4.1. Способы управления веществом
Степень управления веществом увеличивается с:
1. Увеличением степени дробления вещества.
2. Изменением его массы:
2.1. Перераспределение массы;
2.2. «Отключения» массы путем:
— компенсации массы;
— созданием опоры;
— созданием дополнительной силы.
4.1.1. Дробление вещества
Изменение степени дробления вещества, в частности, определяется закономерностью изменения степени управляемости веществом, в частности, связанностью.
Последовательность дробления показана на рис. 4.1. Система осуществляет постепенный переход от твердой монолитной системы (1) к гибкой (2), порошку (3), гелю (4), жидкости (5), аэрозолю (6), газу (7), полю (8).
Рис. 4.1. Схема тенденции увеличения степени дробления
4.1.2. Изменение массы
Изменение массы вещества приводит к изменению момента инерции (изменению центра тяжести по отношению к центру масс или точке опоры). Изменение можно проводить перераспределением, «отключением» и уничтожением массы.
4.1.2.1. Перераспределение массы
Перераспределение массы осуществляется значительно легче, если вещество дробиться в соответствии с закономерностью, описанной ранее.
Пример 4.1. Перераспределение массы
Перекатывание шариков, пересыпание песка, переливание жидкости и т. д.
4.1.2.2. «Отключение» массы
«Отключать» массу можно частично или полностью путем:
— компенсации массы;
— создания опоры;
— созданием дополнительной силы.
4.1.2.2.1. Компенсация
Компенсировать вес можно путем создания противовеса, используя рычаг или блок, которые используются в шлагбаумах, лифтах и т. д.
Пример 4.2. Судно-лебедка
Вращаясь, судно становится подъемным краном (рис. 4.2).
Судно имеет нос и корму. Средняя ее часть судна представляет собой барабан, какой имеется у лебедки, только гигантских размеров.
Вращаясь и наматывая на себя канаты, барабан поднимает из глубины грузы, величина которых ограничена лишь его водоизмещением.
Причем мощность приводных двигателей может быть очень небольшой. Это достигается остроумной конструкцией противовеса, уравновешивающего груз. В нерабочем состоянии это пустой бак с нулевой плавучестью. Заполняя отсеки водой, можно настолько повысить его вес, что он не только компенсирует груз, но и создает достаточный крутящий момент для вращения корпуса — барабана. А после того как груз отцеплен, вес его можно снова уменьшить, откачав из отсеков морскую воду. (Пат. США 3 395 665).
Рис. 4.2. Подъемное устройство. Пат. США 3 395 665
4.1.2.2.2. Создание опоры
Тело частично или полностью опирается на опору.
4.1.2.2.3. Создание дополнительной силы
На тело воздействуют силой равной и противоположно направленной силе тяжести.
4.1.2.3. Уничтожение массы
Уничтожение массы вещества можно осуществлять способами:
— Физическими.
— Химическими.
4.1.2.3.1. Физическими
Измельчение (дробление), например, взрыв.
Переход в другое агрегатное состояние, например, испарение.
4.1.2.3.2. Химическими
Например, растворение, сжигание.
4.2. Виды управления веществом
С помощью гравитационного поля можно создавать движение вещества или силу, воздействующую на вещество.
4.2.1. Создание движения
Движение может быть:
— горизонтальным;
— вертикальным;
— комбинированным;
— вращательным и колебательным.
4.2.1.1. Горизонтальное движение
4.2.1.1.1. Тело вращения и перемещающийся груз внутри него
Пример 4.3. Передвижной вольер
Содержание кроликов в передвижных вольерах.
В а. с. 321 237 предложен 8-12-гранный (рис. 4.3а), а в патенте Франции 2 087 253 цилиндрический, вольер (рис. 4.3б), который перемещается по пастбищу движением самих кроликов. Животные стремятся дотянуться до травы, взбираются на стенку, собственным весом перекатывают свой дом-крышу.
Рис. 4.3. Передвижные вольеры
Придумали и другие оригинальные конструкции вольера для кроликов (рис. 4.4). Клетка без дна на колесиках. Она может двигаться вдоль натянутых канатов. Когда кролики съедают траву под клеткой, они перемещаются дальше и двигают клетку.
Рис. 4.4а. Передвижные клетки для кроликов
Рис. 4.4б. Передвижные клетки для кроликов
Рис. 4.4в. Передвижные клетки для кроликов
4.2.1.1.1.1. Тело вращения и колебания
Пример 4.4. Каталет
Горизонтального движения вещества с помощью гравитационного поля можно осуществить на транспортном средстве, которое назвали каталетом.
Это устройство описано в изобретениях а. с. 347 232. Предложено транспортное средство, движущееся поступательно, за счет создания центробежной силы, вращением дебалансов (рис. 4.5). Устройство выполнено в виде полусферы. Дебалансы смешают центр тяжести каталета относительно точки соприкосновения с почвой (поднимающий один край устройства). Под действием силы тяжести католет опускается и перекатывается на другой край. За счет сил инерции создается горизонтальное движение — полет.
Рис. 4.5. Каталет. А.с. 347 232
1 — корпус; 2 — цапфы; 3 — картер; 4 — вал; 5 и 6 — дебалансы; 7 — редуктор; 8 — двигатель: 9 — люлька.
4.2.1.1.2. Эквипотенциальность
Особый случай горизонтального движения — движение по эквипотенциальной траектории, т. е. без подъема и опускания. Это своего рода ресурс гравиполей, который позволяет минимизировать затраты энергии на транспортировку вещества.
Пример 4.5. Грабли на колесиках
Такие грабли выпустили в Англии (рис. 4.6). Их преимущество, что при работе можно не отрывать грабли от земли, а значит, тратить меньше сил. Зубья укреплены на шарнирах так, что, когда грабли двигаешь вперед, они откидываются и беспрепятственно проезжают над кучами собранного мусора.
Рис. 4.6. Грабли на колесиках
Пример 4.6. Упаковка телевизоров
Английская фирма упаковывает телевизоры в коробки с боковой крышкой — чем облегчены операции упаковки и извлечения (не нужно поднимать).
4.2.1.2. Вертикальное движение
Вертикальное движение может быть вниз и вверх.
4.2.1.2.1. Вертикальное движение вниз
Вертикальное движение вниз за счет гравитационного поля — это падение и связанные с ним явления.
4.2.1.2.2. Вертикальное движение вверх
Движение вверх с использованием гравитационного поля осуществляется посредством рычага второго рода или упругих сил.
4.2.1.2.2.1. Упругие силы
Пример 4.7. Батут
Подкидная гимнастическая доска, батут и т. п.
Рис. 4.7. Батут
Пример 4.8. Обруч-скакун
Патент США 4 696 467 — обруч-скакун (рис. 4.8). Седло с рукояткой и пружинистая пластмассовая лента в виде овального обруча. Сидя на таком обруче, необходимо слегка приподняться и присесть, седло будет качать седока, словно бы на коне. Можно отталкиваться сильнее и будешь лететь вперед, будто в галопе.
Рис. 4.8. Обруч-Скакун. Пат. США 4 696 467
4.2.1.2.2.2. Рычаг второго рода + падающее тело
Пример 4.9. Подкидная доска-качели
Подкидную доску в виде качелей используют в цирке (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Подкидная доска-качели
4.2.1.2.3.Поднятие-опускание объекта
4.2.1.2.3.1. Сила Архимеда в жидкости + сообщающиеся сосуды
Пример 4.10. Шлюзы
Шлюз — это гидротехническое сооружение на водных путях для обеспечения перехода судов из одного водного бассейна в другой с различными уровнями воды в них (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Система шлюзов
4.2.1.2.3.2. Блочная конструкция и противовес
См. пример 4.2, рис. 4.2 — судно-лебедка.
Пример 4.11. Часы ходики
В качестве двигателя в часах ходиках используются гири. Завод механизма осуществляется поднятием гири. Она под собственным весом опускается вниз, вращая храповое колесо.
Рис. 4.11. Часы ходики
4.2.1.2.3.3. Рычаг и противовес
Пример 4.12. Шлагбаум
В шлагбауме, колодце журавль и т. п. устройствах используется противовес, расположенный на другом конце рычага. Таким же образом устроена выносная стрела, на конце которой установлена телекамера, используемая на массовых зрелищах (рис. 4.12).
Рис. 4.12. Шлагбаум
4.2.1.3. Комбинированное движение
Комбинированное движение — одновременное движение по вертикали и горизонтали. Это может быть движение по направляющей или наклонной плоскости.
Управление таким движением можно осуществлять:
— наклоном плоскости;
— изменением массы вещества;
— перемещением груза внутри тела, имеющего ось вращения;
— изменением силы сцепления (трения);
— созданием дополнительной силы.
4.2.1.3.1. Наклоном плоскости
Пример 4.13. Крыша дома
Чтобы вода или снег не задерживались на крыше дома, ее делают наклонной, поэтому у северных домов, где выпадают больше снега, крыши делают более крутые.
Пример 4.14. Трамплин
Для подготовки прыгунов с трамплина необходимы трамплины различной высоты и кривизны наклона. Так создают маленькие трамплины для детей, средние для подростков и т. д. Поэтому часто стоят рядом два, три, а иногда и более трамплинов. Решение описано А. с. 628 938 (рис. 4.13.)
Отдельные части трамплина соединены шарнирно. Можно изменять кривизну и высоту каждой части с помощью системы опор различной высоты и тросов, длину которых можно менять с помощью лебедок.
Рис. 4.13. Трамплин. А. с. 628 938
4.2.1.3.2. Изменением массы вещества
Примеры см. п. 4.1.
4.2.1.3.3. Перемещением груза внутри тела, имеющего ось вращения
Пример 4.15. Дозатор
В качающемся дозаторе жидкости противовес представляет катающийся шарик (рис. 4.14). Дозатор выполнен в виде корпуса, посаженного на ось, по одну сторону которой расположена мерная емкость, а по другую — каналы с перемещающимся балластом, например, шариком (а с. 329 441).
Рис. 4.14. Дозатор. А. с. 329 441
11 — корпус; 12 — ось; 13 — мерная полость; 14 — канал; 15 — свободно перемещающийся балансом (шариком).
Пример 4.16. Саморазгружающаяся баржа
Для обеспечения наклона саморазгружающейся баржи по
а. с. 163 914 используется забортная вода, которая поступает в правую или левую бортовую цистерну при открытии кингстона (крана), выпускающего сжатый воздух (рис. 3.7).
4.2.1.3.4. Изменением силы сцепления, т. е. трения
Тенденция изменения трения описывает «трибополь». В сжатом виде эта тенденция, следующая: переход от трения покоя к трению скольжения, от трения скольжения к трению качения и переходу движения без трения. Кроме того, имеются промежуточные тенденции. Переход от сухого к жидкостному трению. Имеются и другие способы изменения трения.
4.2.1.3.5. Созданием дополнительной силы
Отклонение от вертикального движения с помощью крыла.
Наиболее яркие примеры — это самолет, дельтаплан и т. д.
Пример 4.17. Спуск судна на воду
При спуске судна на воду с продольного стапеля используют подводное крыло, чтобы судно сильно не заглублялось (а. с. 281 197). Крыло пустое, поэтому оно частично служит понтоном. Крыло установлено на спусковых салазках (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Спуск судна на воду. А. с. 281197
1 — судно. 2 — продольный стапель. 3 — наклонные стойки.
4, 5 — поперечные связи. 6 — крыло. 7 — спусковые салазки.
8 — боковые шайбы. 9 — внутренний набор.
4.2.1.4. Вращательное и колебательное движение
4.2.1.4.1. Тело вращения + перемещающийся внутри груз
Пример 4.18. Яйцеобразная ванна
Патент Германии 122 788 (1900 г.). Яйцеобразная ванна, свободно стоящая на полу и падающая с боку на бок при малейшем движении купальщика. Такие колебания создают волны в ванне.
Пример 4.19. Качели в ванне
Патент Германии 101 412. Качели в ванне. Создаются волны в ванне.
4.2.1.4.2. Создание момента
Пример 4.20. Самосвал
Кузов самосвала выполнен в виде опрокидывающего ковша (а. с. 954274). Такая форма ковша помогает создавать вращающий момент. Нужны меньшие усилия для подъема кузова (рис. 4.16), при освобождении от груза. Такое же решение использовано в примере 4.15 (рис. 4.14).
Рис. 4.16. Самосвал. А. с. 954274
4.2.1.4.3. Наклон оси вращения
Пример 4.21. Самозакрывающиеся двери.
Ось двери наклоняют на 6—8 градусов (рис. 4.17а). Благодаря наклону открытая дверь возвращается в первоначальное положение в силу собственной тяжести. Дверь работает по принципу маятника. Такие двери используются как входные в общественных заведениях. Изобретатели постоянно пытаются улучшить этот принцип. В патенте России 2 205 932 (2003 г.) предложены петрли для самозакрывающихся дверей (рис. 4.17б).
Рис. 4.17. Самозакрывающаяся дверь
1 — неподвижная петля; 2 — подвижная петля; 3 — ось, соединяющая петли.
4.2.1.4.4. Центр тяжести ниже оси вращения
У маятника и качелей центр тяжести ниже оси вращения.
Пример 4.22. Качели
Изобретено много качелей, которые движутся по сложной траектории.
Качели по а. с. 1 389 798 (рис. 4.18а) создают «воздушные ямы». На перекладину свободно посажены две втулки. Со столбами их связывают пружины, работающие на сжатие. В разные фазы маховых колебаний пружины то сдвигают, то раздвигают втулки. Тем самым уменьшается или увеличивается расстояние сидения от оси вращения. Качание происходит по сложной криволинейной траектории.
Другие эффекты создают качели по а. с. 1 449 143 (рис. 4.18б), 1 449 144 (рис. 4.16в), 1 449 145 (рис. 4.18г).
Рис. 4.18а. Качели. А. с. 1 389 798
Рис. 4.18б. Качели. А. с. 1 449 143
Рис. 4.18в. Качели. А. с. 1 449 144
Рис. 4.18г. Качели. А. с. 1 449 145
4.2.1.4.5. Наклоны поплавка в жидкости
Пример 4.23. Стенд для испытания транспортных средств
Стенд представляет собой беговой барабан, размещенный на поплавках в бассейне (а. с. 1 062 551). Изменяя положение поплавков в воде можно имитировать поперечные наклоны на пересеченной местности (рис. 4.19).
Рис. 4.19. Стенд для испытания транспортных средств. А. с. 1 062 551
4.2.2. Создание силы
4.2.2.1. Создание силы с помощью удара, создаваемого падающего тела
Пример 4.24. Удаление сучьев с дерева
В а. с. 461 722 сучья у дерева срезаются с помощью охватывающего режущего устройства за счет инерции падения спиленного дерева.
Пример 4.25. Ковка
Ковка и прессовка осуществляется путем свободного падения предварительно поднятого груза.
4.2.2.2. Создание силы за счет веса тела
Пример 4.26. Ледокол
Ледокол ломает лед, используя свой вес.
Пример 4.27. Якорь
Существуют якоря, которые удерживаются на почве за счет своего большого веса.
4.2.2.3. Рычаг второго рода
Пример 4.28. Подъем крышки люка
Патент США 3 985 338. Подъемное устройство для крышки люка содержит длинную стальную прямую трубу, один конец которой имеет сквозной поперечный палец. На пальце шарнирно закреплен спущенный вниз крюк. К нижней стенке стальной трубы приварен шкворень (упор), расположенный ближе к концу трубы с крюком. Крюком зацепляют крышку и встают ногой на трубу с другого конца (рис. 4.20).
Рис. 4.20. Подъем крышки люка
4.2.3. Удержание тела в определенном пространственном положении
4.2.3.1. Удержание за счет создания опоры
Пример 4.29. Вешалка
Легко повесить любой предмет на крюк, если в нем есть отверстия или петли.
4.2.3.1.1. Опора по вертикали и упор в горизонтали
Пример 4.30. Вешалка для таза
А. с. 255 515. Изобретатель М. Д. Рябцев предложил вешалку для тазов и мисок, которая удерживает крюком таз за реборду снизу (рис. 4.21) и в вертикальной плоскости опирается ободом на горизонтальный упор вешалки.
Рис. 4.219. Вешалка для таза. А. с. 255 515
1 — крючок.2 — таз. 3 — опорный выступ. 4 — крючок.
4.2.3.2. Удержание тела в определенном положении созданием силы
Пример 4.31. Захват
Рельсы переносятся клещами, которые закрываются давлением веса рельсы. Такой же принцип используется в а. с. 1 055 721 (рис. 4.22).
Рис. 4.22. Захват. А. с. 1 055 721
4.2.3.3. Удержание тела в определенном положении за счет трения
4.2.3.3.1. Использование клина
Пример 4.32. Зажимное устройство
Чтобы удержать чертежный лист в вертикальном положении используют зажимы, в виде стального шарика, движущегося вверх при вставлении листа. Шарик под собственным весом опускается вниз и так как он движется по направляющей имеющей сужение к низу, то заклинивает лист бумаги.
4.2.3.4. Удержание тела в определенном положении с помощью магнитного поля
Тело можно удерживать в определенном положении с помощью магнитного поля, создаваемого с помощью постоянного магнита или электромагнита.
4.2.4. Создание направления
4.2.4.1. Создание вертикального направления
Использование маятника
Пример 4.33. Буровая установка
Бурение вертикальных скважин, например, для создания свайного фундамента, связано с проблемой точного выставления по вертикали буровой колонны. Особо сложно это делать на неровном рельефе. Буровую установку с помощью специальных стоек приводили в соответствующее положение.
Ответ: Буровая колонна подвешивается на кране сама принимает вертикальное положение а. с. 293 095 (рис. 4.23).
Рис. 4.23. Буровая установка. А. с. 293 095
4.2.4.2. Создание горизонтального направления
4.2.4.2.1. Горизонтальное направление с помощью жидкости и Архимедовой силы
Пример 4.34. Суда
Суда, строительство на воде.
4.2.5. Повышение статической устойчивости объекта в пространстве
Пример 4.35. Балансировка ротора
А. с. 739 354. Статическую балансировку ротора производят путем взвешивания его в воде. На ось ротора с двух сторон одевают пустотелые торы, каждый из которых помещают в сосуд с жидкостью, связанных между собой трубой (рис. 4.24).
Рис. 4.24. Балансировка ротора. А. с. 739 354
1 — емкость, заполненная жидкостью в виде сообщающихся сосудов; 2 — оправка; 3 — балансирующий ротор; 4 — опора в виде торообразного поплавка.
4.2.5.1. Снижение центра тяжести
4.2.5.1.1. Груз внутри объекта неподвижен
Пример 4.36. Кегли
Имеются кегли использующий принцип «ваньки-встаньки».
Пример 4.37. Трактор
А. с. 508 427. Трактор с подвижным центром тяжести для работы на крутых склонах.
4.2.5.1.2. Груз перемещается внутри объекта
Пример 4.38. Колеса для подвижного состава
Для повышения устойчивости вилочным погрузчикам, передвижным подъемным кранам, тягачам необходимо иметь центр тяжести как можно ниже, особенно при работе на больших уклонах и по бездорожью. С другой стороны, чересчур низкий клиренс ухудшает проходимость. Как быть?
Японский изобретатель Цучия Шозо разрешил это противоречие. Он предложил насыпать в пневмокамеры ходовых колес стальные шарики диаметром 5—50 мм. При движении шарики перекатываются по внутренней поверхности камеры, оставаясь, все время внизу и снижая тем самым общий центр тяжести машины. Патент США 3 716 093 (рис. 4.25).
Рис. 4.25. Колеса для подвижного состава. Пат. США 3 716 093
4.2.5.2. Использование противовеса
Пример 4.39. Подъемный кран
Подъемный кран удерживается от падения противовесом. А. с. 271 763. Самоходный кран с подвижным противовесом.
4.2.6. Образование пленки жидкости
4.2.6.1. Жидкость, стекающая по поверхности
Толщина пленки регулируется количеством жидкости и углом наклона поверхности.
Пример 4.40. Нанесение жидкости
А. с. 959 839. Поливочная головка к машине для нанесения жидкости на листовой материал, содержащая ванну с закрепленным на ее стенке пленкообразователем, трубопровод с отверстием для подачи жидкости в ванну и смонтированную в ванне заслонку, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества покрытия путем регулирования толщины пленки при изменении объема подачи жидкости, она снабжена горизонтальной осью, на которой установлена с возможностью поворота ванна (рис. 4.26).
Рис. 4.26. Нанесение жидкости. А. с. 959 839
1 — ванна; 2 — пленкообразователь; 3 — трубопровод; 4 — отверстие;
5 — заслонка; 6 — горизонтальная ось.
4.2.6.2. Жидкость стекает по вращающейся поверхности
Вращение проводится вокруг горизонтальной оси. Толщину пленки можно регулировать количеством жидкости и скоростью вращения.
Пример 4.41. Нанесение изоляции
А. с. 168 863. Установка для нанесения изоляции на внутреннюю поверхность шлангов представляет собой конусный барабан, на который намотан шланг. Внутрь трубы вводят химические компоненты в жидком виде (например, латекс). Барабан медленно вращают. Под действием силы тяжести жидкость стекает, последовательно смачивая внутреннюю поверхность трубы (рис. 4.27).
Рис. 4.27. Нанесение изоляции. А. с. 168 863
10 — ротор; 11 — чехол заготовки; 12 — четырехходовой кран; 13 — пустотелая цапфа; 16 — торец ротора.
4.2.7. Устранение вибраций
4.2.7.1. Использование маятника
Пример 4.42. Гасители колебаний
А. с. 514 134, 557 220. Маятниковые гасители колебаний высотных зданий. Созданы несколько вариантов самонастраивающихся гасителей для различных башен. В каждом конкретном случае гаситель сам выбирает себе режим качания, без постороннего вмешательства. Это достигается всевозможными комбинациями деталей. Несколько масс соединяют податливой связью (например, на пружинах). Тело маятника делают в форме полого цилиндра, в который вставлен свободно скользящий металлический стакан. Маятник подвешивают на поперечном упругом тросе.
Рис. 4.28. Гасители колебаний. А. с. 514 134
1 — масса; 2 — подвес; 3 — колеблющейся объект; 4 — стяжка; 5 — упор; 6 — пружина; 7 — фрикционная колодка; 8 — упор.
4.2.7.2. Использование гиромаятника
Пример 4.43. Сепаратор
А. с. 260 516, 274 528. Сепаратор подвешен в кардановом подвесе, наподобие гиромаятника — полностью исключает вибрации.
Рис. 4.29. Сепаратор
1 — стакан; 2 — крышка барабана; 3 и 4 — внутренние инаружные рамки карданова подвеса; 5 — полый вал — статор электродвигателя; 6 —обмотки электродвигателя; 7 — ротор электродвигателя; 8, 9, 12, 14 —подшипники; 10 — полусфера станицы сепаратора; 11 — гибкая ось; 13 патрубок.