическому преобразова­нию, в

результате чего из одних исходных веществ получаются другие — продукты

химических реакций.

Химическими реакциями являются превращения одних веществ в другие,

отличные от исходных по химическому составу или строению. Общее число атомов

каждого данного элемента, а также сами химические элементы, составляющие

вещества, остаются неизменными. Химические реакции осуществляются при

взаимодействии веществ между собой или при внешних воздействиях на них

температуры, давления, электрических и магнитных полей и т. п. В ходе

химических реакций одни вещества (реагенты) превращаются в другие (продукты

реакций). Каждая химическая реакция характеризуется стехиометрическим

соотношением — численным соотношением между массами или объемами

реагирующих веществ и скоростью химической реакции — количеством продуктов

реакции, возникающих в результате реакции за единицу времени в единице объема

(если реакция гомогенна, т. е. распространена по всему объему реагирующих

веществ) или на единице площади поверхности (если реакция гетерогенна, т. е.

распространена только по поверхностям реагирующих тел). Для исходных веществ

аналогичным образом определяется скорость их расходования.

Количества реагирующих веществ обычно выражают в молях. Моль — единица

количества вещества, содержащая столько структурных единиц (атомов, молекул или

их конгломератов) сколько их содержится в нуклиде углерода массой 12 г., т.е.

6,022- 1023 (число Авогадро). Моль (грамм-молекула) — число граммов

вещества, равное его молекулярной массе. Например, поскольку молекулярная масса

воды равна 18, то ее моль равен 18 г.

Химические соединения — это химические вещества, молекулы которых состоят

из нескольких атомов, соединенных химическими связями. Основные типы химических

связей — ковалентная и ионная. В первой из них орбитали электронов соседних

атомов объединяются в общую молекулярную орбиталь; во второй — орбитали

смещаются как результат ионизации атомов в молекуле, но не объединяются.

Экзотермические реакции — это химические реакции, сопровождающиеся

выделением теплоты. Таким реакциями являются горение, нейтрализация,

большинство реакций образования химических соединений из простых веществ.

Частным случаем экзотермической реакции является взрыв — процесс

освобождения большого количества энергии в ограниченном объеме за

короткий промежуток времени. В результате взрыва химическое вещество

превращается в сильно нагретый газ с очень высоким давлением.

Взрывчатые вещества делятся на инициирующие и бризантные.

Инициирующие ВВ задействуются от механического удара или от луча пламени.

Бризантные ВВ более мощные, но они менее чувствительны к слабым воздействиям.

Задействуются они только от инициирующих ВВ.

Эндотермические реакции — реакции, идущие с поглощением тепла. К таким

реакциям относятся реакции разложения молекул на свободные атомы,

восстановление металлов из руд, фотосинтез в растениях и образование некоторых

сложных соединений из простых веществ.

Принцип Ле-Шателье-Брауна устанавливает, что внешнее воздействие,

выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в

системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия. Так, при нагревании

равновесной системы в ней происходят изменения (напр. хим. реакции), идущие с

поглощением теплоты, а при охлаждении — изменения, протекающие с выделением

теплоты. При увеличении давления смешение равновесия связано с уменьшением

общего объема системы, а уменьшению давления сопутствуют физические или

химические процессы, приводящие к увеличению давления.

31. Проблема создания материалов с заданными

Полимерные материалы. Термопласты и реактопласты, их применение

В процессе развития производства для различных систем и технических устройств

требуются материалы с различными свойствами, работающими в разных внешних

условиях и подвергающихся различным внешним воздействиям. В последние

десятилетия широкое применение стали находить искусственные органические

материалы, обладающие разнообразными свойствами, многие из которых можно

задавать при их производстве, получая материалы с наперед заданными

свойствами.

Органические вещества — это соединения углерода с другими веществами.

Углерод образует соединения с большинством элементов и обладает наиболее

выраженной способностью к образованию молекул цепного и циклического строения.

Скелет таких молекул может состоять из практически неограниченного числа атомов

углерода, непосредственно соединенных друг с другом и включать в себя и другие

элементы. Для соединений углерода характерно явление изомерии, т. е.

существование веществ, одинаковых по составу и молекулярной массе, но

различающихся последовательностью сцепления атомов или расположением их в

пространстве и поэтому различных по физическим и химическим свойствам. Общее

число известных органических элементов составляет более 3 миллионов, в то время

как всех остальных — порядка 100 тысяч.

Все органические вещества делятся на три класса: ациклические —

соединения с незамкнутыми цепями (метановые углеводороды — насыщенные

углеводороды, ненасыщенные углеводороды — этилен, ацетилен и др.);

изоциклические, в молекулах которых имеются циклы из атомов углерода

(циклопарафиновые или полиметиленового ряда, а также ароматические

углеводороды);

гетероциклические, в молекулах которых имеются циклы, содержащие кроме

углерода атомы О, N, S, Р, Аs и другие.

От каждого углеводорода образуется целый генетический ряд путем замены атома

водорода иной функциональной группой. Например, в генетический ряд метана СН

4 входят: хлористый метан СН 3 С1, метиловый спирт СН 3

ОН, метиламин СН 3NH 2; и др.

Основным поставщиком органических веществ в природе являются растительный и

животный мир. Растения усваивают из атмосферы углекислый газ и при помощи

хлорофилла, содержащегося в листьях, и солнечной энергии образуют

органические вещества, являющиеся строительным материалом для самих растений.

Животные, поедая растения, накапливают органические вещества в своем теле,

которые затем после гибели животных, переходят в почву, разлагаются, а затем

также поглощаются растениями.

В результате развития органической химии оказалось возможным создание

широкого спектра искусственных органических веществ, которые нашли применение

в технике, медицине, биологии. Так были созданы каучуки, необходимые в

резиновой промышленности, синтетические волокна для техники и легкой

промышленности, пластические массы, широко используемые в технике, красители,

медикаменты, кинофотоматериалы, стимуляторы роста растений, средства борьбы с

вредителями и многое другое.

Полимеры — это химические соединения с высокой молекулярной массой,

молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся

группировок (моно мерных звеньев). Природными полимерами (биополимерами)

являются белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы. Синтетическими полимерами

искусственного происхождения являются всякого рода производные от углеводородов

— полиэтилены, полипропилены, фенолоформальдегидные смолы и т. п.

Пластмассы (пластические массы) — это материалы, содержащие в своем

составе полимер, который в период формирования изделий находится в вязко

текущем или высокопластичном состоянии, а при эксплуатации — в стеклообразном

или кристаллическом состоянии. В зависимости от характера процессов,

сопутствующих формированию изделий, пластмассы делятся на реактопласты и

термопласты. Реактопласты — это материалы, переработка в изделия

которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера —

отвердением; при этом пластик необратимо утрачивает способность переходить в

вязко текучее состояние. При формировании термопластов не происходит

отверждения, и материал в изделии сохраняет способность вновь переходить в

вязко текучее состояние.

Пластмассы обычно состоят из нескольких взаимно совмещающихся и не

совмещающихся компонентов. При этом помимо полимера в состав пластмасс могут

входить наполнители полимерных материалов, пластификаторы, понижающие

температуру текучести и вязкость полимера, стабилизаторы полимера,

замедляющие его старение, красители и пр.

Термопластами являются полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, поликарбонит,

для них используются в качестве наполнителей эластомер, стекловолокна и пр.

Реактопластами являются отвержденные фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы

с наполнителями из древесной или кварцевой муки, асбестовых волокон,

древесного шпона, стекловолокон, углеродных волокон и пр.

Пластмассы нашли широчайшее применение в технике для изготовления

всевозможных крепежных и изоляционных изделий, корпусов приборов и машин,

труб и пр.

32. Дифференциация и интеграция функций

Роботы и их применение

В настоящее время все большее применение находят производственные комплексы,

реализующие разнообразные технологии и выпускающие однородную массовую

продукцию. Эти комплексы используют автоматизированные поточные линии,

в которых автоматизированы не только сами производственные процессы, но даже и

загрузка сырьем, и упаковка готовой продукции. Функции устройств, составляющих

такие линии могут носить дифференциальный (узкоспециализированный)

характер, а могут носить интегральный (общий) характер.

Примером устройств, выполняющих узкие функции являются всевозможные датчики

физических величин, преобразующих неэлектрические величины (перемещения,

давления, температуру и т. п.) в электрические сигналы, исполнительные

устройства (захваты, двигатели, супорты и т. п.). Эта датчики являются

чувствительными элементами в роботах, они воспринимают окружающую обстановку

и подают сигналы о ней процессорам, управляющим исполнительными механизмами.

Примером устройств, выполняющих широкие общие функции являются управляющие

вычислительные и программирующие устройства, пульты управления, электронные

индикаторы и т. п.

В производственных комплексах все более широкое применение находит

Роботы — машины с антропоморфным (человекоподобным) поведением,

которые частично или полностью выполняют функции человека при взаимодействии с

окружающим миром. В настоящее время определились три вида роботов:

— роботы с жесткой программой действий;

— роботы, управляемые человеком;

— роботы с искусственным интеллектом, действующие целенаправленно (“разумно”)

без вмешательства человека.

Большинство современных роботов всех трех видов — это роботы-манипуляторы,

хотя существуют и другие виды роботов — информационные, шагающие и пр.

Промышленные роботы-автоматы имеют преимущество перед человеком в скорости и

точности выполняемых операций.

Часто роботы оснащают обучающейся автоматической системой управления. Такой

системе “показывают” последовательность операций, после чего она запоминает

ее в виде программы и затем точно воспроизводит в работе. Роботы-манипуляторы

используют для работы в опасных или недоступных для человека местах,

например, в атомной промышленности, при производстве подводных работ и пр.

Робототехника развивается очень интенсивно, но существенным сдерживающим

фактором развития является их социальная роль, поскольку роботы начинают

вытеснять человека и при высокой производительности создают безработицу для

людей. Эти социальные аспекты могут быть решены только путем перестройки

производственных отношений в обществе.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10