Способ движения тел в текучих изотропных средах

 

Использование: судостроение и воздухоплавание, а именно способы движения тел в текучих несжимаемых изотропных средах. Сущность изобретения: в среде создают градиенты энергий, причем у поверхности тела, обращенной по направлению движения, уменьшают кинетическую энергию стpуктурных элементов среды или увеличивают их потенциальную энергию, а у поверхности тела, обращенной против направления движения, увеличивают кинетическую энергию структурных элементов среды или уменьшают их потенциальную энергию. Градиенты энергий создают электрическим и магнитным полями, причем у поверхности тела, обращенной по направлению движения, градиент потенциальной энергии создают периодическим электрическим полем, а у поверхности тела, обращенной против направления движения, градиент кинетической энергии создают скрещенными периодическими полями, векторы которых перпендикулярны направлению движения, при этом электрическое и магнитное поля имеют во времени фазовый сдвиг. Использование изобретения обеспечивает возможность движения в пресной воде и в диэлектрических средах. 3 ил.

Изобретение относится к способам движения тел в текучих несжимаемых изотропных средах с ближним порядком структурных элементов и может быть использовано, например, для движения в пресной воде и диэлектрических средах.

Известен принятый в качестве ближайшего аналога способ движения тел в текучей изотропной среде, заключающийся в создании градиента потенциальной энергии среды на поверхности тела, обращенной в сторону движения, и градиента кинетической энергии на противоположной части путем направленных воздействий на структуры элементы среды электрическими магнитными полями (Сборник статей по иностранному судостроению. Л. Судпромгиз, 1963, вып. 102, с. 30-41).

Данный способ предназначен для создания тяги в морской среде.

Предложенное изобретение предназначено для уменьшения инерционности в процессах преобразования расходуемой энергии тела в движущие силы, возникающие при создании у поверхностей тела градиентов потенциальной и кинетической энергии среды.

Технический результат достигается тем, что градиент потенциальной энергии создают периодическим электрическим полем, а градиент кинетической энергии создают скрещенными периодическими электрическим и магнитным полями, векторы которых перпендикулярны направлению движения, при этом электрическое и магнитное поля имеют фазовый сдвиг по времени.

На фиг. 1 и 2 схематически изображены физические процессы, происходящие у поверхностей тела, находящегося в жидкой среде. На фиг. 3 приведено устройство, реализующее способ.

Согласно изобретению тело 1 с поверхностью 2, обращенной по направлению движения, и поверхностью 3, обращенной против направления движения, размещено в среде, структурные элементы которой представлены электрическими диполями 4 и 5 (фиг. 1) и 8 (фиг. 2), 6 силовые линии электрического поля 7 векторы притягивающей реакции среды Rg.

На фиг. 1 поверхность 3 плоская, а поверхность 2, имеющая положительную кривизну, например, сферическая.

У поверхности 2 периодически создают униполярный заряд, электрическое поле 6 которого характеризуется убывающим градиентом и направлено в среду, способную к электрической поляризации, не содержащую свободных зарядов, т.е. структурные элементы среды приближенно можно представить электрическими симметричными диполями.

До возникновения поля структурные элементы среды (для простоты на фиг. 1 показаны лишь два элемента на разном удалении диполи 4 и 5) находились в произвольном положении (произвольное положение обозначено пунктиром).

С возникновением поля диполи под действием кулоновских сил стремятся занять в пределе положение вдоль силовых линий поля (на фиг. 1 для диполей 4 и 5 положение вдоль оси Х). Кроме этого, поскольку кулоновские силы, действующие на полюсы диполей в неоднородном поле Е, не равны (F₁ больше F₂, F₃ больше F₄), результирующие силы F_Σ5 и F_Σ4 стремятся втянуть диполи в область более сильного поля с большим градиентом напряженности Выражение для результирующей силы известно.

где р дипольный момент.

Предположим, что поверхность 2 является частью сферы, поэтому поле убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, и при одинаковых координатных приращениях dx градиент поля для диполя 4 больше, чем для диполя 5. По этой причине сила, втягивающая диполь 4, больше силы, втягивающей диполь 5. Таким образом, если совокупность диполей представляет собой связанную среду, то эта среда испытывает у поверхности 2 растяжение, что одновременно означает притяжение заряженной поверхности 2 этой средой, если у среды велико сопротивление растягивающему воздействию.

Эта притягивающая реакция среды показана на фиг. 1 векторами 7 (Rg), не касающимися поверхности 2.

С точки зрения энергетической, электрическое поле увеличивает долю упорядоченного движения в среде, соответствующего в среднем положениzм диполей 4 и 5, следовательно, соотношение между кинетической и потенциальной энергиями изменяется в сторону потенциальной. Действительно, для исходного положения диполя его потенциальная энергия равна: U = P·Ecosα, причем cosα<1 (2), а в положениях для диполей 4 и 5 вдоль силовой линии по оси Xcosα = 1, потенциальная энергия больше.

Рассмотрим физические процессы, происходящие у поверхности 3, обращенной против направления движения, при возбуждении периодического электрического поля в направлении, перпендикулярном направлению движения Х (вектор на фиг. 2) и периодического магнитного поля В в направлении, перпендикулярном Х и Y (вектор на фиг. 2). Допустим, поля и создаются по гармоническим законам: При таких периодических изменениях фазовый сдвиг характеризуется совпадением максимального значения поля с нулевым значением и наоборот. Выражение для полной силы, действующей на частицы с равными зарядами величиной q (т.е. действующей на полюса диполя 8) известно (4): или для переменных во времени величин: где выражение скорости движения зарядов по координате Y.

Если теперь представить диполь 8 как симметричный осциллятор, собственная частота которого ω_o намного больше частоты ω изменения полей что позволяет рассматривать вынуждающие электрические и магнитные силы независимо от собственных колебаний структурных элементов среды. В этом случае движение диполя 8 в поле описывается уравнением линейных одномерных вынужденных колебаний:

где F_y(t) = qE_msinωt электрическая вынуждающая сила;
γ коэффициент затухания;
K коэффициент упругости диполя, К;
m масса заряженных полюсов диполя.

Если не рассматривать затухание, то приближенное решение этого дифференциального уравнения при сделанных допущениях можно записать в виде:

Для скорости движения полюсов по координате:

Действие магнитного поля проявляется на движущиеся поперек поля заряды в виде силы Лоренца:

Эта сила, как известно, перпендикулярна плоскости колебания диполя и магнитного поля, т.е. совпадает с направлением Х и имеет вид:

Полюса диполя под воздействием гармонического поля колеблются по координате Y всегда в противофазе, но, поскольку полюса противоположны по знаку заряда, то силы Лоренца будут иметь одинаковое направление для обоих зарядов, причем эти силы, как следует из выражения (9), не меняют знака, несмотря на то, что знакопеременны. На фиг. 2 эти силы F⁺_лх и F^-_лх направлены от плоскости 3. Они вызывают движение всего диполя 8 (его центра масс) по координате Х, и скорость этого движения имеет выражение:

Таким образом, все диполи, подверженные действию системы полей получают кинетический импульс P_x(t) по координате Х

а значит, приращение кинетической энергии по координате Х:

Поскольку в выражении (11) есть линейно возрастающая во времени компонента, можно обоснованно говорить о появлении градиента кинетической энергии по координате Х у поверхности 3. Так как пространство, в котором действуют поля и ограниченно по координатам, а среда имеет определенные упругие характеристики (она трудносжимаемая), то силы Лоренца уравновешиваются силами реакции среды Р1 и Р2, которые на фиг.22 направлены к поверхности 3, они являются движущими силами и совпадают с направлением движения по координате Х.

Оба рассмотренных процесса у поверхностей 2 и 3 приводят к возникновению движущих сил одинаковой направленности за счет градиентов электрического и магнитного полей, что является отличительным признаком заявляемого способа по отношению к прототипу.

Способ реализуется с помощью устройства, представленного на фиг. 3.

Корпус тела 1 представляет собой цилиндр с горизонтальной осью вращения, в правом основании которого расположен концентратор электрического поля, выполненный из электропроводного материала в виде полусферы 2, являющейся "рабочей" поверхностью, обращенной по направлению движения. "Рабочей" поверхностью, обращенной против направления движения, является поверхность 3 концентратора 4 электромагнитного поля, являющегося левым основанием цилиндра. Концентратор 4 выполнен в виде высокочастотного коаксиального резонатора. Устройство также содержит электроизолятор 5, источник электрической энергии 6, генератор электрического поля 7, генератор высокочастотного электромагнитного поля 8, блок управления 9. Выход генератора 7 связан с полусферой 2, а выход генератора 8 связан с концентратором 3 через петлю связи 10. Устройство погружено в жидкость, которая через открытую торцовую поверхность концентратора 4 заполняет объем концентратора.

Устройство работает следующим образом.

Блок управления 9 на время τ периодически включает генератор 7 и генератор 8. Генератор 7 периодически генерирует электрический заряд на полусфере 2. Таким образом, в жидкости у поверхности полусферы 2 периодически создают градиент электрического поля, т.е. создают градиент потенциальной энергии и движущую силу вдоль оси Х.

Генератор 8 генерирует высокочастотное электромагнитное поле, которое через петлю связи 10 периодически возбуждает в объеме концентратора 4 электромагнитное поле со скрещенными электрическим и магнитным полями, векторы которых перпендикулярны оси концентратора, причем электрическое и магнитное поля имеют во времени фазовый сдвиг p/2. Таким образом, в жидкости у поверхности концентратора 3 создают градиент кинетической энергии и движущую силу вдоль оси Х.

Поскольку текучие однородные несжимаемые изотропные среды (жидкие среды) являются преимущественно диэлектриками, то область применения заявляемого способа движения достаточно широка. Жидкие диэлектрики, как известно, безынерционно поляризуются электромагнитными полями в диапазоне частот до десятков и сотен мегагерц, что в данном способе важно, т.к. из приближенного выражения (9) следует прямо пропорциональная зависимость движущей силы от частоты. Кроме этого, если поля создавать импульсно на время τ так, чтобы соблюдалось условие:
wt > 1 (13) ,
то направленные кинетические импульсы будут больше гармонической компоненты. При использовании в прототипе тепловой энергии создавать короткие тепловые импульсы, тем более направленные, трудно, в то время как техника получения мощных импульсных электрических и магнитных полей широко разработана, а источники энергии возможно создавать на основе сверхпроводимости.

Заявляемый способ будет эффективным, например, для движения автоматических зондов в атмосфере некоторых планет, где существует жидкая компонента, таких как Сатурн, Юпитер.

Формула изобретения

Способ движения тел в текучих изотропных средах, заключающийся в том, что создают градиент потенциальной энергии среды на поверхности тела, обращенной в сторону движения, и градиент кинетической энергии на противоположной части путем направленных воздействий на структурные элементы среды электрическими и магнитными полями, отличающийся тем, что градиент потенциальной энергии создают периодическим электрическим полем, а градиент кинетической энергии создают скрещенными периодическими электрическим и магнитным полями, векторы которых перпендикулярны направлению движения, при этом электрическое и магнитное поля имеют фазовый сдвиг по времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3