Спосіб руху та пристрій типу «Риба»
Пропоноване технічне рішення служить створенню транспортних засобів, що автономно переміщуються в текучих середовищах.
Відомо (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) пристрій риба-робот, що складається із заоваленого в передній частині жорсткого циліндричного тулуба, що несе джерело живлення, радіоелектронну схему управління двома двигунами, що здійснюють коливальні рухи хвоста, що має форму хвоста тунця, відповідно до алгоритму руху натурального тунця , що відтворюється за допомогою комп'ютера.
Відомо (Л.С. Шапіро. До патентів природи. http://www.submarina.ru/intro.php?31), «що в 1936 р. англійський зоолог Джеймс Грей встановив, що опір дельфіна при його русі у воді, розраховане звичайним для суднобудування способом, виявляється у 8 - 10 разів більше за те, яке здатне долати мускулатура тварини. Висловлювалась думка, що для значного зменшення опору шкіра дельфіна повинна не пасивно, а активно демпфувати обурення у прикордонному шарі, для чого існує якийсь фізіологічний процес, здатний керувати змінами властивостей шкіри. Але, незважаючи на подібні погляди, моделювання активної дії, притаманної шкірному покриву морських тварин, продовжує розглядатися як одна з перспективних проблем кораблебудування».
Таким чином, залишається відкритим питання: як риби при своєму русі знижують опір середовища?
Відомі (Г. Шліхтинг. Теорія прикордонного шару. Вид-во «Наука». М., 1974, с. - 712) засоби зниження опору тіла в потоці у вигляді ламінаризації цих потоків та усунення відриву прикордонного шару від обтічноїповерхні за допомогою відсмоктування прикордонного шару або вдування в прикордонний шар додаткової кількості текучої речовини, що призводить до підвищення критичного числа Рейнольдса і, отже, до придушення процесу турбулізації прикордонного шару, що збільшує опір руху середовища в ній тіла.
І в тому і іншому випадку потрібні додаткові засоби для керування прикордонним шаром на поверхні тіла, що обтікається, з фіксованим профілем.
Відомі (№ 2002669 UA) спосіб і пристрій для управління розвитком прикордонного шару на обтічній поверхні, в якому визначають місце розташування переходу ламінарного прикордонного шару в турбулентний, вимірюють його характеристики по всій довжині і вводять в прикордонний шар обурення певної амплітуди і фаз придушення природних збурень, що розвиваються в ламінарному прикордонному шарі, і як би затягують таким чином виникнення турбулентності, що призводить до зменшення загального опору.
Таке технічне рішення вимагає використання великої кількості датчиків, складних електронних пристроїв (генератора, аналізатор і т.д.) і відповідно значних енергетичних витрат (патент № 217120).
Відомий (М.М. Ільїн, К.С. Колесников, Ю.С. Саратов. Теорія коливань. Вид. МДТУ ім. Н.Е. Баумана. М., 2003, с - 272) спосіб стабілізації перевернутого маятника, так званого маятника П.Л. Капиці. Цей спосіб демонструє наявність стійкого стану рівноваги у масивного тіла з центром ваги, розташованим вище точки підвісу, причому в точці підвісу тіло піддається високочастотним малоамплітудним коливань. Цим фіксується положення тіла вздовж вертикалі, оскільки примусове відхилення до деякого граничного кута маятника.положення рівноваги призводить до вільних коливань маятника, що загасають, завершується стабільним положенням перевернутого маятника.
В даний час такий маятник та його багатоланкові варіанти є предметом численних досліджень, не маючи практичного застосування, крім демонстраційних та пояснення стійкості каната у «індійських факірів».
Відомі (В.Г. Широносов. Резонанс у фізиці, хімії та біології. Іжевськ. Видавничий дім "Удмуртський університет", 2000/01. 92 с.) пристрої типу перевернутого маятника, створені В.М. Чоломеєм. Відмінною особливістю цих маятників є те, що їхня поведінка розглядається у вібруючому рідкому середовищі. При цьому виявлялося, що, наприклад, вантаж, вільний або одягнений на стрижень з можливістю інерційного зісковзування з нього, у разі вертикальної вібрації судини з вертикально або під деяким кутом до вертикалі закріпленим усередині стрижнем піднімається по стрижню або без нього вгору, якщо його щільність вище щільності рідини, і опускається вниз, якщо щільність вантажу менша за щільність рідини. Це демонструє різне поведінка перевернутого маятника у разі зміни щільності середовища.
Досліди Челомея досі через 50 років не знайшли застосування.
Відомі (патент № 2259302 UA) наші «Спосіб і пристрій для переміщення затопленого тіла», що полягають у тому, що, ударного типу вплив у певній точці захоплення на обтічний гнучке крилоподібне тіло в поперечному до крильової поверхні напрямку приводить до виникнення сили тяги, до руху в напрямку вперед поперек зусилля, що додається. При цьому гнучке тіло природним чином набуває такої форми, при якій лобовий опір тіла мінімальний.
Це технічне рішеннядопускає розширення у вигляді його застосування до системи послідовно з'єднаних подібних елементів, наприклад, двох - «тулуба» та «хвоста», що відтворюють тіло «риби» та процес її руху.
Мета запропонованого рішення - розробка способу та устрою руху в текучих середовищах, позбавленого вищеперелічених недоліків відомих технічних рішень і є природним розвитком нашого відомого технічного рішення.
Мета досягається застосуванням рибоподібного тіла, що переміщається в текучому середовищі, складеного з двох послідовно з'єднаних обтічних гнучких елементів масивного "тулуба" і "хвоста", причому рух тіла здійснюється за рахунок сили тяги, створюваної "хвістом" і "тулубом" при їх одночасному поперечному в протифазі ударного типу вплив на навколишнє текуче середовище, при цьому згинальні ударного типу руху тулуба і хвоста сприяють зниженню опору середовища за рахунок природного прийняття «тулубом» і «хвостом» форми у вигляді крила в індукованому зустрічному потоці обтікаючого середовища, а супутні згинальним і розтягування бічних поверхонь «тулуба» призводять відповідно до вливання та відсмоктування рідини в областях відповідних прикордонних шарів «тулуба», що сприяє зниженню опору за рахунок ламінізації цих шарів, а поздовжні коливальні рухи тулуба, що супроводжують згинальні рухи «тулуба» і «хво сприяють стабілізації напряму руху «риби» та виникненню додаткової тяги.
Вихідні положення винаходу полягають у наступному:
1) Основа руху риби - це згинальні ударного типу руху її тулуба.
2) Ці згинально-ударні рухи покращують гідродинамічні характеристики обтікання тулуба потоками настільки,що, навіть втративши хвіст, риби можуть здійснювати рух серед, оскільки такі рухи сприяють як виникненню сили тяги, а й істотно знижують опір середовища.
3) У створенні сили тяги у риби беруть участь тулуб, що здійснює згинально-ударні рухи в середовищі, і хвіст, досить жорстко пов'язаний з передхвостовим закінченням тулуба, а тому також відчуває власну згинально-ударну взаємодію з середовищем і є головним виконавчим елементом тіла риби основну частину сили тяги всього тіла.
4) Як у тулуба, так і у хвоста є особлива точка, щодо якої відбуваються згинальні рухи тулуба та хвоста і в якій зосереджується вплив середовища. Ця точка знаходиться в районі 0.2 часток довжини тулуба риби з боку її голови.
5) Згинання рухомого тулуба риби служить суттєвому зниженню опору, оскільки супроводжується процесами "відсмоктування" і "вливання" рідини в прикордонних шарах вигнутої та увігнутої сторін тулуба.
6) Стабілізація напрямку руху риби, що приводиться в рух рушієм-хвістом, розташованим ззаду, забезпечується при згинальних рухах тулуба риби виникненням умов стабілізації, аналогічних умов стабілізації маятника Капиці, що перевернуто.
7) Згинальні рухи тулуба створюють умови, аналогічні умовам руху масивного тіла у вібруючої рідини, як у дослідах Челомея, породжуючи поступальний рух тулуба вперед за рахунок виникнення при цьому зворотних потоків, що обтікають тіло.
Технічні умови розроблення визначаються вихідними положеннями.
1. Риба як система двох послідовно з'єднаних рушіїв (фіг.1).
Тулуб 1 і хвіст 2 на малюнку фіг.1 риби мають високий рівеньгнучкості в площині, в якій здійснюється рух хвоста 2, при цьому спинні плавці і площину хвоста розташовані перпендикулярно до площини руху хвоста. Центр тяжкості тулуба риби усунуто від геометричного центру до голови. Тулуб риби має високу обтічність. Згідно з експериментальними даними (Е.В. Романенко. Гідродинаміка риб і дельфінів. Вид-во КМК. М. 2001. С. -411.) в процесі плавання риба здійснює коливальні рухи такі, що тулуб3і хвіст 4 (фіг. 1) коливаються у протифазі з різними амплітудами усунення щодо напрямку руху. На фіг. 2 наведена типова залежність усунення h(X) різних точок X тіла риби в процесі плавання. Привертає увагу той факт, що залежність має мінімум, розташований в області X ≈ 0.2.
Нами (патент № 2259302 UA) виявлено, що ця точка для плоского гнучкого обтіканого тіла має ту властивість, що захоплення тіла в даній точці і докладання до неї ударного типу впливу в поперечному до поверхні тіла напрямку призводить до виникнення максимальної сили тяги (при заданій силі впливу в точці захоплення тіла), що змушує тіло рухатися вперед у напрямку поперек прикладеної сили. При цьому тіло набуває вигнутої форми, природно відповідної при заданих згинальних пружних властивостях заданого тіла мінімального опору середовища, аналогічну тій, що суцільною лінією показано на фіг.1.
Точка, про яку йшлося вище, визначається правиломU=δ/l=0.29, деδ– усунення від геометричного центру (рушія – тіла риби), вперед по поздовжній центральній прямій до носику,l– довжина цієї поздовжньої прямої; таке значення параметра U відповідає значеннюX=0.21для кривої на фіг.2. На фіг.1 лінії а тае обмежують по довжині тіло риби у стані спокою; лінія відповідає умовній точці підвісу тулуба риби як маятника або точці з'єднання тулуба і хвоста риби; перетин лінійbіdз прямоюТО'вказують положення точок, що відповідають правилуU=0.29для тулуба(b)та хвоста(d)як окремих рушіїв.
Логічним продовженням наших досліджень стало застосування не одностороннього, а знакозмінного періодичного ударного впливу на гнучке пружне тіло, щоб це тіло набуло прямолінійного результуючого руху вперед, подібного до руху вперед крильової поверхні при її махових рухах. Ці дослідження було виконано. В результаті виявлено можливості гнучкого пружного тіла бути рушієм, що відрізняється від традиційних гребкових рушіїв типу гвинта тим, що він не спирається, як гвинт, воду, намагаючись її відштовхнути, а створює зустрічний поздовжній потік середовища, поперечний до напрямку ударного впливу на тіло.
В активному стані, очевидно, хвіст риби є основним рушієм. Достатньо звернеться до того факту (Е.В. Романенко. Гідродинаміка риб та дельфінів. Вид-во КМК. М. 2001. С. -411.), що дельфін за допомогою хвоста утримує вертикальне положення тулуба над водою. Згинальний рух тулуба риби призводить до поперечної ударної взаємодії тулуба і, як наслідок, хвоста із середовищем. Згідно з нашими результатами така знакозмінна взаємодія призводить до виникнення результуючої сили тяги, що примушує тіло риби, складене з двох послідовно з'єднаних гнучких пружних тіл, до поступального руху вперед.
Таким чином, два тіла, що мають гнучкість і пружність, здатні при поперечній взаємодії ударного типу з середовищем приходити встан поступального руху вперед при послідовному з'єднанні утворюють систему. У цій системі у риби перший елемент системи "тулуб", будучи рушієм-контейнером, містить усі необхідні органи життєзабезпечення, а другий - "хвіст" - є основним рушієм істоти. Втрата хвоста приносить йому обмеження у швидкості та маневреності руху, але не позбавляє життєздатності. Тулуб риби значною мірою переважає хвіст. Згинальні рухи тулуба дозволяють рибі легко змінювати напрямок руху за рахунок зміни при цьому моменту інерції тулуба при заданому моменті інерції хвоста.
2. Чинники, що знижують опір руху риби. Привертає увагу (фіг.1 і фіг.2) те, що при прямолінійному русі ніс риби відчуває в приблизно 8 разів менше зсув, ніж хвостова частина. Таке поперечне періодичне знакозмінне зміщення тіла риби в процесі її переміщення у водному середовищі, зване «голубанням», дослідники (Е.В. Романенко. Гідродинаміка риб та дельфінів. Вид-во КМК. М. 2001. С. -411.) відносять до витрат їх руху.
На думку такий рух риб не витрата, а необхідність здійснення руху з меншими енергетичними втратами.