Wprowadzenie do Techniki - wykłady

Akademia Morska 2007/2008

Wykład 1: Wiadomości wstępne z techniki - podstawowe pojęcia.

Technika - gr. Technicus - nienaturalny, sztuczny; techne - rzemiosło, jako wytwarzanie przedmiotów nieistniejących w naturze i sztukę, jako tworzenie czegoś sztucznego.

Do techniki można też odnieść łaciński wyraz ars (sztuka) - obejmujący w starożytności, średniowieczu i renesansie szeroki zakres ludzkiej działalności wytwórczej, a w szczególności to, co jest tworzone przez człowieka zgodnie z jego potrzebami i w postaci nadanej przez człowieka.

Słowo technika obejmuje 3 zagadnienia:

1. Całokształt wiedzy, umiejętności i działań człowieka, których celem jest wytworzenie dóbr materialnych i opanowanie zjawisk występujących w przyrodzie.

2. Oparty na wiedzy teoretycznej i doświadczeniu sposób, metoda wytwarzania czegoś.

3. Praktyczna, zwykle wyuczona i wyćwiczona umiejętność wykonywania czynności związanych z określoną dziedziną (np. technika gry na instrumencie).

Technika przeniknęła do różnych sfer życia człowieka i zaczęła je dzielić według różnych dziedzin:

1. Gospodarki (technika morska, rolnicza)

2. Organizacji życia społecznego (technika transportowa, łączności, biurowa)

3. Kultury (technika teatralna, filmowa, kinowa)

Technikę można podzielić ze względu na różnorodne kryteria:

• Wykorzystywane zjawisko (technika próżniowa, radiowa, mikrofalowa)

• Stosowane urządzenie (technika laserowa, radarowa)

• Uzyskiwanego wyrobu (technika samochodowa, rowerowa)

• Gałęzi techniki (technika robót ziemnych, robót wykończeniowych, sanitarna, budowlana, konstrukcji i stali)

Źródła współczesnych refleksji nad techniką tkwią w filozofii Arystotelesa - to on był pierwszym myślicielem, zajmującym się techniką. Arystoteles wyróżnił 3 grupy:

1. Nauki teoretyczne - dążenie do prawdy

2. Nauki praktyczne - etyka, polityka, ekonomia, medycyna

3. Nauki wytwórcze - mają na celu wytwarzanie różnych dóbr i dzieł.

Podstawą nauki jest zatem rozum albo technika (dynamis).

Wykład 2: Technika i nauka

Związek techniki z nauką wyraża się głównie z zależnością między odkryciem geograficznym a naukowym. Ta zależność rozpoczęła się już w starożytności. Pierwsi znani technicy, naukowcy korzystali z wyników badań naukowych - byli uczonymi, odkrywcami.

• Archimedes - (II w. p.n.e) - odkrywca prawa dźwigni, hydrostatyki i aerostatyki.

• Heron (I w. p.n.e) - odkrywca pompy pożarniczej, teotelitu, aeolipiki (bania Herona)

• Leonardo da Vinci (1452-1519) - najważniejszy odkrywca doby renesansu; konstruktor, genialny malarz i rysownik.

W XVIII wieku wyodrębniła się dziedzina naukowa Newtona - fizyka, a także chemia - dzięki Boyle`owi. Te 2 nowoczesne nauki miały duże znaczenie dla dalszego rozwoju nauki. Główne wynalazki XVIII wieku (maszyna parowa, przędzarka, mechaniczne krosno) doprowadziły do Rewolucji Przemysłowej.

W XIX wieku nastąpił rozwój szkolnictwa technicznego - z naukami technicznymi i możliwościami kształcenia w zakresie techniki.

Rozwój techniki doprowadził w XX wieku do gwałtownego rozwoju zarówno techniki, jak i nauki. Obecnie występuje ścisły związek techniki z nauką.

Technika jest głównym czynnikiem cywilizacji. Obok nauki i sztuki wchodzi w skład kultury. Technikę tworzą ludzie - oni powodowali rozwój, a także rozszerzali myśl techniczną w dziejach ludzkości.

Technika ingeruje w środowisko naturalne człowieka i je eksploatuje. Połączenie biologii z techniką w połowie XX wieku doprowadziło do powstania nowej dyscypliny - bioniki.

Bionika - biologia + technika; inna nazwa - bionimetyka.

Znajomość problematyki techniki jest poważnym problemem wychowawczym i edukacyjnym. Ogólne wiedza techniczna stała się współczesnemu człowiekowi równie potrzebna, jak ogólna wiedza działu kultury, nauki czy sztuki.

Nauki zajmujące się techniką:

1. Technoznastwo - nauka o technice

2. Metatechnoznawstwo - nauka o techno znawstwie

Odkrycia i wynalazki

• Odkrycie - Proces poznawania przestrzeni geograficznej na Ziemi; Dotarcie do nieznanych obszarów Ziemi w czasie wypraw organizowanych przez podróżników i odkrywców - Marco Polo, Bartłomiej Diaz, Amerigo Vespucci, Ferdynand Magellan etc.

• Wynalazek - Jest to nowe rozwiązanie o charakterze technicznym, nadające się do zastosowania; na które - zgodnie z obowiązującymi w danym kraju przepisami - musi być udzielony patent. Prawie wszystkie wynalazki powstały dlatego, że człowiek chciał ratować lub ulepszyć swoje życie. „Potrzeba matką wynalazków”.

Thomas Edison - samouk, największy wynalazca w dziejach - 1097 oryginalnych patentów, m. in. żarówka.

Zestawienie odkryć i wynalazków

Lata	Ilość wynalazków
1700-1750	170
1750-1800	344
1800-1850	861
1850-1900	1150

Okres, po jakim wynalazek znalazł 50 milionów użytkowników:

• Radio - 80 lat

• Telewizja - 13 lat

• Telewizja kablowa - 10 lat

• Internet - 5 lat

Jednym z największych wynalazków było koło - wynalezione ok. 6/5 tys. lat p.n.e; pierwszy raz użyte w Mezopotamii. Zastosowano je po raz pierwszy w wozach, używanych do transportu ciężkich ładunków, oraz w rydwanach, które stały się ulubionymi pojazdami wojennymi starożytnych Egipcjan i Hetytów (ludu żyjącego niegdyś na terenie dzisiejszej Turcji).

Na początku koła wytwarzane były w ten sposób, że łączono trzy kawałki drewna biegnącą w poprzek deską. Otrzymaną kwadratową tarczę cięto tak, by uzyskać okrąg. Tam gdzie drewno występowało rzadziej, koła robiono z kamienia. Najwcześniejsze drewniane i kamienne egzemplarze były wytrzymałe, ale ciężkie. Zęby je obrócić, należało użyć dużej siły, a ich łożyska zużywały się stosunkowo szybko. Poczyniono wiele prób, by wyprodukować lżejsze koła. W tym celu w tworzącej je tarczy wycinano np. otwory. Najskuteczniejszą metodą okazało się jednak zastosowanie szprych. Koło takie wynaleziono niezależnie w północnej Europie, w Chinach i w zachodniej Azji, a po roku 2000 p.n.e. było już ono szeroko rozpowszechnione. W owym czasie kół używano w wielu rejonach świata, chociaż niektóre późniejsze cywilizacje, takie jak np. żyjący w środkowej Ameryce Aztekowie, radziły sobie bez nich.

Etapy ewolucji koła:

1. Wałek - rolka z okrągłego pnia drzewnego;

2. Sanie transportowe;

3. Sanie na wałku;

4. Płozy sań umieszczone w rowkach wałka;

5. Koła i oś obrotu tworzą jedną całość; oś uchwycona jest przez klamrę;

6. Ruchome koła wykonują obrót na nieruchomej osi.

• Zastosowanie koła w czerpaniu wody - przekładnia palcowa w zastosowaniu do przenoszenia napędu z turbiny wodnej na koło czerpakowe do nawadniania pól.

• Kanał Ostródzko-Elbląski - wykorzystanie koła do transportu statków;

• Zastosowanie koła w powozach: rydwan, tramwaj ciągnięty przez konie po szynach

• Zastosowanie koła w rowerze

Amerykańska Akademia Nauk Technicznych sporządziła w 2000 roku listę wynalazków, które miały największy wpływ na rozwój życia i świata:

1. Powszechna elektryfikacja

2. Motoryzacja

3. Nowoczesne lotnictwo

4. Sieci wodociągowe

5. Technologie elektronowe

6. Radio i telewizja

7. Mechanizacja rolnictwa

8. Komputeryzacja

9. Telefony

10. Klimatyzacja i chłodnictwo

11. Autostrady

12. Badanie Kosmosu

13. Internet

14. USG i Rentgen w medycynie

15. Powszechne artykuły gospodarstwa domowego

16. Technika medyczna (implanty, antybiotyki)

17. Petrochemia

18. Lasery i optotechnika

19. Atomistyka

20. Inżynieria materiałowa

• Triack - człowiek, technika i środowisko są ze sobą silnie połączone i występują między nimi powiązania jakościowe i ilościowe.

• Cywilizacja - (łac. Civilis - obywatelski). Poziom rozwoju społeczeństwa w danej epoce historycznej pod względem materialnym i w wyniku postępu nauki i techniki. Pojęcie cywilizacji opiera się na założeniu nieustannego rozwoju nauki i techniki, panowania człowieka nad naturą i udoskonalania form życia społecznego i politycznego. Jest to całokształt kultury wytworzonej przez daną społeczność od czasów pierwotnych aż do czasów obecnych.

Dla wielu naukowców i myślicieli kultura i cywilizacja są ze sobą ściśle powiązane, gdyż nie istnieje cywilizacja bez kultury i kultura bez cywilizacji.

Wykład 3: Historia rozwoju maszyny

• Maszyna - pochodzenie terminu: Rzymianin Witruwiusz - około 35 roku p.n.e. podał, że w pojęciu maszyny znalazło się także pojęcie budownictwa kamiennego. W dorzeczu doryckim wyraz machene oznacza środek pomocniczy. W I wieku p.n.e. u Cycerona można znaleźć słowo mechina. U Witruwiusza - słowo machinatio, u Liwiusza - machinamentum. Nazwa pochodzi od staroindyjskiego słowa maszkana, które przeszło do języka greckiego jako machana, a także do języka łacińskiego jako słowo machina (do języka polskiego również jako słowo machina). Z biegiem czasu to słowo przekształciło się w słowo maszyna.

• Rozwój maszyny rozpoczął się od rozwoju narzędzi.

• Pierwsza maszyna - łuk

• Maszyna jest prastara - bo można ją znaleźć na wszystkich szczeblach kultury. Miała ona wpływ na wprowadzenie wojen, politykę, produkcję dóbr i usług oraz komunikację. Znaczenie maszyn wzrosło w czasie uprzemysłowienia. Maszyny w dzisiejszym znaczeniu to urządzenia, które pod wpływem przyrody lub bez jej udziału wykonują ruchy potrzebne do wykonywania pracy za człowieka.

• W 1983 w Słowniku Technologii Jacobsem podaje, że „maszyna jest to narzędzie, którego człowiek może użyć po to, aby bądź to poruszyć większy ciężar w krótszym czasie, z względnie mniejszą siłą, bądź też w określonym czasie osiągnąć przy użyciu tej samej siły więcej, niż jest to zazwyczaj możliwe”.

• W 1863 roku Sombat podał, że maszyna jest narzędziem produkcji lub zespołem narzędzi, służącym do mechanicznej racjonalizacji pracy.

• Definicja na podstawie encyklopedii „Nauka i Technika”: Maszyna - układ sztywnych i wytrzymałych elementów poruszających się w określony sposób, zdolnych do wykonania użytecznej pracy.

• Mechanizmy - maszyny proste: krążek, klin, śruba, koło, koło zębate, wyciąg linowy, prasa hydrauliczna.

• Mechanizm - układ fizyczny, zapewniający określone ruchy i nie wykonujący użytecznej pracy, np. zegarek.

• Maszyny mogą się bardzo różnić złożeniem i stopniem działalności i skomplikowania. Maszyna jest wytworem ludzkiej pomysłowości i wysiłku. Cechą charakterystyczną maszyn jest ruch jej części wskutek działania sił (ruch posuwisty) lub momentów sił (ruch obrotowy). Obecnie Unia Europejska w swojej Dyrektywie Maszynowej podała następującą definicją maszyny:

Maszyna - zespół wzajemnie połączonych części, elementów, podzespołów, z których przynajmniej jedna część lub element wykonuje ruch wraz z odpowiednimi elementami uruchamiającymi. Następnie obwodami sterowania, zasilania i innymi, tworzącymi całość maszyny przeznaczonej do konkretnego zastosowania, a w szczególności do przetwarzania, obróbki, przemieszczania lub pakowania materiałów, Zgodnie z postanowieniami tej dyrektywy maszyny te mogą być umieszczane, jeśli spełniają określone wymogi:

- muszą być bezpieczne;

- muszą posiadać odpowiednie oznaczenia zgodnie z określoną procedurą tzw. jednostek notyfikowanych oznaczeniem CE (zgodność europejska).

Do Dyrektywy Maszynowej UE nie wchodzą następujące maszyny:

• Maszyny bezpośrednio napędzane siłą mięśni;

• Broń palna;

• Pojazdy dla wojska i policji;

• Podnośniki teatralne;

• Urządzenia jądrowe;

• Jednostki pełnomorskie;

• Górniczy sprzęt wyciągowy.

Rozwój cywilizacji technicznej-transportowej (od czasów antycznych do XXI wieku):

• Drewno, grzbiet zwierzęcia;

• Sanie ciągnięte przez konie;

• Kajak;

• Rydwan;

• Galera wiosłowa

• Powóz - sedan;

• Statek żaglowy;

• Kanał;

• Wolny balon;

• Rydwan żaglowy;

• Statek parowy;

• Welocyped;

• Rower;

• Pojazd parowy;

• Kolej szynowa;

• Kolej linowa;

• Samolot;

• Statek z napędem atomowym;

• Rakieta kosmiczna

Technika była wykorzystywana w celach wojennych np. zrzucenie wojny atomowej (Nagasaki, Hiroszima).

• L. Mumford - „Technika cywilizacji”

W tej książce wyodrębnione są 3 epoki rozwoju techniki. Każda z tych technik miała inny charakter. Ewolucję maszyny i cywilizacją maszynową można podzielić na 3 zachodzące na siebie i przenikające się wzajemnie ery. Po erze przedtechnicznej, gdzie technika praktycznie nie istniała, nastąpiła era eotechniczna (eo-wczesny), będąca pierwszym krokiem do rozwoju technicznego. Trwała do połowy XVIII wieku, gdy rewolucja przemysłowa dokonała radykalnego przekształcenia techniki oraz ludzkiego podejścia do niej. W erze eotechnicznej była wykorzystywana energia wody i wiatru, a podstawowym tworzywem było drewno. Przez XIX wiek i do początku XX wieku trwała era paleotechniczna (paleo - związek z czymś dawnym). Nazwa epoki pochodzi od greckiego słowa paleois - dawny, stary. Kolejna era - geotechniczna. Podstawowym, dominującym tworzywem były stopy żelaza, istotne było także zastosowanie energii elektrycznej. Do każdej z tych er przypisane są odpowiednie maszyny. Opisuje to Henri von Lier - „Nowy wiek”.

Trzy kategorie maszyn:

1. Statyczne - era eotechniczna

Maszyny statyczne - były pod wieloma względami bezproblemowe. Była wykorzystywana siła przyrody (wiatrak). Wykorzystywanie maszyn było ograniczone i było bliskie przyrodzie i zwykłego ludzkiego działania. Były w zasadzie spojone z przyrodniczym porządkiem i harmonijnie z nim współistniały. Ułatwiały codzienną pracę, nie przekształcając jej znacząco. Pozwalały czerpać energię z wody i powietrza, bezpośrednio przekształcając ją w sposób możliwy do konkretnego zastosowania. Maszyny stateczne były bezpośrednio zależne od przyrody i wykorzystywały rodzaje energii takie, jak: słoneczną, wiatru, wodną.

2. Dynamiczne - era paleotechniczna

Maszyny dynamiczne są bardziej efektywne i potężne niż maszyny statyczne; nie są już elementami przyrody. Rewolucja przemysłowa, która wprowadziła je w życie napotkała opór wielu ludzi, uważających, że z tymi maszynami trzeba walczyć (kwestie ekonomiczne, miejsca pracy). Wraz z zakończeniem roli maszyn statycznych, maszyny dynamiczne były zdolne zaspokoić i tworzyć znacznie większe potrzeby ludzkie. H. W. Wier opisuje 2 rodzaje maszyn dynamicznych:

• Maszyny energetyczne:

Pojawiły się maszyny, których zadaniem było napędzanie innych maszyn. Maszyny energetyczne produkowały energię, przekształcając ją w różne formy. Dzięki temu maszyny te mogły być bardziej uniwersalne i efektywne. Najważniejszą maszyną energetyczną była maszyna parowa Watta - udoskonalona maszyna parowa. Mogła pracować z dala od naturalnych źródeł energii na postoju i w ruchu. Można było manipulować jej mocą mechaniczną, wykorzystując zależności między ciśnieniem, temperaturą, a objętością pary. Ludzie dostali do dyspozycji uniwersalne źródło energii, czekające, by je wykorzystać. W maszynie energetycznej skumulowana jest energia, której moc i wydatkowanie jej są pod kontrolą, a człowiek - użytkownik staje się operatorem tej mocy.

• Maszyny porządkujące:

Nie wytwarzały energii, lecz materialne produkty, uporządkowania przestrzenne i czasowe (warsztat tkacki, drukarnia, kosiarka, kolej, telegraf, telefon, radio). Były one ważnym i niezbędnym dopełnieniem maszyn energetycznych. Wykorzystywały one energię wytworzoną przez te pierwsze maszyny, zmieniając ją w konkretne wytwory (rozwój gospodarki, transportu, przemysłu). Ważną właściwością jest dążenie do łączenia się w sieci. Pakt maszynowy połączony jest pajęczyną (sztuczne rakiety połączone są z Ziemią; radio i telewizja opierają się na sieci nadajników). Funkcja maszyn dynamicznych była wartością priorytetową. Musiała być efektywna, dobrze i szybko wykonywać to, do czego została stworzona.

3. Dialektyczne - era geotechniczna

Otworzyły się na świat nie w aspekcie energetycznym, a informacyjnym. W tej erze wykształciły się takie działy jak: energetyka, teoria informacji i systemów, cybernetyka. Maszyny te otworzyły się na kontakt, mogą się komunikować. Zostały wynalezione maszyny przetwarzające informacje - komputery. Wytworzyła się sytuacja otwarcia do porozumiewania się maszyn ze sobą i maszyn z ludźmi (sieć internetowa i sieć telefonii komórkowej). Tworzą zupełnie nowe środowisko ludzkie w skali globalnej. Współczesny człowiek wiedzę czerpie z radia i telewizji. Komunikuje się z ludźmi za pośrednictwem komputerów. Maszyny weszły w dialog z człowiekiem, zastępując jego środowisko. Internet jest naczelną maszyną dialektyczną, która przyczynia się do wzrastającej dominacji techniki nad kulturą. Komputery połączone w sieć ukazują cały swój potencjał maszyn dialektycznych przeobrażających nasz świat. Internet jest nowym medium, przy użyciu którego komunikujemy się z ludźmi i przy użyciu którego tworzymy kulturę. Przyszłościowym wynalazkiem może być przesyłanie energii elektrycznej drogą bezprzewodową - za pomocą fal.

Inżynier - co powinno charakteryzować inżyniera?

Według „Wielkiek Karty Inżyniera” w: Hampel: „Podstawy konstrukcji mazyn”

1. Wiedza merytoryczna:

- nauki fizyczne podstawowe (fizyka, chemia, inne)

- nauki fizyczne stosowane (elektrotechnika, farmaceutyka, mechanika ciała stałego, inne)

- pozostała wiedza (socjologia, literatura, bionika, biofizyka, fizyka techniczna, informatyka, robotyka, eksploatacja techniczna, mechatechnika, nanotechnika, inżynieria materiałowa)

2. Umiejętności:

- projektowanie;

- pomysłowość;

- zdrowy rozsądek;

- zdolności matematyczne;

- biegłość w badaniach symulacyjnych;

- umiejętność eksperymentowania;

- zdolność poprawnego mówienia;

- biegłość w obliczeniach;

- sprawne myślenie;

- komunikatywność;

- umiejętność współpracy z ludźmi;

- umiejętność korzystania ze źródeł informacyjnych.

3. Postawa: dociekliwość, obiektywizm, postawa zawodowa, chłonność umysłu.

4. Zdolność do ciągłego samodoskonalenia: programy komputerowe, książki, czasopism techniczne.

Wykład 4: Rola matematyki, fizyki i chemii w technice.

1. Matematyka

Nauka o strukturze, porządku i relacji, wywodząca się z praktyk liczenia, mierzenia i opisywania kształtów i obiektów. Dzięki stosowaniu metod i rozumowań logicznych matematyka stawiana jest za wzór ścisłości i rzetelność oraz abstrakcyjnego myślenia. Człowiek jest obdarzony umiejętnością logicznego i abstrakcyjnego myślenia, ma orientację przestrzenną. Wykorzystując te możliwości i kierując się ciekawością i ambicją oraz chęcią zrozumienia otaczającej rzeczywistości ludzie stworzyli współczesną matematykę. W jej skład wchodzą setki pojęć, metod i rezultatów, które wciąż są analizowane i rozwiązywane. XVII wiek był przełomem w rozwoju matematyki. Kartezjusz - stworzył geometrię analityczną, a także Newton, Leibniz, którzy stworzyli rachunek różniczkowy, od tego czasu matematyka stała się potęgą, a także dziedziną nauk przyrody. Powstał także rachunek prawdopodobieństwa dzięki pracom Pascala, Fermata i Bernoulli`ego. Newton w swoim dziele w 1667 roku zawarł podstawy mechaniki klasycznej. W XVIII wieku było wielu wybitnych mechaników i techników: L` Alembert, Euler, Lagrange i Laplace. W starożytności było 4 wyróżniających się mechaników: Arystoteles, Archimedes, Euklides, Ptolemeusz. Umiejętności i wiedza matematyczna są w coraz większym stopniu potrzebne do korzystania z postępu cywilizacyjnego. Zasób podstawowych pojęć matematycznych pozwala opisać podstawowe pojęcia innych nauk - zwłaszcza przyrodniczych - oraz otwiera możliwość konstruowania i badania modeli matematycznych, zjawisk i procesów zachodzących w przyrodzie. Matematyczne modelowanie zjawisk i procesów jest bardzo skuteczną metodą badawczą. Metody matematyczne są równie skuteczne w socjologii, w naukach humanistycznych, przy projektowaniu i konstruowaniu maszyn, urządzeń technicznych i aparatury. Matematyka wykazuje pewne powinowactwo ze sztuką, kreuje bowiem porządek podlegający także ocenom estetycznym. Krajami o największym potencjale badawczym w zakresie matematyki są: USA, Francja, Niemcy, Japonia, Wielka Brytania i Rosja. Polska zajmuje 14 miejsce. Liczba twórczo pracujących ludzi w Polsce waha się w granicach 500-600. Matematyka dzieli się na:

1. Algebrę - analizę matematyczną, numeryczną;

2. Arytmetykę;

3. Geometrię;

4. Teorię gier;

5. Rachunek prawdopodobieństwa;

6. Statystykę, topologię;

7. Trygonometrię;

Współczesne działy matematyki:

1. Ubezpieczeniowa;

2. Finansowa - inżynieria finansowa;

3. Obliczeniowa;

4. Teoria ryzyka i ruiny.

Cechą charakterystyczną obecnego stanu nauki jest wzajemne przenikanie się różnych dyscyplin: matematyki, fizyki, chemii, nauk przyrodniczych, medycyny.

2. Fizyka

(phisis - natura, przyroda);

Jest to nauka o budowie oraz właściwościach materii i działających na nią siłach. Na podstawie obserwacji i przeprowadzonych doświadczeń odkrywa i formułuje prawa, którym podlega materia, a właściwości materii i zachodzące w niej zmiany opisuje językiem matematyki. Podstawy nowej fizyki stworzył Galileusz, uznawany za jednego z prekursorów nowoczesnej metody naukowej. Dalsze badania prowadził Newton. W XVIII wieku próbowano ostatecznie wyjaśnić zjawiska elektryczności i magnetyzmu, a także sformułować zasady zachowania energii i termodynamiki. Postęp badań fizycznych i ich poziom wpływa na rozwój techniki. Fizyka przenika do innych nauk, a szczególnie do dziedzin technicznych. Jest fundamentem, bez którego nie można zrozumieć współczesnej techniki. Fizyka XXI wieku będzie miała potężny i wszechobecny obszar oddziaływania w dziedzinach naukowych, w których kierujemy się rozumem. Fizyka będzie stawała się więc nauką techniczną.

Podział fizyki ze względu na przedmiot badań:

1. Atomu

2. Cząsteczek

3. Jądra atomowego

4. Cząstek elementarnych

5. Plazmy

6. Gazów, cieczy, ciał stałych

7. Półprzewodników

Odpowiednio do rodzaju zjawisk fizyka dzieli się na:

1. Mechanikę

2. Elektromagnetykę

3. Optykę

4. Termodynamikę

5. Inne

Inny podział fizyki to:

2. Mechanika klasyczna

3. Akustyka

4. Elektrodynamika

5. Optyka

6. Termodynamika

7. Fizyka statystyczna

8. Fizyka ciała stałego

9. Fizyka plazmy

10. Fizyka jądrowa

11. Fizyka wielkich energii

12. Fizyka niskich temperatur

13. Fizyka medyczna

14. Fizyka matematyczna

Fizyka współczesna jest silnie powiązana z innymi naukami przyrodniczymi. Do dziedzin intensywnie się rozwijających i wykorzystujących pojęcia fizyczne należą m. in. geofizyka, astrofizyka, chemia fizyczna, biofizyka, agrofizyka. Dzięki rozwojowi fizyki powstało wiele nowych specjalności technicznych: technika izotopów, półprzewodników, elektronika kwantowa.

3. Chemia

(Gr. Magia)

Jest to nauka zajmująca się badaniami substancji występujących na Ziemi i we Wszechświecie. Chemia jako samodzielna dyscyplina naukowa wyodrębniła się w połowie XVII wieku. Momentem przełomowym było opracowanie dzieła chemicznego przez Browna. Jest to nauka przyrodnicza, zajmująca się budową i właściwościami substancji, ich jakościowymi i ilościowymi przemianami, warunkami, w jakich zachodzą te przemiany oraz zjawiskami, które im towarzyszą. W badaniach chemicznych stosowane są metody doświadczalne.

Chemia dzieli się na:

2. Analityczną,

3. Bionieorganiczną,

4. Fizyczną,

5. Jądrową,

6. Radiacyjną,

7. Rolną,

8. Przemysłową,

9. Farmaceutyczną,

10. Nieorganiczną,

11. Molekularną.

Chemia zajmuje się również wykorzystywaniem produktu pochodzenia naturalnego i otrzymywaniem produktów syntetycznych. Produktami współczesnej technologii chemicznej są: tworzywa polimerowe (winyle, teflon, PTFE, torflen, ciekłe kryształy, półprzewodniki i nadprzewodniki). Współczesna chemia wspomagana jest coraz bardziej wyrafinowaną aparaturą i zajmuje się tak szczegółowymi, jak badanie pojedynczego atomu, ale także wielkimi badaniami - jak DNA, które składa się z miliona atomów. Do tej pory zbadano pomad 8 milionów różnych substancji chemicznych. Obecnie stopy metali żelaznych i nieżelaznych częściowo zostały wyparte przez polimery, których znaczenie w inżynierii materiałowej wzrasta. Obecnie praktycznie żadna ścisła praca naukowa nie może obejść się bez chemii. Gruntowna znajomość podstaw chemii jest szczególnie wymagana w medycynie, rolnictwie, farmacji, ekologii, technologii żywienia, kryminalistyce i kryminologii, metalurgii, inżynierii materiałowej i geologii. Wielki wkład w rozwój nowoczesnej chemii, szczególnie analitycznej, wniosły: petronika, automatyka i informatyka.

Wykład 5: Historyczny rozwój materiałów.

Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a czasem także wytwarzał materiały do zdobycia okrycia, zapewniającego ciepło, zwiększenie bezpieczeństwa i zapewnienie sobie odpowiedniego poziomu życia. O rozwoju cywilizacji decyduje w dużej mierze rozwój towarzyszących mu materiałów i sił wytwórczych. Wyraźnie świadczy o tym nazwanie różnych okresów w dziejach ludzkości od nazw materiałów decydujących o warunkach życia człowieka. Postęp cywilizacyjny w dużej mierze zależy od rozwoju nowych materiałów i wiedzy na ich temat. Człowiek najpierw wykorzystywał materiały w stanie surowym znalezione w naturze, bez przetwarzania, a potem nauczył się je przetwarzać i udoskonalać.

Od najdawniejszych czasów materiały wytyczały okresy rozwoju cywilizacji i brały określoną nazwę od nich:

• Epoka kamienia, brązu, żelaza, stali (przemysłowa), krzemowa (informatyczna).

Od głównych materiałów stosowanych na narzędziach tworzono nazwy wczesnych kultur ludzkich: paleolit, mezolit, neolit, chalkolit.

Najstarsze materiały wykorzystywane przez człowieka to materiały ceramiczne (kamienie). Następnie materiały organiczne (biologiczne) - pozyskiwane przez człowieka poprzez zbieractwo. Materiały organiczne - kościane i rogowe. Narzędzia tworzono z drewna. Człowiek znał i użytkował wiele materiałów naturalnych - len, bawełnę, wełnę, rogi zwierzęce, skóry zwierząt, kauczuk. Te materiały były stopniowo udoskonalane w celu ich lepszego wykorzystania. Już w starożytności człowiek nauczył się wytwarzać papier z celulozy, następnie tkaniny z materiałów naturalnych oraz gumę z mleczka kauczukowego (lateks). Goodyear - wynalezienie gumy. Drewno miało unikalne właściwości, dlatego zajmowało bardzo ważne miejsce. Z metali człowiek na samym początku używał miedź, cynę, złoto i ich stopy. Te metale dawały zbyt ograniczone możliwości. We wczesnej fazie rozwoju kultury materialnej człowieka wprowadzenie nowych materiałów było bardzo powolne i trwało tysiące lat. W dziejach rozwoju kultury i cywilizacji wynalazek ognia, a także jego wzniecanie było wielkim wydarzeniem, w związku z którym wzrosły możliwości przetrwania, doszła możliwość przetapiania metali i wtedy powstały zawody związane z materiałami (kowale, garncarze). Pod koniec IV w. p.n.e. - zaczęto wytwarzać narzędzia z brązu (stop miedzi z cyną).

Ogólnie materiały dzielą się na materiały naturalne (wymagające jedynie nadania im kształtu i prostych operacji przetwórczych - minerały, drewno, skóra), materiały inżynierskie (nie występują w przyrodzie i nie wymagają złożonych procesów wytwórczych). Zdecydowana większość materiałów inżynierskich pochodzi z surowców wydobywanych w kopalniach, a niektóre - nieliczne, pozyskuje się atmosfery lub z dnia oceanu (konkrecje). Woda morska zawiera prawie 60 metali, ale są one bardzo rozrzedzone. Każda technologia związana jest nierozerwalnie z tworzywem.

Ogólny podział materiałów:

2. Materiały metalowe (metale i ich stopy)

3. Metale kolorowe (nieżelazne - niemetalowe)

4. Ceramika

5. Szkło

6. Drewno

7. Lakiery

8. Sklejka

9. Kleje

10. Guma

11. Skóra

12. Korek

13. Oleje

14. Polimery (tworzywa sztuczne)

Odkrycie metali

Starożytność	Przed 1700 rokiem	XVIII w.	Dalsze lata
Złoto, Miedź, srebro, ołów, cyna, żelazo, rtęć	Platyna, antymon, bizmut, cynk, ansen	Kobalt, nikiel, magnez	Tantal, iryd, sód

Trudno ustalić, który z metali został użyty jako pierwszy. Z pewnością ludzie stosowali od dawna metale, które pochodziły z meteorytów ( w postaci metali rodzimych - bez przetwarzania; złoto, srebro, miedź). Metalem, który odegrał dużą rolę była bez wątpienia miedź. Należy ona wraz ze srebrem, złotem, cyną, ołowiem, rtęcią i żelazem do tzw. „Wielkiej Siódemki” metali, które były znane człowiekowi od najdawniejszych lat. Przypuszcza się, że miedź była znana człowiekowi 10000 lat temu. Miedź wyparła kamienie stosowane do tworzenia broni. Była pierwszym metalem dobrze wykorzystywanym przez człowieka. Otrzymano ją z rudy w wyniku przetopienia. Rudy miedzi miały domieszkę metaliczną w postaci cyny. Brąz był materiałem twardszym, bardziej wytrzymałym, powstało rzemiosło - brązownictwo. Do tej pory brąz jest używany w różnych odmianach nazw. Jeśli chodzi o metale, to największa jest światowa produkcja brązu, potem żelaza i miedzi. Charakterystyczną cechą metali jest kowalność, która pozwala na tworzenie ozdób i innych wyrobów artystycznych - ze srebra, złota, platyny.

Materiałoznawstwo - dyscyplina naukowa zajmująca się badaniem i wykorzystywaniem specyficznych własności mechanicznych, fizycznych i chemicznych różnych ciał w celu ich racjonalnego stosowania w praktyce. Jest to nauka o budowie, własnościach i metodach badań materiałów konstrukcyjnych.

Pojęcie klasycznego materiałoznawstwa obejmowało w zasadzie metale i stopy (stosowane w technice do lat 60`). Na przełomie lat 60`/70` inżynieria materiałowa dotarła do Polski z USA jako dyscyplina naukowa. Uzupełniała tradycyjne metale i stopy o nową generację materiałów reprezentujących określone, a czasem nawet specyficzne wymagania. Zaczęły powstawać nowoczesne materiały o programowanej strukturze i unikalnych, innowacyjnych właściwościach.

Inżynieria materiałowa - zakłada równorzędne traktowanie różnych rodzajów materiałów przy ich praktycznym wykorzystaniu. Obecnie nauka o materiałach (Materials Science) i inżynieria materiałowa (Materials Engineering) są traktowane jako jedno. Ich ojczyzną jest USA.

Inżynieria materiałowa obejmuje:

• Materiałoznawstwo

• Ceramikę

• Fizykochemię polimerów

• Elementy fizyki ciała stałego

• Krystalografię

• Chemię fizyczną

Pierwsze zastosowania zaawansowanych materiałów inżynierskich miały miejsce w przemyśle rakietowym, kosmicznym i wojskowym. Z czasem z tych zastosowań materiały te przeszły do zastosowań cywilnych.

Ogólny podział materiałów:

1. Metale i ich stopy (żelaza i ich stopy techniczne)

2. Materiały niemetalowe:

- szkło, ceramika, drewno, lakiery, kleje, guma, skóra, korek, sklejka, polimery (tworzywa sztuczne), kompozyty (materiały złożone)

Wyróżnia się następujące właściwości materiałów:

1. Mechaniczne

2. Techniczne

3. Fizyczne

4. Chemiczne

5. Eksploatacyjne

Oddzielną grupą materiałów są biomateriały, które są wytwarzane w celu wprowadzenie ich do ciała ludzkiego. Mają mikrostrukturę umożliwiającą obrastanie szczepu tkanką i tolerowanie ich przez organizmy. Muszą być bioprzyswajalne (osseointegracja).

Klasyfikacja materiałów inżynierskich:

Metale charakteryzują się podobnymi właściwościami, technologiami przetwarzania i obróbki oraz często podobnymi zastosowaniami w praktyce. Podstawowymi wymaganiami w stosunku do metali są:

• Odpowiednie własności mechaniczne i wytrzymałościowe

• Mały ciężar właściwy

• Duża trwałość

• Dobre warunki technologiczne

• Niska cena

Materiały w przemyśle samochodowym i lotniczym

Producenci aut dążą do zrealizowania wymogów bezpieczeństwa (testy bezpieczeństwa NCAP) oraz utrzymania wysokiego poziomu produkcji. Stosuje się lekkie stopy, stale o podwyższonej wytrzymałości, stopy aluminium oraz materiały kompozytowe.

Standardy ISO przyjmują podział na 6 grup materiałów wyróżniających się:

• P - stal, żeliwo ciągliwe;

• M - stale nierdzewne;

• K - żeliwo ciągliwe;

• N - mosiądz, brąz, drewno, aluminium;

• S - stopy żarowytrzymałe;

• Materiały hartowane.

Materiały lekkie i ultralekkie stosowane są w przemyśle samochodowym, w maszynach, sprzęcie sportowym, przedmiotach codziennego użytku. Prototypem jest układ kostny, a więc układ złożony z lekkich i wytrzymałych kości. Oprócz redukcji masy samochodów szersze części pozwalają na zmniejszenie hałasu i wibracji dzięki mniejszej inercji. Redukcją masy wyróżniają się 3 metale: aluminium, tytan, magnez. Ciężar tworzyw sztucznych to 1/6 ciężaru stali.

Polimery - tworzywa sztuczne

Zastosowanie: karty płatnicze, żeglarstwo, przemysł zabawkarski, soczewki, meble ogrodowe, kleje syntetyczne, folie ogrodnicze, kanekalon (sztuczne włosy).

Polimery + substancje dodatkowe = tworzywa sztuczne

Środki ograniczające palność: plastyfikatory, stabilizatory, barwniki, rozcieńczalniki.

Ojcem tworzyw sztucznych był Otto Bayer. Zawierają tlen, azot, fluor, chlor, siarkę. Otrzymuje się je w wyniku polireakcji z produktów chemicznej obróbki ropy naftowej, węgla, gazu ziemnego lub polimerów naturalnych (celulozy, kauczuku, białka). Najwcześniejsze polimery to biopolimery z żywych organizmów (skóra, lateks, bawełna, drewno, futra, jedwab, kość słoniowa). Jedynym polimerem nieorganicznym jest azbest o bardzo dobrych właściwościach izolacyjnych, ale złych właściwości dla zdrowia człowieka (rakotwórczość). Wiele wyrobów wykonywanych niegdyś z drewna czy metali aktualnie jest produkowana z tworzyw sztucznych. Wszystkie te tworzywa mają jedną wspólną cechę - niezbędne jest ciśnienie, w związku z czym cenną zaletą tworzyw sztucznych jest łatwość nadawania im różnych skomplikowanych kształtów. Objętościowo polimery stanowią ponad połowę światowej produkcji.

Własności polimerów:

• Niska gęstość

• Duża odporność chemiczna

• Niska temperatura mięknięcia

• Izolacja prądu elektrycznego

• Niska przewodność cieplna

• Nieestetyczny wygląd powierzchni

• Gładkość i przezroczystość

• Niższa cena w porównaniu do tradycyjnych materiałów

• Nie gniją i nie korodują, chociaż się starzeją (przez tlen i promieniowanie słoneczne)

• Plastyczność

Przemysł tworzyw sztucznych jest większy niż przemysł komputerowy. W USA jest zużycie 120 kg tworzyw sztucznych w przeliczeniu na jednego mieszkańca. W Polsce - 40 kg. Dąży się do tego, żeby te materiały same ulegały unicestwieniu.

Materiały kompozytowe

Kompozyty - zaliczane SA jako materiały inżynierii materiałowej i są tworzywami XXI wieku. Stanowią najnowocześniejszy kierunek w technologii komputerowej.

Pierwszych kompozytów użyto jeszcze przed I Wojną Światową w inżynierii materiałowej, jednak wyraźne zastosowanie w technice datuje się na II połowę XX wieku. Początkowo znane były kompozyty naturalne - w postaci cegieł glinianych, wzmocnionych sianem i sierścią zwierzęcą. Te składniki zwiększały odporność na pękanie. Następnie drewno - w nim była lignina i włókna celulozowe. Kompozytem jest także bambus, kość, ścięgna, beton, cement.

Kompozyt - monolityczny materiał stały, utworzony sztucznie z co najmniej dwóch składników o różnych właściwościach, w taki sposób, że ma właściwości lepsze i (lub) nowe (dodatkowe)w porównaniu z właściwościami poszczególnych składników lub sumą poszczególnych właściwości tych składników. W uproszczeniu kompozyt składa się z miękkiej osnowy (bazy, matrycy) i rozmieszczonego w niej drugiego składnika, nazywanego zbrojeniem (fazą zbrojącą, nośnikiem). W skład osnowy wchodzą: magnez, miedź, żelazo, nikiel. Zbrojenie może być w postaci drobnych cząsteczek. Z reguły są to oczyszczone popioły z elektrowni, krótkie włókna lub płatki i włókna ciągłe. Mogą to być wiązki tkaniny, siatki i maty.

Zalety kompozytów:

• Wysoka wytrzymałość

• Lekkość (redukcja masy)

• Odporność na drgania i korozję

• Odporność na szoki termiczne

• Odporność na ścieranie

Istotną cechą materiałów kompozytowych jest możliwość przewidywania i sterowania ich właściwościami, tak jakby na zamówienie. Na podstawie odpowiedniego doboru składników osnowy i zbrojenia można zaprojektować materiały o pożądanych właściwościach. Kompozyty uzyskują swoje właściwości dzięki świadomemu ułożeniu i wytrzymałości włókien.

Wykład 6: Rozwój energii nieodnawialnej i odnawialnej.

Najwcześniejsza energia to energia słoneczna. Kolejny rodzaj energii to energia powstająca w wyniku spalania drzew - czynnikiem były tu pioruny i burze. Następnie, w miarę rozwoju ludzkości, człowiek opanował rozniecanie ognia, a z czasem zaczął wykorzystywać energię wiatru i płynącej wody (ciepło wód geotermalnych). Następnie po raz pierwszy użyto koksu (w czasie rewolucji przemysłowej rozwinęło się kopalnictwo surowców pierwotnych). Energia towarzyszy człowiekowi od dawna, zmieniły się tylko formy i źródła energii na kolejnych etapach rozwoju życia cywilizacyjnego ludzkości. Nasi praprzodkowie w miarę upływającego czasu dokonywali coraz to nowych wynalazków i zaczęli wykorzystywać odnawialne źródła energii - energię słoneczną i wiatrową. Wynalezieniu silnika spalinowego towarzyszył rozwój górnictwa i gazu ziemnego. Zaczyna się wiek energii. W tym szerokim obszarze różnych form energii człowiek wykorzystał energię geotermalną na długo przed paliwami kopalnymi. Szerokie wykorzystanie wód i energii geotermalnej na skalę przemysłową i na potrzeby ciepłownictwa rozpoczęło się w wieku XX.

Nieodnawialne surowce energetyczne:

• Paliwa pierwotne (kopalne) - węgiel kamienny i brunatny (20% energii na świecie), gaz ziemny i ropa naftowa (60% energii na świecie).

Energia odnawialna, paliwa alternatywne

Za odnawialne źródła energii uważa się energie pochodzące z:

• Elektrowni wodnych

• Elektrowni wiatrowych

• Ze źródeł wytwarzających energię z biomasy

• Ze źródeł wytwarzających energię z biogazu

• Ze słonecznych ogniw fotowoltaicznych

• Ze źródeł geotermalnych

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii przyczynia się do oszczędności tradycyjnych środków energii, zwiększenia poziomu bezpieczeństwa, poprawy stanu środowiska, redukcji powstawania dwutlenku węgla, osłabienia efektu osłabienia globalnego, a także redukcji odpadów.

Do źródeł energii odnawialnych zaliczmy także energię maremotoryczną (Mare - morze). Zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii ma tendencję zwyżkową.

Formy odnawialnych źródeł energii:

• Sprzężony gaz ziemny - CNG

• Elektryczność z baterii akumulatorów (silniki hybrydowe: spalinowo-elektryczne)

• Wodór

• LNG

• LPG

• Paliwo ciekłe z węgla kamiennego (benzyna syntetyczna)

• Biodiesel (paliwo, które jest pozyskiwane z roślin)

Charakterystyka odnawialnych źródeł energii:

1. Energia wiatrowa

Wieża elektrowni wiatrowej składa się z 3 części. Muszą być specjalne środki transportowe do przewozu siłowni wiatrowych. Wirnik z łopatami obraca się z określoną szybkością. Najważniejszą częścią jest generator. Wiatraki działają w przedziale prędkośi wiatru - od 3,5 m/s do 25 m/s. Produkcja energii rozpoczyna się już przy najmniejszych obrotach. Ważne są koszty wytworzenia energii, nie mogą one być wyższe niż koszty energii (kWh). W Polsce są 2 regiony, gdzie są korzystne warunki do produkcji energii wiatrowej - wybrzeże Bałtyku i Suwalszczyzna. Elektrownie wiatrowe w Polsce - Zagórze, Cisowo, Nowogard, Wolin, Kwilicz, Rymanów. W Gdańsku znajduje się Europejskie Centrum Energii Odnawialnej.

2. Energia maremotoryczna

• Falowanie - Wiatr jest przyczyną powstawania fal. Wiatr ma różne natężenie - od bryzy do wichru. Może wystąpić falowanie poprzeczne. Pomiar fal obejmuje ich wysokość, częstotliwość, kierunek. Energia oceanu należy do energii odnawialnych. Fale zawierają duży ładunek energii, ale nie ma jeszcze dobrej, sprawdzonej metody na wykorzystywanie jej. Dzisiaj energia fal pozostaje raczej siłą destrukcyjną niż konstrukcyjną.

• Fale pływowe - powstają w oceanie pod wpływem morskich trzęsień. Nazywane są tsunami. Fale są niskie i bardzo szybkie. Przynoszą ogromne straty w przypadku wtargnięcia na ląd. Obecnie jest stosowany system ostrzegania przed tymi falami w obszarze państw Oceanu Spokojnego.

• Pływy - są to przypływy i odpływy. Są tętnem oceanu, ich regularny rytm jest spowodowany siłą grawitacji. Poziom wody morskiej podnosi się w momencie górowania o dołowania Księżyca, więc jest to mniej więcej co 12 godzin. Różnica poziomów przy przypływie i odpływie może różnić się o 12-14 metrów. Sposobem wykorzystania energii pływów może być instalowanie turbin pod wodą.

• Energia prądów morskich - prądy morskie to oceaniczne rzeki, które płyną przewidywalnymi trasami. W przyszłości będzie możliwe produkowanie energii przez turbiny zainstalowane na dnie centrum tych prądów.

• Energia słoneczna oceanu - jest zmagazynowana w warstwie powierzchniowej na głębokości około 20 metrów. Wykorzystuje się różnice temperatur tej wody między powierzchnią a głębiną. Do pozyskiwania tej energii wykorzystuje się zjawisko Oceanicznej Konwersji Energii Termicznej.

3. Biopaliwa

Paliwa pozyskiwane z energii organicznej,. Są to odnawialne źródła energii pozyskiwanej z produktów organicznych - roślinnych. Do tych paliw należą: bioetanol (C₂H₅OH), biodiesel, biogaz. Bioetanol jest bezwodnym alkoholem metylowym, który otrzymuje się w wyniku fermentacji alkoholowej każdej biomasy, zawierającej skrobię, cukry lub celulozę. Można go produkować z produktów skrobiowo-cukrowych, a więc z kukurydzy, soli, żyta, trzciny, buraków cukrowych, ziemniaków, ryżu. Można także produkować ten alkohol z produktów ubocznych - liści, traw. Otrzymuje się wtedy etanol celulozowy. Źródłami etanolu celulozowego są odpady pochodzenia rolniczego (słoma, liście, plewy), odpady z przemysłu drzewnego (wióry, ścinki), odpady miejskie (śmieci z gospodarstw domowych, makulatura), ścier drzewny (masa papiernicza). Etanol celulozowy może w przyszłości zastąpić 13% zużywanej na świecie ropy naftowej. Brak jest obecnie odpowiedniej technologii wytarzania etanoli celulozowych na skalę przemysłową.

Alkohol uważa się za czyste paliwo, ale proces jego powstawania jest brudny. Alkohol etylowy może być stosowany jako paliwo lub jego składnik. Paliwo ma liczbę oktanową 113. Ą specjalne silniki do spalania tego paliwa. Produkcja i spalanie etanolu z trzciny cukrowej emituje od 55% do 90% mniej dwutlenku węgla do atmosfery niż benzyna. Największym producentem alkoholu etylowego jest Brazylia.

Biodiesel - Oleje roślinne, podobnie jak paliwa kopalne należą do paliw węglowodorowych, które w wyniku spalania uwalniają solidną dawkę energii cieplnej. Mają szczególną zaletę, ponieważ można nimi napędzać silniki. Olej z orzechów ziemnych był paliwem używanym przez R. Diesla. Biopaliwa można dodawać do paliwa napędowego (max 20%). Oleje roślinne, tłuszcze zwierzęce i spożywcze mogą być przetwarzane z wykorzystaniem procesów estryfikacji paliwa do samochodów typu diesel. Biodiesel jest przyjazny dla środowiska. Stosowanie biodiesla redukuje inne szkodliwe czynniki, m,. in. siarczany. Największym producentem biodiesla są Niemcy. Tłuszcze z produktów roślinnych - oleje rzepakowe, sojowe, słonecznikowe, kokosowe, lnu, oliwek są źródłem energii odnawialnej, jest to alternatywa dla oleju mineralnego z ropy naftowej.

Możliwe sposoby wykorzystania surowców roślinnych do produkcji paliwa:

Uprawy	Produkcja	Proces	Paliwo
Rzepak	Olej rzepakowy	Estryfikacja	Biodiesel
Słonecznik	Olej słonecznikowy	Estryfikacja	Biodiesel
Żyto		Hydroliza i fermentacja	Etanol
Buraki cukrowe		Hydroliza i fermentacja	Etanol
Słoma		Hydroliza i fermentacja	Etanol
Odpadki organiczne		Garyfikacja	Wodór
Drewno energetyczne		Garyfikacja	Dimetyloeter
Ścieki		Rozkład anaerobowy	Biogaz
Nawóz		Rozkład anaerobowy	Biogaz

4. Wodór

Przyszłościowe paliwo przemysłowe. Jest paliwem bardzo efektywnym. Efektem jego spalania jest woda. H - Hydrogenium - tworzący wodę. Wodór jest głównym składnikiem Słońca i gwiazd. W przyrodzie wodór praktycznie nie występuje - trzeba go wyprodukować. Jest najlżejszym i o najmniejszej gęstości ze wszystkich znanych gazów. Gęstość - 0,08987 kg/m³ przy ciśnieniu 1af, czyli 1013,25Pa. Procesowi spalania mieszaniny wodoru i tlenu towarzyszy charakterystyczny dźwięk, a produktem spalania jest woda. Tworząc związki chemiczne wodór występuje głównie w postaci wody, a także w związkach organicznych, wchodzących w skład paliw kopalnych oraz tkanek organizmów roślin i zwierząt. Zawartość wodoru w skorupie ziemskiej wynosi 0,9% masy. W organizmie człowieka znajduje się 10% jego masy.

Otrzymywanie wodoru na skalę przemysłową odbywa się przez:

1. Reakcja metanu z parą wodną

2. Reakcja węgla (koksu) z parą wodną

3. Elektroliza - oddzielenie w cząsteczkach wodoru za pomocą elektryczności.

Uważa się, że wodór gazowy będzie najbardziej ekonomicznym i niezanieczyszczającym nośnikiem energii. Światowe zasoby wodoru są praktycznie nieograniczone. Wodór można produkować w 3 stanach skupienia. Wodór należy do paliw odnawialnych i jest nośnikiem energii, podobnie jak prąd elektryczny. Są duże możliwości wykorzystania go w transporcie - od samochodów po rakiety. Zakłada się, że po wyczerpaniu się paliw kopalnych wodór zajmie ich miejsce. W ten sposób można uniezależnić się od kryzysów ropy naftowej. W praktyce są 2 możliwości zasilania wodorem: w postaci ciekłej i gazowej.

Silniki Wankla - były kiedyś wyposażeniem samochodów wyścigowych.

Wyróżnia się 4 sposoby dostarczania wodoru do układu paliwowego:

• Zasilanie gaźnikowe

• Wtrysk wodoru do układu dolotowego silnika

• Wtrysk do kanału wylotowego przez kanał ssący

• Bezpośredni wtrysk do komory spalania

10 najważniejszych źródeł energii:

1. Antymateria

2. Ogniwa paliwowe

3. Energia jądrowa

4. Energia termiczna oceanu

5. Pływy morskie

6. Biomasa

7. Ropa naftowa

8. Energia wiatrowa

9. Węgiel kamienny

10. Energia słoneczna

Ogniwa paliwowe:

Jest to niskonapięciowe źródło prądu wytwarzające prąd stały w wyniku elektrochemicznego utleniania paliwa zwanego substancją czynną ogniwa. Ogniwa paliwowe są zaliczane do alternatywnych źródeł energii. Sposób ich wytwarzania zalicza się do kluczowych technologii XXI wieku. Ogniwa te pozwalają uzyskiwać z wodoru ekologicznie czystą energię elektryczną, co umożliwia produkcję przyjaznych dla środowiska naturalnego samochodów z napędem elektrycznym. Perspektywa produkcji pojazdów zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi może spowodować zmiany w gospodarce energetycznej, ochronie środowiska i z czasem uniezależnić gospodarkę od zasobów tradycyjnych paliw kopalnych. Pojazdy zasilane tą energią mają prawie 2 razy większą sprawność, a więc zużywają 2 razy mniej paliwa oraz generują dwa produkty wiązane - wodę i ciepło. Ogniwa paliwowe działają na zasadzie zamiany zmagazynowanej energii chemicznej bezpośrednio na energię elektryczną, przy czym emisja spalin jest praktycznie zerowa. Ogniwa nie mają ruchomych obrotowych części, co powoduje, że są cichobieżne oraz łatwe w obsługiwaniu. W wyniku elektrochemicznej reakcji tlenu i wodoru powstają 3 elementy: prąd elektryczny, ciepło i woda. Ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie w:

• Sektorach wojskowych

• Satelitach

• Rakietach kosmicznych

• Elektrowniach

• Transporcie

Wykład 7: Ekologia

Zagrożenia dla ekologii: odpady radioaktywne, odpady medyczne, złom elektryczny,

Ekologia to dziedzina biologii; nauka badająca wzajemne oddziaływania organizmów żywych i środowiska.

Oikos - dom; logos - nauka

Zakres ekologii jest szeroki i obejmuje elementy ożywione - biotyczne, a także nieożywione - abiotyczne.

Sozologia - jest to nauka zajmująca się problemami ochrony zasobów przyrody i zapewnienia trwałości ich użytkowania. Ojcem tego określenia był Blak-Walery Goetl (1962 r. )

Wiek XXI jest i będzie wiekiem ekologii. Ochrona środowiska wypiera walkę z biedą i problem bezrobocia. Zmiany klimatyczne są wyzwaniem dla współczesnego świata. Wszystkie nowoczesne technologie ekologiczne są drogie i nie wszystkie kraje mogą sobie pozwolić na ich stosowanie. Szczyt Ziemi w Rio de Janeiro - problem ochrony środowiska jest problemem nadrzędnym, od którego pochodnymi są problemy demograficzne.

Globalne ocieplenie

Globalne ocieplenie wywołało już niepokój w przyrodzie i obecnie nie jesteśmy w stanie go zwalczyć. Należy zmniejszyć skalę oddziaływania człowieka na środowisko. W efekcie ocieplenia globalnego następuje skok temperatur, efekt cieplarniany, zmiana rozkładu opadów, następuje topnienie lodowców, nasilenie burz, podniesienie poziomu morza.

Efekt cieplarniany

Polega na pochłonięciu znajdujących się w atmosferze gazów cieplarnianych, promieniowania podczerwonego odbitego od powierzchni Ziemi. Gazy, które zaabsorbowały to promieniowanie nagrzewają się i same dodatkowo wypromieniowują ciepło w kierunku Ziemi, przez co przyczyniają się do wzrostu temperatury w dolnych warstwach atmosfery. Naturany efekt cieplarniany jest niezbędny do powstania życia na Ziemi i rozwoju ludzkiej cywilizacji. Gdyby nie ciepła „kołdra” gazów cieplarnianych wokół Ziemi, temperatura mogłaby spaść do -18 stopni Celsjusza.

Etapy efektu cieplarnianego:

1. Promieniowanie słoneczne dociera do Ziemi, a 1/3 tego promieniowania odbija się i wraca w Kosmos

2. Blisko połowa promieni słonecznych pochłaniana jest przez powierzchnię Ziemi.

3. Ogrzana Ziemia oddaje ciepło, którego część trafia w Kosmos

4. Reszta ciepła jest zatrzymywana przez znajdujące się w atmosferze w nadmiarze gazy cieplarniane, które z powrotem wracają na Ziemię i dodatkowo ją ogrzewają.

Matematyka CO₂

Przed rewolucją przemysłową poziom stężenia CO₂ wynosił 280ppm. Po rozpoczęciu spalania paliw kopalnych jego poziom wzrastał. Pod koniec lat 50` jego poziom wynosił 315, a dziś - 380ppm. Granicz, której nie można przekroczyć to 450ppm. Jeśli stężenie gazów będzie stale wzrastać, to do końca tego poziomu pozostało 30 lat - do 2042.

Najważniejsze gazy:

• CO₂ - dwutlenek węgla

• CH₄ - metan

• N₂O - podtlenek azotu

• HFC - fluorowęglowodór

• PFC - fluoroperwodór

Do roku 2057 każde z poniższych rozwiązań zmniejszyłoby roczną emisję CO₂ o 1ppm:

• Wydajność i ochrona środowiska

• Zmniejszenie przebiegu rocznego

• Podniesienie sprawności

• Sprawność elektrowni węglowych z 40 do 60%

• Wychwytywanie CO₂

• Sekwestracja - zatłaczanie CO₂

• Paliwa o niskiej zawartości CO₂

• Zastąpienie węgla energią jądrową

• Wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii

• 25 krotny wzrost energii wiatrowej/700 krotny wzrost energii słonecznej

• 50 krotny wzrost energii jądrowej do produkcji węgla

• 50 krotny wzrost etanolu

• Zaprzestanie wyrębu lasów

Polskie samochody produkują 142-172 g CO₂/km.

Wykład 8: Recykling

Recykling jest to zawracanie do obiegu. (ang. Recycle - zawracać do obiegu, ponownie wprowadzać do obiegu, wielokrotne użycie).

Recykling jest to proces podobnego przetwórstwa materiałów odpadowych, prowadzony w celu wytworzenia wyrobu o przeznaczeniu pierwotnym lub o innych przeznaczeniach, w tym recykling organiczny ale z wyłączeniem odzysku energii. Zgodnie z normą PN-EBN 13 430 proces recyklingu to fizyczny i/lub chemiczny proces w którym przetwarzane są zebrane i posortowane opakowania poużytkowe oraz ich odpady w celu utworzenia surowca wtórnego a następnie wyrobu finalnego i surowca wtórnego lub z udziałem surowca wtórnego. Recykling jest procesem mogącym obejmować kilka etapów. Wstępne etapy: segregacja, mycie, oczyszczanie, przygotowanie do przetworzenia kończące się wytworzeniem wyrobu finalnego lub materiału wykorzystywanego do produkcji wyrobu finalnego przeznaczonego do ostatecznego użytkownika. Są to procesy zawracania materiałów pochodzących z odpadów do cyklu produkcyjnego. Wyróżniamy Recykling organiczny (kompostowanie) i materiałowy. Recykling jest to system wielokrotnego wykorzystania tych samych materiałów jako surowców do produkcji kolejnych dóbr materiałowych i użytkowych. Materiały będące w użytku powinny być odzyskiwane aby w jak największym stopniu były uszczuplane, wyczerpujące się zasoby naturalne. Zużyte materiały zwierają energię, tracą ją gdy są wyrzucane na wysypisko. Recykling materiałów jest więc bardzo pożądany. Głównym celem jest oszczędność surowców materiałowych i ochrona środowiska materiałowego człowieka. Możliwe jest odzyskiwanie złomu metalowego (stalowego) (stal, żeliwo, staliwo). Odzyskiwanie szkła, tworzyw sztucznych, makulatury, olejów, gumy, urządzeń elektronicznych, metali szlachetnych. O produkcji mówi się że jest ekologiczna gdy 75% części nadaje się do ponownego przetworzenia i wprowadzenia do produkcji.

Surowce, energia

wejście

Produkcja, eksploatacja, konsumpcja

wyjście

Szkodliwa emisja do wód, gleb, powietrza. ODOPADY

Uproszczony schemat oddziaływania konsumpcji na środowisko

1. rozpoznanie potrzeby

2. sformułowanie założeń projektowych i konstrukcyjnych

3. opracowanie dokumentacji technicznych (zapis konstrukcji)

4. produkcja(wytwarzanie)

5. Produkt (wytwór)

6. dystrybucja

7. eksploatacja

8. likwidacja (kasacja)

9. recykling

Przemysłowy proces wytwarzania, schemat działowy poszczególnych faz w czasie.

Cechy projektowania ekologicznego:

0. funkcjonalność i bezpieczeństwo

0. określona niezawodność i jakość

0. małe zużycie energii w procesie produkcji i w czasie eksploatacji

0. zminimalizowana ilość materiału, z małą ilością odpadów

0. minimalne i łatwe do likwidacji opakowanie

0. łatwość demontażu

0. mała ilość tworzyw sztucznych

Ważne podczas recyklingu jest rozróżnienie materiałów wiec powinny być oznakowane. Materiały mogą oddziaływać na środowisko naturalne w 3 etapach życia produktu:

0. procesie wytwarzania i przetwarzania materiału

0. w czasie użytkowania produktu

0. w etapie zagospodarowania etapów powstających po jego złomowaniu.

Uwzględnianie tych czynników spowodowało rozwój nowych procesów technologicznych, eliminujących szczególnie szkodliwe materiały i nakładających presją na bardziej efektywny recykling. Potrzebą dnia dzisiejszego jest wprowadzenie do procesu projektowania wyrobów, produktów, analiz dotyczących przyjaznych środowisku technologii. Należy to do zadań projektowania.

Odpady elektroniczne 100%

zużyte podzespoły 10% do wykorzystania 85% zużyte części 5%

odpady specjalne 8% specjalne 13% recykling 64%

Recykling:

0. złom żelazny, metale kolorowe

0. szkło

0. metale szlachetne

0. aluminium i stale ulepszone

0. tworzywa sztuczne

0. inne

Recykling to nowa dziedzina obejmująca techniczne, technologiczne i organizacyjne działania mające na celu odzyskiwanie zespołów, części, podzespołów i materiałów oraz energii z wycofanych z eksploatacji(zużytych, uszkodzonych środków transportu). Największe zagrożenie ze względu na ilość i różnorodność oddziaływania na środowisko ma transport samochodowy.

Rozróżnia się 3 rodzaje recyklingu:

0. materiałowy - przetwarzanie zużytych materiałów na produkt pierwotny)

0. energetyczny - wykorzystanie energii cieplnej w niektórych materiałach np. Opony. Dioksyny, furany- to związki rakotwórcze, mogą zmienić DNA, powstają ze spalania opon.

0. Produktowy - ponowne wykorzystanie części będących w dobrym stanie technicznym, tzw. Recykling bezpośredni

Odpady o kodzie 160104 - pojazdy wycofane z eksploatacji i przetwarzane w sposób bezpieczny dla środowiska i zdrowia ludzi, musi nastąpić usunięcie płynów, czynnika chłodzącego , paliw, freony, usunięcie płynu ze spryskiwaczy, wymontowanie filtru oleju, akumulatora, zbiornika paliw, opon, szyb, hamulców, poduszek powietrznych, po demontażu powstaje odpad o kodzie 160106

Z 500 ts. Samochodów osobowych można otrzymać 350 tys Mg złomu żelaznego, 17 tys Mg metali kolorowych, 29 tys Mg tworzyw sztucznych. Mg- Megagram, 14 tys Mg gumy, 2840 Mg olejów, 970 Mg ołowiu

Metody demontażu samochodów:

0. demontaż destrukcyjny (rozdrabnianie): rozdrabnianie, strzępiarka

0. demontaż niedestrukcyjny :pełny demontaż, selekcyjny demontaż, regeneracja,

Recykling powinien być traktowany jako ważne działanie w okresie całego życia technicznego pojazdu od założeń koncepcyjnych aż po ostateczne złomowanie. Na etapie projektowania wykorzystywane są materiały zdatne do recyklingu oraz rozwiązania uwzględniające łatwość demontażu. W procesie tym wykorzystywane są informacje od wszystkich ogniw łańcucha recyklingu.

Wykład 10: Udział robotów i robotyki w technice

1. Robot to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, mające określony poziom energetyczny, informatyczny i inteligencji maszynowej.

2. Definicja międzynarodowa robota przemysłowego ustalona przez ISO ITR 8373. Manipulacyjny robot przemysłowy jest automatyczną sterownią programowalną i wielozadaniową maszyną manipulacyjną o wielu stopniach swobody. Posiadającą własności manipulacyjne lub lokomocyjne. Jest maszyną stacjonarną lub mobilną do ważnych zastosowań przemysłowych i specjalnych.

Robotyka- to interdyscyplinarna dziedzina wiedzy działająca na styku mechaniki, automatyki, elektroniki, sensoryki, cybernetyki oraz informatyki. Domeną robotyki są również rozważania nad sztuczną inteligencją. W niektórych środowiskach jest wręcz z nią utożsamiana.

Mechatronika- zbiór mechaniki, informatyki, elektroniki, technik wytwarzania i eksploatacji.

Geneza słownictwa:

1727 - android - z gr. Andros, mężczyzna, człowiek, robot mający postać człowieka. Pierwsze użycie - filozof i alchemik niemiecki Albertus Magnus

1921 - robot- czeski pisarz K. Capek, w sztuce „R.U.R.” czyli „Roboty uniwersalne Rossuma” po czesku robot -ciężka przymusowa praca

1940 - Izaak Asimov rozpowszechnił słowo robotyka

1941 - rozpowszechnienie słowa robotyka, pokazało się w Anglii, w opowiadaniu

1973 - 1 numer czasopisma „Roboty przemysłowe”

1985 - Japonia(przodująca na świecie) lider w projektowaniu, rozwoju, budowie i zastosowaniu tych urządzeń

3 prawa robotyki Asimova:

• robot nie podejmuje żadnej akcji skierowanej przeciw istocie ludzkiej, ani nie dopuści się do jej zagrożenia poprzez zaniechanie akcji(robot nie może skrzywdzić człowieka)

• Robot będzie wypełniał rozkazy wydawane przez istoty ludzkie, chyba że jest to sprzeczne z 1 prawem.(Robot musi być posłuszny rozkazom człowieka)

• Robot będzie zapobiegał destrukcji dopóki nie jest to w sprzeczności z 1 i 2 prawem (robot musi chronić sam siebie)

• Prawo nadrzędne (zerowe/4)- robot nie może skrzywdzić ludzkości ani przez zaniechanie działania doprowadzić do uszczerbku ludzkości.

Charakterystyczne cechy robota:

0. posiada pewną autonomię

0. posiada zdolności sprawcze

0. redukuje koszty wytworzenia

0. zwiększa precyzję i produktywność

0. zwiększa elastyczność

0. powala na uwolnienie człowieka od wykonywania przez niego czynności uważanych za nudne, powtarzalne, niebezpieczne

0. może pełnić funkcje reprezentacyjne

0. Klasyfikacja robotów: można podzielić je na klasy ze względu

0. na rodzaj zasilania(hydrauliczne, elektryczny, pneumatyczny)

0. mobilność(stacjonarne, mobilne)

0. posiadanie posiadanie zdolności ruchowej

0. rodzaj zastosowanych przegubów

0. sztywność przegubów i ramion

0. przynależność d generacji robotów

0. poziom integracji

0. poziom języka programowania

Podziały robotyki

0. robotyka teoretyczna

0. robotyka ogólna

0. robotyka metrologiczna

0. robotyka maszyn lokalizujących

0. robotyka medyczna i rehabilitacyjna

0. robotyka przemysłowa

0. robotyka pozaprzemysłowa(rozrywkowa)

0. sztuczna inteligencja

Czynności wykonywane w przemyśle samochodowym

0. zgrzewanie, cechy: szybkość, dokładność, powtarzalność, bezpieczeństwo pracy.

0. Natryskowe malowanie

0. zastosowanie w pracach montażowych, montaż automatyczny lub półautomatyczny

0. roboty do przenoszenia materiałów i załadunku palet

0. roboty stosowane do obróbki materiałów

0. roboty laboratoryjne (duża dokładność)

0. roboty do utylizacji i zabezpieczania odpadów

0. roboty usługowe( do tankowania paliwa, do prac podwodnych)

0. roboty do realizowania wybranych funkcji podobnych do funkcji zwierząt, owadów, posiadających kończyny

- 1999 firma sony, mechaniczny pies Aibo- zabawka, robot rozrywkowy

- 1999 robot medyczny Zeus, robot medyczny da Vinci- powstał na zlecenie pentagonu, 1 z najbardziej zaawansowanych na świecie,wspierający operacje

0. 2000 Asimo- humanoid podobny do człowieka, odtwarza ruchy ludzi

0. 2001 Koncern Sony , 2 generacja psa Aibo

0. 2003trzecia generacja psa Aibo

0. 2003- sony- robot humanoidalny, Qurio, śpiewa, tańczy, biega, po raz 1 odrywa 2 stopy od ziemi

0. 2005 Philips- robot przypominający kota, z twarzą kota wyrażającą emocje, esty, mimika, rusza oczyma, rzęsami, brwiami

0. 2005 Korea Pd robot Hubo, najinteligentniejszy na świecie

0. 2006 Ever 2 , robot humanoidalny, przypomina kobietę, 60kg, 160cm. Rozumie 400 słów, nawiązuje kontakt wzrokowy, rozpoznaje twarze, porusza wargami, odtwarza ludzką mimikę twarzy, wykorzystywany jako nauczyciel, lub do oprowadzania po muzeum

0. 2006 japońscy naukowcy, robot rozpoznający gatunki wina, bez otwierania, dokonuje analizy poprzez podczerwień i mówi jakie wino pasuje do danych potraw

0. 2006 Toyota model zrobotyzowanej skaczącej nogi.

0. Bacdacze norwescy- napędzany pneumatycznie, przypominający węża robot ANNA KONDA, przedziera się przez ściay, ratuje życie w krytycznych sytuacjach

0. 2006 powstaje w Japonii pierwsze muzeum robotów, w sklepach i restauracjach obsługują roboty

0. 2007 naukowcy Brytyjscy, robot rozpoznający emocje, posługujący ię dotykiem, rozpoznaje język ciała ludzi, reaguje na stany emocjonalne

0. 2007 Korea Pd wydaje karte etyki robotów regulującą stosunki człowiek-robot

0. 2007 HUBO pierwszy robot na świecie posługujący się Sagweyem PT

Roboty najnowszej generacji

• dziecko NASA, Pralen, robot do specjalnych zadań, zajmuje się człowiekiem na polu walki, zszywa rannego żołnierza, zajmuje się astronautami, mały, lekki, może być sterowany przez internet

• Gdańszczanin stworzył keepon, Marek Michałowski, robot tańczy, nie gubi rytmu, wystarczy zagrać, reaguje na muzykę i podsuwane mu pod nos zabawki. W oczach ma 2 kamery , rozpoznaje co się wkoło dzieje

• robot Inspektor, robot Ekspert, stworzone przez Polaków. Inspektor 550 kg, porusza się po schodach, unieszkodliwia ładunki wybuchowe, przepycha 1,5 tonowe pojazdy, pracuje do 800m od stanowiska kierowniczego ,ma 15 calowy monitor pokazujący obraz z 4 kamer. Wykorzystywane przez wojsko i policję. Ekspert- 180 kg, mały, zwrotny, dociera do zakamarków i szczelin, porusza się jak gąsienica , demontuje ładunki wybuchowe, przenosi bomby, 6 kamer, widzi w obrębie 360stopni, pracuje w każdych warunkach pogodowych, kierowany systemem radiowym lub przez 2 kable.

• Android Geminoid H1- robot może wyrażać uczucia, wykonany przez profesora Hiroshi Ishiguno, robot podobny do niego, prowadzi za niego wykłady, wyglądają jak bliźniacy

• Japoński robot humanoidalny podnoszący ciężary, 70kg waży, porusza się podobnie jak człowiek, 1800 czujników dotyku

• Leonardo- Japonia- skomplikowany system sztucznych stawów i mięśni. Przypomina żywe stworzenie. Jego ruchami steruje człowiek

Budowa robotów na świecie:

0. Japonia 349 stanowisk zrobotyzowanych na 10000 stanowisk pracy

0. Korea 187

0. Niemcy 186

0. Włochy 138

0. Szwecja 123

0. Finlandia 101

0. Stany 89

0. Francja 82

Roboty to urządzenia będące podstawowym wyposażeniem w nowoczesnych halach produkcyjnych. Korzyści wynikające z robotyzacji i automatyzacji widać wyraźnie w przemyśle samochodowym, okrętowym, lotniczym, zbrojeniowym, komunikacyjnym, medycznym, energetycznym i rolniczym. Upowszechnienie automatyzacji i robotyzacji jest pożądane gdyż rosnąca konkurencyjność gospodarki i postępujący w skali światowej proces globalizacji wymuszają obniżenie kosztów produkcji, zwiększenie jakości i niezawodności oraz skracanie czasu na jego wytworzenie.

27

Metale

Cera

mika

Elasto

mery

Poli

mery

Szkła

Kompo

zyty

---