Способ демонстрации углового дрейфа твердого тела во вращающейся жидкости и устройство для его осуществления

Изобретение относится к наглядным пособиям для изучения внутренней динамики планет. Испытуемый образец твердого тела подвешивают на нити с закрепленным верхним концом и размещают в резервуаре с жидкостью. Поворот образца твердого тела ограничивают упорами с сохранением возможности поворота образца относительно упоров на угол менее 360 градусов. Устанавливают исходное положение упоров относительно образца при нулевой крутильной деформации нити до начала вращения резервуара. В процессе вращения резервуара упоры вращают с той же угловой скоростью, что и верхний конец нити. В качестве признака нулевой крутильной деформации вращающейся нити используют восстановление исходного положения упоров относительно образца, совершаемое в процессе вращения. После достижения искомого положения верхнего конца нити выполняют повторный сдвиг верхнего конца нити вдоль горизонтальной прямой линии, соединяющей найденное искомое положение с осью вращения резервуара. На этой прямой линии находят второе положение верхнего конца нити, обращающее крутильную деформацию нити в нуль. Определяют расстояние между двумя найденными положениями верхнего конца нити, обращающими крутильную деформацию нити в нуль. Половину этого расстояния считают равной величине сдвига, которая соответствует заданному угловому дрейфу. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 50 ил., 4 табл.

 

Текст описания приведен в факсимильном виде.

1. Способ демонстрации углового дрейфа твердого тела во вращающейся жидкости, включающий подвешивание испытуемого образца твердого тела на нити с закрепленным верхним концом, опускание образца в резервуар с жидкостью, вращение резервуара и верхнего конца нити с разностью угловых скоростей, равной заданному угловому дрейфу, сдвиг верхнего конца нити от оси вращения резервуара в искомое положение, при котором крутильная деформация нити обращается в нуль, выявление зависимости между варьируемой разностью угловых скоростей и величиной сдвига, обеспечивающей нулевую крутильную деформацию нити, отличающийся тем, что поворот образца твердого тела ограничивают упорами с сохранением возможности поворота образца относительно упоров на угол менее 360°, устанавливают исходное положение упоров относительно образца при нулевой крутильной деформации нити до начала вращения резервуара, в процессе вращения резервуара упоры вращают с той же угловой скоростью, что и верхний конец нити, при этом в качестве признака нулевой крутильной деформации вращающейся нити используют восстановление исходного положения упоров относительно образца, совершаемое в процессе вращения, после достижения искомого положения верхнего конца нити выполняют повторный сдвиг верхнего конца нити вдоль горизонтальной прямой линии, соединяющей найденное искомое положение с осью вращения резервуара, и на этой прямой линии находят второе положение верхнего конца нити, обращающее крутильную деформацию нити в нуль, определяют расстояние между двумя найденными положениями верхнего конца нити, обращающими крутильную деформацию нити в нуль, при этом половина этого расстояния равна величине сдвига, которая соответствует заданному угловому дрейфу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образец твердого тела предварительно намагничивают, в качестве жидкости используют жидкий металл, например, ртуть, геомагнитное поле компенсируют в области резервуара противоположно направленным магнитным полем, прикладываемым извне.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нити используют волокно, у которого с заданной угловой скоростью вращают закрепленный верхний конец, поворот образца и его положение относительно упоров контролируют по стрелке, скрепленной с образцом, в исходном положении упоры устанавливают симметрично относительно стрелки.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что образец выполняют в форме тела вращения и моделируют угловой дрейф твердого ядра планеты при сдвиге центра масс твердого ядра от оси суточного вращения планеты, оценку результатов моделирования производят с использованием следующих безразмерных критериев подобия:
,
_,
параметры которых относятся либо к твердому ядру планеты, либо к образцу твердого тела при моделировании:
r - радиус твердого ядра планеты либо радиус образца,
Т - период обращения твердого ядра по орбите внутри планеты, соответствующий длительности одного оборота резервуара при моделировании,
δ - угловой дрейф твердого ядра, соответствующий разности угловых скоростей резервуара и образца твердого тела,
В - максимальная магнитная индукция вблизи твердого ядра либо вблизи образца твердого тела,
σ, µ, ρ - соответственно электропроводность, магнитная проницаемость и средняя плотность жидкой среды вокруг твердого ядра либо вокруг образца твердого тела,
неравенство C₁<1 является необходимым условием независимости углового дрейфа твердого ядра от намагниченности твердого ядра,
неравенство С₂<1 является необходимым условием твердотельного углового дрейфа жидкого ядра, окружающего намагниченное твердое ядро.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что начальный участок зависимости углового дрейфа образца твердого тела от сдвига аппроксимируют линейным уравнением
, где
δ - угловой дрейф образца, равный разности угловых скоростей резервуара и образца,
Ω - угловая скорость резервуара, моделирующая относительную угловую скорость мантии планеты,
s - величина сдвига оси вращения образца от оси вращения резервуара, соответствующая величине сдвига ядра планеты,
r - радиус образца, моделирующий радиус твердого ядра планеты,
ϕ(В) - коэффициент, зависящий от максимальной индукции В у поверхности образца, ϕ(В)→1 при B→0 либо при С₁→0,
θ - угол между магнитной и географической осями.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что величину сдвига твердого ядра планеты Земля определяют из годовой вариации времени пробега сейсмических волн PKiKP, отраженных от твердого ядра Земли, которую представляют в виде
, где
τ_m - фактическое время пробега волн между источником волн и станцией приема,
τ_s - постоянное время пробега волн между теми же источником и станцией, соответствующее какой-либо известной стандартной модели Земли и вводимое для наглядного выделения переменной составляющей,
const - постоянная, корректирующая различия между известными стандартными моделями и не влияющая на результат расчета переменной составляющей,
s - величина сдвига твердого ядра Земли, равная радиусу орбиты твердого ядра в среде жидкого металла внутри планеты,
ν - скорость распространения волн давления в жидкой среде на границе с твердым ядром,
н - половина углового расстояния между источником и станцией,
ϑ - среднее от широт источника и станции,
α - среднее от долгот источника волн и станции приема, при совмещении источника и станции их общая долгота,
t - текущее время, t₀ - начало отсчета текущего времени,
Ω=2π (12 месяцев) - угловая скорость орбитального движения твердого ядра внутри планеты.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что по массе намагниченной оболочки твердого ядра определяют совокупную массу тория и урана, необходимую для плавления намагниченной оболочки за период 780 тысяч лет со времени последней инверсии геомагнитного поля, относят указанную совокупную массу к массе Земли, полученный результат сравнивают с известной средней совокупной концентрацией тория и урана в земной коре, 13.5 грамм на тонну, делают вывод о совпадении значений средней совокупной концентрации тория и урана в земной коре и в объеме всей Земли по порядку величины.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что спонтанный сдвиг и намагниченность твердого ядра планеты рассматривают как взаимосвязанные следствия многомерности внутреннего пространства планеты, при этом тяготение твердого ядра описывают уравнением
где
g - ускорение свободного падения твердого ядра,
s - величина сдвига твердого ядра,
γ - гравитационная постоянная, γ=6.672 10^-11 м³/кг^-1/с^-2,
ρ - средняя плотность жидкой среды на границе с твердым ядром,
ρ≈11.9·10³ кг/м^-3,
η_n - коэффициенты ряда,
n - натуральное число (n=1, 2, 3 …).

9. Устройство для демонстрации углового дрейфа твердого тела во вращающейся жидкости, включающее расположенные один под другим два горизонтальных шкива с возможностью регулировки расстояния между их вертикальными осями вращения, резервуар с жидкостью, установленный на нижнем горизонтальном шкиве, испытуемый образец твердого тела, подвешенный посредством нити на верхнем горизонтальном шкиве и опущенный в резервуар, отличающееся тем, что верхний шкив скреплен с соосной ему муфтой, к периферии муфты прикреплены две штанги, ориентированные вдоль нити и расположенные симметрично относительно оси вращения верхнего шкива, нижние концы штанг расположены над уровнем жидкости и имеют возможность взаимодействовать с концами горизонтальной перекладины, центральная часть которой соединена с испытуемым образцом твердого тела, верхний шкив установлен в средней части подвижного моста, имеющего возможность продольного перемещения, направление продольного перемещения подвижного моста фиксировано роликовыми опорами, на концах подвижного моста подвешены серьги, имеющие горизонтальные оси на уровне резервуара, на указанных осях расположены коромысла с возможностью изменения наклона коромысел к горизонтальной плоскости и с возможностью установки постоянных магнитов на концах коромысел.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что испытуемый образец твердого тела включает погружаемый блок, стабилизатор вертикального положения и соединяющий их шток, а горизонтальная перекладина установлена на указанном стабилизаторе.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что погружаемый блок испытуемого образца содержит постоянный магнит.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что каждая серьга состоит из двух вертикальных полос, разделенных распорками, при этом каждое коромысло состоит из двух полос, которые примыкают друг к другу на концах коромысла и разделены ромбовидным зазором в центральной части коромысла, в ромбовидном зазоре находится распорка серьги.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что шкив резервуара установлен на нижнем неподвижном мосту с двумя опорами в форме пирамид и с двумя колоннами, подвижный мост состоит из двух горизонтальных параллельных балок, разделенных зазором, через который проходят колонны неподвижного моста, осевые стержни роликовых опор расположены в горизонтальных отверстиях колонн, каждая колонна несет два ролика, расположенных по обе стороны от колонны, ролики выполнены с бортами, отделяющими балку подвижного моста от колонны.

14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что под перекладиной на стабилизаторе установлена горизонтальная стрелка, превосходящая своей длиной диаметр верхнего отверстия резервуара и отделенная от резервуара зазором.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что подвижный мост снабжен микрометрическим винтом и пружиной, прижимающей конец микрометрического винта к колонне неподвижного моста.

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что на одной из колонн установлен в подшипниках вертикальный распределительный вал с тремя ременными передачами, которые связывают этот вал соответственно с двигателем, расположенным под неподвижным мостом, с резервуаром и с нитью, на верхней части распределительного вала расположен ступенчатый шкив, имеющий возможность перемещения вдоль вала.

17. Устройство по п.9, отличающееся тем, что нижний и верхний шкивы опираются на шарики, находящиеся в отверстиях плоского горизонтального сепаратора, а оси этих шкивов вставлены во втулки, закрепленные соответственно на неподвижном и подвижном мостах.

18. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в резервуаре находится жидкая ртуть, на поверхность ртути опущена диафрагма с центральным отверстием, через которое свободно проходит шток, над диафрагмой и над поверхностью ртути находится слой водного раствора серной кислоты.

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что резервуар установлен на дно чаши, центральная часть дна чаши опирается на эластичную прокладку, расположенную на нижнем шкиве.

20. Устройство по п.9, отличающееся тем, что испытуемый образец твердого тела и резервуар имеют цилиндрическую либо сферическую форму.

21. Устройство по п.10, отличающееся тем, что на стабилизаторе расположены балластные кольца, находящиеся над уровнем жидкости.

22. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждая пирамида составлена из швеллеров, состыкованных боковыми сторонами, а на уровне нижних швеллеров пирамиды соединены горизонтальными рельсами.

23. Устройство по п.16, отличающееся тем, что ступенчатый шкив соединен с верхним шкивом эластичным ремнем, допускающим изменение расстояния между осями вращения верхнего шкива и распределительного вала.

24. Устройство по п.9, отличающееся тем, что верхний шкив окружен четырьмя вспомогательными шкивами, закрепленными на подвижном мосту.