Глава 7 Компенсация веса тела

Конструирование движителей нового типа требует уточнения понятия «открытой и закрытой физической системы», системы отсчета. Повод для размышлений дает тот факт, что вес тела, находящегося на поверхности планеты, зависит от места взвешивания. Поскольку планета вращается, то на все тела действует центробежная сила, и ее максимальное значение соответствует положению тела на экваторе. По данной причине, космодромы для реактивных ракет целесообразно размещать ближе к экватору.

Можно ли получить «отрицательный вес» тела, за счет приложения центробежной силы? Ответ положительный: сила веса может быть компенсирована, и преодолена любой другой силой, в том числе, центробежной силой, создаваемой при вращении тела.

Например, вращение тела в вертикальной плоскости дает полную компенсацию веса в верхней половине траектории, и увеличение веса на величину центробежной силы, в нижней части траектории, рис. 25.

Рис. 25. Изменение веса при вращении тела в вертикальной плоскости

Фактически, вращение груза в вертикальной плоскости, при достижении определенной скорости вращения, способно поднимать весь движитель, отрывая его от земли, во время «верхней половины» цикла. Следовательно, принципиальных проблем нет. Техническая задача состоит в том, чтобы конструктивно обеспечить движение рабочей инерциальной массы по такой траектории, которая дает эффект компенсации веса тела на большей части цикла движения. Например, колебания груза обычного маятника происходят в нижней части цикла, как показано в левой части рис. 26. Процесс колебаний перевернутого маятника показан в правой части рис. 26. Механизм действия «перевернутого маятника» несложный, но его сотни лет изучали как удивительное явление!

Рис. 26. Обычный маятник и перевернутый маятник

В 1873 году, идея использования перевернутого маятника для строительства летающего аппарата рассматривалась Циолковским, ему тогда было всего 16 лет. Циолковский предлагал использовать для создания движителя два перевернутых маятника, машущих синхронно, во встречных направлениях. Данный эксперимент с парой перевернутых маятников легко организовать, и он показывает наличие импульсных сил. Динамическая стабилизация перевернутого маятника подробно изучалась Академиком П. Л. Капицей в 1951 году [10]. Экспериментальное устройство с кривошипным приводом, построенное для данных экспериментов, рис. 27, получило название «маятник Капицы». Особенностью маятника Капицы является то, что перевернутое (вертикальное) положение маятника может быть устойчивым, в случае быстрых вибраций подвеса.

Рис. 27. Маятник Капицы

История открытия уходит в прошлое: первые наблюдения данного явления были опубликованы еще в 1908 г. А. Стефенсоном [11]. Современные исследования аналогичных процессов ведет Профессор Евгений Дмитриевич Сорокодум, автор многих научных статей и интересных экспериментов по вихревым и колебательным процессам [12]. Не будем углубляться в теорию данного процесса, полагая, что основную роль в колебательных процессах перевернутого маятника играют центробежные силы, которые частично компенсируют вес устройства. Мы рассматривали аналогичные явления, показанные на схемах рис. 25 и рис. 16.

Странно, но я не нашел в работах П. Л. Капицы идеи о том, что, повышая частоту колебаний перевернутого маятника, то есть, скорость движения рабочей массы, можно ожидать полной компенсации веса устройства, и даже создание значительной силы тяги, действующей в заданном направлении. Тем не менее, идея простая и работоспособная. Величина силы тяги, в соответствии с законом Ньютона, формула F. 1, зависит не столько от массы, сколько от скорости, так как ускорение пропорционально квадрату линейной скорости. По этой причине, целесообразно работать с малой массой, но на большой скорости, то есть, создавая колебательные процессы высокой частоты.

Существует похожие устройства, которые называют «вибрационные гироскопы». Обычно, они применяются для измерения угловой скорости поворота, при криволинейном движении. Другое применение – создание движущей силы, в настоящее время мало изучено, хотя примеров вибрационных движителей в природе достаточно, чтобы обратить на них внимание. Высокочастотные вибрационные процессы могут быть созданы за счет пьезоэлектрических и других приводов. Пьезоэлектрические системы интересны тем, что они потребляют мало энергии, и могут работать на очень высоких частотах.

Перейдем к другому варианту использования центробежных сил, компенсирующих вес тела. Представим простой эксперимент: мысленно поместите в сферу вращающийся металлический шарик. Допустим, что он приводится в движение не внутренними силами, а внешними полями, например, вращающимся магнитным полем трехфазной системы катушек, расположенной вокруг сферы. Привести во вращение шарик можно и круговыми колебательными движения самой сферы. Вы можете сами провести данный эксперимент, поместив горошину в полусферическую (конусную) чашку. При создании колебательных круговых движений чашки, горошина ускоряется, вращается по внутренней стороне чашки, поднимаясь все выше и выше. Она стремится перейти на орбиту большего радиуса, что вызвано действием центробежной силы. При достаточно большой скорости вращения, горошина вылетает из чашки.

Зададимся целью использовать данный эффект. Напомню старый цирковой трюк: «мотоциклист в шаре». На рис. 28 показаны три траектории мотоциклиста, катающегося по внутренней поверхности сферы. В первом случае, мотоцикл движется по поверхности нижней полусферы, с постепенным увеличением радиуса, а на больших оборотах – вращается по экватору, траектории максимального радиуса.

Рис. 28. Движение «рабочего тела» по внутренней поверхности сферы

На рисунке в центре рис. 28, показана траектория движения мотоцикла по экватору сферы. В цирке, при выходе мотоциклиста на траекторию экватора, половинки сферы разъединяли, а нижнюю полусферу опускали, что вызывало искренний восторг публики! Более всего, нас интересует гипотетическая ситуация, показанная в правой части рис. 28. При данной траектории движения «внутреннего рабочего тела», на данное тело должна действовать вертикальная составляющая некой силы, компенсирующей его вес. На корпус устройства (полусферу), в данном случае, будет действовать реактивная сила, направленная вверх.

Представляется возможным создать движитель, использующий данный принцип. При конструировании, необходимо учесть силы трения в точке соприкосновения внутренней поверхности сферы и движущейся рабочей инерциальной массы.

Рассмотрим еще несколько теоретических моделей. На рис. 29 показана схема импульсного движителя, в котором используется два или более вращающихся грузов. Вдоль оси вращения расположен электромагнит, периодически втягивающий сердечник. Поскольку вращающиеся грузы и сердечник связаны гибкой тягой, то движение сердечника вниз происходит с усилием, так как необходимо перевести вращающиеся грузы с орбиты большего радиуса на орбиту меньшего радиуса.

Рис. 29. Импульсный движитель Фролова

Взаимодействие сердечника и катушки электромагнита происходит в соответствии с законом сохранения импульса, поэтому усилие на перемещение сердечника электромагнита передается корпусу, который получает реактивный импульс тяги вверх. Возврат грузов на орбиту большего радиуса происходит без усилий, если электромагнит выключен. Таким образом, данное устройство способно «рывками» подтягиваться вверх. Полагаю, что экспериментальная проверка данной концепции покажет хорошие перспективы внедрения данной технологии в аэрокосмической технике. Еще одна идея использования центробежной силы, сжимающей пружину, показана на рис. 30.

Рис. 30. Пара грузов на плоских цепях

Грузы соединены с осью вращения плоскими цепями, не передающими осевое усилие. Без вращения, грузы лежат на дне корпуса, а пружина расслаблена. При вращении оси, например, электроприводом, грузы приходят в движение, поскольку плоские цепи передают крутящий момент. При определенной скорости вращения, грузы выходят на орбиту наибольшего радиуса, натягивая плоскую цепь, которая их соединяет. Натяжение цепи приводит к сжатию пружины, которая упирается в корпус. Теоретически, предполагается, что корпус получит импульс, в процессе сжатия пружины. После ее сжатия, на корпус оказывается только постоянное давление. Упругое сжатие пружины обеспечивается центробежными силами. Аналогично предыдущему варианту конструкции, можно организовать импульсный режим работы, например, за счет периодического изменения скорости вращения грузов, или другим способом. Грузов в схеме, показанной на рис. 30, может быть несколько.

Можно предложить еще много теоретических моделей, основанных на похожих принципах, но теория без практики не имеет коммерческого смысла. Предлагаемые конструкции несложные, дешевые по себестоимости для любой мощности привода, интересно было бы их проверить экспериментально.

Перейдем к примерам известных реальных движителей, уже проверенных на практике, в которых используются инерциальные эффекты.