Устройство для перемещения объекта в газовой или жидкой среде

Устройство для перемещения объекта в газовой или жидкой среде

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к техническим решениям, основанным на взаимодействии объекта с окружающей его средой, и может быть использовано в транспортных средствах для перемещения в газовой или жидкой среде, в частности, воздухе или воде.

Известны устройства, например, самолет, снабженный реактивным двигателем, в котором в результате выбрасывания из сопла реактивного двигателя струи образующихся при сгорании топлива газов самолету сообщается такой же по величине импульс, какой уносят с собой газы. Самолет, таким образом, приводится в движение (Савельев И.В. Курс общей физики, т.1, М., 1970, с.78).

Известно также устройство - ракета с фотонным двигателем, содержащее жестко связанный с объектом (ракетой) источник волн (источник фотонов), создающий световые волны, распространяющиеся в обе стороны от него вдоль линии, по которой требуется переместить объект, причем в направлении распространения волн, совпадающем с направлением перемещения объекта, установлено жестко связанное с объектом средство для поглощения волн (Педерсен Э.С. Атомная энергия в космосе, Атомиздат, М., 1967, стр.161-165).

Фотонный двигатель использует источник фотонов, т.е. источник световых волн. Световые волны, как известно, являются электромагнитными, а следовательно, поперечными волнами. Таким образом, известное устройство и способ, который оно реализует, используют энергию поперечных волн.

Фотонный двигатель предназначен для перемещения в космосе. Использование энергии световых волн для перемещения в газовой или жидкой среде, в частности, в воздухе или воде, проблематично, поскольку фотонный двигатель имеет чрезвычайно малую тягу, а указанная среда оказывает значительное сопротивление перемещению.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности устройством для перемещения объекта в газовой или жидкой среде, в частности, в воздухе или воде, является устройство, содержащее жестко связанный с объектом вращающийся винт, имеющий лопасти, установленные под определенным углом атаки к плоскости их вращения (Политехнический словарь, М., «Советская энциклопедия», 1989, с.90).

Работа наиболее близкого устройства основана на том, что при вращении винта за счет установки лопастей под определенным углом атаки к плоскости вращения винта давление на среду с одной стороны от лопасти увеличивается. Среда, вследствие своей упругости, оказывает сопротивление перемещению, к которому ее вынуждает лопасть винта. Возникают две противоположно направленные силы, одна из которых (посредством жесткого соединения лопастей с объектом) действует на объект, другая - на среду. Сила, действующая на объект, обеспечивает его перемещение (фиг.1).

В наиболее близком устройстве сила, действующая на среду, приводит среду в движение, в результате, в ней возникают волны. Волны распространяются в среде во всех направлениях от винта, постепенно затухая. Силы, с которыми волны воздействуют на объект с противоположных сторон от плоскости вращения винта, при этом близки по величине и противоположны по направлению, поэтому компенсируются и влияния на перемещение объекта практически не оказывают. Таким образом, в данном техническом решении энергия волн не используется.

Решаемой задачей (техническим результатом) заявляемого технического решения является создание новых технических средств для перемещения объекта в газовой или жидкой среде, в частности, воздухе или воде, основанных на взаимодействии объекта с создаваемыми в среде волнами.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для перемещения объекта в газовой или жидкой среде, в частности, в воздухе или воде, содержащем жестко связанный с объектом винт, имеющий лопасти, предназначенный для создания волн в газовой или жидкой среде, согласно изобретению, лопасти винта имеют симметричные поперечные сечения относительно оси симметрии, совпадающей с направлением вращения винта, а в направлении распространения волн, совпадающем с направлением перемещения объекта, установлено жестко связанное с объектом средство для поглощения волн.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, что волна - это колебательный процесс в упругой среде. Волны возникают при механическом воздействии движущегося тела-источника волн на окружающую его среду. При этом взаимодействуют элементы тела-источника волн (молекулы, атомы вещества, из которых состоит тело) с элементами среды (молекулами, атомами вещества, из которых состоит среда) (Кухлинг X. Справочник по физике, М., 1983, стр.239-240).

Возможны два типа движения элементов среды: перпендикулярно и вдоль направления распространения волны. Соответственно существует два типа волн - поперечные и продольные.

Поперечные волны возникают в среде, обладающей сопротивлением сдвигу. В жидкой и газообразной среде возможно возникновение только продольных волн (Савельев И.В. Курс общей физики, т.I. М., 1970, с.263).

В заявляемом техническом решении для перемещения объекта используются продольные волны, создаваемые лопастями винта в обе стороны от винта вдоль линии, по которой требуется переместить объект (фиг.2).

В наиболее близком устройстве лопасти винта установлены под некоторым углом атаки к плоскости вращения винта, поэтому максимумы волн, образующихся с противоположных сторон от плоскости вращения винта, отклонены на этот же угол от линии движения объекта. Таким образом, известный винт не позволяет использовать энергию волн с наибольшей эффективностью.

В заявляемом техническом решении лопасти винта имеют поперечные сечения, симметричные относительно оси симметрии, совпадающей с направлением вращения винта. Такой винт создает симметричные волны, распространяющиеся в обе стороны от него вдоль линии, по которой требуется переместить объект.

Волны обладают энергией (Кухлинг X. Справочник по физике, М., 1983, стр.248), а значит, и импульсом. Импульс продольной волны Рв, как и импульс перемещаемого объекта, равный

Po=m_ov_o,

где m_о и v_o - масса и скорость перемещаемого объекта соответственно, может быть определен в виде произведения массы волны m_в на ее скорость v_в в среде:

Рв=m_вv_в.

При этом масса продольной волны может быть определена как масса вещества среды в объеме, определяемом площадью S нормального (вдоль направления действия силы) соприкосновения со средой лопасти винта и высотой, равной половине длины волны λ:

m_в=ρ_фсSηλ/2,

где ρ_фс - плотность среды;

η(R, ρ_фс) - коэффициент затухания волны в среде (η(R, ρ_фс)<1);

R - расстояние до лопасти винта;

λ=Δtv_в;

Δt - длительность непрерывного воздействия на среду лопасти винта;

v_в - скорость распространения продольной волны в среде (Кухлинг Х. Справочник по физике, M., 1983, стр.253):

для волны в воздухе: v_в=331,6+0,6t,

где t - температура воздуха;

для волны в газе:

где р - давление газа;

χ_г - показатель адиабаты;

для волны в жидкости:

где χ_ж - коэффициент сжимаемости.

Очевидно, что если волны, создаваемые лопастями винта вдоль линии, по которой требуется переместить объект, одинаковы в обе стороны от винта, то одинаковы и соответствующие им импульсы.

Волну, созданную в направлении, совпадающем с направлением, в котором необходимо переместить объект (в прямом направлении), далее будем называть «прямой» волной, а волну, распространяющуюся в противоположном движению объекта направлении (в обратном направлении), - «обратной».

Так как винт и средство для поглощения волн жестко связаны с объектом, то импульсы, возникающие при создании и поглощении волн, сообщаются объекту. Для каждой волны объект взаимодействует со средой три раза:

1) при создании прямой волны - взаимодействие с винтом;

2) при создании обратной волны - взаимодействие с винтом;

3) при поглощении прямой волны - взаимодействие со средством для поглощения волн.

Лопасти винта создают симметричные волны, поэтому первые два взаимодействия происходят одновременно.

В соответствии с указанными тремя взаимодействиями объекта со средой, закон сохранения импульса записывается в виде трех выражений:

где Рв_обр - импульс обратной волны, сообщенный объекту посредством винта;

Рв_пр - импульс прямой волны, сообщенный объекту посредством винта;

P'в_пр - импульс прямой волны, сообщенный объекту через средство для поглощения волн (ослабленный за счет потерь в среде и неполного поглощения средством для поглощения волн (Р'в_пр<Рв_пр));

Ро - импульс, сообщенный объекту волной.

Знак «+» говорит о том, что импульс направлен на перемещение объекта в прямом направлении (импульс, сообщаемый объекту, положительный), знак «-» - импульс направлен на перемещение объекта в обратном направлении (импульс, сообщаемый объекту, отрицательный).

Суммируя выражения в (1), получаем, что импульс, сообщаемый объекту за весь цикл его взаимодействий со средой, равен:

Из данного выражения следует, что положительный импульс сообщает объекту обратная волна. Суммарный импульс, сообщаемый объекту прямой волной, отрицателен, он оказывает тормозящее действие перемещению объекта. Но так как импульсы, сообщаемые объекту прямой волной при ее взаимодействии с винтом и со средством для поглощения волн, имеют разные знаки и большей частью взаимно компенсируются, то суммарный импульс прямой волны по абсолютной величине меньше импульса, сообщаемого объекту обратной волной. Поэтому объект движется в направлении распространения прямой волны.

Таким образом, в заявляемом техническом решении суммарный импульс, сообщаемый объекту волнами, распространяющимися в прямом и обратном направлениях, всегда положителен и приводит к перемещению объекта в направлении распространения прямой волны.

Такова сущность заявляемого изобретения.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг.1 - известное устройство, использующее воздушный или водяной винт.

Фиг.2 - заявляемое устройство для перемещения, в котором используется винт, содержащий симметричные в поперечном сечении лопасти.

Заявляемое устройство (фиг.2) содержит объект 1, вращающийся винт 2, снабженный лопастями, имеющими поперечные сечения, симметричные относительно оси симметрии, совпадающей с направлением вращения винта, при этом жестким соединением 3 является вращающаяся ось винта, и средство для поглощения волн 4, жестко связанное с объектом 1.

Средство для поглощения волн 4 может быть выполнено в виде плоского или иной формы однослойного или многослойного экрана из материала, частично или полностью непроницаемого для среды. Средство 4 выполняет свои функции наилучшим образом, когда его размеры и ориентация таковы, что создаваемая в направлении средства 4 волна наиболее полно попадает на поверхность средства.

Устройство работает следующим образом.

Лопасти вращающегося винта 2, имеющие поперечные сечения, симметричные относительно оси симметрии, совпадающей с направлением вращения винта, создают в среде прямые и обратные волны, распространяющиеся вдоль линии, по которой необходимо переместить объект 1. Прямая волна частично поглощается в среде и затем полностью или частично поглощается средством для поглощения волн 4.

Импульсы, сообщаемые объекту прямой волной в момент ее создания винтом 2 и в момент поглощения средством 4, противоположны по направлению и большей частью взаимно компенсируются. Импульс, сообщаемый объекту обратной волной, положителен и превышает противоположный ему суммарный импульс, сообщаемый объекту прямой волной. Поэтому суммарный импульс, сообщаемый объекту всеми волнами, положителен (2), он приводит объект в движение в направлении распространения прямой волны.

Таким образом достигается заявляемый результат - создание новых технических средств для перемещения объекта в газовой или жидкой среде, в частности, в воздухе или воде, основанных на взаимодействии объекта с создаваемыми в среде волнами.

Устройство для перемещения объекта в газовой или жидкой среде, в частности в воздухе или воде, содержащее жестко связанный с объектом винт, имеющий лопасти и предназначенный для создания волн в газовой или жидкой среде, отличающееся тем, что лопасти винта имеют симметричные поперечные сечения относительно оси симметрии, совпадающей с направлением вращения винта, а в направлении распространения волн, совпадающем с направлением перемещения объекта, установлено жестко связанное с объектом средство для поглощения волн.