4.1. Тенденции устранения вредных связей

Довольно значительный класс задач связан с нежелательным эффектом, представляющим собой вредную связь вещества с веществом , поля с веществом или вредное воздействие полей .

Устранение вредных связей осуществляется с помощью определенных закономерностей (см. рис. 4.1 — 4.3):

1. Вредная связь между веществами (рис. 4.1):

— введением третьего вещества В 3  — схема (4.1);

— введением третьего вещества В 3, которое является видоизменением имеющихся веществ В 1 и В 2 (В 3 =В ' 1 , В ' 2 ) или самими веществами (В 3 =В 1 , В 2 ) — схема (4.4);

— введением третьего вещества В 3 =В ' 1 , В ' 2  (В 3 =В 1 , В 2 ) и поля П 2 , которое воздействуя на В 1 или В 2 видоизменяет его В 1 » или В 2 »  — схема (4.5);

2. Вредная связь между полем и веществам (рис. 4.2):

— «оттягивание» вредного действия  — схема (4.7);

— введением второго поля П 2  — схема (4.8);

— введением третьего вещества В 3 , которое генерирует П 2  — схема (4.11);

— введением третьего вещества В 3 , которое генерирует П 2 под воздействием П 3  — схема (4.13).

3. Вредная связь между веществом и полем (рис. 4.3). Управление выходным полем:

— введением дополнительных вещества В 2 и поля П 2  — схемы (4.16) — (4.18);

— заменой имеющегося вещества В 1 на В 2 и введением дополнительного поля П 3 , которое управляет выходным полем П 2  — схемы (4.20) — (4.21);

Рис. 4.1. Тенденция устранения вредных связей между веществами

Рис. 4.2. Тенденция устранения вредных связей полем и веществом

Рис. 4.3. Тенденция устранения вредных связей полем и веществом

Цель третьей группы управлять выходным полем П 2.

 

4.2. Устранение вредных связей введением В

3

Устранениевредных связей в системе производится введением между веществами В1и В2 постороннего третьего вещества В3.

Это описывается схемой (4.1):

Вводимое вещество В 3 может быть на макро- и микроуровне.

Задача 4.9. Подводные крылья

Условия задачи

При движении судна на подводных крыльях, на крыле, вследствие кавитации, происходит эрозия (разъедание материала), образуются каверны и крыло теряет свою эффективность (рис. 4.4).

Явление кавитации на крыле возникает из-за его взаимодействия с водой, создающее подъемную силу, но при этом возникает гидродинамическое сопротивление; а при увеличении скорости появляются кавитационные пузырьки.

В целом ставится задача уменьшения гидродинамического сопротивления и, в частности, не допустить вредных последствий кавитации.

Как быть?

Рис. 4.4. Подводное крыло

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.2).

Где:

В 1  — вода;

В 2  — крыло;

П 1  — поток воды.

Поток воды действует на крыло, создает подъемную силу (прямая стрелка) и поток воды действует на крыло, образуя гидродинамическое сопротивление или кавитационные пузырьки, создающие каверны (волнистая стрелка — плохое действие).

Это веполь с вредной связью.

Вредная связь может быть устранена введением В 3 в соответствии со схемой (4.1). Тогда для данной задачи структурное решение можно представить схемой (4.3).

Для снижения сопротивления в качестве В 3 можно использовать:

1. Волоски (рис. 4.5) — макроуровень В 3 . Они превращают турбулентный поток (поток с вихрями) в ламинарный (ровный — без вихрей).

2. Вещества с длинными молекулами (волоски В 3 на микроуровне ). В качестве этих веществ могут использоваться гели, полимеры и т. п. Такое явление называется эффектом Томса.

Рис. 4.5. Подводное крыло, покрытое волосками

На рис. 4.5 В 3  — это волоски.

Подобные решения можно использовать и на других объектах, обтекаемых водой.

Пример 4.11. Подводный аппарат

В устройстве, уменьшающем сопротивление подводного аппарата, используется слабый раствор полимера (В 3 на микроуровне), образующийся в пограничном слое забортной воды при смешении подогретой жидкой смеси либо гранулированного или порошкообразного полимера с морской водой. Подогретая жидкая смесь представляет собой дисперсию макромолекул полимера, растворимую в морской воде при температуре окружающей среды, но нерастворимую в воде при температуре выше 70о С. Когда подогретая жидкая смесь попадает в холодную воду при соответствующих условиях окружающей среды, частицы набухают и растворяются, образуя клейкую массу. В пограничном слое обтекающего потока они образуют молекулярный раствор макромолекул, препятствуя образованию турбулентного потока (рис. 4.6). В этом изобретении использован эффект Томса.

В вепольной схеме по схеме (4.1) в данном изобретении:

В 1  — морская вода;

В 2  — подводный аппарат;

П 1  — поток воды;

В 3  — клейкая смесь.

Рис. 4.6. Подводный аппарат с клейкой массой.

Патент США 3 435 796

1 — подводный аппарат, 2 — формирующая насадка (головка), 3 — радиальный канал, 4 — входное отверстие, 5 — насос, 6 — клапан, 7 — нагреватель, 8 — смесительный бак, 9 — добавка, 10 — поток воды, 11 — клейкая масса — дисперсия полимера (пунктирная линия).

Пример 4.12. Трубопровод

Для снижения потерь напора при перемещении жидкости по трубопроводу и достижения жидкостью свойства псевдопластичности в нее вводят длинноцепочный полимер, например полиакриламид, в количестве 0,01‒0,2% по весу (рис. 4.7). В этом изобретении (а. с. 244 032) использован эффект Томса.

В вепольной схеме по схеме (4.1) в данном изобретении:

В 1  — жидкость;

В 2  — трубопровод;

П 1  — поток жидкости;

В 3  — длинноцепочный полимер.

Рис. 4.7. Трубопровод

Пример 2.13. Снижение гидродинамического сопротивления

Снижение гидродинамического сопротивления может быть достигнуто за счет образования присадок под воздействием какого-либо поля из молекул самой жидкости, аналогичных по свойствам полимерным молекулам. В данном примере В 3   — присадки.

 

4.3. Устранение вредных связей введением В

3

=В

1

, В

2

или их видоизменений

Устранение вредных связей в системе производится введением между веществами В 1 и В 2 третьего вещества В 3 , являющегося веществом В 1 или В 2 , или их видоизменением (они обозначаются В ' 1 , В ' 2 ).

В отличие от схемы (4.1) в данном случае В 3 вводится и не водится. Используются ресурсы системы — берутся имеющиеся в системе вещества В 1 или В 2 или их видоизменения В 1 » , В 2 » . Это описано схемой (4.4).

Это более идеальная схема, так как мы не вводим дополнительных веществ, а используем только имеющиеся.

Продолжим рассмотрение задачи 4.9 (подводные крылья).

Согласно схеме (4.4), в качестве В 3 может быть использованы крыло , вода или их видоизменения .

Сначала продемонстрируем примеры устранения вредных связей использованием самих веществ (крыла и воды).

Пример 4.14. Дополнительное крыло

Для недопущения вредного действия кавитации можно использовать в качестве В 3 дополнительное крыло (рис. 4.8). Это крыло создает поток, который уносит квитанционные пузыри за крыло. Таким образом, крыло не разрушается.

Рис. 4.8. Подводное крыло с дополнительным крылом

Пример 4.15. Поток воды над крылом

Для недопущения кавитации можно использовать в качестве В 3 воду .

Дополнительный поток жидкости над крылом можно создать, сделав в крыле тонкие сквозные отверстия (рис. 4.9). Тогда за счет разницы давлений (Р1 и Р2) вода с нижней части крыла будет «подсасываться» на верхнюю поверхность крыла. Напомним, что разница в давление над крылом и под крылом создается за счет формы крыла. Длина периметра верхней части больше нижней, поэтому сверху скорость прохождения потока больше, чем внизу, а следовательно, в соответствии с законом Бернулли давление будет меньше, там, где скорость потока выше.

Рис. 4.9. Подводное крыло с дополнительным потоком воды

Где: Р 1  — давление над крылом; Р 2  — давление под крылом.

Подобная подача воды в зону засасывания крыла повышает в ней давление и отдаляет возникновение кавитации при данной скорости обтекания крыла.

Чтобы подача жидкости в верхнюю часть крыла меньше сказывалась на снижении подъемной силы крыла, осуществляют отсос воды из среднего продольного канала за счет набегающего потока (рис. 4.9). Отсос создается за счет разряжения, получаемого путем потока жидкости, проходящего перпендикулярно вертикальным каналам, используя явление эжекции.

Скорость протекания воды в среднем продольном канале будет меньше, чем в верхней части крыла, а давление, соответственно, больше. При этом давление нагнетания на нижней поверхности крыла, в отличие от варианта на рис. 4.10, будет сохранено.

Рис. 4.10. Подводное крыло с дополнительным потоком воды

В крыле делаются канавки (рис. 4.11), в которых закручивается поток воды, создавая около поверхности крыла приторможенный слой воды, отдаляющий появления кавитации.

Рис. 4.11. Подводное крыло с канавками

Теперь продемонстрируем примеры устранения вредных связей использованием видоизменение веществ (крыла и воды).

Пример 4.16. Паровая каверна

Вредное действие кавитации можно предотвратить, если на верхней поверхности крыла создать искусственную газовую каверну (газовый пузырь вокруг крыла), которая поглотит кавитационные пузырьки.

Кавитацию можно предотвратить, если крыло будет двигаться в газовой среде — в газовой каверне (газовый пузырь вокруг крыла). Газовую каверну можно получить путем:

Видоизменение воды

Превратим воду в газ — пар (фазовый переход первого рода). Если нагреть крыло, то вокруг него образуется паровой пузырь (паровая каверна). Каверна (рис. 4.12) позволит не только предохранить крыло от эрозии, но и уменьшить сопротивление движению крыла в воде.

В 3 = В' 1  — пар.

Рис. 5.25. Подводное крыло с паровой каверной

Разложить воду на кислород и водород .

В 3 = В ' 1  — кислород и водород.

Пример 4.17. Ледяной покров

Для предупреждения квитанционной эрозии гидродинамических профилей, например подводных крыльев, используется защитный слой, представляющий собой корку льда (а. с. 412 062), постоянно намораживаемого на поверхность крыльев (фазовый переход первого рода) (рис. 4.13).

В 3 = В 2 » — лед.

Рис. 4.13. Подводное крыло, покрытое коркой льда

Пример 4.18. Видоизменение крыла

Можно изменить форму крыла, так чтобы кавитационные пузыри образовывались только ближе к задней кромке крыла и потоком воды выносились за его пределы (геометрический эффект). Таким образом, схлопывание пузырей будет происходить не на крыле. Видоизменение профиля (формы) крыла представляет собой как бы переворачивание его на 180о (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Видоизмененное подводное крыло

Можно изменить форму крыла (геометрический эффект), так чтобы оно само создавало сплошную квитанционную каверну, которая замыкается вне профиля крыла и не разрушает его. Крыло такой формы называются суперкавитирующим (рис. 4.15). Это осуществляется за счет создания суперкавитации.

В 3 = В ’2  — другой профиль крыла.

Строго говоря, в примере 4.15 рис. 4.9‒4.11 тоже демонстрируют изменение крыла.

Рис. 4.15. Суперкавитирующее подводное крыло, создающее сплошную кавитационную каверну

 

4.4. Устранение вредных связей введением вещества В

3

=В

’

1

, В

’

2

 и поля П

2

Видоизмененные вещества В ' 1  или В ' 2  могут браться в готовом виде или получаться на месте. Устранение вредных связей в системе производится введением между веществами В 1 и В 2 видоизмененного вещества В 1 (В ' 1 ) или В 2 (В ' 2 ), осуществляемое введением дополнительного поля П 2 , которое, воздействуя на имеющееся вещество В 1 или В 2, видоизменяет их, получая В ' 1   или В ' 2 . Это можно представить в виде схемы (4.5).

Пример 4.19. Снижение гидродинамического сопротивления

Для снижения гидродинамического сопротивления движения тел, например судов, путем уменьшения сил трения, в пограничном слое создают электромагнитное поле, генерирующее комплекс молекул. В этом изобретении не вводят в пограничный слой высокомолекулярный состав, а вместо него используют видоизмененную внешнюю среду В ' 2 , путем воздействия электромагнитным полем. Кроме того, это изобретение может использоваться для снижения сопротивления жидкости в трубопроводе.

На рис. 4.16 показан один из вариантов, описанных в а. с. 364 493. Носовая часть объекта, движущегося в жидкости, выполняется из алюминия или железа. Ее соединяют с положительным полюсом источника тока, а корпус соединяют с отрицательным полюсом. Между корпусом и носовой частью имеется изоляционная прокладка. При подаче напряжения образуются частицы гидроокиси алюминия — Al (OH) 3, которые в пограничном слое снижают гидродинамическое сопротивление, аналогично вводимым в пограничный слой добавкам полимеров. При генерировании частиц Al (OH) 3 непосредственно используется окружающая среда.

В данном решении использованы физико-химические эффекты.

Для данного изобретения вепольная структура (4.5) будет иметь вид (4.6)

Рис. 4.16. Снижение гидродинамического сопротивления

по а. с. 364 493

В данном примере: В 1  — вода, В 2  — судно, подводное крыло и т. п., П 1  — поток воды, П 2  — электромагнитное поле, В ' 2 . — комплекс молекул.

 

4.5. «Оттягивание» вредного действия

Устранение вредного действия поля П 1 на вещество В 1 осуществляется введением второго вещества В 2 , оттягивающего на себя вредное действие поля П 1 .

Оттягивание вредного действия можно представить в виде (4.7).

Пример 4.20. Предохранитель

При резком увеличении тока в сети провод может перегореть. Чтобы этого не произошло, используют предохранитель, который может быть одноразовый (плавкий предохранитель) или многократного использования — автомат.

 

4.6. Устранение вредных связей введением П

2

Вредное действие устраняется переходом к двойному веполю, в котором нейтрализацию вредного действия поля П1 осуществляет поле П2. Это можно представить в виде (4.8).

Задача 4.10. Искусственная шаровая молния

Условия задачи

В лаборатории под руководством академика П. Л. Капицы исследовалась искусственная шаровая молния в герметичной кварцевой цилиндрической камере, заполненной гелием под давлением 3 атм. (рис. 4.17). Под действием мощного электромагнитного поля в гелии возникает плазменный шнуровой разряд, стягивающийся в сферический сгусток плазмы — «шаровую молнию». Для удержания «шаровой молнии» в центре камеры используют соленоид, кольцеобразно расположенный вокруг камеры. По программе эксперимента нужно было увеличить мощность шаровой молнии, для чего повысить мощность электромагнитного излучения.

Плазма стала более горячей и, следовательно, менее плотной. Шаровая молния при этом становится легче и всплывает вверх, касаясь стенок камеры и разрушая их. Электромагнитные силы не уравновешивают архимедовы силы. Чтобы удержать молнию в центре камеры, попробовали повысить мощность магнитного поля в соленоиде, но ничего не получилось: молния поднималась вверх — только чуть медленнее. Сотрудники предложили строить новую установку с более мощным соленоидом, но П. Л. Капица поступил иначе. Как?

Рис. 4.17. Установка для получения искусственной шаровой молнии

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.9).

Дан неэффективно управляемый веполь:

В 1  — молния;

П 1  — гравитационное поле, действует на молнию;

В 2  — газ, который не уравновешивает действие гравитационного поля.

Чтобы повысить управляемость рассмотренного веполя необходимо ввести противодействующее поле П 2 в соответствии со схемой (4.10).

Поле П 2 должно противодействовать гравитационному полю П 1 . Эффективнее всего было бы использовать электромагнитное поле, но для этого нужно было бы полностью переделывать установку. В соответствии с тенденцией развития веполей первоначально следует использовать механические поля. Наиболее эффективное в данном случае — поле центробежных сил.

П. Л. Капица предложил завертеть газ, придавая ему непрерывное вращение. Вместе с газом завертелся и сам разряд и перестал всплывать… Газ заставляли непрерывно вращаться воздуходувки, хорошо знакомые всем по домашнему пылесосу. Впрочем, именно домашний пылесос и был использован на первых порах (рис. 4.18).

П 2  — центробежное поле.

Рис. 5.31. Создание центробежных сил с помощью пылесоса

 

4.7. Устранение вредных связей введением В

3

и П

2

Вредное действие устраняется переходом к смешанному веполю, в котором вводимое вещество В 3 генерирует поле П 2 , нейтрализующее вредное действие поля П 1 (4.11).

Задача 2.10. Искусственная шаровая молния (продолжение)

Поле центробежных сил П 2 создается турбиной В 3 (4.12).

 

4.8. Устранение вредных связей введением В

3

, П

2

и П

3

Вредное действие устраняется переходом к смешанному веполю, в котором на вводимое вещество В 3 под воздействием поля П 3 , генерируя поле П 2 , нейтрализующее вредное действие поля П 1 (4.13).

Задача 4.11. Извлекание шарика

Условия задачи

Не редки случаи, когда необходимо извлечь завальцованный в корпус шарик (рис. 4.19). Для этого приходится ломать конструкцию. Как вытащить шарик, не ломая конструкцию?

Рис. 4.19. Шарик, завальцованный в корпус

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.14).

Дан веполь с вредной связью:

В 1  — корпус;

П 1  — поле механических сил, удерживающее шарик в корпусе;

В 2  — шарик.

Вредная связь может быть устранена введением В 3 , которое под воздействием поля П 3 генерирует поле П 2 , нейтрализующее вредное действие поля П 1 . В соответствии со схемой (4.13) для данной задачи структурное решение можно представить схемой (4.15).

Согласно схеме (4.15) необходимо ввести В 3 , которое под воздействием поля П 3 создаст П 2 , выталкивающее шарик.

Один из вариантов решения.

Под шарик В 2 заранее вводят каплю жидкости В 3 (рис. 4.20), которую при необходимости нагревают (поле П 3 ) и испаряющаяся жидкость создает давление (поле П 2 ), выталкивающее шарик В 2 из корпуса В 1 (фазовый переход первого рода).

Рис. 5.33. Введение капли жидкости под шарик

 

4.9. Устранение вредных связей между веществом и полем введением В

2

и П

3

Вредное действие между веществом и полем устраняется введением вещества В 2 и поля П 3 в преобразовательном веполе (4.16) или введением вещества В 2 и поля П 2 в видоизменительном веполе (4.17), или вместо поля П 2 может вводиться третья вариация того же поля П “„ 1  (4.18). Введенное поле (П 3 , П 2 или П “„ 1 ) воздействует на введенное вещество В 2, вещество, которое меняет свойство В 2 , управляя полем П ” 1 .

Задача 4.12. Автомобильное стекло

Условия задачи

Водитель может быть ослеплен светом фар следующего за ним автомобиля в зеркало заднего вида (рис. 4.21). Как быть?

Рис. 4.21. Ослеплен светом фар

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.19).

Дан веполь с вредной связью:

В 1  — зеркало заднего вида;

П « 1  — свет фар, от сзади идущего автомобиля (оптическое поле);

П « 1  — отраженный свет, воздействующий на водителя.

Воспользуемся схемой (4.17).

Недостаток может быть устранен, если заднее стекло автомобиля покрыть электрохромной пленкой В 2 (оксид никеля и электропроводящий слоя оксида олова). Здесь использован электрохромный эффект. Коэффициент прозрачности таких стекол меняется под действием электрического тока П 2 . Получаются управляемые тонированные стекла. Это позволяет водителю изменять интенсивность света П ” 1 , поступающего снаружи. Таким образом, управляют полем П ” 1 , изменяя поле П 2 . Подобные пленки используют и вместо жалюзи (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Электрохромная пленка

 

4.10. Устранение вредных связей между веществом и полем заменой В

1

на В

2

и введением П

3

Вредное действие между веществом и полем устраняется заменой вещества В 1 на другое вещество В 2 и введением поля:

— П 3 (4.20);

— П 2 в веполе на видоизменение (4.21);

— третья вариация поля П “„ 1  (4.22).

Введенное поле (П 3 , П 2 или П “„ 1 ) воздействует на В 2 , которое управляя полем П 2 или П ” 1 .

Задача 4.13. Диод

Условия задачи

Диод пропускает ток в одну сторону и не пропускает в другую. Он это делает всегда. Чтобы сделать управляемый процесс, ставят, например, реле. Это значительно усложняет систему. Как быть?

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.23).

Дан веполь с неуправляемой связью:

В 1  — диод;

П « 1  — напряжение переменного тока;

П « 1  — напряжение постоянного тока.

Пунктирная стрелка показывает, что действие недостаточное (неуправляемое).

Воспользуемся схемой (4.20). Заменяем В 1 на В 2 , в котором имеется возможность управлять выходным полем П ” 1 .

Решение задачи

Недостаток может быть устранен заменой диода В 1 тиристором В 2 . Тиристор выполняет ту же функцию, что и диод (пропускает ток в одну сторону и не пускает в другую), но имеет еще один управляемый вход. Если на управляющий вход не подать ток П “„ 1  открытия, то тиристор не пропустит ток даже в прямом направлении. Но стоит подать хоть краткий импульс, как он тотчас открывается и остается открытым до тех пор, пока есть прямое напряжение. Если напряжение снять или поменять полярность, то тиристор закроется.

Поле П “„ 1  — ток открытия (электрическое поле).