Четвертый способ для меч-рыбы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Четвертый способ для меч-рыбы



Введение

Статья посвящена проблеме увеличения скорости передвижения под водой. Особый интерес в связи с этим представляет физическое явление, называемое кавитацией. Известен вредный характер этого явления, вызывающего разрушение металлов под водой. При этом возникают огромные силы, но современной науке не известна физическая сущность этого явления.

Известно техническое достижение, использующее явление супер кавитации на лобовой поверхности подводного аппарата. Торпеда «Шквал» плывет со скоростью 400 км/час, но восьми метровая подводная ракета расходует свой энергетический потенциал за 100 секунд, успевая проплыть при этом всего 10 км. По поводу этой торпеды доктор технических наук, профессор Е.С. Шахиджанов сказал: «…новизна заключается в движении под водой в режиме развитой кавитации (отрывного обтекания), когда основная часть корпуса ракеты охвачена парогазовой полостью-каверной. При этом резко снижается гидродинамическое сопротивление и достигается высокая скорость подводного движения ракеты, в 3-5 раз превышающая скорость обычных торпед, движущихся в режиме сплошного (безотрывного) обтекания. Достижения в области высокоскоростного подводного движения ракет обусловлены фундаментальными исследованиями неуправляемого движения тел в режиме развитой кавитации, взаимодействия реактивной струи (газовой, газожидкостной, водяной) с каверной, длительного устойчивого управляемого движения при кавитационном обтекании тела».

У меч-рыбы нет реактивного двигателя, и плавает она в три раза медленнее, но энергии расходует в сотни или тысячи раз меньше. От торпеды ее отличает то, что она изменяет перед собой свойства воды, не доводя водное пространство до разрыва (до кавитации). Из этого сравнения возникает вопрос, что нужно делать с водой, чтобы добиться скорости торпеды, и добиться при этом «технико-экономических» показателей рыбы?

Статья обосновывает доныне неизвестное свойство воды - способность уменьшать свою плотность при ускоренном передвижении потока в трехмерном пространстве. Только на этой основе можно объяснить результат описанного в статье эксперимента. Только на этой основе можно разъяснить способ передвижения меч-рыбы, который современная наука объяснить не может. Эксперимент внешне прост. Но результаты его можно объяснить только на основе принципов, вступающих в противоречие с основополагающими принципами современной гидродинамики. Для того чтобы понять сущность способа необходимо понять когда и при каких условиях ламинарное движение потока сменяется турбулентным и завершается кавитационным?

Простейший эксперимент обеспечил увеличение скорости передвижения подводного аппарата на 11%. Статья теоретически обосновывает результат эксперимента на основе авторской теории в ключе нетрадиционного рассмотрения физического свойства воды (способность уменьшать плотность) при ускоренном передвижении потока в 3D пространстве.



1. Уменьшение плотности воды средствами гидродинамики

гидродинамический кавитационный рыба меч

Каждому человеку со школы известно, что вода практически не сжимается. Автор задался вопросом: а может ли вода расширяться? С курса физики известно: да, - может. При нагревании вода незначительно, но все-таки увеличивается в объеме. При достижении до ста градусов вода начинает кипеть и превращаться в пар. Процесс превращения воды в пар энергоемкий и осуществляется в чайниках, кастрюлях, трубах, котлах и т.д. А может ли вода расширяться в открытом пространстве, не ограниченном стенками и трубами? Наука утверждает: плотность воды неизменна. Принимая во внимание достижения современной науки, ей можно было бы поверить, если бы не один природный феномен - меч-рыба. Приведу две цитаты: «Зарегистрировано, что во время атаки меч-рыба развивает скорость до 140 км в час, то есть почти в три раза большую, чем у дельфинов и акул. Вот эта-то совершенно невероятная скорость и ставит в тупик ихтиологов, физиков и механиков, в коем они до сих пор и пребывают. По всем законам механики и физики меч-рыба не может развивать в воде такую скорость. Расчёты показывают, что для движения в воде со скоростью порядка 140 км в час тело идеально обтекаемой формы и поверхности и длиной пять метров должно обладать мощностью 1500-2000 лошадиных сил... Естественно, что ни одно живое существо подобной мощностью обладать не может. Но вот меч рыба и её присные, не зная об этих законах механики, плавают в воде скорее самого быстрого наземного хищника - гепарда, способного бегать со скоростью 110 км в час, да и тот такую скорость может развивать лишь на короткой дистанции, преследуя свою добычу. На большее его не хватает. А ведь гепарду приходится преодолевать лишь сопротивление воздуха, а не воды, как меч-рыбе. Вызывает удивление учёных и то, что меч-рыба добивается рекордных скоростей, довольствуясь относительно малыми мощностями порядка 20-90 лошадиных сил на 100 кг живого веса. Такая энерговооружённость сравнима с энерговооружённостью лёгкого самолёта. Причём меч-рыба развивает такую мощность длительное время. Вот этот-то парадокс энергетики меч-рыбы давно уже волнует умы учёных, которые до сих пор не понимают, что же позволяет меч-рыбе ставить рекорды скорости, которым могут позавидовать не только гепарды, но и птицы и даже лёгкие самолёты» [2].

«...человек со своими мышцами далеко не лучший двигатель: его мощность, измеренная в лошадиных силах, составляет всего 0,03-0,04. Очень редко «мощность» взрослого мужчины доходит до 0,2-0,25 лошадиных сил» [3]. Вы можете себе представить рыбу весом 500 кг, которую не могут удержать шесть или восемь тысяч самых сильных в мире мужчин? Вывод напрашивается один: где-то наука в своих аксиомах очень сильно ошибается. Автор пришел к выводу: ошибку следует усматривать в утверждении, что плотность воды неизменна. Каким образом можно провести соответствующий эксперимент? Физика утверждает, что плотность вещества можно изменить, только увеличивая расстояние между молекулами в направлении трех осей Декартовой системы координат. При нагревании воды наблюдается незначительное уменьшение плотности в результате усиления хаотического (Броуновского) движения молекул. Невозможно достичь высокой эффективности процесса, усиливая хаос. Молекулам надо придать направленное движение, организовать их в поток. Вспомним формулу из учебников физики, связывающую величину пройденного пути S с величиной ускорения a

S = at2/2

Из этой формулы следует, в укоренном потоке расстояние между молекулами должно увеличиваться. При этом поток одновременно должен ускоренно передвигаться одновременно в направлении трех координатных осей, т.е. поток должен ускоряться, принимая коническую форму. Такое распространение потока на теоретическом уровне способно обеспечить уменьшение плотности жидкости. Уменьшение плотности воды не является самоцелью, но перед носовой частью транспортного средства, этот процесс может привести к увеличению скорости передвижения. Авиационный двигатель и гребной винт корабля, создавая силу тяги, образуют в окружающем пространстве ускоренный всасываемый поток. Этот поток всасывает в двигатель мусор, рыб, птиц, людей..., но в полезных для человека целях не используется.

Приведу в качестве примера аппарат, который внешне похож на рассматриваемую в настоящей статье модель. С помощью такого же устройства «смывался» с неудачной рыбалки Лёлик из кинофильма «Бриллиантовая рука». В советские времена такой аппарат разрабатывался, скорее всего, в военных целях и его конструированием занимались в НИИ серьезные специалисты. Носовая часть этого аппарата скопирована с головы дельфина, и он мог бы послужить аналогом. Но грубейшая теоретическая ошибка свидетельствует о слепом копировании. Кручение ручки привода винта вручную вызывает насмешки, а зря: эффект мог быть значительным. Менее мощное устройство в описанном ниже эксперименте обеспечило увеличение скорости на 11%.

Рис. 1 Аппарат может быть прототипом для модели, о которой пойдет речь в статье



Авторская теория рассматривает взаимодействие четырех видов материи: твердого тела (скутер), воды, пара и вакуума.

Мы привыкли считать, что вакуум это - где-то далеко в космосе, забывая уроки физики. Когда мы говорим о материи, то подразумеваем электроны протоны, молекулы, элементарные частицы и элементарные частички, забывая про пустоту между ними. Если бы между элементарными частицами и частичками не было пустоты, то здесь была бы не Земля, а «черная дыра». Мы забыли о всепроникающей сущности вакуума. В этом свете можно сказать: для каждого вида материи существует «своя» элементарная частица вакуума. Ее минимальный размер равен расстоянию между молекулами вещества при нормальном давлении и температуре. Эта частичка обладает возможностью неограниченного расширения в пространстве при создании соответствующих условий. Например, в процессе фазового перехода жидкое вещество превращается в пар. А пар или воздух уже могут расширяться без каких-либо ограничений. Известны два типа фазового превращения воды в пар - скачкообразное и плавное. Скачкообразное - когда воду нагревают до температуры 100°С (плотность воды при этом почти не меняется) а потом начинается долговременный этап выпаривания воды. Существует другой менее известный способ. Нагревая воду до температуры 374° и сжимая до давления в 218 атм. плотность воды снижают до величины 0,321 г/см3. Это явление доказывает возможность плавного уменьшения плотности воды до плотности пара. Только сделать это надо средствами гидродинамики, а не термодинамики. Чтобы не возвращаться к этой теме сразу скажу, что меч-рыба уменьшает плотность воды перед своей носовой частью до величины 0,13 г/см3. Не нагревая до 374° С, и не сжимая до огромного давления, рыба уменьшает плотность воды перед собой в 2,5 раза по сравнению с современной термодинамикой. Вернемся к утверждению профессора Е.С. Шахиджанова о фундаментальном характере исследований, обеспечивших создание торпеды «Шквал». По представлениям современной науки существует только четыре фундаментальных взаимодействия, среди которых гравитационное взаимодействие определяет сущность всех физических процессов, которые мы можем наблюдать в реальной жизни. Оно не зависит от температуры и давления, не оперирует изменением величины статического давления в потоке. Оно оперирует истинно фундаментальным понятием - величиной гравитационного ускорения g = 9,8 м/сек2. По представлениям современной науки под действием естественных сил жидкость на Земле не может двигаться с ускорением, превышающим величину гравитационного ускорения. Но в практической деятельности человек достаточно часто заставляет передвигаться воду с превышением указанного ускорения. Это происходит при смыкании потока за движущимся твердым телом. При этом возникает разрыв водного пространства - явление, которое в технике называют кавитацией. Рассмотрим этот процесс, принимая во внимание истинно фундаментальный параметр окружающей среды, - величину гравитационного ускорения g.

2. Физико-математическая модель перехода ламинарного течения потока в турбулентное и кавитационное под влиянием гравитационного ускорения

В статье «Четвертый способ» была поднята спорная тема о сущности физического процесса всасывания жидкости. В этой главе на примере физико-математической модели рассматриваются свойства воды (и воздуха), которые ведут к возникновению всасываемого потока. Параллельно рассматриваются условия, которые ведут к образованию турбулентности и кавитации. На изложенных принципах базируется приведенный математический расчет позволяющий определить место и условия, при которых возникают турбулентность и кавитация за движущимся телом. Необходимо признаться, что автор приводит упрощенную математическую трактовку описываемого процесса, оставляя простор для деятельности более квалифицированных математиков. Цель этой статьи - описать логику физического процесса, ведущего к разгадке тайны гравитационного взаимодействия.

Турбулентность - явление, заключающееся в том, что во многих течениях жидкостей и газов образуются многочисленные вихри различных размеров [4].

Кавитация (от лат. cavitas -- пустота) -- образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью [5].

Прочитав цитаты и разъяснения к ним не находишь ответы на вопросы, какие физические процессы предшествуют появлению турбулентности и каверны? Что первично - пустота или газы в этой пустоте? Каким образом изменяются физические свойства жидкости в промежутке от неподвижной воды до пустоты в несущемся потоке? Ответ на эти вопросы дает понимание того, как и когда ламинарное движение потока переходит в турбулентное и завершается кавитационным. Ответив на них можно добиться существенного увеличения скорости передвижения.

Введем термин «скорость перетекания жидкости в вакуум» это - максимально возможная скорость движения жидкости под воздействием естественных условий в воде и воздухе (далее в тексте обозначаемую, как Vmax). Величина этой скорости определяется на основании закона Бернулли, являющемся законом сохранения энергии для жидкостей.

Рст + = Const...., где

Рст - статическое давление для первой частички, перетекающей в вакуум. Вылетающей в вакуум первой частице не на что давить, поэтому вся внутренняя энергия ранее неподвижной частички переходит в кинетическую энергию;

с - плотность жидкости - ошибочно принято считать неизменной;

Рst - величина статического давления в окружающем неподвижном пространстве в нашем случае:

Рst = Ратм + Рвод, где

Ратм и Рвод - атмосферное давление и давление высоты водного столба соответственно.

Из приведенной формулы вытекает:

V*max = (1)

Ссылка на закон Бернулли некорректна. Закон принят для движения жидкости в трубах, т.е. в направлении только одной пространственной координаты. Более правильно рассматривать передвижение потока в трехмерном пространстве. Поэтому будем полагать, что закон действует в направлении только одной пространственной координаты. Уточнения будут внесены по ходу изложения, на что указывает звездочка в обозначении величины скорости. Также отметим, что величина статического давления определяется по формуле

Рst = с1 gh + с2 gH,

где с1 с2 - плотность воды и воздуха; h и Н - высота столба воды и земной атмосферы соответственно. На основании указанной формулы можно высчитать скорость перетекания воздуха в вакуум при нормальных условиях - 402 м/сек. Скорость перетекания воды в вакуум при заглублении 10 метров равна 19,8 м/сек, а на поверхности воды - 14 м/сек. С превышением указанных величин возникает явление кавитации. Жидкость не успевает сомкнуться за движущимся телом. В результате возникает разрыв водного или воздушного пространства, называемый кавитацией.

Рассмотрим физико-математическую модель на рис.2. С ее помощью представляется возможным объяснить физическую суть и математически описать процесс возникновения ламинарного, турбулентного и кавитационного течения жидкости за движущимся объектом.

В гидродинамике основополагающей условностью является понятие об «элементарной струйке», представляющей собой совокупность элементарных частичек. Элементарная частичка неограниченно мала и включает в себя неопределенно большое количество молекул жидкости. Ограничимся минимальным количеством молекул 7 в элементарной частичке, достаточных для того, чтобы сохранить объемное представление о процессе (одна - в центре и по одной на каждой из полуосей Декартовой системы координат). В правой части рисунка представлена схема из трех смежных частичек, заполняющих пространство за движущимся объектом, а рассматриваемая нами частичка обозначена римской цифрой I. Пять из семи молекул обозначены жирными точками и соединены крестиком, чтобы обозначить взаимное расположение молекул и элементарных частичек в пространстве (две молекулы находятся вне плоскости чертежа). Схема раскрашена в разные цвета, чтобы обозначить разные состояния материи. Серым цветом затушевано твердое тело торпеды. Синим цветом - практически несжимаемая вода. Голубым цветом выделена зона ламинарного течения жидкости. Розовым цветом выделена зона турбулентного течения жидкости. Черная точка К - каверна. Здесь размер Д - расстояние между молекулами; размер 2Д - определяет диаметр элементарной частички.

Рассмотрим движение торпеды, передвигающейся в неподвижной жидкой среде с наибольшей возможной скоростью V. За некоторое время t она из позиции, обозначенной точкой 1, передвинется в позицию, обозначенную точкой 1', преодолев расстояние S. Носовая часть торпеды раздвигает жидкость в вертикальном направлении. Задняя ее часть освобождает от своего присутствия пространство, объем которого определяется размерами D и S. Ранее неподвижная элементарная частичка жидкости в точке 1 соскальзывает с цилиндрической поверхности торпеды и под действием статического давления Рst начинает заполнять освободившееся пространство, передвигаясь вниз к центру торпеды в точке К. В своем движении из точки 1 в точку 2 частичка опишет в пространстве траекторию, обозначенную буквой А. За ней под воздействием статического давления в зону устремляются смежные частички, образуя всасываемый поток.

3. Ламинарное движение

Рассмотрим принципы ламинарного движения водного потока, заполняющего освободившееся пространство. Если в точке 1 частичка была неподвижной, то в произвольной точке і передвижение частички определяется вектором Vi, направленным по касательной к кривой А. Величина скорости при этом определяется по формуле Vi = gt, где t - время частички в пути; g - величина гравитационного ускорения. Этот вектор раскладывается на горизонтальную и вертикальную составляющие. Причем, величина горизонтального составляющего вектора скорости является величиной постоянной и равна по величине скорости движения торпеды V. Скорость передвижения частички в вертикальном направлении является ускоренной. Величину ускорения a в вертикальном направлении определим исходя из следующего предположения. Пусть скорость движения торпеды достигла такой скорости V, что в наиболее отдаленной точке К возникла каверна - вакуумное образование, в которую вода перетекает с наибольшей возможной скоростью перетекания воды в вакуум. Скорость этого движения определяется формулой (1). Зафиксируем этот факт в виде формулы (2) - см. ниже систему уравнений. Превышение этой скорости приведет к тому, что произойдет фазовый переход: вода начнет превращаться в пар. В точке К возникнет видимый кавитационный пузырек. Будем исходить из предположения, что на задней поверхности торпеды между точками 1' и К скорость движения всасываемой в каверну элементарной частички воды непрерывно увеличиваться с ускорением a. Запишем это в виде формулы (3), где t - время, за которое частичка пройдет путь между точками 1' и К, проделав путь величиной D/2, что и запишем в виде формулы (4).

Рис. 2 Физико-математическая модель способа

Если верхнюю поверхность торпеды срезать по кривой В, то схема трансформируется в механизм создания подъемной силы, возникающей при всасывании жидкости над крылом. На увеличенной выноске справа рассматривается процесс возникновения турбулентности в точке 2

Предположим, что точка 2 является граничной, и в ней сохраняется ламинарный характер движения жидкости. Основным условием сохранения ламинарного течения жидкости вдоль задней поверхности торпеды является сохранение однородности окружающего пространства. При этом должно соблюдаться равенство физических характеристик водного пространства в направлении трех осей Декартовой системы координат. Максимально возможная скорость передвижения жидкости в вертикальном направлении должна быть равна по величине наибольшей скорости ее передвижения в горизонтальном направлении. В противном случае возникнет неоднородность пространства, и ламинарное течение потока переходит в турбулентное. Это утверждение базируется на определении одного из главных свойств воды: давление, сообщенное жидкости в одном направлении, распространяется во все стороны одновременно с одинаковой скоростью. Из этого утверждения на основании уравнения Бернулли (связывающего величину статического давления со скоростью потока) следует, что величина скорости потока должна быть одинаковой в направлении каждой из трех Декартовых координат. В противном случае возникает нарушение однородности окружающего пространства. Поэтому в точке 2 элементарная частичка воды движется в направлении вектора Vлам (инарное), который направлен под углом 45° к горизонту и раскладывается на равные по величине горизонтальный и вертикальный составляющие векторы V и V2в соответственно.

Определим расстояние с между точками 1' и 2, где сохраняется ламинарный характер движения воды. Соответственно, если торпеда будет иметь диаметр D = 2с, то турбулентность за ней не возникнет. Передвижение частички в вертикальном направлении из точки 1' в точку 2 обусловлено ускоренным характером движения и характеризуется следующей системой уравнений для точки 2:

Здесь Vmax - скорость перетекания воды в вакуум;

- величина составляющего вектора скорости частички в точке 2;

а - ускорение, с которым движется частичка вдоль задней поверхности в вертикальном направлении;

t - время частички в пути.

Определим время из формул (3) и (4) и, приравняв их запишем

Из этой формулы определим ускорение

Подставим (2) в (6) и получим

Далее определим положение точки 2 на задней поверхности, где на смену ламинарному приходит турбулентный вид движения. Для этого составим вторую систему уравнений, исходя из следующего.

Расстояние между точками 1' и 2 обозначим буквой с и запишем в виде формулы (8) для расстояния, которое проделает частица в ходе равноускоренного движения, которое мы рассмотрели выше. В ходе этого движения в точке 2 частичка достигнет скорости, величина которой достигнет величины, которая определяется по формуле (9). Запишем величину этой же скорости, как величину вертикального составляющего вектора в ходе движения частички по траектории А со скоростью Vлам. Для векторного треугольника величина вертикального составляющего вектора составит



Принимая во внимание, что величина вектора Vлам определяется по формуле

Vлам = g t

запишем

Vлам = g t Sin 45°

На основании теоремы Пифагора запишем формулу (10).

Вторая система уравнений дополнительно рассматривает величину составляющего вектора скорости в зависимости от величины вектора Vлам, направленного по касательной к траектории А.

Сравним формулы (9) и (10) и определим время, момента, когда на смену ламинарному потоку придет турбулентное движение

Подставим (11) в (8) и получим

Здесь a определяется по формуле (7). По предложенной методике можно рассчитать момент окончания ламинарного течения всасываемого потока.

4. Турбулентность

Рассмотрим вариант, когда под действием естественных факторов ламинарный поток не успел сомкнуться в точке К. В этом случае вода сомкнется в точке Б на расстоянии S1 от задней поверхности торпеды. Зона, ограниченная размерами d и S1 характеризуется неестественным (искусственно созданным) состоянием жидкости, и ограничена кривой В. Зарисованная розовым цветом зона, характеризуется ускоренным передвижением всасываемой жидкости в направлении трех пространственных координат. Рассмотрим этот процесс в увеличенном масштабе на рис.2а. Движение частички I характеризуется, как ламинарное. Она отстает на величину 2Д от частички II , которая раньше начала заполнять освобождающееся пространство. Начиная с рассматриваемого момента, перед частичкой II образовалось пустое пространство, обозначенное розовым цветом (для элементарной частички «пустым» пространством является физический вакуум). Она начинает заполнять его под действием напора следующих за ними частиц по самой короткой траектории в направлении вектора Vtлам, закручиваясь вокруг частички I по окружности радиусом Д*50,5 под углом вi. Индекс t в обозначении вектора отражает факт изменения направления движения частички II именно в рассматриваемый момент. Частичка III относительно частички I закручивается под углом вi по окружности радиусом Д*200,5 и т.д. в тригонометрической прогрессии. Возникает цепная реакция турбулентного завихрения. Освободившееся пространство может быть заполнено только за счет увеличения размеров Д и 2Д частичек II и III. В «голубом» ламинарном потоке движение частичек в горизонтальном направлении является равномерным и расстояние между элементарными частичками не меняется. Одновременно с закручиванием траектории равномерное движение в горизонтальном направлении становится ускоренным. Происходит уменьшение плотности жидкости в турбулентном вихре. Турбулентность является доказательством возможности уменьшения плотности жидкости средствами гидродинамики.

Для эффективного использования этого процесса в технике необходимо устранить процесс закручивания жидкости в вихри. Сделать это можно, если отсасывать жидкость в направлении вектора Vотс, направленного под углом вi к обтекаемой поверхности. Именно этот эффект предполагается в летательном аппарате вертикального взлета, описанном в статье «Четвертый способ» для предотвращения возникновения турбулентности над вогнутой поверхностью в режиме горизонтального полета. А снижение плотности воздуха используется, как одно из условий обеспечения вертикального взлета. Но в данной статье важен другой эффект: уменьшение плотности ведет к увеличению скорости перетекания жидкости в вакуум (на основании формулы 1), что в свою очередь ведет к увеличению скорости безкавитационного продвижения аппарата в жидкой среде.

5. Кавитация

Традиционная теория рассматривает возникновение кавитации, руководствуясь принципами термодинамики, связывая рождение кавитационного пузырька с процессом испарения воды. Настоящая теория исходит из того, что при кавитации нарушается гидродинамическое свойство воды: ускорение движущегося потока превышает величину гравитационного ускорения g.

Элементарная каверна представляет собой элементарную частичку абсолютного вакуума. Она существует везде и всегда. Ее размер равен расстоянию между молекулами воды. Поскольку вода практически не сжимается, постольку уменьшаться она не может, но может расти в зависимости от многих факторов. В данной статье мы связываем размер элементарной частицы вакуума с ускорением и с количеством координат, в направлении которых этот поток ускоренно распространяется. Пустота никому и ничему вредить не может. Люди ее даже не замечают, а техника, гордящаяся достижениями в нано-технологиях, из неизвестных соображений замечать не хочет до тех пор, когда размеры пустотного образования становятся видимыми для глаза.

Турбулентный вихрь является первым признаком нарушения однородности окружающего пространства и является своеобразным концентратором напряжения, снижающим предел прочности водного потока на разрыв. В момент, когда в точке К скорость частички достигнет величины Vmax, произойдет отрыв элементарной частички от тела торпеды. В этой точке на задней поверхности торпеды элементарная каверна начнет увеличиваться в размере. Причиной возникновения каверны является недопустимое превышение такого свойства воды, как инертность - способность перетекать в вакуум со скоростью Vmax. С ростом скорости ее размер увеличивается до видимого размера. Более точно следует сказать так: инертность жидкости (любой!) определяется максимально возможной величиной ускорения, которая не может превышать величину гравитационного ускорения g.

Первичная каверна - пустота, близкая к физическому понятию абсолютный вакуум. Каверна всасывает в себя окружающую субстанцию с максимально возможной скоростью Vmax. С левой стороны она присасывается к телу торпеды. Со всех других сторон она всасывает в себя растворенный в воде воздух и пар, поскольку вода просто не может догнать торпеду с образовавшейся на ее задней поверхности каверной. Начинается процесс, который можно назвать «вакуумным выпариванием воды».

Данное утверждение навеяно стереотипным представлением о том, что кавитационный пузырек заполнен паром. Дальнейшие рассуждения приводят к заключению о неправомерности такого вывода. Пузырек заполнен туманом - водой, разорванной в мельчайшую водяную пыль. Какая сила разрывает воду в пыль? Ответ на этот вопрос мы найдем позже. Точно так же, на примере вакуумного взрыва и других физических явлений будет доказано, что величина гравитационного ускорения g не является величиной постоянной. Мы рассмотрим процессы доказывающие сказанное.

Отличительной чертой газов является отсутствие межмолекулярного притяжения. Элементарная частичка пара представляет собой единое целое только под действием давления окружающей среды. При перетекании в вакуум все составляющие частичку молекулы стремятся разлететься в пространстве. При попадании газообразного вещества в вакуум здесь устанавливается абсолютный хаос. Каждая молекула стремится двигаться прямолинейно, но всасывается в каверну под своим углом закручивания (вi). Молекула стремится догнать торпеду, но не может: в своем движении вперед торпеда образует все новые объемы вакуума. Сила трения и соударения вихрей в пограничной зоне каверны постоянно вырывает и разбрасывает в пространстве осколки хаотично движущегося высокоразреженного вещества. Испаряясь в вакуум, турбулентные завихрения своей гибелью обеспечивают постоянное воспроизводство вторичных высокоразреженных пустот в окружающем пространстве, которые образуют за торпедой кавитационный шлейф. Подведем итог: вода превращается в пар под всасывающим действием вакуума. Кавитационные пузырьки являются тому доказательством. И сделаем вывод: существует гидродинамический способ осуществления фазового превращения воды в пар (в отличие от известного термодинамического способа). Этот способ по мере возрастания скорости водного потока способен обеспечить постепенное уменьшение плотности воды в потоке вплоть до плотности пара. Непрерывное увеличение скорости потока - необходимое, но не достаточное условие уменьшения плотности воды. Оно должно осуществляться одновременно в направлении трех пространственных координат. Выводы, сделанные в формуле (1), необходимо уточнить. В векторной форме запишем:

Vmax = VXmax + VYmax + VZmax. (14),

Где VXmax, VYmax, VZmax - составляющие векторы в декартовой системе координат, величина каждого из которых вычисляется по формуле (1).

Для того, что бы снизить лобовое сопротивление транспортного средства перед его лобовой частью необходимо создать ускоренно расширяющийся в направлении трех осей Декартовой системы координат поток.

При кавитации, в соответствии с вышеприведенной аналогией из области термодинамики, начинается процесс скачкообразного гидродинамического фазового превращения воды в пар. Этот процесс можно назвать короче - вакуумное выпаривание воды. Так поступает ныне действующая гидродинамика. Здесь воду заставляют принудительно перетекать в вакуум с недопустимой для нее скоростью. При этом нарушается такое свойство «нормальной» воды, как инертность - способность перетекать в вакуум с определенной скоростью. Под «нормальной» водой подразумевается вода с нормальной плотностью.

Описанный здесь способ осуществляет постепенное уменьшение плотности воды во всасываемом потоке. При этом всасываемый поток воды перед носовой частью транспортного средства ускоренно расширяется в направлении трех пространственных координат. С уменьшением плотности происходит увеличение скорости перетекания разреженной воды в вакуум, что позволяет увеличить скорость движения транспортного средства без возникновения кавитации. С физической точки зрения этот процесс можно назвать гидродинамическим способом уменьшения плотности жидкости вплоть до постепенного фазового превращения воды в пар.



Рис. 3 В косяке все рыбы движутся в одном направлении друг за другом

Плыть в косяке энергетически выгоднее, если держаться точно за плывущим впереди хвостом, который оставляет после себя завихрения. Мелкие рыбы, виляя хвостом, закручивают воду в вихрь, движущийся в направлении только двух координат. При этом достигается некоторое снижение плотности воды в вихре.

Нос рыбы на правой фотографии направлен в центр турбулентного завихрения, который оставила за собой впереди плывущая рыба. Фотографии наглядно демонстрируют, что рыбы используют разреженное состояние воды в турбулентном вихре. Другая, более крупная рыба, создаст завихрение в трехмерной системе координат. Она сделает это самостоятельно без посторонней помощи и добьется при этом рекордного результата. Но об этом позже.

Один из способов уменьшения плотности воды перед транспортным средством.

Цель этого физического опыта заключается в увеличении скорости передвижения подводного аппарата путем рассасывания воды от его носовой части. Рассмотрим его принципиальную схему, представленную на рис. 4 в двух проекциях вид сбоку и вид спереди на экран.



Рис. 4 Принципиальная схема способа уменьшения лобового сопротивления подводного аппарата

В носовой части корпуса 1 неподвижно установлен съемный обтекатель 2. Для проведения сравнительных экспериментов были изготовлены два обтекателя:

- экспериментальный обтекатель в виде конусной поверхности с вогнутой образующей и

- выпуклый обтекатель, имитирующий традиционную форму обтекаемого подводного аппарата.

Гребной винт, состоит из диска 3, в котором установлены четыре лопасти 4. По наружному диаметру лопастей установлен кольцевой канал 5. Назначение кольцевого канала 5 заключается в необходимости предотвращения всасывания воды в радиальном направлении Vрад. Вся мощность двигателя направлена на создание всасываемого потока в двух основных направлениях. Всасывание воды винтом в направлении вектора Vгор обеспечивает создание двигателем силы тяги, которая обеспечивает передвижение модели в направлении горизонтального вектора V. Все остальные векторы передвижения элементарных частиц призваны объяснить сущность ускоренного расширения потока перед лобовой частью модели. Рассмотрим шесть смежных элементарных частиц a, b, с, d, e, f. На значительном расстоянии от винта частицы были неподвижными. По мере приближения подводного аппарата частицы начнут движение к двигателю. Первыми начнут движение частицы a, и b, , затем -частицы с и d. Частицы e и f некоторое бесконечно малое время будут оставаться неподвижными. То есть движение рассматриваемых частиц является ускоренным и расстояние между ними увеличивается. В направлении передвижения подводного аппарата. Для того чтобы уменьшить плотность воды необходимо обеспечить принудительное расширение всасываемого потока в направлении второй и третьей Декартовых осей координат. Это достигается в рассматриваемой конструкции. Под всасывающим действием винта каждая частичка движется по самой короткой траектории к лопасти в точках А и Б. Вектор скорости любой частички направлен так, как это изображено для частички a. Четыре лопасти рассасывают частички a, b, k, m в радиальном направлении от оси передвижения (см. вид спереди на экран). Способ обеспечивает перед двигателем ускоренное движение части в направлении трех декартовых осей координат, что обеспечивает уменьшение плотности воды перед подводным аппаратом. Причем, плотность уменьшается в результате направленного расширения элементарных частиц, а не хаотичного (как при нагревании), что ведет к значительному уменьшению энергоемкости процесса.

Уменьшение плотности жидкости является необходимым, но не достаточным условием снижения лобового сопротивления. Необходимо нейтрализовать действие динамического напора всасываемой жидкости на лобовую поверхность аппарата. Это достигается за счет выполнения обтекателя в виде конической поверхности с вогнутой образующей (см. рис. 5а, где дано увеличенное изображение вогнутого экрана и пропеллера, изображенных на рис.4). Рассмотрим сущность физического процесса. Движение молекулы с по поверхности вогнутого экрана происходит под всасывающим действием лопасти пропеллера 4. Молекула движется из точки с в точку а. Вектор скорости раскладывается на тангенциальную Vф и нормальную Vотс. составляющие. Отсасывание воды от экрана в направлении вектора Vотс ведет к увеличению расстояния между смежными молекулами от размера 2Д до размера (2Д + д), что обеспечивает дальнейшее уменьшение плотности жидкости. Зона дополнительного уменьшения плотности и снижения статического давления на рисунке выделена светло-голубым цветом. Одновременно за счет снижения величины статического давления уменьшается сила трения при протекании потока в направлении вектора Vф.

Эксперименты с комбинированным экраном, описанные в статье «Четвертый способ», показали эффективность протекания всасываемого потока над вогнутым экраном, но использование выпуклого участка в одном из экспериментов привело к тому, что подъемная сила полностью исчезла. Использование выпуклых поверхностей требует особого подхода и способно свести к нулю достигнутый результат. Рассмотрим роль уменьшения величины статического давления в рассматриваемом эксперименте на примере недопустимого конструкторского решения. Это - скутер, представленный на рис.1. На рисунке 5б представлена лобовая поверхность этого аппарата. Рассмотрим принцип, который был не ведом создателям скутера и который не позволил увеличить скорость передвижения.

Рис. 5 Уменьшение статического давления и уменьшение плотности жидкости в потоке составляют необходимое и достаточное условия для создания силы тяги на лобовой поверхности подводного транспортного средства, и зависит не только от скорости всасываемого потока, но и от формы лобовой поверхности

Рассмотрим схему протекания всасываемого потока над выпуклым обтекателем (см. рис. 5б и фотографию «скутера на рис. 1). Движение по выпуклому профилю принудительно отклоняет частичку от самой короткой траектории между точками С и А. Вектор Vс раскладывается на тангенциальную Vфсж и нормальную Vсж составляющие. На рис. 5а результирующий вектор определяется сложением составляющих векторов, а на рис. 5б результирующий вектор определяется, как разница векторов. Выпуклая поверхность принудительно отклоняет текущие по ней элементарные частички навстречу всасываемому потоку, уменьшая расстояние между смежными частичками до размера 2Д-д, увеличивая плотность воды, достигнутую при всасывании. Принудительное вталкивание рассматриваемой частички в разреженное пространство ведет к образованию зоны увеличенного статического давления, выделенной на рис 5б розовым цветом. Дополнительная сила тяги за счет использования энергии всасываемого потока в таком случае обречена на неудачу.

Описание эксперимента

Модель (см. рис. 6) представляет собой подводную тележку на четырех колесиках весом 1,36 кг; диаметр корпуса 63 мм. Тележка передвигается по металлической дорожке, угол наклона которой регулируется в направлении передвижения с целью компенсации силы трения качения. На модель попеременно устанавливался вогнутый и выпуклый обтекатель. Модель погружалась в воду, и включался электродвигатель. Во время экспериментов измерялось время прохождения одного и того же расстояния. Опыты показали: модель с вогнутым экраном превышала скорость модели с выпуклым обтекателем минимум на 11,4 %. Дополнительно необходимо отметить следующее. Двигатель имеет очень маленькую мощность. Средняя скорость передвижения подводного аппарата с выпуклым экраном составила 0,123 м/сек, и 0,137 м/сек - с вогнутым. Измерить плотность воды в потоке невозможно, но об этом свидетельствует окончательный результат - увеличение скорости подводного аппарата в проведенном эксперименте. Уменьшение плотности жидкости обосновано на теоретическом уровне.

Рис. 6 Фотографии экспериментальной модели с вогнутым экраном (рис.6а) и выпуклым обтекателем

В техническом плане изготовление подобного изделия не вызывает трудностей - обыкновенная механика. Возникает вопрос: «До каких пределов может быть уменьшена плотность воды?» Аналогов в технике автору обнаружить не удалось. Но он имеется в природе. Рассмотрим способ уменьшения плотности воды в другом более мощном физическом процессе.

Почему дельфин и современная техника завидуют меч-рыбе?

Абсолютным секретом для современной науки остается рекордсмен водного царства - меч-рыба. Рассмотрим принцип скоростного передвижения рыбы и некоторые, принципиально важные особенности конструкторского замысла Творца.

Передвигаясь в пространстве относительно оси движения X, рыба совершает два движения. Первое - волнообразное колебательное движение всем телом и хвостом в горизонтальной плоскости, знакомое каждому человеку, наблюдавшему за плывущей рыбой. И второе - синхронно с первым движением рыба качает головой в вертикальной плоскости вверх и вниз. Причем, кончик меча остается неподвижным относительно оси X. В качестве аналога можно рассматривать танк с гироскопической системой слежения за целью. Но у рыбы должен действовать внутренний динамометр, определяющий наименьший изгибающий момент силы, действующей на меч. Точное наведение кончика меча на «мнимую цель» обеспечивают малые плавники у хвоста, напоминающее оперенье стрелы. Ни у одной другой рыбы больше нет таких плавников. В результате меч и голова описывают в пространстве конусную поверхность. Скоростное передвижение рыбы поясняется рисунками 7. Амплитуда «мотания головой» А изменяется в зависимости от скорости. Для живого организма такое движение не является проблематичным. Человек тоже может идти по улице и крутить при этом головой, и у дятла голова не болит от перегрузок.

Рис. 7 Меч-рыба - венец Творения в области гидродинамики

Рассмотрим происходящий процесс. С постоянной скоростью 140 км/час (39 м/сек) меч рыбы врезается в неподвижную воду под углом атаки так, как это изображено на рис 7б. На минуту представьте себе, что она в таком положении и плывет. Под нижней поверхностью меча при такой скорости образуется затушеванная синим цветом первая высокоразреженная зона, которую в традиционной практике назвали бы суперкавитационной (на стр.4 мы рассчитали скорость перетекания воды в вакуум 14-19 м/сек). Но кавитация не возникнет. В результате вращательного движения вокруг оси Х меч опишет в пространстве кольцевую конусную поверхность. За вращающимся мечом возникает вторая - кольцевая зона (на рис. 4в затушевана голубым цветом). Величина скорости меча на разных участках зависит от радиуса конической поверхности. В средней части меча результирующая скорость двух движений (V = 39 и Vср = 7 м/сек), исчисленная по теореме Пифагора, может достигать величины 40 м/сек. С такой скоростью вслед за мечом вращается зона. Меч закручивает воду в спиральный вихрь. До этого места я привел стандартные размышления. Дальше начинается то, что можно назвать изюминкой способа. Итак, за мечом образовались две зоны, которые сольются в одну результирующую зону. Рассмотрим физический процесс, который не допускает возникновение кавитации на мече. Динамика процесса такова. Вращающийся по конусной поверхности меч, разделяет воду на два потока. Вода на наружной поверхности кольцевого конуса разбрасывается мечом в веерном направлении от оси Х. Из внутренней поверхности кольцевого конуса вода отсасывается от оси вращения Х в направлении стрелок Vвс. Вода ускоренно движется к зоне со скоростью перетекания воды в вакуум. Одновременно со скоростью Vср зона вместе с мечом движется навстречу всасываемому потоку. Результирующая скорость двух движений выражается формулой.

Vрез =Vвс+Vср.

С такой скоростью всасываемая частичка пронизывает вторую зону насквозь. Сталкиваясь с водой на наружной поверхности кольцевого конуса, рассасываемая вода усиливает веерное разбрасывание от наружной части кольцевого конуса. Этот процесс обозначен на рисунках красными стрелками. Столкнувшись с водой над наружной поверхностью кольцевого конуса, рассасываемый поток передает кинетическую энергию разбрасываемому потоку и силой трения увлекается в движение вдоль меча к голове. Рассасываемая вода не разбрасывается в радиальном направлении. Она удерживается на мече за счет уменьшения величины статического давления. Протекание разреженного потока над вогнутой поверхностью головы приводит к возникновению силы тяги. Осветим следующий важный фактор, дав ответ на вопрос: каков радиальный размер зоны? Сравним скорость передвижения рыбы V со скоростью перетекания воды в вакуум Vmax V / Vmax = 39 / 14 = 2,8

Это означает, что скорость движения рыбы в 2,8 раза превышает скорость возможного передвижения воды под всасывающим действием зоны. В радиальном измерении из этого следует вывод: если рыба сделает 2,8 оборота головой, то засасываемая мечом вода с нормальной плотностью за это время совершит всего один оборот, отставая от вращающегося меча на 1,8 оборота. На рис. 4 голубым цветом необходимо затушевать все поперечное сечение кольцевого конуса, причем не один, а почти 2раза. Это означает, что рыба продвигается через высокоразреженное водное пространство. Вода в силу своей инертности не успевает занимать пустоту, которую образуют меч и вогнутая поверхность головы. В своем движении рыба «окутывает» себя веретенообразным вихрем высокоразреженной воды.

«Конструктивные особенности» рыбы полностью совпадают с теоретическими принципами изложенной теории. Основные отличительные признаки рыбы - наличие меча, вогнутая форма ее головы, возможность крутить головой и др. отображены на нижеприведенных фотографиях.

Фот. 9. Пора сбрасывать «прилипший» разреженный поток - органы управления должны находиться в более плотной среде. Поэтому перед верхним килем вогнутая поверхность приобретает выпуклую форму (в соответствии с комментариями к рис. 3б). Нижние боковые плавники обеспечивают грубую корректировку положения рыбы в движении. Для них важна повышенная мощность поперечного движения. Гребенчатая выпуклая поверхность перед ними расслаивает и закручивает часть цельного вихря в шесть малых турбулентных вихревых потоков. От них и отталкиваются плавники (так от турбулентного вихря отталкивается хвостом рыбка на фот. 2). Жабры еще вогнуты: в этом направлении спешить незачем - разреженная оболочка над извивающимся телом уменьшит силу трения.



Рис. 8 Мечерылые явно могут крутить головой. Для этого у них должна быть шея

Рис. 9 Высокие плавники и хвост выходят за габариты разреженной зоны вокруг тела рыбы, обеспечивая регулируемое передвижение в пространстве

Места изменения кривизны и наклона плавников указывают на места, где плотность воды возвращается в нормальное состояние. Судя по малым размерам и по углу наклона, малые хвостовые плавники расположены в зоне, где вода возвращается к исходной плотности. Назначение этих плавников - обеспечить неизменное положение центра колебательных движений рыбы относительно траектории ее передвижения. Рыба должна обладать динамометрической системой слежения за отклонением кончика меча от траектории движения. Это обеспечивает наименьшее лобовое сопротивление. Аналогичную, но противоположную по своему назначению задачу выполняет гироскопическая система слежения за целью танка, ствол которого направлен в одну точку независимо от траектории его движения.

Принятые со времен Бернулли по сегодняшний день формулы гидродинамики не дают ответ на вопрос: «Что должна сделать рыба, чтобы плыть с такой скоростью. Ответ дает предложенная Вашему вниманию теория. Для того чтобы неподвижная до соприкосновения с рыбой вода успела сначала «расступиться» перед рыбой, а потом сомкнуться за ней без возникновения турбулентности и кавитации необходимо увеличить скорость перетекания воды в вакуум. Для этого необходимо средствами гидродинамики (а не термодинамики) уменьшить плотность воды. Сделать это можно только одним возможным для рыбы способом. Необходимо перед движущимся объектом создать ускоренно расширяющийся в направлении трех пространственных координат поток.

Голова и меч рыбы, по сути, представляют собой одно-лопастной центробежный насос, рассасывающий воду перед рыбой. При этом, вокруг меча возникает ускоренно расширяющийся конический вихрь. По мере продвижения рыбы вперед, закрученная в спиральный вихрь вода, поступает на выпуклую поверхность тела. Сила «сцепления» пропадает. И поток под действием центробежной силы сбрасывается в радиальном направлении. Выше было доказано, что ускоренно расширяющееся движение в направлении трех координат ведет к уменьшению плотности жидкости в потоке на теоретическом уровне. Следовательно, лобовая часть рыбы продвигается сквозь высокоразреженное водное пространство.

Почему за рыбой не возникает кавитация?

Причина возникновения кавитации в обычной практике заключается в следующем: продвигающееся через неподвижную среду традиционное тело носовой своей частью раздвигает воду, пытаясь сдавить ее в направлении трех осей системы координат. Но вода практически не сжимается. Смыкаясь за телом, вода заполняет освобождаемое пространство. При этом ее принудительно заставляют расширяться с катастрофически высокой скоростью, нарушающей ее инертность - способность перетекать в вакуум со скоростью 14 м/сек. В результате происходит разрыв целостности водного пространства. Рыба меч поступает наоборот. Закручивая своей лобовой частью воду в конусный расширяющийся вихрь, она отсасывает воду в радиальном направлении от оси передвижения, уменьшая плотность воды на своем пути. Уменьшение плотности на основании формулы (1) сопровождается увеличением скорости перетекания воды в вакуум до 39 м/сек. Порог, за которым возникает кавитация, отодвигается, что обеспечивает безкавитационное передвижение лобовой части рыбы. Вогнутая поверхность меча и головы рыбы нейтрализуют действие динамического напора рассасываемого потока, создавая силу тяги. Смыкающаяся за рыбой вода постепенно возвращается к нормальной плотности. Рыба делает наглядным эффективность уменьшения лобового сопротивления путем уменьшения плотности воды в ускоренном расширяющемся потоке по сравнению с усилением хаотичного Броуновского движения молекул. Если удастся средствами гидродинамики воду перед транспортным средством превратить в пар, то такой аппарат будет двигаться под водой быстрее современного самолета (плотность пара при одинаковом давлении меньше плотности воздуха). Рис.4 демонстрирует наиболее простую принципиальную конструкцию такого аппарата. На острие его носовой вогнутой поверхности при заглублении 10 м поток должен передвигаться со скоростью 19,8 м/сек, в направлении каждой из трех координатных осей. Результирующая скорость потока должна составить величину 28,8 м/сек или 103,7 км/час. Задача не такая простая, как может показаться на первый взгляд, но не относится к разряду невыполнимых. Все сказанное относится и к полету самолета. Не станем обсуждать радужные перспективы о передвижении в плотных слоях воздуха с космическими скоростями, (хотя теоретически это становится возможным). Однако следует сказать, что авиация уже сейчас имеет весьма существенный потенциал для повышения эффективности самолетов. Для этого необходимо обратиться к [6]. При описании эффекта Коанда автор пишет: «... изгибаемая воздушная струя засасывает воздух из окружающей среды и его количество может в двадцать раз превышать количество воздуха в самой струе...». На основании закона о сохранении количества движения из приведенной цитаты следует, что двадцати кратное уменьшение плотности воздуха в потоке достигается в процессе всасывания воздуха двигателем. Достигается, но не используется. Достаточно разместить двигатели в носовой части фюзеляжа. С целью нейтрализации динамического напора всасываемого потока нос фюзеляжа следует выполнить вогнутым, как у меч-рыбы. Рисунок (4) можно рассматривать как носовую часть одномоторного самолета. Вариантов существует много, а результат достигается один - уменьшение плотности воздуха перед фюзеляжем, по крайней мере, в 20 раз. И цель эта достижима уже сегодня. Да что там самолет, посмотрите на рис. 12. Вентилятор Дайсона это - меч-рыба наоборот. Вентилятор всасывает воздух вовнутрь кольца из неподвижной атмосферы (за счет силы трения скоростного воздушного потока, как утверждает изобретатель вентилятора). А меч-рыба отсасывает воду из аналогичного конусного кольца, который образует в пространстве ее меч. Дайсон продемонстрировал, что физика может быть иной. Автор называет его «умножителем воздуха». Моторчик мощностью в 40 ватт обеспечивает увеличение объема нагнетаемого вентилятором воздуха до 20 раз на выходе из вентилятора. Это означает только одно: в середине вентилирующего кольца достигается уменьшение плотности воздуха в 20 раз.

...