Заявка на изобретение
Теоретические предпосылки

Дополнения к Описанию

   АНАЛИЗ  ПРОЦЕССА  МАССОПЕРЕНОСА  И  ПЕРЕДАЧИ  ИМПУЛЬСА 
В  ПОГРАНИЧНОМ  СЛОЕ  СТРУИ  РАБОЧЕГО  ВЕЩЕСТВА 
в изобретении «Способ создания тяги внутри замкнутой системы»

При изучении любого явления необходимо принимать во внимание все процессы, формирующие данное явление, а также оценивать вклад каждого процесса в суммарное проявление. При рассмотрении по существу настоящего изобретения эксперты могут выразить сомнение в работоспособности, как пример, устройства на фиг.1 следующей мотивировкой : техническое решение в изобретении позволит уменьшить компенсирующие потоки вспомогательной жидкости за счет сведения к минимуму внедрения этой жидкости в толщу струи рабочего вещества (лобовые явления) ; но не исчезнет поток вспомогательной жидкости из-за процесса массопереноса и передачи импульса в пограничном слое струи рабочего вещества (далее – Процесс – касательного типа), как составляющая полного явления течения струи рабочего вещества во вспомогательной жидкости.
В общем справедливое замечание не опровергает автоматически работоспособность изобретения (не означает быстрое решение вопроса), а наоборот только ставит на повестку вопрос : достаточно ли потока вспомогательной жидкости от Процесса, чтобы в одиночку полностью уравновесить тягу сопла, т.е. привести к отсутствию нескомпенсированной тяги внутри замкнутой системы. Другими словами – является ли Процесс препятствием для работоспособности устройства на фиг.1. Ответим на поставленный вопрос, проанализировав основные случаи течения некого вещества в ином веществе (по вязкостям). Тем самым покажем, что во всех случаях вклад Процесса лишь сопоставим с вкладом так называемых лобовых явлений, причем только сумма их полновесных дает полное номинальное воздействие струи, без специальных мер равное номинальной тяге сопла. При сниженном одном и сохранившемся другом их сумма неизбежно становится меньше номинального значения.

1.      Струя очень невязкого рабочего вещества (газа - например воздуха) в разных вспомогательных веществах.

    • Очень вязкое вспомогательное вещество - в пределе “бесконечно” вязкое вещество - твердое тело в виде воздуховода.

Данный вариант рассмотрим на основе опыта с использованием компрессора от бытового пылесоса. На выхлопе компрессора смонтируем короткое сопло диаметром 2 см. Пусть при номинальных оборотах компрессора в выхлопной камере поддерживается номинальное избыточное давление воздуха, так что на компрессоре наблюдается номинальная реактивная тяга То для конкретности «влево», а струя воздуха из сопла распространяется соответственно «вправо». Теперь возьмем жесткую длинную прямую трубку такого же сечения, что и сопло компрессора. Соосно нарастим сопло этой трубкой с помощью герметичной мягкой муфты. Свяжем трубку с устройством для измерения силы Тт поверхностного трения (которое целиком характеризует интересующий нас Процесс), см. описания подобных приборов, например в книге – Повх И.Л., Аэродинамический эксперимент в машиностроении, Ленинград, Машиностроение, 1974 г., 480 с.  Остальные условия работы компрессора оставим без изменения, а именно сохраним величину тяги То собственно на компрессоре с развязкой от длинной трубки.
Известно, что реактивная тяга То «влево» на компрессоре должна быть уравновешена воздействием «вправо» струи воздуха, выходящей из сопла. В опыте с длинной трубкой это воздействие складывается из двух составляющих :
+   сила Тт увлечения трубки «вправо» за счет Процесса касательного типа ;
+  сила «вправо» воздействия на жесткую преграду струи воздуха после ее выхода из длинной трубки, причем скорость этой струи оказывается меньше, чем в исходном опыте с коротким соплом.
Относительный вклад указанных сил зависит от длины прямой трубки, но влияние Процесса пограничного слоя не абсолютно и не единственно даже при “бесконечно” длинной трубке.

1.2.        Вспомогательное вещество средней вязкости – жидкость.

На поверхности Земли на выхлоп воздуха в жидкость с её градиентом гидростатических давлений будет действовать вертикальная Архимедова сила. При горизонтальном положении сопла будет наблюдаться явление-прототип для устройства на фиг.1, подробно рассмотренное в Описании заявленного изобретения. Эмитацию условий невесомости дает выхлоп воздуха из вертикального сопла вверх из-под поверхности жидкости. Наличие концентрированной струи воздуха от поверхности, а значит наличие существенного ударного импульса вышедшей струи воздуха – однозначно говорит о том, что воздействие от Процесса является лишь добавкой к силе вышедшей из жидкости воздушной струи для их суммарной компенсации сопловой тяги вниз. По той же самой причине, при организации потока воздуха вдоль гладкой поверхности жидкости с возбуждением волн у жидкости – не может быть и речи о том, что энергия волн от Процесса здесь единственная. Более того, Процесс в основном только порождает волны, а увеличивает размеры и скорость волн главным образом лобовой напор потока воздуха.

    • Очень невязкое вспомогательное вещество – такое же как рабочее вещество (воздух).

В случае полной совместимости веществ Процесс диффузии и перемешивания в пограничном слое протекает наиболее интенсивно. Опишем соответствующий эксперимент (см. фиг.4), проведенный автором. Для поддержания циркуляции воздуха применялся компрессор пылесоса. Режим его работы был таков, что статическое давление Рп превышало атмосферное давление Ратм. всего на несколько процентов, поэтому сжимаемостью воздуха можно пренебреч. Сопло на камере повышенного давления компрессора и все остальные трубы имели равное круглое сечение, поэтому скорость воздуха внутри воздуховода везде одинаковая. На практике в установившемся режиме компрессор развивал реактивную тягу То, и что самое важное, за воздухозаборником справа наблюдался значительный поток воздуха. Это на первый взгляд несколько неожиданно, ведь : из сопла выходит ровно столько воздуха, сколько входит в воздухозаборник ; но если предположить, что в воздухозаборник входит лишь часть воздуха, вышедшего из сопла, то со временем струя воздуха в трубах должна ослабеть до нулевой скорости, чего не происходит в действительности.
На самом деле, опыт на фиг.4 является еще одним подтверждением констатации, содержащейся на стр.4,5 Описания изобретения : периферийные объемы воздуха в струе увлекают за собой прилежащие объемы окружающего воздуха, т.е. имеет место Процесс массопереноса и передачи импульса на границе струи и окружающего воздуха. При этом исходная струя замедляется и расширяется, но на входе в воздухозаборник разгоняется до номинальной скорости в фиксированном сечении, так что воздух, выходящий из сопла, в том же количестве входит в воздухозаборник. А присоединенные массы окружающего воздуха, получившие скорость от струи, продолжают двигаться дальше и образуют наблюдаемый поток воздуха правее воздухозаборника.
Теперь изучим силовые факторы. На свободном всасе компрессора равнодействующая сил равна нулю (разрежение по давлению в камере всаса компенсируется ударным импульсом вошедшей струи). В воздухозаборнике на фиг.4 немного иная ситуация. Для входа струи номинальной скорости требуется меньшее разрежение по давлению, поэтому преобладающий ударный импульс струи воздуха, вошедшей в воздухозаборник и повернувшей под прямым углом, создает на воздухозаборнике ненулевое усилие Тз. Воздействие на помещенную преграду от потока воздуха правее воздухозаборника можно целиком отнести на счет Процесса. Но только сумма этого воздействия и силы Тз точно уравновесит реактивную тягу То сопла. Сказанное справедливо и при размещении устройства на фиг.4 в некотором замкнутом объеме, заполненном воздухом. Если затем каким-то образом исключить лобовые явления, порождающие силу Тз , то одно воздействие от Процесса останется меньше величины То, и в замкнутом объеме возникнет непрерывная во времени нескомпенсированная тяга. Ее значение не будет равно То, а будет ниже То (но не до нуля) именно на величину воздействия, связанного с Процессом массопереноса и передачи импульса в пограничном слое струи воздуха из сопла. Т.е. нескомпенсированная тяга будет равна значению Тз , но в направлении вектора То. Конкретное же соотношение Тз и То зависит от конструктивных и других факторов.

1.4.        Вспомогательное вещество существенно менее вязко по сравнению с воздухом - в пределе вакуум.
Происходящие здесь явления подобны случаю, описанному ниже в пункте п.2.3. В случае вакуума (как бы вспомогательного вещества) струя воздуха ни с чем не взаимодействует, и Процесс отсутствует. Тогда как лобовые явления сохраняются в лице продольных импульсов всех молекул воздуха в струе.

2.            Струя невязкого рабочего вещества (жидкости – например воды) в разных вспомогательных веществах.

2.1.        Очень вязкое вспомогательное вещество - в пределе “бесконечно” вязкое вещество - твердое тело в виде водопровода.
Аналогичное исследование проведено выше в пункте п.1.1.

2.2.   Вспомогательное вещество - сама вода.
Происходящие здесь явления совпадают с описанными ранее в пункте п.1.3.

    • Вспомогательное вещество существенно менее вязко по сравнению с водой - например, воздух.

Рассмотрим опыт со струей воды из горизонтального шланга над поверхностью Земли. В установившемся режиме на поведение струи воды, выходящей из шланга, заметное влияние оказывает только сила тяжести. При небольшом расстоянии от сопла шланга до жесткой преграды (назовем её мишенью, в которую бьет струя воды) – действием силы тяжести можно пренебреч, и считать струю воды горизонтальной и прямой. Из практики всем известно, что такая струя воды в воздухе сохраняет цельность вплоть до момента контакта с мишенью. Уточним геометрию мишени – это круг размером в сечение струи воды при их контакте, причем круг мишени находится спереди вблизи пространной жесткой преграды, силовым образом развязанной с мишенью и перпендикулярной к струе воды. Полное по представлению воздействие струи воды на препятствия имеет две составляющие. Основная доля принадлежит лобовому непосредственному ударному импульсу струи воды – горизонтальное усилие Тм на мишени. Значительно меньшая вторая составляющая – это воздействие на остальную площадь жесткой преграды со стороны слабого продольного потока воздуха, увлекаемого (по касательной) струей воды за счет Процесса в пограничном слое струи воды, которая сопровождает реактивную тягу на шланге.
Предлагаемое изобретение (согласно Описанию) направлено на кардинальное уменьшение воздействий на стенки замкнутого объема от всех лобовых явлений в струе рабочего вещества, одновременно, естественно при невозможности полностью избавиться от воздействия вспомогательного вещества на стенки замкнутого объема вследствие Процесса, и в итоге направлено на создание полезной тяги внутри замкнутой системы.
В качестве демонстрации решим данную задачу искусственно на примере водяного шланга в окружающем воздухе, принимая во внимание похожесть соотношений вязкостей рабочего и вспомогательного веществ в устройстве на фиг.1 и в настоящем пункте п.2.3. Рассмотрим тележку, на которой стоит герметичная оболочка, наполовину заполненная водой. С помощью водяного насоса будем брать воду из резервуара герметичной оболочки и нагнетать ее в горизонтальный шланг над водой в воздухе внутри оболочки. Стенка оболочки напротив сопла шланга устроена аналогично преграде с мишенью, как было очерчено одним абзацем выше. После попадания в мишень вода стекает обратно в резервуар, и таким образом, непрерывно циркулирует при установившемся режиме. Если мишень связать с оболочкой, то описанное устройство будет покоиться из-за сбалансированности внутренних сил, перечисленных одним абзацем выше. Если мишень не связывать с оболочкой, а поддерживать ее положение относительно оболочки с помощью любой внешней силы через стенку оболочки, то почти полная реактивная тяга шланга вызовет ускоренный разгон устройства с тележкой. Это обычный пример на действие внешней силы (правда, необычное неявное действие), но здесь он приведен с другой целью – еще раз показать ограниченность влияния единолично силы от Процесса на динамику замкнутой или незамкнутой системы тел.
В последнем случае ударный импульс струи воды на мишени уравновешивается следящей внешней силой (-Тм). Воздействие на остальную стенку рядом с мишенью оказывает только поток воздуха из-за Процесса в пограничном слое струи воды. При неизменной скорости струи воды - неизменна продольная сила на оболочке от потока воздуха из-за Процесса. Т.е. как говорилось и раньше, модуль этой силы существенно меньше модуля силы Тм и ,тем более, существенно меньше модуля номинальной реактивной тяги на шланге, приложенной к оболочке. Поэтому результирующая двух сил на оболочке конструкции далеко не равна нулю, а представляет собой нескомпенсированную тягу почти номинальной величины исходя из реактивной тяги шланга.
Это доказывает, что сила от Процесса не может выполнять чужую работу, брать всё на себя, и совершенно не обязана полностью уравновешивать реактивную тягу в отсутствие других воздействий от струи рабочего вещества на стенки герметичной оболочки.

  • Движение “бесконечно” вязкого рабочего вещества (твердого тела) в разных вспомогательных веществах.

3.1.   Вспомогательное вещество - также твердое тело второе.
Данный вариант относится к динамике в общей механике физики и к механике деформируемого твердого тела, т.е. выходит за рамки динамики текучих сред, и его рассмотрение не обязательно.

    • Вспомогательное вещество на много порядков менее вязко по сравнению с твердым рабочим телом – принципиального значения не имеет, будь это невязкая жидкость или очень невязкое газообразное вспомогательное вещество (например, воздух на поверхности Земли). В текучих средах движение твердого тела везде описывается одинаково, но для конкретности ограничимся рамками газодинамики в воздухе.

Пример 1.
Пусть имеется прямой металлический стержень длиной L и диаметром d, много меньшим размера L . Внешней силой вдоль оси стержня заставим его двигаться в атмосфере Земли со скоростью Vо. При равномерном движении стержня - внешняя сила (которую примем за номинальную) будет уравновешена силой полного профильного сопротивления воздуха. Последняя определяется, как сумма лобовой силы сопротивления давления Тд на торцах и касательной силы сопротивления трения Тт по длине стержня, см. главу IX из книги – Повх И.Л., Аэродинамический эксперимент в машиностроении, Ленинград, Машиностроение, 1974 г., 480 с. Сила Тд возникает из-за разницы давлений воздуха на торцах стержня, а сила Тт представляет собой интеграл касательных напряжений по цилиндрической поверхности и порождается Процессом в пограничном слое. Точное соотношение этих сил зависит от фактических условий задачи и от ряда других факторов.

Пример 2.
Теперь согнем данный стержень в кольцо, совместим торцы стержня и произведем сварку. Получится тор, срединный диаметр которого равен: D=L/p . Обеспечим возможность вращения тора вокруг оси, перпендикулярной его плоскости и проходящей через центр кольца, без опор и трения в них (например, с помощью магнитной подвески тора). Внешней силой заставим тор вращаться с угловой скоростью, которой будет соответствовать линейная скорость Vо поверхности тора, точно равная скорости стержня в примере 1.
При равномерном вращении тора внешняя сила будет уравновешена единственной здесь силой сопротивления воздушного трения Тт от Процесса, т.к. сила сопротивления давления Тд=0. При этом величина силы Тт одинакова в обоих примерах данного пункта п.3.2 Дополнений к Описанию изобретения. Таким образом, для поддержания скорости Vо в примере 2 требуется внешняя сила, меньшая чем номинальная внешняя сила в примере 1. Или иначе: при прекращении действия внешней силы на скорости Vо - тор будет вращаться до остановки значительно дольше по времени, чем будет двигаться до остановки стержень из примера 1. Это подтверждается поведением волчков, а также функционированием гироскопов и супер-маховиков. Т.е. сила Тт не достигает величины номинальной силы полного профильного сопротивления и сама по себе относительно мала. Важно отметить, что единственность силы Тт от Процесса наблюдается только в случаях, подобных примеру 2. К тому же, такая единственность и вся работа силы Тт до конца - связаны с большой длительностью движения и с большим перемещением каждой точки рабочего тела в заданном направлении, когда общий путь многократно превосходит характерный размер L объекта. Всего этого нет в заявленном изобретении и в устройстве на фиг.1.
Рассмотренные примеры еще раз доказывают, что вклад Процесса пограничного слоя в явлениях газо и гидродинамики не может быть равен 100% от полного номинального воздействия противотяги, а в ряде задач этот вклад настолько мал, что может не учитываться в оценках первого приближения.

  • Струя вязкого жидкого рабочего вещества (эпоксидной смолы) в невязком жидком вспомогательном веществе (ртути) согласно заявленному Способу создания тяги внутри замкнутой системы.

В устройстве на фиг.1 по Описанию и Формуле изобретения вспомогательным веществом является невязкая ртуть, очень близкая по вязкости к воде. Эпоксидная смола, используемая в качестве рабочего вещества, на несколько порядков более вязкая, чем ртуть или вода. Данный вариант имеет много общего с пунктом п.2.3 выше, для которого характерен небольшой относительный вклад Процесса пограничного слоя в полный баланс тягового усилия.
Начнем оценки с более простого случая, когда устройство на фиг.1 находится в условиях невесомости. Тогда, продольная струя 10 эпоксидной смолы, не расширяясь и не отклоняясь, будет доходить до стенки 1 и оказывать на нее динамическое давление, т.е. это будет воздействие вследствие лобового напора самой струи. Наряду с этим по всей длине струи от сопла 9 до стенки 1 будет наблюдаться передача некоторого количества движения от эпоксидной смолы к ртути в пограничном слое струи. Вызванный этим незначительный поток ртути «вправо» также будет ударять в стенку 1, что является воздействием от Процесса пограничного слоя. Сумма описанных воздействий будет полностью уравновешивать номинальную реактивную тягу «влево» сопла 9. При этом воздействие собственно эпоксидной смолы на стенку 1 по величине будет многократно больше, чем воздействие от Процесса. Такое соотношение обеспечивают следующие факторы : минимальная смешиваемость эпоксидной смолы и ртути ; минимальная способность ртути смачивать другие материалы, т.к. поверхностные молекулы ртути взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с прилегающими молекулами любого другого вещества ; повышенная вязкость эпоксидной смолы и ,что особенно важно, наоборот малая вязкость ртути.
Для наглядности дальнейшего изложения примем номинальную тягу сопла 9 в ртути равной То=100 Гс, причем в условиях невесомости она будет уравновешена суммой сил с примерным соотношением : сила от Процесса поверхностного трения в пограничном слое Тт=10 Гс «плюс» сила от динамического давления струи эпоксидной смолы Тд=90 Гс.
По сравнению с рассмотренным случаем, при работе заявленного устройства в штатных условиях земного притяжения изменится только вид струи эпоксидной смолы, для установившегося режима показанный на фиг.1. Продольный (горизонтальный) участок струи 10 здесь имеет укороченную длину, что еще более уменьшает продольное воздействие, обусловленное Процессом пограничного слоя. С запасом оставим величину силы Тт=10 Гс неизменной.
Предложенный Способ создания тяги внутри замкнутой системы направлен на существенное снижение лобовых воздействий струи рабочего вещества (как самой на стенки, так и на вспомогательное вещество, контактирующее со стенками), т.е. на уменьшение более сложной силы Тд . Выбор текучих веществ в устройстве на фиг.1, вероятно, не идеален. Поэтому трудно ожидать полного исключения силы Тд (Тд=0). Учитывая это, остановимся на частичном сохранении силы Тд : Тд=10 Гс. Тогда результирующая тяга, эквивалентная внешней силе, приложенной к замкнутой системе на фиг.1, принимает следующее значение:
Т = То - ( Тт + Тд ) = 100 - 20 = 80 Гс ,
т.е. составляет 80% от номинальной реактивной тяги сопла 9.
Нескомпенсированная тяга величиной не все 100% от номинальной тяги, а в данном примере всего 80% - это всё равно положительный и нормальный результат, исходя из принципиальной достижимости (показанной в материалах Сайта) создания тяги внутри замкнутой системы с регулируемой любой степенью компенсации тяги сопла. Обеспечение нескомпенсированной тяги хотя бы в 1% от тяги сопла уже будет означать революцию в технике и переворот в понимании соответствующих законов физики. Последующие исследования, оптимальный подбор обоих текучих веществ и другие технические доработки позволят приблизить каждое слагаемое и всю сумму (Тт+Тд) к нулю в сопоставлении с величиной То реактивной тяги сопла, причем с одновременным выполнением требования минимальных размеров резервуара со вспомогательной жидкостью.

Заключение.

Заявленное изобретение представляет собой способ существенного уменьшения напорного продольного воздействия на стенки замкнутого объема со стороны струи рабочего вещества как непосредственно ею самой, так и опосредованно через динамику вспомогательной жидкости. Первая составляющая (лобовой ударный импульс самой струи рабочего вещества на стенки) кардинально уменьшается уже в устройстве-прототипе с выхлопом воздуха в воду. Но в нем имеют место потоки вспомогательной жидкости : значительный - вследствие лобовых явлений подталкивания вспомогательной жидкости струей ; и довесочный поток - вследствие касательного Процесса массопереноса и передачи импульса от струи к вспомогательной жидкости в пограничном слое струи рабочего вещества. А общий поток приводит к полной компенсации номинальной реактивной тяги сопла в случае малых размеров резервуара вспомогательной жидкости.
В заявленном устройстве на фиг.1 аналогичный общий поток вспомогательной жидкости уменьшается во много раз в основном за счет минимизации лобовых явлений взаимодействия вспомогательной жидкости и струи рабочего вещества. Из всего объема уменьшившегося потока вспомогательной жидкости ,всё равно, только часть составляют массы вспомогательной жидкости, пришедшие в движение вследствие Процесса в пограничном слое струи рабочего вещества. Т.е. здесь и в других подобных задачах – в одиночестве воздействие, обусловленное одним лишь Процессом, имея малую относительную величину, «по определению» не может полностью уравновесить реактивную тягу сопла.
Даже при наличии некоторого сопровождающего воздействия вспомогательной жидкости (ртути) на стенки резервуара из-за Процесса - заявленное изобретение позволяет существенно снизить основную вторую составляющую от прямого увлечения капель ртути толщей струи эпоксидной смолы. И всё это в сочетании с одновременным кардинальным уменьшением продольной горизонтальной проекции ударного импульса струи эпоксидной смолы, выходящей из ртути, см. фиг.1. В итоге, расклад внутренних сил в замкнутой системе получается таким, что полной компенсации реактивной тяги сопла не происходит. Этого достаточно для появления долговременной тяги, прикладывающейся к замкнутой системе, т.е. достигается цель изобретения, и предложенный «Способ создания тяги внутри замкнутой системы» может быть использован для перемещения объектов в пространстве.