Как работают спидометры?

Как работают спидометры?

 

Извините, сэр, вы хоть представляете, с какой скоростью вы ехали? Это вопрос, который каждый автомобилист боится услышать от полицейского на
обочине дороги. Если бы вы смотрели прямо перед собой, а не
на приборную панель, вы могли бы иметь лишь смутное представление о том, что сказать.
С другой стороны, если бы вы смотрели на спидометр, вы бы знали
ответ точно, возможно, с точностью до одного-двух километров или миль
в час. Вы когда-нибудь задумывались, как на самом деле
работает спидометр? Это действительно гениальное использование электромагнетизма!

Фото: Спидометр и приборы на приборной панели отреставрированного Plymouth 1949 года. Фото
Кристины Руссо предоставлено ВВС США.

Как измерить скорость

Если вы читали нашу статью о движении, вы знаете, что
скорость определяется очень просто: это расстояние, которое вы проезжаете, деленное
на время, которое вы тратите. Так что если вы проезжаете 200 километров и вам требуется
четыре часа, чтобы сделать это, ваша средняя скорость составляет 50 километров в час.

Измерение средней скорости после поездки на самом деле не
так уж и полезно, особенно если вас допрашивает полицейский
. Как быстро вы ехали, сэр? Эм, остановите меня снова через
пару часов, когда я доберусь до пункта назначения… и я разделю
пройденное расстояние на время, которое потребовалось… и тогда я смогу
дать вам какой-то ответ. Хорошо?

Иллюстрация (ниже): Чтобы найти среднюю скорость от пункта А до пункта Б, вы можете разделить расстояние между ними на время, которое оно вам потребовалось. Но это ничего не скажет о вашей скорости в пути, поскольку вы могли путешествовать по разным маршрутам или останавливать свое путешествие. Только спидометр может сообщить вам вашу фактическую скорость в любой момент.

 

 

Мы говорим о средней скорости; вам
как автомобилисту нужно знать вашу мгновенную скорость: скорость, с которой
вы едете в любой момент времени. Выяснить это намного сложнее,
чем вы думаете. Если вы видели дорожных полицейских (или камеры контроля скорости) на обочине
дороги, вы, вероятно, знаете, что они используют
лучи радаров для проверки скорости. Радар (ручной или установленный внутри
камеры контроля скорости) стреляет невидимым электромагнитным лучом в вашу машину со
скоростью света. Ваша машина отражает луч обратно,
немного его изменяя. Пистолет определяет, как на луч повлияли
, и на основании этого вычисляет вашу скорость. Теоретически мы
все могли бы установить радары в наших машинах, стреляя лучами в
фонарные столбы и здания и ожидая, когда вернутся отражения
, — но это ужасно много хлопот! Разве нет более простого способа
узнать, как быстро мы едем?

 

Фото: Измерение скорости радаром. Некоторые измерители скорости используют ЛИДАР (отражённый лазерный свет) вместо радара (который использует отражённые радиоволны).
Фото Лека Матео предоставлено ВВС США.

Что нам действительно нужно, так это способ выяснить, насколько быстро
вращаются колеса автомобиля. Если мы знаем, насколько велики колеса, мы можем
довольно легко вычислить скорость. Но как измерить
скорость вращения колеса? Даже эта задача непростая. Представьте, насколько
сложнее это должно было казаться в ранние дни автомобилестроения, в
1902 году, когда немецкий инженер Отто Шульце изобрел первое
практическое решение: вихретоковый спидометр.

На фото: Спидометры могут выглядеть как измерители с подвижной катушкой (вольтметры, амперметры и т. д.), но они работают совершенно по-другому — используя вихревую силу вихревых токов.

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу:  6 типов остановки вращения сушильной машины

Механические (вихретоковые) спидометры

Вот чего мы хотим от нашего спидометра. У нас есть колеса автомобиля,
вращающиеся с определенной скоростью, и мы хотим знать, с помощью простого
указателя и циферблата, какова эта скорость. Поэтому нам нужно соединить
вращающиеся колеса с указателем каким-то хитрым способом. Даже это
довольно сложно: колеса мчатся по кругу, но указатель, находящийся на некотором
расстоянии, просто щелкает взад и вперед. Как нам преобразовать
непрерывное вращательное движение в прерывистое, мерцающее
движение указателя? Ответ — использовать электромагнетизм!

Вал, который вращает колеса автомобиля, соединен со спидометром
длинным гибким кабелем из скрученных проводов.
Кабель немного похож на мини-приводной вал: если один конец кабеля
вращается, то вращается и другой, даже несмотря на то, что кабель длинный и гибкий.
На верхнем конце кабель входит в заднюю часть спидометра.
Когда он вращается, он вращает магнит внутри корпуса спидометра с той
же скоростью. Магнит вращается внутри полой металлической чашки, известной как
чашка скорости, которая также может свободно вращаться, хотя и ограничена
тонкой катушкой проволоки, известной как волосковая пружина. Однако магнит и
чашка скорости не соединены друг с другом: они разделены воздухом.
Чашка скорости прикреплена к указателю, который перемещается вверх и вниз по циферблату спидометра.

Художественное произведение: Примерно до 1960-х годов практически все спидометры использовали комбинацию механической энергии и электромагнетизма. Небольшое колесо (красное), приводимое в движение диском (оранжевым), прикрепленным к одному из передних колес автомобиля (серому), вращало трос (зеленый), который змеился к спидометру (синему). Этот очень ранний образец, датируемый 1904 годом, использовал «центробежный» механизм для перемещения стрелки; более поздние конструкции перешли на электромагнетизм. Художественное произведение из патента США 765,841: Спидометр Джозефа У. Джонса, 26 июля 1904 года, любезно предоставлено Патентным и товарным знакам США (для ясности добавлены цвета).

Как это все работает? Когда трос спидометра вращается, он вращает
магнит с той же скоростью. Вращающийся магнит создает
флуктуирующее магнитное поле внутри чашки скорости, и, по законам электромагнетизма
, это означает, что электрические токи текут и внутри чашки
. По сути, чашка скорости превращается в своего рода
генератор электроэнергии. Но, в отличие от настоящего генератора
(того, который вырабатывает электричество для вашего дома на
электростанции), токам в
чашке скорости некуда деваться: нечему уносить их энергию
. Поэтому токи просто бесполезно плавают в закрученных
вихрях — именно по этой причине мы называем их вихревыми токами. Поскольку
это электрические токи, и они движутся в электрическом
проводнике внутри магнитного поля, другой закон электромагнетизма гласит, что они будут создавать движение.
Как? Токи на самом деле заставляют чашку скорости вращаться таким образом, что она пытается догнать
вращающийся магнит. Но волосковая пружина не дает чашке
вращаться слишком далеко, поэтому она просто поворачивается немного, подтягивая указатель
вверх по циферблату. Чем быстрее едет машина, тем
быстрее вращается трос, тем быстрее вращается магнит, тем больше
вихревые токи он генерирует, тем больше сила на скоростной чашке,
и тем больше она способна подтянуть указатель вверх по циферблату. Если вы не можете себе все это ясно представить,
посмотрите на небольшую анимацию ниже.

 

Другие механические спидометры

На фото: Центробежный регулятор, используемый в некоторых устаревших механических спидометрах и оборудовании для регулирования скорости.

Помимо вихревых токов и вращающихся кабелей, изобретатели конца XIX — начала XX века испробовали несколько других способов измерения скорости, используя гениальные механические методы.

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу:  Как работает пишущая машинка?

Например, были спидометры-регуляторы, которые работали как
центробежные регуляторы (ограничители скорости) в паровых двигателях, с грузами, которые поднимались выше по мере того, как ось вращалась быстрее. Грузы были соединены с рычагом, который толкал стрелку вверх и вниз по циферблату, чтобы показывать скорость.

В 1916 году компания Waltham запатентовала механизм с воздушными чашками, похожий на конструкцию вихревых токов, но с парой заполненных воздухом чашек, обращенных друг к другу. Когда одна чашка вращалась, вращающийся внутри нее воздух тянул воздух во вторую соседнюю чашку, соединенную со стрелкой и волосковой пружиной, как в вихревом спидометре.
Эта идея была придумана не кем иным, как великим пионером электричества и плодовитым изобретателем Николой Теслой.

Другие спидометры использовали электромагнетизм по-разному. Патент 1960-х годов Генри Магнуски из Motorola описывает спидометр, основанный на своего рода электрогенераторе,
встроенном вокруг оси транспортного средства, который вырабатывает ток, пропорциональный скорости транспортного средства, который управляет как спидометром, так и одометром (индикатором пробега). Заменив механический трос в традиционном спидометре на электрический, Магнуски представил более надежный прибор, который также можно было бы использовать для автоматического контроля скорости.

Электронные спидометры

Фото: Существует довольно много приложений-спидометров для смартфонов, которые вычисляют вашу скорость с помощью сигналов GPS (спутникового позиционирования) (или других сигналов местоположения телефона) (как далеко вы проехали) и времени. Это Speedometer Complete для iPhone, автор Daniel J. Pérez.
Приложения для Android включают GPS Speedometer и Odometer и SpeedView.

Практически все спидометры, произведенные до 1980-х годов, работали с использованием вихревых токов и тросового механизма — во многом похожего на оригинальную, запатентованную конструкцию Шульце. Но есть и недостатки. Во-первых, есть много механических деталей, которые изнашиваются (что делает их неточными)
или внезапно выходят из строя. Если трос спидометра рвется, вся эта штуковина мгновенно становится бесполезной — и
для ее ремонта требуется механик. Длинные тросы спидометра особенно
непрактичны, что всегда было проблемой для больших коммерческих транспортных средств, таких как грузовики и автобусы.
Спидометры с вихревыми токами также не идеальны для велосипедов, не в последнюю очередь потому, что
на руле нет места для установки большого спидометра!
И проблема не только в тросе: может быть трудно читать показания обычного спидометра, если вы мчитесь
по автостраде, особенно ночью: вы действительно хотите отвести взгляд от дороги, чтобы выяснить,
где находится стрелка на циферблате? Некоторые люди предпочитают видеть свою
скорость в виде простого числа на хорошо освещенном цифровом дисплее.

 

Иллюстрация: Как работает электронный спидометр: 1) Магнит, прикрепленный к одному из колес (или, что более вероятно, к приводному валу, прикрепленному к одному из колес), вращается с высокой скоростью. 2) Каждый раз, когда он совершает один полный оборот, он проходит мимо датчика Холла (или другого магнитного датчика), и поле от магнита активирует датчик. 3) Схема усиливает сигналы от датчика и преобразует их в вашу мгновенную скорость и пройденное расстояние. 4) Цифровой дисплей на приборной панели действует как спидометр и одометр, отображая скорость и расстояние бок о бок.

Электронные спидометры работают совершенно по-другому. Маленькие
магниты, прикрепленные к вращающемуся приводному валу автомобиля, проносятся мимо крошечных
магнитных датчиков (герконовых переключателей или
датчиков Холла),
расположенных поблизости. Каждый раз, когда магниты проходят мимо датчиков, они
генерируют короткий импульс электрического тока. Электронная схема
подсчитывает, как быстро поступают импульсы, и преобразует это в скорость,
отображаемую в электронном виде на ЖК-дисплее.
Поскольку схема измеряет количество оборотов колеса, она
также может вести подсчет пройденного расстояния, выступая
в качестве одометра (измерителя расстояния).
Электронные спидометры также могут отображать скорость с помощью аналоговых указателей и циферблатов, как и
традиционные вихретоковые спидометры: в этом случае электронная
схема приводит в действие высокоуправляемый электродвигатель
(называемый шаговым двигателем), который вращает указатель на соответствующий угол.
Электронные спидометры более надежны и компактны, чем механические, а
датчики движения могут располагаться на любом расстоянии от дисплея, показывающего вашу скорость, что делает
их подходящими для любого вида транспортного средства — от велосипеда до 40-тонного грузовика!

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу:  Как работают осциллографы

«Есть ли у вас какие-либо соображения относительно скорости, сэр?»

«Боюсь, что нет, офицер, но я довольно хорошо представляю, как моя машина это вычисляет. Это считается?»

 

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

 

Узнать больше

На этом сайте

  • Вихретоковые тормоза (электромагнитные тормоза)
  • Датчики Холла
  • Законы движения
  • Магнетизм
  • Герконовые переключатели
  • Пружины

На других сайтах

Исторический интерес

  • Как работает спидометр: Popular Science, август 1959 г. Вот альтернативное объяснение из всегда превосходного журнала Popular Science, с лучшим рисунком механизма спидометра, чем тот, что сделал я. Он также объясняет, как работают спидометры с подвижной планкой.
  • Что вам следует знать о вашем спидометре, автор Schuyler Van Duyne. Popular Science, сентябрь 1941 г. Еще одна классическая статья с великолепным рисунком спидометра в разрезе. А также несколько исторических фотографий того, как раньше собирали спидометры на заводах. Сейчас, вероятно, все это делают роботы!

Патенты

  • Патент США 3,477,022: Электронная схема управления спидометром и одометром, автор Пол Д. Ле Мастерс и др., General Motors Corporation. Выдан 4 ноября 1969 г. Описывает современный спидометр и одометр на основе эффекта Холла.
  • Патент США 3,477,022: Индикатор скорости транспортного средства, одометр и система автоматического контроля скорости Генри Магнуски, Motorola. Выдан 22 октября 1968 года. Спидометр, который использует своего рода электромагнитный генератор, встроенный вокруг оси транспортного средства, что устраняет необходимость в длинном, механически сложном (и потенциально ненадежном) кабеле.
  • Патент США 1,209,359: Индикатор скорости Николы Теслы, Waltham Watch, Co., 29 мая 1914 г. Спидометр с вихревыми токами или воздушным сопротивлением, запатентованный одним из пионеров электромагнетизма.
  • Патент США 1,038,016: Магнитный спидометр Джона К. Стюарта, 10 сентября 1912 г. Типичный вихретоковый спидометр.
  • Патент США 765,841: Спидометр Джозефа У. Джонса, 26 июля 1904 г. Простой механический спидометр начала 20 века.
  • Патент США 765,841: Электрический одометр и указатель скорости, автор У. А. Филлипс. 19 апреля 1892 г. Одометр и спидометр на основе центробежного регулятора.

Статьи

  • Стоит ли использовать телефон вместо велосипедного компьютера? Мишель Артурс-Бреннан. Cycling Weekly, 9 октября 2018 г. Каковы плюсы и минусы использования телефона в качестве спидометра и одометра?
  • Одометр — это помощь или помеха во время езды на велосипеде? Никола Брэди. The Guardian, 30 сентября 2011 г. Спидометры могут разочаровывать и лишать мотивации серьезных велосипедистов.
  • GM превращает все лобовое стекло в проекционный дисплей Тони Борроза. Wired, 17 марта 2010 г. Сколько времени пройдет, прежде чем спидометры будут регулярно проецироваться на наши лобовые стекла?
  • Спидометры в метро: ухабистая жизнь Ричарда Переса-Пены. The New York Times, 21 августа 1995 г. Как в метро Нью-Йорка перешли с механических на радарные спидометры для большей безопасности. Интересный фрагмент из архива Times.

Переведено в образовательных целях — источник: www.explainthatstuff.com

Ссылка на основную публикацию