Возникновение внутренней силы в устройствах типа БМ-28

При выборе соответствующих устройств я буду руководство­ваться идеей, чтобы они отличались наибольшей простотой, наглядностью и доступностью. Это обстоятельство мне пред­ставляется крайне важным: я придаю особое значение тому, чтобы каждый желающий мог легко повторить эксперимент и убедиться в правильности выводов ОТ. Принципиальная схема механического БМ описана в книге [21, с.214]. Простей­шим устройством подобного рода могут служить, как уже говорилось, два соударяющихся тела. Однако удар - это слишком грубый процесс, другой недостаток простого удара - его однократность.

Очевидно, что надо осуществить непрерывный круговой процесс изменения состояния движения тела, повторять его быстро и многократно, тогда получится безостановочно дей­ствующая внутренняя сила, которую нетрудно измерить. На­пример, соответствующий процесс возникает в случае мягкого удара, если заставить тело двигаться с переменной скоростью по схеме, показанной на рис. 17, а.

Для конкретности предположим, что в зоне А тело имеет большую скорость v_А, в зоне С - малую v_С, а в зонах В и D - промежуточную v_В и v_D, ибо в зоне В тело тормозится, а в зоне D разгоняется и затем вновь приходит в исходное состояние А. Чтобы детально проанализировать силовую ситуацию в этих условиях, надо знать закон изменения скорости и интегрировать процесс по всей окружности. Однако для грубого качественного анализа вполне достаточно ограничиться рассмотрением лишь четырех наибо­лее характерных зон – А, В и С и D.

В зонах А и С скорости изменяются мало, поэтому ускоре­ниями можно пренебречь и ориентироваться на первое равен­ство (237) и уравнение (329). Согласно этим уравнениям, центробежная сила тела в зоне А претерпевает максимальное хрональное уменьшение на величину Р_хА, а в зоне С - минимальное на величину Р_хС (рис. 17, б). Реакция опоры, не имею­щей такой высокой скорости, как тело, испытывает пренебре­жимо малые хрональные изменения. Поэтому в системе появляется за цикл (за один оборот) нескомпенсированная внутренняя (хрональная) сила Р_хх = Р_хА - Р_хС, действующая со стороны опоры и направленная вверх.

Что касается зон В и D, то здесь на эффект скоростного ослабления центробежной силы накладывается также эффект, обусловленный ускорением. О последнем эффекте можно судить по второму равенству (237) и уравнению (328). При симмет­ричном процессе скорости и ускорения в зонах В и D одинаковы по величине и противоположны по знакам, поэтому нескомпенсированные силы гасят друг друга (Р_хВ = - Р_хD). В результате равнодействующая всех четырех сил за цикл остается равной Р_хх.

На первый взгляд может показаться, что эта сила должна быть направлена вниз, то есть в сторону, где скорость и центро­бежная сила тела максимальны. Чтобы такого ощущения не возникало, надо не упускать из виду, что речь идет не о самой центробежной силе Р_ц, а только о ее хрональном уменьшении, избыточные же по отношению к хрональным силы благополуч­но гасятся внутри системы. При этом направление хрональной силы Р_хх от направления вращения тела не зависит, оно целиком определяется относительной ориентацией максималь­ной и минимальной скоростей: сила Р_хх всегда направлена в сторону минимальной скорости. Это важно помнить при обсуждении опытных данных.

На примере группы механических явлений (и БМ) полезно еще раз оговорить разницу, существующую между малой скоростью хода (малым ходом, малым отрезком) реального времени dJ, входящей в уравнения (312), (315) и т.д., и уско­рением (изменением, приращением) хода реального времени dJ, входящим во второе равенство (237). Ускорение хода времени всегда обусловлено только изменением (приращением) хронала (второе равенство (237) и уравнение (328)), а ско­рость хода времени обычно рассматривается при постоянном значении хронала или приводится к нему, то есть к постоян­ному ходу реального или эталонного времени.

Описанный круговой процесс можно осуществить с помощью самых различных механизмов. Например, можно применить простейшее устройство БМ-28 (рис. 17, в), в котором шарики, ролики или стерженьки 1 катятся или скользят по кольцу 2, скрепленному с корпусом электродвигателя 7 [9, с.44]. Водилом служит диск 3 с отверстиями 4, насаженный на вал 5 двигателя. Ось кольца 2 смещена относительно оси двигате­ля на величину d. При равномерном вращении двигателя в зоне А шарики катятся на большем радиусе, чем в зоне С, поэтому обладают большей скоростью. Для общего повышения скорости шариков путем уменьшения их трения о кольцо в ка­честве последнего целесообразно использовать соответствую­щий шариковый или роликовый подшипник, состоящий из подвижного кольца 2 и неподвижного 6.

Если бы хрональный эффект отсутствовал, тогда центробеж­ная сила Р_ц изменялась бы симметрично относительно нулевой линии, изображенной на графике рис. 17, г горизонтальными штрихами, а все устройство работало бы как обыкновенный вибратор. Наличие хронального эффекта приводит к появлению нескомпенсированной силы Р_хВ, направленной вверх, что равносильно смещению на графике нулевой линии вниз. Вообще, в данном устройстве сила Р_хВ всегда ориентирована в сторону, обратную эксцентриситету d кольца, и при перемене направле­ния вращения мотора не изменяется. Эту силу нетрудно изме­рить на достаточно чувствительных технических, аналитических или крутильных весах, она вызывает уменьшение веса работаю­щего устройства. Величина силы зависит от числа оборотов, эксцентриситета, числа и массы шариков, радиуса кольца 2 и т.д. При нулевом эксцентриситете нескомпенсированная внутренняя сила обращается в нуль, так как в условиях равно­мерного движения шариков все силы - центробежные и внут­ренние - гасят друг друга [ТРП, стр.418-421].