Форма конусообразная: Конусообразные формы купить дешево — низкие цены, бесплатная доставка в интернет-магазине Joom

Содержание

Сосед, работающий пожарным, объяснил, почему у пожарного ведра конусообразная форма

Наверное каждый хоть раз в жизни видел пожарный щит. И наверняка вы задумывались о том, почему ведра для тушения пожара имеют странную коническую форму. Сосед, работающий пожарным, объяснил, почему у пожарного ведра конусообразная форма.

Скорее всего, создатели пожарных ведер не думали об оригинальности их внешнего вида и желании выделиться. Ключевым фактором явилась максимальная практичность.

Еще давным давно на флоте ведра в форме конуса шили из специальной многослойной парусины. Это позволяло не тратить много денег на их пошив, так как эта ткань была доступна, а также на изготовление конусных ведер уходило мало времени. Также достаточно важным фактором было то, что отсутствовали лишние швы.

Когда в Англии были организованы первые пожарные службы, в них служили преимущественно бывшие моряки. Они-то и начали применялись ведра схожей формы при тушении пожаров. В результате такая традиция распространилась буквально по всему миру.

Особенности изготовления

Благодаря такой причудливой форме не нужно припаивать днище, что упрощает производственный процесс. Обеспечивается выгодный раскрой такого ведра - минимальный расход жести позволяет обеспечить максимальную его наполняемость, а это до 8 литров воды.

Борьба с кражей

Ведро в форме конуса не украдут с пожарного щита, ведь в быту оно вряд ли пригодится.

Пожарная наука

Благодаря малому объему и конусовидной форме, ведра позволяют достаточно быстро погасить возгорание:

  • Их можно использовать в качестве кроящего предмета.
  • Особая форма позволяет избежать расплескивание воды во время тушения пожара. Вода из стандартного ведра выливается не равномерно. Вода из пожарного ведра буквально всегда выливается одной струей.
  • При пожаре часто требуется бежать с полным ведром воды. Его форма в виде конуса позволяет пожарнику не отбить при этом ноги. Если использовать ведро с плоским днищем, то можно моментально повредить голень.
  • Такими ведрами намного легче зачерпывать песок.

Форма конуса обеспечивает пожарному ведру максимальную жесткость, оно не разрушается и не деформируется при падении.

Самое интересное, что такое ведро придумали специально для того, чтобы во время пожара никто не отдыхал, сидя на ведре: его не поставишь и не сядешь на него «перекурить».

Ведро конусной формы вы не сможете поставить на землю – оно, конечно же, завалится. Кроме этого, коническая форма ведра необходима для того, чтобы при падении пожарного бойца вода все равно попала на огонь.

Почему пожарное ведро конусообразное: ответ и разъяснение

Пожарное ведро – это пожарный инвентарь, относящийся к первичным средствам пожаротушения и предназначенный для использования работниками организаций, личным составом подразделений пожарной охраны и иными лицами в целях борьбы с пожарами. Пожарное ведро располагается на пожарных щитах вблизи объектов защиты.

Пожарное ведро

История

Наиболее распространенной версией происхождения пожарных ведер в виде конуса считается версия, что они были изобретены и применялись при тушении пожаров на флоте в Европе. На кораблях «ведра» изготовляли из многослойной парусины и сшивались в форме конуса (так можно было максимально быстро изготовить изделие). С течением времени такую форму переняли в Англии первые пожарные команды, в которых было немало отставных моряков Королевского флота. Однако эта версия ничем не подтверждена… ни на гравюрах, ни на картинах тех времен, ни в какой-либо литературе конусных ведер нет.

Почему конусообразное

Как мы уже выяснили – ведра предназначены для тушения пожаров не были коническими. Попытаемся понять, какая причина послужила тому, что на сегодняшний день оно имеет коническую форму?

Миф 1

«Историческая версия». На Руси, до изобретения пожарных труб (насосов), пожары тушили вручную – сбегалось, как правило, всё село. Люди становились «цепочкой» у ближайшего водоема и передавали ведра друг другу, а так как ведро было конусной формы, то никто не мог остановиться и передохнуть – ведь такое ведро не поставишь и не сядешь на него «перекурить»! Но как мы видим на картинах и гравюрах – ведра обычные – плоскодонные.

Миф 2

В ведре, изготовленном в виде конуса, не возникают схлопывания при выбросе воды

, в связи с этим жидкость не расплескивается по сторонам, вылетает на большее расстояние и целенаправленно. Но по законам гидравлики, курс которой входит в программу обучения пожарных специалистов, форма струи, а также её характеристики (расход жидкости за единицу времени, угол падения и дальность) зависят от сечения насадка, т.е. его формы и диаметра отверстия, а никак не от формы сосуда, из которого вода истекает. Таким образом, форма, в нашем случае конусная, на характеристики струи не влияет и реальной помощи оказать не может.

Первые конусные ведра массово обнаруживаются на американских железных дорогах начала XX  века. Коническая форма пожарных вёдер – отнюдь не инженерное ноу-хау, облегчающее тушение пожара. Это решение чисто предохранительное, направленное против несанкционированного использования. Такое ведро нельзя использовать в хозяйстве, поэтому они ни кому не нужны. К тому же сегодня ни один из нормативных документов такой формы не предписывает. Так что если появится необходимость, спокойно вешайте обычные ведра. Только красьте в красный цвет и надписывайте «пожарное», что бы было понятно, что это пожарный инвентарь! Конусное ведро – всего лишь показатель недоверия к окружающим!

Миф 3

Еще существует шуточная версия, гласящая о том, что объем правильного конуса проще рассчитать чем, объем усеченного, т.е. обычного ведра с плоским дном.

Объем правильного и усеченного конусов

Преимущества на пожаре

Пожарное ведро на пожарном щите

Ниже приведены преимущества конусного ведра перед плоскодонным, но никак не повлиявшие на его эволюцию.

  1. Раскрой конусного пожарного ведра таков, что обеспечивает максимальный объем при минимальном расходе материала, т.к. не нужно изготавливать днище. Вместимость пожарного ведра около 8 литров. К тому же конструкция ведра обеспечивает достаточную жесткость, чтобы при падении с высоты оно не разрушилось, в отличие от плоскодонного ведра.
  2. Обычно во время пожара на руки одеваются защитные рукавицы (краги), которые очень скоро становятся мокрыми и скользкими. Конусовидное ведро удобно брать сразу двумя руками: одной за острую часть конуса, другой – за ручку. Вероятность того, что конусная часть ведра выскользнет из рук, ничтожно мала, чем край обыкновенного ведра.
  3. Конусное ведро легче топится. В то время как плоскодонное ведро плавает по поверхности воды как поплавок – конусное сразу зачерпывает воду, а соответственно это легче и быстрее (особенно это касается глубоких колодцев).
  4. При тушении пожаров и забора воды в зимнее время года острым конусом ведра удобно проделывать лунку, пробив кромку льда на открытом водоеме.
  5. Во время пожара зачастую требуется бежать с полным ведром, а его форма в виде конуса позволяет не отбить при этом ноги, что можно легко сделать с плоскодонным ведром.
  6. Процесс изготовления пожарного ведра очень прост, поэтому тот, кто прибежал на пожар без ничего, мог бы сам из подручных материалов (жести, брезента, проволоки) сделать подобное.
  7. Конусообразным ведром можно взрыхлить почву или песок в специальном пожарном ящике и легко зачерпнуть их, держась одной рукой за вершину конуса, а другой – за край ведра.

Познавательное видео

Один интересный факт.

5 августа 1997 года в Книге рекордов Гиннеса зафиксирован рекорд. В тот день в США (штат Вирджиния) 6569 скаутов создали самую длинную в мире живую цепь по передаче пожарных ведер с водой. Её длина составила 3272 метра.

Силиконовая форма для выпечки 30 х 17 х 7 см Конус, 6 ячеек

Приготовить красивые и аппетитные печенья и пирожные к праздничному столу помогут качественные формы из силикона. Это практичные и удобные конструкции, которые отличаются термо-, жиро- и влагоустойчивостью.

Блюда, приготовленные в силиконовых формах, отличаются отменными вкусовыми качествами. В отличие от металлических форм, силикон, являясь инертным материалом, не взаимодействует с продуктами, как при нагревании, так и при заморозке. 

Любое блюдо, приготовленное в силиконовой форме, легко вынимается, сохраняя заданную форму. Формы для выпечки займут на кухне минимум места. Их можно свернуть и убрать в шкаф, а при очередном использовании форма примет первоначальный вид. 

Рекомендации по применению:При первом использовании: вымыть форму теплой водой, смазать маслом. В процессе приготовления используйте кухонный инструмент (нож, лопатка) из дерева, пластика или силикона. Перед заполнением поставьте силиконовую форму на основу – противень, решетку или круг микроволновой печи. Наполненную форму перемещайте только на подставке. Перед извлечением выпечки из силиконовой формы дайте ей немного остыть, осторожно отогните края формы. После использования вымойте форму с использованием гелей для мытья посуды. Если вы моете форму для выпечки в посудомоечной машине, при последующем использовании потребуется повторно смазать маслом перед выпечкой.  Меры предосторожности: – не ставьте силиконовую форму на открытый огонь, непосредственно на газовую или электрическую конфорку, – не мойте силиконовую форму для выпечки царапающими абразивными средствами, – не используйте острый кухонный инструмент. 

Габариты и вес

Размер 30 см × 17,5 см × 7 см

Вес брутто 139 г

Особенности

Набор Нет

Цвет МИКС

Форма Конусообразная

Количество ячеек 6

Рисунок Нет

Крышка Нет

Материал Силикон

Тип покрытия Без покрытия

Ячейки Да

Тип формы Для муссовых десертов

Разъёмная форма Нет

Почему пожарное ведро конусообразное? | Яблык

Пожарный инвентарь привлекает к себе внимание не только ярким красным цветом. Выделяется ведро, не вполне обычной формы. И если традиционно этот предмет предстает в виде усеченного цилиндра, то пожарные пользуются конусом. Стоит ли говорить, что в быту такая форма откровенно неудобная. Но почему же в критической ситуации, когда счет идет на секунды, и под угрозой оказываются человеческие жизни, востребован именно такой вариант ведра?

♥ ПО ТЕМЕ: Самые высокие статуи в мире: 40 завораживающих мест, которые нужно увидеть.

Согласно стандартам, пожарное конусное ведро предназначено для ручной доставки воды или песка. Емкость составляет 8 литров, а весит приспособление до 3 кг. Его диаметр – 300 мм, а высота – 350 мм. Эта спецификация не объясняет главного – почему же конус, а не традиционный цилиндр? На самом деле у этого вопроса есть своя историческая подоплека. И объяснение, что пожарным требуется, не останавливаясь, носить воду, не ставя ведро на песок, можно считать милым анекдотом. А вот легенда о том, что такую форму утвердил Петр I, чтобы ведра не воровали для собственных хозяйственных нужд, кажется даже и правдоподобной, учитывая наш менталитет.

Одна из главных версий гласит, что впервые пожарные ведра появились в Европе на кораблях. Тогда их делали из подручной многослойной парусины, которую просто было скручивать конусом. Со временем традиция распространилась повсюду. Вот только у этой легенды нет подтверждений в виде исторических гравюр или картин. Другая версия тоже связана с применением конусных ведер на кораблях – таким приспособлением удобно было зачерпывать воду за бортом. Да и ведро занимало мало места. С флота прогрессивная идея перекочевала в пожарное дело.

Как бы то ни было – преимуществ у конусного ведра при тушении пожара много. На практике оказалось, что зачерпывать воду и песок таким приспособлением намного проще. В воде ведро не надо притоплять полностью, а при наборе песка можно держаться за хвост, как за совок. В результате объем быстро и максимально заполняется. К тому же сама форма конуса дает ведру максимальный объем при минимальных затратах материала – днище изготавливать не надо. Помимо экономической выгоды этот инвентарь еще и легче обычного. Да и конструкция оказывается достаточно жесткой – при падении с высоты оно мало того, что не разрушится, так еще и неминуемо опрокинется. Вылившаяся на огонь вода – наилучший способ борьбы с пожаром. Есть и другие, уже не столь явные преимущества конусного ведра. Так, острым концом удобно разбивать лед на пожарном водоеме или рыхлить затвердевший песок, а при беге эта форма не будет ударять по ногам.

Тушение пожара классическими ведрами считается малоэффективным делом. Уже 100 лет, как специалисты-практики пришли к выводу, что вылитая таким образом вода лишь на четверть попадает в нужное место, остальная же жидкость просто портит предметы. А вот с ведром в форме усеченного конуса эффективность пожарных возрастает – струю можно направить в нужную точку и сделать это несколько раз из одного объема.

Кажущееся нам странным пожарное ведро конусообразной формы в быту действительно малопригодно. Но на пожаре, в критической ситуации со своими особенностями, именно такая форма инвентаря позволяет ему оказываться максимально полезным.

Смотрите также:

Золотые серьги, в форме петли, на конце петли конусообразная вставка сиреневого цвета, обрамленная по нижнему краю желтым металлом (Заявка № 461-А)...

ID: 15786
Дата публикации в Конфискаторе: 09. 12.2013 в 15:51
Актуальность лота : Ожидаем подтверждения
Как купить этот лот?

Все характеристики: Золотые серьги, в форме петли, на конце петли конусообразная вставка сиреневого цвета, обрамленная по нижнему краю желтым металлом (Заявка № 461-А) приаргунский отдел
Структурное подразделение: УФССП России по Забайкальскому краю Отдел организации работы по реализации имущества должников, г.Чита, ул.Бабушкина, 127; тел.: 8(3022)-32-59-40
Дата торгов: 08.11.2013
Уведомление в СМИ: Нет данных
Стоимость: 2682 р.
Задаток: Нет данных



Пошаговое пособие-инструкция: Как покупать конфискат на 30-90% дешевле рыночной стоимости. Изучив брошюру, вы сможете купить любой интересующий вас лот!
Форматы книги: pdf, epub, fb2
konfiskator.com/buy/ Купить сейчас Конфискат в регионе: Забайкальский край
База: Конфискат судебных приставов
Место экспозиции: г. Чита, ул. 9-е Января 24
Реализатор: ООО Забайкальский ювелирный завод, г. Чита, ул. 9-е Января 24, тел. 26-17-02, 26-18-55
Теги: б/у, приставы, продажа, петли, желтым, краю, нижнему, металлом, 461, конфискат

Строительство конусообразной крыши

Конусообразная крыша это достаточно редкий вариант, который применяется в строительстве крыши дома. Чаще всего подобный вариант крыши используют над эркерами. Но иногда встречаются энтузиасты с нестандартными проектами домов, и в таком случае конусообразный вариант постройки крыши можно встретить в качестве основной формы крыши, а не частью составной крыши разной формы.

Высота конуса крыши может быть разной в зависимости от общего стиля здания, либо от фантазии архитектора. Острые высокие конусообразные части крыш известны всем своим присутствием в готическом архитектурном стиле. Однако даже если здание построено не в готическом стиле, то присутствие острой конусообразной крыши в любом архитектурном проекте, всегда обеспечивает оригинальность всему зданию. Дизайн презентации архитектурного проекта от компании e-shutova.com для заказчика, либо для семьи, в случае, если вы строите самостоятельно, как предварительное обсуждение плана постройки помогает визуально показать то, что запланировано и обсудить все детали проекта.

Конусообразная крыша может быть исполнена с видимыми гранями либо в виде идеального конуса без граней. Разница в исполнении вариантов данного вида крыши заключается в ширине шага между стропилами, которая обеспечивает резкий либо плавный переход линий кровли. Исполнение конусообразной крыши может быть, как симметричным, так и асимметричным. Асимметрия достигается за счёт разной длины стропил из-за смещения центра вершины конуса относительно центральной точки проекции круга в основании конуса. В свою очередь асимметричная конусообразная крыша может быть исполнена визуально правильной и не правильной формы. Асимметричная конусообразная крыша неправильной формы относится к авангардным проектам и является одним из самых редких видов крыши.

Особенность постройки конструкции конусообразной крыши состоит с том, что все стропила должны сойтись в одну точку, которая является вершиной конуса. Первым шагом в формировании конуса крыши является соединение двух противоположно расположенных по радиусу стропил, которые будут опираться друг на друга и, соответственно, держать конструкцию. Все последующие стропила прикрепляются одним концом к верхней центральной точке конуса, другим к кругу мауэрлата. Так строится правильный конус.

В случае выбора асимметричной конусообразной крыши правильной формы производится смещение центра конуса на радиусе мауэрлата относительно фасада и сохраняется одинаковое расстояние от правой и левой частей диаметра. Что бы построить асимметричную конусообразную крышу неправильной формы, смещают проекцию вершины конуса не относительно фасада, а относительно правой или левой частей диаметра мауэрлата.

После того как выстроена стропильная система, последующие действия производятся также как и во всех видах крыш: либо делается обрешётка, либо стропила соединяют сплошным покрытием, например ОСБ. Определяющим действия после постройки стропильной части, будет является выбор типа кровли. Шифер, ондулин, профлист потребуют устанавливать обрешётку. Для рубероида и мягкой черепицы делается сплошное покрытие.

Выбор типа формы крыши в проекте всегда занимает особое место. Творческий подход к деталям прибавляет работы в реализации задуманного, но несомненно обеспечивает положительное восприятие результата на долгие годы.

Почему пожарные ведра конусные

Пожарное ведро конусное - так правильно называется это первичное средство пожаротушения. Его можно увидеть на пожарных щитах в зданиях, сооружениях, а также вблизи этих объектов.

Увидев пожарное ведро на щите, у многих возникает вопрос: "С какой целью ведро делают конусообразным?" Версий этого ответа оказалась масса.

• Первая мысль, увидев конусообразное ведро, - такую форму придумали для того, чтобы вещь домашнего обихода не украли с пожарного щита, ведь оно не удобно в хозяйстве.

• Таким ведром гораздо проще, чем плоскодонным, зачерпывать воду (особенно это касается глубинных колодцев), в то время как обыкновенное плавает по поверхности воды, как поплавок, а конусное сразу черпает воду.

• Конусовидное ведро удобно брать сразу двумя руками: одной за острую часть конуса, другой - за ручку. Вероятность того, что верх конуса выскользнет из рук, несколько ниже, чем край обыкновенного ведра. Особенно это удобно пожарным, так как они работают в толстых рукавицах.

• В ведре, изготовленном в виде конуса, не возникают схлопывания при выбросе воды, в связи с этим жидкость не расплескивается и вылетает на большее расстояние, бьет целенаправленно.

• Конусное ведро при пожаре в зимнее время года позволяет пробивать им лунки на пожарных водоемах во льду.

• Форма конуса обеспечивает ведру наибольшую жесткость, оно не разрушается и не мнется при падении.

• Производственный процесс конусного пожарного ведра заметно упрощен, так как не нужно изготавливать днище.

• Выгодный раскрой конусовидного ведра - минимальный расход жести обеспечивает максимальную наполняемость емкости, а это около 8 литров воды.

• Во время пожара зачастую требуется бежать с полным ведром, его форма в виде конуса позволяет не отбить при этом ноги, что можно легко сделать с плоскодонным ведром.

• Форма такого ведра - традиция, заложенная флотом: в старину на кораблях делали ведра из многослойной парусины и кроили их в форме конуса.

• Ведро в виде конуса придумали специально для того, чтобы на пожаре никто не отдыхал: такое ведро не поставишь и не сядешь на него "перекурить".

• Такое ведро - просто образец, чтобы тот, кто прибежал на пожар без ничего, мог сам из подручных материалов (жести, брезента, проволоки) сделать подобное.

• Шуточный вариант: на Новый год ответственный за технику безопасности и пожарную безопасность такое ведро надевает на голову вместо шапочки, берет багор в руки вместо посоха и играет Деда Мороза.

• Конусообразными ведрами легче зачерпывать песок из специального пожарного ящика, держась одной рукой за вершину конуса, а другой - за край ведра.

• Версия пожарных - из ведра-конуса вода выплескивается гораздо дальше и бьет прямо в цель.

• Коническая форма ведра придумана для того, чтобы во время пожара при падении пожарного вода все-таки вылилась на огонь.

Версий того, по какой причине пожарное ведро делается в виде конуса, очень много. В любом случае, такая форма (по утверждениям пожарных) весьма удобна при тушении возгораний как водой, так и песком.

Определение конической формы по Merriam-Webster

con · i · cal | \ Kä-ni-kəl \

: , особенно по форме напоминающий конус

Как рассчитать размеры конических и цилиндрических цилиндрических мишеней

При загрузке бокового изображения мишени цилиндра в диспетчер целей необходимо учитывать фактическую форму и окружность объекта. Поскольку Target Manager требует, чтобы определенные параметры и загруженные изображения имели точные размеры, необходимо правильно рассчитать форму, с которой вы работаете.

Чтобы убедиться, что загруженные изображения правильно инкапсулируют плоское тело реального физического объекта, плоская часть тела, представляющая боковую поверхность цилиндрического или конического объекта, рассчитывается как развернутая плоская поверхность. Представленная здесь математика особенно актуальна, когда объект имеет форму конуса или усеченного конуса.Мы представляем расчеты для объектов конической, цилиндрической и конической формы.

Определения размеров

На следующем рисунке показана общая форма усеченного конуса, которая представляет собой наиболее общий случай для конических цилиндрических мишеней, и его основные геометрические параметры.

Рисунок 1 : Типовой корпус конической формы

где

  • d и D - диаметры Bottom и Top конического объекта с d и
  • sL - длина стороны объекта.

ПРИМЕЧАНИЕ : В общем случае длину стороны не следует путать с высотой цилиндра. Однако для особого случая настоящего цилиндра, когда верхний и нижний диаметры идентичны, а боковая поверхность выровнена вертикально, длина стороны равна высоте.

Общий случай - Цилиндр

Цилиндр - это особый случай общей конической формы, поскольку цилиндр имеет прямые края, как показано на следующем рисунке.

Рисунок 2: Цилиндр общего корпуса

Верхний и нижний диаметры (d, D) идентичны, а длина стороны просто соответствует высоте цилиндра.

Рисунок 3 : Развернутый вид цилиндра

Поскольку r ' здесь не определено, корпус цилиндра представляет собой прямоугольник, где:

ПРИМЕЧАНИЕ : Плоское тело должно быть ориентировано так, чтобы вертикальная ось изображения (пунктирная линия) была параллельна вертикальной оси объекта и заполняла область изображения.

Общий случай - конструкция плоского цилиндрического корпуса

На следующем рисунке показаны две разные формы плоской боковой поверхности. Все остальные экземпляры (например, конусы) являются вариациями этих форм. Следующие разделы разделены на Случай 1 и Случай 2, в которых описываются два метода вычисления ширины и высоты вложенного изображения.

Рисунок 4 : Два различных возможных общих случая поверхности мантии цилиндрического объекта (левый D-d sL)

Дело 1

В следующем случае разница между диаметрами Top и B ottom меньше, чем у S ide Длина

Рисунок 5 : Плоское построение формы части тела - общий случай I

Плоское тело можно легко сконструировать с использованием заданных параметров, применив следующие формулы для вычисления радиусов двух составляющих окружностей:

  1. Радиус внутренней окружности: r '= (d * sL) / (D - d)
  2. Радиус внешнего круга: R '= r' + sL

Для дальнейших вычислений используйте диаметр внешнего круга, который имеет следующий вид:

  1. D '= 2R' = 2 (r '+ sL)

Теперь можно построить фигуру, выполнив следующие действия:

  1. Нарисуйте две концентрические окружности с радиусами r ' и R'.
  2. Отметьте пунктирную вертикальную центральную линию, как показано на рисунке выше.
  3. Измерьте длину дуги πD / 2 на внешнем круге с обеих сторон от точки пересечения круга с вертикальной центральной линией.
  4. Проведите лучи от двух получившихся точек к центру круга.

Форма, заключенная между двумя кругами и лучами, представляет собой развернутую поверхность усеченного конуса.

  1. Круглый сегмент должен быть ориентирован на целевом изображении таким образом, чтобы он был симметричным относительно вертикальной оси изображения (пунктирная линия).Границы сегмента должны касаться всех четырех сторон изображения.
Футляр 2

В этом случае разница между верхним и нижним диаметрами больше, чем длина стороны цилиндра.

Рисунок 6 : Плоское построение формы части тела - общий случай II

Конструкция плоского изображения аналогична случаю 1, но этот рисунок используется для справки.

Ширина и высота бокового изображения цилиндра

Ширина и высота изображения боковой поверхности цилиндра могут быть вычислены по заданным параметрам и по вычисленным значениям для построения окружностей.
В случае, когда D-d , ширина и высота изображения представлены следующими уравнениями:

  1. ширина = D 'sin (πD / D')
  2. высота = sL + r '((1 - cos (πD / D'))

, а в случае, когда D - d> = sL , применяются следующие уравнения:

  1. ширина = D '
  2. высота = (D '/ 2) ((1 + sin ((π / 2) - (2D - D') / D '))

Соотношение сторон бокового изображения цилиндра

Соотношение сторон растрового изображения можно вычислить по следующей формуле:

Соотношение сторон = ширина растрового изображения / высота растрового изображения = ш / в ± 2%

Эта формула определяет, что фактическое соотношение сторон растрового изображения может отклоняться на 2% от требуемого вычисленного соотношения. Это отклонение может быть полезно, когда существующие объекты используются для вырезания, разворачивания и сканирования.

Особый случай - Конус

Конус - это еще один частный случай общей конической формы. Конус характеризуется острым концом либо сверху, либо снизу, так что один из диаметров (верхний или нижний, D или d) равен нулю. См. Пример конуса на следующем рисунке.

Рисунок 7: Конус специального корпуса

Рисунок 8: Развернутый конус (слева d> sL, справа d

Поскольку один из диаметров конуса равен нулю, формулы можно упростить следующим образом:

  1. r '= 0 и R' = sL - радиус окружности идентичен Длина стороны , таким образом,
  2. D '= 2sL

В случае, когда d , ширина изображения равна длине хорды секции:

  1. w = 2 sL si n ( πd /2 sL ) - ширина целевого изображения = длина хорды секции.

, при этом высота изображения равна длине стороны:

  1. h = sL - высота целевого изображения = длина стороны.

В случае, когда d> = sL , ширина изображения в два раза больше длины стороны:

  1. w = 2sL - ширина целевого изображения = двойная длина стороны.

, а высота изображения представлена ​​следующей формулой:

  1. h = sL (1 + si n (π / 2 ( d - sL ) / sL ))

ПРИМЕЧАНИЕ : Сегмент конуса должен быть ориентирован таким образом, чтобы целевое изображение было симметричным относительно вертикальной оси изображения (пунктирная линия).Границы сегмента должны касаться всех четырех сторон изображения.

11 реальных примеров конуса - StudiousGuy

В детстве одним из самых радостных праздников были дни рождения; который до сих пор остается радостным для всех детей. Детям нравится стоять за тортом, носить кепки на день рождения и от всей души улыбаться камерам. Не правда ли? Некоторые дети сами делают шапочки для дня рождения из разноцветных листов, бумаги для оригами и т. Д.Мало ли они знают, что именно сейчас в игру вступают геометрические формы. Шапочка именинника имеет коническую форму.

Наши дома, предметы повседневного обихода и все, что мы встречаем, имеет ту или иную геометрическую форму. В наших домах, на рабочих местах, в лабораториях и т. Д. Присутствует ряд конусовидных единиц оборудования и инструментов.

Давайте узнаем больше о колбочках и их примерах из жизни.

Конус - это трехмерная геометрическая структура, которая плавно сужается от плоского основания к точке, называемой вершиной или вершиной.

1. Рожки для мороженого

Это самые знакомые шишки, известные каждому ребенку во всем мире. Они имеют коническую форму, которая имеет более широкую грань к верхней стороне для наполнения мороженого и сужающуюся сторону к нижнему концу.

2. Шапочки на день рождения

Дети всегда блестят в праздничной шапочке. Украшенные и красочные шапки для дня рождения - еще один пример шишек в повседневной жизни.

3. Призма

Призмы занимают важное место в оптике. Треугольная призма широко используется в физических лабораториях для изучения основ оптики. Студенты знакомятся с законами преломления, демонстрируя им искривление света с помощью призмы.

4. Конусы движения

Оранжевые и белые конусы, которые мы видим на дорогах, а иногда и на игровом поле, имеют форму конусов.Они имеют коническую форму, потому что именно эта геометрическая форма обеспечивает устойчивость конструкции.

5. Воронка

Воронка - это трубка конической формы с широким горлышком вверху и узким отверстием внизу. Это узкое отверстие используется для фильтрации жидкостей или любого другого материала. Воронки широко используются в химических лабораториях.

6. Типи / Типи

Типи или типи - это палатка конической формы, которая традиционно состоит из шкуры животных, опирающейся на деревянные шесты.В наше время типи используют люди во время пеших прогулок. Кроме того, современные типи изготавливаются из кожи или другого льняного материала.

7. Замковая башня

Башня - это небольшая башня, которая выступает из главного здания. Они были очень популярны в шотландском регионе. Интересно, что башня представляет собой не что иное, как конус, выступающий из башни. В основном они строятся в декоративных целях.

8. Вершина храма

У большинства храмов вершины имеют форму конуса.Эта особенность отличает храм, а значит, храмы видны и издалека. Также считается, что конические формы создают много положительной энергии.

9. Мегафоны

Вы могли видеть, как люди болеют за своих любимых игроков, используя мегафоны. Мегафоны имеют коническую форму. Во-первых, коническая форма мегафона направляет голос к цели. Когда вы говорите, звук из вашего рта распространяется сразу во всех направлениях.Только часть вашего звука идет в направлении намеченной цели.

10. Наконечник карандаша

Когда мы затачиваем карандаш с помощью точилки, затачиваемый грифель имеет коническую форму. У него острая и точная голова, чтобы мы могли писать. Это помогает нам писать аккуратно и ясно.

11. Морковь / Редис

Морковь и редис, которые употребляются в салатах, имеют коническую форму.

Методология проектирования

формы конического сечения для суперкавитирующих транспортных средств с учетом характеристик автоколебания

Из-за сложности полости / транспортного средства и характеристик колебаний, интегрированная конструкция обтекаемой формы обычных полностью увлажненных транспортных средств не подходит для суперкавитационных транспортных средств. В этой статье выделен набор критериев проектирования для оптимизации длины и обтекаемой формы конической секции с учетом реалистичных проектных ограничений, которые объединяют комплексные характеристики системы полость / транспортное средство в условиях автоколебания суперкавитирующих транспортных средств.Определены автоколебания и их временные характеристики. Путем вывода уравнения, описывающего взаимосвязь полости / транспортного средства и определения максимальной амплитуды угла Эйлера, предлагается критерий точки касания полости / транспортного средства для определения теоретического оптимального значения длины конической секции. Предложен метод равной площади поперечного сечения для газового потока для расчета обтекаемой формы конического сечения. Эксперименты в водном туннеле и автономном полете были проведены для проверки осуществимости методологии проектирования, разработанной в этой работе.

1. Введение

Суперкавитация - это явление, при котором вокруг подводного аппарата образуется полость. Поскольку большая часть поверхности транспортного средства окружена суперполостью, сила сопротивления транспортного средства значительно снижена по сравнению с обычными полностью увлажненными транспортными средствами, что приводит к десятикратному увеличению скорости. Суперкавитационные аппараты (КА) состоят из кавитатора, конической секции, цилиндрической секции, кормовых вертикальных рулей и сопла, как показано на рисунке 1.


На протяжении десятилетий проводились обширные исследования кавитации. Экспериментально Логвинович [1] предложил известный принцип независимости расширения секций резонатора, который рассматривается как теоретическая основа для моделирования сверхрезонаторов. Многие исследователи расширили эту теорию и продвинули ее применение на космических аппаратах. Был проведен комплекс экспериментальных исследований механизмов суперкавитации, вентилируемой кавитации, гидродинамической силы и стратегии управления КА [2–6].Структурное поведение гибких или жестких упругих КА изучено [7, 8]. Кроме того, с разработкой управляемых, маневрирующих КА, некоторые существующие исследования, связанные с суперкавитацией, также привели к важным достижениям в решении проблемы наведения и управления КА [9–12] и сигнатур собственного шума в кавитаторе КА [13]. . В целом предыдущие исследования космических аппаратов в основном были сосредоточены на механизмах суперкавитации, динамическом моделировании, управлении и т. Д.

Сложность проблемы еще более усугубляется развитием маневрирующих КА.Необходимо решить различные проблемы, такие как неоднородность наклона сил, влияние временной задержки, номинальное переднее расположение центра давления и изменения в параметрах системы, когда транспортное средство выполняет маневр [14]. Среди них уникальные характеристики системы полость / транспортное средство являются основным фактором в решении этих проблем. Система резонатор / транспортное средство сложна из-за эффекта задержки во времени сверхрезонатора и конических автоколебаний транспортного средства [15]. В недавней литературе также указаны нерешенные проблемы, связанные с системой полость / транспортное средство, а также с характерной нестабильностью характеристик движения КА. Nguyen et al. [16] исследовали динамику системы с точки зрения нелинейных неустойчивостей и феномена «хвостового удара», демонстрируя, что форма полости играет решающую роль в определении динамики системы. Lin et al. [17] представили динамическую модель для интерпретации феномена удара хвостом как движения предельного цикла. Lin et al. [18] изучали поведение бифуркации в отношении квазистатического изменения числа кавитации, и феномен «хлопка хвостом» был идентифицирован как следствие бифуркации Хопфа, за которой следует событие касания.Учитывая доминирующие нелинейности, связанные с силами глиссирования, общие характеристики динамического поведения КА были изучены Lv et al. [19] и Xiong et al. [20]. Они указали, что система SV имеет сложные явления, такие как сосуществование точки устойчивого равновесия и предельного цикла, сосуществование предельного цикла и хаотического аттрактора, а также сосуществование нескольких предельных циклов. Авторы настоящей работы также обнаружили собственные конические колебания в движении КА [21] и указали, что конические колебания объясняются возникновением движения хвостового удара в вертикальной и горизонтальной плоскостях и установившейся устойчивостью. разность фаз.

Базовая конфигурация самой машины по-прежнему остается основным вопросом при маневрировании КА [15]. По конфигурации КА были проведены ограниченные исследования. Кроме того, в большинстве исследований в основном обсуждались характеристики конструкции, характеристики сопротивления и сборка кавитатора, не говоря уже о принципе конструкции обтекаемой формы. Ruzzene [22] провел обширный анализ как статической, так и динамической устойчивости цилиндрической торпедной оболочки к изгибу. Влияние изменения количества кольцевых ребер жесткости рассматривалось с точки зрения устойчивости к изгибу.Алянак и др. [23] представили оптимальную конструктивную конфигурацию суперкавитирующей торпеды с использованием как радиальных, так и продольных ребер жесткости. Были представлены оптимальные размеры ребер жесткости, а также оптимальное количество каждого вида. Однако габаритные размеры торпеды были постоянными, а модель представляла собой простой цилиндр с конической носовой частью. Кроме того, был представлен алгоритм определения оптимальной конфигурации торпеды [24], в котором была сформулирована задача оптимизации, определяющая общую форму торпеды для удовлетворения требуемых критериев эффективности.Choi et al. [25] использовали метод анализа чувствительности конструкции формы (принцип минимального сопротивления) для определения оптимальной формы кавитатора, выполнив анализ суперкавитационного потока для диапазона чисел кавитации. Ульман [26] провел параметрические исследования суперкавитирующего потока и кавитаторов для ряда чисел кавитации. Куклински [27] также представил экспериментальные исследования эффекта кавитации и характеристик управления различными кавитаторами. Результаты двух вышеупомянутых исследований показывают многообещающее согласие. Ahn et al. [15] оптимизировали конфигурацию и номинальную рабочую скорость SV, интегрировав несколько эксплуатационных требований в процесс оптимизации. Каваками и Арндт [28] экспериментально исследовали искусственную суперкавитацию за диском с острыми краями для различных конфигураций модели. Были представлены результаты относительно формы суперполости, требований к закрытию и вентиляции в сравнении с числом Фруда. Мохтарзаде и др. [29] исследовали влияние формы кавитатора на устойчивость автомобиля.Они отметили, что характеристики статической устойчивости автомобиля зависят от касательных сил кавитатора. Парк и Ри [30] исследовали турбулентное суперкавитационное обтекание тела, снабженного клиновидным кавитатором, где решения CFD для длины полости соответствовали экспериментальным результатам.

Для комплексного проектирования обычных полностью увлажненных транспортных средств, междисциплинарный метод оптимизации проектирования [31], метод линейного поиска без производных для негладкой ограниченной оптимизации [32], совместная оптимизация и метод без градиента [33], метод выполнимости индивидуальной дисциплины [34] и другие методы комбинированного проектирования, чтобы минимизировать силу сопротивления [35]. Кроме того, некоторые разработанные обтекаемые формы были успешно использованы для изображения носовой и хвостовой частей полностью увлажненных подводных аппаратов, таких как линии Гланвилля [36]. Однако маловероятно, что конструкция КА совместима с современными полностью увлажненными транспортными средствами [23]. Из-за сложности полости / транспортного средства и характеристик колебаний обтекаемая форма SV также полностью отличается от влажных транспортных средств.

Сосредоточившись на конической части КА, в этой статье представлен набор критериев проектирования для оценки длины и обтекаемой формы конической части, подверженной реалистичным конструктивным ограничениям, которые объединяют сложные характеристики системы полости / транспортного средства под состояние автоколебания автомобиля.Используя представленные критерии проектирования, можно найти оптимальную длину и обтекаемую форму конической секции для максимального увеличения диапазона стабильной работы КА. Результаты экспериментов с водным туннелем и автономного полета подтверждают реализуемость предложенной методики проектирования. Основные статьи этой статьи заключаются в следующем. (1) Принимая границы полости в качестве рабочих ограничений, предлагается критерий точки касания полости / транспортного средства для определения теоретического оптимального значения длины конической секции.(2) Предложен метод равной площади поперечного сечения для газового потока для создания обтекаемой формы конического сечения.

Остальная часть этого документа организована следующим образом. В разделе 2 излагаются автоколебательные характеристики КА. В разделе 3 анализируются характеристики КА во временной области, и выделяется явление конических колебаний. В разделе 4 подробно представлены критерии проектирования конической секции КА. В разделе 5 представлены эксперименты с водным туннелем и автономным полетом для проверки метода проектирования.Наконец, в Разделе 6 делается несколько выводов.

2. Характеристики автоколебаний космических аппаратов

Для получения модели низкого порядка, которая все еще отражает существенную динамику в математически управляемой форме, сделаны следующие допущения: (i) Транспортное средство движется с постоянной скоростью. (Ii) Транспортное средство движется в горизонтальной плоскости. (Iii) Угол качения транспортного средства равен нулю. (Iv) Транспортное средство управляется таким образом, чтобы двигаться с довольно небольшим углом рыскания и угол скольжения.Это означает, что,, и.

Согласно литературным источникам [21, 37], кинетические уравнения, основанные на сделанных выше предположениях, представлены следующим образом.

Баланс сил в горизонтальной плоскости (без контроля) описывается как

Баланс моментов составляет

Скорость рыскания в системе координат земли составляет

Боковые силы складываются из сил на кавитатор и сил глиссирования. Боковое усилие можно описать в упрощенной форме: где

Время задержки записывается как

Длина транспортного средства составляет

Плечо поперечной силы относительно центра масс находится где амплитуда и, описывая отклонение между полость и автомобиль в кормовой плоскости.Здесь и - компоненты вектора от центра кормовой плоскости до осевой линии впадины, как показано на рисунке 2, где - система координат, закрепленная на теле, выражения которой приведены в Приложении [21, 37].


Уравнение (11) - основная гипотеза для анализа характеристик движения КА, описывающая зависимость между положением точки силового воздействия на оболочку и отклонением полости и транспортного средства в хвостовой части.

Рассматривая уравнение (1), производная уравнения (4) по времени равна

Согласно уравнениям (2) и (3), баланс момента может быть переписан как

Используя уравнения (12) и (13 ) дает

Уравнения (12) - (14) выражают основные динамические отношения SV.

Уравнения (1) и (13) дают

Его передаточная функция здесь обозначает преобразование Лапласа. В соответствии с уравнением (13) получаем

. На основе уравнений (5) - (8) получаем

С учетом временной задержки угол скольжения во времени может быть приблизительно равен

Его передаточная функция равна

. может быть получено следующее соотношение:

Из уравнений (4), (18), (20) и (21) получаем

Используя уравнения (9), (16) и (22), получаем

Теперь, мы предполагаем, что верно следующее соотношение:

Далее, используя уравнение (10) и взаимосвязь, уравнение (23) можно приблизительно упростить до

Аналогичным образом, если предполагается, что взаимосвязь, выраженная в уравнении (24), истинна, уравнение (17) также можно упростить как

. Мы можем видеть, что в уравнениях (25) и (26) фазовое соотношение переменных и удовлетворяет условию существования автоколебаний.Может быть получено следующее соотношение:

Если уравнение (27) верно, угловая частота автоколебаний равна

Согласно вышеприведенному анализу автоколебания могут возникать при достаточных условиях уравнений (24 ) и (28).

3. Анализ автоколебаний во временной области

Поскольку математический вывод автоколебаний основан на приближенном соотношении переноса уравнений (20) и (21), необходим дальнейший анализ во временной области.

Предполагая, что это простое гармоническое колебание, получаем

Далее, учитывая уравнение (14), получаем

На основе уравнений (29), (30), (7) и (8) можно получить следующие уравнения :

Используя уравнения (31), (32) и (6), получаем

Обратите внимание, что на основе уравнений (5) и (13) также можно получить:

Сравнивая уравнения (33) и (34), можно получить следующее уравнение:

Выражения коэффициентов и приведены в Приложении.

Если уравнение (35) верно, должны выполняться следующие условия:

Уравнение (36) может быть преобразовано в

Объединяя уравнения (36) и (37), получаем

Решая уравнение (38) с помощью методом проб и ошибок и используя уравнение (28) в качестве начального значения, можно получить угловую частоту,. Кроме того, можно получить по уравнению (37).

Кроме того, согласно уравнению (11), получаем

В сочетании с уравнением (34) амплитуда автоколебаний может быть получена следующим образом:

Теперь рассмотрим следующее соотношение:

Кроме того, относительная плотность транспортного средства определяется как [38]

Угловая частота автоколебаний, показанная как уравнение (28), может быть упрощена до

Таким образом, можно видеть, что частота автоколебаний пропорциональна скорость плавания обратно пропорциональна физическому размеру, пропорциональна квадратному корню из производной по положению коэффициента поперечной силы и тесно связана с местоположением центра масс.

На основании уравнения (16) угол скольжения описывается где-нибудь и находится в первом квадранте.

Согласно определению угла отклонения траектории, мы получаем

В сочетании с уравнением (4) это дает

Опять же, в сочетании с уравнением (30) угол отклонения траектории описывается как

Используя уравнение (7) и предполагая, что амплитуда равна нулю, мы получаем где - расстояние от центра мгновенной скорости (где амплитуда равна нулю) до центра масс, которое может быть получено путем объединения уравнений (30) и (37).

Расстояние от центра мгновенной скорости до кавитатора можно рассчитать следующим образом:

Это означает, что расстояние от центра мгновенной скорости до кавитатора очень мало из-за отношения.

Положение колебания в любом положении на транспортном средстве описывается как то, где начинается в кавитаторе и находится вдоль оси симметрии транспортного средства.

Кроме того, положение колебаний в центре вершины кавитатора равно

Согласно принципу независимости расширения секций резонатора Логвиновича [1], ось симметрии сверхрезонатора выглядит как спираль на основе анализа, приведенного выше, что также согласуется с экспериментальной фотографией на рисунке 3. Шаг спирали описывается как


Подводя итог, можно сказать, что КА движутся в форме пространственных конических автоколебаний, которые можно описать как на рисунке 4. В проекции на плоскость пространственные колебания показаны как хорошо известное явление «удара хвостом», как показано на рисунке 5.



4. Критерии расчета конической секции
4.1. Длина конической секции

Форма полости влияет на динамику транспортного средства и полости.Описание зоны закрытия полости является наиболее сложной задачей при описании формы полости. По известным теоретическим схемам закрытия полость в данном исследовании наиболее близко напоминает схему Рябушинского [5], в которой полость закрывается на кормовой поверхности корпуса. Существует несколько моделей для прогнозирования размера и формы полости при различных условиях потока. Даже для простого случая установившегося потока было предложено много разных моделей. Для исследования основной взаимосвязи между суперполостью и транспортным средством элегантные полуэмпирические соотношения Логвиновича [1] (в случаях, когда число кавитации мало и влияние гравитации незначительно) удобны для предсказания полости следующим образом:

По форме суперполость представляет собой тонкую, почти осесимметричную полость, замыкающуюся в задней части автомобиля, как показано на рисунке 6. В точке закрытия полости и действительны.


Объединение уравнений (55) - (57) дает

Выражения коэффициентов, и приведены в Приложении.

Значимый корень уравнения (59) получается, если определяется зависимость между радиусом кавитатора и числом кавитации.

Здесь рассматривается принцип конструкции места закрытия полости. Из-за наличия пространственных конических автоколебаний корпус временно выравнивает полость, в которой образуется частичная кавитация.Кажется, что полость намного меньше, чем в номинальном расчетном состоянии. Эта частичная кавитация становится еще более серьезной в случае маневра транспортного средства. При усилении колебаний зона закрытия полости фактически продвигается вперед по корпусу, в результате чего полость закрывается дальше по потоку. Он даже перемещается в коническую часть транспортного средства, как показано на рисунке 7. В этом состоянии лобовое сопротивление транспортного средства значительно увеличивается. Таким образом, параметры формы конического сечения должны быть оптимизированы так, чтобы зона закрытия полости могла быть расположена в ожидаемом положении даже в случае колебания.


Если взять в качестве примера канал рыскания транспортного средства и согласно уравнениям (52) и (29), отношение относительного положения между суперполостью и транспортным средством, где время задержки,, записывается как

Предполагая амплитуду в уравнение (61) равно нулю, профиль суперполости касается корпуса транспортного средства. То есть в любом осевом положении существует только одна допустимая амплитуда угла рыскания, что делает суперполость касательной к поверхности цилиндрической секции.

Основываясь на опыте проектирования, предполагая, что соотношение сторон транспортного средства равно 12, радиус дискового кавитатора равен, а суперполость закрывается в кормовой части транспортного средства, соотношение между допустимой амплитудой угла рыскания и длиной конического участка может можно получить, как показано на рисунке 8.


Из рисунка 8 существует одно теоретическое оптимальное значение, которое поддерживает максимальную амплитуду угла рыскания, поскольку функциональная зависимость, описываемая уравнением (63), является выпуклой, уменьшающейся параболическая кривая.

Если фактическая амплитуда угла рыскания, полученная из уравнения (40), точно равна максимальной амплитуде, оптимальное значение, соответствующее, может быть определено как пересечение конической части и цилиндрической части. Длина конической секции обозначается как.

Если, полость закрывается на коническом сечении для произвольного.

Если, полость закрывается в конической части, когда.

Вышеупомянутые критерии длины конической секции, которые в данной работе называются «критериями точки касания полости / транспортного средства», сведены в Таблицу 1.


Критерий проектирования Длина конического сечения Взаимосвязь полости и тела

Касательная к поверхности транспортного средства на пересечении конуса и цилиндра

На самом деле, во время движения SV существует угол пересечения центра каверны осевая линия транспортного средства из-за существующего угла атаки транспортного средства и сил плавучести в полости.При увеличении угла пересечения зона закрытия полости на одной стороне корпуса перемещается вперед вдоль корпуса, что вызывает увеличение сопротивления и подъемной силы, называемое силой строгания. Точка действия этой силы строгания, рассчитанная по уравнению (37), также перемещается вперед.

Когда точка действия находится за центром масс, момент строгания является восстанавливающим моментом. Когда точка действия перемещается к передней части центра масс, глиссирующий момент является опрокидывающим моментом, и устойчивость движения транспортного средства значительно снижается.Регулируя распределение массы, можно получить большее плечо силы глиссирования, что может максимизировать допустимый диапазон для устойчивости движения транспортного средства.

И наоборот, если полость не касается поверхности транспортного средства, а закрывается в конической части, будет падение давления после пересечения конуса и цилиндра из-за сильного изгиба линий тока жидкости. В такой ситуации даже появляется «вторичная кавитация», как показано на Рисунке 9.


4.2. Обтекаемая форма конической секции

Для вентилируемых КА между профилем конической секции и стенкой суперполости образуется кольцевой вентиляционный проход. Чтобы стабилизировать поток вентилируемого газа и избежать «удара» о стенку полости, площадь поперечного сечения потока газа (площадь вентиляции) может быть постоянной. Здесь равная площадь поперечного сечения для газового потока является расчетным критерием для обтекаемой формы конического сечения. В этом случае скорость газового потока примерно постоянна.

Из уравнения (63) можно получить положение, в котором полость касается поверхности транспортного средства, где разность квадратов между радиусом суперполости и транспортного средства является площадью вентиляции. Предполагая, что площадь вентиляции постоянна и учитывается уравнениями (55) - (57), можно получить следующее соотношение:

Выражения коэффициентов, и приведены в Приложении.

Уравнение (64) может быть преобразовано в

На основе уравнения (65) профиль конического сечения показан на рисунке 10.Для вентилируемого КА вентилируемые устройства закрепляются в передней части конической секции, их длина обычно меньше, чем у малокалиберного КА, как показано на рис. 11.



5. Эксперименты с обтекаемой формой конуса. Раздел

Используя метод, описанный выше, была разработана модель SV для экспериментов в водном туннеле с диаметром цилиндрического сечения 40 мм и диаметром дна конического кавитатора 10 мм. Эксперименты на свойство формы суперполости проводились с помощью метода вентиляции в высокоскоростном водном туннеле Северо-Западного политехнического университета в Китае.

Фундаментальными параметрами подобия для вентилируемых суперполостей являются число кавитации и число Фруда:

Естественное число кавитации определяется как

В случае осесимметричного кавитатора безразмерный коэффициент скорости равен

В эксперименте скорость и давление основного потока сначала фиксируется как постоянное. Серийные числа кавитации можно получить, задав скорость потока и давление вентиляционного газа. Формируются полости различной формы.Здесь параметры в экспериментах с водным туннелем показаны в таблице 2. Объемный расход газа увеличивается снизу вверх (0,9091 м 3 / с).



5 мм
5 мм 905 1.4865

На рисунке 12 показаны фотографии вентилируемых полостей при том же числе кавитации и другом объемном расходе газа.


Согласно результатам, при расходе газа менее примерно 0,5305 полость закрывается на коническом участке и образуется частичная кавитация. Когда расход газа составляет около 0,6061, полость касается поверхности транспортного средства на пересечении конуса и цилиндра. Если расход газа продолжает увеличиваться, полость может плавно пересекать пересечение конуса и цилиндра, а затем закрываться в цилиндрической части. Когда расход газа достигает 0.9091, полость закрывается в хвостовой части, и большая часть поверхности охвачена сплошной полостью. Хвостовая часть оси полости деформируется вверх под действием силы тяжести.

Результаты экспериментов показывают, что разработанная коническая форма транспортного средства позволяет реализовать ожидаемую суперкавитацию. Однако автоколебательные характеристики КА трудно смоделировать в лаборатории водяного туннеля, поскольку наличие стоек ограничивает движение модели. Дальнейшие автономные летные эксперименты могут быть проведены для более полной проверки.

Кроме того, для проверки представленного здесь метода проектирования были проведены эксперименты с автономным полетом на дне озера. В экспериментах с автономным полетом КА запускался из пусковой трубы частокола, установленной на понтонном катамаране. Платформа для запуска показана на рисунке 13. Инерциальный измерительный блок использовался для измерения трехосного ускорения и угловой скорости, как показано на рисунке 14. PC104 использовался в качестве центрального блока управления для управления плаванием и для хранения данных испытаний. .Рядом со стартовой площадкой была установлена ​​подводная скоростная камера, фиксирующая профиль суперполости. Параметры автономных летных экспериментов показаны в таблице 3. Спроектированный экспериментальный КА показан на рисунке 15. На рисунке 16 показана прямая траектория поверхности полета экспериментальной модели.



9057 .5 мм

Радиус Длина автомобиля Масса Глубина Крейсерская скорость 9057 9057 Тяга 2500 мм 100 кг 3 м 204 кН 25 кН 4,1 с


9162
История сырых данных

инерциальный измерительный блок показан на рисунке 17. Траектория центра кормовой плоскости может быть получена путем умножения тангенциальных составляющих изменяющихся во времени углов, как показано на рисунке 18, которые могут отражать автоколебания транспортного средства в автономный летный эксперимент.


Использовались вентиляционные устройства с газом из пороха. Массовый расход вентиляционного газа составлял около 100 г / с на крейсерской скорости. Температура газа составляла около 800 К. На рис. 19 представлены фотографии вентилируемых сверхмощных полостей. Полость непрерывная и может полностью охватывать поверхность КА. В частности, полости проходят плавно на пересечении конуса и цилиндра, и отсутствует «вторичная кавитация», как показано на рисунке 20. Результаты автономных летных экспериментов подтвердили осуществимость предложенного метода проектирования.



6. Выводы

В этой статье представлен набор критериев проектирования для оценки длины и обтекаемой формы конической секции, подверженной реалистичным конструктивным ограничениям, которые объединяют сложные характеристики системы полость / транспортное средство. при автоколебании суперкавитационных аппаратов. Основные выводы заключаются в следующем: (1) Согласно уравнению (43) частота автоколебаний КА пропорциональна скорости движения, обратно пропорциональна физическим размерам, пропорциональна квадратному корню из производной по положению коэффициента поперечной силы, и тесно связан с расположением центра масс.(2) В случае автоколебаний длина конического участка может быть рассчитана путем определения максимальной амплитуды угла Эйлера. Устойчивость КА тесно связана с положением центра масс. Большее плечо силы строгания может обеспечить больший допустимый диапазон для устойчивости движения. (3) Обтекаемая форма конической секции может быть спроектирована с использованием метода равной площади поперечного сечения для стабилизации потока газа и создания гладкой суперполости.

Результаты экспериментов показывают, что представленная методика расчета формы конического сечения подходит для КА.

Приложение

Автоколебательные характеристики КА . Компоненты расстояния и выражаются как

Анализ автоколебаний во временной области . Коэффициенты и выражаются как

Длина конической секции . Коэффициенты, и выражаются как

Обтекаемая форма конической секции . Коэффициенты, и выражаются как

Номенклатура
Расстояние относительно центра масс: из кавитата или от центра до центра масс Давление пара 905 9058 1 905 Время Частота колебаний1 авто угол отклонения авто колебания
: Характерные параметры позиционной силы
: Коэффициент лобового сопротивления кавитатора
: Позиционная производная от боковой силы : Характерные параметры демпфирующей силы
: Число Фруда
: Ускорение свободного падения
: Коэффициент инерции вращения относительно вертикальной оси
: Отношение угла рыскания к углу бокового скольжения
: Постоянная
: Постоянная
: Плечо
: Расстояние от центра мгновенной скорости до центра масс
: Длина транспортного средства
: Расстояние от центра кормовой плоскости до центра масс
: Длина конической секции
: Масса автомобиля
: Момент рыскания
: Давление в полости
: 9057 Объемный расход газа
: Коэффициент воздухововлечения
: Радиус суперполости
: Радиус
: Радиус конического сечения
: z - компонент центра задней полости в системе координат кузова
: Характерная площадь автомобиля
: Шаг спирали
: : Скорость движения
: Расстояние от центра мгновенной скорости до кавитатора
: Боковое усилие
: Положение колебания -компонент центра масс в наземной системе координат
: z-компонента центра кавитатора
: z-компонента центра кормовой плоскости в наземной системе координат
: Угол скольжения
: Плотность жидкости
: Число кавитации
: Число естественной кавитации
: Число вентилируемой кавитации
: Задержка времени
:
: Фаза угла рыскания
: Угол рыскания
: Амплитуда угла рыскания
: Угол отклонения траектории
: Относительная плотность
Нижние индексы 90 575 Обычное значение.
: Амплитуда
: Фиксированная система координат тела
Параметры на момент времени
:
Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 51679202 и 51579209).

Коническая форма липидов DIM способствует инфицированию макрофагов Mycobacterium tuberculosis

Димикоцерозаты фтиоцерина (DIM / PDIM) представляют собой высокогидрофобные липиды, содержащие 2 множественные метил-разветвленные цепи жирных кислот (рис.1 А ). Эти липиды в основном обнаруживаются в клеточной стенке патогенных микобактерий и особенно много у возбудителя туберкулеза Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) (1). Они составляют один из основных факторов вирулентности Mtb (2). В самом деле, штаммы Mtb , лишенные DIM, резко ослаблены (3) и с большей вероятностью будут уничтожены ранним легочным врожденным иммунным ответом (4), когда бактерии сталкиваются с макрофагами.Недавние исследования показали, что DIM модулируют метаболизм макрофагов (5) и иммунные функции (6, 7). В частности, DIM повышают способность Mtb инфицировать макрофаги путем модуляции фагоцитоза (8), фундаментального иммунного процесса, включающего ремоделирование мембран. Однако то, как DIMs вмешиваются в эти клеточные процессы, остается плохо изученным.

Mtb синтезирует большое количество факторов липидной вирулентности, большинство из которых являются амфипатическими гликолипидами. Эти гликолипиды действуют через свои сахаридные домены как потенциальные лиганды для мембранных рецепторов на макрофагах, вызывая фагоцитоз Mtb (9).В отсутствие сахаридной части DIM не может участвовать в таких взаимодействиях. Напротив, молекулярный механизм с участием DIM может быть связан с глобальным влиянием на физические свойства мембраны клетки-хозяина, такие как ее текучесть и организация (8). Изменение таких свойств может быть успешной стратегией для бактерий по модуляции функций эукариотических клеток. Некоторые типы патогенных микобактерий применяют эту стратегию, чтобы влиять на судьбу своих клеток-хозяев. Например, Mycobacterium ulcerans продуцирует липидоподобный эндотоксин миколактон, который взаимодействует с мембранами хозяина и нарушает их липидную организацию (10).Кроме того, патогенные микобактерии используют липоарабиноманнан для проникновения в нейтрофилы и предотвращения образования фаголизосом (11).

Биофизические свойства DIM в биологических мембранах еще не охарактеризованы на молекулярном уровне. В частности, неясно, может ли такой сложный и большой липид быть включен в простой фосфолипидный бислой и какую форму DIM должен принимать в такой мембране. Форма липидных молекул, определяемая структурными свойствами (12), такими как размер их головной группы, длина ацильной цепи и степень ненасыщенности ацильной цепи, может существенно повлиять на структуру и организацию биологических мембран (13, 14).Изучение того, как молекулярная форма липидов может дезорганизовать липидные бислои и как это может быть связано с биологической функцией, все еще остается сложной задачей (15). Это требует увязки структуры молекул и их биофизических действий на наноуровне с макроскопическими последствиями для функций клетки. Чтобы добиться этого для DIM, мы разработали междисциплинарный подход, сочетающий многомасштабное моделирование молекулярной динамики (MD), твердотельный ЯМР и эксперименты по клеточной биологии. Это показало, как молекулярная форма DIM может влиять на мембраны макрофагов, способствуя фагоцитозу.

Результаты

DIM переносятся на мембраны клеток-хозяев во время заражения макрофагами.

Во-первых, мы использовали масс-спектрометрию с лазерной десорбционной ионизацией с использованием матрицы и временем пролета (MALDI-TOF), чтобы оценить, включается ли DIM, добавленный к клеткам-хозяевам, в их мембраны. Клетки макрофагов человека (THP-1) обрабатывали очищенным DIM, и масс-спектр экстрагированных липидов сравнивали со спектром очищенного DIM. Структура DIM состоит из длинной цепи фтиоцерина (3-метокси, 4-метил, 9,11-дигидроксигликоль), этерифицированного 2 микоцерозовыми кислотами (длинноцепочечные множественные метил-разветвленные жирные кислоты) (рис.1 А ). В соответствии с базой данных MycoMass (16), масс-спектр очищенного DIM характеризуется кластером псевдомолекулярных ионов [M + Na] + между m / z = 1,305 и m / z = 1,501 с шагом m / z = 14 (рис. 1 B ), что отражает изменчивость длины цепи и метилирования молекулы. Мы наблюдали, что спектр экстрагированных липидов из клеток THP-1, обработанных DIM, показал серию пиков, очень сходную с таковой для очищенного DIM (рис.1 B ). Эти пики отсутствовали в спектре липидных экстрактов из необработанных клеток ( SI Приложение , рис. S1 A ). Следовательно, экзогенно доставленный DIM может быть вставлен в мембраны макрофагов и обнаруживается с помощью масс-спектрометрии MALDI-TOF.

Затем мы исследовали, может ли DIM переноситься из оболочки Mtb на мембраны макрофагов во время инфекции. Чтобы проверить это, мы инфицировали макрофаги THP-1 штаммом h47Rv Mtb дикого типа (WT) в течение 2 ч при множественности инфицирования (MOI) 15: 1.Через 40 часов после инфицирования мембранная фракция инфицированных макрофагов показала масс-спектр, подобный липидной сигнатуре DIM, выделенной из инокулята h47Rv (фиг. 1 C ). Мы заметили отчетливый сдвиг в сторону более длинных цепочек DIM, что согласуется с сообщенным увеличением молекулярной массы DIM во время заражения Mtb (17). Остаточное бактериальное загрязнение фракций мембран макрофагов составило менее 1500 колониеобразующих единиц (КОЕ), что значительно ниже порога обнаружения DIM, экстрагированного непосредственно из бактерий (между 10 5 и 10 7 КОЕ) ( SI Приложение , рис.S1 B ). Таким образом, наши данные убедительно подтверждают модель, согласно которой DIM передается от Mtb к мембранам инфицированных макрофагов.

Чтобы проверить, требуется ли воздействие DIM на поверхность Mtb для их переноса на мембраны макрофагов, мы инфицировали макрофаги мутантным штаммом (h47RvΔ lppX ), лишенным LppX, липопротеина, необходимого для перемещения DIM во внешнюю среду. мембрана МТБ (18). После заражения мы не наблюдали типичного масс-спектра DIM в мембранной фракции клеток, инфицированных h47RvΔ lppX (рис.1 С ). Мы подтвердили, что штаммы дикого типа и мутантные штаммы продуцировали аналогичные количества DIM ( SI Приложение , рис. S1 C ).

Взятые вместе, эти результаты демонстрируют, что молекулы DIM действительно переносятся на мембраны макрофагов во время инфекции, при условии, что они подвергаются воздействию на поверхность M. tuberculosis .

DIM встраиваются в двухслойную мембрану за счет принятия конической формы.

Учитывая их длинные алифатические цепи и их общие гидрофобные свойства, мы стремились понять, как DIM может физически размещаться в двухслойной мембране.Мы использовали подход многомасштабного моделирования, чтобы получить представление о конформации такого сложного липида, встроенного в простой фосфолипидный бислой.

Во время инфицирования макрофагами Mtb продуцирует DIM с более высокой молекулярной массой, чем в неинфекционных условиях (17) (рис. 1 C ). Поэтому мы смоделировали структуру молекулы DIM с молекулярной массой 1436 Да (соответствует пику м / z = 1459, см. Звездочку на рис. 1 C ): i.е., имеющий длину цепи и число метилирований, соответствующие m = 18, n = 17 и p = 4 (рис. 1 A ). Затем 800 нс моделирования атомистической молекулярной динамики (МД) одиночной молекулы DIM в липидном бислое 1-пальмитоил-2-олеоил- sn -глицеро-3-фосфохолин (POPC) показали, что DIM глубоко встроен в мембрану. и может проходить между двумя противоположными створками (Рис. 2 A ). Атомы кислорода DIM предпочтительно оставались вблизи сложноэфирных связей POPC, в то время как ацильные цепи вытягивались в гидрофобное ядро ​​мембраны.Очень длинные ацильные цепи (содержащие до 27 атомов углерода) препятствовали ограничению молекулы DIM одним листом. Вместо этого, DIM, по-видимому, размещается внутри фосфолипидного бислоя за счет удлинения этих цепей в пространстве между листами (см. Профиль плотности на Fig. 2 A ).

Рис. 2.

Положение и форма одиночной молекулы DIM в бислое POPC. ( A , Top Inset ) Атомистическое моделирование молекулы DIM (в серой лакричнице), показывающее ее переход от одного листочка бислоя POPC к противоположному.Атомы кислорода DIM представлены фиолетовым цветом, атомы фосфора POPC отображаются голубым цветом, а атомы кислорода POPC - розовым. ( A , Bottom Left ) Пурпурным цветом показана эволюция z-положения центра масс атомов кислорода DIM в ходе атомистического моделирования. Светло-голубым цветом показано усредненное z-положение атомов фосфора в молекулах POPC. ( A, , , нижний правый угол, ) Плотности положений липидных и фосфатных групп DIM, показывающих положение встроенного DIM в бислое.( B ) Крупнозернистая модель молекулы DIM (подробности см. В материалах и методах и SI, приложение , рис. S3). ( C ) Эволюция N0 и последних частиц C1 на фрагментах фтиоцерина (пурпурного и розового цвета соответственно) в ходе моделирования компьютерной графики. На этом графике показана частица C1, удерживаемая вокруг межлистового пространства, в то время как частица N0 оставалась вблизи атомов кислорода POPC. ( Верхняя вставка ) Переход DIM (серого цвета) от одной листовки к другой во время моделирования компьютерной графики.(, правая вставка ) Плотности липидных и фосфатных групп DIM. ( D ) 2D-проекции плотности каждой конечности для молекул DIM и POPC в плоскости мембраны x - y (компьютерное моделирование) (см. Также приложение SI , рис. S5, отображающее плотности для атомистического моделирования), подчеркивая коническую форму DIM и цилиндрическую форму POPC, соответственно. Частицы, изображенные зеленым цветом, использовались для центрирования молекул.

Для дальнейшего изучения динамики молекулы DIM в мембране мы разработали крупнозернистую (CG) модель (рис.2 B ) на основе силового поля MARTINI ( Материалы и методы и SI Приложение , рис. S3). Это силовое поле хорошо приспособлено для моделирования большого разнообразия липидов и их действия на мембраны и белки (19, 20). CG моделирование одиночной молекулы DIM в бислое POPC подтвердило, что DIM удлиняет свои длинные ацильные цепи между двумя листочками, как видно в атомистическом моделировании (Fig. 2 B и C ). Используя CG-моделирование, мы смогли расширить моделирование до более длительных временных масштабов, чтобы увидеть множественные транслокации DIM от одного листочка к другому (рис.2 С ). Затем мы увеличили количество молекул DIM до молярного отношения DIM к POPC около 7% ( SI Приложение , рис. S4). При низких концентрациях (1%, 2% и ~ 4%) молекулы DIM свободно диффундируют внутри бислоя, в то время как при 7% они начинают сильно взаимодействовать друг с другом и образовывать агрегаты между двумя листочками. Такое поведение также наблюдается как экспериментально, так и вычислительно для молекул со схожими структурными особенностями, таких как триглицериды (21, 22).

Далее мы попытались понять, как положение ацильных цепей DIM в пространстве между листами влияет на его общую форму.Для этого мы спроецировали положения липидных конечностей на двумерную (2D) плоскость мембраны (рис. 2 D ). При центрировании молекулы на стыке цепей это выявило очень большие движения концов 3-ацильной цепи, в то время как самый полярный конец цепи фтиоцерина оставался в основном статичным. Для POPC аналогичная проекция показала совершенно другое поведение со сравнимой плотностью как для головной группы, так и для концов гидрофобных ацильных цепей (рис.2 D ). Сопоставимые результаты были получены при атомистическом моделировании ( SI Приложение , рис. S5). Эти результаты могут быть связаны с эффективной формой каждой молекулы: хотя известно, что POPC имеет цилиндрическую форму, в соответствии с нашим моделированием, которая подходит для образования плоских липидных мембран, наши результаты показали, что молекулы DIM принимают сильно коническую форму в липидный бислой.

DIM управляют формированием недислойных мембранных структур в липидной смеси DOPE / SOPC.

Эта коническая молекулярная форма DIM может иметь важные последствия для организации DIM-содержащих мембран. Действительно, известно, что конические липиды дестабилизируют фазу ламеллярной мембраны (L α ) и способствуют появлению недислойной перевернутой гексагональной фазы (H II ) (23). Переход от фазы L α к фазе H II можно изучить с помощью спектроскопии P-ЯМР 31 , отслеживая спектры ЯМР при повышении температуры (материалы и методы , ).Мы использовали ЯМР-спектроскопию с вращением под магическим углом (MAS) для повышения чувствительности. Использована смесь фосфолипидов 1,2-диолеоил- sn -глицеро-3-фосфоэтаноламин (ДОФЭ) и 1-стеароил-2-олеоил- sn -глицеро-3-фосфохолин (СОФХ) (24). для ряда липидов, чтобы изучить их склонность к индуцированию недислойных фаз (25, 26). Для изучения влияния DIM мы использовали липидные мембраны, изготовленные из смеси DOPE и SOPC в соотношении 3: 1 (моль / моль) (материалы и методы , ).При таком липидном составе мембраны оставались в фазе L α при температурах до 322 К (рис. 3 A и C ). Однако включение 5% DIM в липидную смесь дестабилизировало фазу L α и индуцировало переход от фазы L α при низкой температуре (284 К) (рис. 3 A ) к фазе H II . конфигурация фаз при высокой температуре (310 К и 322 К) (рис. 3 A ), о чем свидетельствуют спектры P-ЯМР 31 .Таким образом, DIM дестабилизируют фазу L α в наших модельных мембранах и способствуют переходу в фазу H II .

Рис. 3.

DIM индуцируют фазы H II для липидной смеси ДОФЭ / СОФХ (3: 1, моль / моль). ( A ) 31 P-ЯМР-спектры при различных температурах для DOPE / SOPC (3: 1, моль / моль) без DIM или с 5% DIM. В спектрах P-ЯМР MAS 31 каждая вращающаяся боковая полоса состоит из пика DOPE и пика SOPC. ( B ) Крупнозернистые модели фазового перехода в DOPE / SOPC (3: 1, моль / моль) без DIM или содержащие 5% DIM.Повышение температуры приводит к образованию трубчатых структур для систем, содержащих DIM, в то время как системы без DIM остаются полностью пластинчатыми. Показанные снимки сделаны в конце моделирования продолжительностью 3 мкс. Молекулы SOPC окрашены в красный цвет. Молекулы ДОФЭ окрашены в синий цвет. Молекулы DIM окрашены в желтый цвет. Молекулы воды представлены синей поверхностью. ( C ) Спектральная деконволюция спектров P-ЯМР 31 , дающая процентное содержание фазы L α как функцию температуры для DOPE / SOPC (3: 1) без DIM (оранжевый и зеленый шестиугольники) и с добавлением 5% DIM (красный и синий треугольники).В случае 5% DIM фазовый переход можно аппроксимировать сигмоидой (красная и синяя линии). ( D ) Фазовые переходы SOPC и DOPE, рассчитанные на основе моделирования CG-MD для 2,5% и 5% DIM. Для смеси DOPE / SOPC с 5% DIM мы удалили выбросы при 330 K из подгонки кривой на основе статистических тестов ( SI Приложение , Дополнительный текст ).

В качестве дополнительного подхода к мониторингу способности DIM индуцировать недислойные фазы, мы выполнили моделирование CG-MD.Этот метод особенно хорошо подходит для изучения липидных фазовых переходов в липидах (27, 28) и полимерах (29, 30). Мы смоделировали набор из 4 липидных бислоев идентичного состава (3: 1 DOPE / SOPC), как в экспериментах 31 P-ЯМР, для температур в диапазоне от 280 K до 350 K (подробности см. В «Материалы и методы» ). Подобно экспериментам 31 P-ЯМР, мембраны оставались в ламеллярной фазе в отсутствие DIM ( SI Приложение , рис. S6), но температурно-зависимый переход происходил при добавлении 5% DIM (рис. .3 В ). Это моделирование позволяет глубже понять молекулярный процесс фазового перехода H II в присутствии DIM. При низких температурах молекулы DIM образовывали агрегаты в межлистовом пространстве (фиг. 3 B , 280 K), как также видно в бислое POPC ( SI, приложение , фиг. S4). Повышение температуры привело к формированию слитых стеблей, липидных структур в форме песочных часов, образованных между соседними бислоями. DIM собраны в этих стеблях, чтобы удлинить их большие гидрофобные хвосты (Movie S1).Эта агрегация стабилизировалась и помогла увеличить ширину стеблей, что в конечном итоге привело к образованию трубчатых, заполненных водой мембранных структур (рис. 3 B , 310 K). При еще более высоких температурах (320 К и выше) молекулы DIM свободно диффундируют в гидрофобном ядре мембраны, таким образом стабилизируя конфигурацию H II (рис. 3 B , 320 K и Movie S1).

Мы осуществили деконволюцию спектров P-ЯМР 31 , записанных между 282 K и 322 K с шагом 2 K для DOPE / SOPC (3: 1) с 5% DIM, используя набор параметров, полученных из базовых наборов данных (материалы ). и методы и SI, приложение , таблица S2).Химические сдвиги 31 P DOPE и SOPC различны. Таким образом, каждая вращающаяся боковая полоса в наших спектрах состояла из 2 разрешенных пиков (рис. 3 A ), что позволило нам в одном спектре независимо проанализировать процентное содержание фаз L α и H II для DOPE и для SOPC. Для обоих липидов мы наблюдали непрерывный переход от L α к фазе H II , описываемой сигмовидом (рис. 3 C и SI, приложение , таблица S3 и дополнительный текст ).Температуры средней точки фазового перехода (T 50 ) составляли 303,5 К (± 0,4) для DOPE и 305,3 К (± 0,5) для SOPC. Следует отметить, что фазовые переходы молекул SOPC и DOPE не являются независимыми друг от друга. Наблюдаемая небольшая разница в 2 ° C отражает тенденцию молекул DOPE накапливать в неламеллярных доменах больше, чем молекулы SOPC, тенденцию, наблюдаемую в большинстве тестируемых условий ( SI Приложение , Таблица S3). Этот результат согласуется с предыдущими исследованиями, показывающими, что конический DOPE предпочитает фазу H II , в отличие от липидов цилиндрической формы POPC (31), а также может быть связан с сортировкой липидов в зависимости от кривизны (32, 33 ).В моделировании CG-MD мы оценили процентное содержание фазы L α как функцию температуры по распределению углов наклона липидов ( SI Приложение , Дополнительный материал ) для SOPC и DOPE (Рис. 3 D ). Здесь мы также наблюдали непрерывные фазовые переходы, которые соответствовали сигмоиде, со средней температурой перехода ~ 308 К ( SI, приложение , таблица S3), что в целом согласуется с экспериментами 31 P-ЯМР.

CG-MD моделирования показали, что первая стадия механизма, посредством которого DIMs управляет фазовым переходом L α -to-H II , включает их агрегацию в мембранных стеблях. Следовательно, можно ожидать, что блокирование образования стеблей снизит эффект DIM. Чтобы проверить это и подтвердить нашу гипотезу, мы заменили фракцию SOPC на лизофосфатидилхолин (lysoPC), липид, который, как известно, препятствует образованию слитных стеблей (34, 35). 31 P-ЯМР эксперименты на липосомах DOPE / SOPC / lysoPC (75: 25: 0), (75: 20: 5) и (75:15:10), каждая из которых содержит 2.5% DIM, выявило повышение температуры средней точки перехода T 50 ( SI Приложение , рис. S8) с увеличением процентного содержания lysoPC, что подчеркивает уменьшение эффекта DIM, когда образование слитного стебля подавляется. Затем мы выполнили компьютерное моделирование, чтобы понять молекулярный процесс. В соответствии с экспериментом ЯМР включение lysoPC в моделирование увеличило значение T 50 ( SI, приложение , фиг. S8, , A ). На основе этого моделирования мы заметили, что эффект lysoPC не включает прямого взаимодействия с DIM, поскольку lysoPC распространяется по мембранам ( SI Приложение , рис.S8 B ). Действительно, эксперименты 31 P-ЯМР на DOPE / SOPC (5: 1, моль / моль), которые демонстрируют переход от L α к H II без DIM, также показали увеличение T 50 при замене фракции SOPC на lysoPC ( SI Приложение , рис. S7). Таким образом, ограничение образования стеблей снижает способность DIM эффективно управлять образованием недислойных мембранных структур.

Влияние DIM на более сложные липидные смеси.

Смесь ДОФЭ / СОФХ (3: 1, моль / моль) может легко перейти в инвертированную гексагональную фазу за счет включения посторонних конических липидов.Чтобы изучить действие липидов DIM в более естественных, нейтральных к кривизне системах, мы также исследовали 2 различные липидные смеси. Сначала мы выполнили 31 P-ЯМР-эксперименты на липосомах 1-пальмитоил-2-олеоил-глицеро-3-фосфоколина (POPC) / пальмитоил-2-олеоил- sn -глицеро-3-фосфоэтаноламина (POPE) / холестерин / сфингомиелин (молярное соотношение 4: 3: 2: 1), композиция, выбранная для приближения к мембране макрофагов (36). В исследованном диапазоне температур (от 284 К до 324 К) мы не наблюдали перехода в фазу H II для этой смеси ни без ДИМ, ни с включением 2.5% липидов DIM ( SI Приложение , рис. S9 A ). Интересно, что моделирование CG-MD предсказало, что даже с 5% липидов DIM полный переход H II будет достигнут только при очень высоких температурах (370 K и выше) ( SI Приложение , рис. S9 B ). Затем мы исследовали смесь POPE / холестерин / сфингомиелин (молярное соотношение 7: 2: 1). Ожидалось, что эта система останется пластинчатой ​​во всем исследованном диапазоне температур (от 284 K до 324 K), поскольку полный переход H II POPE, основного компонента этой смеси, достигается только при ∼350 K (37).Действительно, спектры 31, P-ЯМР показали только ламеллярную фазовую конфигурацию без DIM ( SI, приложение , рис. S10, , A ). Однако включение 5% DIM в эту систему привело к переходу от L α к H II в диапазоне от 310 К до 324 К ( SI Приложение , рис. S10 B ) с средней точкой. температура при 318 К (± 0,16). Моделирование CG-MD также показало переход между 310 K и 320 K с добавлением 5% липидов DIM, в то время как смесь липидов без липидов DIM оставалась в полностью ламеллярном состоянии для этого диапазона температур ( SI Приложение , рис.S10 C ).

Путем анализа моделирования CG-MD мы исследовали, как добавление липидов DIM может изменить биофизические свойства ламеллярных систем. С этой целью мы сначала рассчитали мембранное латеральное давление бислоя POPC с различными концентрациями DIM ( SI Приложение , рис. S4 B ). Увеличение концентрации липидов DIM изменило профиль давления в системе. Изменение давления в центре бислоя подчеркивает расположение липидов DIM между двумя створками.Это может помочь снизить напряжение упаковки других конических липидов, таких как липиды фосфоэтаноламина (PE), что, в свою очередь, может снизить энергетические барьеры для образования гексагональной фазы. Таким образом, липиды DIM могут создавать пространственно неоднородное распределение различных липидов. Чтобы проверить эту гипотезу, мы выполнили CG-MD моделирование мембранного пластыря размером 28 × 28 нм 2 , состоящего из смеси POPC / POPE / холестерина / сфингомиелина (молярное соотношение 4: 3: 2: 1) с добавлением 2,5% или 5% липидов DIM.Для обеих концентраций мы наблюдали обогащение POPE вокруг агрегатов DIM (рис. 4).

Рис. 4. Агрегат

DIM в липидной смеси POPC-POPE-холестерин-сфингомиелин. Моделирование участка 28 × 28 нм 2 макрофагоподобной мембраны, состоящей из POPC / POPE / холестерина / сфингомиелина (соотношение 4: 3: 2: 1) при 310 K с 5% DIM ( A ) или 2,5% от DIM ( B ). Для каждой системы в конце 10 мкс моделирования 1 или несколько агрегатов формировались в центре бислоя.Здесь мы ориентируемся на самый крупный агрегат. ( верхняя иллюстрация ) DIM агрегируется после 10 мкс моделирования. Молекулы POPC окрашены в красный цвет. Молекулы POPE окрашены в синий цвет. Молекулы холестерина окрашены в зеленый цвет. Молекулы сфингомиелина окрашены в фиолетовый цвет. Молекулы DIM окрашены в желтый цвет. ( второй и третий ряд ) Профиль плотности для обеих створок (вид сверху мембраны) липидов DIM и POPE, полученный центрированием агрегатов DIM для последних 2.5 мкс. Пунктирные линии в целом определяют периферию агрегатов DIM, где липиды POPE имеют тенденцию к обогащению, в то время как они кажутся истощенными в центре агрегата.

В целом комбинация моделирования 31 P-ЯМР и CG-MD показала способность липидов DIM нарушать организацию мембраны и способствовать фазовому переходу от ламеллярной к инвертированной гексагональной фазе. Молекулярный механизм включает начальную агрегацию липидов DIM, которая затем может управлять образованием и стабилизацией слитых стеблей, что в некоторых случаях приводит к полной дестабилизации ламеллярной фазы в пользу инвертированной гексагональной фазы.

Высокая способность DIM индуцировать недислойную фазу по сравнению с другими липидами.

Мы сравнили способность (эффективность) DIM индуцировать фазу H II для смеси DOPE / SOPC (3: 1, моль / моль) со способностью липидов с различными структурными особенностями, используя 31 P-ЯМР. Сначала мы проверили влияние концентрации DIM на образование фазы H II . Фиг. 5 B показывает, что уменьшение концентрации DIM до 2,5% и 1% все еще приводит к образованию полной фазы H II , хотя и при более высокой температуре.Повышенная температура средней точки перехода (рис. 5 B ) выявляет зависимость «доза-реакция», которая также наблюдается при моделировании CG-MD (рис. 3 D ). Затем мы проверили действие триглицерида трипальмитина (рис. 5 A ), который, как и DIM, имеет 3 ацильные цепи. Однако включение 2,5% или 5% трипальмитина не вызывало полного фазового перехода H II (фиг. 5 B ). Таким образом, влияние DIM на формирование небилетической структуры, по-видимому, не связано однозначно с его трехногой структурой.

Рис. 5.

Сравнение активности DIM по индукции небислойной фазы с липидами различной формы. ( A ) Молекулярные структуры триацилглицерина (ТАГ) трипальмитина и 1,2-дилинолеоил- sn -глицеро-3-фосфоэтаноламина (DLiPE). ( B ) Эволюция фазового перехода L α -в-H II для молекул ДОФЭ как функция температуры для ДОФЭ / СОПК (3: 1), содержащих различные концентрации DIM, DLiPE и TAG ( см. также SI Приложение , рис.S11 для соответствующих кривых для молекул SOPC). Для наглядности планки погрешностей опущены. Как видно на рис. 3, ошибка составила ± 5%. Серая полоса представляет точки, полученные из спектров, выделенных в C . ( C ) 31 P-ЯМР-спектры липидных смесей, содержащих ТАГ, DLiPE или DIM, при 320 К. Вторая полоса вращения (4 кГц), которая сильно связана с эволюцией фазы L α , увеличено в Top . Для сравнения черный пик изображает вторую полосу вращения DOPE / SOPC (3: 1) при 320 К.

Мы наконец проанализировали способность 1,2-дилинолеил- sn -глицеро-3-фосфоэтаноламин (DLiPE) индуцировать фазовый переход L α -в-H II и сравнили его с DIM. Ожидается, что с 2 двойными связями в каждой ацильной цепи (рис. 5 A ) DLiPE будет сильным усилителем образования гексагональной фазы (38). При 5% DLiPE мы наблюдали полный фазовый переход H II уже при 322 K (рис.5 B и C ) и температуре средней точки перехода для DOPE 316 K (± 0.4). Однако это значение выше, чем для 5% DIM (303,5K ± 0,4), 2,5% DIM (304,5K ± 0,5) и даже 1% DIM (311,3K ± 1,0) ( SI Приложение , Таблица S3). Таким образом, молекулы DIM являются сильными индукторами недислойных фаз даже при низких концентрациях.

Форма липидов может быть оценена путем изучения обращенной гексагональной фазы в различных смесях липидов (38). Здесь, используя температуру фазового перехода L α -в-H II в качестве меры для оценки конической формы липидов, мы ранжировали форму различных молекул: DIM были сильно коническими, а DLiPE были менее коническими, в то время как трипальмитины были наименее коническая.

Форма липида модулирует проникновение частиц

Mtb и зимозана в макрофаги.

В наших предыдущих экспериментах мутант с дефицитом DIM h47Rv ΔppsE , по-видимому, инфицировал макрофаги с меньшей эффективностью, чем штамм WT. Покрытие этих DIM-дефицитных мутантных бактерий DIM восстанавливало фенотип WT, в то время как покрытие мутантов трипальмитином не имело эффекта (8). Эти результаты теперь могут быть связаны с их соответствующей конической формой: сильно конической для DIM и менее конической для трипальмитина.Чтобы проверить, действительно ли именно коническая форма DIM помогает Mtb вторгаться в макрофаги, мы в сравнении оценили влияние экзогенно добавленного DIM и различных других липидов на способность этого мутанта вторгаться в макрофаги, полученные из моноцитов человека (hMDM). к штамму WT ​​h47Rv (рис. 6 A ). Мы подтвердили, что мутант с дефицитом DIM инфицировал меньший процент макрофагов, чем штамм WT (фиг. 6 B и C ). Предварительная обработка макрофагов DIM восстанавливала процент инфицированных клеток до уровня, сопоставимого с уровнем, наблюдаемым для штамма WT h47Rv в необработанных макрофагах (рис.6 B и C ). Примечательно, что обработка макрофагов коническим фосфолипидом POPE также увеличивала процент макрофагов, инфицированных мутантом h47RvΔ ppsE , тогда как обработка цилиндрическим липидом POPC не давала значительного эффекта (фиг. 6 C ). Эти данные подтверждают гипотезу о том, что коническая форма DIM, которая индуцирует межслойные мембранные структуры, увеличивает эффективность Mtb для инфицирования макрофагов.

Рис. 6.

Форма липидов модулирует проникновение мутанта MtbΔ ppsE и зимозана в макрофаги.( A ) Макрофаги инкубировали при 37 ° C в течение 1 ч с липидным растворителем (Ø) или липидами 70 мкМ (DIM, POPC и POPE), а затем подвергали воздействию GFP-экспрессирующего h47Rv WT или ΔppsE (MOI 10: 1) за 1 ч. Затем клетки фиксировали и обрабатывали для количественного определения инфицированных макрофагов с помощью флуоресцентной микроскопии. ( B ) Типичные изображения флуоресцентной микроскопии необработанных или DIM-обработанных макрофагов, окрашенных WGA (мембранный маркер, синий) и инфицированных GFP-экспрессирующим h47Rv WT или Δ ppsE (зеленый).(Масштаб: 30 мкм.) ( C ) Гистограмма представляет процент макрофагов, инфицированных Δ ppsE в обработанных липидами и необработанных макрофагах, выраженный по отношению к WT h47Rv (100%). ( D ) Макрофаги инкубировали с растворителем (Ø) или липидами, а затем вводили в контакт на 1 час с частицами зимозана (MOI 30: 1). ( E ) Процент макрофагов, инфицированных зимозаном, в необработанных клетках или клетках, обработанных липидами. Значения выражены относительно поглощения зимозана необработанными клетками (100%).Значения представляют собой средние значения ± SEM от 8 до 10 отдельных экспериментов. Была оценена значимость разницы в процентном отношении инфицирования макрофагами между h47Rv WT и Δ ppsE или между необработанными и обработанными липидами клетками: * P <0,05; ** P <0,015.

Чтобы определить, ограничивается ли этот эффект DIM на макрофаги инфекцией Mtb , мы исследовали влияние DIM и других липидов на поглощение зимозана (рис. 6 D ), грибкового полисахарида, часто используемого для изучения неопсонических заболеваний. фагоцитоз (39).Мы обнаружили, что преинкубация макрофагов с DIM также увеличивала поглощение зимозана макрофагами по сравнению с необработанными условиями, как и преинкубация с POPE, но не с POPC (рис. 6 E ). Эти данные показывают, что DIM и другие конические липиды обычно способствуют фагоцитозу макрофагами.

Обсуждение

В то время как перенос липидов от Mtb к мембранам макрофагов во время инфекции был продемонстрирован для гликолипидов (40), это никогда не было показано для DIM.Используя масс-спектрометрию MALDI-TOF, мы установили, что молекулы DIM, экспонированные на оболочке Mtb , действительно переносятся на мембраны макрофагов во время инфекции (рис. 1). Мы предполагаем 2 механизма, которые могли бы объяснить этот процесс. Обмен DIM может происходить путем прямого контакта между поверхностью бактерий и мембраной макрофага в местах контакта. Такой прямой обмен холестерина и холестерин-гликолипидов наблюдался между Borrelia burgdorferi и клетками HeLa (41).Альтернативно, DIM может транспортироваться в мембранах внеклеточных везикул, которые, как известно, выводятся из организма Mtb и другими микобактериями (42), с последующим слиянием этих везикул с плазматической мембраной макрофагов. Липидный обмен, опосредованный слиянием везикул, был показан для B. burgdorferi (41) и для Pseudomonas aeruginosa (43). Для последнего процесса переносу липидов может способствовать коническая форма, которая способствует слиянию везикул с мембраной клетки-хозяина (44).Здесь, объединив 31 P-ЯМР с моделированием МД, мы продемонстрировали, что DIM может принимать такую ​​коническую форму и способствовать образованию недислойных (перевернутых гексагональных) фаз мембраны (рис. 3), структур, важных для эффективного слияния мембран (45 ). Слияние мембран также может быть важным для герметизации фагосомной мембраны на последней стадии фагоцитоза. Примечательно, что наши результаты показали, что даже DLiPE, сильный усилитель недислойных фаз, не соответствовал силе DIM в продвижении недислойных структур (рис.5). Это может быть объяснено тем фактом, что липиды DIM преимущественно агрегируют в переходные стебли (Fig. 3 B и Movie S1), чтобы стабилизировать их, тем самым усиливая образование недислойной фазы. Эта форма также может быть принята другими липидами с длинной ацильной цепью, которые важны для инфекции Mtb (2) и переносятся на мембрану клетки-хозяина (40), такими как моно- и димиколат трегалозы и фенольные гликолипиды, молекулы структурно связаны с DIM. Хотя коническая форма является общей для липидов PE и DIM, мы выделяем дополнительное отличительное свойство липидов DIM.Высокая гидрофобная природа DIM может сдерживать агрегацию этих липидов между двумя листочками (как видно на фиг. 3 B, и 4 и SI, приложение , фиг. S4 A ). Эта локализация может дестабилизировать ламеллярную фазу ( SI Приложение , рис. S4 B ), как это было недавно замечено для других аполярных липидов (46, 47), в то же время способствуя разделению других липидов, таких как PE (как показано на Рис. 4), которые могут снизить энергетические барьеры активации: например, для слияния клеток.

В настоящее время имеется достаточно доказательств того, что липиды могут модулировать структуру и функции мембранных белков (48) и функции (49, 50). Как видно из липидов, таких как диацилглицерин (51), коническая форма DIM может модулировать активность мембранных белков. Соответственно, мы обнаружили, что DIMs увеличивают неопсонический фагоцитоз зимозана, процесс, который, как хорошо известно, опосредуется репертуаром мембранных рецепторов, включая рецептор комплемента 3 (CR3) (39) и рецептор маннозы (52). DIM может действовать на мембранные белки посредством различных биофизических механизмов.Во-первых, DIM может вызывать кривизну на мембране хозяина (12), что, в свою очередь, может модулировать интегральную сортировку мембранных белков (53, 54) и функцию (55). DIM также может запускать реорганизацию липидных нанодоменов для модуляции сигнальных платформ (14, 56). Таким образом, наши открытия должны открыть возможности для понимания того, как Mtb разрушает другие рецепторы, участвующие в его распознавании иммунной системой (57), включая Toll-подобные рецепторы, NOD-подобные рецепторы и рецепторы лектинов C-типа.

Модуляция активности мембранных белков в конечном итоге модулирует клеточные функции.Действительно, мы показали, что DIM способствуют инфицированию Mtb (рис. 6). Чтобы подтвердить актуальность конической формы, мы показали, что конические липиды POPE, но не цилиндрические липиды POPC, добавленные к макрофагам, также восстанавливают инфекционную способность DIM-дефицитного мутанта Mtb и улучшают фагоцитоз (рис. 6). Наши результаты также проливают свет на предыдущие наблюдения, показывающие, что мутант Mtb с дефицитом DIM, покрытый липидом трипальмитина, был менее эффективен в заражении макрофагов, чем мутанты, покрытые DIM (8).Теперь это можно понять по тому факту, что трипальмитин не способствует образованию межслойного фазового перехода в наших модельных мембранах (рис. 5) и, следовательно, не имеет сильной конической формы. Наши результаты показывают, что коническая форма липида способствует фагоцитозу. Влияние конической формы DIM на дезорганизацию мембраны также может играть роль в индукции разрыва фагосомной мембраны и гибели клеток (58, 59). В целом понимание того, как молекулярная форма липидов DIM и их биофизические свойства влияют на биологические мембраны, может помочь в разработке терапевтических стратегий, ориентированных на хозяина, для борьбы с туберкулезом (60), предотвращая инфицирование макрофагов Mtb .

Материалы и методы

Антитела, липиды и реагенты.

Кроличьи поликлональные антитела против микобактерий получали, как описано ранее (8). Конъюгированные с родамином красным вторичные козьи антитела против кроличьих вторичных антител и агглютинин зародышей пшеницы (WGA), конъюгат Alexa Fluor 350, были приобретены у Invitrogen. DIM были экстрагированы из Mycobacterium canetti ( SI Приложение , Дополнительные материалы и методы ). 1-пальмитоил-2-олеоил- sn -глицеро-3-фосфохолин (16: 0-18: 1 PC, POPC), 1-пальмитоил-2-олеоил- sn -глицеро-3-фосфоэтаноламин (16: 0-18: 1 PE, POPE), 1-стеароил-2-олеоил- sn -глицеро-3-фосфохолин (18: 0-18: 1 PC, SOPC), 1,2-диолеоил- sn - глицеро-3-фосфоэтаноламин (18: 1-18: 1 PE, DOPE), 1-пальмитоил-2-гидрокси- sn -глицеро-3-фосфохолин (16: 0 лизоPC), 1,2-дилинолеил- sn -глицеро-3-фосфоэтаноламин (18: 2 PE, DLiPE), холестерин и яичный сфингомиелин были приобретены у Avanti Polar Lipids (Алебастр, Алабастр).Трипальмитин был приобретен у Sigma-Aldrich. Остальные реагенты были приобретены у Sigma-Aldrich, если не указано иное.

Сбор данных ЯМР.

Спектры ЯМР фосфора регистрировали на спектрометре Bruker Avance с полосой 500 МГц, в зонде HRMAS, с дейтериевым замком. Образцы липидов [обычно 6 мг общих липидов в 50 мкл Трис-буфера (10 мМ Трис, 1 мМ ЭДТА, pH 7,4)] вставляли в 4-миллиметровые роторы со сферическими вставками. Температуру образца можно было варьировать от 278 К до 324 К и регулировать в пределах ± 0.1 K с блоком переменной температуры Bruker. Для калибровки температуры использовалась известная температурная зависимость химических сдвигов метанола. 31 Анизотропия химического сдвига (CSA) P была определена из вращающихся коллекторов боковых полос при частоте вращения 2000 ± 1 Гц. Спектры MAS были получены с помощью последовательности спинового эха (π / 2-τ-π), где импульс π / 2 имел длительность 5,3 мкс (при мощности 107 Вт), приложенный на частоте изотропного резонанса липидов, и задержка между импульсами τ составляла 20 мкс.Время выдержки составляло 1 мкс, время сбора данных 65 мс, задержка релаксации 1 с и количество сканирований 4096. Во время сбора данных не применялась протонная развязка, поскольку было показано, что она не влияет на ширину линии при частоте вращения 2 кГц (то есть намного выше 1 H- 31 P диполярной связи ∼500 Гц в жидких липидных бислоях. ). Для каждого образца был получен спектр ЯМР 1 H при частоте вращения 10 кГц, чтобы откалибровать 1 H (с использованием пика метилена при 1.25 частей на миллион [ppm] относительно TMS) и 31 P химических сдвигов (относительно фосфорной кислоты при 0 ppm, используя γ P / γ H = 0,40480742). Наблюдаемые сдвиги изотропных химических веществ 31 P составляли -1,00 ± 0,02 частей на миллион для головной группы фосфатидилхолина (в SOPC) и -0,27 ± 0,02 частей на миллион для головной группы фосфатидилэтаноламина (в DOPE) и лишь незначительно варьировались в зависимости от исследуемых липидных составов. Типичная ширина линии составляла от 40 до 60 Гц (т.е. ~ 0,25 ppm), так что диаграммы боковых полос PC и PE были хорошо разрешены и могли быть подобраны независимо.

Каждый образец липосом уравновешивали в течение ночи при 277 К перед измерениями ЯМР. Затем мы измерили его спектр MAS 31 P при температурах от 284 K до 324 K с шагом 2 K каждые 100 минут (25-минутное уравновешивание плюс 75-минутное время сбора данных для каждой температуры). Было показано, что для липидных смесей, которые не претерпевают пластинчатого фазового перехода в обратно-гексагональный (т.е. с небольшой долей ДОФЭ), спектры полностью обратимы при понижении температуры от 324 К до 284 К.Однако после образования фазы H II она не переходила в пластинчатую фазу, по крайней мере, после 1 дня уравновешивания при 284 К. Следовательно, все измерения проводились для повышения температуры, начиная с самой низкой температуры, соблюдая осторожность. поддержания липосом при низкой температуре во время их приготовления и перед измерениями ЯМР. Фактический выход DIM в липидные бислои определяли с помощью 1 H-ЯМР ( SI Приложение , Дополнительный текст ).

Спектральная деконволюция.

Мы проанализировали каждый вращающийся коллектор с боковой полосой 31 P, используя инструмент анализа формы сплошной линии (SOLA), доступный в Topspin 3.5. Параметры CSA были рассчитаны с использованием соглашения Хэберлина для значений анизотропии Δδ = δ // - δ , как это обычно делается в литературе по мембранам и как объяснялось ранее (61). Мы оценили неопределенность значений Δδ в ± 0,2 ppm на основании нескольких измерений и подгонки, выполненных на независимых образцах.Сначала мы определили параметры CSA липидов, организованных в одну фазу (например, SOPC для ламеллярной фазы L α и DOPE для фазы H II ) при нескольких температурах от 284 K до 324 K. Параметры CSA для каждый липид и каждая фаза слегка и линейно изменялись с температурой из-за увеличения движения при более высоких температурах: от 49,6 ± 0,2 частей на миллион (293 К) до 45,0 ± 0,2 частей на миллион (333 К) для SOPC в фазе L α ; и от -22,2 ± 0,2 частей на миллион (278 К) до -20,1 ± 0.2 ppm (333 K) для ДОФЭ в фазе H II . Были получены следующие линейные регрессии: Δδ = −0,0944 T + 76,599 для SOPC в фазе L α и Δδ = −0,0409 T −33,627 для DOPE в фазе H II , где T - температура в Кельвинах; эти регрессии использовались для расчета значений CSA при промежуточных температурах. Поскольку липиды в фазе H II испытывают дополнительное усреднение движения из-за боковой диффузии вокруг водных каналов, их CSA получается путем усреднения 2 компонентов, δ // и δ , разделенных на 2, по обсуждаемым причинам. Куллиса и Де Крюиффа (62).Значения CSA в фазах L α и H II имеют противоположные знаки. Следовательно, значение CSA для SOPC в фазе H II было принято равным -0,5 от его значения в фазе L α , в то время как значение CSA для DOPE в фазе L α было в 2 раза больше его значения в фазе . H II фаза. Знание зависящих от температуры параметров CSA для обоих липидов в обеих фазах позволило резко сократить количество параметров, которые необходимо подбирать при анализе липидных смесей, в которых две фазы сосуществуют.После оптимизации положений пиков и ширины линий алгоритм подбора SOLA должен только найти те пропорции L α -H II , которые лучше всего воспроизводят экспериментальные спектры. Интенсивность вращающейся боковой полосы на +4 кГц является хорошим показателем доли фазы L α , поскольку этот пик почти отсутствует в типичном многообразии боковых полос вращающейся фазы H II (63) (рис.5 C ). Этот протокол подгонки был очень надежным и предотвращал артефакты и нестабильность, возникающие из-за подбора слишком большого количества параметров.Следует подчеркнуть, что наша процедура основана на предположении, что спектры состоят из линейной комбинации спектров 2 липидов в фазах L α и H II , имеющих параметры CSA, идентичные их значениям в чистых фазах. при той же температуре. Этого упрощающего предположения было достаточно для характеристики фазовых переходов липидов, хотя мы не можем исключить, что реальное поведение липидов является более сложным.

МД Моделирование.

Атомистическое моделирование МД проводилось с помощью программы Amber16 (64) (http: // ambermd.org) в сочетании с Lipid14 (65) и общим силовым полем AMBER (Gaff) (66). Система содержала мембрану из 300 молекул POPC и была сольватирована с моделью воды TIP3P с использованием сервера CHARMM-GUI (67, 68). Молекула DIM была расположена в бислое POPC с полярным остовом в непосредственной близости от атомов кислорода POPC (рис. 2 A ). Чтобы избежать стерических столкновений молекулы DIM с POPC, система была первоначально минимизирована путем выполнения 1500 итераций алгоритма наискорейшего спуска (SD), за которыми следовали 1500 итераций алгоритма сопряженного градиента (CG) со слабо ограниченным растворенным веществом (k = 10 ккал / моль / Å 2 ).Затем был проведен короткий прогон МД длительностью 100 пс для слабо удерживаемого растворенного вещества с температурой, линейно изменяющейся от 0 до 303 К. Температурный контроль был достигнут с использованием динамики Ланжевена с параметром частоты столкновений γ, равным 1,0 пс -1 . Шаг интегрирования, использованный в этом прогоне, составлял 1 фс. В расчетах использовалось ограничение в 10 Å для электростатических взаимодействий. Моделирование МД продолжалось уравновешиванием системы, состоящим из 10 последовательных шагов МД по 500 пс каждый, при постоянной температуре 303 К без ограничений, с шагом интегрирования 2 фс.Затем был запущен производственный цикл на 800 нс при постоянном давлении 1 бар. Для контроля температуры использовалась динамика Ланжевена с γ = 1.0 пс -1 , а давление контролировалось анизотропным баростатом Берендсена с временем релаксации давления τ p = 1 пс. Связи с участием водорода ограничивались алгоритмом SHAKE.

Крупнозернистое моделирование проводилось с использованием GROMACS 2016 (69) с силовым полем MARTINI 2.2 (70, 71). Мы разработали компьютерную модель DIM, следуя исходной стратегии параметризации MARTINI (72).Мы аппроксимировали от 3 до 4 тяжелых атомов, составляющих длинные гидрофобные ацильные цепи, на 1 частицу C1. Небольшие метильные разветвленные части были аппроксимированы небольшой частицей SC1. Слегка полярный конец цепи фтиоцерина был аппроксимирован частицей N 0 , тогда как фрагменты сложного эфира глицерина были представлены частицей Na с промежуточной гидрофобностью, как это обычно делается для других фосфолипидов (фиг. 2 B ). Силовые константы и значения равновесия для связей и углов были извлечены из атомистического моделирования ( SI Приложение , рис.S3). Сначала все системы были постепенно уравновешены, как это было предложено в протоколе CHARMM-GUI MARTINI Maker (73). Кулоновские взаимодействия обрабатывались с использованием потенциала реакционного поля, а взаимодействия Леннарда-Джонса - с использованием сдвинутых потенциалов с радиусом отсечки 1,1 нм. Для плоских систем из чистого SOPC, молекул DIM / DLiPE, встроенных в бислой POPC или состоящих из смеси POPC / POPE / холестерина / сфингомиелина (с молекулами DIM и без них), давление поддерживали на уровне 1 бар с использованием алгоритма Парринелло – Рахмана. (74) с семиизотропным регулированием давления.Температура поддерживалась на уровне 310 К с использованием алгоритма v-rescale (75). Для чистых систем DOPE, SOPC / DOPE, POPC / POPE / холестерин / сфингомиелин и POPE / холестерин / сфингомиелин, претерпевающих пластинчатый переход в гексагональный, мы использовали протокол, описанный Marrink и Mark (27). Мы сложили 4 мембраны с уровнем гидратации от 2 до 3 водных CG-частиц на липид (что эквивалентно примерно 9-10 атомистическим молекулам воды), чтобы увидеть фазовый переход за разумное время, как подробно описано Марринком и Марком. (27).Использовали термостат Берендсена в сочетании с баростатом Берендсена (76). Было приложено полностью анизотропное давление муфты с эталонным давлением 1 бар. Системы были уравновешены при 280 K, а затем было запущено от 8 до 11 различных симуляций с температурами в диапазоне от 280 K до 380 K (в зависимости от исследуемой системы) с шагом 10 K. Во всех CG-системах шаг по времени составлял 20 fs использовалась. См. SI Приложение , Таблица S1 для краткого обзора моделирования. Параметры для CG и атомистических представлений липидов DIM будут доступны на веб-сайте MARTINI cgmartini.nl и по адресу https://github.com/MChavent. Профили плотности были выполнены с использованием инструмента плотности Gromacs (http://manual.gromacs.org/documentation/2016/onlinehelp/gmx-de density.html). Профиль бокового давления был рассчитан с использованием модифицированной версии Gromacs: Gromacs-LS (http://www.mdstress.org). Рисунки МД моделирования были выполнены с использованием VMD (77). Скрипты, используемые для анализа моделирования MD, доступны по адресу https://github.com/MChavent.

Динамическое моделирование исполнительного механизма из диэлектрического эластомера конической формы

В этом разделе разработана динамическая модель ДЭА конической формы.Для простоты изложения заранее заявлены три различных состояния DEA. Первое состояние называется недеформированным состоянием, второе состояние называется предварительно растянутым состоянием, а третье состояние называется электродеформированным состоянием, диаграммы которого показаны на рис. 1 (a), 1 (b) и 1 (c). ), соответственно.

(А) В недеформированном состоянии

Мембрана DE толщиной d 0 зажимается рамкой с внутренним радиусом окружности R . Несущая пластина радиусом R 0 размещается в центре ДЭ мембраны.Две стороны DE-мембраны, которые представляют собой две кольцевые области, покрыты податливыми электродами. Таким образом, радиальная длина ДЭА составляет L 0 = R - R 0 .

(B) Предварительно растянутое состояние

Гирю массой м. размещают по центру несущей плиты. Под действием силы тяжести P гиря переместится вниз на расстояние z 1 , чтобы достичь положения равновесия.В результате мембрана DE предварительно растягивается до конической формы. Как показано на рис. 1 (b), L 1 , d 1 и h 1 - это размеры DEA, соответствующие предварительно растянутому состоянию, где L 1 - длина образующей, d 1 - толщина, а h 1 - разница высот между верхней и нижней поверхностями.

(В) Электродеформированное состояние

Когда на электроды подается управляющее напряжение Φ, DE-мембрана уменьшается в толщине и расширяется по площади.Таким образом, груз сместится вниз на расстояние z 2 . Как показано на Рис. 1 (c), размеры L 2 , d 2 и h 2 соответствуют электродеформированному состоянию.

Объемы DEA для недеформированного состояния, предварительно растянутого состояния и электродеформированного состояния составляют: (1)

Строго говоря, деформация ДЭА конической формы неоднородна [26, 27]. Однако для упрощения динамического моделирования неоднородность деформации игнорируется в следующих разработках [24, 28].Поскольку ДЭА несжимаем [29], объем ДЭА постоянен. Таким образом, V 0 = V 1 = V 2 . Из (1) получаем (2)

Согласно (2) отношения между z 1 , z 2 , d 1 и d 2 равны (3)

DEA, изучаемый в данной статье, имеет коническую форму. Для простоты описания образующая, толщина и протяженность по окружности используются для описания состояний DEA.В предварительно растянутом состоянии предварительные растяжки DEA составляют до , L , λ до , d и λ до , C , соответственно. В электродеформированном состоянии удлинения DEA равны λ 1 , λ 2 и λ 3 соответственно. Согласно рис.1, выполняются следующие уравнения: (4) (5)

Согласно (2) - (5) устанавливается следующее уравнение: (6)

Зависимость между зарядом Q и напряжением Φ равна (7) где ε и C - диэлектрическая проницаемость и емкость материала DE соответственно.

Согласно (3) - (6), соотношение между δλ 1 и δz 2 составляет (8)

Из (6) и (7) заряд на электроде изменяется на (9)

Для расчета работы сил инерции во время электромеханической деформации мы рассматриваем цилиндрические координаты, показанные на рис. 2, где O , r , φ и z представляют начало координат, радиальное расстояние, азимутальный угол и высота цилиндрических координат соответственно.

Как показано на Рис. 2 (b), исследуется бесконечно малый элемент с внутренним радиусом r 1 и внешним радиусом r 1 + dr 1 . В электродеформированном состоянии смещение элемента в направлении r , φ и z составляет 0, 0 и z r 1 соответственно. Итак, связь между z r 1 и z 2 составляет (10)

Силы инерции в каждом элементе материала вдоль направления r , направления φ и направления z составляют 0, 0 и dF r 1 , соответственно.Согласно принципу Д’Аламбера, мы можем получить (11) где ρ - плотность материала ДЭ.

Таким образом, изменения работы сил инерции равны 0, 0 и δH I , z соответственно. Согласно (10) и (11) работа силы инерции dF r 1 равна (12)

Изменение свободной энергии DEA равно сумме работ, совершаемых движущим напряжением, силой тяжести и силами инерции.Это, (13) где W, - плотность свободной энергии DEA, а δW представляет собой изменение W .

Подавая (9) и (12) в (13), плотность свободной энергии W изменяется на (14)

Подставляя (8) в (14), мы можем получить (15) где (16)

Для описания вязкоупругости материала DE принята реологическая модель с двумя параллельными блоками (как показано на рис. 3) [30]. Часть A состоит только из пружины α 0 , в то время как часть B состоит из четырех параллельных образований, каждая из которых состоит из пружины α i ( i = 1, 2, 3, 4, …, n ) с торпедо с последовательным заводом.В этой статье мы предполагаем, что каждый дроссель представляет собой ньютоновскую жидкость с вязкостью η i . Пусть ξ ij ( j = 1, 2) - растяжения из-за упоров, растяжения пружины α i определяются правилами умножения, и.

Плотность свободной энергии W DEA [29] может быть описана как (17) где W s - это свободная энергия Гельмгольца, связанная с растяжением эластомера, а D - это электрическое смещение.Электрический рабочий объем D равен (18)

В этой статье мы выбрали модель Гента [17, 30] для описания плотности упругой энергии DEA. Следовательно, плотность упругой энергии ДЭА равна (19) где - плотности упругой энергии пружины α i ; μ i - модуль сдвига пружины α i соответственно; J i - пределы деформации пружины α i соответственно.

Согласно (5) - (7) и (17) - (19) плотность свободной энергии ДЭА равна (20)

Согласно третьему закону движения Ньютона, напряжения пружины α i ( i = 1, 2, 3, 4,…, n ) равны соответствующим напряжениям демпфера. Так, (21)

Из (19) и (21) скорости деформации дашпотов можно выразить как (22)

Время вязкоупругой релаксации T i ( i = 1, 2,…, n ) DEA определяется как отношение η i к μ и .Так, (23)

Подавая (20) в (15) и комбинируя результат с (22), динамическую модель конического DEA можно описать как (24)

На данный момент мы разработали динамическую модель для описания внутренней нелинейности, сложной электромеханической связи и зависящего от времени вязкоупругого поведения конического DEA. В следующих работах мы проводим эксперимент для получения экспериментальных данных конического DEA, а затем используем алгоритм дифференциальной эволюции для определения неопределенных параметров в (24) на основе этих данных.

Weller ST7 Паяльное жало конической формы 1/32 дюйма

Номер детали производителя:

Номер детали TestEquity:

Ваш номер детали:

Вес брутто (фунты):

Состояние:

Производитель:

Предложение штата Калифорния 65

{{section.sectionName}}:

{{option.description}}

{{section.sectionName}} Выберите {{section.sectionName}}

.

{{styleTrait.nameDisplay}} {{styleTrait.unselectedValue? "": "Выбрать"}} {{styleTrait.unselectedValue? styleTrait.unselectedValue: styleTrait.nameDisplay}}

По ценам звоните: (800) 950-3457

На заказ:

Срок поставки производителя:

Ед / м:

Множественное количество продаж

КОЛИЧЕСТВО

недоступно для этого варианта.
  • Атрибуты
  • Документы
  • {{спецификация.nameDisplay}}
  • Атрибуты
  • Документы
  • Информация о ценах
{{attributeValue.valueDisplay}} {{$ last? '': ','}}
{{attributeValue.valueDisplay}} {{$ last? '': ','}}

доля

Электронное письмо было успешно отправлено.Электронное письмо не было отправлено, проверьте данные формы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск