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. 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. 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

F a  — 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;

F a   — сила Архимеда;

m  — масса тела;

g  — ускорение свободного падения.

Сила Архимеда

Где

F a  — 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.