а) поступательная сила инерции:
F1 = (М + 2m)х''
б) проекция двух вращательных сил инерции на ось Х:
F2 = - 2mrw2cosф - 2mrw'sinф.
Рис. 46. Принципиальная схема четырехмерного гироскопа.
Сумма этих сил равна нулю, поэтому центр масс четырехмерного гироскопа покоится или движется равномерно и прямолинейно, а ускоренная система отсчета, связанная с ним, оказывается локально инерциальной системой второго рода.
Изменить скорость центра масс четырехмерного гироскопа можно двумя способами:
1) подействовать на тело М внешней силой, что приведет к изменению силы F1 и нарушит баланс сил инерции;
2) изменить угловую скорость вращения w, что приведет к изменению силы F2 и так же нарушит баланс сил инерции.
Изменение скорости центра масс четырехмерного гироскопа, используя второй способ (без внешнего воздействия), можно осуществить на практике, если смонтировать на теле М устройство (мотор-тормоз), которое будет менять угловую скорость вращения грузов в нужном секторе углов. Управляя с помощью мотор-тормоза силами инерции внутри четырехмерного гироскопа, мы получим движение его центра масс.
В России подобное устройство было сконструировано инженером В.Н. Толчиным (рис. 47).
Рис. 47. Инерциоид Толчина.
Рис. 48. График не скомпенсированной силы инерции, действующей на центр масс четырехмерного гироскопа.
Рис. 49. Демонстрация результата работы мотор-тормоза. Не скомпенсированная сила инерции Fс, созданная мотор-тормозом, действует на центр масс инерциоида.
Расчеты показывают, что не скомпенсированная сила инерции наиболее эффективно действует на центр масс инерциоида вблизи углов вращения 0° и 180° (см. рис. 48).
Обычно движение инерциоида начинается из состояния покоя его центра масс и с углов вращения грузов в секторе 180° - 330°. Когда вращающиеся грузы подходят к углу вращения 330° мотор-тормоз начинает ускорять вращение грузов (см. рис 49). Ускорение вращения идет в секторе углов 330° - 360°. В это время, длящееся для реальной модели, изображенной па рис. 47, всего 1/16 сек., тормозная колодка с пружиной действует на ось вращения грузов, нажимая на тормозной кулачек, жестко укрепленный на оси (см. рис. 49). В секторе углов 330° - 360° вращательная сила инерции F2 = - 2mrw2cosф - 2mrw'sinф превосходит поступательную силу инерции F1 = (М + 2m)х'' и центр масс начинает двигаться под действием не скомпенсированной силы инерции Fс. Далее, в секторе углов 0° - 150° работа мотор-тормоза прекращается, и силы инерции оказываются уравновешенными. В это время, длящееся примерно 0,2 сек., центр масс инерциоида движется с постоянной скоростью порядка 10 см/сек.
Когда угол поворота составит 150°, тормозной кулачек набегает на тормозную колодку. В результате происходит процесс торможения вращения грузов в секторе углов 150° - 180°, что приводит к нарушению баланса сил инерции и появлению не скомпенсированной силы инерции Fс. Эта сила уменьшает скорость движения центра от 10 см/сек. до нуля. Начиная с угла 180°, мотор-тормоз перестает работать, поэтому при вращении грузов в секторе углов 180° - 330° силы инерции, действующие на центр масс, уравновешены, и центр масс остается в состоянии покоя.
Рис. 50. Экспериментальный график движения центра масс инерциоида Толчина.
Начиная с угла 330°, мотор-тормоз вновь ускоряет вращение грузов и весь цикл повторяется. На рис. 50 представлен типичный график движения центра масс инерциоида Толчина под действием работы мотор-тормоза. Из графика видно, что скорость центра масс меняется во время работы мотор-тормоза и остается постоянной (в среднем), когда грузы вращаются свободно. Этот факт не удается объяснить действием сил трения между колесами и подстилающей поверхностью, поскольку силы трения пассивны и их направление действия совпадает с одинаковым направлением движения колес и центра масс аппарата. Эксперименты показали, что на участке 2 есть область, где центр масс движется вперед, а колеса и корпус инерциоида движутся назад. Это доказывает непричастность сил трения к движению центра масс инерциоида.
4.7. "Летающая тарелка" земного происхождения.
Работы В.Н. Толчина были продолжены автором на основе научного анализа механических свойств четырехмерного гироскопа и инерциоида, построенного на его основе. Для этого был создан специальный стенд (см. фото II), на котором проводились исследования абсолютно упругого удара корпуса четырехмерного гироскопа о стенку.
Фото II. Экспериментальный стенд для изучения абсолютно упругого удара корпуса четырёхмерного гироскопа о стенку. 1 - четырехмерный гироскоп; 2 - ударная плита; 3 - измерительная аппаратура; 4 - компьютер для обработки результатов; 5 - соединительный шлейф.
В результате исследования было обнаружено, что при абсолютно упругом ударе четырехмерного гироскопа о стенку закон сохранения импульса центра масс обобщается. Закон сохранения импульса при абсолютно упругом ударе в механики Ньютона определяется равенством P'c = - Pc, где Pc - импульс центра масс до удара, а P'c - импульс центра масс после удара. Новый закон сохранения гласит:
P'c = - P'c(1- 2k2sin2ф) + 2К(1- k2sin2ф).
Здесь К - угловой импульс вращающихся грузов, ф - угол их поворота и k - приведенная масса гироскопа. Эта формула интересна тем, что она указывает на возможность преобразования поступательного импульса во вращательный и наоборот, что практически осуществляется в инерциоиде.
На фото III, представлен инерциоид, который преобразует электрическую энергию сервомотора в механическую энергию вращения грузов, а она, в свою очередь, преобразуется в поступательную энергию центра масс инерциоида. Закон движения центра масс инерциоида определяется программой, заданной на компьютере.
Фото III. Инерциоид, движением которого управляет компьютер.
Общий вес инерциоида - 2,1 кг, масса вращающихся грузов - 0,35 кг., изменение угловой скорости вращения грузов от 3 рад/сек. до 13 рад/сек., средняя скорость центра масс - 0,3 м/сек. (см. рис. 53), среднее ускорение центра масс - 0,01g (g - ускорение свободного падения). Средняя тяга, создаваемая за счет преобразования вращательной энергии в поступательную составляет величину порядка 20 гр. Заметим, что реактивные двигатели разгонных блоков, используемые для коррекции орбит космических спутников, создают тягу всего лишь 5 гр.
Рис. 51. Экспериментальные графики движения инерциоида, управляемого через компьютер.
На рис. 51 представлены экспериментальные графики, которые получены при управлении движением инерциоида с помощью компьютера. На этих графиках: хс - координата центра масс; хb - координата корпуса инерциоида; Vс - скорость центра масс; Vb - скорость корпуса; w - угловая скорость вращения малых грузов. Из этих графиков отчетливо видно, что причиной движения центра масс инерциоида является изменение угловой частоты вращения малых грузов. Следует отметить, что, как это видно из графика, корпус инерциоида движется только вперед без остановки. Это означает, что силы трения не являются причиной его движения, поскольку в этом случае они всегда действуют в обратную движению сторону и могут только препятствовать движению инерциоида.
Инерциоид представляет собой движитель принципиально нового типа, который движется за счет управления силами инерции внутри изолированной (в механическом смысле) системы. Такой движитель в будущем позволит создать "летающую тарелку" земного происхождения. Отличительной особенностью транспорта с торсионным движителем является возможность двигаться без внешней опоры и без реакции отбрасываемой массы, как это имеет место при работе реактивного движителя. Поэтому земная "летающая тарелка" не будет иметь крыльев, пропеллеров, ракетных двигателей, винтов или каких-либо других приспособлений, обеспечивающих движение известных транспортных средств. В результате возникает уникальная возможность для передвижения по твердой поверхности, по воде, под водой, в воздухе, в космическом пространстве без вредного воздействия на окружающую среду.
