Заявка на изобретение
Теоретические предпосылки

Анализ закона сохранения импульса

УВАЖАЕМЫЕ
УЧЕНЫЕ–ФИЗИКИ И ИНЖЕНЕРЫ,
А ТАКЖЕ РУКОВОДИТЕЛИ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИХ КОНЦЕРНОВ
И ВСЕ ГОСПОДА, РАБОТАЮЩИЕ НАД ПРОБЛЕМАМИ НОВЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ!

ВОЗМОЖНО, ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНА
ПРЕДЛАГАЕМАЯ ИНФОРМАЦИЯ ОБ ОТКРЫТОМ СПЕЦИФИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ
В ГАЗО-ГИДРОДИНАМИКЕ, И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИИ
В НОВЫХ ДВИЖИТЕЛЯХ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ.
С уважением, инженер-физик А.Ю.Болдин,
Россия, Москва, 2004 год.

УТОЧНЕННОЕ  ПРИМЕНЕНИЕ 

ЗАКОНА  СОХРАНЕНИЯ  ИМПУЛЬСА 
К  ЗАМКНУТОЙ  МЕХАНИЧЕСКОЙ  СИСТЕМЕ 

1. Замкнутая система тел со сконцентрированными массами.
Имеется система из двух неподвижных тел: первое тело – жесткая оболочка с закрепленной на ней сжатой пружиной, и внутри оболочки второе тело (рабочее) – твердый предмет, прилегающий к сжатой пружине, см. рис.1(а).

Рис.1. Схемы замкнутых механических систем.

В начальный момент времени позволим пружине разжиматься. Некоторый промежуток времени пружина будет воздействовать на первое и второе тела внутренней движущей силой упругости. Импульс этой силы по соответствующему уравнению придаст конечную скорость первому телу. Такой же импульс силы упругости второму телу придаст (в общем случае другую по величине) конечную скорость, противоположную по направлению первой. Но суммарный импульс двух тел как был нулевым до разжатия пружины, так и после останется нулевым всегда. Особенности поведения данной системы тел перечислены в табл.1, см. 3-й столбец.

Таблица 1. Сравнительный анализ замкнутых механических систем.

 № ст-ро-ки

Физический пара-метр или процесс (обозначения да-лее: его наличие в системе тел (+), его отсутствие в системе тел (-) )

Система тел со сконцентрированными массами, см. рис.1(а)

Система тел с распределенными массами, см. рис.1(б)

ст.1

столбец  2

столбец  3

            столбец  4

   1

При перемещениях рабочего тела НЕИЗМЕННОСТЬ положения его центра массы относительно оболочки

                  (-)
т.к. с началом разжатия пружины твердый предмет движется и в пространстве, и относительно оболочки

                          (+)
т.к. при вращении гребного винта происходит общая циркуляция элементарных объемов воды внутри полностью заполненной оболочки

   2

НЕОГРАНИЧЕН-НОСТЬ во време-ни и МОНОТОН-НОСТЬ - и дейст-вия внутренней движущей силы, и перемещений рабочего тела влево до удара в левую стенку оболочки

                  (-)
т.к. горизонтальный размер оболочки невелик (небесконе-чен) и является фиксированным, а возврат твердого предмета направо связан с пульсациями по обычным законам механики

                           (+)
т.к. при таком же горизонтальном размере оболочки можно бесконечно долго вращать винт и по соплу толкать влево элементарные объемы воды, непрерывно сменяющие друг друга и ударяющие в левую стенку сосуда

ст.1

столбец  2

столбец  3

            столбец  4

   3

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВЯЗИ между рабочим телом целиком и обо-лочкой, помимо их взаимодейст-вия через внутреннюю движущую силу и помимо удара в левую стенку оболочки

                  (-)
т.к. никаким другим образом твердый предмет не контакти-рует с оболочкой

                           (+)
т.к. вода контактирует со всеми стенками оболочки, но воздействие их друг на друга не автоматическое (как было бы при твердом агрегатном состоянии воды в виде льда), а подчиняется законам гидростатики и гидродинамики

   4

МАЛОСТЬ ДОЛИ МАССЫ рабочего тела, одновре-менно участвую-щей в движении к левой стенке

                  (-)
т.к. вся масса твердого предмета перемещается влево

                           (+)
т.к. при поперечном сечении сопла много меньшем, чем вер-тикальный размер оболочки – на-блюдается узкая струя воды, на-правленная влево, в толще воды

Ст-ро-ки

ни-же

Рассматривается ПЕРЕХОДНЫЙ РЕЖИМ с мо-мента включения внутренней движущей силы номинальной величины до момента стабилизации

За момент стабили-зации принят конец удара твердого предмета в левую стенку оболочки (все сценарии последую-щего поведения системы тел описы-ваются аналогично и с тем же результатом)

За момент стабилизации принято время, когда картина потоков во-ды в оболочке становится близ-кой к картине на установившемся режиме, при котором тяга гребно-го винта (приложенная к оболоч-ке вправо) полностью уравнове-шена ударами струи из сопла (направленной влево) в левую стенку оболочки, и также уравно-вешены остальные силы в гидро-динамической замкнутой системе

ст.1

столбец  2

столбец  3

            столбец  4

   5

СВОДИМОСТЬ анализа переход-ного режима к из-учению одних только внутрених  сил в системе тел и абсолютная НЕНУЖНОСТЬ поиска положения общего центра масс системы пу-тем расчета исхо-дя из начального и последующего взаимного поло-жения центра массы оболочки и центра массы рабочего тела

                  (-)
т.к. взаимное положе-ние центра массы оболочки и центра массы твердого предмета меняется по сравнению с началь-ным, и нужно применять соответ-ствующую формулу для координат общего центра масс системы, чтобы корректно сравнивать резуль-таты для разных моментов времени

                           (+)
т.к. взаимное положение центра массы оболочки и центра массы воды в оболочке не может измениться, поэтому относительное (к телам системы) положение общего центра масс системы априори не может меняться и оно абсолютно неважно, а важно совпадающее поведение центров масс, которое определяется силами в системе

   6

Сразу после включения внут-ренней движущей силы (она как всегда представ-ляет собой пару противоположных по направлению и одинаковых по модулю сил) левая сила в паре обеспечивает ускорение влево лишь МАЛОЙ ДОЛИ МАССЫ рабочего тела.
Причем левая сила в паре дли-тельное время (вплоть до мо-мента удара левой границы рабочего тела в левую стенку обо-лочки) ни прямо ни косвенно на полную свою величину НЕ ВОЗДЕЙСТВУЕТ влево на левую стенку и всю обо-лочку даже через основную массу рабочего тела (упомянутое дли-тельное время именуем далее периодом време-ни прямого хода рабочего тела)

 












(-)
т.к. левая сила в паре приложена к целому твердому предмету.










(+)
(это подразумевается заведомо, совсем неудивительно и при-водит к тривиальным конечным результа-там)
т.к. левая сила в паре оказывает нулевое воздействие влево на оболочку, см. 3-ю строку данной таблицы.

 












(+)
т.к. перепад давлений в области трубы с гребным винтом ускоряет влево элементарные объемы воды на малой длине с образованием узкой струи, которая выходит из сопла в левом направлении.






(+)
(это нельзя заведомо утверждать, но это следует из законов гидродинамики; само по себе это в общем-то не парадоксально, но это приводит в итоге к интересным результатам, открывающим перспективный в технике специфический эффект, о котором извещает титульный лист настоящей компьютерной публикации)
т.к. усилие влево на оболочке может    быть    вызвано    только

ст.1

столбец  2

столбец  3

            столбец  4

 

 

 

водой, а в воде имеет место следующее: узкая струя из сопла не может через пограничный слой тянуть влево основную массу воды ввиду малой вязкости; передовой фронт струи отдает свой импульс стоячей воде с резким расширением потока с завихрениями, и также широк обратный поток воды направо; а расширение струйки в гидродинамике ведет к пропорциональному снижению силы от динамического давления по отношению к исходной силе у тонкой струйки; только по прошествии времени прямого хода передового фронта узкой струи влево - элементарные объемы воды в струе вблизи левой стенки оболочки теряют свой импульс влево при ударе и порождают усилие влево на оболочке, которое в дальнейшем остается точно равным величине левой силы в паре, образующей внутреннюю движущую силу.

   7

Сразу после включения внут-ренней движущей

 

 

ст.1

столбец  2

столбец  3

             столбец  4

 

силы (она как всегда представ-ляет собой пару противоположных по направлению и одинаковых по модулю сил) правая сила в паре на полную свою величину ВОЗДЕЙСТВУЕТ вправо на обо-лочку в замкнутой системе тел.
Причем в результате этого воздействия – по-явление скорости и продолжающее-ся движение оболочки с положительным ускорением (в те-чение некоторого отрезка времени) при обоснован-ности этого движения –
автоматически означает неиз-бежность с этим движением СОВПАДАЮЩЕ-ГО ДВИЖЕНИЯ центра массы рабочего тела в целом, а значит неизбежность точно такого же движения вправо и всей механи-ческой системы.

 









(+)
т.к. правый торец разжимающейся пру-жины упирается в правую стенку оболочки.
















(-)
т.к. ускоренное движение оболочки происходит вправо в отличие от движения твердого предмета влево в общем случае с другим ускорением; само по себе пере-мещение оболочки вправо под действием правой силы в паре не вызывает сомнений, ведь твердый предмет не закреплен на обо-лочке, и обоснованно применение второго закона Ньютона к оболочке с одной стороны (и аналогично к твердому предмету с другой стороны), учитывая сведения из 3-й строки данной таблицы.

 

 

 









(+)
т.к. разность давлений воды на поверхностях лопастей вращающегося гребного винта создает тяговое усилие вправо на винте (как раз являющееся правой силой в паре), которое через вал двигателя, закрепленного на оболочке, приложено к самой оболочке в направлении направо.











(+)
т.к. в случае воздействия на оболочку внешней силы вправо или в случае воздействия на оболочку не равнопарного не самоуравновешенного внутрен-него гидродинамического усилия вправо – оболочка с водой как единый объект придет в движе-ние согласно второму закону Ньютона, т.е. утягиваемая силой оболочка увлекает с собой вправо всю воду; так что здесь полная масса системы предопре-деляет по второму закону Ньютона общее ускорение системы при ее движении вправо, и для любых позднейших моментов времени также спра-ведливо характерное свойство исследуемой в этом столбце механической системы: центр массы оболочки, центр массы всей воды, центр масс целой системы тел – перемещаются абсолютно одновременно и оди-наково (см. строки 1,3,5 выше).
В проведенном нами анализе осталось   еще   не   доказанным

ст.1

столбец  2

столбец  3

            столбец  4

 

 

 

только одно - существование во время переходного режима именно не самоуравновешенного внутреннего результирующего усилия вправо на оболочке с циркулирующей водой. И доказа-тельство этого, опирающееся в основном на выводы 6-й строки, подытожено в нижеследующей строке данной таблицы.

   8

Расчет интегра-льных импульсов внутренних сил замкнутой систе-мы и опреде-ляемых ими импульсов тел системы, свиде-тельствующих о перемещениях центров масс тел и всей системы в пространстве. Интересующим нас конечным результатом яв-ляется векторная сумма интеграль-ных по времени импульсов

Во внутренней движу-щей парной силе упругости разжимаю-щейся пружины - левая сила в паре в каждый момент време-ни (по 3-му закону Ньютона) тождествен-но равна по модулю правой силе в паре. Поэтому за период времени динамическо-го действия данной силы (это время может быть меньшим време-ни прямого хода твердого предмета, или может быть максимальным и огра-ничиваемым     самым

Когда лопасти вращающегося гребного винта дают импульс элементарным объемам воды в сопловой трубе и воспринимают обратный импульс (в соответ-ствии с законом сохранения импульса, незыблемым в любом взятом в отдельности локальном акте воздействия тел друг на друга), превращающийся в тягу гребного винта – тогда мы имеем дело с силами, отличными по физическим механизмам от типичных сил с характером взаимодействия (таких как пара сил кулоновского взаимодейст-вия двух электрических зарядов или пара сил по торцам сдеформированной пружины, что наблюдается        в       замкнутой

ст.1

столбец  2

столбец  3

             столбец  4

 

противоположно направленных двух сил в систе-ме (причем мгно-венные значения сил в общем слу-чае могут изме-няться во време-ни, усложняя вид интегралов). Окончательный ответ не зависит от последовате-льности решения: или сначала взять два инте-грала и потом их сложить; или сначала найти результирующую двух сил и потом взять интеграл, выражающий им-пульс результи-рующего усилия. Для удобства и четкости изложе-ния к системе тел в столбце 3 при-влечем первый путь решения, а к системе тел в столбце 4 привл-ечем второй путь решения задачи.
Результат рас-чета импульсов по истечении времени прямого хода рабочего тела свидетель-ствует о том, что при изначальном нулевом импуль-се системы сразу включенные нену-левые импульсы внутри системы в специфическом частном случае порождают НЕ-НУЛЕВОЙ импу-льс системы, или в эквивалентной формулировке в других терминах, порождают явное ИЗМЕНЕНИЕ положения в про-странстве общего центра          масс

конечным моментом стабилизации, в зави-симости от удлинения пружины из началь-ного сжатого до свободного состояния по сравнению с нача-льным расстоянием между левой границей твердого предмета и левой стенкой оболоч-ки) при одинаковых соответствующих пределах интегриро-вания по времени - значения импульсов сил в паре тождест-венно равны, следова-тельно, тождественно равны по модулю им-пульс оболочки вправо и импульс твердого предмета влево.
Векторная сумма указанных импульсов вправо и влево одно-значно обращается в ноль, т.е. суммарный импульс системы не претерпевает измене-ний, оставаясь таким же каким был до разжатия пружины (в нашем случае – нуле-вым). Это типичный пример правомерности закона сохранения импульса для замкну-той системы в целом.
Примечательным здесь является лишь взаимоотношение перемещений по отдельности тел в системе. При действии разжимающейся пружины на твердый предмет и оболочку, имеющие разные мас-сы, более легкое тело из этих двух тел получит большую ско-рость, чем другое тело (в обратной пропорции отношения масс тел), и более легкое тело поэтому пройдет больший путь за время переходного режима. Т.е. координата центра массы  более  легкого

системе из 3-го столбца настоящей таблицы). Но отличия здесь незначительные, и в трубе с вращающимся винтом у внутренней движущей силы левая сила в паре, ускоряющая влево элементарные объемы воды, и правая сила в паре, являющаяся тягой винта вправо, равны по модулю и противопо-ложны по направлению, т.е. к этой внутренней движущей силе применение уравнения третьего закона Ньютона обосновано, и она по формальным математи-ческим признакам похожа на классическую силу взаимодейст-вия двух тел, но без достижения полного совпадения в разновидностях сил. Еще более далеки от классической пары сил взаимодействия те усилия, что приложены к жесткой оболочке рассматриваемой замкнутой системы с распределенными массами воды, а именно: усилие вправо тяги гребного винта и усилие влево на левой стенке оболочки от динамического давления при ударах струи воды, теряющей свой импульс влево вблизи левой стенки оболочки. Нас не должен удерживать в рамках поверхностного анализа такой неопровержимый, но выборочный факт, что величины указанных двух усилий абсолютно одинаковы на устано-вившемся режиме течения воды. Для переходного режима обязательна детальная проверка реализации третьего закона Ньютона в каждый момент времени применительно к усилиям влево и вправо на оболочке. Их результирующая (которая не обязана автомати-чески равняться нулю - в отличие от классической пары сил взаимодействия) , проинтегриро-ванная по времени переходного режима, определяет приращение импульса замкнутой системы и ее перемещение в пространстве.
Окончательный анализ дает следующие результаты. Сразу после начала переходного режи-ма усилие вправо на оболочку совпадает с правой силой из пары внутренней движущей силы,    имеющей    номинальную

ст.1

столбец  2

столбец  3

            столбец  4

 

системы, который изначально находился в состоянии покоя. Напомним, что догматическая трактовка закона сохранения импульса не допускает даже кратковременного отхода центра масс замкнутой системы от его положения покоя без воздействия внешней механи-ческой силы на систему.

тела изменится сильнее, чем у другого тела, но несмотря на это координата общего центра масс системы по соответствующей формуле все равно не изменится (ведь влия-ние конкретного тела на положение общего центра масс системы тем ниже, чем меньше масса этого тела, и наоборот тем выше, чем больше его масса, что отражено в числителе цитируемой формулы в виде суммы не одних лишь координат, а в виде суммы произведений координаты центра массы тела на массу того же тела). Смеще-ние общего центра масс системы не на-блюдается не только в момент стабилизации, но и в любой момент времени   в   процессе

величину, см. строку 7. Для уси-лия влево на оболочку, исходя из строки 6, характерна иная временная зависимость с тремя последовательными стадиями: сразу после начала переходного режима на первой стадии модуль усилия влево на оболочку составляет малую долю от номи-нальной величины внутренней движущей силы (в случае меньших поперечных размеров оболочки модуль усилия влево будет ниже номинальной вели-чины, наоборот, лишь на малую ее долю, но даже этого достаточно для существования специфического эффекта, описы-ваемого в настоящей работе); по мере продвижения влево фронта струи воды из сопла на второй стадии модуль усилия влево на оболочку постепенно возрастает с долей до почти единицы в сравнении с величиной номи-нальной внутренней движущей силы; по прошествии времени прямого хода струи во все последующие моменты времени на третьей стадии - усилие влево

ст.1

столбец  2

столбец  3

            столбец  4

 

 

всего переходного режима.
В итоге, все выше-сказанное означает, что в данной строке таблицы при ответе на утверждение левого столбца должен быть поставлен здесь значок
(-)


















на оболочку точно равно левой силе из пары номинальной внутренней движущей силы, т.е. только на третьей стадии усилие влево на оболочке полностью компенсирует усилие вправо, изначально имеющее номиналь-ное значение, и только на третью стадию переходного режима (и на более поздний установивший-ся режим) распространяется об-ласть формального применения далеко не всеобъемлющего 3-го закона Ньютона к усилиям влево и вправо на оболочке с водой.
Из сказанного следует, что на первой и второй стадиях во все моменты времени усилие влево на оболочку меньше усилия вправо, и их результирующее усилие не равно нулю, а его направление направо. Соответ-ственно, не является нулевым интегральный по времени импульс результирующего (не равнопарного не самоуравнове-шенного внутреннего гидро-динамического) усилия, под действием которого замкнутая система     целиком     начнет     и

ст.1

столбец  2

столбец  3

            столбец  4

 

 

 









(-)

продолжит двигаться с ускорением по 2-му закону Ньютона на протяжении всего времени прямого хода струи, что и требовалось доказать.
Это означает, что в данной строке таблицы при ответе на утверждение, содержащееся во втором столбце, может быть поставлен здесь значок
(+)

   9

В моменты вре-мени, следующие после времени прямого хода рабочего тела, ПРОДОЛЖАЕТ-СЯ поступатель-ное движение вправо жесткой оболочки в тече-ние сколь угодно долгого времени действия старто-вой внутренней движущей силы, а именно вплоть до окончания воз-можного другого переходного

                  (-)
т.к. в конце стартового переходного режима в момент стабилизации в конце удара твердо-го предмета в левую стенку оболочки – всё останавливается (и твердый предмет, и сама оболочка) либо навсегда при абсолют-но неупругом ударе, либо всё останавли-вается лишь на некоторый промежуток времени при абсолют-но упругом ударе, последствием которо-го    будет    движение

                           (+)
т.к. за время прямого хода узкой струи воды вся система целиком набирает конечную ненулевую скорость движения вправо (см. предыдущую строку таблицы), а затем эта скорость просто остается постоянной из-за обращения в ноль равнодейст-вующей сил в системе. Т.е. позже времени прямого хода до момента стабилизации и после момента стабилизации на установившемся режиме (дли-тельность которого ограничена только запасами энергии для вращения гребного винта) продолжается равномерное прямолинейное             движение

ст.1

столбец  2

столбец  3

             столбец  4

 

режима с отклю-чением стартовой внутренней движущей силы по посторонним обстоятельствам.

оболочки влево к изначальному ее положению, а не движение дальше вправо.

исследуемой замкнутой системы (в том числе и жесткой оболочки) в правом направлении - в полном соответствии (на рассматривае-мом в данной строке интервале времени) с формулировкой 1-го закона Ньютона. Но сам 1-й закон Ньютона и эквивалентный ему закон сохранения импульса – оба этих закона (как показано в настоящей публикации) не носят всеобъемлющего характера и не работают, в частности, на начальных стадиях переходных режимов в замкнутой механической системе с распре-деленными массами рабочего тела, когда в масштабах всей системы определяющими являются существенные макро-эффекты при множестве локальных взаимодействий на микроуровне по упомянутым двум классическим законам.

 10

Переходный режим с включе-нием внутренней движущей силы вызывает пере-мещение вправо центра массы же-сткой оболочки на расстояние, явно ПРЕВЫШАЮЩЕЕ продольный горизонтальный размер оболочки, при том что в начальный мо-мент времени все тела замкнутой системы находи-лись в состоянии покоя.

                  (-)
т.к. максимально воз-можное перемещение оболочки равно по величине как раз продольному размеру оболочки – да и то лишь в случае, когда масса оболочки много меньше массы твер-дого предмета, а толщины стенок оболочки вместе с пружиной и твердого предмета (показанных на рис.1(а) ) близки к нулевому значению. Во всех остальных случаях перемещение вправо центра массы жесткой оболочки может быть только меньше величины продольного горизон-тального размера оболочки.
Общий же центр масс данной замкну-той системы, напом-ним, ни при каких обстоятельствах не меняет своего положе-ния без внешнего силового воздействия.

 

                            (+)
т.к. одинаковое прямолинейное движение центров масс всех тел исследуемой замкнутой системы (в том числе и жесткой оболочки на схеме рис.1(б) ) с ненулевой скоростью в правом направле-нии – не имеет принципиальных ограничений по времени, см. 9-ю строку таблицы. Ограничено время действия не самоурав-новешенного внутреннего гидродинамического усилия вначале переходного режима, и невелик импульс этого усилия. Поэтому при сопоставительно большой массе (имеющейся хотя бы у воды, полностью заполняющей внутренний объем оболочки) замкнутой системы – невелико ускорение, и мала скорость замкнутой системы (накопленная за время действия не самоуравновешенного внут-реннего усилия и позже остающаяся постоянной) в правом направлении. Но даже будучи малой (самое важное, что не являясь равной точно нулю), эта скорость, помноженная на сколь угодно большое время длительности установившегося режима, обеспечивает не лимитированное перемещение вправо всей замкнутой системы, которое может быть сколь угодно многократно        больше,       чем

ст.1

столбец  2

столбец  3

             столбец  4

 

 

 

не бесконечный продольный горизонтальный размер жесткой оболочки.
Но это не основной результат. Даже если время движения системы с малой скоростью будет непродолжительным по тем или иным причинам, то все равно произойдет перемещение вправо всей замкнутой системы, причем не важно что оно может оказаться в несколько раз меньше характерной длины оболочки (а не больше ее). Главное, что независимо от конкретной величины переме-щения, есть как таковое передвижение именно общего центра масс замкнутой системы в случаях, аналогичных исследо-ванному примеру.

2. Замкнутая система тел с распределенными массами.
Имеется система из двух неподвижных сначала тел: первое тело – цельная герметичная жесткая оболочка с закрепленными на ней узкой сопловой трубой и двигателем, на валу которого установлен гребной винт, располагающийся внутри сопловой трубы; а весь внутренний объем оболочки заполнен вторым телом (рабочим) – нетвердым веществом с малыми вязкостью и сжимаемостью, например, водой при комнатной температуре, см. рис.1(б).
Оболочка может быть: или тонкой вглубь чертежа, так что две ее стенки, параллельные плану чертежа, отстоят друг от друга на длину диаметра гребного винта; или более толстой вглубь чертежа, так что указанные две стенки оболочки удалены друг от друга на расстояние в несколько (в несколько десятков) диаметров винта. В последнем случае характерными являются два конструктивных варианта:
1) в первом варианте - всю толщину оболочки заполняет соответствующее количество сопел (с винтом в каждом), выстроенных по линии нормали к чертежу; тогда только для крайних сопел (и относимых к ним крайних воображаемых слоев воды, параллельных чертежу) справедлив учет касательных сил трения на плановых стенках оболочки в пограничном слое потоков воды; а у всех остальных сопел нет плановых стенок оболочки с их силами трения, т.е. все остальные посопловые воображаемые слои воды находятся в условиях плоской (двухмерной) задачи по ее точной математической постановке в плоскости чертежа на рис.1(б);
2) во втором варианте – посередине всей толщины оболочки расположено единственное сопло с винтом, что делает задачу объемной (трехмерной); в частном случае задача может быть осесимметричной относительно оси вала с гребным винтом, т.е. в математической постановке квази-двухмерной.
Отмеченные частные случаи отличаются наличием или отсутствием (а также направлениями и величинами в зависимости от скоростей потоков воды) касательных сил трения на плоскостях, параллельных плану чертежа. Но все это не имеет принципиального значения в описываемом специфическом эффекте из-за общей малости сил трения вследствие низкой вязкости рабочего тела. Кстати, по той же причине излишен учет касательных сил трения на всех других твердых стенках и элементах оболочки с водой.
Действительно существенными являются иные геометрические параметры жесткой оболочки, см. рис.1(б). В первую очередь, проходное поперечное сечение сопловой трубы (определяемое диаметром гребного винта, толкающего элементарные объемы воды влево) должно быть много меньше общего сечения оболочки поперек сопловой трубы, по большей части которого происходит обратный ток воды вправо. Т.е. стенки оболочки, на рис.1(б) параллельные оси симметрии, должны располагаться друг от друга на значительном расстоянии в сравнении с диаметром винта. Во-вторых, отдаление левой стенки оболочки на рис.1(б) от сопла должно быть не меньше нескольких диаметров винта, а желательно иметь его как можно большим - для увеличения времени прямого хода включенной узкой струи воды из сопла продольно влево и, в конечном итоге, для усиления заявленного специфического эффекта в замкнутых системах тел с распределенными массами. При этом, указанное отдаление левой стенки от сопла не должно быть намного больше поперечного размаха оболочки (с вычетом диаметра винта), а наоборот лучше, чтобы оно было намного меньше поперечного размаха оболочки. С другой стороны, близость всаса трубы с винтом к правой стенке оболочки на рис.1(б) даже на длину одного диаметра винта не влияет на существование описываемого эффекта. Отдаление всаса от правой стенки на большие расстояния лишь способствует упрощению картины давлений воды на внутренней поверхности правой стенки оболочки.
Основное внимание следует обратить не на установившийся режим течения воды в оболочке при вращении гребного винта, а на переходный режим, начинающийся после включения внутренней движущей силы до номинального значения (при включении нужные обороты винта и его тяговое усилие вправо достигаются за время много меньшее других характерных интервалов времени, на которые можно разбить весь переходный режим). Именно на переходных режимах проявляется интересующий нас специфический эффект.
Замкнутую систему на рис.1(б) полезно сравнить с ее модификацией, отличающейся повышенной длиной сопловой части трубы с винтом, доходящей до левой стенки оболочки при зазоре порядка диаметра винта. С началом переходного режима в данной модификации скорость потока воды влево в трубе станет номинальной позднее чем при короткой сопловой трубе, но здесь важно, что узкая струя воды из длинного сопла создаст динамическое усилие влево на левой стенке оболочки в номинальную величину намного раньше (и все же не мгновенно абсолютно) относительно основной (см. рис.1(б)) замкнутой системы, т.к. движение влево элементарных объемов несжимаемой воды у винта автоматически приводит к такому же движению влево воды у выхода длинной трубы постоянного диаметра, тогда как распространение влево фронта и окончательное формирование струи из короткого сопла через толщу воды происходит относительно медленно из-за образования вихрей и существенного расширения с замедлением струи к левой стенке оболочки. Значит, для модифицированной замкнутой системы (как и для основной замкнутой системы) также характерен специфический эффект на переходном режиме. Но просто, в первом случае специфический эффект слабее, чем в последнем случае при прочих равных условиях (и даже в основной замкнутой системе специфический эффект не очень сильный, так что его экспериментальное наблюдение требует особых приготовлений, т.е. подмечательно обнаружить такой эффект лишь из обыденной практики невозможно).
По указанным обстоятельствам, в настоящей публикации аналитически исследуется как более показательная именно та замкнутая система с распределенными массами, что изображена на рис.1(б). Особенности поведения данной системы тел и аргументы в пользу предсказываемого специфического эффекта перечислены в табл.1, см. 4-й столбец.
Единственное дополнительное поясняющее замечание к анализу табл.1 касательно специфического эффекта на переходном режиме таково. Во второй части строки 7 и в строке 8, где идет речь о движении замкнутой системы вправо с ускорением на начальных стадиях переходного режима, отсутствует следующее уточнение. При таком движении возникает инерционный (подобный гравитационному от силы тяжести) линейный перепад статических давлений в воде вдоль оси перемещений – давление у правой стенки оболочки меньше давления на уровне сопловой трубы, которое в свою очередь меньше давления у левой стенки оболочки. На этом перепаде давлений, в принципе, не обязательно концентрировать внимание, поскольку он не оказывает никакого влияния на циркуляцию воды при вращении гребного винта и на величины гидродинамических усилий вправо-влево на оболочке. Какое-то влияние отмеченный перепад давлений оказывал бы, если источником узкой струи влево из сопла был бы баллон повышенного давления воды. Степень такого влияния зависела бы от конкретных соотношений статических давлений, но она все равно не имеет принципиального значения и особенно пренебрежимо мала в случае, когда масса жесткой оболочки много больше полной массы воды в оболочке. Всё это явления второго и даже третьего порядка малости на фоне главного специфического эффекта.
Автором излагаемого открытия была предпринята попытка получить гидродинамические усилия в оболочке на установившемся и переходном режимах путем численных расчетов по МКЭ-программе ANSYS при помощи студентов МГТУ им.Н.Э.Баумана (особая благодарность за ПЭВМ-расчеты М.Б.Худобину). К сожалению, в результате лишь подтвердились личные подозрения в отношении теоретического содержания ANSYS (и других аналогичных программ) по динамике текучих сред , повторяющего положения общеизвестной газо-гидродинамики. Дело в том, что “теоретики” и учебнико-стряпатели “научной” газо-гидродинамики с момента ее возникновения и по сей день – не осведомлены и не понимают, в частности, следующего:
в материальном мире везде работает газо-гидродинамика в собственно Ньютоновском описании с некоторыми непринципиальными поправками; а такой простой объект как «струйка» среды и для нее уравнение Бернулли имеют физический смысл только внутри трубы относительно малого сечения, по которой среда из относительно большого сосуда повышенного давления вытекает во внешний относительно бесконечный объем с имеющимся нормальным давлением; причем статическое давление, падая к выходу из трубы, на самом выходе трубы и далее в струе вне трубы не меньше нормального давления на величину динамического давления (как ошибочно утверждается во всех учебниках и как методически некорректно измеряется в неправильно трактуемых экспериментах) , а точно равно нормальному давлению, т.е. меньше именно повышенного давления на величину динамического давления;
несмотря на десятки предлагаемых математических моделей турбулентности, ни одна из них объективно не описывает реальные локальные турбулентные явления (в тонкостях) в текучей среде, которые в первую очередь ответственны за газо-гидродинамические усилия, а все модели соревнуются фактически в подгонке к реальности одного лишь общего вида (по грубому) для потока среды.
По перечисленным и близким к ним причинам общеизвестная теоретическая газо-гидродинамика не позволяет корректно определять силы воздействия текучей среды на жесткие преграды. Затронутая тема заслуживает отдельного большого разговора, но все-таки не в рамках настоящего исследования.
В замкнутой системе на рис.1(б) неизбежная общая циркуляция воды (с обратным потоком до правой стенки оболочки) является усложняющим обстоятельством, в том числе и при анализе соотношения сил, действующих внутри замкнутой системы. В этом смысле, более ясная ситуация наблюдается в похожей замкнутой системе с распределенными массами, см. рис.2.

Рис.2. Схема замкнутой механической системы с водой и
            с подвижной пластиной.

Данная замкнутая система содержит подвижную (вдоль оси симметрии) жесткую пластину с плотностью воды. Пластина имеет малую толщину и заметную площадь на виде по оси симметрии оболочки системы. Используя любую силу F классического ньютоновского взаимодействия, приложенную к правой стенке оболочки и к пластине, можно заставить последнюю двигаться в толще воды влево к левой стенке оболочки на рис.2. При этом левая сила в паре сил F будет уравновешена гидродинамическим сопротивлением пластины, сопровождаемым в основном локальной, огибающей пластину циркуляцией воды и частичным увлечением влево прилегающих объемов воды (небольших особенно по сравнению с общим объемом и поперечным сечением оболочки) с образованием хвостовых завихрений в воде. Локальность описываемого процесса имеет следствием достаточно простой расклад внутренних сил в замкнутой системе, см. рис.2. Пока пластина не приблизится к левой стенке оболочки, на жесткую оболочку системы будет действовать только правая сила в паре сил F , т.е. будет действовать не скомпенсированное усилие вправо. Когда пластина упрется в левую стенку оболочки, наступит равновесие на оболочке от пары сил F , но некоторое время будут ударять влево в левую стенку элементарные объемы воды, увлеченные влево предыдущим движением пластины. Таким образом, вплоть до полного успокоения в системе на протяжение некоторого времени будет существовать не скомпенсированное усилие на оболочке, но теперь уже влево. Импульс начального не скомпенсированного усилия вправо разгонит всю систему вправо, а импульс конечного не скомпенсированного усилия влево затормозит всю систему до исходной скорости перед включением силы F. В результате произойдет дополнительное (к исходному равномерному движению или покою) перемещение общего центра масс замкнутой системы на рис.2. Для подобной замкнутой системы тел с распределенными массами также характерен специфический эффект переходных режимов, к которому хотелось бы привлечь внимание читателей.
В целом, возвращаясь к табл.1, по завершении объяснения в ней череды физических параметров и процессов необходимо упомянуть об основных проявлениях специфического эффекта на переходных режимах в замкнутых системах тел с распределенными массами.
Если по установившемуся режиму видно, что струя воды из сопла слабо расширяется по ходу своего движения вдоль стенок оболочки на рис.1(б) (это наблюдается при ламинарном характере течения или при относительно небольших размерах оболочки), то переходный режим после включения внутренней движущей силы (после запуска вращения гребного винта) сопровождается не одним, а сразу двумя последовательными специфическими эффектами: сначала – при продвижении фронта струи к левой стенке оболочки вся система (покоившаяся до этого) ускоряется вправо, и при продвижении фронтов струй к левым углам оболочки вся система сохраняет накопленную скорость вправо (см. табл.1); потом – при продвижении фронтов обратных струй к правым углам оболочки вся система из-за противоположно направленного специфического эффекта замедляется до остановки, и далее в том числе на установившемся режиме вся система остается неподвижной; но что и в данном случае принципиально – новое положение общего центра масс системы не совпадает с изначальным положением, т.е. общий центр масс системы перемещается в пространстве (пусть даже на небольшое расстояние) за счет внутренних усилий в замкнутой системе. Строчкой ниже будет показано, что такое перемещение может быть кратковременным, но сам его факт имеет фундаментальное значение. Если в любой момент на установившемся режиме, например, убрать сцепление гребного винта с валом двигателя, то тяговое усилие винта вправо на оболочку почти мгновенно станет равно нулю, и пойдет переходный режим с постепенным прекращением циркуляции воды в оболочке. По инерции и по закону сохранения локальных импульсов (который никто не собирается отменять, в отличие от уточнения границ применения закона сохранения всесистемного импульса) элементарные объемы воды продолжат то движение, что было до того, т.е. усилия на стенках оболочки от динамического давления воды будут значительными долгое время. Сохранившееся усилие влево на левую стенку оболочки от ударов воды на оси симметрии (см. рис.1(б)) при отсутствии тягового усилия винта вправо – вызовет специфический эффект обратный к табл.1, и вся система придет в движение в левую сторону. По окончании полностью переходного режима с выключением внутренней движущей силы вся система может оказаться в том же месте, где она была еще до начала каких бы то ни было движений. Меньшая наглядность специфического эффекта отличает рассмотренный частный случай с узкими струями от основного варианта из табл.1.
Основной вариант подразумевает турбулентный характер течения воды в оболочке и относительно наибольший поперечный (вертикальный на рис.1(б)) размер оболочки. В этом случае на установившемся режиме струя из сопла, заметно расширяющаяся вдоль своей траектории, после удара в левую стенку оболочки и поворота с разделением при движении по левой стенке – не доходит до левых углов оболочки и образует широкий обратный поток воды к правой стенке оболочки. Переходный же режим после включения внутренней движущей силы (после запуска вращения гребного винта) заканчивается в общем, когда фронты расширенных струй вдоль левой стенки оболочки поворачивают по направлению к правой стенке оболочки и фактически сливаются с уже имеющимися широкими обратными потоками воды к правой стенке. По этой причине специфический эффект проявляется только единожды во время переходного режима, см. табл.1. А именно: при продвижении фронта струи из сопла к левой стенке оболочки вся система (покоившаяся до этого) ускоряется вправо; почти сразу же за достижением фронтом левой стенки, т.е. после разделения на фронты струй в центре (вблизи оси симметрии) левой стенки оболочки и позже далее (в том числе и на установившемся режиме) - вся система продолжает перемещаться вправо с накопленной скоростью.
От длительности работы на установившемся режиме, наступающем после переходного режима включения в работу, зависит расстояние, которое в итоге будет пройдено общим центром масс системы в основном варианте. В табл.1 получено, что это расстояние может быть сколь угодно большим само по себе и по наглядности. А прекращение работы на установившемся режиме и окончание нового переходного режима с выключением внутренней движущей силы – приводит не к возвращению системы в изначальное положение в пространстве, но лишь к невозможности дальнейшего отдаления от изначальных координат, т.е. приводит всего лишь к остановке замкнутой системы, причем на иных координатах. В описываемом основном варианте лучше используются выгодные уникальные возможности, заложенные в специфическом эффекте, и легче достижимой становится последняя главная цель, которая благодаря специфическому эффекту выходит из разряда неосуществимых. Речь идет о перманентной тяге (обеспечивающей постоянное ускорение абсолютно свободной механической системы) качественно нового движителя, принцип действия которого отличен от реактивной тяги (при выбросе неких масс из системы в окружающую среду) и замечателен отсутствием массо-обмена с окружающей средой. Т.е. качественно новый движитель характеризуется тем, что является частью полностью замкнутой механической системы, и при этом может длительно разгонять или тормозить данную систему. Такой движитель имеет множество эксплуатационных преимуществ по сравнению с любым ныне используемым движителем, особенно в области авиации и космонавтики.
Доработка основного варианта функционирования системы, см. рис.1(б), до принципа действия качественно нового движителя состоит в ряде манипуляций внутри оболочки с водой и главное – во вращении оболочки на 180 градусов вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа, на корпусной раме, которая также принадлежит сборочной замкнутой системе. Это должно быть сделано на установившемся режиме течения воды в оболочке (по окончании переходного режима включения гребного винта), когда сборочная система обладает ненулевой скоростью вправо (при нулевой изначальной скорости сборочной системы). Тогда после указанных операций левая стенка оболочки станет правой (и наоборот), а узкая струя воды из сопла будет направлена вправо при продолжающейся работе гребного винта. И тогда новый переходный режим с выключением винта, сопровождаемый специфическим эффектом, вызовет не обнуление правой скорости сборочной системы, а наоборот, приведет к прибавлению скорости сборочной системы вправо. Затем оболочку со стоячей водой необходимо путем нового поворота на 180 градусов вернуть в положение, определяемое рис.1(б), причем подобные повороты оболочки сами по себе не влияют на скорость сборочной системы, т.е. удвоенная скорость вправо сохраняется у сборочной системы. Теперь можно снова включить гребной винт, и специфический эффект на соответствующем переходном режиме выразится в дополнительном приросте скорости сборочной системы вправо. На установившемся режиме - опять поворот оболочки на 180 градусов с последующим выключением гребного винта и новой прибавкой скорости. Данную последовательность действий можно повторять раз за разом, все время увеличивая скорость движения (без внешнего сопротивления и трения) сборочной системы. Это и есть перманентная тяга качественно нового движителя, принцип действия которого связан с очерченным специфическим эффектом.
В свете сказанного по-новому предстает такая загадка современности, как Неопознанные Летающие (плавающие под водой, перелетающие от звезды к звезде) Объекты – истинные НЛО или «летающие тарелки». Многочисленные наблюдения и факты свидетельствуют о том, что НЛО - суть материальные транспортные средства, изготовленные за пределами Солнечной системы. Для межзвездного перелета за разумные сроки (с постоянным ускорением сначала разгона, а потом торможения, и с постоянным наличием инерционной силы тяжести на космическом корабле) необходима большая и чрезвычайно длительно действующая тяга движителя космического корабля, несовместимая с принципом примитивного реактивного движения. Аналогично – для многочасовых зависаний НЛО при компенсации земной гравитации. Попытки всё объяснить и попробовать скопировать с помощью явной антигравитации недальновидны : пусть даже удастся “экранировать” притяжение Земли, но останется проблема движения вдоль поверхности Земли и проблема перемещения в межзвездном пространстве, где условие нулевой гравитации является просто данностью. Подобные проблемы и многие схожие препятствия снимаются, вероятно, путем применения движителя с принципом действия, близким к тому что описано выше и обеспечивающим фантастические летные характеристики класса НЛО (см. также Заявку на изобретение «Способ создания тяги внутри замкнутой системы»).
Отдельный вопрос, связанный с «летающими тарелками», касается огромного расхода энергии даже в маленьких НЛО, что конструктивно недостижимо на основе нынешних земных технологий, включая атомные энергетические установки и гипотетический управляемый термоядерный синтез. Ответ на вопрос об источнике энергии можно найти, в частности, в книге «Третий взгляд на проблему вечного двигателя» (г. Москва, 1998 год, 40 стр., Болдин А.Ю. – ISBN 5-901088-01-8) и в патенте № 2126585 Российской Федерации на изобретение «Электромашинный умножитель электрической мощности» с приоритетом от 28.01.1997 года. Остальные необычные особенности НЛО поддадутся объяснению также только после корректировки ряда специальных разделов общей физики.

3. Заключение.
Открыт специфический эффект, свидетельствующий о необязательности закона сохранения глобального импульса для замкнутой системы тел с распределенными массами, в противоположность безальтернативности закона сохранения глобального импульса для замкнутой системы тел со сконцентрированными массами (именно такие системы до сих пор рассматривались в механическом разделе физики). Под замкнутой системой тел с распределенными массами понимается такая система, в которой одно из тел (рабочее тело) равномерно распределено по некоему внутреннему объему системы, и его элементарные части могут перемещаться внутри этого объема, но так что центр массы рабочего тела не меняет своего положения относительно общего центра масс замкнутой системы. Естественно, причиной перемещений элементарных частей рабочего тела служат определенные силы, являющиеся именно внутренними силами системы. И естественно, при перемещениях элементарные части рабочего тела, контактирующие со стенками внутреннего объема системы, воздействуют на эти стенки соответствующими силами. Подобные взаимодействия, естественно, подчиняются закону сохранения локального импульса. На установившемся режиме циркуляции рабочего тела все внутренние силы находятся в равновесии.
Исключительность замкнутой системе тел с распределенными массами придают процессы в ней и само ее поведение на переходном режиме включения (или выключения) циркуляции рабочего тела. Показано, что в этом случае внутренние усилия в системе временно не дают равновесия. В результате временного превосходства одного из усилий над противоположным усилием и под действием импульса соответствующего усилия – в целом замкнутая система меняет свою скорость, т.е. наблюдается приращение глобального импульса замкнутой системы тел с распределенными массами, причем при нулевой равнодействующей внешних сил или при отсутствии внешних сил вообще. Такова суть специфического эффекта на переходных режимах, и таковы уточнения областей применения закона сохранения импульса, который теряет статус непреодолимого всеобъемлющего физического закона в материальном мире.
О специфическом эффекте, всесторонне рассмотренном выше, впервые было сообщено в заявках Российской Федерации на изобретение «Способ создания тяги внутри замкнутой системы» - заявка № 98103193 от 20.02.1998 года (бюллетень № 36 от 27.12.1998 года) и более ранняя заявка № 97110574 с датой приоритета 26.06.1997 года. А также о специфическом эффекте подробнее говорилось в дополнительных материалах к указанным заявкам на запросы патентной экспертизы по существу.
По прочтении настоящего описания специфического эффекта и других материалов – возможные отзывы, замечания и предложения просьба направлять по адресу :
101000, г. Москва, Главпочтамт, а/я 788, НИКИЭТ, Инженерный Центр Прочности, Болдину А.Ю.