metode de producere a unor forȚe mari de acceleraȚie

8/16/2019 METODE DE PRODUCERE A UNOR FORȚE MARI DE ACCELERAȚIE

1/11

CUPRINS

1. Propulsia electromagnetică ......................................................................................... 2

2. Trenul cu levitație magnetică Maglev ........................................................................ 2

3. Tunul electromagnetic cu șine RAILGUN ................................................................ 4

4. Tunul electromagnetic cu bobine COILGUN ........................................................... 7

5. Concluzii ....................................................................................................................... 10

6. Bibliografie ................................................................................................................... 11


2/11

2 din 11

1. Propulsia electromagnetică

Propulsia electromagnetică reprezintă principiul accelerării unui obiect utilizând

curenți electrici și câmpuri magnetice. Atunci când un curent electric trece printr-un

conductor dispus într-un câmp magnetic, o forță electromagnetică cunoscută ca forță Lorentz

împinge conductorul într-o direcție perpendiculară pe conductor și pe câmpul magnetic.

Această forță produce propulsia într -un sistem proiectat pentru a profita de fenomen. O

diferență cheie între propulsia electromagnetică și propulsia realizată de motoare electrice este

faptul că energia electrică utilizată de către propulsia electromagnetică nu este folosită pentru

a produce energie de rotație pentru mișcare, deși ambele folosesc câmpuri magnetice și

curenți electrici.

Aplicațiile curente ale propulsiei electromagnetice pot fi văzute în trenurile de tip

Maglev și în tunurile electromagnetice cu șine RAILGUN, respectiv tunurile electromagnetice

cu bobine COILGUN.

2. Trenul cu levitație magnetică Maglev [1], [2], [3]

Un tren cu levitație magnetică este un tren care utilizează câmpuri magnetice puternice

pentru a-și asigura portanța și deplasarea. Spre deosebire de trenurile clasice, în cazul trenului

cu levitație magnetică nu există contact cu șina, fapt ce reduce forțele de frecare și permite

atingerea unor viteze foarte mari (de până la 550 km/h).

Principiul levitației magnetice permite unui vehicul să fie suspendat și propulsat de-a

lungul unui piste de ghidare (șine) care are în compunere o serie de magneți. Vehiculul este propulsat cu ajutorul unui motor de inducție liniară. Deși un astfel de vehiculul nu utilizează

roți care rulează pe o șină, este denumit în continuare tren, deoarece este constituit dintr-un

lanț de vehicule care circulă în aceeași direcție.

Trenul cu levitație magnetică plutește la o distanță de aproximativ 10-15 milimetri

deasupra pistei de ghidare. Trenul este propulsat de schimbările induse în câmpurile

magnetice ale electromagneților dispuși în cadrul pistei de ghidare. Energia folosită pentru

procesul de propulsie este mai mică în comparație cu cea folosită de un tren electric


3/11

3 din 11

convențional. Cea mai mare parte a energiei utilizate este folosită nu pentru a asigura levitația,

ci pentru a depăși frecarea aerului.

Figura 1 – Tren de tip Maglev

Există două tehnologii de tip Maglev notabile:

a) Suspensia electromagnetică: în acest caz trenul levitează deasupra unor șine conductive

magnetic (de obicei din oțel), în timp ce o serie de elctromagneți atașași de tren sunt

orientați înspre șine de dedesupt. Sistemul este dispus pe o serie de brațe în formă de C, cu

porțiunea superioară a brațului atașat de tren, iar marginea interioară inferioară conține

magneții. Șina este situată în interiolul C-ului, între marginile superioare și inferioare.

Atracția magnetică variază invers proporțional cu cubul distanței, astfel încât modificărileminore în distanța dintre magneți și șină produc forțe care variază considerabil. Aceste

modificări ale forțelor sunt dinamic instabile – o abatere ușoară de la poziția optimă tinde

să crească, devenind astfel necesară utilizarea unor sisteme sofisticate de feedback pentru

a menține o distanță constantă față de șine (de aproximativ 15 milimetri). Avantajul major

al sistemelor Maglev cu suspesie electromagnetică este acela că ele funcționează la orice

viteză, spre deosebire de sistemele cu suspensie electrodinamică care funcționează la o

viteză minimă de 30 km/h.

Figura 2 – Suspensie electromagnetică


4/11

4 din 11

b) Supensia electrodinamică: în acest caz atât șina cât și trenul exercită un câmp magnetic,

iar trenul levitează ca rezultat al forțelor de atracție și respingere dintre aceste câmpuri

magnetice. Forțele de atracție și de respingere sunt create de un câmp magnetic indus în

fire sau alte benzi conductoare amplasate în cadrul șinelor. Un avantaj major al sistemelor

cu suspensie electrodinamică este acela că ele sunt dinamic stabile – schimbări în distanța

dintre șine și magneți creează forțe puternice care readuc sistemul la poziția inițială,

nefiind necesară utilizarea unui sistem de control feedback activ.

Figura 3 – Suspensie electrodinamică

Principalele avantaje ale trenurilor de tip Maglev sunt următoarele:

mentenanța: deoarece nu există contact între pista de ghidare și tren, uzura componentelor

este foarte mică în comparație cu trenurile convenționale;

reducrea zgomotului: se elimină zgomotul rezultat din rularea roților de-a lungul șinei. Cu

toate acestea zgomotul cauzat de frecarea cu aerul nu este eliminat;

viteză mai mare: deoarece nu există contacte care să genereze frecare, trenurile de acest

gen tind să ruleze la viteze mai mari;

mărimi diferite ale pistei de ghidare: pista de ghidare poate fi proiectată pentru a elimina

pierderile de viteză cauzate de denivelările terenului (spre exemplu, urcarea unei pante).

Dezavantajul trenurilor Maglev îl reprezintă costurile inițiale ridicate necesare în special

pentru construirea pistei de ghidare.

3. Tunul electromagnetic cu șine RAILGUN [4], [5], [6]

Tunul electromagnetic cu șine este un dipozitiv relativ simplu care folosește un flux de

curent printr-o buclă pentru a genera o forță Lorentz asupra unui proiectil, ducând astfel la

accelerarea acestuia la viteze ridicate. Tunul electromagnetic cu șine RAILGUN este diferit


5/11

5 din 11

de alte arme sau tunuri în sensul în care nu necesită folosirea unei combustii chimice pentru

lansarea proiectilului.

Tunul RAILGUN este de fapt un circuit electric format din trei componente: o sursă

de alimentare, o pereche de șine conductoare paralele și o armătură (proiectil) aflată în

mișcare. Armătura (proiectilul) este accelerată de către efectele electromagnetice generate de

către curentul care trece de-a lungul unei șine, prin armătură și apoi de-a lungul celeilalte șine.

Figura 4 – Compunerea unui tun electromagnetic cu șine

Sursa de alimentare este reprezentată de un generator de impulsuri de curent

alternativ care înmagazinează energia inerțial prin rotirea unei volante la viteze mari cu

ajutorul unui motor electric. Energia înmagazinată este eliberată sub forma unor impulsuri de

curent alternativ. Din acest motiv este necesară utilizarea unui convertor de curent care să

asigure curentul continuu necesar alimentării tunului. De obicei, valoarea curentului necesar

funcționării unor tunuri electromagnetice de calibru mediu și mare este de ordinul milioanelor

de amperi.

Șinele sunt de fapt două conductoare electrice paralele cu lungimi ce pot ajunge și la 9

metri. Șinele au rol de ghidare a armăturii (proiectilului).

Armătura închide circuitul electric format de cele două șine paralele. Armătura poatefi o bucată solidă din metal conductor sau un sabot cu rol de ghidare (în interiorul sabotului

fiind încastrat proiectilul). Unele tunuri electromagnetice cu șine folosesc ca armătură plasma.

O folie subțire de metal este plasată în partea din spate a unui proiectil non-conductor. Când

curentul electric trece prin această folie subțire de metal, aceasta se vaporizează și devine o

plasmă care conduce curentul.

Modul de funcționare al tunului electromagnetic cu șine RAILGUN este

următorul: un curent electric pleacă de la borna pozitivă a sursei de alimentare, trece prin șina


6/11

6 din 11

corespunzătoare bornei pozitive, prin armătură, prin șina corespunzătoare bornei negative și

înapoi la sursa de alimentare.

Figura 5 – Principiul de funcționare

Orice curent care traversează un conductor creează un câmp magnetic circular în jurul

conductorului (o regiune în care o forță magnetică este sesizabilă). Această forță are atât

amplitudine cât și direcție. În cazul tunului electromagnetic RAILGUN, se formează câte un

câmp magnetic în jurul fiecărei șine. Liniile de câmp magnetic din jurul șinei pozitive se vor

învârti în sensul invers acelor de ceasornic, iar cele din jurul șinei negative se vor învârti în

sensul acelor de ceasornic. Câmpul magnetic rezultant între cele două șine va fi îndreptat

vertical. Armătura (proiectilul) va fi supusă unei forțe cunoscută sub denumirea de forță

Lorentz (după numele fizicianului olandez Hendrik Lorentz). Forța Lorentz este îndreptată

perpendicular pe câmpul magnetic și pe direcția curentului care trece prin armătură.

Figura 6 – Forța Lorentz ce acționează asupra proiectilului

Valoarea forței poate fi crescută prin mărirea lungimii șinelor sau prin creșterea valorii

curentului. Deoarece șinele lungi creează provocări în construcție, cele mai multe tunuri

electromagnetice de acest fel utilizează curenți foarte puternici, de ordinea milioanelor de


7/11


8/11

8 din 11

proiectil feromagnetic. În aproape toate configurațiile tunurilor COILGUN, bobinele și țeava

tunului sunt aranjate pe o axă comună.

Tunul electromagnetic COILGUN constă în general din una sau mai multe bobine

dispuse de-a lungul unei țevi, astfel încât traiectoria proiectilului accelerat să se afle în lungul

axei centrale ale bobinelor. Bobinele sunt alimentate pentru o perioadă foarte precisă de timp,

astfel încât proiectilul să fie accelerat de-a lungul țevii, prin intermediul forțelor magnetice.

Figura 7 – Compunerea unui tun electromagnetic cu bobine COILGUN

Există două tipuri principale de configurație ale unui tun electromagnetic cu bobine:

cu o singură treaptă sau cu mai multe trepte. Un tun electromagnetic COILGUN cu o singură

treaptă folosește un singur electr omagnet pentru a propulsa proiectilul. Un tun

electromagnetic COILGUN cu mai multe trepte folosește o succesiune de electromagneți pentru a crește progresiv viteza proiectilului.

Un tun electromagnetic cu bobine cu o singură treaptă poate fi construit folo sind o

bobină și un proiectil feromagnetic dispus la unul din capetele bobinei. În perioada de timp în

care bobina este alimentată aceasta va atrage proiectilul feromagnetic în centrul ei. Atunci

când proiectilul este aproape să atingă acest punct (centrul bobinei), se întrerupe alimentarea

bobinei pentru ca proiectilul să nu rămână ,,captiv” și să își continue deplasarea spre celălalt

capăt al bobinei, respectiv spre exteriorul acesteia. În cazul unui tun electromagnetic cu bobine cu mai multe trepte, sunt adăugați la

construcție o serie de electromagneți suplimentari cu rolul de a repeta procesul și astfel de a

obține o accelerare progresivă a proiectilului.

Modul de funcționare al tunului electromagnetic cu bobine COILGUN este

următorul: în cadrul tunului de tip COILGUN există două părți care interacționează – bobina

(boninele) și proiectilul. În momentul în care bobina este alimentată aceasta atrage proiectilul

feromagnetic în interirul ei. Această atracție se produce deoarece bobina magnetizează


9/11

9 din 11

proiectilul, creând efectiv doi magneți separați. Proiectilul este magnetizat în același sens ca și

bobina, astfel încât capătul poiectilului dinspre bobină ,,vede” un pol opus.

Figura 8 – Principiul de funcționare al tunului electromagnetic cu bobine

Indiferent la care capăt al bobinei este dispus proiectilul, acesta va experimenta o

atracție, deoarece bobina va magnetiza întotdeauna proiectilul în sensul câmpului magnetic

propriu.

Un avantaj notabil al tunului electromagnetic COILGUN (față de tunul

electromagnetic RAILGUN) îl reprezintă faptul că nu există frecare între proiectil și pereții

țevii deoarece proiectilul levitează în centrul bobinelor. Din acest motiv tunul electromagnetic

COILGUN are o perioadă de utilizare prelungită față de tunul RAILGUN.


10/11

10 din 11

5. Concluzii

Propulsia electromagnetică poate fi folosită cu succes pentru a obține for țe deaccelerație mari. Aceasta este utilizată cu rezultate foarte bune în cadrul trenurilor cu levitație

magnetică, dovedindu-se a fi mult mai eficientă decât propulsia folosită în cadrul trenurilor

clasice. Trenurile cu levitație magnetică tind să ruleze la viteze mult mai mari, nu necesită

multe lucr ări de mentenanță și operează la un nivel de zgomot mult diminuat deoarece este

eliminată frecarea dintre tren și șine.

Tunurile electromagnetice cu șine RAILGUN sau cu bobine COILGUN folosesc

propulsia electromagnetică pentru a lansa proiectile cu o viteză la gura țevii mult superioar ă tunurilor convenționale. Însă ambele tunuri pun probleme în ceea ce privește exploatarea sau

complexitatea construcției lor.

Tunul electromagnetic cu șine RAILGUN se dovedește a fi, în prezent, o soluție mai

bună decât tunul electromagnetic cu bobine COILGUN în principal datorită simplității sale

constructive. Însă deși simplu de construit, tunul RAILGUN prezintă probleme serioase în

exploatare. Viteza ridicată a armăturii (proiectilului), căldur a cauzată de încălzirea rezistivă și

for ța de respingere care împinge șinele în exteriorul construcție au ca efect deteriorarea

suprafeței șinelor . Uzura tunurilor de acest fel devine o problemă importantă, fiind necesar ă

înlocuirea șinelor după câteva utilizări.

Tunul electromagnetic cu bobine COILGUN prezintă un avantaj major asupra tunului

cu șine RAILGUN, și anume o perioadă mai mare de exploatare, ca urmare a eliminării

contactului dintre proiectil și țeavă. Însă un astfel de tun se dovedește a fi mai eficient atunci

când în construcția sa se folosesc mai multe trepte de accelerare. Odată cu adăugarea mai

multor bobine este necesar ă utilizarea unui sistem de sincronizare între poziția proiectilui și

perioadele de alimentare a bobinelor. Implementarea acestui sistem ridică nivelul de

complexitate al construcției tunului electromagnetic cu bobine. Acest lucru fiind principalul

motiv pentru care la ora actuală sunt preferate tunurile de tip RAILGUN, în defavoarea

tunurilor de tip COILGUN.


11/11

11 din 11

BIBLIOGRAFIE

[1] Muller, C., Magnetic Levitation for Transportation, [online], Railserve.com (website),URL: http://www.railserve.com/maglev.html, [data vizitării: 20 noiembrie 2015]

[2] He, J.L., Rote, D.M., Coffey, H.T., (2012), Study of Japanese Electrodynamic-Suspension

Maglev Systems, Washington

[3] How Maglev works: Learning to levitate, [online], Maglev 2000 (website), URL:

http://www.maglev2000.com/works/how-03.html, [data vizitării: 20 noiembrie 2015]

[4] Harris, W, (2005), How Rail Guns Work, [online], HowStuffWorks (website), URL:

http://science.howstuffworks.com/rail-gun.htm, [data vizitării: 20 noiembrie 2015]

[5] Electromagnetic Rail Gun (EMRG), [online], GlobalSecurity.org (website), URL:

http://www.globalsecurity.org/military/systems/ship/systems/emrg.htm, [data vizitării: 21

noiembrie 2015]

[6] Reth, A., (2014) The Physics of the Railgun, [online], Wired.com (website), URL:

http://www.wired.com/2014/08/the-physics-of-the-railgun/, [data vizitării: 21 noiembrie

2015]

[7] Coilgun Basics, [online], Coilgun Systems (website), URL:

http://www.coilgun.eclipse.co.uk/coilgun_basics_1.html, [data vizitării: 21 noiembrie 2015]

[8] Coilgun Fundamentals, [online], Coilgun Systems (website), URL:

http://www.coilgun.eclipse.co.uk/coilgun_fundamentals_1.html, [data vizitării: 21 noiembrie

2015]

[9] Kolm, H., Fine, K., Williams, F., Mongeau, P., Overview of Electromagnetic Guns,

[online], Barry's Coilgun Design Site (website), URL:

http://www.coilgun.info/theorymath/electroguns.htm, [data vizitării: 21 noiembrie 2015]

metode de producere a unor forȚe mari de acceleraȚie

Documents