Начин на движение и устройство тип "Риба"
Предложеното техническо решение служи за създаване на превозни средства, които се движат автономно в течни среди.
Известно е (National Maritime Research Institute, http://www.nmri.go.jp/index e.html, Prototype Fish Robot, PF-600. http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/fish/experiment/pf600/pf600e.htm) устройство за риба-робот, състоящо се от твърдо цилиндрично тяло с овална форма в предната част, носещо захранващ източник, електронен схема за управление на два двигателя, извършващи осцилаторни движения на опашката, имащи формата на опашка на риба тон, в съответствие с алгоритъма на движение на естествена риба тон, възпроизведен с помощта на компютър.
Известно е (Л. С. Шапиро. Към патенти на природата. http://www.submarina.ru/intro.php?31), „че през 1936 г. английският зоолог Джеймс Грей установи, че съпротивлението на делфина, когато се движи във вода, изчислено по обичайния начин за корабостроенето, е 8-10 пъти по-голямо от това, което мускулите на животното могат да преодолеят. Беше изразено мнение, че за да се намали значително съпротивлението, кожата на делфина трябва не пасивно, а активно да гаси смущенията в граничния слой, за което има някакъв вид физиологичен процес, който може да контролира промените в свойствата на кожата. Но въпреки тези възгледи моделирането на активното действие, характерно за кожата на морските животни, продължава да се счита за един от обещаващите проблеми на корабостроенето.
Така остава отворен въпросът как рибите намаляват съпротивлението на околната среда по време на движението си?
Известни (G. Schlichting. Теория на граничния слой. Издателство "Наука". М., 1974, стр. - 712) средства за намаляване на съпротивлението на тялото в потока под формата на ламинаризация на тези потоци и елиминиране на отделянето на граничния слой от обтекаемияповърхност чрез изсмукване на граничния слой или инжектиране на допълнително количество течност в граничния слой, което води до увеличаване на критичното число на Рейнолдс и следователно до потискане на процеса на турбулентност на граничния слой, което увеличава съпротивлението на средата към движението на тялото в нея.
И в двата случая са необходими допълнителни средства за контрол на граничния слой върху повърхността на обтекаемо тяло с фиксиран профил.
Известен (№ 2002669 RU) е метод и устройство за контрол на развитието на граничен слой върху обтекаема повърхност, при което се определя местоположението на областта на прехода на ламинарен граничен слой към турбулентен, неговите характеристики се измерват по цялата дължина и в граничния слой се въвеждат смущения с определена амплитуда и фаза, като по този начин се постига потискане на естествените смущения, развиващи се в ламинарен граничен слой и като че ли забавят появата на турбуленция, което води до намаляване на общото съпротивление.
Такова техническо решение изисква използването на голям брой сензори, сложни електронни устройства (генератор, анализатор и др.) И съответно значителни разходи за енергия (патент No 2171205 RU).
Известен (M.M. Ilyin, K.S. Kolesnikov, Yu.S. Saratov. Theory of Oscillations. Ed. MSTU named of N.E. Bauman. M., 2003, p. 272) е метод за стабилизиране на обърнато махало, т.нар. P.L. Капица. Този метод демонстрира наличието на стабилно състояние на равновесие в масивно тяло с център на тежестта, разположен над точката на окачване, като в точката на окачване тялото е подложено на високочестотни трептения с ниска амплитуда. Това фиксира позицията на тялото по вертикалата, тъй като принудителното отклонение до определен ограничаващ ъгъл на махалото отравновесното положение води до свободни затихващи трептения на махалото, кулминиращи в стабилно положение на обърнатото махало.
Понастоящем такова махало и неговите многозвенни варианти са обект на множество изследвания, които нямат практическо приложение, освен за демонстрация и обяснение на стабилността на въжето сред "индийските факири".
Известни (В.Г. Широносов. Резонанс във физиката, химията и биологията. Ижевск. Издателство "Удмуртски университет", 2000/01. 92 стр.) устройства като обърнато махало, създадено от В.Н. Челомей. Отличителна черта на тези махала е, че тяхното поведение се разглежда във вибрираща течна среда. Оказа се, че например товар, свободен или поставен върху прът с възможност за инерционно изплъзване от него, при вертикална вибрация на съд с прът, фиксиран вертикално или под някакъв ъгъл спрямо вертикалата, се издига по пръта или без него, ако плътността му е по-висока от плътността на течността, и се спуска, ако плътността на товара е по-малка от плътността на течността. Това явление демонстрира различното поведение на обърнато махало в случай на промяна в плътността на средата.
Експериментите на Челомей все още не са намерили приложение след 50 години.
Известни (патент № 2259302 RU) са нашият "Метод и устройство за преместване на потопено тяло", което се състои в това, че въздействието от ударен тип в определена точка на улавяне върху обтекаемо гъвкаво крилоподобно тяло в посока, напречна на повърхността на крилото, води до теглителна сила, която принуждава тялото да се движи в посока напред през приложената сила. В този случай гъвкавото тяло естествено придобива форма, при която челното съпротивление на тялото е минимално.
Това е техническо решениепозволява разширение под формата на приложението му към система от последователно свързани подобни елементи, например два - "хобот" и "опашка", възпроизвеждащи тялото на "рибата" и процеса на нейното движение.
Целта на предложеното решение е да се разработи метод и устройство за движение в течни среди, лишени от горните недостатъци на познатите технически решения и представляващи естествено развитие на познатото ни техническо решение.
Целта се постига чрез използване на тяло, подобно на риба, движещо се в течна среда, съставено от два обтекаеми гъвкави елемента от масивен "торс" и "опашка", свързани последователно, като движението на тялото се осъществява благодарение на теглителната сила, създадена от "опашката" и "хобота" с едновременното им напречно ударно въздействие върху околната течна среда в противофаза, докато огъващите ударни движения на тялото и опашката спомагат за намаляване на съпротивлението на средата поради естественото приемане на "ствола" и "опашката" на формата под формата на крило в предизвикания насрещен поток на средата наоколо и деформациите на компресия и опън на страничните повърхности на "тялото", придружаващи огъващите движения, водят съответно до вливане и засмукване на течност в областите на съответните гранични слоеве на "тялото", което спомага за намаляване на съпротивлението поради ламинаризацията на тези слоеве и дължината също така осцилаторните движения на тялото, придружаващи огъващите движения на „тялото“ и „опашката“, допринасят за стабилизиране на посоката на движение на „рибата“ и допълнителна тяга.
Изходните точки на изобретението са както следва:
1) В основата на движението на рибата е огъващият тип ударно движение на тялото.
2) Тези движения с огъващ удар подобряват хидродинамичните характеристики на потока около тялото до степен, чече дори и да са загубили опашката си, рибата може да се движи в средата, тъй като такива движения допринасят не само за появата на теглителна сила, но и значително намаляват съпротивлението на средата.
3) Тялото, което извършва движения на огъване-удар в средата, и опашката, която е доста здраво свързана с прекаудалния край на тялото и следователно също изпитва собствено взаимодействие на огъване-удар с околната среда и е основният изпълнителен елемент на тялото на рибата, създавайки основната част от теглителната сила за цялото тяло, участват в създаването на теглителна сила в рибата.
4) Както тялото, така и опашката имат специална точка, спрямо която се извършват огъващите движения на тялото и опашката и в която е концентрирано влиянието на околната среда. Тази точка се намира в района на 0,2 дяла от дължината на тялото на рибата от страната на главата.
5) Огъването на движещото се тяло на рибата служи за значително намаляване на съпротивлението, тъй като е придружено от процесите на "всмукване" и "вливане" на течност в граничните слоеве на извитите и вдлъбнати страни на тялото.
6) Стабилизирането на посоката на движение на рибата, задвижвана от движещата се опашка, разположена отзад, се осигурява с огъващите движения на тялото на рибата чрез възникване на условия на стабилизация, подобни на условията на стабилизация на обърнатото махало на Капица.
7) Огъващите движения на тялото създават условия, подобни на условията за движение на масивно тяло във вибрираща течност, както в експериментите на Челомей, генерирайки транслационно движение на тялото напред поради появата на обратни потоци, протичащи около тялото.
Техническите условия за разработка се определят от изходните положения.
1. Риба, като система от два пропулсора, свързани последователно (фигура 1).
Тялото 1 и опашката 2 на фигурата на фигура 1 на рибата имат висока степенгъвкавост в равнината, в която се извършва движението на опашката 2, докато гръбните перки и равнината на опашката са перпендикулярни на равнината на движение на опашката. Центърът на тежестта на тялото на рибата се измества от геометричния център към главата. Тялото на рибата има висока обтекаемост. Според експериментални данни (Е.В. Романенко. Хидродинамика на риби и делфини. Изд-во КМК. М. 2001. С. -411.) в процеса на плуване рибата извършва колебателни движения, така че тялото3и опашката 4 (фиг. 1) осцилират в противофаза с различна амплитуда на изместване спрямо посоката на движение. На фиг. Фигура 2 показва типична зависимост на изместването h(X) на различни точки X от тялото на рибата по време на плуване. Трябва да се отбележи, че зависимостта има минимум, разположен в областта X ≈ 0.2.
Ние (патент № 2259302 RU) открихме, че тази точка за плоско гъвкаво обтекаемо тяло има свойството, че улавянето на тялото в тази точка и прилагането на тип удар върху него в посока, напречна на повърхността на тялото, води до появата на максимална теглителна сила (за дадена сила на удара в точката на улавяне на тялото), принуждавайки тялото да се движи напред в посоката на приложената сила. В този случай тялото придобива извита форма, естествено съответстваща на дадените еластични свойства на огъване на дадено тяло към минималното съпротивление на средата, подобно на показаното с плътната линия на фиг.1.
Обсъдената по-горе точка се определя от правилотоU=δ/l=0.29, къдетоδе изместването от геометричния център (двигателя - тялото на рибата), напред по надлъжната централна права линия към чучура,lе дължината на тази надлъжна права линия; тази стойност на параметъра U съответства на стойносттаX=0.21за кривата на фиг.2. На фиг.1 линия а ид ограничаване на дължината на тялото на рибата в покой; линия c съответства на условната точка на окачване на тялото на рибата като махало или точката на свързване на тялото и опашката на рибата; пресечните точки на линиитеbиdс правата линияОО'показват позициите на точките, съответстващи на правилотоU=0.29за тялото(b)и опашката(d)като отделни двигатели.
Логично продължение на нашето изследване беше използването на не едностранно, а редуващо се периодично въздействие върху гъвкаво еластично тяло, така че това тяло да придобие праволинейно резултантно движение напред, подобно на движението напред на повърхността на крилото по време на махащите му движения. Тези проучвания са проведени. В резултат на това се разкриват възможностите на едно гъвкаво еластично тяло да бъде двигател, което се различава от традиционните витлови винтове по това, че не се опира като винт във вода, опитвайки се да я отблъсне, а създава насрещен надлъжен поток на средата, напречен на посоката на удара върху тялото.
Когато е активна, очевидно опашката на рибата е основният двигател. Достатъчно е да се обърнем към факта (E.V. Romanenko. Хидродинамика на рибите и делфините. Издателство KMK. M. 2001. P. -411.), че делфинът с помощта на опашка поддържа вертикалното положение на тялото над водата. Огъващото движение на тялото на рибата води до напречно ударно взаимодействие на тялото и, като следствие, опашката с околната среда. Според нашите резултати, такова променливо взаимодействие води до възникване на произтичаща теглителна сила, която принуждава тялото на рибата, което се състои от две гъвкави еластични тела, свързани последователно, да се движи напред.
По този начин две тела, притежаващи гъвкавост и еластичност, способни да влизат в едносъстоянието на движение напред, когато са свързани последователно, образуват система. В тази система първият елемент от системата "хобот" в рибата, който е двигател-контейнер, съдържа всички необходими органи за поддържане на живота, а вторият - "опашката" - е основният двигател на съществото. Загубата на опашката му носи ограничения в скоростта и маневреността на движението, но не го лишава от жизнеспособност. Тялото на рибата е много по-голямо от опашката. Огъващите движения на тялото позволяват на рибата лесно да променя посоката на движение поради промяна на инерционния момент на тялото в даден инерционен момент на опашката.
2. Фактори, които намаляват съпротивлението на движението на рибите. Трябва да се отбележи (фигура 1 и фигура 2), че по време на праволинейно движение носът на рибата изпитва около 8 пъти по-малко изместване от опашката. Такова напречно периодично редуващо се изместване на тялото на рибата в процеса на нейното движение във водната среда, наречено "кривене", изследователите (E.V. Romanenko. Хидродинамика на рибите и делфините. Издателство KMK. M. 2001. S. -411.) се отнасят до разходите за тяхното движение.
Според нас подобно движение на рибите не е разход, а необходимост за движение с по-малко енергийни загуби.