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Transporte pessoal: terrestre, aquático, aéreo

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Um dos principais problemas que um projetista amador de uma aeronave a motor deve enfrentar é a seleção ou fabricação de uma usina de energia com a potência, peso e eficiência necessários. Esse problema geralmente é resolvido com base nas capacidades disponíveis e na experiência na construção de tais unidades.

Sem dúvida, seus projetistas podem ser tanto pessoas tecnicamente alfabetizadas quanto pessoas que não estão suficientemente familiarizadas com as disposições básicas da teoria ICE. Neste artigo, tentaremos fazer uma análise dos motores apresentados no último rali de ultraleves de Moscou e algumas dicas sobre como escolher os parâmetros do motor de combustão interna, cuja observância encurtará o relativamente caro e longo caminho de busca e ajudará a reduzir significativamente a probabilidade de risco técnico.

Todos os motores de combustão interna das aeronaves apresentados no rali podem ser divididos em três categorias:

1. Serial (barco, moto, ICE de motos de neve, automóveis), adaptado sem grandes alterações.

2. Projeto próprio, com ampla utilização de peças de motores seriais.

3. Desenvolvimentos originais, feitos de raiz.

Esses motores, incluindo os concorrentes, estão resumidos na Tabela nº 1. A coluna 1 mostra sua potência máxima efetiva Nemax, gasto na rotação da hélice, com a ajuda da qual o torque em seu eixo Mcr convertido em impulso axial. Para julgar a potência da unidade de potência, construir as características do grupo de hélices, selecionar a hélice e ligá-la ao motor, você precisa ter uma característica externa, uma curva de potência máxima que o motor pode desenvolver em diferentes velocidades com o acelerador totalmente aberto. Dados precisos podem ser obtidos testando-os em suportes de freio, que não estão disponíveis para todos os amadores. Existe uma maneira aproximada de construir uma característica externa com base em cálculos teóricos, se houver pelo menos um ponto de potência e velocidade do virabrequim (geralmente são indicados nos dados de fábrica).

Tabela 1 (clique para ampliar)

(clique para ampliar)

Este método consiste no fato de que, a uma composição constante da mistura de combustível, a potência gasta para superar as perdas internas varia aproximadamente na proporção do quadrado do número de revoluções.

Indicar:

N1 - potência do indicador, l. Com.;

Ntr - a potência gasta para superar as forças de atrito dos pistões, perdas de bombeamento durante a purga, rotação das unidades de ignição, distribuição, etc.;

Ne - potência efetiva;

N1', Ntr', n' rpm - potência atual e valores de rpm.

Então:

N1'=N1*(n'/n), (1)

Ntr'=Ntr*(n'/n)2. (2)

Potência Ntr estimado pela eficiência mecânica (ηм), que está na faixa de 0,8-0,9 para motores com rotação do virabrequim de 4000-6000 rpm e 0,6-0,8 para motores mais rápidos.

Por exemplo, vamos construir as características externas do motor RMZ-640 desta forma.

Potência efetiva máxima declarada pela fábrica:

Nemax= 27l. Com. a 5250 rpm.

Aceitamos eficiência mecânica ηм=0,87, então a potência do indicador N1=Nemaxм\u27d 0,87 / 31 \uXNUMXd XNUMX l. Com.

Potência de atrito: Ntr=N1-Nemax\u31d 27-4 \uXNUMXd XNUMX l. Com.

Vamos determinar pelas fórmulas (1, 2) N1', Ntr', Ne', pré-definido por um número de valores de revoluções n rpm, e resumir os resultados na tabela. 2. Com base nesses dados, construímos a característica externa Ne=f(n) (Fig. 1).

Tabela 2


Arroz. 1. Características externas do motor RMZ-640

Existem potência máxima (ou decolagem), nominal e máxima operacional. Potência máxima Nemax obtido quando o motor está funcionando a toda velocidade no solo. Este modo para o motor é estressante e é limitado a 3-10 minutos. Potência menor que o máximo em 10-15% é chamada nominal (Ne nom). Você pode usá-lo por um tempo longo, mas limitado, não mais que 1-1,5 horas. Potência operacional (Ne ex) for menor que o máximo em 25-30%, o tempo de operação do motor nessa potência não é limitado.

Os giros correspondentes aos tipos de capacidades são denominados máximos, nominais e operacionais. Por si só, a potência do motor ainda não indica seus méritos, pois deve ser correlacionada com sua massa (ver coluna 2).

A massa afeta muito o projeto de um motor de aeronave, determinando o grau de tensão de todas as suas partes. Distinguir entre peso seco e peso de voo. É comum incluir na massa seca de um motor na aviação uma massa de componentes como carburador, tubos de sucção, magnetos, velas de ignição e fios para eles, partes do sistema de partida, flanges do tubo de escape (mas não os próprios tubos), defletores, bombas de gasolina e óleo. Ao calcular a massa seca, a hélice e sua manga, capô, tubos de escape, radiador de água, gerador de energia, dispositivos de controle e medição e fiação para eles não são levados em consideração.

A massa de voo da unidade propulsora inclui a massa de todas as unidades necessárias para o voo, com tanques cheios de óleo e combustível.

O peso de voo como critério objetivo da qualidade do peso do motor é inconveniente porque leva em consideração bens consumíveis (combustível, óleo), dependendo da finalidade e tipo de aeronave. A massa total desses componentes não é facilmente definida, portanto a massa do motor é caracterizada por um conceito de massa seca menos completo, mas definido com mais precisão.

A coluna 3 mostra uma avaliação comparativa de motores de diferentes potências em termos de gravidade específica.

g=Gdv/Nemax,

onde Gdv - peso seco do motor, kg; Nemax - potência máxima, l. Com.

Ao calcular a gravidade específica, via de regra, a massa seca do motor refere-se à potência máxima. A gravidade específica é um dos indicadores mais importantes da qualidade de um motor de aeronave.

A gravidade específica dos modernos motores de combustão interna ocidentais para ALS é de 0,5-0,6 kg/l. s., nos melhores representantes de 0,25-0,4 kg / l. Com. Por exemplo, a gravidade específica dos motores de combustão interna de dois tempos para ALS da empresa americana "Kolbo Corp":

gkg/l. Com.             Nemax eu. a partir de.

0,32 6

0,25 18

0,23 25

As estatísticas dos motores apresentados no rally dão os seguintes números: 34% de toda a frota ICE tem de 0,61 a 0,91 kg/l. s., os 66% restantes - de 1 a 2 kg / l. s., que é 4-5 vezes mais do que motores especiais para aeronaves ultraleves.

O motor de competição M-18 tem o melhor indicador: g=0,34 kg/l. s., o pior 2,04 kg / l. Com. no motor "Dnepr" MT-10.

Sabe-se pela teoria da similaridade que, para motores geometricamente semelhantes, a massa é proporcional ao cubo do diâmetro do cilindro, e a potência é proporcional ao quadrado do diâmetro, ou seja

g=Gdv/Nemax=A*(D3/D2)=AD.

Na prática, essa relação não é respeitada, pois é impossível uma estrita semelhança geométrica entre peças de mesmo nome e tamanhos diferentes, pois as seções de muitas peças são especificadas pelas condições de produção; espessura da fundição, rigidez, condições de instalação, etc., portanto, essas dimensões da seção transversal podem ser consideradas constantes. Então: Gdv=ANÚNCIO2. As estatísticas mostram que os motores de médio e grande porte seguem bem essa relação, assim:

g=Gdv/Nemax=A*(D2/D2)=A=const.

Essa dependência é violada na região do pequeno D na direção do aumento da massa e é explicada não apenas pelas razões tecnológicas acima, mas também pelo fato de que a massa das unidades de serviço - magnetos, velas, carburadores, etc. A massa relativa dessas peças, que é insignificante para grandes tamanhos de motor, aumenta com a diminuição do volume do motor (Fig. 2).


Arroz. 2. Dependência da gravidade específica do motor no deslocamento

A coluna 4 mostra os valores da potência do litro, esse valor é um parâmetro importante para o aperfeiçoamento do motor.

Como você sabe, a potência do motor:

Nemax=(Pe*Vs*nmax)/(225*i), onde

P- pressão efetiva média, kg/cm2,

V- deslocamento do motor, cm3,

- velocidade de rotação, rpm,

e - tato.

A partir daqui, a potência do litro será expressa:

Nл=Nemax/Vл, eu. s./l.

Com o aumento da potência em litros, as dimensões do motor e seu peso são reduzidos. Em termos de potência em litro, o motor de dois tempos IZH-Sport, N tem o maior desempenho.л= 91,5 l. s. / l, o menor para um motor Skoda de dois tempos é de 39 litros. s./l. Cerca de 80% dos motores apresentados possuem Nл de 46 a 63 litros. s./l.

Os amplamente utilizados nos motores de dois tempos ocidentais para ALS "Rotaps", "Hirt", "Kyun", "Kawasaki" - Nl = 80 ... 105 litros. s./l. Assim, os motores apresentados no rali possuem reservas para forçar.

Pela teoria da similaridade, sabe-se que a capacidade do litro é inversamente proporcional ao diâmetro do cilindro, ou seja:

Nл=A/D, enquanto

flegal=Flegal/Us=D2/D3=A/D

onde flegal é a razão entre a superfície de resfriamento e o volume do cilindro,

Flegal - superfície de resfriamento,

Ué o volume do cilindro,

ou seja, à medida que o diâmetro do cilindro diminui, a área da superfície de resfriamento por unidade de volume aumenta, o que melhora o resfriamento de um cilindro de pequeno diâmetro, aumenta a perda de calor e reduz a eficiência térmica ηt, mas ao mesmo tempo permite aumentar a taxa de compressão e compensar a queda de ηt, ou seja, não se deve esperar um aumento na eficiência térmica.

A coluna 5 indica o tempo de ciclo dos motores.

Vamos tentar decidir qual motor é mais adequado para o SLA - quatro tempos ou dois tempos. Vamos começar com o consumo de combustível. Um motor de combustão interna de dois tempos tem 400-450 g/hp, um motor de combustão interna de quatro tempos tem 200-250 g/hp, ou seja, o consumo específico de um motor de dois tempos é em média 2 vezes maior que o de um de quatro tempos. Mas esta última pode revelar-se menos vantajosa para o SLA devido à maior massa e maior resistência do ar, uma vez que parte da potência efetiva será gasta para movimentar o motor mais pesado no ar e vencer a sua resistência nociva. Portanto, a eficiência do voo é mais totalmente caracterizada pelo consumo de combustível por tonelada-quilômetro.

Este indicador, além da eficiência, também leva em consideração a quantidade de resistência do ar da instalação da hélice, a eficiência da hélice e uma série de outros indicadores, enfim, todo o conjunto de fatores que determinam o grau de perfeição da aeronave.

Calculamos a massa total do motor e o suprimento de combustível por hora para motores de quatro e dois tempos. Vamos pegar os motores Dnepr MT-10 e Vikhr, que são semelhantes em potência e volume, e são usados ​​\u1b\u10bna aeronave. Abastecimento de combustível por XNUMX hora para MT-XNUMX em gc\u200d 7,2 g / hp h - XNUMX kg e para o "Redemoinho" em gc\u400d 12 g / hp h - 67,2 kg. A massa total do motor e combustível é de 10 kg para o motor Dnepr MT-36 e 25 kg para o motor Whirlwind. Assim, uma unidade de hélice baseada em um motor de quatro tempos é muito mais pesada do que uma baseada em um de dois tempos. A massa do VMU para ALS é de grande importância, pois é 35-XNUMX% da massa de um ALS vazio.

O uso de novos materiais, tecnologias, perfis para a fabricação de ALS levará ao surgimento de um design com baixo peso da fuselagem. Nesse caso, a massa relativa do HMG aumentará ainda mais. Os motores a quatro tempos terão uma vantagem inegável sobre os motores a dois tempos em voos de longo curso, quando o consumo específico de combustível se torna decisivo.

Já falamos sobre o efeito do volume do cilindro (ver Tabela 1) na gravidade específica e na potência em litros. Agora considere o efeito do tamanho do cilindro na eficiência do indicador. Lembre-se de que a eficiência do indicador ηі - a relação entre a energia térmica convertida em trabalho e toda fornecida ao motor.

Como o volume muda em proporção ao cubo de diâmetro D3, e a superfície é o quadrado do diâmetro do cilindro D2, então as perdas de calor em motores de projetos semelhantes são inversamente proporcionais ao seu tamanho. Segue-se que, outras coisas sendo iguais, a eficiência do indicador aumenta com o aumento do diâmetro do cilindro (na mesma velocidade do pistão).

Assim, a eficiência térmica dos motores de combustão interna de pequeno porte será relativamente baixa e seu consumo específico de combustível será maior.

A Tabela 1 fornece as dimensões do cilindro, pistão e seu curso relativo S/D. Esses parâmetros estão intimamente relacionados, então vamos considerá-los juntos.

Quase todos os motores em questão têm um curso relativo menor que um, e os motores de curso curto apresentam uma série de vantagens sobre os de curso longo: aqui está a possibilidade de colocar grandes canais de seção transversal que aumentam o enchimento do cilindro; e uma diminuição da velocidade média do pistão, o que contribui para o aumento da eficiência mecânica. Finalmente, os motores de combustão interna de curso curto são mais compactos do que os de curso longo.

O próximo indicador é a velocidade do pistão

VQua=(S*n)/30, onde

- curso do pistão, m; n - velocidade do virabrequim, rpm. A velocidade média do pistão para os motores apresentados na tabela é de 8,4 m/s a 17 m/s. Este indicador afeta seriamente a carga dinâmica das peças do motor, o enchimento do cilindro e a quantidade de energia gasta no atrito dos pistões e rolamentos. A velocidade média do pistão dos motores especiais para ALS é de 12 a 15 m/s.

A velocidade do virabrequim (ver tabela 1) das usinas consideradas é de 4500 rpm a 8000 rpm. Sabe-se que a potência de um motor de combustão interna depende de sua velocidade. No entanto, o forçamento é acompanhado por um aumento acentuado (proporcional ao quadrado do número de rotações) nas forças inerciais das massas rotativas e translacionais das peças do motor e, como resultado, um aumento nas perdas por atrito, o que requer aumento da resistência mecânica das peças do motor e alteração das condições de operação dos mancais. Por outro lado, o aumento da velocidade é limitado pelo resfriamento do cabeçote, pistão, velas, pois com o aumento da velocidade aumenta a remoção de calor do cilindro. Além disso, a velocidade de rotação é limitada pela velocidade média do pistão, com um aumento em que as perdas hidráulicas na purga aumentam acentuadamente (proporcionalmente ao quadrado da velocidade do pistão), o que reduz o enchimento e reduz a potência do motor. Ao mesmo tempo, aumentar a frequência de rotação para um certo limite melhora ηі.

A Tabela 1 também mostra a pressão efetiva média e a taxa de compressão. Pode-se ver na fórmula de potência que existem duas direções principais para aumentar a potência - este é um aumento na velocidade e na pressão Pe. Discutimos o efeito do RPM na potência anteriormente. Vamos ver como podemos aumentar Re.

Isso é facilmente alcançado aumentando E - a taxa de compressão (para motores de dois tempos, a taxa de compressão efetiva é usada).

Eef= (Vef+Vpolicial) / VpolicialOnde

Eef é o volume efetivo descrito pelo pistão da borda superior da porta de escape até o ponto morto superior, Vpolicial - volume da câmara de combustão (ver Tabela 3).

Tabela 3


Gráfico do efeito do aumento da taxa de compressão (linhas sólidas) e aumento (linhas tracejadas) na pressão no final da combustão. Pz e consumo específico de combustível Ce (v%)

Esse método é bom porque é simples e, além de aumentar a potência, leva à diminuição do consumo de combustível. No entanto, também tem desvantagens.

Um aumento em E é acompanhado por um aumento na temperatura e pressão no final do curso de compressão, causando um aumento acentuado na pressão de combustão Pe, e conseqüentemente, causa a necessidade de peças mais duráveis, aperta os requisitos de combustível e óleo. No entanto, o efeito de aumentar a potência do aumento de Pe tem limites físicos - mais de 15-20%, então o poder não pode ser aumentado. Com taxas de compressão de 10-12, o aumento de potência já é insignificante. Até que ponto a taxa de compressão pode ser aumentada do ponto de vista dos benefícios práticos? Subir Pz e ηt pode ser rastreado quando E aumenta de 4 para 8. Omitindo o lado calculado, apresentamos o resultado.

As taxas de compressão E iguais a 4, 5, 6, 7, 8 correspondem às pressões de combustão P25,3kg/cm2, 34kg/cm2, 44,0kg/cm2, 54,2kg/cm2 e 65,5 kg/cm2. Isso mostra que à medida que E aumenta de 7 para 8, ganhamos em eficiência ηt apenas 4,6%, enquanto a pressão de combustão aumenta de 54,2 para 65,5 kg/cm20, ou seja, XNUMX%. Portanto, na prática, um compromisso deve ser feito entre a taxa de compressão ideal e ηt (ver gráfico).

Para uso prático, é possível recomendar os valores das taxas de compressão mais favoráveis ​​ao operar com combustível que não detona em todas as circunstâncias.

Outra forma de aumentar Re é aumentar a pressão da mistura na entrada.

Para motores de dois tempos, um aumento em Pe é conseguido usando tubos ressonantes na admissão e escape (o efeito Cadenasi, descoberto por ele em 1903 e implementado pela primeira vez no motor Yumo em 1923, quando foi obtido um aumento de 60% na potência). Um sistema de escape ajustado, por exemplo, aumenta a potência em até 30-40% sem um grande aumento na massa do motor, além de melhorar sua eficiência.

Aumento de Re motores de quatro tempos são muito mais difíceis. Mesmo uma simples alteração no sincronismo da válvula colocará o projetista diante de uma séria tarefa tecnológica e de design de fabricar um eixo de comando, perfurar sedes e instalar novas válvulas, etc.

Nossas estatísticas dão o seguinte Pe: para motores de combustão interna de quatro tempos de 9,5 a 10 kg/cm2, dois tempos têm de 3,6 a 6,6 kg / cm2, para 40% dos motores de dois tempos Рe varia de 5,1 a 6,5 ​​kg/cm2, que é um bom indicador. Ao mesmo tempo, o motor RMZ-640 (um dos mais comuns no rally) tem Re é de apenas 3,6 kg/cm2, que indica as reservas para aumentar sua potência. Trazendo Re até 5kg/cm2, ou seja, para o valor médio dos motores de combustão interna de dois tempos, aumentaremos Nemax em 30-35%, tendo recebido 38-40 litros. Com.

O autor fez um trabalho para melhorar este mecanismo. A alteração consistiu na fabricação de quatro canais de purga adicionais com fases 2-3 ° menores que os principais, uma janela no pistão e um aumento no Eef. Esse refinamento permitiu retirar 84 kg de empuxo no parafuso Ø = 1,08 m, em incrementos de H = 0,5 m, contra 70 kg antes da alteração.

De acordo com a Tabela 1, pode-se também traçar o valor da redução por parafuso. Sabe-se que a eficiência da hélice depende do valor do passo dinâmico:

λ=V/nc*D, onde

V - velocidade de voo, m/s; n- o número de rotações do parafuso por segundo; D - diâmetro do parafuso, m.

A eficiência do parafuso tem um valor máximo de λ=1-1,5; com um valor maior e menor de λ, a eficiência da hélice cai. Isso mostra que a velocidade de vôo e o número de rotações da hélice devem estar em uma certa proporção.

Nos motores modernos de alta velocidade, a eficiência da hélice cai drasticamente, para 0,3-0,5, como resultado da diminuição do passo dinâmico, principalmente quando o motor é instalado em aeronaves de baixa velocidade. Portanto, é vantajoso acionar o parafuso não do virabrequim, mas por meio de um redutor.

Quase metade dos motores da aeronave tem uma redução da hélice de 0,38 para 0,7, o que leva a um aumento do empuxo estático de 80 a 100%.

Assim, o uso de uma engrenagem de redução em motores de alta velocidade montados em AVS de baixa velocidade é altamente desejável.

A Tabela 1 mostra o efeito da hélice D no empuxo estático.

Empuxo da hélice Р=L a*р*nc2*D4, onde a é o coeficiente de empuxo; p é a densidade de massa do ar; nc - número de rotações do parafuso, s; D - diâmetro do parafuso, m.

Pode-se observar que o ganho de empuxo decorrente do aumento do diâmetro da hélice é mais significativo. Por exemplo, um aumento de 5% em D aumenta o empuxo em 21%, enquanto um aumento de 10% dá um aumento de 46%.

Detenhamo-nos brevemente nas possíveis formas de solução construtiva de motores de combustão interna para ALS. Parece haver duas maneiras. A primeira é a criação de novos motores com tecnologia avançada de última geração, com otimização dos parâmetros do processo de trabalho; o segundo é o seu desenvolvimento com base no já existente e comprovado pela prática de longo prazo, através da modificação necessária.

A primeira forma dará os melhores resultados, mas exigirá grandes custos de material, pesquisa e trabalho teórico. Sim, e o tempo de criação desses motores de combustão interna será longo, já que a cultura técnica da produção de motores a pistão para aeronaves se perdeu em grande parte com a transição para turbinas a gás.

A segunda forma está associada a um menor risco técnico e pode ser realizada em um tempo muito menor. A base de partida para a criação de motores pode ser o Whirlwind, RMZ-640, Neptune e Privet, produzidos por nossa indústria e amplamente utilizados por amadores. Essas máquinas são compactas, têm testa pequena, são balanceadas dinamicamente, têm torque uniforme e baixa velocidade de rotação do virabrequim.

Em relação às características de projeto dos motores, pode-se notar que o principal número de ICEs do rali (78%) apresentava uma velocidade de rotação do virabrequim de 5000 a 6500 rpm, o que pode ser considerado ideal. Aplicando uma redução no parafuso 0,4-0,6, é possível obter uma caixa de engrenagens compacta (correia em V ou engrenagem simples). Com o aumento da velocidade, aumenta a redução do parafuso, o que exigirá uma transição para polias com várias nervuras devido à diminuição do ângulo de cobertura da polia motriz para a transmissão por correia em V, que "puxará" um aumento no comprimento e diâmetro do console do eixo da hélice (e, como resultado, o peso da instalação) ou exigirá a transição para uma engrenagem planetária (motor V. Frolov, com n = 8000 rpm). A gravidade específica de um redutor de engrenagens bem projetado e fabricado para motores de combustão interna de pequenos volumes é de 0,14-0,15 kg / l. com., e em altas rotações do motor, pode "comer" todo o ganho em gravidade específica.

O autor também apresenta outra solução para um motor de combustão interna de dois tempos para ALS. Tendo em mente que a gravidade específica do motor é inversamente proporcional ao diâmetro do cilindro, é possível aumentar o volume do motor para 1,5-2,0 litros limitando a velocidade de rotação do virabrequim em 2400-2600 rpm. Velocidades médias moderadas do pistão (7-8 m / s) terão um efeito benéfico na eficiência mecânica. Nesse motor, é mais fácil organizar a dinâmica do gás, o que levará a um aumento na taxa de enchimento do cilindro. O sistema de injeção direta de combustível de baixa pressão colocará esse motor em pé de igualdade com as máquinas de quatro tempos em termos de consumo específico de combustível. O uso de cilindros não revestidos com revestimento de nicosil ou cerâmica reduzirá ainda mais a gravidade específica. Esse motor pode ser mais leve que um ICE de alta velocidade com a mesma potência com uma caixa de câmbio.

Em conclusão, notamos mais um problema colocado aos projetistas do ALS de futuros ralis, relacionado à supressão do ruído do escapamento. 87% dos motores de rally foram operados sem silenciadores. A pressão sonora do escapamento dos motores de combustão interna de dois tempos sem silenciador a uma distância de 2 m do corte da janela de escapamento atinge 130-140 dB, o que corresponde ao limiar da dor. Estar sob a influência de som de tamanha potência é muito cansativo e prejudicial. Para motores de combustão interna de dois tempos, um silenciador sintonizado é ainda desejável, pois aumenta a potência e a eficiência.

Com base no exposto, podemos formular uma abordagem geral para a criação de um motor de combustão interna para ALS:

  • pequenas dimensões,
  • baixa gravidade específica g≤0,5 kg/l. Com.,
  • equilíbrio dinâmico,
  • boa resposta do acelerador (1-2 seg),
  • alta rentabilidade, não mais de 200 g. l. s/h
  • alta confiabilidade e durabilidade (1000-1500 h),
  • facilidade de instalação e desmontagem,
  • facilidade de manutenção,
  • baixo nível de ruído (não superior a 100 d),
  • baixo custo unitário na produção em massa.

Autor: V.Novoseltsev

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