CC BY
10МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛОГ МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ
Самохвалов В.Н.
Самохвалов Владимир Николаевич - доктор технических наук, профессор, кафедра производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении, Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева,
г. Самара
Аннотация: экспериментально зафиксировано бесконтактное силовое взаимодействие вращающегося динамически несбалансированного диска с соосным подвижным экраном в вакууме до 9,4510-4 Ра. Диск и экран были выполнены из неферромагнитных материалов. При вращении диска с частотой 100-150 Ш и возбуждении круговой вибрации экрана, расположенного на расстоянии до 4.5 тт от диска, начиналось отталкивание экрана и его индуцированное попутное вращение. При весе диска 0.5 N и начальном расстоянии от экрана 3-3.5 тт, сила отталкивания экрана оставляла 2.5 - 2.7 N а вращающий момент 0.01 N т. При расстоянии между поверхностями динамически несбалансированного диска и экрана более 56 тт процесс отталкивания и вращения экрана не зафиксирован. Вращение максимально сбалансированного диска и отсутствие круговой вибрации экрана даже при расстоянии между ними 1-1.5 тт, при прочих равных условиях, также не приводили к его воздействию с экраном. Силовое взаимодействие является следствием возникновения спиновых полей при прецессии механических моментов (спинов) атомов материалов диска и экрана.
Ключевые слова: механический момент атома, прецессия, дисбаланс, вибрация, бесконтактное взаимодействие.
Введение
Между магнитным моментом и механическим моментом (спином) атома существует взаимосвязь, проявляющаяся у ферромагнитных материалов в виде магнитомеханических эффектов Барнетта и Эйнштейна-де Гааза [1-3]. В основе эффекта Барнетта лежит прецессионное движения механических моментов атомов относительно образца, при его вращении, и связанная с этим прецессия магнитных моментов атомов, приводящая к появлению магнитного поля [4]. В эффекте Эйнштейна-де Гааза возбуждение прецессии магнитных моментов во внешнем переменном магнитном поле приводит к изменению суммарного механического момента атомов образца и, вследствие неизменности полного механического момента замкнутой системы, генерирует к его вращению [4].
Ранее экспериментально зафиксированы бесконтактная передача вращения и отталкивание масс в техническом вакууме [5], которая не обусловлена электромагнитными эффектами. Необходимым условием было динамически несбалансированное вращение масс (дисков).
Научная проблема, рассматриваемая в статье, - выявление механических эффектов, обусловленных прецессией механических моментов атомов у неферромагнитных и электрически нейтральных образцов. Это ранее не описанный вид силового взаимодействия, проявляющийся в механических системах при высокоскоростном вращении несбалансированных масс.
Материалы и методы
Прецессия механических моментов атомов возбуждается при вращении массы с динамическим дисбалансом или при ее круговой вибрации. Для минимизации влияния газовой среды на исследуемый процесс, опыты проводились в вакуумной камере при остаточном давлении менее 0,1 Ра. Экспериментальная оснастка жестко закреплялась в заземленной толстостенной вакуумной камере (массой 50 kg). В камере имелось окно для наблюдения и проведения видеосъемки процесса, а также вакуумные разъемы для подключения источников питания и тензостанции.
При проведении первой серии опытов использованы устройства для измерения осевой силы отталкивания экрана (рис. 1, а) и измерения момента, вызывающего вращение экрана (рис. 1, Ь). Первоначальная откачка воздуха производилась насосом НВЗ-300. Затем бустерным паромасляным насосом 2НВБМ-160 камера вакуумировалась до остаточного давления менее 0.1 Ра. Глубина вакуумирования измерялась с использованием термопарного вакуумметра ВТ-2А-П.
a) b)
Рис. 1. Схемы устройств для измерения силы отталкивания (а) и крутящего момента (b)
На металлической опорной плите (1) установлен коллекторный электродвигатель постоянного тока (2) Д-14ФТ2с. Плита жестко связана со стенками камеры. Диск (3) диаметром 165 mm и толщиной 0.9 mm из алюминия, крепился к фланцу на оси электродвигателя. Частота вращения диска фиксировалась бесконтактным (лазерным) цифровым тахометром Mastech MS6208B.
Результаты
В первой части опытов было использовано устройство (рис. 1, а), позволяющее измерять силу отталкивания, действующую на подвижный экран (4). Диск (3) крепился к фланцу на роторе электродвигателя (2) с начальным эксцентриситетом порядка 0.2-0.3 mm (статический дисбаланс). Также преднамеренно создавался перекос оси диска (3) относительно оси ротора электродвигателя (моментный дисбаланс). Это вызывало первоначальное осевое биение на торце вращающегося диска порядка 1.5-2 mm. В результате заданного динамического дисбаланса диска, в процессе его вращении возникал визуально наблюдавшийся изгиб и коническое вращения концевой части оси ротора электродвигателя и самого диска. Это возбуждало круговую вибрацию устройства в камере, передававшуюся через металлические его элементы на подвижный экран (4). Экран (4) диаметром 170 mm и толщиной 1.35 mm был из алюминия.
Экран (4) жестко связан с осью (5), которая имеет возможность осевого перемещения и вращения во втулке (6), закрепленной на траверсе (10). При перемещении экрана преодолевалось сопротивление тарированной пружины (7). Величина осевого смещения (отталкивания) и усилие, действующее на экран, измерялись с помощью тензодатчика (11). Усилие предварительного сжатия тарированной пружины (7) составляло 2 N. Начальное расстояние (вдоль оси ротора) между диском (3) и экраном (4) задавалось 3-3.5 mm. Это гарантированно исключало касание диском экрана, при его коническом вращении (осевом биении торцов диска). После включения электродвигателя, при частотах вращения диска 100-150 Hz возникала визуально наблюдаемая круговая вибрация экрана (4). Затем начинался визуально фиксируемый отход экрана от диска, а после возникало его вращение - по направлению вращения диска (см. http://www.youtube.com/watch?v=NZaZIKiUEZo).
Тензодатчиком перемещений фиксировалась величина отхода экрана от первоначального положения на расстояние 1.5-2 mm. Измеренная сила отталкивания равнялась 2.5-2.7 N (при весе самого диска 0.5 N). Вращение экрана (4), преодолевавшего силы трения на поверхности контакта с нагруженной пружиной (7), происходило с частотой 2-3 Hz.
Во второй части эксперимента производилось измерение крутящего момента, вызывающего вращение экрана. Использовалось экспериментальное устройство по схеме рисунка 1, b. В нем датчик перемещений (11) контактирует с упорным штифтом (12) на экране (4) и изгибается под воздействием вращающего момента. Как показали измерения, при вращении диска с частотой 100-150 Hz при начальном зазоре между плоскостями диска и экрана 3-3.5 mm, величина вращающего момента составляла около 0.01 NLm.
Повторение экспериментов при различных значениях начального расстояния между диском и экраном показало, что бесконтактное воздействие (отталкивание и вращение экрана) возникало только при начальном зазоре менее 5 mm.
При атмосферном давлении (без вакуума в камере) силовое взаимодействие не наблюдалось даже при минимальных расстояниях между диском и экраном (1-1.5 тт) во всем диапазоне частот вращения динамически не сбалансированного диска. Эффект взаимодействия начинал проявляться только при вакууме камере ниже 1 Ра и увеличивался с ростом глубины вакуума [6]. Это дает основание полагать, что наблюдаемый процесс не обусловлен остаточной газовой средой, т.к. растет с ее уменьшением.
При балансировке диска (3) относительно оси ротора электродвигателя, т.е. при отсутствии динамического дисбаланса вращающегося диска, вибрация всего экспериментального устройства и, как следствие, экрана (4) не возникала. В этом случае, отталкивание и вращение экрана (4) при высокочастотном вращении сбалансированного диска не наблюдались во всем исследованном диапазоне глубины вакуума даже при начальном расстоянии между поверхностями диска и экрана 1-1.5 тт.
Затем опыты были выполнены при вакууме 9,45-Ш"4 Ра. Экспериментальное оборудование, представленное на рис. 1, было размещено в вакуумной камере установки УВН-2М-2. Первоначальное вакуумирование осуществлялось пластинчато-роторным насосом ВН-6-2М. Затем использовался паромасляный насос Н-2Т с азотной ловушкой. Величина вакуума измерялась ионизационно-термопарным вакуумметром ВИТ-2П. Экран (4) диаметром 170 тт и толщиной 1.35 тт был изготовлен из алюминия сплава. Диск (3) был выполнен из титанового сплава диаметром 162 тт толщиной 0.65 тт. Начальное расстояние между плоскостями диска и экрана (по оси ротора) задавалось в диапазоне 2.5-3 тт. Коллекторный электродвигатель (для исключения образования кругового огня на коллекторе) включался кратковременно. Установлено, что при вращении несбалансированного диска (3) с частотой 150-170 Ш частота вынужденного вращения алюминиевого экрана (4) была 1.5-2 Ш.
Во второй части опытов применялось устройство (рис. 2), смонтированное на двух толстостенных (18 тт) стальных плитах. Плиты связаны четырьмя стальными колонками с фиксаторами, позволяющими изменять начальное расстояние между диском и экраном (по оси роторов электродвигателей).
4
а ь
Рис. 2. Схемы устройства с жесткой установкой экрана (а) и с экраном на сильфоне (Ь)
Диск (1) и экран (2) диаметром 165 тт и толщиной 0.9 тт из алюминия. При этом, диск (1) жестко крепился к ротору электродвигателя (3) со смещением центра и наклоном его оси относительно к оси ротора (преднамеренно заданный динамический дисбаланс). Экран (2) жестко крепился к фланцу на роторе электродвигателя (4) (рис. 2, а) или устанавливался на сильфоне (рис. 2, Ь). Сильфон из нержавеющей стали (толщина стенки 0.25 тт, наружный диаметр 27 тт). Упругая податливость оболочки сильфона позволяет перемещаться диску вдоль оси ротора и изменять наклон его оси к оси ротора.
Применялись электродвигатели Д-14ФТ2с с электромагнитной муфтой (тормозом). Это позволяло затормаживать и освобождать ротор электродвигателя (4) без подачи питания на рабочие обмотки. Устройство в распор крепилось внутри вакуумной камеры. Эксперименты были выполнены при давлении 0.1 Ра. При раскручивании электродвигателя (3) осевое биение торца диска (1) составляло 1-1.5 тт, а его радиальное биение было около 0.5-0.7 тт.
При жестко установленном на фланце заторможенного ротора экране (2) (рис. 2, а), при вращении диска (1) с частотой 150-170 Ш возбуждалась визуально наблюдаемая круговая вибрация экрана (2). После растормаживания ротора электродвигателя (4), через несколько секунд возникало вращение экрана (2). При первоначальном расстоянии между поверхностями диска и экрана около 1.5 тт частота индуцированного вращения экрана достигала 25-30 Ш. При начальном расстоянии 3 тт частота вращения экрана составляла 7-10 Ш. При начальном зазоре между поверхностями диска и экрана превышающем 5 тт даже наблюдавшаяся сильная круговая вибрация экрана (2) не возбуждала его вынужденное вращение.
При качественной балансировке диска (1) и отсутствии последующей вибрации экрана (2), как и в вышеописанных опытах, вращение экрана не индуцировалось даже при расстоянии между поверхностями диска и экрана 1-1.5 тт.
Затем экран 2 был закреплен на сильфоне (7) (рис. 2, Ь). Начальное расстояние по оси ротора между диском и экраном (по оси ротора) было 2.5 мм. Ротор электродвигателя с экраном на сильфоне
первоначально был заторможен. После раскрутки динамически несбалансированного диска (1) до частоты 130-150 Н возникала прецессия оси экрана (2), закрепленного на сильфоне. Частота индуцированной прецессии была 5-8 Ш, а ее направление - попутно вращению диска (1). Величина осевых колебаний торца не вращающегося экрана (2) за счет упругой податливости оболочки сильфона достигала 5-6 mm. Это было значительно больше первоначального расстояния между поверхностями диска и экрана, но при этом прецессирующий экран не касался диска (см. http://www.youtuЬe.com/watch?v=yi3s1RcqLEw).
Визуально наблюдался отход экрана от поверхности диска вследствие упругой осевой деформации гофров сильфона. Увеличивался геометрический зазор между плоскостями диска и экрана. При растормаживании ротора электродвигателя, на котором закреплен сильфон, экран (2) начинал индуцированное вращение с частотой порядка 1-3 Ш попутно с вращением диска (1). В этот момент амплитуда прецессии (осевое биение торца экрана) резко уменьшалась. Бесконтактное силовое воздействие диска на экран генерировалось при начальном расстоянии между их плоскостями 1.5-4 mm. При первоначальном расстоянии между поверхностями диска и экрана свыше 5 mm имела место только небольшая прецессия оси экрана, но отталкивание и вращение не индуцировались.
Обсуждения
Экспериментально установлено, что бесконтактное силовое взаимодействие не носит электромагнитной природы. Взаимодействуют диски и экраны из не электропроводных и немагнитных материалов [5]. Это не обусловлено влиянием остаточной газовой среды или простой передачей вибрации вращающегося диска на экран [7].
В этих случаях имеет место прецессия механических моментов (спинов) атомов материалов. В опытах Барнетта прецессия магнитных моментов атомов ферромагнитного материала вызывала возникновение магнитного поля. В проведенных опытах, прецессия механических моментов (спинов) атомов не ферромагнитного материала индуцировала спиновое поле. Аналогично магнитному полю, спиновое поле резко затухает с расстоянием. При большом расстоянии между дисками (диском и экраном) напряженность спинового поля резко падает и силовое взаимодействие не наблюдалось.
При аварии гидроагрегата на Саяно-Шушенской ГЭС [8], вращение динамически разбалансированного ротора (вибрация турбинного подшипника) вызвало круговую вибрацию крышки гидроагрегата. Это, как в вышеприведенных экспериментах, привело к возникновению силы отталкивания и возбуждению вращающего момента, воздействовавших на крышку. В совокупности с действием сил от вибрации, давления напора воды и усталостных явлений это привело к обрыву и срезанию шпилек крепления крышки, ее последующему подъему и вращению крышки гидроагрегата, зафиксированному камерами наблюдения.
Вибрации генератора не могли привести к срыву крышки. Генераторный подшипник закреплен в крестовине генератора [9], которая находится в железобетонной «бочке» генератора, являющейся частью железобетонной плотины и весит тысячи тонн. Если бы вибрации ротора были бы такими большими, что могли сорвать крышку, то были бы вызванные такой вибрацией разрушения других рядом расположенных и соседних конструкций. А этого не было, сорвало только крышку генератора, которая просто герметизирует агрегат и не воспринимает силовую нагрузку от ротора генератора.
Аналогичный эффект наблюдается в вихревых устройствах. В работе [10] показано, что в вихревой трубе возбуждается вращение сердечника, происходит его изгиб и излом. Эта сила и вращающий момент не обусловлены механическим действием вращающегося газа и индуцируются только при возбуждении прецессионного вращения сердечника [11]. Прецессия оси сердечника и круговая вибрация корпуса вихревой камеры приводят к возбуждению прецессии механических моментов их материалов и возникновению спиновых полей. Это приводит к возникновению наблюдавшегося силового взаимодействия.
Выводы
Экспериментально установлен ранее не описанный эффект бесконтактного силового взаимодействия, который позволяет объяснить ряд эффектов в механических системах при высокоскоростном вращении несбалансированных масс.
Из анализа результатов проведенных опытов следует, что необходимым условием возникновения бесконтактного силового взаимодействия (в вакууме) неферромагнитных и электрически нейтральных вращающихся тел, является:
а) вращение близко расположенных масс (дисков), при наличии у них динамического дисбаланса;
б) наличие динамического дисбаланса у одной вращающейся массы (диска) и возбуждение круговой вибрации второй массы (экрана).
При выполнении этих условий возникает прецессия спинов атомов материала обоих тел.
Прецессионное движения механических моментов (спинов) атомов приводит к появлению спинового поля, аналогично тому, как прецессия магнитных моментов атомов в опыте Барнетта генерирует магнитное поле ферромагнетиков. При взаимодействии спиновых полей диска и экрана происходит отталкивание тел.
Возбуждение прецессии спинов материала экрана, при взаимодействии со спиновым полем близко расположенного вращающегося динамически несбалансированного диска, приводит к изменению суммарного механического момента атомов материала экрана. Вследствие неизменности полного
механического момента замкнутой системы генерируется вращение экрана, аналогично вращению ферромагнетика в магнитном поле в эффекте Эйнштейна-де Гааза.
Список литературы
1. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. М.: Сов. энцикл., 1983. 928 с.
2. Michaud A. On the Einstein-de Haas and Bamett Effects // International Journal of Engineering Research and Development. V. 6. I.12. -PP. 07-11.
3. Mentink J.H. Quantum many-body dynamics of the Einstein-de Haas effect // Phus. Rev. B 99. 064428, 2019. 12 p.
4. Атомная физика: Учеб. пособие для физ. спец. вузов / А.Н. Матвеев. М.: Высш. шк., 1989. 439 с.
5. Самохвалов В.Н. Бесконтактная передача вращения и отталкивание масс в вакууме // Вестник СамГУПС, 2015. № 2-2(28). С. 164-171.
6. Самохвалов В.Н. Квадрупольное излучение вращающихся масс // Доклады независимых авторов, 2010. № 14. С. 112-145.
7. Самохвалов В.Н. Исследование силового действия и отражения квадрупольного излучения вращающихся масс от твердых тел // Доклады независимых авторов, 2011. № 18. С. 165-187.
8. Зеленохат Н.И. Технологические причины аварии на Саяно-Шушенской ГЭС // Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ, 2010. № 1. С. 35-41.
9. Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. Произв. изд. Красноярск: Суриков, 1999. 560 с.
10. Самохвалов В.Н. Механические эффекты в вихревом устройстве с вращающимся сердечником // Письма в Журнал технической физики, 2017. Т. 43. № 9. С. 89-94.
11. Самохвалов В.Н. Условия возбуждения вращения сердечника в вихревом устройстве // Письма в Журнал технической физики, 2018. Т. 44. № 8. С. 70-76.
