Jakie są najlżejsze sprężyny?

13

Zastanawiam się, czy sprężyna jest wystarczająco mocna i lekka, aby napompować hermetyczną membranę, aby unosiła się w standardowej temperaturze i ciśnieniu.

Na przykład cylinder 10 cm przesunąłby się nieco poniżej 1 grama powietrza, ale cylindryczna sprężyna musiałaby przeciwstawić się 162 kg siły atmosferycznej w tej konfiguracji. Czy istnieje coś takiego jak sprężyna cylindryczna o wadze 162 kg i wadze poniżej 1 grama?

Ale to tylko jeden projekt wiosny. Mówiąc bardziej ogólnie, jakie konstrukcje sprężyn zapewniają najwyższy stosunek masy do masy? Jakie są obecnie praktyczne ograniczenia szybkości sprężyny w stosunku do masy sprężyny i przy użyciu jakich materiałów?

springs mączka
źródło
Nie jestem pewien, czy w pełni rozumiem twoje pytanie. Mówisz o „cylindrze 10 cm” i ile powietrza (objętości) wypiera, ale nie wszystkie wymiary są podane. A skąd ten 162 kg? Jeśli możesz dodać rysunek, powinno to bardzo pomóc.
Vladimir Cravero
Myślę, że OP może mówić o sprężynie (która jest w próżni) wywierającej siłę na membranę, co w związku z tym zwiększa objętość układu sprężyna-membrana, sprawiając, że cały system jest wystarczająco pływający, aby unosić się w powietrzu.
Marzec Ho
@VladimirCravero: cylinder 10 cm ma średnicę 10 cm i wysokość 10 cm. 162 kg pochodzi ze standardowego ciśnienia barometrycznego ~ 1,033 kg / cm2 unoszącego się na górnej i dolnej powierzchni cylindra, które mają jedyny wymiar ściśliwy w opisywanym układzie. MarchHo: dokładnie prawda!
footwet
1
Czy to nie całkiem oczywiste, że hel jest w tym dość skuteczny? Poza tym nie rozumiem pytania. Z jakiego sztywnego, a jednocześnie nieważkiego materiału jest wykonany „cylinder”?
Dave Tweed
2
Cóż, istnieje odpowiedź na to pytanie, przynajmniej z dzisiejszego punktu widzenia inżynierii: Nie. - Ale szczegółowe trzeba wyjaśnić, dlaczego. Podpytanie, które jest najlżejszą wiosną o najwyższym k, jest w porządku.
John HK,

Odpowiedzi:

4

Wiem, że twoje pytanie dotyczy sprężyn, ale nie sądzę, że sprężyny są odpowiedzią na twoje pożądane zastosowanie.

Jak wspomniałeś, siła wewnętrzna od ciśnienia powietrza jest bardzo duża, więc potrzebujesz nie tylko silnej sprężyny, ale także materiału na panele, który jest lekki i może przenosić takie siły. Dodatkowo musisz ewakuować powietrze, które przenika przez materiał na poziomie molekularnym. Istnieją dobre powody, dla których samoloty lżejsze od powietrza używają gazu o niskiej gęstości wewnątrz balonu:

  1. Nie ma wymagań dotyczących wyjątkowo mocnych i lekkich materiałów.
  2. Nie ma (lub bardzo niska) różnica ciśnień między wnętrzem i na zewnątrz, a zatem nie ma tendencji do ucieczki gazu lub przenikania atmosfery.

Być może zainteresuje Cię artykuł w Wikipedii na temat sterowców próżniowych , w szczególności sekcja dotycząca ograniczeń materiałowych . Dowodzi to, że nawet przy użyciu mocnego kształtu (wydrążonej kuli) wykonanej z diamentu, naciski są zbyt duże, aby konstrukcja mogła wytrzymać, gdy przerzedzisz ją, aby była wystarczająco lekka, aby stać się pływającym.

Latająca łódź

Biorąc pod uwagę, że w tych idealnych warunkach nie jest to możliwe, wydaje się mało prawdopodobne, aby sprężyna w balonie była możliwa. Jednak artykuł w Wikipedii pozostawia otwartą możliwość, że jeśli ściana kuli nie byłaby solidna, na przykład, gdyby była wykonana ze struktury komórkowej podobnej do plastra pszczelego, może być nadal możliwa.

Aktualizacja: Najwyraźniej dokonano matematyki, aby pokazać, że jest to teoretycznie możliwe, ale nie jest jasne, czy zostało pomyślnie wdrożone.

jhabbott
źródło
Razem z moim współautorem wykonałem matematykę (analiza elementów skończonych) dla sfery kanapkowej z plastrami miodu. Możliwe jest wykonanie balonu próżniowego z aktualnie dostępnymi materiałami. Zobacz odniesienie do naszego zgłoszenia patentowego w artykule w Wikipedii.
akhmeteli
@akhmeteli o wow, to bardzo fajne! Czy mógłbyś zredagować pytanie, w którym powiedziałem: „Nie mam pojęcia, czy ktoś zrobił matematykę”, aby zacytować siebie jako matematykę i jakie były twoje wnioski. O ile mogę powiedzieć, komentarz w artykule nadal stoi ... to może być możliwe, ale jeszcze nie zostało zrobione? Twoja zmiana będzie musiała zostać zatwierdzona, a otrzymasz za to trochę przedstawicieli. Och, i witamy w Engineering.SE :)
jhabbott
Dziękuję za miłe słowa. Nie jestem wielkim fanem edytowania czegokolwiek, ale jeśli masz pytania, postaram się odpowiedzieć.
akhmeteli