Гравиполи

ТРИЗ

Владимир Петров

© Владимир Петров, 2018

ISBN 978-5-4493-3084-0

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

1. Введение

Гравиполи[1] — это тенденции увеличения управляемости гравитационного поля тенденции, учитывающие способы управления веществом с помощью гравитационного поля и «управления» полем.

Под гравитационным полем в данной работе будем понимать силы гравитации, тяжести и вес тела. Под управлением будем понимать их увеличение или уменьшение.

Гравиполи можно использовать для осуществления и других действий, например, создания движения, силы, выработки и накопления энергии, удержания тела в определенном положении, повышения статической устойчивости, устранения вибрации, образования пленки, измерения и обнаружения различных параметров и т. п.

Первоначально мысли о разработке тенденции «управления» весом возникли у автора в начале 70-х годов при знакомстве с приемами разрешения технических противоречий, разработанных Г. С. Альтшуллером[2]. Прием 8 «Принцип антивеса» непосредственно описывает способы управления весом. В сентябре 1973 г. автор послал первый вариант наброска работы (отдельные линии и примеры)[3] Г. С. Альтшуллеру и он, резонно сказал, что работа еще «сырая». Вторично к данной работе автор вернулся в середине 1980 г. познакомившись с тенденциями развития теполей[4] и феполей[5], разработанными

Г. С. Альтшуллером. К этому времени автор понял, что таким образом должны быть представлены закономерности развития по любому из полей. Автор неоднократно пытался дать эту тему своим ученикам, но, к сожалению, никто так и не выполнил эту работу. Первый вариант практически завершенной работы был сделан в сентябре 1989 г., но он не удовлетворил автора, и работа была приостановлена и завершена в декабре 1989 г.

Основная линия развития гравиполей показана на рис. 1.1.

1.1. Тенденция развития гравиполей

2. Основные физические принципы

Для лучшего понимания материала напомним общеизвестные физические истины.

Сила тяготения описывается формулой (2.1)

Cила тяготения

Где

F — сила тяготения;

G — гравитационная постоянная;

m_1, m_2 — массы тел;

r — расстояние между телами.

Сила тяжести описывается формулами (2.2) и (2.3)

Cила тяготения

Cила тяготения

Ускорение свободного падения

Где

Fт — сила тяжести;

G — гравитационная постоянная;

M — масса Земли;

m — масса тела на поверхности Земли;

g — ускорение свободного падения;

R — радиус Земли.

Вес тела — это сила, действующая на опору или подвес (которые удерживают тело от свободного падения вследствие тяготения Земли). Вес тела, покоящегося в инерциальной системе отсчета, совпадает силой тяжести и описывается формулой (2.5)

Вес тела

Где

P — вес тела;

m — масса тела;

g — ускорение свободного падения.

Покажем возможности изменения веса тела.

1. Опора неподвижна или движется равномерно

Вес определяется по формуле (2.5)

2. Опора движется с ускорением

Вес тела

Где

P — вес тела;

m — масса тела;

g — ускорение свободного падения;

a — ускорение движения тела.

2.1. Ускорение направлено вверх — перегрузка.

При этом формула веса будет иметь вид (2.6)

2.2. Ускорение направлено вниз — уменьшение веса.

Формула веса имеет вид (2.7)

Вес тела

3. Тело движется по окружности в вертикальной плоскости

Вес тела

Где

P — вес тела;

m — масса тела;

g — ускорение свободного падения;

V — скорость движения тела;

r — радиус окружности.

3.1. Тело находится в нижнем положении

Формула веса имеет вид (2.8)

Рис. 2.1. Тело в нижнем положении

3.2. Тело находится в верхнем положении

Формула веса имеет вид (2.9)

Вес тела

Рис. 2.2. Тело в верхнем положении

4. Тело находится в различных средах

Формула веса имеет вид (2.10)

Вес тела

Где

P — вес тела;

Fa — сила Архимеда;

m — масса тела;

g — ускорение свободного падения.

Где

Сила Архимеда

Fa — сила Архимеда;

ρ — удельная плотность среды (жидкости или газа);

V — объем тела.

Сила Архимеда проявляется, когда тело непосредственно находится в среде.

5. На тело воздействует сила, увеличивающая или уменьшающая вес

3. Управление полем

3.1. Управление силой тяготения

В соответствии с формулой (2.1) силой тяготения можно управлять, изменяя массы тел или расстояние между ними.

Пример 3.1. Космический корабль

При значительном отдалении космического корабля от планеты на ракету почти не действует сила тяготения.

3.2. Управление силой тяжести

Силой тяжести, описанной формулами (2.2), (2.3), (2.4), можно управлять, изменяя массу тела и ускорение свободного падания.

Ускорение свободного падения «g» зависит от:

— высоты расположения тела над Землей;

— широты места;

— пород земной коры.

Пример 3.2. Навигационные приборы

В навигационных приборах вводят поправки от выше указанных параметров.

3.3. Управление весом

Управление весом можно осуществлять, изменяя массу тела и ускорение свободного падания, а, также создавая дополнительную силу, которая в зависимости от направления будет увеличивать или уменьшать вес.

По второму закону Ньютона сила описывается формулой (3.1).

Второй закон Ньютона

Дополнительная сила может быть любой природы.

Далее в этом разделе опишем возможные способы «управления» весом.

3.3.1. Движение с ускорением

3.3.1.1. Ускорение направлено вверх

Ускорение направлено в сторону противоположную весу, т. е. создается перегрузка («увеличение» веса) в соответствии с формулой (3.2).

Вес тела

Это возможно в двух случаях:

— вектор скорости движения совпадает по направлению с вектором ускорения

— вектор скорости движение противоположен вектору ускорения

3.3.1.1.1. Скорость движения совпадает по направлению с ускорением

Диаграмма сил показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Диаграмма сил

Пример 3.3. Перегрузки

Старт космической ракеты или резкий набор высоты в самолете. При этом космонавт или летчик испытывают большие перегрузки (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Перегрузки

3.3.1.1.2. Скорость движения противоположна по направлению ускорению

Диаграмма сил показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Диаграмма сил

Пример 3.4. Спуск космического корабля на Землю

Происходит резкое торможение, и создаются перегрузки.

Пример 3.5. Движение по окружности

Движение по окружности: летчик «в пике», движение по вогнутой поверхности, допустим мосту, тренировка космонавтов в центрифуге. Создаются перегрузки.

3.3.1.2. Ускорение направлено вниз

Этот случай «уменьшения» веса вплоть до невесомости. Он описывается формулой (3.3).

Вес тела

Здесь, как и в предыдущем случае возможны два варианта:

— вектор скорости движения совпадает по направлению с вектором ускорения

— вектор скорости движение противоположен вектору ускорения

3.3.1.2.1. Скорость движения совпадает по направлению с ускорением

Диаграмма сил показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Диаграмма сил

Пример 3.6. Невесомость

Свободное падение: затяжной прыжок с парашютом (рис. 3.5а), движение лифта вниз (рис. 3.5б) и т. п. Наверное, каждый испытывал хоть ненадолго ощущение невесомости при падении, прыжках или резком опускании вниз, в воздушных ямах и т. п. Для имитации ощущения невесомости в земных условиях космонавты тренируются в специально оборудованных самолетах, движущихся вниз с большой скоростью по параболе (рис. 3.5в).

Рис. 3.5. Невесомость

3.3.1.2.2. Скорость движения противоположна по направлению ускорению

Диаграмма сил показана на рис.3.6.

Рис. 3.6. Диаграмма сил

Пример 3.7. Невесомость

Если ракета или самолет, набирающий высоту резко «затормозит», то человек, находящийся в летательном аппарате почувствует невесомость.

3.3.2.Создание дополнительной силы

В качестве таких сил могут использоваться вес тела, упругие свойства материалов, импульсы силы, реактивные силы, вакуум, набегающий поток и крыло, центробежные силы, силы Архимеда, магнитное поле и т. д.

3.3.2.1. Дополнительная масса

Пример 3.8. Дорожный каток

Масса дорожного катка должна быть как можно больше, чтобы делать дорожное покрытие как можно прочнее, но при транспортировке катка на место тратится лишняя энергия.

Это противоречие разрешается во времени. Чтобы избежать лишних затрат энергии, было предложено перевозить пустой барабан — каток, а на месте его заполняют водой, засыпают песком до достижения необходимого груза.

В патенте России 2 412 306 корпус катка выполнен из множества секций, расположенные по окружности вокруг центральной оси. Секции закачивают воду, которая насосами перекачивается из секции в секцию.

Пример 3.9. Саморазгружающаяся баржа

В гидростроительстве при перекрытиях русел рек и разного рода отсыпках под воду используют саморазгружающиеся (опрокидывающиеся) баржи, в частности баржи, показанные на рис.3.7[6]. Они состоят из двух отсеков плавучести 1 и 2 («нос» и «корма»), которые держат баржу на плаву. Между отсеками плавучести находится грузовой трюм 3, выполненный в виде трехгранной призмы. Стенки трюма имеют отверстия, в трюм всегда проходит вода (без этого трудно было бы опрокидывать баржу и возвращать ее в исходное положение). Вдоль корпуса с обеих сторон расположены воздушные полости 4. Нижняя часть этих полостей открыта. Когда баржу нагружают, она оседает, вода поджимает воздух в воздушных полостях. Когда надо произвести разгрузку баржи, открывают кран 5, воздух выходит, вода заполняет одну бортовую полость, баржа опрокидывается. После того как груз высыпался, вращающий момент, создаваемый килем 6, автоматически возвращает баржу в исходное положение.

Такие баржи решено было использовать на строительстве Асуанской плотины. В силу специфических условий потребовалось создать баржи грузоподъемностью 500 т. с низкой осадкой, то есть более широкие и плоские. Построили модель баржи и обнаружили, что модель не возвращается в исходное положение.

Чтобы возвратить баржу в исходное положение, необходимо было делать киль тяжелее, но тогда придется все время возить «мертвый» груз. Чем тяжелее киль, тем меньше полезная грузоподъемность баржи.

Рис. 3.7. Устройство и принцип работы саморазгружающейся баржи. А. с. 163 914

1 и 2 — плавучие отсеки; 3 — грузовой трюм; 4 — воздушная полость; 5 — кран; 6 — киль.

Саморазгружающаяся баржа выполнена с балластной килевой цистерной, имеющей отверстия в наружных стенках, постоянно сообщающиеся с забортным пространством[7]. Это может быть, например, труба (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Устройство усовершенствованной саморазгружающейся баржи

Пример 3.10. Яхта

В яхте для утяжеления киля в него помещают аккумулятор

(рис. 3.9).

Рис. 3.9. Аккумулятор в киле яхты

3.3.2.2. Упругие свойства материала

Пример 3.11. Средства страховки

Для страховки от падения используют канаты, веревки, страховочные сетки и т. п.

Пример 3.12. Канат с амортизатором

При сильном ветре рвется канат, связывающий якорь и катер. Предложено сделать петлю из каната и соединить ее резиновым бинтом (рис. 3.10). Такие петли делаются в месте крепления каната к якорю и к катеру.

Рис. 3.10. Канат с амортизатором

3.3.2.3. Импульсы силы

3.3.2.3.1. Уменьшение веса

Пример 3.13. Канатоходец

Когда канатоходец работает без страховки, внизу за ним ходит человек, который при падении отталкивает его в сторону. Тем самым сбивается инерция падения.

Пример 3.14. Сапоги-скороходы

В свое время были разработаны сапоги «скороходы». Каждый шаг в таких сапогах можно сделать до трех метров. Разработаны два принципа действия этих сапог. В одном из них на подошве установлены пиропатроны (рис. 3.11а). При касании почвы пиропатрон срабатывает, подбрасывая человека вверх струей газа. Во втором варианте импульс силы создается пружинами, установленными на подошве (рис. 3.11б). При касании земли пружина распрямляется и выбрасывает человека вверх.

Рис. 3.11. Сапоги «скороходы»

3.3.2.3.2. Увеличение веса

Пример 3.15. Волейбол

Нападающий удар в волейболе — удар по мячу сверху.

Рис. 3.12. Нападающий удар в волейболе

3.3.2.4. Реактивная сила

Управление весом с помощью реактивной силы для различных сред.

3.3.2.4.1. Уменьшение веса

Пример 3.16. Поливальная машина

Дождевальная машина представляет собой длинные (несколько сот метров) трубы, поддерживаемые специальными фермами и передвигающиеся по полю на колесах. Эта система очень громоздка и использует многие тонны стальных труб. Как быть?

Предложено для поддержания труб использовать гидрореактивную силу струй воды, вытекающей из них вниз.

Пример 3.17. Самолет с вертикальным стартом

В патенте Франции 2 607 777 изобретатель К. Мори, предложил усовершенствовать самолеты с вертикальным стартом. В существующих конструкциях слишком много топлива расходуется при отрыве от Земли. Мори предложил оборудовать место старта шлюзовой системой наподобие сообщающихся сосудов. Винт двигателя создает подъемную силу, а струя, отбрасываемая по шлюзам вниз. Там она совершает поворот на 180 градусов и ударяет в фюзеляж (рис. 3.13). Дополнительная подъемная сила и облегчает самолету взлет.

Рис. 3.13. Вертикальный взлет. Пат. Франции 2 607 777

3.3.2.4.1.1. Лопастной винт

Пример 3.18. Конвертоплан MV-22 Osprey

Сочетает возможности самолета и вертолета. На концах крыльев расположены двигатели с винтами. Двигатели могут поворачиваться на 98 градусов (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Конвертоплан MV-22 Osprey

3.3.2.4.1.2. Воздушная подушка

Воздушная подушка широко используется в транспорте, машиностроении, медицине и других областях.

3.3.2.4.2. Увеличение веса

3.3.2.4.2.1. Реактивный двигатель

Создание дополнительной силы с помощью реактивной струи, «увеличивающий» вес.

Пример 3.19. Землепроходка

Специальные землепроходческие ракеты создают тоннели под землей.

Создание прижимающей силы с помощью реактивной струи.

3.3.2.4.2.2. Лопастной винт

Реактивная сила создается с помощью винта.

3.3.2.5. Вакуум

3.3.2.5.1. Уменьшение веса

Пример 3.20. Косилка

После бури или сильного дождя трава ложится на землю и ее невозможно убирать с помощью механических косилок. В патенте США 3 430 421 предложена косилка с вакуумным устройством для скашивания и сбора травы на газонах.

Создание вакуума над ножами приводит к тому, что растения удерживаются в вертикальном положении. В этом примере показано, как с помощью вакуума можно уменьшить силу тяжести (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Косилка (патент США 3 430 421)

3.2.5.2. Увеличение веса

Пример 3.21. Дорожный каток

Для создания дорожного покрытия используют тяжелые катки. Чем их масса больше, тем лучше дорожное покрытие. Но чем тяжелее каток, тем большей мощности двигатель нужен для его перемещения и больше затрат энергии. Предложен каток с вакуумными присосками (а. с. 685 645 и пат. США 4 018 541).

Рис. 3.16. Каток (а. с. 685 645 и патент США 4 018 541)

3.3.2.6. Использование крыла и набегающего потока

3.3.2.6.1. Уменьшение веса

Пример 3.22. Подъемная сила

Подъемная сила крыла используется в самолетах, дельтапланах, воздушных змеях и судах на подводных крыльях.

Пример 3.23. Установка для дождевания.

В а. с. 1 184 488 установка для дождевания сама себя поддерживает в воздухе за счет использования крыльев наподобие вертолета (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Установка для дождевания. А. с. 1 184 488

3.3.2.6.2. Увеличение веса

Пример 3.24. Гоночный автомобиль

Гоночный автомобиль должен быть легким, чтобы развивать большую скорость с тем же двигателем, но легкий автомобиль отрывается от дороги и теряет управление. Современные гоночные автомобили имеют форму обратного крыла. Кроме того, спереди и сзади имеются дополнительные антикрылья. Чем больше скорость их движения, тем набегающий поток больше прижимает автомобиль к дороге.

Рис. 3.18. Гоночный автомобиль

3.3.2.7. Центробежные силы

3.3.2.7.1. Уменьшение веса

3.3.2.7.1.1. Для уменьшения воздействия веса жидких и сыпучих тел им придают вращательное движение.

Пример 3.25. Разливочный ковш

Сталь разливают через донное отверстие больших ковшов. Из-за статического давления струя металла получается неравномерной.

Предложено жидкий металл раскрутить в горизонтальной плоскости. Жидкость примет форму параболоида вращения, сохраняя постоянный уровень жидкости над отверстием (а. с. 275 331).

Рис. 3.19. Разливочный ковш

3.3.2.7.1.2. Центробежные силы + крыло

Пример 3.26. Центробежный датчик

А. с. 358 689. Центробежный датчик угловой скорости, содержащий двуплечные рычаги и грузы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов и веса грузы выполнены в виде крыла для создания дополнительной подъемной силы при вращении.

Рис. 3.20. Центробежный датчик

1 — вилка; 2 — двухплечий рычаг; 3 — ось качения; 4 — груз, укрепленный на двухплечем рычаге; 5 — золотник; 6 — пружина задатчика режимов; 7 и 8 — поверхности.

3.3.2.7.1.3. Центробежные силы + среда

Воздействия веса можно уменьшить еще более эффективно, если объект вращать в среде с удельным весом, больше удельного веса объекта.

Пример 3.27. Искусственная шаровая молния

При изучении искусственной шаровой молнии, создаваемой в кварцевой камере, заполненной гелием, мощным электрическим полем, нужно было увеличить мощность шаровой молнии. Шаровая молния стала легче и всплывала вверх, касаясь стенок камеры, разрушая их. Электромагнитные силы не уравновешивали архимедовы силы. П.Л.Капица предложил завертеть газ, придавая ему непрерывное вращение. Для этого он использовал домашний пылесос.

3.3.2.7.1.4. Среда — магнитная или реологическая жидкости.

Эффективность уменьшения веса может быть еще повышена, если в качестве среды использовать магнитную или реологическую жидкости и соответственно магнитное или электрическое поля.

В неоднородном магнитном поле на погруженное в магнитную жидкость тело действует дополнительная выталкивающая сила, направленная в сторону уменьшения напряженности поля. Изменяя вертикальный градиент поля, можно управлять кажущейся плотностью магнитной жидкости.

Пример 3.28. Демпфирование механических колебаний

В а. с. 469 059 магнитную жидкость используют для демпфирования механических колебаний: подвижный элемент демпфирующего устройства окружен магнитной жидкостью, вязкость которой можно регулировать в зависимости от амплитуды колебаний.

Рис. 3.21. Демпфирование механических колебаний

1 — консольная балка; 2 — колеблющаяся масса; 3 — подвижный элемент; 4 — шкала; 5 — сосуд из немагнитного материала с магнитной жидкостью; 6 — регулируемый источник 7 постоянного тока.

3.3.2.7.2. Увеличение веса

Центробежные силы «увеличивают» вес, например, центрифуга.

3.3.2.7.2.1. Центробежная сила + крыло

Пример 3.29. Вибратор

Один из способ создания вибрации — использование дебалансных вибраторов. Дебаланс закрепляется на валу. Величина возмущений зависит от массы дебалансов и расстояния от оси вращения.

Увеличить возмущающую силу без увеличения габаритов вибратора и массы дебалансов можно придав дебалансу в поперечном сечении профиль крыла

(а. с. 526 399).

При вращении вала создается подъемная аэродинамиеская сила, увеличивающая силу возмущения. Изменять величину аэродинамической подъемной силы, без изменения скорости вращения, можно изменением положения крыла (развернув и/или передвинув его).

Рис. 3.22. Вибратор

1 — вал; 2 — дебаланс; 3 — устройство для крепления дебаланса; 4 и 5 — диски; 6 — пластина; 7 — винты.

3.3.2.8. Сила Архимеда

Силой Архимеда в соответствии с формулой (3.4) можно управлять, изменяя объем тела, плотность среды и ускорение свободного падения.

Сила Архимеда

Где

Fa — сила Архимеда;

ρ — удельная плотность среды (жидкости или газа);

V — объем тела.

3.3.2.8.1. Среда — газ

3.3.2.8.1.1. Воздушный шар, аэростат.

Подъемная сила зависит от объема воздушного шара (аэростата) и удельного веса газа, которым наполнен шар.

Воздушные шары и аэростаты используются для поддержания, подъема и переноса различных предметов

Пример 3.30. Скользящая опалубка

А. с. 779 547. Скользящую опалубку поднимают на следующий этаж с помощью емкостей, наполненных газом легче воздуха, создающие подъемную силу.

Рис. 3.23. Скользящая опалубка

1 — несущие щиты; 2 — рама; 3 — емкость, наполненная газом;

4 — трос; 5 — барабан лебедки.

3.3.2.8.1.2. Парашют или дельтаплан + падение объекта или поток направленный вверх

Пример 3.31. Спасательный ранец

В патенте ФРГ 3 702 459 изобретатель К. Хоффман предложил для альпинистов специальный ранец, в котором размещен баллончик со сжатым гелием (рис. 3.24). Гибкими трубками он связан через клапан с несколькими продолговатыми шарами с тонкой, но прочной оболочкой. При падении альпинист открывает клапан, шары наполняются газом — скорость существенно снижается за счет подъемной силы и парашютного эффекта.

Рис. 3.24. Спасательный ранец

Пример 3.32. Самолет

К центру самолета сверху прикреплен парашют. При разбеге парашют создает дополнительную подъемную силу. Уменьшается длина разбега и мощность двигателя.

3.3.2.8.2. Среда — жидкость

Наиболее типичным примером использования силы Архимеда в жидкой среде является судоходство.

Тяжелые грузы можно легче перемещать в жидкости.

Пример 3.33. Сборка дирижаблей

А. с. 343 898. Сборку дирижаблей ведут на воде, располагая отдельные части на понтонах-поплавках.

Рис. 3.25. Сборка дирижаблей. А. с. 343 898 1 — монтажный стол, 2 — понтон, 3 — рулон, 4 — кронштейн,

5 — концевая часть оболочки, 6 — временные поплавки,

7 — специальный поплавок, 8 — подвеска.

Пример 3.34. Невесомость.

Для получения навыков работы в условиях невесомости космонавты тренируются выполнять различные работы под водой.

3.3.2.8.2.1. Изменение плотности жидкости.

Изменяя плотность жидкости, в соответствии с формулами (3.5) и (3.6), можно изменять «вес» тела.

Вес тела

Где

P — вес тела;

Fa — сила Архимеда;

m — масса тела;

g — ускорение свободного падения.

Сила Архимеда

Где

Fa — сила Архимеда;

ρ — удельная плотность среды (жидкости или газа);

V — объем тела.

Пример 3.35. Разделение пород

Для определения различных пород их помещают в различные по плотности жидкости.

3.3.2.8.3. Двухфазная среда

Часто сила Архимеда используется в двухфазной среде.

Пример 3.36. Газированная смазка

А. с. 796 500. В опорном узле скольжения используют смазку. Для улучшения демпфирования смазку газируют, разлагая ее электролизом.

Рис. 3.26. Газированная смазка

1 — вал; 2 — вкладыш, 3 —газообразная рабочая смазка в виде электролита; 4 — рабочий зазор; 5 — источникпостоянного тока.

3.3.2.8.4. Магнитная и реологическая жидкости

Управлять силой Архимеда можно, если в качестве жидкости использовать магнитную или реологическую жидкости и магнитное или электрическое поля соответственно.

Пример 3.37. Амортизатор

А. с. 495 467. Для улучшения демпфирующих свойств амортизатора транспортного средства используют электрореологическую жидкость, которая меняет кажущую плотность под действием электрического поля.

3.3.2.9. Магнитное поле

3.3.2.9.1. Уменьшение веса

Наилучший способ управления весом — использование магнитного поля. С помощью магнитного поля создают магнитные подушки и подвесы. Так работает транспорт, создаются виброразвязки и т. п.

Пример 3.38. Бестигельная плавка

В электромагнитном поле соленоида — высокочастотного индуктора, можно поддерживать металл в устойчивом состоянии невесомости (индукционная электромагнитная левитация). Не только в твердом состоянии, но и в расплаве, при температуре 2—3 тыс. градусов. На этом основано устройство для бестигельной плавки многокомпонентных сплавов с чистотой не ниже чистоты исходных компонентов.

Рис. 3.27. Бестигельная плавка

3.3.2.9.2. Увеличение веса

Пример 3.39. Увеличение силы сцепления

Для увеличения силы сцепления поезда с рельсами используют магнитное поле.

4. Управление веществом

4.1. Способы управления веществом

Степень управления веществом увеличивается с:

1. Увеличением степени дробления вещества.

2. Изменением его массы:

2.1. Перераспределение массы;

2.2. «Отключения» массы путем:

— компенсации массы;

— созданием опоры;

— созданием дополнительной силы.

4.1.1. Дробление вещества

Изменение степени дробления вещества, в частности, определяется закономерностью изменения степени управляемости веществом, в частности, связанностью.

Последовательность дробления показана на рис. 4.1. Система осуществляет постепенный переход от твердой монолитной системы (1) к гибкой (2), порошку (3), гелю (4), жидкости (5), аэрозолю (6), газу (7), полю (8).

Рис. 4.1. Схема тенденции увеличения степени дробления

4.1.2. Изменение массы

Изменение массы вещества приводит к изменению момента инерции (изменению центра тяжести по отношению к центру масс или точке опоры). Изменение можно проводить перераспределением, «отключением» и уничтожением массы.

4.1.2.1. Перераспределение массы

Перераспределение массы осуществляется значительно легче, если вещество дробиться в соответствии с закономерностью, описанной ранее.

Пример 4.1. Перераспределение массы

Перекатывание шариков, пересыпание песка, переливание жидкости и т. д.

4.1.2.2. «Отключение» массы

«Отключать» массу можно частично или полностью путем:

— компенсации массы;

— создания опоры;

— созданием дополнительной силы.

4.1.2.2.1. Компенсация

Компенсировать вес можно путем создания противовеса, используя рычаг или блок, которые используются в шлагбаумах, лифтах и т. д.

Пример 4.2. Судно-лебедка

Вращаясь, судно становится подъемным краном (рис. 4.2).

Судно имеет нос и корму. Средняя ее часть судна представляет собой барабан, какой имеется у лебедки, только гигантских размеров.

Вращаясь и наматывая на себя канаты, барабан поднимает из глубины грузы, величина которых ограничена лишь его водоизмещением.

Причем мощность приводных двигателей может быть очень небольшой. Это достигается остроумной конструкцией противовеса, уравновешивающего груз. В нерабочем состоянии это пустой бак с нулевой плавучестью. Заполняя отсеки водой, можно настолько повысить его вес, что он не только компенсирует груз, но и создает достаточный крутящий момент для вращения корпуса — барабана. А после того как груз отцеплен, вес его можно снова уменьшить, откачав из отсеков морскую воду. (Пат. США 3 395 665).

Рис. 4.2. Подъемное устройство. Пат. США 3 395 665

4.1.2.2.2. Создание опоры

Тело частично или полностью опирается на опору.

4.1.2.2.3. Создание дополнительной силы

На тело воздействуют силой равной и противоположно направленной силе тяжести.

4.1.2.3. Уничтожение массы

Уничтожение массы вещества можно осуществлять способами:

— Физическими.

— Химическими.

4.1.2.3.1. Физическими

Измельчение (дробление), например, взрыв.

Переход в другое агрегатное состояние, например, испарение.

4.1.2.3.2. Химическими

Например, растворение, сжигание.

4.2. Виды управления веществом

С помощью гравитационного поля можно создавать движение вещества или силу, воздействующую на вещество.

4.2.1. Создание движения

Движение может быть:

— горизонтальным;

— вертикальным;

— комбинированным;

— вращательным и колебательным.

4.2.1.1. Горизонтальное движение

4.2.1.1.1. Тело вращения и перемещающийся груз внутри него

Пример 4.3. Передвижной вольер

Содержание кроликов в передвижных вольерах.

В а. с. 321 237 предложен 8-12-гранный (рис. 4.3а), а в патенте Франции 2 087 253 цилиндрический, вольер (рис. 4.3б), который перемещается по пастбищу движением самих кроликов. Животные стремятся дотянуться до травы, взбираются на стенку, собственным весом перекатывают свой дом-крышу.

Рис. 4.3. Передвижные вольеры

Придумали и другие оригинальные конструкции вольера для кроликов (рис. 4.4). Клетка без дна на колесиках. Она может двигаться вдоль натянутых канатов. Когда кролики съедают траву под клеткой, они перемещаются дальше и двигают клетку.

Рис. 4.4а. Передвижные клетки для кроликов

Рис. 4.4б. Передвижные клетки для кроликов

Рис. 4.4в. Передвижные клетки для кроликов

4.2.1.1.1.1. Тело вращения и колебания

Пример 4.4. Каталет

Горизонтального движения вещества с помощью гравитационного поля можно осуществить на транспортном средстве, которое назвали каталетом.

Это устройство описано в изобретениях а. с. 347 232. Предложено транспортное средство, движущееся поступательно, за счет создания центробежной силы, вращением дебалансов (рис. 4.5). Устройство выполнено в виде полусферы. Дебалансы смешают центр тяжести каталета относительно точки соприкосновения с почвой (поднимающий один край устройства). Под действием силы тяжести католет опускается и перекатывается на другой край. За счет сил инерции создается горизонтальное движение — полет.

Рис. 4.5. Каталет. А.с. 347 232

1 — корпус; 2 — цапфы; 3 — картер; 4 — вал; 5 и 6 — дебалансы; 7 — редуктор; 8 — двигатель: 9 — люлька.

4.2.1.1.2. Эквипотенциальность

Особый случай горизонтального движения — движение по эквипотенциальной траектории, т. е. без подъема и опускания. Это своего рода ресурс гравиполей, который позволяет минимизировать затраты энергии на транспортировку вещества.

Пример 4.5. Грабли на колесиках

Такие грабли выпустили в Англии (рис. 4.6). Их преимущество, что при работе можно не отрывать грабли от земли, а значит, тратить меньше сил. Зубья укреплены на шарнирах так, что, когда грабли двигаешь вперед, они откидываются и беспрепятственно проезжают над кучами собранного мусора[8].

Рис. 4.6. Грабли на колесиках

Пример 4.6. Упаковка телевизоров

Английская фирма упаковывает телевизоры в коробки с боковой крышкой — чем облегчены операции упаковки и извлечения (не нужно поднимать).

4.2.1.2. Вертикальное движение

Вертикальное движение может быть вниз и вверх.

4.2.1.2.1. Вертикальное движение вниз

Вертикальное движение вниз за счет гравитационного поля — это падение и связанные с ним явления.

4.2.1.2.2. Вертикальное движение вверх

Движение вверх с использованием гравитационного поля осуществляется посредством рычага второго рода или упругих сил.

4.2.1.2.2.1. Упругие силы

Пример 4.7. Батут

Подкидная гимнастическая доска, батут и т. п.

Рис. 4.7. Батут

Пример 4.8. Обруч-скакун

Патент США 4 696 467 — обруч-скакун (рис. 4.8). Седло с рукояткой и пружинистая пластмассовая лента в виде овального обруча. Сидя на таком обруче, необходимо слегка приподняться и присесть, седло будет качать седока, словно бы на коне. Можно отталкиваться сильнее и будешь лететь вперед, будто в галопе.

Рис. 4.8. Обруч-Скакун. Пат. США 4 696 467

4.2.1.2.2.2. Рычаг второго рода + падающее тело

Пример 4.9. Подкидная доска-качели

Подкидную доску в виде качелей используют в цирке (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Подкидная доска-качели

4.2.1.2.3.Поднятие-опускание объекта

4.2.1.2.3.1. Сила Архимеда в жидкости + сообщающиеся сосуды

Пример 4.10. Шлюзы

Шлюз — это гидротехническое сооружение на водных путях для обеспечения перехода судов из одного водного бассейна в другой с различными уровнями воды в них (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Система шлюзов

4.2.1.2.3.2. Блочная конструкция и противовес

См. пример 4.2, рис. 4.2 — судно-лебедка.

Пример 4.11. Часы ходики

В качестве двигателя в часах ходиках используются гири. Завод механизма осуществляется поднятием гири. Она под собственным весом опускается вниз, вращая храповое колесо.

Рис. 4.11. Часы ходики

4.2.1.2.3.3. Рычаг и противовес

Пример 4.12. Шлагбаум

В шлагбауме, колодце журавль и т. п. устройствах используется противовес, расположенный на другом конце рычага. Таким же образом устроена выносная стрела, на конце которой установлена телекамера, используемая на массовых зрелищах (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Шлагбаум

4.2.1.3. Комбинированное движение

Комбинированное движение — одновременное движение по вертикали и горизонтали. Это может быть движение по направляющей или наклонной плоскости.

Управление таким движением можно осуществлять:

— наклоном плоскости;

— изменением массы вещества;

— перемещением груза внутри тела, имеющего ось вращения;

— изменением силы сцепления (трения);

— созданием дополнительной силы.

4.2.1.3.1. Наклоном плоскости

Пример 4.13. Крыша дома

Чтобы вода или снег не задерживались на крыше дома, ее делают наклонной, поэтому у северных домов, где выпадают больше снега, крыши делают более крутые.

Пример 4.14. Трамплин

Для подготовки прыгунов с трамплина необходимы трамплины различной высоты и кривизны наклона. Так создают маленькие трамплины для детей, средние для подростков и т. д. Поэтому часто стоят рядом два, три, а иногда и более трамплинов. Решение описано А. с. 628 938 (рис. 4.13.)

Отдельные части трамплина соединены шарнирно. Можно изменять кривизну и высоту каждой части с помощью системы опор различной высоты и тросов, длину которых можно менять с помощью лебедок.

Рис. 4.13. Трамплин. А. с. 628 938

4.2.1.3.2. Изменением массы вещества

Примеры см. п. 4.1.

4.2.1.3.3. Перемещением груза внутри тела, имеющего ось вращения

Пример 4.15. Дозатор

В качающемся дозаторе жидкости противовес представляет катающийся шарик (рис. 4.14). Дозатор выполнен в виде корпуса, посаженного на ось, по одну сторону которой расположена мерная емкость, а по другую — каналы с перемещающимся балластом, например, шариком (а с. 329 441).

Рис. 4.14. Дозатор. А. с. 329 441

11 — корпус; 12 — ось; 13 — мерная полость; 14 — канал; 15 — свободно перемещающийся балансом (шариком).

Пример 4.16. Саморазгружающаяся баржа

Для обеспечения наклона саморазгружающейся баржи по

а. с. 163 914 используется забортная вода, которая поступает в правую или левую бортовую цистерну при открытии кингстона (крана), выпускающего сжатый воздух (рис. 3.7).

4.2.1.3.4. Изменением силы сцепления, т. е. трения

Тенденция изменения трения описывает «трибополь». В сжатом виде эта тенденция, следующая: переход от трения покоя к трению скольжения, от трения скольжения к трению качения и переходу движения без трения. Кроме того, имеются промежуточные тенденции. Переход от сухого к жидкостному трению. Имеются и другие способы изменения трения.

4.2.1.3.5. Созданием дополнительной силы

Отклонение от вертикального движения с помощью крыла.

Наиболее яркие примеры — это самолет, дельтаплан и т. д.

Пример 4.17. Спуск судна на воду

При спуске судна на воду с продольного стапеля используют подводное крыло, чтобы судно сильно не заглублялось (а. с. 281 197). Крыло пустое, поэтому оно частично служит понтоном. Крыло установлено на спусковых салазках (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Спуск судна на воду. А. с. 281197

1 — судно. 2 — продольный стапель. 3 — наклонные стойки.

4, 5 — поперечные связи. 6 — крыло. 7 — спусковые салазки.

8 — боковые шайбы. 9 — внутренний набор.

4.2.1.4. Вращательное и колебательное движение

4.2.1.4.1. Тело вращения + перемещающийся внутри груз

Пример 4.18. Яйцеобразная ванна

Патент Германии 122 788 (1900 г.). Яйцеобразная ванна, свободно стоящая на полу и падающая с боку на бок при малейшем движении купальщика. Такие колебания создают волны в ванне.

Пример 4.19. Качели в ванне

Патент Германии 101 412. Качели в ванне. Создаются волны в ванне.

4.2.1.4.2. Создание момента

Пример 4.20. Самосвал

Кузов самосвала выполнен в виде опрокидывающего ковша (а. с. 954274). Такая форма ковша помогает создавать вращающий момент. Нужны меньшие усилия для подъема кузова (рис. 4.16), при освобождении от груза. Такое же решение использовано в примере 4.15 (рис. 4.14).

Рис. 4.16. Самосвал. А. с. 954274

4.2.1.4.3. Наклон оси вращения

Пример 4.21. Самозакрывающиеся двери.

Ось двери наклоняют на 6—8 градусов (рис. 4.17а). Благодаря наклону открытая дверь возвращается в первоначальное положение в силу собственной тяжести. Дверь работает по принципу маятника. Такие двери используются как входные в общественных заведениях. Изобретатели постоянно пытаются улучшить этот принцип. В патенте России 2 205 932 (2003 г.) предложены петрли для самозакрывающихся дверей (рис. 4.17б).

Рис. 4.17. Самозакрывающаяся дверь

1 — неподвижная петля; 2 — подвижная петля; 3 — ось, соединяющая петли.

4.2.1.4.4. Центр тяжести ниже оси вращения

У маятника и качелей центр тяжести ниже оси вращения.

Пример 4.22. Качели

Изобретено много качелей, которые движутся по сложной траектории.

Качели по а. с. 1 389 798 (рис. 4.18а) создают «воздушные ямы». На перекладину свободно посажены две втулки. Со столбами их связывают пружины, работающие на сжатие. В разные фазы маховых колебаний пружины то сдвигают, то раздвигают втулки. Тем самым уменьшается или увеличивается расстояние сидения от оси вращения. Качание происходит по сложной криволинейной траектории.

Другие эффекты создают качели по а. с. 1 449 143 (рис. 4.18б), 1 449 144 (рис. 4.16в), 1 449 145 (рис. 4.18г).

Рис. 4.18а. Качели. А. с. 1 389 798

Рис. 4.18б. Качели. А. с. 1 449 143

Рис. 4.18в. Качели. А. с. 1 449 144

Рис. 4.18г. Качели. А. с. 1 449 145

4.2.1.4.5. Наклоны поплавка в жидкости

Пример 4.23. Стенд для испытания транспортных средств

Стенд представляет собой беговой барабан, размещенный на поплавках в бассейне (а. с. 1 062 551). Изменяя положение поплавков в воде можно имитировать поперечные наклоны на пересеченной местности (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Стенд для испытания транспортных средств. А. с. 1 062 551

4.2.2. Создание силы

4.2.2.1. Создание силы с помощью удара, создаваемого падающего тела

Пример 4.24. Удаление сучьев с дерева

В а. с. 461 722 сучья у дерева срезаются с помощью охватывающего режущего устройства за счет инерции падения спиленного дерева.

Пример 4.25. Ковка

Ковка и прессовка осуществляется путем свободного падения предварительно поднятого груза.

4.2.2.2. Создание силы за счет веса тела

Пример 4.26. Ледокол

Ледокол ломает лед, используя свой вес.

Пример 4.27. Якорь

Существуют якоря, которые удерживаются на почве за счет своего большого веса.

4.2.2.3. Рычаг второго рода

Пример 4.28. Подъем крышки люка

Патент США 3 985 338. Подъемное устройство для крышки люка содержит длинную стальную прямую трубу, один конец которой имеет сквозной поперечный палец. На пальце шарнирно закреплен спущенный вниз крюк. К нижней стенке стальной трубы приварен шкворень (упор), расположенный ближе к концу трубы с крюком. Крюком зацепляют крышку и встают ногой на трубу с другого конца (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Подъем крышки люка

4.2.3. Удержание тела в определенном пространственном положении

4.2.3.1. Удержание за счет создания опоры

Пример 4.29. Вешалка

Легко повесить любой предмет на крюк, если в нем есть отверстия или петли.

4.2.3.1.1. Опора по вертикали и упор в горизонтали

Пример 4.30. Вешалка для таза

А. с. 255 515. Изобретатель М. Д. Рябцев предложил вешалку для тазов и мисок, которая удерживает крюком таз за реборду снизу (рис. 4.21) и в вертикальной плоскости опирается ободом на горизонтальный упор вешалки.

Рис. 4.219. Вешалка для таза. А. с. 255 515

1 — крючок.2 — таз. 3 — опорный выступ. 4 — крючок.

4.2.3.2. Удержание тела в определенном положении созданием силы

Пример 4.31. Захват

Рельсы переносятся клещами, которые закрываются давлением веса рельсы. Такой же принцип используется в а. с. 1 055 721 (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Захват. А. с. 1 055 721

4.2.3.3. Удержание тела в определенном положении за счет трения

4.2.3.3.1. Использование клина

Пример 4.32. Зажимное устройство

Чтобы удержать чертежный лист в вертикальном положении используют зажимы, в виде стального шарика, движущегося вверх при вставлении листа. Шарик под собственным весом опускается вниз и так как он движется по направляющей имеющей сужение к низу, то заклинивает лист бумаги.

4.2.3.4. Удержание тела в определенном положении с помощью магнитного поля

Тело можно удерживать в определенном положении с помощью магнитного поля, создаваемого с помощью постоянного магнита или электромагнита.

4.2.4. Создание направления

4.2.4.1. Создание вертикального направления

Использование маятника

Пример 4.33. Буровая установка

Бурение вертикальных скважин, например, для создания свайного фундамента, связано с проблемой точного выставления по вертикали буровой колонны. Особо сложно это делать на неровном рельефе. Буровую установку с помощью специальных стоек приводили в соответствующее положение.

Ответ: Буровая колонна подвешивается на кране сама принимает вертикальное положение а. с. 293 095 (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Буровая установка. А. с. 293 095

4.2.4.2. Создание горизонтального направления

4.2.4.2.1. Горизонтальное направление с помощью жидкости и Архимедовой силы

Пример 4.34. Суда

Суда, строительство на воде.

4.2.5. Повышение статической устойчивости объекта в пространстве

Пример 4.35. Балансировка ротора

А. с. 739 354. Статическую балансировку ротора производят путем взвешивания его в воде. На ось ротора с двух сторон одевают пустотелые торы, каждый из которых помещают в сосуд с жидкостью, связанных между собой трубой (рис. 4.24).

Рис. 4.24. Балансировка ротора. А. с. 739 354

1 — емкость, заполненная жидкостью в виде сообщающихся сосудов; 2 — оправка; 3 — балансирующий ротор; 4 — опора в виде торообразного поплавка.

4.2.5.1. Снижение центра тяжести

4.2.5.1.1. Груз внутри объекта неподвижен

Пример 4.36. Кегли

Имеются кегли использующий принцип «ваньки-встаньки».

Пример 4.37. Трактор

А. с. 508 427. Трактор с подвижным центром тяжести для работы на крутых склонах.

4.2.5.1.2. Груз перемещается внутри объекта

Пример 4.38. Колеса для подвижного состава

Для повышения устойчивости вилочным погрузчикам, передвижным подъемным кранам, тягачам необходимо иметь центр тяжести как можно ниже, особенно при работе на больших уклонах и по бездорожью. С другой стороны, чересчур низкий клиренс ухудшает проходимость. Как быть?

Японский изобретатель Цучия Шозо разрешил это противоречие. Он предложил насыпать в пневмокамеры ходовых колес стальные шарики диаметром 5—50 мм. При движении шарики перекатываются по внутренней поверхности камеры, оставаясь, все время внизу и снижая тем самым общий центр тяжести машины. Патент США 3 716 093 (рис. 4.25).

Рис. 4.25. Колеса для подвижного состава. Пат. США 3 716 093

4.2.5.2. Использование противовеса

Пример 4.39. Подъемный кран

Подъемный кран удерживается от падения противовесом. А. с. 271 763. Самоходный кран с подвижным противовесом.

4.2.6. Образование пленки жидкости

4.2.6.1. Жидкость, стекающая по поверхности

Толщина пленки регулируется количеством жидкости и углом наклона поверхности.

Пример 4.40. Нанесение жидкости

А. с. 959 839. Поливочная головка к машине для нанесения жидкости на листовой материал, содержащая ванну с закрепленным на ее стенке пленкообразователем, трубопровод с отверстием для подачи жидкости в ванну и смонтированную в ванне заслонку, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества покрытия путем регулирования толщины пленки при изменении объема подачи жидкости, она снабжена горизонтальной осью, на которой установлена с возможностью поворота ванна (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Нанесение жидкости. А. с. 959 839

1 — ванна; 2 — пленкообразователь; 3 — трубопровод; 4 — отверстие;

5 — заслонка; 6 — горизонтальная ось.

4.2.6.2. Жидкость стекает по вращающейся поверхности

Вращение проводится вокруг горизонтальной оси. Толщину пленки можно регулировать количеством жидкости и скоростью вращения.

Пример 4.41. Нанесение изоляции

А. с. 168 863. Установка для нанесения изоляции на внутреннюю поверхность шлангов представляет собой конусный барабан, на который намотан шланг. Внутрь трубы вводят химические компоненты в жидком виде (например, латекс). Барабан медленно вращают. Под действием силы тяжести жидкость стекает, последовательно смачивая внутреннюю поверхность трубы (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Нанесение изоляции. А. с. 168 863

10 — ротор; 11 — чехол заготовки; 12 — четырехходовой кран; 13 — пустотелая цапфа; 16 — торец ротора.

4.2.7. Устранение вибраций

4.2.7.1. Использование маятника

Пример 4.42. Гасители колебаний

А. с. 514 134, 557 220. Маятниковые гасители колебаний высотных зданий. Созданы несколько вариантов самонастраивающихся гасителей для различных башен. В каждом конкретном случае гаситель сам выбирает себе режим качания, без постороннего вмешательства. Это достигается всевозможными комбинациями деталей. Несколько масс соединяют податливой связью (например, на пружинах). Тело маятника делают в форме полого цилиндра, в который вставлен свободно скользящий металлический стакан. Маятник подвешивают на поперечном упругом тросе.

Рис. 4.28. Гасители колебаний. А. с. 514 134

1 — масса; 2 — подвес; 3 — колеблющейся объект; 4 — стяжка; 5 — упор; 6 — пружина; 7 — фрикционная колодка; 8 — упор.

4.2.7.2. Использование гиромаятника

Пример 4.43. Сепаратор

А. с. 260 516, 274 528. Сепаратор подвешен в кардановом подвесе, наподобие гиромаятника — полностью исключает вибрации.

Рис. 4.29. Сепаратор

1 — стакан; 2 — крышка барабана; 3 и 4 — внутренние инаружные рамки карданова подвеса; 5 — полый вал — статор электродвигателя; 6 —обмотки электродвигателя; 7 — ротор электродвигателя; 8, 9, 12, 14 —подшипники; 10 — полусфера станицы сепаратора; 11 — гибкая ось; 13 патрубок.

5. Гравиполи для измерения и обнаружения

5.1. Измерение

5.1.1. Измерение вертикали

Пример 5.1. Отвес

Отвес — это груз подвешенный на нити. Отвес показывает вертикальное положение. Под действием силы тяжести нить принимает вертикальное направление.

Пример 5.2. Угол отклонения

Маятник не только определяет вертикаль, но и угол отклонения от вертикали в динамике. Имеются маятниковые датчики угла.

Пример 5.3. Гировертикаль

Гировертикаль строится на трехстепенном гироскопе, у которого центр масс смещен от точки повеса вдоль главной оси гироскопа. Позволяет более точно, чем маятник определять угол отклонения от вертикали.

5.1.2. Измерение горизонтали

5.1.2.1. Поверхность жидкости

Поверхность жидкости занимает горизонтальное положение.

Пример 5.4. Горизонт

Горизонтальное положение можно определять с помощью широкого сосуда с жидкостью.

5.1.2.2. Объект с положительной плавучестью или пузырек воздуха на поверхности жидкости

Пример 5.5. Уровень

На этом принципе создан прибор — уровень. Рабочим органом уровня является колба, заполненная окрашенным спиртов с маленьким пузырьком воздуха. На колбе имеются риски (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Уровень

5.1.2.3. Сообщающиеся сосуды

На больших расстояниях измерить горизонталь можно использовать сообщающиеся сосуды.

Пример 5.6. Гидроуровень

На принципе сообщающихся сосудов (закон Паскаля) построен водяной уровень (гидроуровень). Резиновая или пластмассовая трубка, залитая жидкостью. На концах трубки вставляют прозрачные (стеклянные или пластмассовые) трубки — колбы, на которых имеются деления.

Рис. 5.2. Гидроуровень

5.1.2.4. Гироскоп направления

Пример 5.7. Гироскоп

Гироскоп направления используется для определения курса (направления) корабля, подводной лодки, самолета, ракеты, торпеды и других движущихся объектов (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Гироскоп

5.1.3. Измерение плотности

Используется сила Архимеда.

Пример 5.8. Плотномер

Имеются разные способы измерения плотности жидкости. Мы рассмотрим принцип, основанный на Законе Архимеда. Такой прибор называется аэрометр.

Обычно представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой при калибровке заполняется дробью или ртутью для достижения необходимой массы. В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности раствора или концентрации растворенного вещества. Плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объему, на который он погружается в жидкость. Соответственно, различают ареометры постоянной массы (более распространенные) и ареометры постоянного объема.

К ареометрам постоянной массы относятся денсиметры (рис. 5.4), шкалы которых градуируются в единицах плотности.

Для практического применения ареометр градуируют в концентрации растворенного вещества, например: спиртомер — в процентах алкоголя для измерения крепости напитка; лактометр — в процентах жира для определения качества молока и т. д.

Рис. 5.4. Аэрометр постоянной массы

Денсиметр: 1— полый корпус; 2 — трубчатый стержень; 3 — балласт; 4 — связывающее вещество; 5 — шкала плотности; 6 — встроенный термометр; 7 — шкала температуры.

3.1.4. Измерение времени

Пример 5.9. Промежуток времени

Падающий груз, расположенный на стержне, замыкает контакты во время падения. Расстояние между контактами определяет промежуток времени. А. с. 189 597.

Пример 5.10. Испытание материала

Для испытания материалов на длительную прочность в условиях высоких температур и агрессивных сред используют прочные камеры — сейфы. К образцу материала прикрепляют груз, после чего заполняют камеру агрессивным веществом, герметично закрывают и включают систему обогрева (тепловые элементы размещены в стенках камеры). Вес груза от 0,02 кг до 2 кг. Основная трудность при таких испытаниях связана с определением момента разрыва образца. Здесь не требуется особой точности. Достаточно, если момент обрыва будет зафиксирован с точностью до нескольких секунд, так как испытания ведутся иногда в течение многих дней.

Сложность в другом: трудно обеспечить надежность сигнальных устройств, размещенных внутри камеры в сильно агрессивной среде. Нужно, чтобы момент обрыва определялся снаружи. Аппаратура, улавливающая шум падения груза, не годится — она слишком сложна и ненадежна.

А. с. 260 249. Груз висит над расположенной внутри камеры наклонной плоскостью 3. Наружная поверхность дна камеры выполнена в виде двух плоскостей 4. При разрушении образца груз падает на наклонную плоскость 3, смещаясь к стенке камеры в направлении к плоскости 4. Центр тяжести устройства перемещается из положения I в положение II. Появляется опрокидывающий момент, устройство поворачивается в направлении плоскости 4. Перемещение может быть зафиксировано визуально или замыкая контакт сигнального устройства (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Испытание материала

1 — герметичныйкожух; 2 — основание; 3 — наклонная плоскость; 4 — наружная поверхность дна кожуха составлена из двух расположенных под угломплоскостей. 5 — захват. 6 — испытуемый образец. 7 — груз. 8 — патрубок, черезкоторый вводится агрессивная среда.

5.1.5. Измерение натяжения

Натяжение гибких лент и канатов можно легко определить, если их пропустить через два горизонтально расположенных ролика, а по середине поместить груз, например, в виде «плавающего» ролика. По положению груза можно судить о силе натяжения гибкого элемента.

5.2. Обнаружение

5.2.1. Обнаружение изменения объема жидкости

Пример 5.11. Определение объема газа

Как определить, когда в баллоне с жидким газом осталось 1/10 часть объема?

Патент СССР 456 403 (полученный французами).

Сосуд для хранения жидких материалов, имеющий днище и противовес, отличающийся тем, что, с целью упрощения контроля за уровнем жидкости в сосуде, днище образовано одной горизонтальной частью и другой, сопряженной с ней, наклонной частью, а противовес установлен в наклонной части днища (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Определение объема газа

1 — сосуд; 2, 3 грани, образующее днище с углом150—170о;

4 — скругленные кромки; 5 — подставка; 6 — заливочнаяголовка; 7 — противовес; 12 — основание; 13, 14 — опорные поверхности; 15 —балласт.

5.2.2. Обнаружение изменения формы

5.2.2.1 Катание объекта по наклонной плоскости

Пример 5.12. Определение скола на таблетках

Нужно определить и отделить таблетки со сколом. Для этого предложили автоматизированную линию с телевизионной установкой, но она не справлялась с этим. Как быть?

Было предложено таблетку пускать по наклонной плоскости. Целые таблетки во время движения по плоскости набирают большую скорость и улетают дальше. Таблетки со сколом падают ближе. Устанавливают два бункера. Ближний — для брака, дальний — для целых таблеток.

Пример 5.13. Сортировка дроби

Необходимо отсортировать дробь неправильной сферической формы. Как это сделать?

Дробь пускают по наклонной плоскости. Дробинки правильной формы будут скатываться прямо, бракованные отклоняться вправо и влево. Остается поставить в центре бункер для годной, а по бокам для бракованной продукции.

5.2.2.2. Сила инерции. Отскок

Пример 5.14. Сортировка шариков

На шарикоподшипником заводе выпускают стальные шарики, но при изготовлении они получаются немного отличные друг от друга. В подшипнике должны быть одинаковые по размерам шарики. Необходимо отсортировать шарики по размерам. Как это сделать?

Шарик бросают с определенной высоты на стальную плиту. Отскок шарика зависит от его размеров. Таким образом, каждый шарик попадает в свой бункер.

6.Заключение

Гравиполи могут быть использованы для управления «гравитационным» полем и веществом с помощью «гравитационного» поля.

Наибольшее практическое значение для использования гравиполей в Земных условиях имеют способы управления весом и использования веса и силы тяжести для управления веществом.

Опишем еще раз в сжатом виде последовательность использования способов управления весом.

7. Способы управления весом

Примечания

1

Петров В. М. Гравиполи. — Л.: 1989, 35 с. http://www.trizland.ru/trizba.php?id=110.

2

Альтшуллер Г. С. Алгоритм изобретения. — М: Моск. рабочий, 1973. — 296 с. http://www.altshuller.ru/triz/technique1.asp.

3

Петров В. М. Управление весом. — Л., 1973. (рукопись)

4

Альтшуллер Г. Тепловое поле — в механическое. Техника и наука, №1, 1981, С. 17—19. Альтшуллер Г. С. Тепловое поле — в механическое. — Дерзкие формулы творчества/ (Сост. А. Б. Селюцкий). — Петрозаводск: Карелия, 1987. — 269 с. (Техника — молодежь — творчество), с. 95—102.

5

Альтшуллер Г. Магия магнитных жидкостей. Техника и наука, №3, 1981, С. 13—14. Альтшуллер Г. C. Феполи могут все. — Дерзкие формулы творчества/ (Сост. А. Б. Селюцкий). — Петрозаводск: Карелия, 1987. — 269 с. (Техника — молодежь — творчество). — С. 103—109.

6

А. с. 163 914.

7

А. с. 175 636

8

http://www.youtube.com/watch?v=QQUfGJD5HgQ

Content

Гравиполи
ТРИЗ
Владимир Петров

1. Введение

2. Основные физические принципы

3. Управление полем

3.1. Управление силой тяготения

3.2. Управление силой тяжести

3.3. Управление весом

4. Управление веществом

4.1. Способы управления веществом

4.2. Виды управления веществом

5. Гравиполи для измерения и обнаружения

5.1. Измерение

5.2. Обнаружение

6.Заключение

7. Способы управления весом

Примечания