Определитель плавучести физического тела

Определитель плавучести физического тела

Реферат

Изобретение относится к измерению плавучести физического тела в жидкой среде.

В практике погружений в жидкие среды разработаны инструментальные определители измерений положительной или отрицательной плавучести физических тел, которые решаются по принципу движения поплавка: перемещение пустотелого цилиндра с балластом вверх или вниз, в зависимости от плавучести тела: патент RU №2312323 - балансировочный определитель нулевой плавучести, патент RU №66298, U1 - определитель плавучести дайвера, патент RU №2314228 - установка определения относительной плавучести подводного пловца, патент RU №2311629 - балансировочный определитель плавучести твердого тела. Второй прием заключается в обеспечении выхода измеряемого объекта на нулевую плавучесть путем гашения положительной плавучести объекта, в том числе искусственно созданной, заливом воздушной емкости с пластиной или пластинами - нейтрализаторами или без них: патент RU №2281221 - снаряжение для определения индивидуальной массы балласта нулевой плавучести, патент RU №2328406 - определитель плавучести пловца и патент RU №2311628 - кубический балансировочный определитель нулевой плавучести. Первые имеют ряд недостатков: устройство содержит дополнительное пространство балластного отсека, который увеличивает размер конструкции, необходимо использовать тяжелый балласт, нет достаточной простоты, надежности и универсальности конструкций; вторые устройства сложные и с ограничениями по размерам измерений. За прототип выбран патент RU №66298, U1 на определитель плавучести дайвера.

Цель изобретения: разработать универсальное устройство определения прямых показаний вида и размера положительной или отрицательной плавучести физического тела в жидкой среде, например под водой конкретного водоема, для учета в оптимальной балластировке и балансировке этого тела в массиве воды, в том числе при строительстве надводных и подводных объектов, разработать эталоны в минус 1 кг отрицательной и плюс 1 кг положительной плавучести физических тел.

Указанная цель достигается тем, что определитель плавучести в виде прозрачного герметичного закрываемого пластмассового цилиндра, вертикально размещенного и определенной частью заполненного водой водоема, выполнен таким образом, что уровень воды поверхности водоема совпадает с нулевой отметкой шкалы измерений. Шкала прямых показаний замеров положительной плавучести (ПП+) имеет разметку вниз по цилиндру под воду малыми рисками каждый +0,1 кг, большими рисками каждый +0,5 кг и цифрами каждого +1 кг поднимаемой массы цилиндра с водой над уровнем поверхности воды водоема. На уровне остановки подъема осуществляется фиксация возникшей балансировки прибора и объекта измерения. Шкала измерения отрицательной плавучести (ОП-) имеет разметку рисками и цифрами вверх. Замер делается, вытесняя воду водоема верхней частью цилиндра с воздухом при погружении в водоем и остановке от уровня нулевой отметки цилиндра до уровня поверхности воды водоема. При замерах объект измерений находится под водой, фиксируясь (если пловец, то на выдохе) за крепежные дужки торцевого дна цилиндра.

Параметры радиуса цилиндра и его высоты определяются практическими нуждами и возможностями измерений плавучести от килограммов в лаборатории до нескольких тонн в производственных условиях как в пресной или в морской водах, так и в других жидкостях. Приводится пример для пловца. Оптимальный физиологический диапазон работы мышц рук и ног пловца взяты от положительной плавучести пловца в плюс 6 кг, при которой, например, он идет на глубину, то есть испытывая избыточную физическую нагрузку, до отрицательной плавучести минус 6 кг при потребности подъема пловца из глубины на поверхность водоема, то есть снова имея избыток физической нагрузки. Для цилиндра выбирается полимерный материал нулевой плавучести относительной плотностью, равной плотности пресной воды. Учитывая диапазон измерений, потребность портативного устройства для транспортировки выявляет возможность внешнего радиуса цилиндра, например, 8 см, например, толщина стенки 0,7 см, торцом 1 см, площадь внешнего сечения цилиндра равна 200,96 см², площадь внутреннего сечения равна 167,3306 см³, площадь сечения стенки равна 33,6294 см³. Относительные плотности воды в цилиндре и его нижней части корпуса равны. Выступающая нижняя часть от нулевой отметки до поверхности воды при измерениях положительной плавучести на плюс 1 кг рассчитывается как 1000 см³ (V воды емкости цилиндра + V его стенки): S его внешнего сечения 200,96 см², высота равна 4,9761146 см. На плюс 6 кг требуется высота внутри нижней части емкости, равной 29,856687 см, что реализуется в разметке шкалы положительной плавучести. При отрицательной плавучести цилиндр вытесняет воду водоема, имея стенку под водой нулевой плавучести, то есть компенсаторная положительная плавучесть возникает за счет воздуха его верхней части. V воздуха, необходимого для обеспечения положительной плавучести прибора в +1 кг в противовес -1 кг отрицательной плавучести измеряемого под водой объекта, рассчитан по формуле: V_в=П_в:(p_ж-p_в), +1000 г: (1 г/см³-0,0013 г/см³)=1001,3016 см³, то есть на -1 кг приходится 1001,3016 см³ воздуха внутри емкости верхней части цилиндра от нулевой отметки до поверхности воды, делим на S внутреннего сечения емкости 167,3306 см², получаем h=5,9839718 см, и высота внутри верхней части емкости на -6 кг равна 35,90383 см. Высота прибора-определителя равна 67,760517 см.

Однако, точный размер шкалы и цилиндра выверяется на опытном образце при пробных замерах. При этом, шкала замеров в пресной воде составлена, используя эталоны отрицательной и положительной плавучести. Так эталон отрицательной плавучести из стали выполнен по формуле -П_т=М_т×(p_ж-p_т):p_т, где

М_т - масса тела, в г или т;

p_т - относительная плотность тела, в г/см³ или т/м³;

p_ж - относительная плотность жидкости, в г/см³ или т/м³;

П_т - плавучесть тела, в г или т;

М_ж - масса воды, в г или т;

V_т - объем тела, в см³ или м³;

V_ж - объем воды, в см³ или м³;

М_в - масса воздуха, в г или т;

V_в - объем воздуха, в см³ или м³;

p_в - относительная плотность воздуха, в г/см³ или т/м³;

П_в - плавучесть воздуха, в г или т. (Прим. в конце описания).

-1000 г = М_т×(1 г/см³-7,874 г/см³):7,874 г/см³; М_т=1145,4757 г. V стали = V вытесненной воды =145,4757 см³. Внешне эталон выглядит, например, в виде металлической плашки размером 10 см ×10 см, высотой 1,454757 см. При том же объеме вытесненной воды М вытесненной воды с возрастанием ее плотности увеличивается, например, при p_ж=1,024 г/см³ М_ж=148,96711 г, -П_т=-999,54592 г (в морской воде легче плавать), то есть до -1 кг не хватает -П_т=-0,4541 г, дополнительно необходима М_т=0,522 г, что не существенно для измерений (на -6 кг по шкале отрицательной плавучести прибора-определителя по пресной и соленой воде (p_ж=1,024 г/см³, на Черном море p_ж=1,016 г/см³) разница составляет -2,7246 г), практически можно пользоваться одной шкалой для измерений в дистиллированной и морской воде и одним эталоном отрицательной плавучести. Изготовленный эталон используется для сопоставления с металлическими плашкам отрицательной плавучестью в -1 кг, например, для составления шкалы отрицательной плавучести опытного экземпляра прибора-определителя по каждому дополнительному -1 кг отрицательной плавучести, закрепляя очередную до шести металлическую плашку полимерной лентой нулевой плавучести, производя замер и разметку рисками и цифрами в разрабатываемой шкале, определяя высоту воздушной части цилиндра, выполняя сопоставление и анализ показаний прибора и расчетных данных, а также при проверках готовых изделий определителя.

Эталон +1000 г положительной плавучести выполнен из воздуха p_в=0,0013 г/см³, находящегося в пластмассовой емкости в виде бруска 10 см ×10 см ×11,264817 см. S сечения бруска =100 см², толщина стенок и торцов 0,2 см, S воздушного сечения бруска =92,16 см², S сечения пластмассы стенок бруска=7,84 см². Vвоздуха, необходимого для обеспечения положительной плавучести, рассчитан по формуле: V_в=П_в:(p_ж-p_в), +1000 г: (1 г/см³-0,0013 г/см³)=1001,3016 см³. Далее использовано равенство: V эталонного бруска - V пластмассы = V воздуха плавучести + V воздуха для компенсации плавучести пластмассы = V воздуха емкости. Для емкости берется полимерный материал нулевой плавучести, поэтому отпадает воздух компенсации плавучести пластмассы бруска и определяется длина внутренней емкости бруска 10,864817 см (1001,3016 см³:92,16 см²), V эталонного бруска =1126,4817 см³, V пластмассы =125,18016 см³ (7,84 см² ×10,864817 см +100 см² ×0,4 см), М пластмассы =125,18016 г, П пластмассы =0 г. V внутри бруска =1001,3016 см³, М воздуха =1,301692 г, М эталона =126,48185 г. Прикладывая к нижнему торцу цилиндра и к дужкам, закрепляя лентой из полимерных материалов нулевой плавучести, рабочий брусок, равный эталону положительной плавучести в +1000 г, делается отметка шкалы замеров вниз в +1 кг на опытном образце прибора-определителя с учетом того, что освобождаются стенка цилиндра и вода цилиндра одинаковой относительной плотности, то есть высотой: 1000 см³ объема цилиндра: 200,96 см²=4,9761146 см. Далее делается разметка рисками шкалы по +0,1 кг внутри первого килограмма положительной плавучести, затем прикладывается второй брусок, делается разметка, и так до шестого с определением параметра нижней части высоты емкости внутри цилиндра в лабораторных и натурных условиях, что является проверкой расчетных данных, а также готовых изделий в производственных условиях по имеющейся на приборах шкале.

Изменяя параметры по радиусу и высоте емкости цилиндра при приведенном конструктивном подходе, предлагаемое устройство может иметь множество модификаций для измерений положительной или отрицательной плавучести объектов разнообразного назначения как в воде, так и в различных жидкостях. Для разработки и работы с малыми или большими устройствами-определителями по изложенному способу измерений требуются соответствующие рабочие «эталоны» для разметки шкал размерности положительной или отрицательной плавучести новых измеряемых объектов или полагаться на расчетный метод.

На нижнем плоском торце выполнены крепежные приспособления - две боковые дужки, выполненные, например, из стеклопластиковой арматуры Научно-Производственной компании «Армастек» (www.armastek.ru). Они позволяют при проведении замеров положительной или отрицательной плавучести держаться пловцу или привязывать к ним лентой из полимерных материалов нулевой плавучести предметы снаряжения. На верхнем торце емкости цилиндра выполнено отверстие для залива воды, герметично закрытое крышкой. При измерении физических тел с повышенной положительной плавучестью цилиндр поднимается вверх и опрокидывается. Для удержания цилиндра в вертикальном положении предложено устройство из двух разборных на равные четыре части пластмассовых колец, собираемых через Т-образные соединения втулок. Верхнее кольцо радиусом, например, на 1,0-1,5 см больше радиуса цилиндра прибора, диаметром сплошного сечения 1,5-2 см. Нижнее кольцо радиусом, например, 30-35 см состоит из герметичных воздушных трубок диаметром до 6 см с вставками из стеклопласта арматурных изогнутых стержней. Концы четырех частей кольца вставляются в Т-образные пластмассовые соединения, крепятся винтами в утолщенные торцы концов. Кольца между собой объединяются крепежными четырьмя стеклопластиковыми арматурными стержнями с обеспечением высоты конструкции, например, 30 см. Нижнее кольцо дополнительно гасит водную рябь, для чего вместо приведенного устройства отдельно можно использовать спасательный круг.

Технический результат изобретения заключается в разработке нового поколения приборов определения плавучести физических тел и эталонов их измерений.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображено устройство определения положительной или отрицательной плавучести пловца и предметов его снаряжения. Установка имеет прозрачный пластмассовый герметично закрываемый цилиндр 1 с частью шкалы определений отрицательной плавучести (ОП-) 2 и с частью шкалы определений положительной плавучести (ПП+) 3, причем эта часть емкости цилиндра определенным объемом залита водой водоема, уровень которой совпадает с уровнем поверхности воды водоема, и служит нулевой отметкой 4 шкалы. Вода водоема залита в емкость через специальное отверстие в верхнем торце цилиндра и герметично закрыта крышкой 5. Нижний торец емкости оснащен двумя боковыми дужками 6, а верхний конец цилиндра находится в устройстве его вертикального поддержания при измерении повышенной положительной плавучести объекта и гашения водной ряби 7.

При определении плавучести пловец подходит или подплывает к цилиндру-определителю плавучести, берет прибор руками за дужки и, устанавливая его вертикально, погружается под воду. Если глубины достаточно, то он зависает на дужках, если нет, то он зависает, сгибая ноги, или переходит (подплывает) к глубине. Предварительно выдохнув, пловец задерживает дыхание на короткое время определения данных замера, затем выныривает и подтягивает прибор на воде в горизонтальном или вертикальном положении. Съем показаний делается опытным пловцом, обеспечивающим безопасность процедуры измерения, плавая рядом с прибором, либо с борта лодки, судна, бассейна, либо со сложенного для сидения надувного матраца на открытом водном пространстве. Определив вид и размер своей плавучести, предметов снаряжения и необходимого оборудования, инструментов, пловец предусматривает экипировку для труда и отдыха, необходимый балласт и его распределение, требуемые параметры работы компенсатора либо отдельных воздушных емкостей при погружении под воду. По показаниям размера положительной плавучести человека можно объективно определять уровень избыточной его полноты и успешность проводимых оздоровительных мероприятий, осуществляемых на и под водой.

Примечание: Формулы использованы из статьи Монахова В.П. «Измерение плавучести физических тел». Москва. ООО «РИА «Стандарты и качество». Научно-технический журнал «Мир измерений», №5, 2010 г., стр.10-14.

1. Определитель плавучести физического тела, содержащий закрытый пластмассовый цилиндр, вертикально опущенный в воду, со шкалой прямых показаний малыми рисками каждых 0,1 кг, большими рисками 0,5 кг и цифрами каждого 1 кг замеров положительной плавучести, имея разметку вниз по цилиндру под водой, или отрицательной плавучести, имея разметку вверх, плавучести пловца без или с предметами его снаряжения, крепежные приспособления, отличающийся тем, что определитель плавучести в виде прозрачного герметично закрываемого пластмассового цилиндра, вертикально размещенного и определенной частью заполненного водой водоема, выполнен таким образом, что уровень воды поверхности водоема совпадает с нулевой отметкой шкалы измерений, так по шкале прямых показаний замеров положительной плавучести по поднимаемой массе цилиндра с водой над уровнем поверхности воды водоема на уровне остановки подъема осуществляется фиксация возникшей балансировки прибора и объекта измерения, а по шкале измерений отрицательной плавучести замер делается, вытесняя воду водоема верхней частью цилиндра с воздухом при погружении в водоем и остановке от уровня нулевой отметки цилиндра до уровня поверхности воды водоема, к тому же при замерах объект измерений находится под водой, фиксируясь, если пловец, то на выдохе, за крепежные дужки торцевого дна цилиндра, причем параметры радиуса цилиндра и его высоты определяются практическими нуждами и возможностями измерений плавучести от миллиграммов в лаборатории до нескольких тонн в производственных условиях как в пресной или в морской водах, так и в других жидкостях, например, для пловца оптимальный физиологический диапазон работы мышц рук и ног пловца взяты от положительной плавучести пловца в плюс 6 кг, при которой, например, он идет на глубину, то есть испытывая избыточную физическую нагрузку, до отрицательной плавучести минус 6 кг при потребности подъема пловца из глубины на поверхность водоема, то есть снова имея избыток физической нагрузки, а для цилиндра выбирается полимерный материал нулевой плавучести относительной плотностью, равной плотности пресной воды, поэтому, учитывая диапазон измерений, потребность портативности устройства для транспортировки определяется возможностью внешнего радиуса цилиндра, например, 8 см, толщины стенки цилиндра 0,7 см, толщины торцов цилиндра 1 см, площадь внешнего сечения цилиндра равна 200,96 см², площадь внутреннего сечения цилиндра равна 167,3306 см², площадь сечения стенки равна 33,6294 см², при этом относительные плотности воды в цилиндре и его нижней части корпуса равны, и выступающая нижняя часть от нулевой отметки до поверхности воды при измерениях положительной плавучести на плюс 1 кг рассчитывается как 1000 см³ (объем воды емкости цилиндра плюс объем стенки цилиндра), разделенные на площадь его внешнего сечения 200,96 см², высота равна 4,9761146 см, которая на плюс 6 кг требуется внутри нижней части емкости в 29,856687 см, что реализуется в разметке шкалы положительной плавучести, а при отрицательной плавучести цилиндр вытесняет воду водоема, имея стенку под водой нулевой плавучести, то есть компенсаторная положительная плавучесть возникает за счет воздуха его верхней части, так объем воздуха, необходимого для обеспечения положительной плавучести прибора в плюс 1 кг в противовес минус 1 кг отрицательной плавучести измеряемого под водой объекта, рассчитан по формуле V_в=П_в:(p_ж-p_в)+1000 г:(1 г/см³-0,0013 г/см³)=1001,3016 см³, где V_в - объем воздуха, см³ или м³;П_в - плавучесть тела, г или т;p_ж - относительная плотность жидкости, г/см³ или т/м³;p_в - относительная плотность воздуха, г/см³ или т/м³,то есть на минус 1 кг приходится 1001,3016 см³ воздуха внутри емкости верхней части цилиндра от нулевой отметки до поверхности воды, делим на площадь внутреннего сечения емкости 167,3306 см², получаем высоту, равную 5,9839718 см, и высоту внутри верхней части емкости на минус 6 кг, равную 35,90383 см, а высота прибора-определителя равна 67,760517 см, причем при измерении физических тел с повышенной положительной плавучестью цилиндр поднимается вверх и опрокидывается, а для удержания цилиндра в вертикальном положении предложено устройство из двух разборных на равные четыре части пластмассовых колец, собираемых через Т-образные соединения втулок, при этом верхнее кольцо радиусом, например, на 1,0-1,5 см больше радиуса цилиндра прибора, диаметром сплошного сечения 1,5-2 см, а нижнее кольцо радиусом, например, 30-35 см состоит из герметичных воздушных трубок диаметром до 6 см с вставками из стеклопласта арматурных изогнутых стержней, причем концы четырех частей кольца вставляются в Т-образные пластмассовые соединения, крепятся винтами в утолщенные торцы концов, и кольца между собой объединяются крепежными четырьмя стеклопластиковыми арматурными стержнями с обеспечением высоты конструкции, например, 30 см, при этом нижнее кольцо дополнительно гасит водную рябь, или для удержания цилиндра в вертикальном положении используется спасательный круг.

2. Определитель плавучести физического тела по п.1, отличающийся тем, что шкала замеров в пресной воде составлена, используя эталон отрицательной плавучести из стали, выполненный по формуле-П_т = М_т·(p_ж-p_т):p_т-1000 г = М_т·(1 г/см³-7,874 г/см³):7,874 г/см³, где П_т - плавучесть тела, г или т;М_т - масса тела, г или т;p_ж - относительная плотность жидкости, г/см³ или т/м³;p_т - относительная плотность тела, г/см³ или т/м³,масса тела равна 1145,4757 г, при этом объем стали равен объему вытесненной воды, равной 145,4757 см³, а внешне эталон выглядит, например, в виде металлической плашки размером 10 см×10 см, высотой 1,454757 см, при том же объеме вытесненной воды ее масса с возрастанием ее плотности увеличивается, например, при относительной плотности воды, равной 1,024 г/см³, масса воды равна 148,96711 г, отрицательная плавучесть тела равна минус 999,54592 г, то есть до минус 1 кг не хватает отрицательной плавучести тела минус 0,4541 г, дополнительно необходима масса тела, равная 0,522 г, что несущественно для измерений и практически можно пользоваться одной шкалой для измерений в дистиллированной и морской воде и одним эталоном отрицательной плавучести, который используется для сопоставления с металлическими плашкам отрицательной плавучестью в минус 1 кг, например, для составления шкалы отрицательной плавучести опытного экземпляра прибора-определителя по каждому дополнительному минус 1 кг отрицательной плавучести, закрепляя очередную до шести металлическую плашку полимерной лентой нулевой плавучести, производя замер и разметку рисками и цифрами в разрабатываемой шкале, определяя высоту воздушной части цилиндра, выполняя сопоставление и анализ показаний прибора и расчетных данных, а также при проверках готовых изделий определителя.

3. Определитель плавучести физического тела по п.1, отличающийся тем, что эталон плюс 1000 г положительной плавучести выполнен в виде бруска, заполненного воздухом относительной плотности, равной 0,0013 г/см³, находящегося в пластмассовой емкости бруска размером 10 см×10 см×11,264817 см, площадь сечения бруска равна 100 см², толщина стенок и торцов равна 0,2 см, площадь сечения бруска, заполненного воздухом, равна 92,16 см², площадь сечения пластмассы стенок бруска равна 7,84 см², объем воздуха, необходимого для обеспечения положительной плавучести, рассчитан по формуле: V_в=П_в:(p_ж-p_в)+1000 г:(1 г/см³-0,0013 г/см³)=1001,3016 см³, а затем использовано равенство: объем эталонного бруска минус объем пластмассы равен объему воздуха плавучести эталонного бруска плюс объем воздуха для компенсации плавучести пластмассы равен объему воздуха емкости, причем для емкости берется полимерный материал нулевой плавучести, поэтому не учитывается воздух компенсации плавучести пластмассы бруска, определяются длина внутренней емкости бруска 10,864817 см, объем эталонного бруска 1126,4817 см³, объем пластмассы равен 125,18016 см³, масса пластмассы равна 125,18016 г, плавучесть пластмассы равна нулю, объем внутри бруска равен 1001,3016 см³, масса воздуха равна 1,301692 г, масса эталона равна 126,48185 г, а прикладывая к нижнему торцу цилиндра и к дужкам, закрепляя лентой из полимерных материалов нулевой плавучести, рабочий брусок, равный эталону положительной плавучести в плюс 1000 г, делается отметка шкалы замеров вниз в плюс 1 кг на опытном образце прибора-определителя с учетом того, что освобождаются стенка цилиндра и вода цилиндра одинаковой относительной плотности, т.е. высотой, равной 4,9761146 см (1000 см³ объем цилиндра, разделенный на площадь внешнего сечения цилиндра 200,96 см²), при этом далее делается разметка рисками шкалы по плюс 0,1 кг внутри первого килограмма положительной плавучести, затем прикладывается второй брусок, делается разметка и так до шестого с определением параметра нижней части высоты емкости внутри цилиндра в лабораторных и натурных условиях, что является проверкой расчетных данных, а также готовых изделий в производственных условиях по имеющейся на приборах шкале.