Ciśnienie powietrza pod wodą

Mam pytanie, które zadałem w sekcji fizyki stosu i powiedzieli mi, że powinienem tutaj zadać pytanie.

Zasadniczo zaczynam pracę nad okrętem podwodnym RC i chcę użyć strzykawki o pojemności 200 ml jako zbiornika balastowego. Mój plan polegał na wyciągnięciu rękojeści strzykawki z powrotem za pomocą przekładni, która jest obracana przez mały silnik prądu stałego.

Moje pytanie brzmi: jak obliczyć, ile siły (niutony) potrzebuje silnik, aby pociągnąć uchwyt do tyłu i zassać wodę do tej strzykawki?

Po ustaleniu, ile siły musi ciągnąć, jak obliczyć minimalną moc elektryczną, którą musi zużyć, aby mogła działać?

To zależy od ciśnienia powietrza wewnątrz łodzi podwodnej i maksymalnej głębokości, na której chcesz operować. Należy również uwzględnić tarcie strzykawki.

Powiedzmy, że chcesz nurkować maksymalnie 100 metrów, a ciśnienie powietrza wewnątrz urządzenia jest atmosferyczne (co eliminuje ciśnienie powietrza nad wodą).

Następnie obliczamy ciśnienie hydrostatyczne :
1000 kg / m ^ 3 * 10 m * 9,81 m / s ^ 2 = 98 kPa

Siła zależy od średnicy strzykawki. Wygląda na to, że średnica 200 ml strzykawki wynosi 44,75 mm.

Powierzchnia = 3,14159 * (44,75 mm / 2) ^ 2 = 0,00157 m ^ 2

Siła = 98 kPa * 0,00157 m ^ 2 = 154 N (siła ~ 35 funtów)

Zauważ, że w tej metodzie objętość powietrza w łodzi podwodnej jest duża w porównaniu do objętości w strzykawce. Wymagana siła zostanie zmniejszona przez wzrost ciśnienia powietrza w łodzi podwodnej.

Tarcie statyczne z uszczelnienia będzie również musiało zostać zmierzone empirycznie i dodane do wymaganej całkowitej siły. Aby to oszacować, ten link daje przegląd sił wymaganych dla szeregu strzykawek; niedawno przeniósł się do 3 lat. Na podstawie ich wykresu wygląda to na około 5 niutonów dla niedawno przeniesionej strzykawki (średnica 6 lub 8 mm?). Strzykawka o pojemności 200 ml będzie czymś więcej i będzie musiała zostać przetestowana empirycznie na skali.

Dodaj wartość tarcia do wymaganej całkowitej siły i pomnóż przez współczynnik bezpieczeństwa 1,5.

Następnie wystarczy kupić siłownik liniowy o odpowiedniej sile i skoku. Następnie użyj specyfikacji producenta dotyczących zużycia energii, ponieważ zawiera ona już obliczenia wydajności przekładni / silnika. Ten siłownik liniowy FA-35-12- (X) -P ma maksymalny pobór prądu 5 A przy napięciu 12 V lub 60 W.

Jeśli zużycie energii jest ważne, skuteczna może być strzykawka obciążona sprężyną. Musisz tylko puścić, aby się zanurzyć. To kosztuje mało energii, więc do prowadzenia łodzi pozostało więcej. Ponowne napełnienie go powietrzem stanowi problem, ale można to zrobić za pomocą ładunku CO2. Ty teraz, te używane przez pistolety airsoft i paintball, a co nie. Ponownie wystarczy otworzyć zawór, aby wpuścić trochę CO2 i wypchnąć wodę. W ten sposób możesz zanurzać się i wynurzać tak często, jak chcesz, bez konieczności interakcji z łodzią. (o ile ładunek CO2 nie jest oczywiście wyczerpany).

Po prostu weź wodomierz, są analogowe z dodatkowym wyjściem impulsowym lub sygnałem 4-20mA - gdzie mieszkam, 50-100 € za sztukę. Wodomierz bez wyjścia sygnału może obniżyć cię o 30 €.

Inne rozwiązania są bardziej skomplikowane dla gorszego wyniku:

• Natężenie przepływu pompy jest zależne od ciśnienia, podczas cyklu pompowania poziom wody w studni obniży się, a poziom w zbiorniku wzrośnie, przepływ spadnie.

• policzenie cykli pompowania według odpowiedzi Ercnutscha działałoby lepiej, z zastrzeżeniem w jego odpowiedzi. Trzeba będzie skonfigurować proste czujniki i stworzyć system do interpretacji sygnałów

• Ponieważ jest to woda pitna, każde rozwiązanie nie może mieć negatywnego wpływu na jakość wody. Mając to na uwadze, wykonano liczniki wody pitnej.

Podsumowując, uważam, że najlepszym wyborem jest wodomierz z półki.

Najlepiej obliczyć to eksperymentalnie. Tarcie strzykawki prawdopodobnie całkowicie przewyższy wymagania dotyczące ciśnienia - chyba że chcesz, aby Twój model sięgał głębiej niż kilka metrów.

Użyj dynamometru (lub ciężarka sprężyny), aby określić potrzebną siłę:

• poruszać tłokiem z wolnym dostępem powietrza
• podwoić objętość przy ograniczonym dostępie powietrza (powiedzmy, przechodząc z 5 do 10 ml)

W ten sposób uzyskasz siłę tarcia i siłę tarcia + różnica ciśnień 0,5 bara. Odejmij pierwszy odczyt tylko dla siły nacisku. Otrzymujesz 1 bar na 10 metrów głębokości, więc siła od ciśnienia wyniesie 0,2 x (twój wynik) na metr głębokości. (a nadajnik RC prawdopodobnie nie osiągnie głębiej niż 2-3 metry głębokości)

Znając siłę, moment obrotowy silnika, mechaniczne przeniesienie momentu obrotowego i siły liniowej (siłownik śrubowy?) Oraz moc znamionową silnika przy maksymalnym obciążeniu, poznasz wymagania dotyczące mocy - ale naprawdę powinieneś iść z dość wysokim bezpieczeństwem współczynnik, taki jak 2x, ponieważ różne warunki, takie jak tarcie w zależności od temperatury, lepka wilgoć, spadek napięcia, tarcie przekładni itp. będą wystarczająco duże, aby łatwo przerwać to podczas zwykłej operacji.