Способ перемещения замкнутой механической системы ударной волной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Способ перемещения замкнутой механической системы ударной волной

О.Ф. Меньших

Работа относится к физике ударных волн и может быть использована для экспериментальной проверки нарушения симметрии пространства - его однородности, возникающего при взаимодействии сферической ударной волны, распространяющейся в газах или жидкости, со стенками замкнутой механической системы при условии смещённого расположения источника ударных волн относительно центра симметрии системы и находящегося внутри неё.

Известно, что центр инерции механической системы может перемещаться в пространстве либо под действием приложенной к нему внешней силы, либо изменением во времени массы этой системы движущимися с некоторой скоростью частицами, падающими на систему или вылетающими из неё, то есть за счёт реактивной тяги. В последнем случае поступательное движение системы переменной массы без учёта приложения внешней силы, например, движение ракеты, описывается уравнением Мещерского:

m_С (dV_С/dt) = (V₁ - V_С) (dm_С/dt), (1)

где m_С и V_С - масса и скорость системы в рассматриваемый момент времени,

V₁ - скорость отделяющихся из системы частиц при условии dm_С/dt < 0 или присоединяющихся к ней при условии dm_С/dt > 0. Правый член уравнения (1) представляет собой действующую на систему реактивную силу F_P = (V₁ - V_С) (dm_С/dt) = u (dm_С/dt), где u = (V₁ - V_С) - скорость частиц по отношению к системе отсчёта, движущейся поступательно вместе с рассматриваемой механической системой.

Считается, что закон сохранения импульса р для замкнутой системы, на которую не действуют внешние силы, сохраняется неизменным, то есть dp/dt = 0, то есть р = const. В отличие от законов Ньютона, закон сохранения импульса справедлив не только в рамках классической механики, но также справедлив в квантовой механике, являясь фундаментальным физическим законом, так как связан с определённым свойством симметрии пространства - его однородностью. Однородность пространства проявляется в том, что физические свойства замкнутой системы и законы её движения не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчёта, то есть физические свойства замкнутой системы и законы её движения не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчёта, не изменяются при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы как целого (её центра инерции). Применительно к системам, описываемым классической (ньютоновской) механикой, закон сохранения импульса можно рассматривать как следствие законов Ньютона. Для замкнутой механической системы главный вектор внешних сил равен нулю, и из равенства F = dp/dt следует закон сохранения импульса:

n p = У m_iV_i = const,(2) i i = 1

где m_i и V_i - масса и скорость i-ой материальной точки системы, состоящей из n точек. Импульс системы p = m V_C, где m - масса всей системы, V_C - скорость её центра масс (центра инерции). Поэтому из закона сохранения импульса следует, что при всяких процессах, происходящих внутри замкнутой системы, скорость её центра масс не изменяется, то есть V_СО = const. Это означает, что изменение скорости движения V_СО связано с изменением массы системы (dm_С/dt ? 0). Закон сохранения импульса применительно к замкнутым механическим системам обусловливает известное положение о невозможности самодвижения таких систем под действием внутренних сил.

Последнее требует объяснения термина «внутренняя сила». Вообще любая сила, действующая на любую механическую систему (в том числе и замкнутую) образуется соответствующим источником силы, который может быть расположен как внутри, так и снаружи рассматриваемой механической системы. Если источник силы расположен внутри замкнутой системы, то по третьему закону Ньютона, сила действия на систему уравновешивается противоположно направленной и равной силой противодействия самого источника силы на эту систему, так что результирующий вектор силы, приложенный к центру инерции механической системы равен нулю, что и объясняет невозможность самодвижения такой системы под действием внутренних сил.

При этом подразумевается, что эти силы действия и противодействия существуют ОДНОВРЕМЕННО. В том случае, если имеет место не одновременное действие на замкнутую систему этих сил, создаваемых источником силы, расположенном внутри системы, утверждение о невозможности самодвижения замкнутой механической системы под действием внутренних сил не является очевидным. Указанная неодновременность действия на систему сил действия и противодействия, создаваемых источником силы, может возникать, например, действием ударных волн, создаваемых их источником, расположенным внутри системы со смещением к какой-либо её стенке (прочного корпуса) относительно геометрического центра симметрии этой системы, например, полого эллип-соида, заполненного газом или жидкостью, в котором расположен источник ударных волн в одном из полюсов эллипсоида. В качестве источника ударных волн можно использовать электрический разрядник, связанный с источником мощного импульсного электрического разряда, повторяющегося с заданной периодичностью и высокой скважностью q = T / ф_И, так что q >> 1, где T - период следования импульсов разряда длительностью ф_И.

Ударная волна - движущаяся по веществу поверхность разрыва непрерывности скорости течения, давления, плотности и др. величин. Ударная волна возникают при взрывах, детонации, при сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т.д. Например, при воздушном взрыве взрывчатых веществ образуются высоконагретые продукты, находящиеся под большим давлением. Продукты взрыва под действием давления расширяются, приводя в движение и сжимая сначала ближайшие, а затем всё более далёкие слои воздуха. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущённого, представляет собой ударную волну. Таким образом, мощный импульсный разряд в электрическом разряднике (двумя металлическим шарами, электрически связанными с источником импульсов) способен образовать сферически подобную ударную волну, распространяющуюся в газе или жидкости, заполняющей замкнутый сосуд, например, в форме сфероида, эллипсоида или трубки, во всех возможных направлениях со скоростью н.

Состояния вещества по обе стороны ударной волны: давление з, плотность с, скорость течения относительно ударной волны н и удельная внутренняя энергия е связаны так называемым соотношениями Ренкина-Гюгоньо:

с₂ н₂ = с₁ н₁; з₂ + с₂ н₂² = з₁ + с₁ н₁¹;

е₂ + з₂ / с₂ + н₂²/2 = е₁ + з₁ / с₁ + н₁²/2, (3)

которые выражают законы сохранения массы, импульса и энергии. Индексы 1 и 2 относятся соответственно к указанным в (3) величинам перед ударной волной и за ней.

Из системы (3) получаются следующие выражения для н₁ и н₂ и для скорости течения u относительно вещества перед ударной волной

н₁² = V₁² (з₂ - з₁) / (V₁ - V₂); н₂² = V₂² (з₂ - з₁) / (V₁ - V₂);

u = | н₁ - н₂ | = [(з₂ - з₁) (V₁ - V₂)]^1/2,(4)

где V = 1 / с - удельный объём), а также соотношение

е₂ - е₁ = (з₂ + з₁) (V₁ - V₂) / 2,(5)

которое называется уравнением ударной адиабаты или адиабаты Гюгоньо. Другая форма записи уравнения ударной адиабаты эквивалентна (3):

w₂ - w₁ = (з₂ - з₁) (V₁ + V₂) / 2,

где w - удельная энтальпия. Вместе с уравнением состояния в виде е = е(з, V) уравнение (5) выражает зависимость з₂ от V₂ и от параметров вещества перед ударной волной - з₁, V₁, то есть представляет собой функцию з₂ = Н(V₂, з₁, V₁), которую также называют ударной адиабатой или адиабатой Гюгоньо.

Вместе со скачком давления и плотности в ударной волне терпят разрыв и другие термодинамические величины, в том числе энтропия Е. Законы сохранения (3) формально допускают существование ударных волн как сжатия, так и разрежения. Однако, согласно второму началу термодинамики, реально осуществимы только такие ударные волны, в которых энтропия возрастает. Этому требованию удовлетворяют ударные волны сжатия и не удовлетворяет ударные волны разрежения, если всюду на ударной адиабате вторая изэнтропическая производная удельного объёма по давлению существует и положительна:

(?²V / ? з²)_Е > 0.(6)

Теория ударных волн в различных средах и их использование в технике рассмотрены в работах [1-6]. Ударные волны могут возникать как цунами, распространяющиеся по водной поверхности в результате землетрясений и вулканических взрывов под водой. Эти ударные волны распространяются одинаково во все направления, и, достигая земной поверхности, могут причинить большие разрушения на ней, либо не причинить никакого вреда, если эти участки земной поверхности существенно удалены от места зарождения цунами. Так именно произошло в марте 2011 года близ японских берегов, причинив катастрофические разрушения на Фукусиме, но совершенно не причинив никакого вреда американскому континенту, пройдя большой путь через Тихий океан. При этом, как показали измерения суточного вращения Земли, длительность суток незначительно изменилась из-за малого изменения угловой скорости вращения Земли, что означало несохранение момента импульса, если считать Землю как целое замкнутой механической системой. Из этого следует, что законы сохранения импульса и момента импульса оказываются справедливыми, когда силы действия и противодействия, приложенные к замкнутой системе изнутри неё, являются одномоментными, что характеризуется наличием жёстких (идеальных) связей источника ударной волны с системой.

По аналогии с событиями на Фукусиме можно обнаружить нарушение закона сохранения центра инерции замкнутой механической системы в том случае, когда сила действия на систему опережает силу противодействия во времени, что происходит, когда источник ударной волны смещён относительно пространственного центра симметрии, и ударная волна сначала действует на одну более близкую часть корпуса системы, а потом через некоторый интервал времени на противоположную более удалённую стенку системы. Если пренебречь потерями ударной волны в среде её распространения, можно показать, что будет соблюдаться закон сохранения импульса, и суммарный импульс, приложенный к центру инерции системы как интеграл по достаточно большому интервалу времени, оказывается равным нулю. Несмотря на это, положение центра инерции механической системы изменяется, так как под действием силы давления ударной волны на ближнюю часть корпуса система получит ускорение, а при запаздывающим действии ударной волны на удалённую часть корпуса система затормозится и остановится. Так как в момент зарождения ударной волны импульс механической системы был равен нулю, то и после остановки её импульс системы также остаётся равным нулю, что позволяет утверждать о неизменности импульса по мере завершения взаимодействия ударной волны со всеми частями корпуса системы. Перемещение центра инерции замкнутой механической системы при интегральном сохранении её импульса представляет интерес для теоретической и экспериментальной физики и нуждается в экспериментальной проверке, что и составляет предмет заявляемого технического решения.

Ближайшим аналогом заявляемого способа является реализующее его устройство - электромагнитный шаговый движитель, содержащий последовательно соединённые генератор импульсов с регулируемой частотой, D-триггер и пару токовых ключей, входы которых подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему выходам D-триггера, отличающийся тем, что выходы токовых ключей соединены соответственно с обмотками электромагнитов первого и второго активных элементов, закреплённых на концах коромысла с осью его вращения, а первый и второй активные элементы одинаковой конструкции состоят из немагнитной трубки, внутри которой расположены жёстко закреплённые между собой электромагнит и твердотельный звукопроводящий стержень, жёстко закреплённый на одном конце немагнитной трубки, на другом конце которой жёстко закреплена ферромагнитная пластина, расположенная от магнитных полюсов электромагнита с малым зазором, соизмеримым с удлинением твердотельного звукопроводящего стержня под действием магнитной силы электромагнита, обмотка которого соединена с соответствующим токовым ключом через соответствующую пару кольцевых контактов, установленных на оси вращения, причём первый и второй активные элементы закреплены к коромыслу так, что их ферромагнитные пластины располагаются по разным сторонам коромысла [7]. В этом устройстве ударная волна создаётся импульсным магнитным полем в электромагнитной системе и распространяется по корпусу устройства в виде немагнитной трубки и по твердотельному звукопроводящему стержню, так что импульс ускорения системы опережает импульс её торможения во времени, и система успевает переместить свой центр инерции в направлении действия ускоряющего импульса. Это используется при построении шагового движителя с микроперемещениями от каждого из действующих импульсов в электромагнитной системе.

Целью заявляемого технического решения является проверка нарушения симметрии пространства - его однородности, возникающего при взаимодействии сферической ударной волны, распространяющейся в газах или жидкости, со стенками замкнутой механической системы при условии смещённого расположения источника ударных волн относительно центра симметрии системы и находящегося внутри неё.

Указанная цель достигается в способе перемещения замкнутой механической системы ударной волной без нарушения закона сохранения импульса, в котором замкнутую механическую систему выполняют в форме полого сфероида, эллипсоида или трубки, заполненной газом или жидкостью, внутри которых устанавливают электрический разрядник, который связывают с высоковольтным генератором периодической последовательности мощных коротких импульсов с высокой скважностью, причём электрический разрядник размещают со смещением от геометрического центра симметрии механической системы вблизи от одной части её корпуса, при этом электрическим разрядником возбуждают квазисферическую ударную волну, создающую импульс ускорения механической системы давлением ударной волны на ближнюю к электрическому разряднику часть корпуса механической системы и импульс торможения давлением на противоположную часть корпуса механической системы, которые компенсируют друг друга к концу интервала времени полного взаимодействия ударной волны с механической системой, при котором импульс ускорения механической системы опережает по времени импульс её торможения.

Достижение поставленной цели в заявляемом способе объясняется действием второго закона Ньютона и неодновремённостью силового действия на замкнутую механическую систему - в её внутреннем корпусе - квазисферической ударной волной за счёт несимметричного, смещённого расположения внутри этой механической системы электрического разрядника относительно геометрического центра симметрии механической системы.

Заявляемый способ поясняется реализующим его устройством, вариант которого представлен на рис.1 и содержит следующие элементы и узлы: 1 - корпус механической системы в форме полого эллипсоида с общей длиной L, 2 - непроводящая электрический ток жидкость, заполняющая эллипсоид 1,. 3 - электрический разрядник из двух металлических шариков, центр разрядного промежутка которого расположен в фокусе эллипсоида 1 на расстоянии Х_О от фронтального конца эллипсоида 1, с выводами разрядника, изолированными от корпуса 1, 4 - накопительный высоковольтный конденсатор ёмкостью С (мкФ), 5 - высоковольтный источник питания постоянного напряжения, 6 - ограничительный резистор с сопротивлением R цепи заряда конденсатора 4 от ВИП.

Полная масса замкнутой механической системы в сборе равна m. Энергия W разряда в разряднике 3 определяется по формуле W = C U² / 2, где U - напряжение, до которого заряжается конденсатор С перед электрическим пробоем в разряднике 3. Эта энергия состоит из трёх её частей, создающих сферическую ударную волну, - волну ускорения системы с энергией W_У = б_О W / р, волны торможения системы с энергией W_Т = б_О W / р и волны, не создающей никакого импульса силы на систему, с энергией (р - 2 б_О) W / р. При этом W_У = W_Т, что определяет соблюдение закона сохранения импульса в течение периода Т следования разрядных импульсов, где Т ? (L - X_O) / v и v - скорость распространения ударной волны в жидкости 2, заполняющей эллипсоид 1.

На рис.2 приведены графики, характеризующие работу устройства.

На рис.2а показана периодическая последовательность импульсов U_P электрических разрядов, вырабатываемых в элементами 4, 5 и 6. Период следования импульсов равен Т. Скважность следования импульсов q = T / ф_И >> 1, где ф_И - длительность импульсов квазипрямоугольной формы, удовлетворяющая условию: «начало импульса торможения отстаёт от конца импульса ускорения».

На рис.2б представлен график ускоряющей механическую систему силы F₁(t) давлением ударной волны, падающей с задержкой ?Т₁ относительно фронта ударной волны, образующейся от разряда в электрическом разряднике 3, на фронтальную часть корпуса 1.

На рис.2в дан график тормозящей механическую систему силы F₂(t) давлением ударной волны на тыльную часть корпуса 1. Задержка ?Т₂ максимума этой силы торможения определяется размером L - X_O >> X_O, так что ?Т₂ >> ?Т₁. Площадь импульса ускорения равна площади импульса торможения, что и определяет равенство импульсов ускорения и торможения замкнутой системы за период Т, то есть интегральное соблюдение закона сохранения импульса (в не поглощающей среде 2).

На рис.2г приведён график перемещения центра инерции замкнутой механической системы при действии периодической последовательности ударных волн в жидкости 2 внутри корпуса 1 при работе электрического разрядника 3. В каждом акте перемещения соблюдается закон сохранения импульса, так как к концу каждого периода Т механическая система останавливается, но уже находясь в другом месте пространства, что согласуется с принципом однородности пространства - физические свойства замкнутой системы и законы её движения не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчёта, то есть физические свойства замкнутой системы и законы её движения не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчёта, не изменяются при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы как целого.

Рассмотрим операционную сущность заявляемого способа на примере работы реализующего способ устройства, представленного на рис.1.

Смещение центра инерции замкнутой механической системы под действием ударных волн, возбуждаемых от их источника, расположенного смещённо относительно геометрического центра симметрии внутри корпуса механической системы, происходит за счёт импульса силы давления р₁ на фронтальную часть корпуса механической системы (на дуге между точками А и В) с последующей остановкой последней за счёт импульса силы давления р₂ на её тыльную часть при отсчёте слева от вертикали для х = L / 2 - X_О (на дуге С, Е. D), где р₁ + р₂ = 0 согласно закону сохранения импульса, так как р₁ = - р₂.

Кинетическая энергия W механической системы связана с движущим её импульсом р соотношением: W = р² / 2 m, где m, - масса системы. Эта энергия равна W = m V_С² / 2, ДT и при этом импульс внешней силы р = ? F(t) dt = m V_С, где F(t) - действующая на систему 0 внешняя сила как функция времени, ДT - интервал времени действия внешней силы, V_С - - полученная системой скорость её движения за интервал ДT. Таким образом, затраченная на создание движения системы массой m со скоростью V_С энергия W явным образом определяется величиной импульса р. Связь импульса силы и количества движения определяет второй закон Ньютона F(t) = m a(t), где a(t) - мгновенное значение ускорения системы под действием внешней силы.

Рассмотрим замкнутую систему, включающую жёсткий корпус 1 в форме полого эллипсоида с внутренней длиной L заполненного упругой электронепроводящей жидкостью 2, и установленный в ней излучатель 3 ударной волны (импульсный электрический разрядник), расположенный в фокусе эллипсоида со смещением (L/2) - Х_О от центра симметрии эллипсоида (от точки О) к одной из его стенок (фронтальной, между точками А и В) и возбуждаемый от цепи из элементов 4, 5 и 6 периодической последовательности мощных коротких импульсов с высокой скважностью.

При этом ударная волна, распространяющаяся в упругой среде за счёт электрического разряда, двигается во всех направлениях в форме квазисферической ударной волны, достигая стенок корпуса системы в различные моменты времени и оказывая соответственно различное давление на различные участки стенки корпуса системы. Величина этого давления явным образом зависит от угла падения б на стенку корпуса вектора скорости ударной волны, от величины её амплитуды в рассматриваемой точке (например, в точке Е) расположения дифференциального сечения dS(б), расположенного на удалении ?(б) от центра образования ударной волны в разряднике 3, где б - направляющий угол движения ударной волны относительно большой оси эллипса с длиной L.

При этом будем отсчитывать угол б относительно горизонтальной оси эллипса для левой и правой частей от фокуса эллипса для показанного на рис.1 центрального сечения эллипсоида, и тогда б = 0 при совпадении вектора скорости v ударной волны с отрезком Х_О, лежащем на большой полуоси эллипса. Величина угла б ограничена углом б_О из-за геометрических размеров металлических шариков разрядника 3.

Различие моментов времени воздействия ударной волны на различные участки стенки корпуса 1 системы просто определяется различием расстояний ?(б) от центра образования ударной волны до рассматриваемого участка - дифференциального сечения dS(б). Так, при известной скорости н распространения звуковой волны в заданной среде 2 моменты времени t_r прихода ударной волны к дифференциальному сечению dS(б) от момента электрического разряда t_О вычисляются как t_r = t_О + ?(б) / н. В частности, ударная волна до ближайшей точки на внутренней поверхности корпуса придёт с минимальной временной задержкой Дt_MIN = Х_О / н, и на рис.2б этот интервал обозначен как ?Т₁, а до наиболее удалённой точки с максимальной временной задержкой Дt_MАХ = (L- - Х_О) / н, которая на рис.2в обозначена как ?Т₂, и разница во времени воздействия ударной волны на эти противоположные точки корпуса составит ДТ = Дt_MАХ - Дt_MIN = ( L- - 2 Х_О) / н = ?Т₂ - ?Т₁. Учитывая, что всегда соблюдается условие Х_О < L / 2, добиться увеличения значения ДТ можно путём увеличения длины корпуса L при одновременном снижении длины Х_О и применением среды 2 с минимально возможной скоростью н распространения ударной волны в такой среде.

Приведём ниже некоторые соотношения для исследуемого процесса: (x² / a²) + (y² / b²) = 1 или x = a cos ? у = b sin ? - уравнения эллипса, dS(б) = 2р ?(б) sin б dr(б) = 2р r(б) dr(б) - дифференциал площади кругового пояса эллипсоида, dF(б) = з(б,t) dS(б) - дифференциал силы давления з(б,t) ударной волны, dF(б)₌ = 2р r(б) з(б,t) cos б dr(б) - дифференциал силы торможения системы, у(б) = - r(б) = ?(б) sin б - координата для произвольной точки Е на эллипсе, х(б) = - a [1 - (y(б) / b)²]^1/2 = (L/2 b) [b² - r(б)²]^1/2 - координата для точки Е на эллипсе, b = [X_O (L - X_O)]^1/2 - длина малой полуоси эллипса. При угловой симметрии потока ударной волны з(б,t) = з(t) = const (б) для полного импульса силы ускорения р_у и торможения р_Т (равных по модулю в не поглощающей среде 2) имеем выражения: t* р/2 T рр_У = 2р ? з(t) dt ? r(б) sin б dr(б), р_Т = - 2р ? з(t) dt ? r(б) sin б dr(б), (7) 0 0 t* р/2 где t* = b² / a v, v - скорость ударной волны в жидкости; так что суммарный импульс р_У системы за период Т равен р_У = р_У + р_Т = 0, и закон сохранения импульса в замкнутой механической системе сохраняется. При этом имеем в виду, что давление ударной волны з(t) падает пропорционально кубу радиуса ?(б) её сферического распространения в жидкости 2, то есть оно велико на фронтальной части корпуса 1 (на дуге А В) и заметно уменьшается на тыльной его части (на кривой C Е D), где ?(б) = v t при v = const(б).

Момент времени t* в выражениях (7) выбран по условию, что б = р / 2. На самом деле начало действия импульса на фронтальную часть корпуса 1 (эллипсоида) возникает в момент времени t_1Н = X_O/ v, отсчитываемый от начала разрядного электрического импульса длительностью ф_И и заканчивается в момент времени t_1К = ?(б_О) / v + ф_И ? t*, а момент начала действия импульса торможения равен t_2H = ?(р - б_О) / v ? t*, и он заканчивается в момент времени t_2К = [(L - X_O) / v] + ф_И ? T, как это видно на рис.2б и 2в.

В сфероподобном поясе эллипсоида 1, ограниченном вертикальными сечениями АВ и СD на стенки корпуса 1 системы давление ударной волны не действует, так как волна заслоняется металлическими шариками разрядного контура 3 и на них приходятся силы давления соответственно вверх и вниз в вертикальном сечении (фокальном параметре), равные по величине и противоположно направленные, то есть не создающие какого-либо импульса, воздействующего на механическую замкнутую систему в целом в течение времени действия разрядного электрического импульса пробоя жидкости 2 между металлическими шариками разрядника 3, но при этом бесполезно расходуется часть энергии раз-ряда W.

Нетрудно понять, что указанная потеря энергии составляет W_ПОТ = W (1 - 2 б_O/р ), и тогда энергия ускорения системы и её торможения (равные по величинам) соответственно равны W_У = W_Т = б_О W / р. Например, при б_О = р / 3 получим W_У = W/3 = = С U² / 6. При С = 10 мкФ и U = 100 кВ имеем энергию ускорения W_У = 16,7 кДж. Если масса системы m = 10 кг, то в силу известного равенства W_У = р_У² / 2 m находим значение импульса ускорения р_У для рассматриваемого примера р_У = (2 m W_У)^1/2 = 577,4 кг_*м/с. Так как р_У = m V_C, где V_C - приобретённая скорость системы под действием импульса ускорения, которая равна для данного примера V_C = 577,4 / 10 = 57,7 м/с, а движение системы можно полагать равноускоренным, то средняя скорость такого движения равна V_CР = V_C / 2 = 28,8 м/с. Если импульс разряда имеет длительность около ф_И = 10 мкс, то за это время система переместится на расстояние ?Х = V_CР ф_И = 0,29 мм, и далее будет продолжать движение по инерции с замедлением под действием импульса торможения р_Т, пройдя в целом путь около 1 мм за период Т следования импульсов разряда с мощностью разрядного импульса Р_И = W / ф_И = 50 кДж / 10 мкс = 5 ГВт. Если скорость движения ударной волны принять равной v =1000 м/с, то при L = 0,55 м и Х_О = 5 см, то минимальное значение периода Т следования импульсов разряда определяется по формуле Т = (L - X_O) / /v + ф_И = 0,5 / 1000 + 10 - ⁵ = 0,51 мс. Это означает, что частоту следования импульсов разряда можно иметь не более 1,96 кГц, затрачивая при этом среднюю мощность подзаряда накопительного конденсатора более 100 МВт. При таком темпе следования разрядных импульсов получаем среднюю скорость перемещения центра инерции замкнутой механической системы V_S = 0,001 м / 0.51 мс ? 2 м/с. Полученный результат такого движения, конечно, не впечатляет с учётом малой массы системы и огромной затраты энергии на её движение. Однако, дело в принципе, так как подтверждается возможность движения замкнутой механической системы под действием внутренних сил, в данном случае от действия периодической последовательности ударных волн.

Такое не утешительное положение можно поправить, применяя жидкость 2 с достаточно большой вязкостью, что обеспечит НЕРАВЕНСТВО импульсов действия и противодействия, когда р_У > р_т вследствие того, что (L - X_O) >> X_O, и потери энергии ударной волны в такой среде растут с дальностью её распространения. В этом случае возникает ситуация, когда система не останавливается от каждого импульса разряда, а продолжает двигаться, например, с ускорением в о = 0,2 мм/с / 0,51 мс ? 0,4 м / с², и тогда система, двигаясь с таким ускорением, достигнет скорости в 100 км/час за 69,5 с, то есть немного больше одной минуты. Это позволяет надеяться на возможность сверхдальних космических полётов, что могли использовать инопланетяне, если они действительно когда-то в далёком прошлом посещали Землю, имея восполняемый запас энергии, например, из вакуумного поля. Отметим, что указанные акты поступательного перемещения центра инерции замкнутых механических систем, подобных рассмотренной, совершаются при соблюдении закона сохранения энергии, поскольку это перемещение сопровождается затратой электрической энергии для образования последовательности ударных волн. Сам акт перемещения не изменяет потенциальной энергии, запасаемой механической системой, и затрачиваемая при электрических разрядах энергия превращается в тепловую в процессе диссипации ударных волн в вязкой среде, в которой эти ударные волны распространяются (в системе предусматривается циркуляция жидкости 2, не указанная на рис.1).

Интересно отметить, что стохастическое движение наночастиц вещества, помещённых в вакуум (когда отсутствует классическое броуновское движение) и в состояние невесомости (например, в космическом полёте по стационарной орбите) [8,9], в определённом смысле адекватно заявляемому способу. Действительно, если каждую из таких наночастиц рассматривать как замкнутую систему, внутри которой хаотически движутся в тепловом поле молекулы и атомы вещества, каждый из которых сообщает при этом движении на кристаллическую решётку соответствующий импульс силы, то при взаимной НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ этих импульсов в каждый данный момент времени становится понятным хаотическое скачкообразное движение таких наночастиц. Среднее значение такого перемещения наночастицы за достаточно большой промежуток времени стремится к нулю, то есть центр инерции не смещается, однако дисперсия таких хаотических перемещений наночастицы пропорциональна времени наблюдения, как в броуновском движении. Иначе говоря, движение наночастиц также, как в рассматриваемом способе, происходит под действием внутренних сил, действующих внутри наночастицы как замкнутой системы.

Поскольку в рассматриваемой замкнутой механической системе действуют на стенки корпуса 1 только внутренние силы, организованные ударными волнами внутри самой системы, а система однонаправлено скачкообразно перемещается в пространстве или даже движется с ускорением при использовании вязкой среды с тепловыми потерями на трение частиц жидкости при соблюдении закона сохранения импульса, то это кажущееся противоречивым обстоятельство означает, что законы сохранения импульса и центра инерции замкнутой механической системы не адекватны друг другу в случае, когда система характеризуется не идеальными (не жёсткими) связями и импульсы уско-рения (тяги) и торможения разделены во времени из-за смещённого расположения источ-ника ударных волн внутри корпуса системы. В механической системе с идеальными связями закон сохранения импульса означает, что система не может быть приведена в движение с перемещением её центра инерции в пространстве под действием внутренних сил, и при этом законы сохранения импульса и центра инерции адекватны друг другу.

Таким образом, в рассматриваемой системе с запаздыванием импульса торможения относительно импульса ускорения (тяги) оказывается возможным движение замкнутой механической системы под действием её внутренних сил (и без перераспределения масс внутри механической системы), что не противоречит фундаментальным законам сохранения энергии и импульса, но делает неадекватными законы сохранения импульса и центра инерции. Последнее не должно удивлять, поскольку произвольное положение тела в пространстве (в состоянии относительного покоя) никоим образом не определяет его энергетику и соответствует указанному выше понятию симметрии пространства. Действительно, при отсутствии трения работа действием внешних сил по перемещению системы (не замкнутой) из одной точки пространства в другую не совершается. В рассматриваемой замкнутой системе трение считается отсутствующим (не действуют внешние силы) и система движется скачкообразно под действием только внутренних сил (без учёта вязкости среды!). При этом в замкнутой системе затрачивается энергия электрических разрядов, образующих ударные волны, которая превращается частично в кинетическую энергию движения системы, а частично в тепловую энергию, рассеиваемую в вязкой среде.

Если учитывать потери кинетической энергии ударной волны в вязкой среде, как это имеет место для цунами, амплитуда волны которых уменьшается с ростом дальности распространения волны, то импульс торможения становится меньше импульса ускорения, и система при циклическом действии электрических разрядов будет приходить в ускоренное движение без остановки в каждом цикле. Это означает, что закон сохранения импульса в системах с запаздыванием соблюдается интегрально, но не в коротких промежутках времени (во временных дифференциалах), что является важным физическим результатом.

Указанный принцип самодвижения замкнутой системы опубликован в [10].

Рассматриваемый принцип самодвижения замкнутой системы под действием только внутренних сил с запаздыванием импульса торможения относительно импульса ускорения, а также с учётом диссипации энергии в вязкой среде, при которой импульс ускорения становится больше импульса торможения, может быть использован в космических аппаратах для коррекции орбит и организации ускоренного движения без выбрасывания во внешнее пространство топливных масс, как это характерно для реактивных двигателей. Последнее особенно ценно применительно к длительной космической навигации будущей космонавтики, когда станет возможным черпать энергию из внешней среды (вакуумного поля) по неизвестному пока науке физическому механизму.

ударный волна закон физика

Литература

1. Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., M., 1966;

2. Ступоченко E. В., Лосев С. А., Осипов А. И., Релаксационные процессы в ударных волнах, M., 1965;

3. Beликович А. Л., Либерман M.А., Физика ударных волн в газах и плазме, M., 1987;

4. Кузнецов H. M., Устойчивость ударных волн, "УФН", 1989, т. 159, в. 3, с. 493;

5. Альтшулер Л. В., Применение ударных волн в физике высоких давлений, "УФН", 1965, т. 85, в. 2, с. 197;

6. Аврорин E. H. [и др.], Мощные ударные волны и экстремальные состояния вещества, "УФН", 1993, т. 163, № 5, с. 1;

7. Меньших О.Ф., Электромагнитный шаговый движитель, Патент РФ № 2409885, опубл. в бюлл. № 2 от 20.01.2011;

8. Меньших О.Ф., Прибор для наблюдения броуновского движения в вакууме, Патент РФ № 2343513, опубл. в бюлл. № 01 от 10.01.2009;

9. Меньших О.Ф., Прибор для регистрации хаотического движения ферромикрочастиц в вакууме в состоянии невесомости, Патент РФ № 2359249, опубл. в бюлл. № 17 от 20.06.2009.

10. Меньших О.Ф. К вопросу о возможности безопорного движения, Allbest/ru, База знаний, 04.06.2017.

Размещено на Allbest.ru