- ΓΙΑΤΙ ΤΑ ΤΡΕΝΑ ΔΕΝ ΧΡΕΙΑΖΟΝΤΑΙ ΤΙΜΟΝΙ, ΚΑΙ ΚΑΠΟΙΑ ΟΥΤΕ ΤΡΟΧΟΥΣ

Η απάντηση στο πρώτο ερώτημα μοιάζει προφανής.

Οι τροχοί των τρένων έχουν ένα «νύχι» ή φλάντζα στην εσωτερική πλευρά τους, που δεν τους αφήνει να φύγουν από τις σιδηροτροχιές.

Όμως, αν οι τροχοί βασίζονταν μόνο στο νύχι για να μείνουν επάνω στις τροχιές, θα υπήρχε συχνή επαφή του νυχιού με τις ράγες προξενώντας θόρυβο, φθορά και ταλαντώσεις.

Στην πραγματικότητα, οι τροχοί των τρένων πέρα από το νύχι έχουν και μία κωνικότητα, η οποία είναι αυτή που τους κρατάει κεντραρισμένους στις ράγες και επίσης τους βοηθάει να ακολουθούν τις (ούτως ή άλλως ανοικτές) καμπές των σιδηροτροχιών.

Έτσι, ακόμα και χωρίς τιμόνι, το τρένο καταφέρνει να στρίψει!

Στην αριστερή εικόνα, οι τροχοί κινούνται στην ευθεία και είναι κεντραρισμένοι στις ράγες. 

Στην δεξιά, το τρένο κινείται σε δεξιά καμπή (πηγαίνοντας «μέσα» στη σελίδα), οπότε από τις δυνάμεις αδράνειας ο αριστερός τροχός πλησιάζει το νύχι του στη ράγα, ενώ ο δεξιός το απομακρύνει.

Αυτό έχει σαν συνέπεια, εξαιτίας της κωνικότητας της επιφάνειά τους, ο αριστερός τροχός να «πατάει» σε μεγαλύτερη διάμετρο απ’ ότι ο δεξιός, με αποτέλεσμα το σύστημα άξονα και τροχών (που είναι ενιαίο) να τείνει να στρίψει δεξιά. Το ίδιο φαινόμενο φροντίζει ώστε οι τροχοί να κεντράρονται στις τροχιές όταν το τρένο κινείται σε ευθεία και να μην ακουμπούν το νύχι τους στη ράγα, καθώς οποιαδήποτε απόκλιση τείνει να στρίψει το σύστημα των τροχών διορθωτικά.

 Τα σύγχρονα τρένα με τα μακριά βαγόνια θα είχαν πρόβλημα να στρίψουν στις σχετικές κλειστές στροφές των παλιών σιδηροδρομικών γραμμών. Για να λυθεί το πρόβλημα αυτό, οι τροχοί τοποθετούνται ανά δύο ζεύγη σ’ ένα κοινό «φορείο» (bogie), το οποίο στηρίζει τις δύο άκρες του βαγονιού μέσω ενός κατακόρυφου άξονα, που επιτρέπει στο φορείο να παίρνει μικρή κλίση ως προς το βαγόνι. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει αρκετά ελατήρια και αμορτισέρ, για την καλύτερη απόσβεση των κραδασμών.

Τα σύγχρονα γρήγορα τρένα χρειάζονται και ομαλές σιδηροτροχιές. Η παλαιότερη λύση με τα κάθετα διάκενα (για τις διαστολές) που προκαλούσαν και τον χαρακτηριστκό ήχο της κύλισης του τρένου δεν είναι πλέον αποδεκτή, οπότε είτε χρησιμοποιούνται λοξά διάκενα όπως στη φωτογραφία, είτε οι ράγες συγκολλούνται. Στην τελευταία περίπτωση όμως, για να αποφευχθούν στρεβλώσεις από τις διαστολές, πριν από την συγκόλληση οι ράγες είτε προθερμαίνονται είτε εφελκύονται, ώστε όταν θερμανθούν από το περιβάλλον να μειωθεί ή και να μηδενιστεί ο εφελκυσμός τους. Φυσικά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οι ράγες βρίσκονται σε εφελκυσμό, αλλά αυτό δεν μπορεί να τις στραβώσει καθώς μάλιστα οι συγκολλημένες ράγες συνήθως συνδυάζονται με τις πολύ ισχυρότερες τραβέρσες από μπετόν.

Πριν εξετάσουμε όμως το δεύτερο θέμα του τίτλου, δηλαδή αυτό της αναγκαιότητας των τροχών, ας δούμε σε εικόνες μερικούς σημαντικούς σταθμούς στην ιστορία των τρένων.

Η Rocket, η πρώτη πρακτική ατμομηχανή, σχεδιασμένη και κατασκευασμένη το 1829 από τον  Stephenson, με μέγιστη ταχύτητα 46 χλμ/ω.

Μια τυπική ατμομηχανή. Διακρίνονται οι κύλινδροι (μπλέ) που μετατρέπουν την πίεση του ατμού σε παλινδρομική κίνηση και οι διωστήρες που τη μετατρέπουν σε περιστροφική στους τροχούς. Τον κύριο όγκο της ατμομηχανής καταλαμβάνει ο λέβητας, που παράγει τον ατμό και τον... καπνό.

 Λεπτομέρεια της λειτουργίας της ατμομηχανής, και ο τρόπος που μεταδίδεται η κίνηση στους τροχούς.

 

Ένα τρένο πολύ μπροστά από την εποχή του. Το 1907 κατασκευάστηκε αυτό το τρένο μονής τροχιάς (monorail) το οποίο διατηρούσε την ισορροπία του με εσωτερικά γυροσκόπια. Δεν προχώρησε πέρα από το πειραματικό στάδιο, ενώ τα σημερινά τρένα μονής τροχιάς, που χρησιμοποιούνται κυρίως σε υπερυψωμένες τροχιές σε πόλεις, σταθεροποιούνται με βοηθητικούς τροχούς στα πλάγια (εκτός αν είναι κρεμαστά, που δεν τους χρειάζονται).

Σύγχρονο τρένο μονής τροχιάς, αλλά με συμβατική σταθεροποίηση (με πλευρικούς τροχούς)

 Η Mallard, που κατέχει το ρεκόρ ταχύτητας με 202 χλμ/ω για ατμοκίνητα τρένα από το 1938. Η ατμομηχανή απέκτησε το αεροδυναμικό κάλυμμα, μετά από επίσκεψη του κατασκευαστή της στον Ε. Bugatti, που ήταν πρωτοπόρος στη χρήση της αεροδυναμικής στα αυτοκίνητα. O κατασκευαστής της, φρόντισε επίσης να καλύψει και τα κενά ανάμεσα στα βαγόνια.

Τυπική διάταξη ηλεκτρικής μετάδοσης ισχύος, σε ντιζελοκίνητη μηχανή έλξης (locomotive). Ο ντιζελοκινητήρας (μπλε) κινεί μια γεννήτρια (μωβ), της οποίας η ισχύς ελέγχεται από ένα σύστημα με ρελέ και αντιστάσεις (καφέ), ενώ το ρεύμα τροφοδοτεί τελικά τους κινητήρες (πράσινο) που βρίσκονται σε κάθε άξονα. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγονται οι ογκώδεις μειωτήρες, ο έλεγχος της ταχύτητας είναι πολύ ομαλός και την έλξη την μοιράζονται όλοι οι  τροχοί, πολύ σημαντικός παράγοντας σε μεγάλες κλίσεις ή συνθήκες ολισθηρότητας (ο συντελεστής τριβής σίδερο με σίδερο είναι σχετικά μικρός).

 

To τρένο που παίρνει κλίση. Για να μπορέσει να αυξηθεί η ταχύτητα του τρένου πέρα από την ιδανική που επιβάλλει η (συνήθως μικρή) κλίση των σιδηροτροχιών, τη δεκαετία του ’80 κατασκευάσθηκαν (στην Αγγλία) και χρησιμοποιήθηκαν τρένα που το αμάξωμά τους μπορούσε να πάρει κλίση σε σχέση με τα φορεία των τροχών. Αν και η δοκιμή ήταν επιτυχημένη και με αυτόν τον τρόπο εξουδετερώνονταν οι αδρανειακές δυνάμεις που θα ενοχλούσαν τους επιβάτες, η πολυπλοκότητα της κατασκευής δεν ευνόησε την επικράτηση της μεθόδου.

Μία λύση που χρησιμοποιεί το γαλλικό Τρένο Μεγάλης Ταχύτητας (TGV) για να περιορίσει τις εγκάρσιες ταλαντώσεις στη σύνδεση των βαγονιών που μπορεί να συμβούν σε μεγάλες ταχύτητες, είναι η χρήση κοινού φορείου τροχών μεταξύ των βαγονιών.

Το τρένο που κατέρριψε (και κατέχει) το ρεκόρ ταχύτητας για τρένα σε σιδηροτροχιά με 575 χλμ/ω, κατά τη διαδρομή που του εξασφάλισε το ρεκόρ, το 2007. Προσέξτε τους θεατές, που είχαν συγκεντρωθεί για το γεγονός.

 

Για να καλύτερο φρενάρισμα, μερικά  τρένα μεγάλης ταχύτητας χρησιμοποιούν και αεροδυναμικά φρένα, όπως τα αεροπλάνα.

Το Aerotrain ήταν μια προσπάθεια μεταξύ των ετών 1965 - 1977 από τον Γάλλο Jean Bertin για ένα τρένο μεγάλης ταχυτήτας, που θα κινείτο σε στρώμα αέρα (σαν hovercraft), κατά μήκος μιάς γραμμής - οδηγού σχήματος  αντεστραμμένου Τ. Τον Μάρτιο του 1974 μία πιο εξελιγμένη εκδοχή από αυτή της φωτογραφίας έφτασε τα 430 km/h, κινούμενο σε γραμμή μήκους 18 km. Ο θάνατος του εφευρέτη του τρία χρόνια αργότερα και η απόφαση των γαλλικών σιδηροδρόμων να στραφούν στα τρένα τεχνολογίας TGV, σταμάτησαν τις περαιτέρω προσπάθειες. Το γαλλικό Aerotrain δεν πρέπει να συγχέεται με το ομώνυμο αμερικάνικο κατασκευής 1950 της General Motors, το οποίο ήταν συμβατικής κατασκευής αλλά αεροδυναμικό και χρησιμοποιούσε αερανάρτηση.

Μακέτα εισόδου τούνελ για τρένο μεγάλης ταχύτητας. Τα ανοίγματα στην οροφή στην είσοδο του τούνελ μειώνουν τον κρότο από την απότομη συμπίεση του αέρα, τη στιγμή που το τρένο εισέρχεται στο τούνελ.

Τα τρένα μεγάλης ταχύτητας, που μπορούν δηλαδή να αναπτύξουν ταχύτητες πάνω από 250 χιλ/ω, γνωρίζουν μεγάλη ανάπτυξη στην Ευρώπη και την Ιαπωνία (και τελευταία και στην Κίνα), επειδή σε αποστάσεις μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων συναγωνίζονται με επιτυχία τα αεροπλάνα σε συνολικό χρόνο ταξιδιού, καθώς έχουν το πλεονέκτημα οι σταθμοί τους να βρίσκονται στο κέντρο των πόλεων.

Στην Ελλάδα το τρένο δεν είναι ιδιαίτερα δημοφιλής τρόπος ταξιδιού,  καθώς η παλιά χάραξη της μοναδικής ουσιαστικά γραμμής που διασχίζει την Ελλάδα δεν επιτρέπει μεγάλες ταχύτητες, εξαιτίας του ορεινού κατά βάση εδάφους.

Όμως, μερικοί ειδικοί συρμοί παραμένουν δημοφιλείς για τουριστικές διαδρομές ιδιαίτερου φυσικού κάλλους, όπως στο φαράγγι του Βουραϊκού στα Καλάβρυτα, στο Πήλιο και στον Νέστο.
Πολύ ωραίο είναι και το κομμάτι της ορεινής διαδρομής από Μπράλο μέχρι Λαμία, που περνάει τις γέφυρες Παπαδιάς, Ασωπού και Γοργοπόταμου.

Ο  νέας γενιάς «οδοντωτός» στο φαράγγι του Βουραϊκού (διαδρομή Διακοφτό – Καλάβρυτα). Διακρίνεται η μεσαία τροχιά με την οδόντωση, που υπάρχει στα τμήματα της διαδρομής που η κλίση είναι μεγάλη και εμπλέκεται σε ειδικό κινητήριο γρανάζι στο κάτω μέρος του τρένου.

Αλλά και στις ΗΠΑ το τρένο δεν είναι πολύ δημοφιλές για τους επιβάτες (είναι για τα εμπορεύματα), καθώς για τις μεσαίες αποστάσεις προτιμάται η χρήση του αυτοκινήτου. Γι’αυτό και στις στις ΗΠΑ η τεχνολογία των τρένων είναι σχετικά ξεπερασμένη.

Η τελευταία εξέλιξη στην τεχνολογία των τρένων είναι τα τρένα μαγνητικής αιώρησης, που όπως υπονοήσαμε στην αρχή του άρθρου, είναι αυτά που πρακτικά δεν χρειάζονται τροχούς.

Τα τρένα μαγνητικής αιώρησης (MAGnetic LEVitation), είναι δύο βασικών τύπων. Ηλεκτρομαγνητικής αιώρησης (επάνω 1^η εικόνα) και ηλεκτροδυναμικής αιώρησης (επάνω 2^η εικόνα). 
Στην πρώτη περίπτωση, οι κύριοι ηλεκτρομαγνήτες του τρένου το έλκουν προς τη «ράγα», ενώ οι πλευρικοί ηλεκτρομαγνήτες το κεντράρουν.
Πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζονται τροχοί, καθώς το σύστημα δουλεύει και εν στάσει. Μειονέκτημα, τα πολύπλοκα ηλεκτρονικά ώστε να ελέγχεται και να ρυθμίζεται συνεχώς και ταχύτατα η έλξη των μαγνητών (ή έλξη των μαγνητών μεταβάλεται με το αντίστροφο του κύβου της απόστασης), για να διατηρούνται τα διάκενα σταθερά.

Στη δεύτερη περίπτωση, ισχυροί μαγνήτες επάνω στο τρένο καθώς κινείται επάγουν ρεύμα σε πηνία στα πλάγια της ράγας, έτσι ώστε η αντίθετη πολικότητα που δημιουργείται αυτόματα (εξαιτίας της επαγωγής) να σηκώνει και να κεντράρει το τρένο. 
Καθώς μάλιστα το φαινόμενο δημιουργεί άπωση, όλα τα διάκενα αυτορυθμίζονται. 
Πλεονέκτημα, η απλούστερη κατασκευή. 
Μειονέκτημα είναι ότι χρειάζονται τροχοί για να υποστηρίζουν το τρένο όταν κινείται με μικρή ταχύτητα (κάτω από τα 100 χλμ/ω), και φυσικά όταν είναι σταματημένο.
Στις μεγάλες ταχύτητες, έχουν επικρατήσεις τα MAGLEV ηλεκτροδυναμικής αιώρησης. 

Και στις δύο μεθόδους μαγνητικής αιώρησης, η προώθηση του τρένου γίνεται με ξεχωριστά πηνία (απ' αυτά της αιώρησης) που βρίσκονται επάνω στη ράγα και επιδρούν με τους μαγνήτες επάνω στο τρένο, με την ίδια περίπου αρχή που λειτουργεί ένας γραμμικός επαγωγικός κινητήρας (βλ εικόνα παρακάτω).

Ένας αυτοματισμός με αισθητήρες συγχρονίζει τη συχνότητα του τριφασικού ρεύματος που τροφοδοτεί τα πηνία προώθησης, με την ταχύτητα του τρένου.

Η αρχή του γραμμικού κινητήρα. Επάνω, ένας κλασικός επαγωγικός κινητήρας. Αν θεωρήσουμε ότι κάνουμε μια τομή στον στάτη και τον «ξετυλίξουμε», θα έχουμε έναν γραμμικό κινητήρα. Το πρόβλημα είναι ότι θα πρέπει να προστεθούν πηνία στον στάτη, ώστε να καλύψουν όλο το μήκος της διαδρομής που χρειαζόμαστε.

Τροχιά συστήματος ηλεκτροδυναμικής αιώρησης. Με κόκκινο τα πηνία κεντραρίσματος, που δεν τροφοδοτούνται με ρεύμα. Με μπλέ τα πηνία προώθησης που τροφοδοτούνται με τριφασικό ρεύμα, ρυθμιζόμενης συχνότητας. Στο κέντρο, οι διάδρομοι που πατάνε οι τροχοί, στις χαμηλές ταχύτητες.
 

 

Το ιαπωνικό τρένο που κατέχει το ρεκόρ ταχύτητας για επανδρωμένα τρένα μαγνητικής αιώρησης με 603 χλμ/ω, τον Απρίλιο του 2015. Το τρένο είναι προς το παρόν πειραματικό με ειδικά διαμορφωμένο ρύγχος και κινήθηκε σε ειδική τροχιά. ‘Ομως, το ταχύτερο δρομολογημένο τρένο μαγνητικής αιώρησης είναι στην 30 χιλιομέτρων διαδρομή από το αεροδρόμιο της Σαγκάης στη Σαγκάη, που έχει φθάσει την ταχύτητα των 430 χλμ/ω.

Ένα διαφορετικό είδος τρένου, τα Roller Coaster, που προσφέρουν άλλου είδους συγκινήσεις στους επιβάτες τους, όπως να βιώσουν ακροβατικές μανούβρες μέχρι +5g, που μόνο ένα μαχητικό αερολάνο μπορεί να προσφέρει. Τα τρενάκια αυτά αρχικά ανεβαίνουν στο ψηλότερο σημείο της τροχιάς τους ρυμουλκούμενα από σύστημα ενσωματωμένο στην τροχιά ή με εκτόξευση, και στη συνέχεια αναλαμβάνει η βαρύτητα.

Μία ειδική περίπτωση τρένου είναι το μετρό, που είναι τοπικό, υπόγειο συνήθως τρένο μέσα στα όρια μιας εκτεταμένης πόλης (μητρόπολης). 
Για ευνόητους λόγους, τα μετρό ήταν από τα πρώτα τρένα που ηλεκτροκινήθηκαν και στα οποία, όπου ήταν δυνατόν, εφαρμόσθηκε η ανάκτηση ενέργειας με φυσικό τρόπο.
Κατασκευάζοντας δηλαδή τους σταθμούς πιο κοντά στο έδαφος (ώστε και οι επιβάτες να έχουν ευκολότερη πρόσβαση) από την κυρίως διαδρομή που ήταν βαθύτερα, τα τρένα χρειάζονταν λιγότερο φρενάρισμα καθώς ο σταθμός βρίσκονταν στο τέλος ενός ανήφορου, και αντίστοιχα επιτάχυναν γρηγότερα καθώς έφευγαν.
Σήμερα βέβαια, με τα ηλεκτρονικά συστήματα επιστροφής της ενέργειας του φρεναρίσματος στο ηλεκτρικό δίκτυο, η μέθοδος αυτή έχει χάσει την αξία της.
 
Και για να κλείσουμε σε λίγο διαφορετικό κλίμα, αρκετά ελληνικά τραγούδια έχουν σαν θέμα το τρένο και την απόσταση που βάζει ανάμεσα στους ανθρώπους.

Ενδεικτικά, και από τα παλαιότερα:

-          Κάποιο τρένο.

-          Το τρένο φεύγει στις 8.

-          Τα τρένα που φύγαν.

-          Πάει έφυγε το τρένο.

-          Κάνε κάτι να χάσω το τρένο.

Γ. Μεταξάς

- ΤΑ ΡΕΥΣΤΑ ΚΑΙ ΟΙ ΙΔΙΟΤΡΟΠΙΕΣ ΤΟΥΣ

Ρευστά, ονομάζονται (προφανώς) τα υλικά που ρέουν.

Τέτοια υλικά είναι τα υγρά και τα αέρια (και οι σκόνες, αλλά δεν θα ασχοληθούμε), που έχουν όμως μεταξύ τους μια βασική διαφορά.

Τα αέρια είναι συμπιεστά, ενώ τα υγρά είναι ασυμπίεστα και πολύ πυκνότερα.

Αυτά με τη γενική θεωρία, αλλά ο σκοπός του άρθρου δεν είναι να διδάξει αεροδυναμική και υδροδυναμική, είναι να παρουσιάσει και να εξηγήσει με απλό τρόπο μερικά φαινόμενα κάπως ιδιαίτερα ή περίεργα, που είτε τα έχουμε δεί ή έχουμε διαβάσει γι’ αυτά.

ΥΠΕΡΗΧΗΤΙΚΗ ΤΑΧYΤΗΤΑ

Ένα εντυπωσιακό φαινόμενο που συμβαίνει στον αέρα, αλλά σχετίζεται με τον ήχο, είναι το σπάσιμο του φράγματος του ήχου.

Πρόκειται για ένα δυνατό κρότο σαν έκρηξη, που πολλές φορές είναι διπλός, δηλαδή δύο διαδοχικοί κρότοι.

Προκαλείται όταν ένα αντικείμενο, συνήθως αεροπλάνο, αλλά και πύραυλος, ή μετέωρο (και από το 1997 και επίγειο όχημα), ξεπερνούν σε ταχύτητα την ταχύτητα του ήχου στο περιβάλλον που κινούνται (γιατί η ταχύτητα του ήχου δεν είναι σταθερή), και η οποία σε χαμηλό ύψος είναι γύρω στα 1200 χλμ/ω.

Τα ηχητικά κύματα συσσωρεύονται και συμπιέζονται συνήθως στο εμπρός μέρος του αντικειμένου, ενώ η αντίσταση στην κίνηση του κάνει ένα «σκαλοπάτι» προς τα επάνω (δέστε και την αντίστοιχη εξήγηση στη συνέχεια του άρθρου, για τα σκάφη).

Εάν τώρα υπάρχει αρκετή διαθέσιμη ισχύς, το αντικείμενο μπορεί να επιταχύνει και τα ξεπεράσει την ταχύτητα των ηχητικών κυμάτων που το ίδιο δημιουργεί.

Το γνωστό αιχμηρό σχήμα των σύγχρονων πολεμικών αεροσκαφών βοηθάει σημαντικά, ώστε αυτή η επιπλέον ισχύς που χρειάζεται να είναι η ελάχιστη δυνατή.

 Το Concord, ο  μοναδικός τύπος  υπερηχητικού επιβατικού αεροσκάφους που κατασκευάστηκε ποτέ (σταμάτησε τις πτήσεις το 2003), την ώρα που διασπά το φράγμα του ήχου, δημιουργώντας δύο περιοχές όπου η απότομη αλλαγή στην πίεση του αέρα συμπυκνώνει την υγρασία σε δύο εντυπωσιακούς δίσκους.

 Μία εντυπωσιακή φωτογραφία ενός πυροβολισμού, όπου φαίνεται το σφαιρικό ηχητικό κύμα της εκπυρσοκρότησης, αλλά και ο διπλός υπερηχητικός κώνος που δημιουργεί η κίνηση της σφαίρας, στο εμπρός και πίσω μέρος της. Η οπτικοποίηση των κυμάτων πίεσης έγινε με φωτογράφιση με τη μέθοδο Schlieren.

 

Το Τhrust SSC, το πρώτο επίγειο όχημα που έσπασε το φράγμα του ήχου, το 1997.

Μία φωτογραφία που μοιάζει, αλλά δεν είναι υπέρβαση του φράγματος του ήχου. Πρόκειται πάλι για συμπύκνωση της υγρασίας, αλλά αυτή τη φορά εξαιτίας της πτώσης της ατμοσφαιρικής πίεσης στο επάνω μέρος της πτέρυγας του αεροσκάφους, κατά τη διάρκεια στροφής με πολλά “g”. Για τον ίδιο λόγο, δηλαδή εξαιτίας στροφής με πολλά g, παράγονται  ίχνη συμπύκνωσης και από τα ακροπτερύγια.

Τα διαμάντια της φωτιάς! Οι φωτεινοί κώνοι δημιουργούνται όταν τα πυρακτωμένα αέρια της εξαγωγής ενός κινητήρα jet (με χρήση μετακαυστήρα) ή πυραυλοκινητήρα, ξεπερνούν την ταχύτητα του ήχου σε περιβάλλον ατμοσφαιρικής πίεσης, που σημαίνει ότι δεν μπορούν να δημιουργηθούν στο κενό του Διαστήματος. Η εξήγηση είναι αρκετά πολύπλοκη, οπότε αρκεί να πούμε ότι δημιουργείται ένα είδος στατικών κυμάτων από την αντανάκλαση των αερίων στον περιβάλλοντα αέρα.

 

ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ DOPPLER

Το φαινόμενο Doppler, είναι αυτό που κάνει έναν ήχο, μια σειρήνα πχ σε ένα αυτοκίνητο, να ακούγεται με διαφορετική συχνότητα εφόσον η απόσταση παρατηρητή και ηχητικής πηγής μεταβάλλεται.

Η συχνότητα αυξάνεται αν η απόσταση μειώνεται (ο ήχος γίνεται οξύτερος), ενώ ο ήχος γίνεται «βαρύτερος», όταν η απόσταση αυξάνεται.

Ένα εύκολο στην κατανόησή του ανάλογο, είναι όταν σκεφτούμε τα κύματα στη θάλασσα.

Αν κινηθούμε με σταθερή ταχύτητα με ένα σκάφος προς την κατεύθυνση από την οποία έρχονται τα κύματα, θα συναντήσουμε περισσότερα κύματα στον ίδιο χρόνο (μεγαλύτερη συχνότητα κυμάτων), παρά αν κινηθούμε προς την κατεύθυνση προς την οποία πηγαίνουν τα κύματα.

Αν μάλιστα στην τελευταία περίπτωση κινηθούμε ακριβώς με την ταχύτητα του κύματος, θα μένουμε στάσιμοι ως προς το κύμα και μπορούμε να κάνουμε και surf! 

Το ενδιαφέρον είναι ότι το φαινόμενο αυτό, εκτός από τον ήχο συμβαίνει και σε όλα τα άλλα κυματικά πεδία, όπως στην οπτική και στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Οι εξετάσεις Doppler για τη ροή του αίματος, και όλα τα ραντάρ που μετράνε ταχύτητα, δουλεύουν πάνω σ’ αυτή την αρχή.

H εφαρμογή του φαινομένου Doppler στην αστρονομία, γίνεται μέσω της μετατόπισης των  γραμμών απορρόφησης γνωστών αερίων στο φάσμα του φωτός άστρων και  γαλαξιών, επειδή το ορατό φως αποτελείται από πολλές συχνότητες (βλέπε παραπάνω εικόνα). Έτσι μπορεί να μετρηθεί η ταχύτητα απομάκρυνσης ή προσέγγισης αστέρων ή γαλαξιών ως προς τη Γη, και μ’ αυτόν το τρόπο έχει διαπιστωθεί ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους και ότι το Σύμπαν διαστέλλεται (οι γραμμές μετακινούνται προς την περιοχή του ερυθρού χρώματος).

ΑΡΙΘΜΟΣ REYNOLDS

Είναι ενδιαφέρον, ότι ο αέρας δεν συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο στα σώματα που κινούνται μέσα του. Αυτό ακούγεται λογικό, αλλά ακόμα και με ακριβώς όμοια αντικείμενα και αφού λάβουμε φυσικά υπόψη τον λόγο μεγεθών των αντικειμένων, πάλι ο αέρας εξακολουθεί να συμπεριφέρεται διαφορετικά.

Μοιάζει σαν, όσο πιο μικρό είναι το αντικείμενο και όσο πιο αργά κινείται, τόσο ο αέρας να «φαίνεται» στο αντικείμενο αυτό πιο «πηχτός».

Έτσι, μια πεταλούδα, ή ένα μικρό έντομο περισσότερο «κολυμπάει» στον αέρα, παρά πετάει.

Για να μπορέσουν να λαμβάνουν εύκολα υπόψη οι επιστήμονες τη συμπεριφορά του αέρα ανάλογα με το μέγεθός τους (όχι το σχήμα τους, που προσδιορίζεται από τον αεροδυναμικό συντελεστή), χρησιμοποιούν τον αριθμό Reynolds.

Ο αριθμός Reynolds προσδιορίζει πόσο «πηχτό» βλέπει τον αέρα ένα αντικείμενο εξαιτίας του μεγέθους του (όχι της μορφής του) και της ταχύτητάς του. Ο αριθμός είναι αδιάστατος (είναι ουσιαστικά ένα πηλίκο) και μπορεί να πάρει μεγάλες τιμές, το ΜΙL στον πίνακα σημαίνει εκατομμύρια. Τα ΜΑV είναι οι μικρές τηλεκατευθυνόμενες ιπτάμενες συσκευές.

Ο αριθμός Reynolds καθορίζει ουσιαστικά πότε μια ροή (συχνά σε σχέση με μια επιφάνεια) θα είναι στρωτή ή τυρβώδης. Η αύξηση της ταχύτητας του καπνού καθώς ανεβαίνει, κάνει αυτή τη μετάβαση θεαματικά ορατή.

Δημιουργία ενός κλειστού στροβίλου καπνού (επάνω). Στην πραγματικότητα πρόκειται για στροβιλιζόμενο αέρα που γίνεται ορατός από τον καπνό που περιέχει, ή από τη συμπύκνωση του αέρα (κάτω). Αυτός ο στρόβιλος με τη μορφή σαμπρέλας, δημιουργείται από την τριβή των εξωτερικών στοιβάδων του κινούμενου αέρα με τον ακίνητο αέρα του περιβάλλοντος, και  αυτοσταθεροποιείται από την ίδια τη στροφορμή του. Τα μεγάλα «κανόνια» vortex (κάτω), μπορούν να δώσουν αρκετή συμπυκνωμένη ενέργεια στον στρόβιλο ώστε να γκρεμίσει ένα απλό τοίχο.

ΜΠΑΛΑΚΙΑ, ΦΤΕΡΑ ΚΑΙ ΦΑΛΤΣΑ

Ακούγεται περίεργο, αλλά τα μικρά αντικείμενα έχουν μικρότερη αντίσταση στον αέρα (για δεδομένο σχήμα και μέγεθος), όταν ΔΕΝ έχουν πολύ λεία επιφάνεια.

Αυτός είναι και ο λόγος που τα μπαλάκια του γκολφ έχουν τα χαρακτηριστικά λακκάκια στην επιφάνειά τους.

Και για τον ίδιο λόγο, τα σχετικά μικρά και αργά στην πτήση έντομα κινούνται ευκολότερα στον αέρα όταν έχουν χνουδωτή επιφάνεια, παρά λεία.

Πολύ παραστατική παρουσίαση του φαινομένου,  σύμφωνα με το οποίο η ανώμαλη επιφάνεια σ’ένα μπαλάκι (αριστερά) μειώνει την τριβή του σε σχέση με τη λεία επιφάνεια (δεξιά). Οι μικρές ανωμαλίες της επιφάνειας δημιουργούν μικροσκοπικές δίνες που διατηρούν την στρωτή ροή του ρευστού για μεγαλύτερη απόσταση στην επιφάνειά του, πριν γίνει τυρβώδης οπότε τότε η αντίσταση γίνεται πολύ μεγαλύτερη.

Αν έχετε αναρωτηθεί τι θέλουν οι μικρές προεξοχές κατά μήκος ενός φτερού αεροπλάνου, τώρα ξέρετε! Δημιουργούν μικρές δίνες που βοηθούν τον αέρα να «κολλήσει» στο φτερό, σε ορισμένες φάσεις της πτήσης που εξαιτίας της μεγάλης γωνίας του φτερού σε σχέση με τον αέρα, ο τελευταίος θα κινδύνευε να «ξεκολλήσει» από το φτερό, μειώνοντας την άνωσή του.

Μία άλλη συνέπεια της τάσης του αέρα να «κολλάει» σε μια καμπύλη επιφάνεια (μέχρις ενός ορίου), είναι η δυνατότητα να δώσουμε φάλτσο σε μια μπαλιά.

Ανάλογα με την περιστροφή της μπάλας σε σχέση με την κατεύθυνση που κινείται, η τροχιά της μπάλας μεταβάλλεται σαν να κυλίεται πάνω στον αέρα προς την φορά περιστροφή της. Η παρακάτω εικόνα εξηγεί παραστατικά το φαινόμενο.

Περισσότερα σε σχέση με τη συμπεριφορά του αέρα και ειδικότερα τη δημιουργία άνωσης στην πτέρυγα ενός αεροπλάνου, μπορείτε να βρείτε στο άρθρο «COANDA vs BERNOULLI», στο ίδιο blog.

 Η περιστροφή της μπάλας επιταχύνει από τη μια πλευρά της τον αέρα (στην κάτω πλευρά στην εικόνα) και τον επιβραδύνει από την αντίθετη, δημιουργώντας χαμηλότερη και υψηλότερη πίεση στις αντίστοιχες περιοχές (νόμος Bernoulli).

H διαφορά πίεσης κλείνει την τροχιά της μπάλας προς τα κάτω (στην περίπτωση της εικόνας).

Προσομείωση της ροής του αέρα γύρω από ένα σωλήνα, πχ μια καμινάδα (που τη βλέπουμε από την κορυφή). Ο έντονος στροβιλισμός που δημιουργείται μπορεί να προκαλέσει σοβαρές ταλαντώσεις στην καμινάδα. Μία μέθοδος αντιμετώπισης είναι η στερέωση μιας ελικοειδούς στεφάνης γύρω από εξωτερικό κυλινδρικό σώμα της καμινάδας, που δημιουργεί πολλούς μικρούς στροβίλους αντί για έναν ισχυρό.

 

Αυτό είναι το αποτέλεσμα όταν δημιουργείς ένα «φτερό» που δεν πρέπει να πετάξει. Όταν ξεκίνησαν να κατασκευάζονται οι κρεματές γέφυρες, δεν υπήρχε η εμπειρία ότι το κατάστρωμά τους ΔΕΝ έπρεπε να μοιάζει με φτερό, γιατί το αποτέλεσμα θα είναι σαν της γέφυρα Tacoma της φωτογραφίας (ΗΠΑ), που καταστράφηκε το 1940, από ταλαντώσεις που της δημιούργησε ο άνεμος.

Eξαιρετική εικόνα που δείχνει τη διαταραχή του αέρα στη διέλευση ενός αεροπλάνου, από την επίδρασή του σε κοντινό σύννεφο. Στη δημιουργία αυτών των στροβίλων οφείλεται μεγάλο μέρος της αντίστασης στην κίνηση του αεροπλάνου. 

Όταν αεροδυναμική και υδροδυναμική συναντιώνται. Μοντέλο του F18 δοκιμάζεται σε υδροδυναμική σήραγγα, τη δεκαετία του ’80.

  

ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΜEREDITH (Ή ΠΩΣ «ΕΞΑΦΑΝΙΖΕΤΑΙ» ΕΝΑ ΨΥΓΕΙΟ).
Ένα λιγότερο γνωστό φαινόμενο που συνδυάζει αεροδυναμική και θερμοδυναμική είναι το φαινόμενο Meredith, από το όνομα του Άγγλου μηχανικού που το περιέγραψε το 1930, και το οποίο αξιοποιήθηκε πλήρως για πρώτη φορά στη κατασκευή του αμερικανικού καταδιωκτικού P51 Mustang.

Πρόκειται για την εκμετάλευση της θερμότητας που αποβάλλεται από το ψυγείο του υδρόψυκτου κινητήρα, ώστε με την κατάλληλη διαμόρφωση του αεραγωγού πριν και μετά το ψυγείο, η διαστολή και η κατά συνέπεια επιτάχυνση του αέρα να δημιουργεί ώση.

Η ώση αυτή, υπολογίζεται ότι αντιστάθμιζε περίπου το 90% της οπισθέλκουσας του ψυγείου.

Μία άλλη καινοτομία της εποχής εκείνης που φαίνεται στην εικόνα, είναι η απομάκρυνση του στομίου της εισαγωγής αέρα του ψυγείου από την επιφάνεια της ατράκτου, ώστε να μην αναρροφάται το αργό οριακό στρώμα του αέρα, κάτι που εφαρμόζεται και σήμερα όπως στο F16.

 

ΥΓΡΑ ΚΑΙ ΚΥΜΑΤΑ

Όπως αναφέρθηκε στην αρχή του άρθρου, τα υγρά είναι ρευστά που σε σχέση με τα αέρια διαφέρουν στο ότι είναι ασυμπίεστα και με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα.

Υπάρχει και μία ακόμα διαφορά, όταν εξετάζουμε φαινόμενα στην επιφάνεια των υγρών που βρίσκεται σε επαφή με τον αέρα, που προέρχεται ακριβώς απ’ αυτήν την ιδιότητα των ρευστών, να σχηματίζουν δηλαδή ελεύθερη επιφάνεια.

Και είναι αυτή η ελεύθερη επιφάνεια που ενδιέφερε τους ανθρώπους από τα πολύ παλιά χρόνια, καθώς πάνω σ΄αυτήν μετακινούνταν με τα πλοία τους και είχαν να αντιμετωπίσουν τις συνέπειες του αέρα στην επιφάνεια της θάλασσας, δηλαδή τα κύματα.

Ενώ σχετικά πρόσφατα, από την αρχή του 20^ου αιώνα άρχισε να υπάρχει ενδιαφέρον και για την κίνηση μέσα στα υγρά, βασικά στη θάλασσα, με την ανάπτυξη των υποβρύχιων πλοίων.

Τα κύματα καθώς πλησιάζουν στην παραλία επιβραδύνονται, οπότε η κινητική τους ενέργεια μετατρέπεται σε δυναμική, αυξάνοντας το ύψος τους. Εξαιτίας αυτής της επιβράδυνσης, οι κορυφές τους έχουν την τάση να προσπερνούν τη βάση τους και να σπάνε προς τα εμπρός. Στην ακραία περίπτωση, δημιουργούν τους εντυπωσιακούς «σωλήνες», μέσα από τους οποίους μπορούν να κινηθούν οι ικανότεροι από τους σέρφερς.

Όταν ένας σεισμός  συμβεί στον πυθμένα της θάλασσας, έτσι ώστε να υπάρχει κατακόρυφη μετατόπιση του πυθμένα, η διαταραχή αυτή δημιουργεί το γνωστό κύμα τσουνάμι, που ενώ περνάει σχεδόν απαρατήρητο στην ανοιχτή θάλασσα, αποκτάει σημαντικό ύψος στην ακτή, και επιπλέον μεταφέρει πολύ μεγάλο όγκο νερού. Αντίθετα, η παρουσία μεγάλης υδάτινης επιφάνειας κόντα στο επίκεντρο ενός σεισμού που ΔΕΝ συνοδεύεται από μεταβολή της γεωμετρίας της λεκάνης του νερού, βοηθάει στη μείωση και γρηγορότερη απόσβεση των σεισμικών ταλαντώσεων.

Τα «τερατώδη» κύματα, συναντώνται στην ανοιχτή θάλασσα, είναι σχετικά σπάνια και συνήθως μεμονωμένα. Έχουν ύψος τουλάχιστον τριπλάσιο από τα υπόλοιπα κύματα και δημιουργούνται από έναν συνδυασμό ανέμου και ρηχών υποθαλάσσιων ρευμάτων. Κλασικό σημείο παραγωγής τους είναι το ακρωτήριο της Καλής Ελπίδας στη Νότια Αφρική, καθώς στην περιοχή αυτή δυτικοί άνεμοι συναντώνται με ισχυρό ανατολικό θαλάσσιο ρεύμα.

 

 Προσομείωση κυματισμού σε «ψηφιακή δεξαμενή». Πριν από μερικά χρόνια (αλλά και ακόμα) οι προσομοιώσεις γίνονταν σε πραγματικές δεξαμενές με πραγματικά μοντέλα πλοίων.

Πώς δουλεύουν οι γνωστοί «βολβοί» των πλοίων. Το βασικό κύμα του πλοίου (πράσινο), συνδυάζεται με το κύμα από τον βολβό (μπλε) και εξαιτίας της διαφοράς φάσης τους (δηλαδή το ότι δεν συμπίπτουν οι κορυφές τους), το τελικό κύμα (κόκκινο) είναι μικρότερο από το βασικό κύμα. Καθώς το μέγεθος του κύματος είναι ανάλογο με την ενέργεια που δαπανά το πλοίο, προκύπτει οικονομία στην κίνησή του.

Επάνω σκάφος εκτοπίσματος, κάτω σκάφος πλαναρίσματος. Η γάστρα του σκάφους πλαναρίσματος είναι πιο επίπεδη.

Τα σκάφη χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες.

Τα σκάφη εκτοπίσματος και τα σκάφη πλαναρίσματος.

Στα πρώτα, το εκτόπισμά τους (δηλαδή ο όγκος του βυθισμένου τμήματός τους)  δεν αλλάζει ουσιαστικά με την ταχύτητα, ενώ στα σκάφη πλαναρίσματος μειώνεται δραστικά.

Τα σκάφη εκτοπίσματος περιορίζονται πρακτικά στη μέγιστη ταχύτητά τους από το μήκος της ισάλου τους (τεχνικά μπορούν να την υπερβούν, αλλά με δυσανάλογα μεγάλη χρήση ισχύος).

΄Οσο μακρύτερη η ίσαλός τους, τόσο πιο γρήγορα μπορούν να κινηθούν.
Ένας γενικός τύπος που δίνει τη μέγιστη ταχύτητα σε (κόμβους) για τα σκάφη εκτοπίσματος είναι: 1.4 επί την τετραγωνική ρίζα του μήκους της ισάλου (σε πόδια).

Αντίθετα, τα σκάφη πλαναρίσματος (αυτά που ονομάζουμε ταχύπλοα), καθώς επιταχύνουν μπορούν να περάσουν εύκολα από την ταχύτητα εκτοπίσματος στην ταχύτητα πλαναρίσματος, οπότε η μέγιστη ταχύτητά τους περιορίζεται πρακτικά μόνο από την ισχύ της μηχανής τους.

Το μειονέκτημά τους είναι ότι σε κακοκαιρία, όταν δεν είναι εφικτό ή ασφαλές να κινηθούν σε ταχύτητα πλαναρίσματος, εξαιτίας της ρηχής σχετικά γάστρας τους είναι ευάλωτα στον έντονο κυματισμό.

Πώς μεταβάλεται η αντίσταση της γάστρας ενός πλοίου, σε σχέση με την ταχύτητά του. Είναι φανερή η πολύ χαμηλότερη αντίσταση της γάστρας πλαναρίσματος. Είναι ενδιαφέρον, ότι η αύξηση της αντίστασης πριν το πλανάρισμα μοιάζει με την αεροδυναμική αύξηση της αντίστασης ενός αεροπλάνου, πριν από το φράγμα του ήχου. Η κατακόρυφη καφέ γραμμή αντιπροσωπεύει το όριο, που αν υπάρχει αρκετή ισχύς για την υπέρβασή του και το κατάλληλο σχήμα από το όχημα (στο νερό ή στον αέρα), πλέον μόνο η διαθέσιμη ισχύς (και η αντοχή της κατασκευής) θέτει όριο στην ταχύτητα.

Το σχήμα εξηγεί, γιατί ένα σκάφος εκτοπίσματος αυξάνοντας την ταχύτητά του συναντά σε κάποια τιμή της έναν «λόφο» που είναι δύσκολο να υπερβεί. Καθώς επιταχύνει, το μήκος του κύματος που δημιουργεί αυξάνεται, και όταν γίνει ίσο με την ίσαλο του σκάφους, η πρώρη σηκώνεται και η πρύμνη χαμηλώνει, έτσι ώστε το σκάφος για να επιταχύνει περισσότερο, πρέπει να υπερβεί κυριολεκτικά έναν λόφο νερού. Τα σκάφη πλαναρίσματος, παρόλο που ξεκινούν και αυτά σαν σκάφη ετοπίσματος στις μικρές ταχύτητες, έχουν να υπερβούν πολύ μικρότερο λόφο, καθώς το σχέδιό τους τους επιτρέπει να μειώνουν προοδευτικά το εκτόπισμά τους, «ανεβαίνοντας» κυριολεκτικά επάνω στο νερό.

Η ακραία μορφή του πλαναρίσματος, όταν ουσιαστικά μόνον οι έλικες είναι μέσα στο νερό.

 Και όμως υπάρχει τρόπος ένα σκάφος εκτοπίσματος να γίνει πιο αποτελεσματικό σε εξοικονόμιση καυσίμου από ένα κλασικό σκάφος πλαναρίσματος, αρκεί να είναι καταμαράν!

Οι πολύ στενές γάστρες του καταμαράν έχουν πολύ μικρή αντίσταση εκτοπίσματος, ακόμα και αν θεωρήσουμε και τις δύο μαζί. Στον πίνακα, η κάτω γραμμή (DISPL CAT) δείχνει την κατανάλωση ενός καταμαράν εκτοπίσματος, ενώ η στικτή γραμμή από επάνω ( PLANING MONOHULL) ένα κλασικό σκάφος πλαναρίσματος. Σε ταχύτητες μάλιστα πάνω από 24 κόμβους, το καταμαράν πλαναρίσματος (PLANING CAT) δεν έχει αντίπαλο (εκτός από υδροπτέρυγα και hovercraft, αν όμως τα θεωρήσουμε σκάφη!)

Στρωτή ροή νερού που εκτοξεύεται από συντριβάνι με ειδική συσκευή στο στόμιό του, η οποία εξασφαλίζει ώστε η ροή του νερού γίνεται παράλληλη με τα τοιχώματα λίγο πριν εγκαταλείψει τη συσκευή. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιείται στη δημιουργία περίτεχνων πιδάκων σε ξενοδοχεία κλπ, καθώς το νερό του πίδακα είναι συμπαγές και ιδιαίτερα διαυγές. Η επιφανειακή τάση του νερού βοηθάει στη συνέχεια την διατήρηση αδιατάρακτης της κυλινδρικής επιφάνειάς του.

Η νεώτερη εξέλιξη για τα υποβρύχια οχήματα, προβλέπει την αξιοποίηση του φαινομένου της υπερσπηλαίωσης (supercavitation). Καθώς το σκάφος κινείται με μεγάλη ταχύτητα μέσα στο νερό, μια μικρή επίπεδη επιφάνεια κατάλληλα διαμορφωμένη στο ρύγχος του δημιουργεί αρκετή υποπίεση, ώστε το νερό να ατμοποιηθεί και να περιβάλλει το σκάφος με μια μακρόστενη φυσαλίδα αέρα (ατμού στην πραγματικότητα), μειώνοντας κατά πολύ την αντίστασή του. Μέχρι να φθάσει όμως το σκάφος στις ταχύτητες αυτές, θα γίνεται έγχυση αέρα από το ρύγχος του (από αποθηκευμένο αέρα μέσα στο σκάφος), ο οποίος θα διαστέλεται και το αγκαλιάζει, με το ίδιο αποτέλεσμα.

 

  Μπορεί να αφορά τα στατικά υγρά, πρόκειται όμως για μια εντυπωσιακή εφαρμογή της αρχής του Αρχιμήδη, στον Τροχό του Falkirk στη Σκωτία. Για να αλλάξουν κανάλια με υψομετρική διαφορά, τα σκάφη φορτώνονται σε μία (ή και τις δύο) από τις αντιδιαμετρικές δεξαμενές, οι οποίες διατηρούνται πάντα "ξέχειλες" με νερό και (με μηχανισμό) συνεχώς οριζόντιες. Καθώς το σκάφος μπαίνει στη δεξαμενή, νερό ίσο με το βάρος του σκάφους υπερχειλίζει, με αποτέλεσμα το βάρος κάθε δεξαμενής να διατηρείται σταθερό, με σκάφος ή χωρίς. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να χρειάζεται ισχύς μόνο 22.5 kW για την περιστροφή των δεξαμενών, που αντιστοιχεί στις τριβές του γιγάντιου μηχανισμού. 

Γ. Μεταξάς