Физика в строительстве

Содержание. 
 

1. Физические  основы строительства.

2. Физические  основы вентиляции.

3. Геодезическое  оборудование, созданное на основании законов оптики, применяемое в строительстве.

3.1 Тахеометр  и его устройство.

3.2 Нивелир  и его устройство.

3.3 Теодолит  и его устройство.

4 Голография  и топографическая интерферометрия в строительстве.

4.1 Физические  принципы голографии.

Заключение.

Список  литературы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Физические основы строительства. 

      Физические процессы, проистекающие  в природе, означают изменение  формы тела, его положения или  агрегатного состояния.

     Строительные работы проводятся в физическом разрезе так, что все изменения физического состояния тел можно проследить и измерить. Изменения массы, длины и ширины, времени и температуры тел измеряются и документируются. Также и запланированные изменения физического состояния материалов принимаются в расчет с тем, чтобы по окончанию строительных работ выйти на нужные показатели.

     Изменение формы предметов, например, изгиб арматуры, выполняется при помощи машин и механизмов. Изменение положение происходит, например, при возведении стен, когда готовые стеновые блоки и панели устанавливаются при помощи подъемного устройства.

     Изменение состояния вещества можно наблюдать на примере увлажнения бетона, когда при увлажнении бетона после укладки вода, которая разбрызгивается по его поверхности, испаряется или впитывается. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Физические основы вентиляции. 

     Известно, что нагретый воздух имеет меньший удельный вес чем холодный (рис.1), и поэтому вытесняется более тяжелым холодным воздухом и поднимается вверх. Это свойство нагретого воздуха используется не только для подъема монгольфьеров – летательных аппаратов легче воздуха, но и для создания тяги в отопительных устройствах. И, что более важно для нас, для охлаждения узлов РЭА, когда естественная тяга является основной в корпусах с естественной вентиляцией.

    В корпусах с принудительной вентиляцией эта тяга может как улучшать характеристики системы вентиляции, так и ухудшать их при неправильном размещении вентилирующих устройств.

     

    График зависимости уд. веса воздуха от температуры показан на рис.1.

                                                    Рис.1

      Отвод тепла из корпусов РЭА осуществляется воздухом, за счет выноса проходящим потоком избыточного тепла и замещения его в корпусе более холодным внешним воздухом. Это замещение создает проходящий поток воздуха. Он возникает по естественным причинам – разности температур или соответственно разности удельных весов наружного и внутреннего воздуха.  Это естественная вентиляция.

     При значительных избытках тепла, низкой температуре наружного воздуха в корпусах РЭА без принудительной вентиляции могут осуществляться воздухообмены, достигающие нескольких десятков кубических метров в час.

      Воздушные потоки, обеспечивающие  теплообмен могут создаваться  и существовать за счет внешнего  нагнетающего (вытягивающего) электромеханического  устройства – вентилятора. Этот  вид вентиляции требует дополнительных  энергозатрат, повышает уровень шума блоков и снижает надежность конструкции РЭА.

   Конструкция корпуса выбирается  исходя из возможности применения  того или иного вида его  вентиляции.

        Например, в низко профильных корпусах отсутствует перепада высоты между центрами вентиляционных отверстий, это делает невозможным применение естественной вентиляции. В таких корпусах возможно применение только принудительной вентиляции.

Из курса  физики известно, для изобарного (при  постоянном давлении) процесса нагрева  газа массой m, количество теплоты, полученное им – W увеличивает его температуру на Δt.

W = m•c•Δt = Lпр•ρ•с•Δt (Дж/час)

где m = Lпр • ρ - это масса участвующего в охлаждении воздуха, а

               Lпр - расход

               ρ-удельный вес воздуха.

     

   Когда вентиляция предназначена для удаления тепла из вентилируемого объема,  объем приточного воздуха и количество отводимого тепла  определяется из выражения:

Lпр = W/(tух - tпр)* ρпр* С        (м3/час) или

где: W – отводимые избытки тепла Дж/час,

tух – температура воздуха уходящего из вентилируемого объема,

tпр –температура приточного воздуха,

ρпр – удельный вес приточного воздуха в кг/м3,

С –  теплоемкость воздуха в Дж/кг град,

Lпр – объем приточного воздуха м3/час. 

или

W = Lпр *(tух - tпр)*ρпр* С  (Вт)  

где: W – отводимые избытки тепла Вт,

tух – температура воздуха уходящего из вентилируемого объема,

tпр –температура приточного воздуха,

ρпр – удельный вес приточного воздуха в кг/м3,

С –  теплоемкость воздуха в Дж/кг град,

Lпр – объем приточного воздуха м3/сек.

 

3. Геодезическое оборудование, созданное на основании

законов оптики, применяемое в строительстве. 

     Геодезия – одна из древнейших  прикладных наук, история цивилизации  неразрывно связана с геодезией.  Путешественникам были необходимы  карты, подробные топографические  планы и приборы навигации  для определения собственного положения (координат). Важной частью кадастровых работ является определение координат границ землевладений. А для военного дела всегда нужны были подробные, точные и достоверные карты. Геодезические работы невозможны без качественного геодезического оборудования (электронные тахеометры, спутниковые приемники, нивелиры, лазерные дальномеры и т.д.) и программного обеспечения.

    В строительстве с помощью  геодезических инструментов, решают  задачи связанные с составлением  топографических планов местности,  составлением генерального плана  участка застройки. Также геодезическое  оборудование основанное преимущественно на законах оптики необходимо при строительстве промышленных и гражданских объектов, так как с помощью них решаются вопросы вертикальности зданий, определяются проектные значения высот и положения основных осей, что позволяет исключить большую погрешность строительства, связанную с несовершенством строительных процессов. 
 
 
 

3.1 Тахеометр и его устройство. 

     Тахеометр — геодезический прибор для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Используется для вычисления координат и высот точек местности при топографической съёмке местности, при разбивочных работах, переносе на местность высот и координат проектных точек. 

   

  Тахеометр ТП: 1 — цилиндрический уровень; 2 — окуляры зрительной трубы и микроскопа; 3 и 4 — закрепительный и наводящий винты вертикального круга; 5 и 6 — то же горизонтального круга.

   Тахеометры, в которых все устройства (угломерные, дальномерные, зрительная труба, клавиатура, процессор) объединены в один механизм, называют интегрированными тахеометрами.

     Тахеометры, которые состоят из отдельно сконструированного теодолита (электронного или оптического) и светодальномера, называют модульными тахеометрами. 
 
 
 
 

3.2 Нивелир и его  устройство. 

     Нивелир (от франц. niveler — выравнивать, niveau — уровень), геодезический инструмент для измерения превышения точек земной поверхности — нивелирования, а также для задания горизонтальных направлений при монтажных и т.п. работах. Наибольшее распространение имеют оптико-механические нивелиры, снабженные зрительной трубой, при помощи которой производят отсчёт по рейке. Перед отсчётом визирную линию зрительной трубы устанавливают горизонтально при помощи уровня; в Нивелир с самоустанавливающейся линией визирования это осуществляется автоматически.

    Всю конструкцию нивелира, можно  разбить на три основных блока  (рис. 1): наведения, ориентирования  и измерения. 

рис.1 Структурная схема нивелира

   Назначение устройства наведения  заключается в обеспечении наведения  визирной оси зрительной трубы  по отношению к объекту наблюдений (рейке).

    По сравнению с теодолитом  точность наведения на рейку  не играет существенной роли, так как отсчет по горизонтальной  нити может быть произведен  на любом ее участке. Если  отсчет по рейке производится  с помощью углового биссектора высокоточного нивелира, то в зависимости от расстояния до рейки используются различные участки этого биссектора.

     Назначение устройств ориентирования заключается в обеспечении однозначного ориентирования визирной оси нивелира относительно отвесной линии.

     По сравнению с теодолитом требуемая точность выполнения ориентирования у нивелиров выше в несколько раз. Назначение рабочих мер состоит в обеспечении измерения превышения на станции. В отличие от процесса измерения углов при нивелировании используются рабочие меры, являющиеся частями конструкций как нивелира, так и визирных целей (реек).

рис. 2

      Принципиальная схема нивелира с уровнем приведена на рис. 2.

      Основными частями нивелира с уровнем являются зрительная труба 1, цилиндрический уровень 2, трегер 3 и элевационный винт 4. В высокоточных нивелирах перед объективом устанавливается плоскопараллельная пластинка 5, которая является составной частью оптического микрометра; при этом оптический микрометр, в свою очередь, является составной частью общей конструкции нивелира. Последние модификации точных нивелиров также снабжаются оптическим микрометром, который представляет собой, надеваемую на объектив, насадку. При нивелировании технической точности насадкой (оптическим микрометром) можно не пользоваться или ее можно снять вообще.

   

3.3 Теодолит и его  устройство. 

    Теодолит – это прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов, используемый для триангуляции. Он является основным инструментом в геодезических и инженерных измерениях. Происхождение слова "теодолит", по-видимому, связано с греческими словами theomai смотрю, вижу и dolichos - длинный, далеко. Его часто используют в метеорологии или при запуске ракет. Современный теодолит представляет собой оптическую трубу, движущуюся по двум перпендикулярным осям, горизонтальной и вертикальной. Если оптическая труба направлена на желаемый объект, угол каждой из этих осей может быть измерен с высокой точностью, обычно по шкале, градуированной в угловых секундах.

    На обеих осях теодолита имеются  градуированные круги, значения  с которых можно считать с  помощью увеличивающих линз.

         Горизонтальный и вертикальный  круги являются главными частями  теодолита — угломерного прибора,  при помощи которого измеряют  горизонтальные и вертикальные  углы.

На рисунке  приведена схема теодолита.

 

Схема теодолита: 1 — стеклянный горизонтальный круг;

2 —  стеклянный вертикальный круг; 3 — алидада; 4 — зрительная труба; 5 — колонка; 6 — цилиндрический  уровень; 1 — окулярная часть отсчетного  микроскопа; 8 — подъемный винт; 9 — подставка; 10 — головка штатива; 11 — закрепительный винт 
 
 

   Теодолит устанавливается на треноге или трегере, имеющих четыре винта (или в некоторых современных теодолитах – три винта) для его быстрого горизонтирования. Перед использованием теодолит должен быть установлен строго вертикально над измеряемой точкой (отцентрован), и его вертикальная ось должна быть выровнена с местной силой тяжести (выровнен). В ранних моделях теодолитов это делалось с помощью свинцового, лазерного или оптического отвеса, в поздних используется ватерпас. Для быстрого и точного центрования и выравнивания существуют специальные методы.