ФИЗИКА — ФУНДАМЕНТ ВСЕГО
С какой силой давит на фундамент бетонная колонна высотой 10 м и площадью поперечного сечения 0.5 м²? (Плотность бетона ~ 2300 кг/м³).
F = mg = ρVg = 2300 (100.5) 10 ≈ 115 000 Н (≈ 11.5 тонн-силы).
Какая простая геометрическая операция, часто используемая в программах для 3D-моделирования (как Blender или КОМПАС), позволяет создать деталь «гайка» или «шестеренка» из круга?
Выдавливание (Экструзия, Extrude).
Какой материал, меняющий свою форму под действием температуры, уже используется в медицинских стентах и спутниковых антеннах?
Сплавы с памятью формы (нитинол).
Что делает обычный бытовой прибор — «умная розетка» (smart plug) — для экономии электроэнергии? Назовите её основную функцию.
Она позволяет дистанционно отключать питание приборов, стоящих в режиме ожидания («standby»), тем самым устраняя «фантомное» потребление энергии. Некоторые модели также ведут учёт потребления
Застёжка-липучка была изобретена после изучения репейника, а форма скоростного поезда — после наблюдения за зимородком, ныряющим в воду. Как называется этот метод заимствования идей у природы для решения инженерных задач?
Биомиметика (или бионика).
Какое физическое явление лежит в основе работы всех современных гироскопических стабилизаторов, от смартфонов до систем ориентации спутников?
Закон сохранения момента импульса (гироскопический эффект)
Как называется процесс проверки и тестирования изделия (например, узла автомобиля) на компьютере еще до создания реального образца? Это экономит миллионы рублей.
Компьютерное моделирование / CAE-анализ (например, прочностной, тепловой или аэродинамический).
Какой принцип, подсмотренный у природы, используется для создания сверхпрочных и легких композитных материалов, например, углепластика?
Принцип композиции (сочетание разнородных материалов) и часто — слоистая структура.
Как называется современная инженерная система отопления/охлаждения дома, которая использует постоянную температуру грунта на глубине и работает по принципу теплового насоса?
Геотермальный (или грунтовой) тепловой насос.
Предложите простое инженерное решение для распространённой проблемы: дверь в школьный кабинет постоянно хлопает из-за сквозняка, мешая уроку. Без использования доводчика.
Установить на нижний торец двери простой регулируемый винтовой упор (как на ножке мебели), который будет слегка приподнимать дверь и создавать трение о пол. Или: Прикрепить к косяку полоску плотного поролона или упругой резины, которая будет амортизировать и «ловить» дверь.
Автомобиль массой 1,5 тонны движется по выпуклому мосту с радиусом кривизны 100 м. С какой скоростью он должен ехать в верхней точке, чтобы его вес уменьшился вдвое по сравнению с весом на горизонтальной дороге? (g ≈ 10 м/с²).
v ≈ 22.4 м/с ≈ 80 км/ч.
Ваш смартфон автоматически поворачивает изображение на экране, когда вы меняете его ориентацию. Какой миниатюрный электронный компонент, основанный на законе инерции, позволяет ему это делать?
Акселерометр (или гироскоп).
Что такое «биомиметика»? Приведите пример инженерного решения.
Заимствование идей у природы. Пример: шипы-застежки Velcro (репейник), обтекаемая форма скоростного поезда (клюв зимородка), лотоэффект для самоочищающихся поверхностей.
Инженеры борются за каждый процент коэффициента полезного действия (КПД). Почему у обычной лампы накаливания такой низкий КПД (около 5%) и на что тратится основная часть энергии?
Низкий КПД связан с тем, что основная часть электроэнергии тратится не на свет, а на нагрев нити (тепловое излучение). Лампочка работает больше как мини-обогреватель, а не как источник света.
Перед вами обычная шариковая ручка. Какие два инженерных улучшения (функциональных, эргономических, экологических) вы могли бы предложить для её модификации?
1) Встроенный стирающий колпачок-корректор для чернил на основе масла.
2) Корпус из биоразлагаемого пластика или переработанного материала.
3) Треугольная прорезиненная рукоятка с местом для гравировки имени.
4) Индикатор уровня чернил.
Вы - инженер-испытатель. Вам нужно экспериментально определить коэффициент трения скольжения между новой пластиковой деталью и сталью, имея только саму деталь, стальную пластину, динамометр и линейку. Опишите порядок ваших действий и формулу для расчета
1) Измеряем вес детали динамометром (N = mg).
2) Равномерно тянем деталь по стальной пластине динамометром, фиксируя силу тяги Fтр.
3) Коэффициент трения μ = Fтр / N. (Можно усложнить: если деталь не тянуть равномерно, а начать срывать с места, будем измерять коэффициент трения покоя).
Сервисы карт (Яндекс.Карты, Google Maps) в режиме реального времени показывают пробки. Какой основной источник данных они для этого используют от обычных пользователей?
Анонимные данные о скорости и местоположении с GPS-датчиков в смартфонах и навигаторах пользователей, которые находятся в дороге
Какое уникальное свойство графена делает его перспективным для создания сверхбыстрой электроники?
Чрезвычайно высокая подвижность электронов (они ведут себя как безмассовые частицы, перемещаясь со скоростью ~1/300 скорости света).
Сейчас в электромобилях чаще всего используют литий-ионные аккумуляторы. Назовите одну из главных инженерных проблем, связанную с их массовым производством и утилизацией.
Проблема дефицита и неравномерного распределения редких металлов (кобальт, литий) или проблема безопасной переработки (пожароопасность, токсичные отходы) отработавших батарей.
Знаменитый клей, который сначала считался неудачным (очень слабо клеил), позже стал основой для одного из самых популярных офисных изобретений. Что это за изобретение и в чём заключался «креативный поворот» в его создании?
Стикеры (листочки Post-it). Инженерный «поворот» заключался не в том, чтобы заставить клей клеить сильнее, а в том, чтобы использовать его свойство слабого временного сцепления как преимущество для создания переиспользуемых заметок.
Эта область инженерии и физики занимается созданием устройств и материалов, размеры которых сопоставимы с размерами молекул и атомов. Назовите её и хотя бы одно перспективное применение в медицине или электронике
Нанотехнологии (или наноинженерия). Применение: Любой один пример на выбор:
1) В медицине — адресная доставка лекарств к больным клеткам с помощью наночастиц.
2) В электронике — создание более быстрых и энергоэффективных процессоров с нанотранзисторами.
3) Новые сверхпрочные и легкие нанокомпозитные материалы.
По какому принципу работает большинство систем распознавания лиц в телефонах или системах безопасности? Они не хранят фотографию целиком.
Они создают и хранят цифровой отпечаток лица (математический шаблон, вектор признаков) — уникальный набор параметров (расстояние между глазами, форма скул и т.д.), который затем сравнивается с новым изображением
Назовите хотя бы два других перспективных аллотропных видоизменения углерода (кроме графена и алмаза), имеющих уникальные инженерные перспективы.
Углеродные нанотрубки, фуллерены (C60), карбин, нанопена.
Почему современные промышленные ветрогенераторы имеют всего три лопасти, а не пять или десять, которые, казалось бы, могли бы захватывать больше ветра?
Это оптимальный инженерный компромисс. Увеличение числа лопастей: 1) Сильно увеличивает стоимость и массу конструкции. 2) Создает больше аэродинамических помех (турбулентности) для последующих лопастей, снижая общий КПД. Три лопасти обеспечивают максимальное отношение вырабатываемой мощности к стоимости, массе и сложности конструкции, а также приемлемый уровень шума и вибраций.
Вам поручено решить проблему: во дворе новой высотки зимой образуются опасные сосульки. Предложите системное решение, рассматривая здание не просто как стены и крышу, а как единый тепловой контур. Что может быть причиной и как её устранить на уровне проектирования/управления?
Причина: Сосульки образуются из-за утечки тепла из здания, которое подтапливает снег на крыше. Системное решение:
1) Улучшение теплоизоляции чердачного перекрытия и кровли.
2) Правильная организация вентиляции подкровельного пространства для отвода тёплого воздуха.
3) Установка греющих кабелей в водосточных системах не как основного метода, а как аварийного на уже проблемных участках. Главная мысль — бороться не со следствием (сосульками), а с причиной (теплопотерями).