Философия - итоги

на главную

Ка-52

Идеальный движитель

Движитель это та часть любой машины, благодаря которой она может двигаться. У автомобиля это колесо, у трактора гусеница, а у вертолёта несущий винт. При этом хоть у вертолёта и есть колёса, они уже не являются движителем, они всего лишь опора. Реактивный и ракетный двигатели совмещают в себе и роль двигателя, и роль движителя одновременно. Для первых движителей, из перечисленных, необходима точка опоры, для последних точка опоры уже не нужна. Если для работы реактивного двигателя нужна воздушная среда, то ракетный двигатель не нуждается ни в чём.

Независимость ракетного двигателя ни от точки опоры, ни от окружающей среды позволяет его использовать в космическом пространстве. Ракетный двигатель даёт нам принципиальную возможность выйти в космос, но пол века развития космонавтики показало, что такой способ движения это ужасно дорого. Дороговизна проистекает из того, что ракетному двигателю требуется расходный материал, наши ракеты на стартовом столе весят порядка тысячи тон, где 90% вес топлива, а полезная нагрузка, выводимая на орбиту всего 2%. Добавьте сюда то обстоятельство, что ракета является одноразовым изделием и справедливым становится изречение: «гора родила мышь». Из понимания всего этого невольно возникает вопрос, а может ли быть иной физический принцип движения?

В идеале нам нужно чтобы движитель не нуждался ни в точке опоры, ни в расходном материале, и при этом ещё не зависел от окружающей среды. Понятно, что колёса, гусеницы и реактивные двигатели вместе с ракетными отпадают сразу и у нас остаётся рассмотреть только вертолётный винт. Вертолётный винт отличается от всех прочих движителей тем, что у него точка опоры и среда это одно и тоже, то есть вертолётный винт опирается на среду. При этом стоит обратить внимание на следующее, хоть для работы винта и требуется большой объём, сама рабочая среда имеет ничтожный вес, порядка одного килограмма на кубический метр объёма. Вертолётный винт не может работать в условиях открытого космоса, нет нужной среды, но мы можем взять эту среду с собой, поместив его в герметично замкнутую конструкцию. Теперь давайте абстрагируемся от реального вертолёта и рассмотрим конструкцию на приведённом ниже рисунке.

Винты

Красным цветом обозначен внешний герметичный корпус.
Синим центральный стержень.
Чёрным электродвигатели.
Коричневым лопасти.

Итак, у нас снаружи космический вакуум, внутри нормальное давление, а винты вращаются навстречу друг другу, компенсируя крутящие моменты. Вопрос, будет ли такая конструкция создавать тягу? С точки зрения классической механики такого не может быть потому, что не может быть никогда. Проще говоря, это противоречит закону сохранения импульса, но так ли это на самом деле? Все законы сохранения рассматривают случаи взаимодействия тел, в данном случае у нас одно тело. Мы рассматриваем космический корабль, который не взаимодействует ни с чем, мы рассматриваем процессы, происходящие только внутри корабля и не имеющие ни каких следствий за его пределами. Следовательно, пытаться в данном случае применить закон сохранения импульса не корректно, этот случай не может быть описан ни каким законом сохранения, нет второго тела. Тогда спрашивается, если законы механики не применимы, с помощью чего мы будем рассматривать такую конструкцию? Кроме механики у нас есть ещё и геометрия, поэтому давайте рассмотрим с геометрической точки зрения, как работает лопасть вертолётного винта. На следующем рисунке показана эпюра сил действующая на лопасть винта и результирующая сила, разложенная на вертикальную и горизонтальную составляющие.

Эпюра

Синим цветом, показан вектор подъёмной силы, а красным вектор аэродинамического сопротивления. При одной и той же скорости вид эпюры зависит от формы профиля лопасти. Обратите внимание на то, как различаются между собой верхняя и нижняя части профиля разделённые линией проведённой от задней кромки к передней. Хорошо видно, что профиль не является симметричным телом, у симметричного профиля в таком же положении (угол атаки равен нулю) результирующая сила в точности совпадает с вектором аэродинамического сопротивления (Х обозначено красным) и подъёмная сила отсутствует. Это значит, что движение лопасти и её обтекание воздушными потоками, для создания подъёмной силы, является необходимым условием, но при этом абсолютно недостаточным.

При наличии движения величина подъёмной силы, аэродинамического сопротивления и отношение их величин зависят исключительно от формы профиля лопасти. У хорошо сделанных профилей величина подъёмной силы в 50 и более раз больше аэродинамического сопротивления.

Вы спросите, как такое возможно, ведь двигатель вкладывает силу только и исключительно в преодоление силы аэродинамического сопротивления? Откуда берётся сила, многократно превышающая силу двигателя? Прежде всего, обратите внимание, возникающая подъёмная сила направлена перпендикулярно силе вращения двигателя и аэродинамической силе сопротивления. То есть эти силы борются между собой и при их равенстве угловая скорость вращения винта приходит в равновесное состояние. Подъёмная сила является не результатом их борьбы, а результатом несимметричности профиля лопасти винта. Неравенство двух частей профиля приводит к тому, что неравные части порождают неравные потоки обтекания, которые в свою очередь неравным образом действуют на неравные поверхности, что и порождает ни чем не скомпенсированную подъёмную силу. Как мы знаем, не скомпенсированная сила является причиной движения, а скомпенсировать её может только вес корабля в условиях гравитационного поля, или инерционность коробля в отсутствии гравитационного поля. Подводя первый итог, следует сказать, для вертолётного винта не имеет значения, будет он работать на открытом воздухе, как в случае обычного вертолёта, или он будет работать в герметично замкнутом объёме, как в рассматриваем здесь примере. В обоих случаях на лопастях винта возникнет подъёмная сила и винт даст одну и туже тягу, разница будет в следствиях работы винта, что и рассмотрим далее.

Среда воздействует на винт, что порождает подъёмную силу, в свою очередь винт воздействует на среду, что порождает нисходящий поток. Для вертолёта в земных условиях это не имеет значения, а что даст он в нашем случае? Первый вопрос, на который мы должны ответить, несёт ли в себе нисходящий поток силу равную подъёмной силе? Ещё раз обратим внимание на эпюру, стрелочки снизу лопасти показывают величину силы, с какой среда давит снизу. Эта сила складывается из нормального атмосферного давления, плюс сила набегающего встречного потока. Маленькие стрелочки сверху лопасти показывают силу атмосферного давления за минусом убегания потока от верхней поверхности лопасти. В итоге подъёмная сила является результатом разности давлений на и под лопастью винта. Сразу за лопастью, избыточное давление, образовавшееся под лопастью, делится на два вектора, часть образует нисходящий поток, часть устремляется вверх, в зону пониженного давления. То есть, нисходящий поток несёт в себе только часть той силы, с которой лопасть опирается на среду.

Причём, если быть точным, то на рисунке с эпюрой приведён случай, когда угол атаки лопасти равен нулю и в этом случае подпора от набегающего потока нет вообще. При нулевом угле атаки подъёмная сила образуется исключительно и только за счёт разряжения над лопастью. Если мы будем увеличивать угол атаки, у нас начнёт расти подъёмная сила, сила аэродинамического сопротивления и появится нисходящий поток. При этом примерно до шести градусов подъёмная сила растёт быстрее, чем аэродинамическое сопротивление и для рассматриваемого случая это самый выгодный диапазон углов атаки.

Так как у нас винты работают в замкнутом пространстве, и конструкция имеет пол с потолком, то эту задачу можно рассмотреть иначе. Винты пытаются перекачать воздух от потолка к полу, спрашивается, какую разность давлений они могут создать? Если мы посмотрим на вентиляторы, которые специально создаются для того, чтобы перегнать воздух из одного объёма в другой, то увидим, что они имеют либо, множество лопастей стоящих вплотную к друг другу, либо они имеют очень широкие лопасти, частично перекрывающие друг друга. Это делается для того, чтобы воздух между лопастями не успевал перетекать обратно. Кроме этого все вентиляторы делают как можно меньшего диаметра и стараются им придать как можно большую скорость вращения. Только эти показатели позволяют удержать разность давлений перед и за вентилятором.

Вертолётный винт это пример антивентилятора. Лопасти имеют большую длину, небольшую угловую скорость вращения, а сами лопасти, в своём масштабе очень узкие. В итоге между лопастями огромное пространство, через которое воздух беспрепятственно перетекает в обратную сторону. И понятно, что хоть сколько-нибудь существенного перепада давлений между потолком и полом вертолётный винт создать не может. Посмотрите на фотографию слева, это камовский вертолёт с соосными винтами, и обратите внимание на расстояние между винтами, чисто зрительно метра полтора. Это значит, что такого расстояния достаточно для того, чтобы свести до минимума воздействие верхнего винта на нижний. Воздух от верхнего винта, первоначально устремляется вниз, но зоны разряжения идущие за каждой лопастью гасят этот поток, в итоге оба винта работают примерно в одинаковых условиях.

То же самое будет и в замкнутом объёме, да конечно часть тяги неизбежно потеряется, но только часть и меньшая. Напомню, подъёмная сила более чем в 50 раз превышает силу необходимую для создания вращения. Даже если вся сила необходимая для создания вращения будет работать против подъёмной силы, сами понимаете, нам останется больше чем достаточно. Как и в предыдущей статье, где рассматривался вопрос возможности создания термоядерного реактора, здесь та же ситуация, есть идея и дальше всё зависит от способности людей воспринимать идеи. На фотографии слева уже созданная и реально работающая машина с двумя винтами, у которой верхний винт не мешает работать нижнему. Идея уже частично воплощена в металле, сделать небольшой шаг дальше и увидеть очевидное, не дают ошибки современной физики. Современная физика зашла в тупик потому, что в ней необоснованно принято экстраполировать закономерности частных явлений на все классы явлений. В нашем примере физики пытаются закон сохранения импульса для системы тел распространить и на единичное тело, спрашивается, на основании чего?


Как видите, идеальный движитель есть и матушка природа к нам явно благосклонна. Но мы реально выйдем в большой космос только тогда, когда выработаем в себе обыкновение смотреть на мир шире своих догм.


Прошло немного времени и общение с одним читателем (спасибо Алексею) помогло мне понять, что понятный для меня текст, не является таковым для других. Моя попытка заострить внимание, что предлагается рассматривать частный случай, когда угол атаки равен нулю, в данном тексте всё время ускользает от внимания. Поэтому на следующей странице рассмотрим ещё один рисунок, где мы имеем чистый треугольник.

Обтекание

Понятно, что у реального профиля следует немного закруглить переднюю и самую верхнюю кромки, но здесь я специально изобразил так для наглядности, чтобы было понятно, что профиль крыла, в сущности, есть треугольник. Теперь представим два соосных винта имеющих лопасти указанного профиля, отлитые из титана и низ которых установлен точно в плоскость вращения, то есть угол атаки ноль. При вращении, острая передняя кромка будет резать среду, и порождать два потока обтекания. Передняя верхняя поверхность будет сжимать среду, и отбрасывать вверх. Задняя верхняя поверхность, в силу своего наклона, будет всё время убегать от этого потока, что явится причиной падения давления над ней. Нижний поток, пройдя под лопастью и испытав только трение об неё, сразу за задней кромкой устремится в зону разряжения и там столкнётся с верхним потоком, что в итоге породит турбулентный след за лопастью.

Так всё выглядит в системе координат лопасти, если мы будем неподвижными наблюдателями в системе координат среды, то процесс будет выглядеть следующим образом. Лопасть, проходя мимо нас, разрежет среду, и та её часть, что окажется выше передней кромки, будет отброшена вверх, а та часть, что окажется ниже, просто останется на месте. Когда лопасть полностью пройдёт мимо нас, среда вновь сомкнётся, породив множество завихрений.

Крыло, как треугольное и несимметричное тело, движущееся в таком положении, никак не может быть частью сбалансированного процесса, взаимодействие со средой неизбежно порождает дисбаланс сил. Два соосных винта, вращающихся навстречу друг другу, компенсируют крутящие моменты и при всей турбулентности, в среднем, оставят среду неподвижной. В рассматриваемой системе нет динамически порождённой силы противоположной и равной подъёмной силе, есть только масса и инерционность, а они вступят в работу только когда появится ускорение, то есть - движение неизбежно. На всю эту систему можно взглянуть ещё примерно так, в герметичной конструкции вращаются винты, единственным существенным следствием работы которых является возникновение зон разряжения над лопастями винтов и не возникновение аналогичных зон разряжения под лопастями. Возникающая разность давлений давит исключительно на сами лопасти, которые это давление передают далее по конструкции.

На прямой вопрос, что является точкой опоры в такой системе? Следует ответить – физический процесс обтекания лопастей. Сама среда, воздух, не являются точкой опоры. Вы можете опереться рукой о стол, но точно так же не можете опереться о воздух или воду. Но, высунув руку в окно автомобиля на большой скорости, Вы легко можете почувствовать, что на поток воздуха уже можно опереться. В статье «Механика» подробно рассмотрено понятие точки опоры, как физический процесс.

Я понимаю, что существует психологический барьер восприятия, уж больно это не согласуется с нашим повседневным опытом, но если всё-таки унять чувства. Примером того, как природа действует вопреки нашим представлениям, является полёт шмеля. Объяснить его учёным мужам не позволил именно этот самый психологический барьер. Вкратце проблема у учёных мужей возникла в следующем. Когда измерили энергозатраты на полёт у шмеля и его вес, то в сравнении с самолётами получалось, что шмель это 50 тонный самолёт с моторчиком от мопеда. Ученых мужей поставил в тупик вопрос, как объяснить качество крыльев шмеля измеряющееся тысячами раз превышения подъёмной силы над аэродинамическим сопротивлением? То есть, измерения показывали, что крылья шмеля на единицу подъёмной силы имеют ничтожное аэродинамическое сопротивление, но при этом создают достаточную подъёмную силу.

Ларчик, как обычно, открывается довольно просто, если мы взглянем на крыло шмеля, то легко заметить, что его профиль это очень длинный и узкий треугольник, где передняя часть, отжимающая воздух вверх, занимает ничтожную часть крыла. Крайне узкий профиль имеет минимальное сопротивление, требующее небольших энергозатрат, а огромная площадь даёт необходимую подъёмную силу. Для авиации такое крыло неприемлемо потому, что оно может работать только в очень узком диапазоне углов, в пределах одного градуса и меньше. Узкий диапазон углов требует ювелирной точности техники пилотирования, чего нельзя требовать от людей, но что не является проблемой для матушки природы. Шмель всё время так точно водит свои крылышки, что, двигаясь вперёд они всегда идут строго в пределах допустимого угла, вот и всё.


Пример шмеля и множество других примеров, которые демонстрирует нам природа, учат нас тому, что не всегда следует полагаться на чувства. Тем, кто осознал и в состоянии сделать – желаю удачи, идея перед вами.

Апокалипсис
Атеизм
Будущее экономики
В круге втором
Вера
Гравитация
Границы жизни
Демократия
Добро и зло
Дух
Душа
Знание
Идеализм
Идеальный вариатор
Идеальный движитель
Идея
Интеллект
Искусство
Истина и бытие
Культура
Логика
Логика истории
Любовь
Материя
Мегалиты
Механика
Мораль
Наска
Натуральная философия
Наука
Начала математики
Начала экономики
Общественная проказа
Общество
Парменид
Предел греха
Прогресс
Пути дороги
Руны
Свобода
Свобода и бардак
Слова древних
Смысл жизни
Совесть
Современная философия
Суждения - по видимому
Сущность власти
Термоядерный реактор
Философия
Честность
Честь
Цена правды
Язык

Вершинин Эдуард
  Константинович

Рейтинг@Mail.ru