☢ Энергетические процессы в клетках: запасание и использование энергии

Main page / Живомордность / ☢ Энергетические процессы в клетках: запасание и использование энергии

Как именно энергия запасается в АТФ (аденозинтрифосфат), и как она отдается для совершения какой-то полезной работы? Кажется невероятно сложным, что некая абстрактная энергия вдруг получает материальный носитель в виде молекулы, находящейся внутри живых клеток, и что она может высвобождаться не в виде тепла (что более-менее понятно), а в виде создания другой молекулы. Обычно авторы учебников ограничиваются фразой «энергия запасается в виде высокоэнергетической связи между частями молекулы, и отдается при разрыве этой связи, совершая полезную работу», но это ничего не объясняет.

В самых общих чертах эти манипуляции с молекулами и энергией происходят так: сначала в митохондриях создаются молекулы АТФ. Или создаются в хлоропластах в цепи похожих реакций. На это тратится энергия, получаемая при контролируемом сгорании питательных веществ прямо внутри митохондрий или энергия фотонов солнечного света, падающих на молекулу хлорофилла. Потом АТФ доставляется в те места клетки, где необходимо совершить какую-то работу. И при отщеплении от нее одной или двух фосфатных групп выделяется энергия, которая эту работу и совершает. АТФ при этом распадается на две молекулы: если отщепилась только одна фосфатная группа, то АТФ превращается в 

АДФ (аденозинДИфосфат, отличающийся от аденозинТРИфосфата только отсутствием той самой отделившейся фосфатной группы). Если АТФ отдала сразу две фосфатные группы, то энергии выделяется больше, а от АТФ остается аденозинМОНОфосфат (АМФ).

Очевидно, что клетке необходимо осуществлять и обратный процесс, превращая молекулы АДФ или АМФ в АТФ, чтобы цикл мог повториться. Но эти молекулы-«заготовки» могут спокойно плавать рядом с недостающими им для превращения в АТФ фосфатами, и никогда с ними не объединиться, потому что такая реакция объединения энергетически невыгодна.

Что такое «энергетическая выгода» химической реакции, понять довольно просто, если знать о втором законе термодинамики: во Вселенной или в любой системе, изолированной от остальных, беспорядок может лишь нарастать. То есть сложноорганизованные молекулы, сидящие в клетке в чинном порядке, в соответствии с этим законом могут только разрушаться, образуя более мелкие молекулы или даже распадаясь на отдельные атомы, ведь тогда порядка будет заметно меньше. Чтобы понять эту мысль, можно сравнить сложную молекулу с собранным из Лего самолетиком. Тогда мелкие молекулы, на которые распадается сложная, будут ассоциироваться с отдельными частями этого самолета, а атомы — с отдельными кубиками Лего. Посмотрев на аккуратно собранный самолет и сравнив его с беспорядочной кучей деталей, становится понятно, почему сложные молекулы содержат больше порядка, чем мелкие.

Такая реакция распада (молекул, не самолета) будет энергетически выгодной, а значит может осуществляться самопроизвольно, и при распаде будет выделяться энергия. Хотя на самом деле и расщепление самолета будет энергетически выгодно: несмотря на то, что сами по себе детали отщепляться друг от друга не будут и над их отцеплением придется попыхтеть сторонней силе в виде пацана, который хочет использовать эти детали для чего-то другого, он затратит на превращение самолета в хаотическую кучу деталей энергию, полученную от поедания высокоупорядоченной пищи. И чем плотнее слиплись детали, тем больше энергии будет потрачено, в том числе выделено в виде тепла. Итог: кусок плюшки (источник энергии) и самолет превращены в беспорядочную массу, молекулы воздуха вокруг ребенка нагрелись (а значит движутся более беспорядочно) — хаоса стало больше, то есть расщепление самолета энергетически выгодно.

Подводя итог, можно сформулировать такие правила, следующие из второго закона термодинамики:

1. При снижении количества порядка энергия выделяется, происходят энергетически выгодные реакции

2. При увеличении количества порядка энергия поглощается, происходят энергетически затратные реакции

На первый взгляд, такое неизбежное движение от порядка к хаосу делает невозможным обратные процессы, такие как построение из одной оплодотворенной яйцеклетки и молекул питательных веществ, поглощеных матерью-коровой, несомненно весьма упорядоченного по сравнению с пережеванной травой теленка.

Но все-таки это происходит, и причина этого в том, что живые организмы имеют одну фишку, позволяющую и поддержать стремление Вселенной к энтропии, и построить себя и свое потомство: они 

объединяют в один процесс две реакции, одна из которых энергетически выгодна, а другая энергозатратна. Таким совмещением двух реакций можно добиться того, чтобы энергия, выделяемая при первой реакции, с избытком перекрывала энергетические затраты второй. В примере с самолетом отдельно взятое его разбирание энергозатратно, и без стороннего источника энергии в виде разрушенной метаболизмом пацана плюшки самолет стоял бы вечно.

Это как при катании с горки на санках: сначала человек во время поглощения пищи запасает энергию, полученную в результате энергетически выгодных процессов расщепления высокоупорядоченной курицы на молекулы и атомы в его организме. А потом тратит эту энергию, затаскивая санки на гору. Перемещение санок от подножия к вершине энергетически невыгодно, поэтому самопроизвольно они туда никогда не закатятся, на это нужна какая-то сторонняя энергия. И если энергии, полученной от поедания курицы, будет недостаточно для преодоления подъема, то процесса «скатывание на санках с вершины горы» не будет.

Именно энергозатратные реакции (energy-consuming reaction) увеличивают количество порядка, поглощая энергию, выделяемую при сопряженной реакции. И баланс между выделением и потреблением энергии в этих сопряженных реакциях всегда должен быть положительным, то есть их совокупность будет увеличивать количество хаоса. Примером увеличения

энтропии (неупорядоченности) (entropy [‘entrəpɪ]) является выделение тепла при энергодающей реакции (energy supply reaction): соседние с вступившими в реакцию молекулами частицы вещества получают энергичные толчки от реагирующих, начинают двигаться быстрее и хаотичнее, распихивая в свою очередь другие молекулы и атомы этого и соседних веществ.

Вернемся еще раз к получению энергии из пищи: кусок Banoffee Pie гораздо более упорядочен, чем получившаяся в результате пережевывания масса, попавшая в желудок. Которая в свою очередь состоит из крупных, более упорядоченных молекул, чем те, на которые ее расщепит кишечник. А они в свою очередь будут доставлены в клетки тела, где от них будут отрывать уже отдельные атомы и даже электроны… И на каждом этапе увеличения хаоса в отдельно взятом куске торта будет происходить выделение энергии, которую улавливают органы и органеллы счастливого поедателя, запасая ее в виде АТФ (энергозатратно), пуская на построение новых нужных молекул (энергозатратно) или на нагревание тела (тоже энергозатратно). В системе «человек — Banoffee Pie — Вселенная» порядка в результате этого стало меньше (за счет разрушения кейка и выделения тепловой энергии перерабатывающими его органеллами), но в отдельно взятом человеческом теле

счастья порядка стало больше (за счет возникновения новых молекул, частей органелл и целых клеточных органов).

Если вернуться к молекуле АТФ, после всего этого термодинамического отступления становится понятно, что на создание ее из составных частей (более мелких молекул) необходимо затратить энергию, полученную от энергетически выгодных реакций. Один из способов ее создания подробно описан в одной из глав про митохондрий, другой (весьма схожий) используется в хлоропластах, где вместо энергии протонного градиента используется энергия фотонов, испущенных Солнцем.

Можно выделить три группы реакций, в результате которых производится АТФ (смотри схему справа):

• расщепление глюкозы и жирных кислот на крупные молекулы в цитоплазме уже позволяет получить некоторое количество АТФ (небольшое, на одну расщепленную на этом этапе молекулу глюкозы приходится всего лишь 2 полученные молекулы АТФ). Но основная цель этого этапа заключается в создании молекул, использующихся в дыхательной цепи митохондрий.
• дальнейшее расщепление полученных на предыдущем этапе молекул в цикле Кребса, протекающее в матриксе митохондрий, дает всего одну молекулу АТФ, его основная цель та же, что и в прошлом пункте.
• наконец накопленные на предыдущих этапах молекулы используются в дыхательной цепи митохондрий для производства АТФ, и вот тут его выделяется много (про это подробнее ниже).

Если описать все это более развернуто, взглянув на те же реакции с точки зрения получения и затрат энергии, получится вот что:

0. Молекулы пищи аккуратно сжигаются (окисляются) в первичном расщеплении, происходящем в цитоплазме клетки, а также в цепи химических реакций под названием «цикл Кребса», протекающем уже в матриксе митохондрий — энергодающая часть подготовительного этапа.

В результате сопряжения с этими энергетически выгодными реакциями других, уже энергетически невыгодных реакций создания новых молекул образуются 2 молекулы АТФ и несколько молекул других веществ — энергозатратная часть подготовительного этапа. Эти попутно образующиеся молекулы являются переносчиками высокоэнергетических электронов, которые будут использованы в дыхательной цепи митохондрий на следующем этапе.

1. На мембранах митохондрий, бактерий и некоторых архей происходит энергодающее отщепление протонов и электронов от молекул, полученных в предыдущем этапе (но не от АТФ). Прохождение электронов по комплексам дыхательной цепи (I, III и IV на схеме слева) показано желтыми извилистыми стрелками, прохождение через эти комплексы (а значит, и через внутреннюю мембрану митохондрии) протонов — красными стрелками.

Почему электроны нельзя просто отщепить от молекулы-переносчика с использованием мощного окислителя-кислорода и использовать выделяющуюся энергию? Зачем передавать их от одного комплекса к другому, ведь в итоге они к тому же кислороду и приходят? Оказывается, чем больше разница в способности притягивать электроны у электронодающей (восстановителя) и электроноберущей (окислителя) молекул, участвующих в реакции передачи электрона, тем большая энергия выделяется при этой реакции.

Разница в такой способности у образующихся в цикле Кребса молекул-переносчиков электронов и кислорода такова, что выделившейся при этом энергии было бы достаточно для синтеза нескольких молекул АТФ. Но из-за такого резкого перепада в энергии системы эта реакция протекала бы с почти взрывной мощью, и почти вся энергия выделялась бы в виде неулавливаемого тепла, то есть фактически терялась.

Живые клетки же делят эту реакцию на несколько маленьких стадий, сначала передавая электроны от слабо притягивающих молекул-носителей к чуть сильнее притягивающему первому комплексу в дыхательной цепи, от него к еще немного сильнее притягивающему убихинону (или коэнзиму Q-10), чья задача заключается в перетаскивании электронов к следующему, еще немного сильнее притягивающему дыхательному комплексу, который получает свою часть энергии от этого несостоявшегося взрыва, пуская ее на прокачку протонов через мембрану.. И так до момента, пока электроны не встретятся наконец с кислородом, притянувшись к нему, прихватив пару протонов, и не образуют молекулу воды. Такое деление одной мощной реакции на мелкие шаги позволяет почти половину полезной энергии направить на совершение полезной работы: в данном случае на создание протонного электрохимического градиента, о котором речь пойдет во втором пункте.

Как именно энергия передаваемых электронов помогает сопряженной энергозатратной реакции прокачки протонов через мембрану, сейчас только начинают выяснять. Скорее всего, присутствие электрически заряженной частицы (электрона) влияет на конфигурацию того места во встроенном в мембрану протеине, где он находится: так, что это изменение провоцирует затягивание протона в протеин и его движение через протеиновый канал в мембране. Важно то, что фактически энергия, полученная в результате отщепления высокоэнергетичных электронов от молекулы-носителя и итоговой передачи их кислороду, запасается в виде протонного градиента.

2. Энергия протонов, накопившихся в результате событий из пункта 1 с внешней стороны мембраны и стремящихся попасть на внутреннюю сторону, состоит из двух однонаправленных сил:

• электрической (положительный заряд протонов стремится перейти в место скопления отрицательных зарядов с другой стороны мембраны) и
• химической (как в случае любых других веществ, протоны пытаются равномерно рассеяться в пространстве, распространившись из мест с их высокой концентрацией в места, где их мало)

Электрическое притяжение протонов к отрицательно заряженной стороне внутренней мембраны является намного более мощной силой, чем возникающее из-за разницы в концентрации протонов их стремление перейти в место с меньшей концентрацией (это обозначено шириной стрелок на схеме вверху). Совместная энергия этих влекущих сил настолько велика, что ее хватает и на перемещение протонов внутрь мембраны, и на подпитывание сопутствующей энергозатратной реакции: создание АТФ из АДФ и фосфата.

Рассмотрим подробнее, почему на это нужна энергия, и как именно энергия стремления протонов превращается в энергию химической связи между двумя частями молекулы АТФ.

Молекула АДФ (на схеме справа) не жаждет обзаводиться еще одной фосфатной группой: тот атом кислорода, к которому эта группа может прикрепиться, заряжен так же отрицательно, как и фосфат, а значит они взаимно отталкиваются. И вообще АДФ не собирается вступать в реакции, она химически пассивна. У фосфата, в свою очередь, к тому атому фосфора, который мог бы стать местом связи фосфата и АДФ при создании молекулы АТФ, присоединен собственный атом кислорода, так что и он инициативы проявить не может.

Поэтому эти молекулы необходимо связать одним ферментом, развернуть их так, чтобы связи между ними и «лишними» атомами ослабли и разорвались, а после этого подвести два химически активных конца этих молекул, на которых атомы испытывают недостаток и избыток электронов, друг к другу.

Попавшие в поле взаимной досягаемости ионы фосфора (P⁺) и кислорода (O^—) связываются прочной ковалентной связью за счет того, что совместно овладевают одним электроном, изначально принадлежавшим кислороду. Этим обрабатывающим молекулы ферментом является АТФ-синтаза, а энергию на изменение и своей конфигурации, и взаимного расположения АДФ и фосфата она получает от проходящих через нее протонов. Протонам энергетически выгодно попасть на противоположно заряженную сторону мембраны, где к тому же их мало, а единственный путь проходит через фермент, «ротор» которого протоны попутно вращают.

Строение АТФ-синтазы показано на схеме справа. Ее вращающийся за счет прохождения протонов элемент выделен фиолетовым цветом, а на подвижной картинке внизу показана схема его вращения и создания при этом молекул АТФ. Фермент работает практически как молекулярный мотор, превращая электрохимическую энергию тока протонов в механическую энергию трения двух наборов протеинов друг о друга: вращающаяся «ножка» трется о неподвижные протеины «шляпки гриба», при этом субъединицы «шляпки» изменяют свою форму. Эта механическая деформация превращается в энергию химических связей при синтезе АТФ, когда молекулы АДФ и фосфата обрабатываются и разворачиваются нужным для образования между ними ковалентной связи образом.

Каждая АТФ-синтаза способна синтезировать до 100 молекул АТФ в секунду, и на каждую синтезируемую молекулу АТФ через синтетазу должно пройти около трех протонов. Большая часть синтезируемых в клетках АТФ образуется именно этим путем, и лишь небольшая часть является результатом первичной обработки молекул пищи, происходящей вне митохондрий.

В любой момент в типичной живой клетке находится примерно миллиард молекул АТФ. Во многих клетках вся эта АТФ сменяется (т.е. используется и создается вновь) каждые 1-2 минуты. Средний человек в состоянии покоя использует каждые 24 часа массу АТФ, примерно равную его собственной массе.

В целом почти половина энергии, выделяющаяся при окислении глюкозы или жирных кислот до углекислого газа и воды, улавливается и используется для протекания энергетически невыгодной реакции образования АТФ из АДФ и фосфатов. Коэффициент полезного действия в размере 50% — это очень неплохо, например двигатель автомобиля пускает на полезную работу всего лишь 20% содержащейся в топливе энергии. При этом остальная энергия в обоих случаях рассеивается в виде тепла, и так же как некоторые автомобили, животные постоянно тратят этот избыток (хоть и не полностью, конечно) на разогревание тела. В процессе упомянутых здесь реакций одна молекула глюкозы, постепенно расщепленная до углекислого газа и воды, поставляет клетке 30 молекул АТФ.

Итак, с тем, откуда берется энергия и как именно она запасается в АТФ, все более-менее понятно. Осталось понять, как именно запасенная энергия отдается и что при этом происходит на молекулярно-атомном уровне.

Образованная ковалентная связь между АДФ и фосфатом называется высокоэнергетичной по двум причинам:

• при ее разрушении выделяется много энергии
• электроны, участвующие в создании этой связи (то есть вращающиеся вокруг атомов кислорода и фосфора, между которыми эта связь образована) высокоэнергетичны, то есть находятся на «высоких» орбитах вокруг ядер атомов. И им было бы энергетически выгодно перескочить на уровень пониже, выделив излишек энергии, но пока они находятся именно в этом месте, скрепляя атомы кислорода и фосфора, «спрыгнуть» не получится.

Это стремление электронов упасть на более удобную низкоэнергетичную орбиту обеспечивает и легкость разрушения высокоэнергетичной связи, и выделяемую при этом в виде фотона (являющегося переносчиком электромагнитного взаимодействия) энергию. В зависимости от того, какие молекулы будут подставлены ферментами к разрушающейся молекуле АТФ, какая именно молекула поглотит испущенный электроном фотон, могут происходить разные варианты событий. Но каждый раз энергия, запасенная в виде высокоэнергетической связи, будет использоваться на какие-то нужды клетки:

Сценарий 1: фосфат может быть перенесен на молекулу другого вещества. При этом высокоэнергетичные электроны образуют новую связь, уже между фосфатом и крайним атомом этой молекулы-реципиента. Условием протекания такой реакции является ее энергетическая выгода: в этой новой связи электрон должен обладать немного меньшей энергией, чем когда он был частью молекулы АТФ, испустив часть энергии в виде фотона вовне.

Цель такой реакции заключается в активации молекулы-рецепиента (на схеме слева она обозначена В-ОН): до присоединения фосфата она была пассивной и не могла вступить в реакцию с другой пассивной молекулой А, но теперь она является обладателем запаса энергии в виде высокоэнергетичного электрона, а значит может ее куда-то потратить. Например, на то, чтобы присоединить к себе молекулу А, которую без такого финта ушами (то есть высокой энергии связующего электрона) присоединить невозможно. Фосфат при этом отсоединяется, сделав свое дело.

Получается такая цепочка реакций:

1. АТФ + пассивная молекула В ➡️ АДФ + активная за счет присоединенного фосфата молекула В-Р

2. активированная молекула В-Р + пассивная молекула А ➡️ соединенные молекулы А-В + отщепившийся фосфат (Р)

Обе этих реакции энергетически выгодные: в каждой из них участвует высокоэнергетичный связующий электрон, который при разрушении одной связи и построении другой теряет часть своей энергии в виде испускания фотона. В результате этих реакций соединились две пассивные молекулы. Если рассмотреть реакцию соединения этих молекул напрямую (пассивная молекула В + пассивная молекула А ➡️ соединенные молекулы А-В), то она оказывается энергетически затратной, и совершиться не может. Клетки «совершают невозможное», сопрягая эту реакцию с энергетически выгодной реакцией расщепления АТФ на АДФ и фосфат во время совершения тех двух реакций, которые описаны выше. Отщепление происходит в два этапа, на каждом из которых часть энергии связующего электрона тратится на совершение полезной работы, а именно на создание нужных связей между двумя молекулами, из которых получается третья (А-В), необходимая для функционирования клетки.

Сценарий 2: фосфат может быть отщеплен одномоментно от молекулы АТФ, а выделяющаяся энергия улавливается ферментом или рабочим протеином и тратится на совершение полезной работы.

Как можно уловить что-то настолько неощутимое, как ничтожное возмущение электромагнитного поля в момент падения электрона на более низкую орбиту? Очень просто: с помощью других электронов и с помощью атомов, способных поглотить выделяемый при этом электроном фотон.

Атомы, составляющие молекулы, скреплены в прочные цепочки и кольца за счет ковалентных связей (такую цепочку представляет собой несвернутый протеин на картинке справа). А отдельные части этих молекул притянуты друг к другу более слабыми электромагнитными взаимодействиями (например, водородными связями или силами Ван дер Ваальса), что и позволяет им сфорачиваться в сложные структуры. Некоторые из этих конфигураций атомов очень стабильны, и никакое возмущение электромагнитного поля их не поколебит.. не поколебёт.. в общем, они устойчивы. А некоторые довольно подвижны, и достаточно легкого электромагнитного пинка, чтобы они изменили свою конфигурацию (обычно это не ковалентные связи). И именно такой пинок дает им тот самый прилетевший фотон-переносчик электромагнитного поля, испущенный перешедшим на более низкую орбиту электроном при отсоединении фосфата.

Изменения конфигурации протеинов в результате расщепления молекул АТФ ответственны за самые удивительные события, происходящие в клетке. Наверняка те, кто интересуются клеточными процессами хотя бы на уровне «посмотрю их анимацию на youtube» натыкались на видео, показывающее протеиновую молекулу кинезина, в прямом смысле слова шагающую, переставляя ноги, по нити клеточного скелета, перетаскивая присоединенный к ней груз.

Именно отщепление фосфата от АТФ обеспечивает это шагание, и вот каким образом:

Кинезин (kinesin) относится к особому виду протеинов, которым свойственно спонтанно менять свою конформацию (взаимное положение атомов в молекуле). Оставленный в покое, он случайным образом переходит из конформации 1, в которой он прикреплен одной «ногой» к актиновому филаменту (actin filament) — самой тонкой нити, образующей цитоскелет клетки (cytoskeleton), в конформацию 2, сделав таким образом шаг вперед и стоя на двух «ногах». Из конформации 2 он с равной вероятностью перейдет как в конформацию 3 (приставляет заднюю ногу к передней), так и обратно в конформацию 1. Поэтому движения кинезина в каком-либо направлении не происходит, он просто бесцельно фланирует.

Но все меняется, стоит ему соединиться с молекулой АТФ. Как показано на схеме слева, присоединение АТФ к кинезину, находящемуся в конформации 1, приводит к изменению его пространственного положения и он переходит в конформацию 2. Причина этого — взаимное электромагнитное влияние молекул АТФ и кинезина друг на друга. Эта реакция является обратимой, потому что энергии затрачено не было, и если АТФ отсоединится от кинезина, он просто поднимет «ногу», оставшись на месте, и будет ждать следующую молекулу АТФ.

Но если она задержится, то из-за взаимного притяжения этих молекул связь, удерживающая фосфат в пределах АТФ, разрушается. Выделившаяся при этом энергия, а так же распад АТФ на две молекулы (которые уже по другому влияют своими электромагнитными полями на атомы кинезина) приводят к тому, что конформация кинезина меняется: он «подтаскивает заднюю ногу». Осталось сделать шаг вперед, что и происходит при отсоединении АДФ и фосфата, возвращающем кинезин в исходную конформацию 1.

В результате гидролиза АТФ кинезин сдвинулся вправо, и как только к нему присоединится следующая молекула, он сделает еще одну пару шагов, использовав запасенную в ней энергию.

Важно, что кинезин, находящийся в конформации 3 с присоединенными АДФ и фосфатом не может вернуться в конформацию 2, сделав «шаг назад». Это объясняется все тем же принципом соответствия второму закону терморегуляции: переход системы «кинезин + АТФ» из конформации 2 в конформацию 3 сопровождается выделением энергии, а значит обратный переход будет энергозатратным. Чтобы он произошел, нужно откуда-то взять энергию на соединение АДФ с фосфатом, а взять ее в этой ситуации неоткуда. Поэтому соединенному с АТФ кинезину открыт путь только в одну сторону, что и позволяет совершать полезную работу по перетаскиванию чего-либо из одного конца клетки в другой. Кинезин например участвует в растаскивании хромосом делящейся клетки при митозе (процессе деления эукариотических клеток). А мышечный протеин миозин бежит вдоль актиновых филаментов, вызывая сокращение мышцы.

Это движение бывает очень быстрым: некоторые моторные (отвечающие за различные формы клеточной подвижности) протеины, задействованные в репликации генов, мчатся вдоль цепочки ДНК со скоростью тысячи нуклеотидов в секунду.

Все они передвигаются за счет гидролиза АТФ(разрушения молекулы с присоединением к получающимся в результате распада меньшим молекулам атомов, взятых из молекулы воды. Гидролиз показан на правой части схемы взаимопревращения АТФ и АДФ). Или за счет гидролиза ГТФ, отличающегося от АТФ только тем, что в его состав входит другой нуклеотид (гуанин).

Сценарий 3: отщепление от АТФ или другой подобной молекулы, содержащей нуклеотид, сразу двух фосфатных групп приводит к еще большему выбросу энергии, чем когда отщепляется только один фосфат. Такой мощный выброс позволяет создавать прочный сахарофосфатный остов молекул ДНК и РНК:

1. для того, чтобы нуклеотиды могли присоединяться к строящейся цепи ДНК или РНК, их нужно активировать, присоединив две молекулы фосфата. Это энергозатратная реакция, выполняемая клеточными ферментами.

2. фермент ДНК- или РНК-полимераза (на схеме внизу не показан) присоединяет активированный нуклеотид (на схеме показан ГТФ) к строящемуся полинуклеотиду и катализирует отщепление двух фосфатных групп. Выделившаяся энергия используется на создание связи между фосфатной группой одного нуклеотида и рибозой другого. Созданные в результате связи не являются высокоэнергетичными, а значит разрушить их не просто, что является преимуществом для построения молекулы, содержащей наследственную информацию клетки или передающей ее.

Итоги:

? в природе возможно спонтанное протекание только энергетически выгодных реакций, что обусловлено вторым законом термодинамики

? тем не менее живые клетки могут совмещать две реакции, одна из которых дает чуть больше энергии, чем поглощает вторая, и таким образом осуществлять энергозатратные реакции. Энергозатратные реакции направлены на создание из отдельных молекул и атомов более крупных молекул, клеточных органелл и целых клеток, тканей, органов и многоклеточных живых существ, а так же на запасание энергии для их метаболизма

? запасание энергии осуществляется за счет контролируемого и постепенного разрушения органических молекул (энергодающий процесс), сопряженного с созданием молекул-энергоносителей (энергозатратный процесс). Фотосинтезирующие организмы запасают таким образом энергию улавливаемых хлорофиллом солнечных фотонов

? молекулы-энергоносители делятся на две группы: хранящие энергию в виде высокоэнергетической связи или в виде присоединенного высокоэнергетического электрона. Впрочем, в первой группе высокая энергия обеспечивается таким же высокоэнергетическим электроном, так что можно сказать, что энергия запасается в загнанных на высокий уровень электронах, находящихся в составе разных молекул

? запасенная таким образом энергия отдается так же двумя способами: разрушением высокоэнергетической связи или передачей высокоэнергетических электронов для постепенного снижения их энергии. В обоих случаях энергия выделяется в виде испускания переходящим на более низкий энергетический уровень электроном частицы-переносчика электромагнитного поля (фотона) и тепла. Этот фотон улавливается таким образом, чтобы была совершена полезная работа (образование нужной для метаболизма молекулы в первом случае и прокачки протонов через мембрану митохондрии во втором)

? запасенная в виде протонного градиента энергия используется для синтеза АТФ, а также для других клеточных процессов, которые остались за рамками этой главы (думаю, никто не в обиде, учитывая ее размер). А синтезированная АТФ используется так, как описано в предыдущем пункте.

Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ) :: SYL.ru

Что такое АЛУ? Арифметико-логическое устройство, одна из составляющих процессора. В статье мы приглашаем вас узнать принципы его действия, историю создания, основные характеристики, выполняемые операции, существующие классификации АЛУ.

Определение понятия

Арифметико-логическое устройство — один из блоков процессора, управляемый УУ (устройством управления). Его предназначение: выполнение логических и арифметических преобразований над данными-операндами (аргументами операции, информацией, обрабатываемой программой). Разрядность операндов в данном случае — размер или длина машинного слова.

Современное многофункциональное АЛУ состоит сегодня из двух частей:

• Операционное устройство.
• Устройство управления. Проводит вторичную дешифрацию кодов команды, определяет операцию, выполняемую в арифметико-логическом устройстве.

Набор выполняемых операций

Важно знать, какие операции должно исполнять АЛУ для того, чтобы обладать функциональной полнотой. Как правило, хватает четырех:

• Обращение к памяти устройства для чтения или записи информации.
• Декремент/инкремент.
• Сравнение. Здесь реализуется возможность условного перехода.
• Остановка функционирования устройства.

Если мы обратимся к первым арифметико-логическим устройствам, то увидим, что количество выполняемых ими операций ограничивалось 16-ю. Современные АЛУ способны выполнять сотни! Кстати, число операций и сегодня является важнейшей характеристикой данных устройств.

Классификация АЛУ

Мы помним, арифметико-логическое устройство — устройство управления и операционное. Но не все современные и исторические АЛУ одинаковы. Далее мы приведем самые распространенные их классификации.

По способу представления информации:

• С плавающей запятой.
• С фиксированной запятой.

По способу действий с операндами:

• Параллельные. В этом случае операции над всеми разрядами выполняются АЛУ одновременно.
• Последовательные. В данном случае операции будут выполняться по очереди, последовательно над каждым из разрядов.
• Параллельно-последовательные. Слово данных здесь делится на слоги. Обработка информации в таком АЛУ (арифметико-логическом устройстве) ведется параллельно над разрядами слога и последовательно над самими слогами.

По применению систем исчисления:

• Двоичные.
• Двоично-десятичные.
• Восьмеричные.
• Шестнадцатиричные и проч.

По особенностям использования узлов и элементов:

• Блочные. Для выполнения отдельных арифметических операций в систему арифметико-логического устройства процессора вводят специальные блоки. Последние позволяют вести параллельно процессы обработки информации.
• Конвейерные. Чем отличаются АЛУ такого типа? Любая операция будет разбиваться на последовательность из микроопераций. Они выполняются за определенные такты (равные временные промежутки) на разных ступенях такого конвейера. Операция над потоком операндов, таким образом, выполняется каждый такт.
• Многофункциональные. Это универсальные АЛУ, которые способны исполнить множество операций в одном устройстве. Однако здесь требуется настройка на выполнение конкретной операции с помощью ее кода.

По временным характеристикам:

• Синхронные. В таких арифметико-логических устройствах компьютера каждая операция станет выполняться за один такт.
• Асинхронные. Соответственно, нетактируемые АЛУ. Обеспечивают высокую степень быстродействия, так как выполняются на комбинационных схемах.

По характеристике устройства управления:

• Имеющие микропрограммное управление.
• С жесткой логикой УУ.

Основные функции

Арифметико-логическое устройство является составной частью процессора компьютера. АЛУ будет выполнять следующие функции:

• Двоичной арифметики для информации в форматах с фиксированной точкой.
• Двоичной арифметики для информации в форматах с плавающей точкой.
• Арифметики двоично-десятичного представления сведений.
• Логические операции (арифметические и логические сдвиги).
• Пересылка информации.
• Работа с символьными данными.
• Работа с графической информацией.

Главные количественные характеристики

Составные части арифметико-логического устройства (ОУ и УУ) определяют количественные характеристики всей системы АЛУ. В частности, это следующее:

• Время выполнения одной операции.
• Скорость выполнения операций вообще.
• Число исполняемых операций.
• Точность предоставленной информации.

Главные качественные характеристики

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является составной частью процессора. Это определяет его важнейшие качественные характеристики:

• Структурные особенности системы АЛУ.
• Методики кодирования данных.
• Форматы представления информации — с плавающей или фиксированной точкой.

История возникновения

Создателем арифметико-логических устройств считается Джон фон Нейман, разработчик компьютеров ЭНИАК (электронных числовых вычислителей).

Уже в 1945 году им были опубликованы первые научные работы по своему стартовому изобретению — компьютеру EDVAC. В следующем году он уже работал вместе со своими коллегами над созданием такого устройства в Принстонском институте перспективных исследований.

Архитектура этого изобретения («архитектура фон Неймана») в дальнейшем стала базой, прототипом архитектур и большей части последующих компьютеров. В своих работах ученый указывал на наличие устройств, которые, по его мнению, являются обязательными для каждого компьютера. Среди них было упомянуто АЛУ. Фон Нейман считал, что арифметико-логическое устройство необходимо, потому что позволяет выполнять системе математические базовые операции. Как то: сложение и вычитание, умножение и деление.

Внутреннее устройство АЛУ

Мы уже разобрали, что условно АЛУ можно разделить на две части:

• УУ (микропрограммное устройство). Задает последовательность команд и микрокоманд.
• ОУ. Здесь реализуется ранее заданная последовательность команд и микрокоманд. Операционные устройства, в свою очередь, разделяются по типу обрабатываемой информации, по способу обработки данных, логической структуре.

При этом условно состав АЛУ также подвергается следующей градации:

• Регистры. Служат для обработки данных, поступающих как из пассивной, так и из оперативной памяти.
• Логические команды. Служат для обработки слов по микрокомандам. Последние, естественно, будут поступать из УУ — устройства управления.

Сами микрокоманды делятся на две категории:

• Поступают от внешнего источника в АЛУ. Вызывают в арифметико-логическом устройстве преобразование информации.
• Генерируются в самом АЛУ. Оказывают свое влияние на микропрограммное устройство. Тем самым изменяют нормальный, стандартный порядок следования команд.

Функции регистров АЛУ

Чтобы иметь представление о работе АЛУ, нам нужно поближе познакомиться с функциями его регистров:

• Pr1. Это аккумулятор или аккумуляторы. Считается главным регистром устройства, в котором и образуется результат произведенных вычислений.
• Pr2, Pr3. Регистры операндов в зависимости от характера исполняемой операции — слагаемого, делителя, сомножителя и проч.
• Pr4. Это адресный регистр. Он запоминает (в иных случаях формирует) адреса операндов результата.
• Pr6. Некое количество индексных регистров. Их содержимое будет использоваться для формирования адресов.
• Pr7. Вспомогательные регистры. По желанию разработчика могут стать аккумуляторами, индексными или вовсе использоваться для сохранения промежуточных результатов вычисления.

Теперь предлагаем вам обратиться к конкретным алгоритмам работы АЛУ.

Операция сложения

Функционально арифметико-логическое устройство будет состоять из Регистра 1, Регистра 2, сумматора и схемы управления.

Теперь распишем арифметическую операцию по тактам:

1. Значение операнда № 1, участвующего в операции сложения, поступает в Регистр 1 по кодовой шине.
2. Значение операнда № 2, участвующего в операции сложения, поступает в Регистр 2 по кодовой шине.
3. Соответственно, по кодовой шине инструкций в схему управления поступает инструкция по выполнению данной операции.
4. Данные из регистров уходят в сумматор. Далее схема управления уже дает команду на выполнение сложения.
5. Результат по произведенной операции уходит в Регистр 1.
6. Результат операции арифметико-логического устройства далее поступает в результирующий блок.

Операция вычитания

Давайте рассмотрим выполнение еще одной простой арифметической операции:

1. Значение операнда № 1, принимающего участие в операции вычитания, проходит в Регистр 1 по кодовой шине.
2. Значение операнда № 2, принимающего участие в операции вычитания, проходит в Регистр 2 по кодовой шине.
3. Инструкция по выполнению данного алгоритма выводится по кодовой шине инструкций к схеме управления.
4. Происходит переформирование положительного числа в отрицательное схемой управления.
5. Результат такого преобразования операнда идет далее в сумматор.
6. Сумматор выполняет сложение данных чисел.
7. Результат операции поступает в Регистр 1.
8. Результат операции вычитания отправляется в результирующий блок.

Операции в устройстве

И еще одна тема напоследок. Мы должны помнить, что все операции,выполняемые в АЛУ, — логические. Их можно разделить на следующие категории:

• Индексной арифметики.
• Десятичной арифметики.
• Специальной арифметики.
• Двоичной арифметики для значений с фиксированной точкой.
• Двоичной, шестнадцатеричной арифметики для значений с плавающей точкой.
• Над алфавитно-цифровыми полями.
• Над логическими кодами.

Арифметико-логическое устройство — основная часть процессора любого компьютера. Было разработано еще в середине прошлого века прославленным фон Нейманом. Призвано исполнять простые арифметические и логические операции в компьютере. Сегодня существует большое количество разновидностей АЛУ, что видно из множества представленных классификаций данных устройств.

6.3. Правила выполнения функциональных схем.

6.3.1. На функциональной схеме изображают функциональные части изделия(элементы, устройства и функциональные группы), участвующие в процессе, иллюстрируемой схемой, и связи между этими частями. Функциональные части и связи между ними на схеме изображают в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах Единой системы конструкторской документации. Отдельные функциональные части допускается изображать в виде прямоугольников.

Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности процессов, иллюстрируемых схемой.

Допускается при выполнении функциональной схемы пользоваться положениями, указанными в п.6.4.

6.3.2. На схеме должны быть указаны:

— для каждой функциональной группы – обозначение, присвоенное ей на принципиальной схеме, и (или) ее наименование; если функциональная группа изображена в виде условного графического обозначения, то ее наименование не указывают;

— для каждого устройства, изображенного в виде прямоугольника, — позиционное обозначение, присвоенное ему на принципиальной схеме, его наименование и тип и (или) обозначение документа (основной конструкторский документ, государственный стандарт, технические условия), на основании которого это устройство применено;

— для каждого устройства, изображенного в виде условного графического обозначения, — позиционное обозначение, присвоенное ему на принципиальной схеме, и (или) его тип.

Обозначение документа, на основании которого применено устройство, и тип элемента допускается не указывать. Наименования, типы и обозначения рекомендуется вписывать в прямоугольники.

6.3.3. На схеме рекомендуется указывать технические характеристики функциональных частей (рядом с графическими обозначениями или на свободном поле схемы).

6.3.4. На схеме помещают поясняющие надписи, диаграммы или таблицы, определяющие последовательность процессов во времени, а также указывают параметры в характерных точках (величины токов, напряжений, формы и величины импульсов, математические зависимости и т.п.).

6.4. Правила выполнения принципиальных схем.

6.4.1. На принципиальной схеме изображают все электрические элементы или устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все электрические связи между ними, а также электрические элементы (соединители, зажимы, разъемы и т.п.), которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

6.4.2. На схеме допускается изображать соединительные и монтажные элементы, устанавливаемые в изделии по конструктивным соображениям.

6.4.3. Схемы выполняют для изделий, находящихся в отключенном положении. В технически обоснованных случаях допускается отдельные элементы схемы изображать в выбранном рабочем положении с указанием на поле схемы режима, для которого изображены эти элементы.

6.4.4. Элементы на схеме изображают в виде условных графических обозначений (УГО), установленных в стандартах ЕСКД.

6.4.5. Элементы, используемые в изделии частично, приводятся на схеме не полностью, ограничиваясь изображением только используемых частей. Элементы и устройства изображают на схемах совмещенным или разнесенным способом. При совмещенном способе составные части элементов или устройств изображают на схеме в непосредственной близости друг к другу. При разнесенном способе составные части элементов и устройств или отдельные элементы устройств изображают на схеме в разных местах таким образом, чтобы отдельные цепи изделия были изображены наиболее наглядно. Разнесенным способом допускается изображать все и отдельные элементы или устройства. При выполнении схем рекомендуется пользоваться строчным способом. При этом УГО элементов или их составных частей, входящих в одну цепь, изображают последовательно друг за другом по прямой, а отдельные цепи – рядом, образуя параллельные (горизонтальные или вертикальные) строки. При выполнении схемы строчным способом допускается нумеровать строки арабскими цифрами.

6.4.6. При изображении элементов разнесенным способом допускается на свободном поле схемы помещать УГО элементов, выполненные совмещенным способом. При этом элементы, используемые в изделии частично, изображают полностью с указанием использованных и неиспользованных частей (например, все контакты реле). Выводы неиспользованных частей изображают короче, чем выводы использованных частей.

6.4.7. Для упрощения схемы допускается несколько электрически не связанных линий связи сливать в линию групповой связи, но при подходе к контактам (элементам) каждую линию связи изображают отдельной линией. При слиянии линий связи каждую линию помечают в месте слияния и ответвления цифрами, буквами, сочетанием букв и цифр или обозначениями по ГОСТ 2.751-73.

Линии электрической связи, сливаемые в линию групповой связи, как правило, не должны иметь разветвлений, т.е. всякий условный номер должен встречаться на линии групповой связи два раза. При необходимости разветвлений их количество указывают после порядкового номера линии через дробную черту в соответствии с рисунком 2.

1/2 1

2 2

3/2 3

1 3

Рис. 2. Пример линии групповой связи

6.4.8. Каждый элемент и устройство, имеющее самостоятельную принципиальную схему и рассматриваемое как элемент, входящее в изделие, и изображенные на схеме, должны иметь позиционное обозначение в соответствии с ГОСТ 2.710 – 81. Позиционные обозначения элементам (устройствам) присваиваются в пределах изделия (установки). Порядковые номера элементам (устройствам) следует присваивать, начиная с единицы, в пределах группы элементов (устройств), которым на схеме присвоено одинаковое буквенное позиционное обозначение, например, R1,R2,R3 и т.д.,C1,C2,C3 и т.д. Порядковые номера должны быть присвоены в соответствии с последовательностью расположения элементов и устройств на схеме сверху вниз в направлении слева направо.

Позиционные обозначения проставляют на схеме рядом с УГО элементов и устройств с правой стороны или над ними.

6.4.9. На схеме изделия, в состав которого входят устройства, не имеющие самостоятельных принципиальных схем, допускается позиционные обозначения элементам присваивать в пределах каждого устройства. Если в состав изделия входит несколько одинаковых устройств, позиционные обозначения элементам присваиваются в пределах этих устройств по правилам, указанным выше. Элементам, не входящим в устройства, позиционные обозначения присваивают, начиная с единицы, по тем же правилам.

6.4.10. На схеме изделия, в состав которого входят функциональные группы, позиционные обозначения присваивают вначале элементам, не входящим в функциональные группы, а затем элементам, входящим в функциональные группы.

При наличии в изделии нескольких одинаковых функциональных групп позиционные обозначения элементов, присвоенные в одной из этих групп, следует повторять во всех последующих группах. Обозначение функциональной группы, присвоенное в соответствии с ГОСТ 2.710 – 81, указывают сверху или справа от изображения функциональной группы.

6.4.11. При изображении на схеме элемента или устройства разнесенным способом позиционное обозначение элемента или устройства проставляют около каждой составной части в соответствии с рисунком 3.

6.4.12. При изображении отдельных элементов устройств в разных местах в состав позиционных обозначений этих элементов должно быть включено позиционное обозначение устройства, в которое они входят, например, =А3-С5 – конденсатор С5, входящий в устройство А3.

При разнесенном способе изображения функциональной группы (при необходимости и при совмещенном способе) в состав позиционных обозначений элементов, входящих в эту группу, должно быть включено обозначение функциональной группы, например, ≠Т1-С5 – конденсатор С5, входящий в функциональную группу Т1.

А3 А3.1 А3.2

Совмещенный способ Разнесенный способ

изображения устройства изображения устройства

Рис. 3. Способы изображения устройства

6.4.13. При однолинейном изображении около одного УГО, заменяющего несколько условных графических изображений одинаковых элементов, указывают позиционные обозначения всех этих элементов.

6.4.14. На принципиальной схеме должны быть однозначно определены все элементы, входящие в состав изделия и изображенные на схеме. Данные об элементах должны быть записаны в перечень элементов. При этом связь перечня с УГО элементов должна осуществляться через позиционные обозначения.

6.4.15. При сложном вхождении, например, когда в устройство, не имеющее самостоятельной принципиальной схемы, входит одно или несколько устройств, имеющих самостоятельные принципиальные схемы, и (или) функциональных групп, или если в функциональную группу входит одно или несколько устройств и т.д., то в перечне элементов в графе «Наименование» перед наименованием устройств, не имеющих самостоятельных принципиальных схем, и функциональных групп допускается проставлять порядковые номера (т.е. подобно обозначению разделов, подразделов и т.п.) в пределах всей схемы изделия. Если на схеме в позиционное обозначение элемента включено позиционное обозначение устройства, или обозначение функциональной группы, то в перечне элементов в графе «Поз. обозначение» указывают позиционное обозначение элемента без позиционного обозначения устройства или обозначения функциональной группы.

6.4.16. При указании около УГО номиналов резисторов и конденсаторов допускается применять упрощенный способ обозначения единиц измерений:

— для резисторов:

а) от 0 до 999 Ом – без указания единиц измерения;

б) от 1•10³ до 999•10³ Ом – в килоомах с обозначением единицы измерения строчной буквой к;

в) от 1•10⁶ до 999•10⁶ Ом – в мегаомах с обозначением единицы измерения прописной буквой М;

г) свыше 10⁹ Ом – в гигаомах с обозначением единицы измерения прописной буквой Г;

— для конденсаторов:

а) от 0 до 9999•10^-12Ф – в пикофарадах без указания единицы измерения;

б) от 1•10^-8до 9999•10^-6Ф – в микрофарадах с обозначением единицы измерения строчными буквами мк.

1. Общие сведения о схемах

15

Содержание лекции 10 .

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СХЕМАХ 1

2. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ 3

3. УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ 11

ЛЕКЦИЯ 10

ОБЩИЕ ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ СХЕМ

Схемы — конструкторские документы, на которых составные части изделия, их взаимное расположение и связи между ними изображены условно — позволяют значительно быстрее (чем по чертежам) разобраться в принципе и последовательности действия элементов того или иного устройства.

Виды, типы и общие требования к выполнению схем установлены ГОСТом . 2.701 — 76.

В зависимости от элементов, входящих в состав изделия, и связей между ними схемы разделяют на следующие виды: кинематические (E), гидравлические (Г), пневматические (П) и электрические (Э).

В зависимости от основного назначения схемы делят на определенные типы, обозначаемые соответствующей цифрой:

структурные, служащие для общего ознакомления с изделием и определяющие состав и взаимосвязь основных элементов изделия и их назначение, — цифрой 1;

функциональные, поясняющие процессы, протекающие в изделии и его частях, — 2;

принципиальные, определяющие полный состав элементов изделия и связи между ними, — 3;

схемы соединений, показывающие соединения составных частей изделия и элементы этих соединений (провода, кабели, трубопроводы и т.п.), — 4;

схемы подключения, показывающие внешнее подключение изделия, — 5;

общие, определяющие составные части комплекса и соединения их между собой на месте эксплуатации, — 6;

схемы расположения, определяющие относительное расположение составных частей изделия, — 7.

Вид и тип схемы определяют ее наименование: например схема электрическая монтажная.

Шифр схемы, входящий в состав ее обозначения, состоит из буквы (вид схемы) и цифры (тип схемы), например шифр схемы электрической принципиальной — Э3.

Если в состав изделия входят элементы и связи различных видов, для него разрабатывают комбинированную схему, обозначаемую буквой С. Ее наименование определяется видами и типом, например схема электропневматическая принципиальная.

Схемы выполняют без соблюдения масштаба на листах стандартного фор- мата с основной надписью по форме 1. При этом действительное пространственное расположение составных частей изделия можно не учитывать.

Элементы изделия изображают в виде условных графических обозначений, устанавливаемых соответствующими стандартами ЕСКД. Связь между ними показывают линиями, условно представляющими собой валы, муфты, трубопроводы, кабели и т. п.

Схемы следует выполнять компактно, но не за счет ухудшения ясности и удобства их чтения. Количество изломов и пересечений линий связи должно быть минимальным. Элементы, составляющие отдельное устройство, на схеме выделяют штрихпунктирными линиями с указанием наименований этого устройства.

На схеме одного вида допускается изображать элементы схем других видов, непосредственно влияющих на работу изделия. Эти элементы и их связи изображают штриховыми линиями.

Схемам присваивают обозначение соответствующего им изделия. После обозначения следует записывать шифр схемы. Наименование схемы указывают в основной надписи после наименования изделия.

2. Кинематические схемы

В соответствии с ГОСТом 2.703 — 68 на кинематической схеме необходимо изображать всю совокупность кинематических элементов и их соединений, все кинематические связи между парами, цепями и т.п., а также связи с источниками движения.

Кинематическую схему изделия следует вычерчивать, как правило, в виде развертки. Допускается изображать схемы в аксонометрических проекциях и, не нарушая ясности схемы, переносить элементы вверх или вниз от их истинного положения, а также поворачивать их в положения, наиболее удобные для изображения. В этих случаях сопряженные звенья пары, вычерченные раздельно, следует соединять штриховой линией.

Все элементы схемы должны быть изображены условными графическими обозначениями по ГОСТУ 2.770 — 68 (рис. 10.1) или упрощенно внешними очертаниями.

Элементы схемы следует изображать:

валы, оси, стержни и т. п. — сплошными основными линиями толщиной S;

элементы, изображенные упрощенно внешними очертаниями (зубчатые колеса, червяки, шкивы, звездочки и т. п.), — сплошными тонкими линиями толщиной S/2;

контур изделия, в который вписана схема, — сплошными тонкими линиями толщиной S/3;

кинематические связи между сопряженными звеньями пары, вычерченными раздельно, — штриховыми линиями толщиной S/2;

крайние положения элемента, меняющего свое положение при работе изделия, — тонкими штрихпунктирными линиями с двумя точками;

валы или оси, закрытые другими элементами (невидимые), — штриховыми линиями.

Каждому кинематическому элементу следует присвоить порядковый номер, начиная от источника движения. Валы нумеруют римскими цифрами, остальные элементы — арабскими. Элементы покупных или заимствованных механизмов (например, редукторов) не нумеруют, порядковый номер присваивают всему механизму.

Порядковый номер проставляют на полке линии-выноске. Под полкой необходимо указывать основные характеристики и параметры кинематического элемента:

мощность электродвигателя, Вт и частоту вращения его вала, мин^-1 (угловую скорость, рад/c) или мощность и частоту вращения входного вала агрегата;

вращающий момент, Н·м, и частоту вращения, мин^-1 выходного вала;

число и угол наклона зубьев и модуль зубчатых и червячных колес, а для червяка — число заходов, модуль и коэффициент диаметра;

диаметры шкивов ременной передачи; число зубьев звездочек и шаг цепи и т. п.

В случае перегруженности схемы изображениями связей и кинематических звеньев, характеристику элементов схемы можно указывать на поле чертежа — схемы в виде таблицы. В ней приводят полный перечень составных элементов.

Поясним некоторые моменты процесса чтения и выполнения кинематических схем, и, в первую очередь, с принятыми условностями при создании кинематических схем.

Схемы и их выполнение

Схема – это документ, на котором показаны в виде условных изображений или обозначений составные части изделия и связи между ними.

В современной технике широко используются механические, пневматические, гидравлические электрические устройства. Изучение принципа и последовательности действия таких устройств по чертежам общих видов и сборочным чертежам часто весьма затруднительно. Поэтому кроме чертежей часто составляются специальные схемы, позволяющие значительно быстрее разобраться в принципе и последовательности действия устройств. Схема должна пояснять основные принципы действия и (или) последовательность процессов при работе устройства, механизма, прибора и т.д., и также указывать необходимые данные для проектирования, регулирования, контроля, ремонта и эксплуатации соответствующего изделия.

Разновидности схем.

ГОСТ 2.701–2008 «Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению» устанавливает виды и типы схем, их обозначение и общие требования к выполнению схем (кроме электрических схем).

Стандартом установлены также термины, используемые в конструкторской документации, и их определения.

Элемент схемы – составная часть схемы, которая выполняет определенную функцию в изделии и не может быть разделена на составные части, имеющие самостоятельное назначение и собственные условные обозначения (резистор, контакт реле, труба, насос, муфта и т.п

Устройство – совокупность элементов, представляющих единую конструкцию (блок питания, плата, механизм, клапан распределительный). Устройство может не иметь в изделии определенного функционального назначения.

Функциональная группа – совокупность элементов, выполняющих в изделии определенную функцию и не объединенных в единую конструкцию (усилитель, модулятор, генератор).

Функциональная часть – элемент, функциональная группа или устройство, выполняющее определенную функцию.

Функциональная цепь – совокупность элементов, функциональных групп и устройств (или совокупность функциональных частей) с линиями взаимосвязей, образующих канал или тракт определенного назначения (канал звука, видеоканал, тракт СВЧ и т.п.).

Линия взаимосвязи – отрезок линии, указывающий на наличие связи между функциональными частями изделия.

Установка – условное наименование объекта в энергетических сооружениях, на которые выпускается схема, например, главные цепи.

Схемы, в зависимости от видов элементов и связей, входящих в состав изделия (установки), подразделяются на следующие виды, которые обозначаются в конструкторских документах прописными буквами русского алфавита:

вакуумные – В, гидравлические – Г, деления – Е, кинематические – К, оптические – О, пневматические – П, комбинированные – С, энергетические – Р, газовые – Х, электрические – Э.

Схемы, в зависимости от основного назначения, подразделяются на следующие типы, которые обозначаются цифрами:

структурные – 1; функциональные – 2; принципиальные – 3; соединений (монтажные) – 4; подключения – 5; общие – 6; расположения –7; объединенные – 0.

Структурная схема – документ, определяющий основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи.

Схемы структурные разрабатывают при проектировании изделий (установок) на стадиях, предшествующих разработке схем других типов, и пользуются ими для общего ознакомления с изделием (установкой).

Функциональные части изображают на схеме в виде прямоугольников или иных плоских фигур с вписанными в них обозначениями типов элементов. Ход процессов, происходящих в изделии, поясняют линиями взаимосвязи со стрелками.

Функциональная схема – документ, разъясняющий процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия (установки) или изделия (установки) в целом. Функциональные части между ними на схеме изображают в виде условных графических обозначений. Отдельные функциональные группы допускается изображать в виде прямоугольников. Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности процессов, иллюстрируемых схемой.

Схемами функциональными пользуются для изучения принципов работы изделий (установок), а также при их накладке, контроле и ремонте.

Принципиальная схема (полная) – документ, определяющий полный состав элементов и взаимосвязи между ними и, как правило, дающий полное (детальное) представления о принципах работы изделия (установки).

Схемами принципиальными пользуются для изучения принципов работы изделий (установок), а также при их наладке, контроле и ремонте. Они служат основанием для разработки других конструкторских документов, например схем соединений (монтажных) и чертежей.

Схема соединений (монтажная) – документ, показывающий соединения составных частей изделия (установки) и определяющий провода, жгуты, кабели или трубопроводы, которыми осуществляются эти соединения, а также места их присоединений и ввода (разъемы, платы, зажимы и т.п.).

Схемами соединений (монтажными) пользуются при разработке других конструкторских документов, в первую очередь, чертежей, определяющих прокладку и способы крепления проводов, жгутов, кабелей или трубопроводов в изделии (установке), а также для осуществления присоединений и при контроле, эксплуатации и ремонте изделий (установок).

Схема подключения – документ, показывающий внешние подключения изделия. Изделие на схеме изображают в виде прямоугольника, а его входные и выходные элементы – в виде условных графических обозначений. На схеме должны быть указаны позиционные обозначения входных и выходных элементов, присвоенные им на принципиальной схеме изделия.

Схемами подключения пользуются при разработке других конструкторских документов, а также для осуществления подключений изделий и при их эксплуатации.

.

46. Конструкция сварочного трактора адф 1002. Схема электрическая принципиальная.

Рисунок 8.20 – Конструкция сварочного трактора АДФ-1002

Рисунок 53 – Электрическая схема АДФ-1002

47. Установки для сварки неплавящимся электродом в инертных газах. Назначение, классификация, достоинства и недостатки.

48. Источники постоянного тока для сварки неплавящимся электродом в инертном газе. Структурная схема. Циклограмма аргонодуговой сварки.

49. Источники переменного тока для сварки неплавящимся электродом в инертном газе. Структурная схема. Циклограмма аргонодуговой сварки.

50. Вспомогательные устройства источников питания. Осцилляторы параллельного и последовательного включения.

52. Сущность процесса элек­трошлаковой сварки. Оборудование для элек­трошлаковой сварки.

54. Источники питания сжатой дуги. Оборудование для плазменной, микроплазменной сварки.

55. Разновидности процессов лазерной сварки. Оборудование для лазерной сварки.

На сегодняшний день, лазерная сварка один из самых технологичных методов сварки, обладающий множеством плюсов. Но в силу дороговизны установки для лазерной сварки, широкого применения в быту этот метод не нашел. Зато, в промышленном автоматизированном производстве, лазерная сварка незаменима и легко окупаема.

Все плюсы этого вида сварки, вытекают из природы лазерного луча, который способен концентрировать высокую энергию на достаточно малой площади Различают несколько основных видов лазерной сварки:

1. Точечная лазерная сварка

Суть этого метода, определяется названием. Для осуществления точечной сварки используют импульсный лазер. Несмотря на отсутствие непрерывного сварного шва, соединение получается достаточно прочным и значительно сокращается время сварки, что необходимо для массового производства.

2. Шовная лазерная сварка. (непрерывная)

Шовная лазерная сварка позволяет получить надежное и герметичное соединение. Осуществление этого метода сварки возможно импульсным лазером с большой частотой импульсов. Самый большой плюс — это конечно качество по сравнению с традиционными видами сварки. Вследствие воздействия на метал пучка лазера, шовный метал, получает мелкозернистую структуру, и его механические свойства превосходят свойства металла свариваемых деталей. Основная сфера применения лазерной сварки это конечно промышленность.

Для лазерной сварки обычно используются следующие типы лазеров: твердотельные и газовые – с продольной или поперечной прокачкой газа, газодинамические.

Лазерная сварка твердотельным лазером

В качестве активного тела используется стержень из рубина, стекла с примесью неодима (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd-YAG) либо иттербием (Yb-YAG). Он размещается в осветительной камере. Для возбуждения атомов активного тела используется лампа накачки, создающая мощные вспышки света.

По торцам активного тела размещены зеркала – отражающее и частично прозрачное. Луч лазера выходит через частично прозрачное зеркало, предварительно многократно отражаясь внутри рубинового стержня и таким образом усиливаясь. Мощность твердотельных лазеров относительно невелика и обычно не превышает 1–6 кВт.

Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Например, привариваются тончайшие выводы из проволок диаметром 0,01–0,1 мм, изготовленные из тантала, золота, нихрома. Возможна точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5–0,9 мм. Лазерной сваркой выполняется герметичный шов катодов кинескопов современных телевизоров.ию дуги. Сварка газовым лазером

Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО2+N2+Не. Схема газового лазера с продольной прокачкой газа приведена на рисунке ниже. Газ из баллонов прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала. Электроды подключены к источнику питания. Лазер охлаждается водяной системой. Недостатком лазеров с продольной прокачкой газа являются их большие габаритные размеры.

Более компактны лазеры с поперечной прокачкой газа.Они позволяют достичь общей мощности 20 кВт и больше, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью.

Волоконные лазеры

В волоконных лазерах, активной средой является непосредственно оптическое волокно. Выходная мощность может достигать 50, кВт и они все чаще используются для автоматизированной промыш.

Оборудование для лазерной обработки вообще и для сварки в частности (рис. 1) включает в себя следующие основные элементы: источник когерентного излучения – технологический лазер; систему транспортировки, отклонения и фокусировки излучения; систему наблюдения; систему газовой защиты изделия; оснастку для крепления и перемещения изделия; средства контроля параметров процесса.

Рис. 1. Схема лазерной сварочной установки

1 – технологический лазер; 2 – лазерное излучение; 3 – оптическая система;

4 – обрабатываемая деталь; 5 – устройство для закрепления и перемещения детали;

6 – датчики параметров технологического процесса; 7 – программное устройство;

8 – датчики параметров излучения

162

Что такое структурные схемы. Виды структурных схем. Структурные электрические схемы

Что называют структурными схемами? Зачем они разрабатываются? В каких условиях? Структурные схемы ЭВМ, предприятий и управления – какие их особенности? Всё это будет детально рассмотрено в рамках статьи.

Что такое структурные схемы?

Они определяют основные функциональные части, которые будет иметь изделие, предприятие или подразделение. Также прорабатываются вопросы назначения и взаимосвязи. Этап разработки структурных схем проводится на начальных стадиях проектирования. В результате должно получиться отображение принципа действия в самом обобщенном виде.

О чем даёт представление?

Структурная схема не учитывает расположения составляющих частей. Также не указывается способ связи между ними. Структурные схемы подразделений, предприятий, электронных машин должны давать представление о:

1. Составляющих.
2. Последовательности взаимодействия отдельных функциональных частей объекта, который рассматривается. Они изображаются как прямоугольники с условными графическими обозначениями. Они, а также тип и имя объекта, вписываются в геометрическую фигуру.

Для обозначения ходов процессов, что происходят, используют стрелки. Они соединяют функциональные части. На простых схемах обычно используют линейный способ отображения слева направо. Там, где есть несколько рабочих каналов, используют параллельное горизонтальное размещение.

Что делать при работе со сложными системами?

Если присутствует много функциональных частей, то элементы могут быть обозначены одними цифрами в порядковой последовательности. При этом необходимо составить перечень расшифровки. Но недостатком этой схемы является ухудшение наглядности. Более того, может осуществляться детализация, которая заключается в том, что для каждой функциональной части разрабатывается отдельная структурная схема. На ней тоже указываются характеристики, диаграммы и поясняющие надписи. Могут быть указаны и определённые параметры для отдельных точек. Так, структурные электрические схемы могут содержать значения величин напряжений, токов, импульсов и других свойств. Данные обычно помещают на свободном поле или около графических обозначений. Результат включают в эксплуатационную документацию, чтобы будущий обслуживающий персонал смог ознакомиться с объектом.

Классификация схем

Она проводится в зависимости от целей и объекта. Так, выделяют:

1. Организационные. Сюда относят структурные схемы предприятий, организаций, политических партий и так далее.
2. Технические. Сюда относят структурные электрические схемы компьютеров, производственных станков и так далее.

Как производится построение?

Структуры обычно разрабатываются сверху вниз. То есть сначала выделяют цель и конечный результат, а потом их разбирают на отдельные части, из которых схема будет состоять. В виде списка этапы проектирования можно представить таким образом:

1. Объект разделяется по горизонтали на широкие функциональные блоки.
2. Устанавливается соотношение прав и возможностей влияния.
3. Определяются обязанности каждого субъекта.

Чтобы закрепить знания, предлагаем рассмотреть структурные схемы организации. Мы рассмотрим также то, как она управляется.

Организационная структура предприятия

Её особенность заключается в том, что она должна уметь адаптироваться к изменениям, которые происходят во внешней среде. Необходимо понимать, что организационной структурой предприятия называют совокупность звеньев (подразделений) и связей между ними. На её формирование оказывают влияние такие факторы:

1. Сфера деятельности.
2. Тип, номенклатура и ассортимент выпускаемой продукции.
3. Организационно-правовая форма функционирования предприятия.
4. Масштабы компании (исчисляются в объеме производства, численности персонала, денежном доходе).
5. Рынки сбыта, на которых функционирует или куда выходит предприятие при совершении своей хозяйственной деятельности.
6. Технологии, что применяются при производственном процессе.
7. Информационные потоки, что циркулируют внутри фирмы и за её рамками.
8. Степень обеспеченности ресурсами для производства.

Типы структур подразделений

От качества их организации во многом зависит успешность деятельности предприятия. Структурные схемы подразделений могут быть такими:

1. Линейными.
2. Функциональными.
3. Линейно-штабными.
4. Дивизионными.
5. Линейно-функциональными.
6. Матричными.

Линейная схема

Для неё характерным является наличие вертикального типа связей. Имеется высший руководитель, который управляет линейными. Они, в свою очередь, отдают приказы исполнителям. Конечно, структура может быть значительно усложнена. Так, можно добавить отдельные функциональные подразделения. Но это характерно для больших компаний. Линейная структура строится на базе выделения и передачи функций конкретным людям или подразделениям. Структурные схемы управления такого типа просты и позволяют конкретизировать обязанности, но требуют наличия квалификации.

Функциональная схема

Организация делится на отдельные элементы, которые решают определенный тип задач (финансы, производство, обслуживание). Присутствуют межуровневые и вертикальные связи. Но существенным недостатком является определённая размытость функций руководителя. Данный тип организации весьма специализирован, но недостаточно гибок.

Линейно-штабная схема

Почти не отличается от первого типа. Но существует один нюанс – есть специальный штаб (совет директоров, консультанты и прочие), которые дают рекомендации высшему руководству о том, как необходимо действовать, чтобы получить наилучший результат. Важным преимуществом данного типа является то, что перед принятием решения очень тщательно взвешиваются все за и против. Поэтому уменьшается возможность совершения действий, которые будут иметь негативные последствия.

Дивизионная схема

Используется в крупных фирмах, чтобы устранить сопутствующие управленческие проблемы. По данной схеме распределение обязанностей делают по регионам работы или категориям выпускаемой продукции. Дивизионные подразделения, в свою очередь, делятся на более мелкие составляющие части по одному из приведённых здесь вариантов.

Линейно-функциональная схема

Здесь разделение идёт по связям. Основные каналы – это линейные. Но существуют ещё и дополнительные связи, которые по своей природе функциональны. Существенным недостатком данной схемы является наличие нескольких руководителей. Поэтому для четкой и слаженной работы необходима точно регламентированная система приоритетов.

Матричная схема

Её суть заключается в том, что в уже действующих структурах создают временные рабочие группы, к которым в подчинение может быть передан персонал со всего предприятия. Такой организационный подход используется, чтобы в ускоренном темпе выполнить определённый тип задач по ускорению чего-то (выпуска новой продукции, обновления основных фондов производства и прочее).

Заключение

Вот и рассмотрены нами основные структурные схемы предприятий и подразделений. В рамках статьи у вас уже есть общее понимание положения дел, поэтому трудностей с интерпретацией этого понятия не возникнет.