СИЛА ИНЕРЦИИ – ГЕНЕРАТОР ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

СИЛА ИНЕРЦИИ – ГЕНЕРАТОР ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ
Ф.М. Канарёв
kanphil@mail.ru
http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev
Анонс. Сила инерции перемещает тело при прекращении действия внешней активной силы. Это широко используется для экономии энергии при линейных движениях тел
путем периодического отключения внешнего источника энергии - двигателя. Оказалось,
что, если использовать этот принцип при вращательном движении тел, то можно не только уменьшить расход электрической энергии, но и увеличить выходную механическую
мощность электромотора.
Основы технической динамики были заложены Иссаком Ньютоном в его «Математических началах натуральной философии», опубликованных в 1687 году. Первый закон
Ньютона гласит, что если на тело не действуют никакие внешние силы, то оно (например,
астероид) или покоится, или движется прямолинейно и равномерно с постоянной скоростью V (рис. 1, поз. 1).
Как только появляется внешнее активное воздействие F , например, в виде силы
гравитации звезды или планеты (М), то тело начинает двигаться с ускорением а (рис. 1,
поз. 2). Ньютон постулировал, что направление силы F внешнего активного воздействия
на тело массой m совпадает с направлением его ускорения а и рассчитывается по формуле (рис. 1, поз. 2)
F  ma .
(1)
Это - математическая модель второго закона Ньютона.
В 1743 г. Даламбер дополнил этот закон, указав, что в каждый данный момент времени на движущееся тело действует и сила инерции F i , величина которой равна m a и
направлена противоположно ускорению а (рис. 1, позиция 2)
ma   F i .
(2)
Рис. 1. Появление силы внешнего активного воздействия F и силы инерции F i ,
действующих на астероид А , при его последовательном приближении к планете М
В результате оказывается, что на тело, движущееся с ускорением, действуют одновременно две равные по величине и противоположные по направлению силы
2
F  F i
(3)
и возникает противоречие с первым законом, так как в этом случае сумма сил, действующих на тело, оказывается равной нулю
F  Fi 0 ,
(4)
но тело игнорирует это и продолжает двигаться ускоренно (рис. 1, поз. 2, и 3). Выход из этого противоречия один: записывать второй закон Ньютона так
F  ma
(5)
и формулировать его следующим образом: «На ускоренно движущееся тело действуют две
равные по величине и противоположные по направлению силы: сила внешнего активного
воздействия F и сила инерции F i . При этом появление силы активного внешнего воздействия всегда опережает появление силы инерции. Такая формулировка второго закона
Ньютона снимает противоречие в условии (4). Суть устранения этого противоречия заключается в том, что сила инерции – ответная реакция любого материального тела на любое внешнее воздействие: активное и пассивное. Под понятием пассивное воздействие понимается воздействие всех сил, препятствующих движению тела под действием активных
сил. Таким образом, ускоренному движению тела препятствует сила инерции и пассивные
силы в виде сил трения и сопротивления среды. Они, как и сила инерции, направлены противоположно внешнему активному воздействию.
Однако, при прекращении внешнего активного воздействия F на тело, сила инерции F i автоматически изменяет своё направление на противоположное и превращается в
силу, генерирующую инерционное движение тела, совпадающее с направлением его движения под действием исчезнувшей внешней активной силы F . Поэтому при составлении
дифференциального уравнения движения тела с учётом сил сопротивления, направление
результирующей которых R совпадает с направлением силы инерции F i , учитывается
лишь сила совпадающая с направлением движения тела. При прекращении действия
внешней активной силы F её действие заменяется действием силы инерции F i , автоматически изменяющей своё направление на противоположное. Вот почему при составлении
дифференциальных уравнений движения тела сила, движущая его, записывается так
m  dV  Rdt .
(6)
Итак, сила инерции – ответная реакция любого материального тела на внешнее
воздействие F , всегда направлена противоположно ускорению а тела (рис. 1, позиция 2).
В общем случае внешнее активное воздействие имеет две составляющие: касательную F t
и нормальную F n (рис. 1, позиция 3). Сила инерции F i тоже имеет две составляющие:
касательную F it и нормальную F ic , которая при круговом движении превращается в центробежную силу инерции F ic (рис. 1, позиции: 4, 5 и 6).
Когда тело движется по окружности равномерно, то касательная составляющая F t
внешнего активного воздействия становится равной нулю и остаётся только нормальная
составляющая F n внешнего активного воздействия на тело, которая оказывается равной
центробежной силе инерции F ic .
Поскольку на инерциальное движение тела не расходуется энергия, то работа, совершаемая силой инерции, является дополнительной работой. Она широко используется
3
для экономии топлива водителями автомобилей, которые периодически выключают передачу и предоставляют автомобилю двигаться некоторое время по инерции. Явление это
устойчиво реализуется при линейном движении тел. Однако оно не позволяет генерировать дополнительную энергию, так как линейная сила инерции меняет свое направление
при прекращении действия внешней активной силы.
Сразу возникает вопрос: нельзя ли использовать силу инерции, возникающую при
вращении тела, для экономии электрической энергии? Если учесть, что центробежная сила инерции не изменяет свое направление при прекращении действия внешнего активного
момента сил, то её можно использовать не только для экономии электрической энергии,
питающей электромотор, но и для генерирования в его приводе дополнительной мощности. Реализация этого теоретического, не очень очевидного, следствия оказалась непростым делом. Тем не менее, оно реализовано российским инженером Линевич Эдвид Ивановичем. Он доказал экспериментально, что наличие в механической передаче электродвигателя дисбаланса массы приводит к увеличению механической мощности на его выходном валу, которая многократно превышает электрическую мощность на привод электродвигателя (рис. 2, 3) [1].
Рис. 2. Центробежный накопитель энергии и мощности: 1 – электродвигатель;
2 и 3 – дисбалансы; 4 – шестерни, 5 – зубчатое колесо; 6 – неподвижная ось;
7 – обгонная муфта; 8 – подшипник; r – радиус вращения центра масс дисбаланса;
R – расстояние от оси Z до оси Z 1 вращения дисбаланса.
Рис. 3. Модель привода ротора электрогенератора (справа) мощностью 6 кВт
электромотором (слева) мощностью 500 Ватт (Австрия, январь 2009г.)
№
1
2
3
Результаты эксперимента изобретения представлены в табл. 1 [1].
Таблица 1. Результаты измерений входной Рвх. и выходной Рвых. мощности
U, Вольт
I, Ампер
Рвх., Ватт
Рвых, Ватт
К эффект, %
19,10
18,00
344
6131
1782
19,30
20,00
386
6080
1575
19,60
22,00
431
6160
1429
Чтобы понять физическую суть процесса генерирования дополнительной механической мощности, рассмотрим аналогичный процесс подачи электрической энергии в
электролизёр. На рис. 4 представлена осциллограмма подзарядки электролизёра импульсами напряжения и тока. Каждый электролизёр имеет собственный потенциал V P . Если
его не поддерживать, то он постепенно уменьшается, но процесс электролиза не прекращается до определённого падения потенциала электролизёра, поэтому нет смысла подзаряжать электролизёр непрерывно. Достаточно подавать импульсы напряжения с определённой скважностью. В результате, если эти импульсы будет генерировать электромеханический генератор импульсов, то вал его привода будет загружен рабочей нагрузкой
лишь в те моменты, когда он генерирует импульсы напряжения. В те моменты, когда генерирование импульсов напряжения отсутствует, на валу такого генератора останется
только нагрузка холостого хода, которая значительно меньше рабочей нагрузки. В результате затраты электрической энергии на привод такого генератора уменьшаются пропорционально квадрату скважности электрических импульсов, генерируемых таким генератором.
5
Рис. 4. Осциллограмма напряжения и тока питания электролизёра:
1 – импульс напряжения; 2 – импульс тока; VP - средняя величина постоянного потенциала
Аналогичным образом можно расходовать электрическую энергию на привод любого механического устройства, если вмонтировать в привод дисбалансы и использовать
их силу инерции для формирования импульсов механических моментов, которые будут
поддерживать падающие обороты вала потребителя в заданном интервале. То есть использовать тот же принцип, что и при подзарядке электролизёра. Вполне естественно, что
в этом случае также уменьшится расход электрической энергии на привод электромотора
с импульсным генерированием механических моментов с помощью центробежной силы
инерции дисбалансов в его приводе.
Оказалось, что передача импульсов механических моментов, генерируемых дисбалансами, на вал потребителя возможна только с помощью обгонной муфты 7 (рис. 2), действие которой знакомо всем, кто крутил педали велосипеда. Именно этого и добился автор
анализируемого генератора импульсов механических моментов (рис. 2, 3). Теперь надо
описать этот процесс аналитически. На рис. 5 показана схема для вывода уравнения импульса момента сил инерции, генерируемого дисбалансами D1 и D2 .
Рис. 5. Схема для анализа действия силы инерции F на дисбалансы D1 и D2
Автор изобретения пытался описать теоретически процесс получения дополнительной мощности, но ему не удалось сделать это корректно [1]. Поэтому есть основания
найти более корректное решение этой задачи. За основу возьмём схему автора представ-
6
ленную на рис. 2. Поскольку вращающиеся шестерни 2 и 3 сбалансированы, то они не генерируют явление дисбаланса. Обратим внимание на то, что центральная шестерня 1 на
валу электромотора и две шестерни 2 и 3 с дисбалансами D1 и D2 представляют единую
механическую систему, поэтому проекции F x и F y сил инерции F обоих дисбалансов
формируют пары с моментами (рис. 5):
M 1  F  sin  2 t  L  m 22 (r  r0 ) 2  (2 R  2r  2r cos  2 t  2r0 cos  2 t ) sin  2 t ;
M 2   F  cos  2 t  (r  r0 )  sin  2 t  m 22  (r  r0 ) 2 sin  2 t  cos  2 t.
.
(1)
Обратим внимание на то, что в начальный момент М 1 способствует вращению вала 1
электродвигателя, поэтому он взят со знаком плюс, а - М 2 препятствует вращению, поэтому взят со знаком минус. Закономерность изменения моментов этих пар и будет формировать дополнительное воздействие на вал 1 электродвигателя. Поскольку массы обоих
дисбалансов одинаковые, то, обозначая каждую из них через m , получим закономерность
изменения суммарного импульса момента сил инерции, генерируемого дисбалансами
(рис. 6).
M  2 F  sin  2 t  L  2m 22 (r  r0 ) 2  sin  2 t  (2 R  2r  2r cos  2 t  2r0 cos  2 t ) 
 2m 22 (r  r0 ) 2 sin  2 t  cos  2 t
.
(2)
Таким образом, на рабочий механический момент на валу 1 электродвигателя будут
накладываться импульсы момента M сил инерции, формируемого двумя дисбалансами
D1 и D2 . Если величина момента этого импульса будет больше рабочего момента сил
сопротивления, то он будет передаваться валу потребителя через обгонную муфту, освобождая вал электродвигателя от внешней нагрузки и переводя его в режим холостого
вращения. В результате расход электрической энергии на привод электромотора будет
уменьшаться.
График изменения момента сил инерции, генерируемого дисбалансами, наложенного (рис. 6, b, пунктирная линия) на осциллографическую запись этого момента, представлен на рис. 6, b. Для расчёта были взяты параметры: R  0,0625 м , r  0,0375 м ,
r0  0,02 м , m  0,20кг , n1  6100 об / мин , n 2  3652 ,69об / мин , передаточное число k  1,67 ,
1    n1 / 30  3,14  6100 / 30  638,47 рад / с ,  2    n 2 / 30  3,14  3652 ,69 / 30  382,31 рад / с .
Максимальные величины импульсов момента сил инерции М и мощность N импульса момента сил инерции двух дисбалансов будут равны:
M  2 F  sin  2 t  L  2m 22 (r  r0 ) 2  sin  2 t  (2 R  2r  2r cos  2 t  2r0 cos  2 t ) 
 2m 22 (r  r0 ) 2  sin  2 t  cos  2 t 
 2  0,20  (382,31) 2  (0,0175 ) 2  1  (2  0,0625  2  0,0375  0  0) 
.
(3)
 2  0,20  (382 ,31) 2  (0,0175 ) 2  sin 90 o  cos 90 o  8,87 Н  м
N  M  1 / S  8,87  382,31 / 2  3391,10 Ватта .
(4)
Закон формирования импульса момента инерции дисбалансов (2) ясно показывает
пути увеличения мощности импульса. Прежде всего, за счёт количества оборотов двигателя (     n / 30 ) и расстояния дисбалансов от оси вращения (r  ro ) .
Анализ формулы (1) показывает также, что минусовая часть ( M 2 ) импульса момента дисбаланса меняет знак на противоположный при  2 t  90 0 (рис. 6, точка В), а при
7
 2 t  135 0 достигает максимального положительного значения (рис. 6, b, точка D), что и
подтверждает осциллограмма (рис. 6, С) искажением формы синусоиды импульса момента сил инерции при  2 t  135 0 . Превышение теоретической амплитуды (рис. 6, b, точа D)
этого импульса над её экспериментальной величиной (рис. 6, b, точка С) обусловлено,
тем, что в этот момент (рис. 6, зона B-C) величина общего импульса момента сил инерции
уменьшается и в системе привода, в том числе и в обгонной муфте, появляются зазоры,
закономерность изменения которых уменьшает экспериментальную величину амплитуды
этого импульса.
а)
b)
Рис. 6. а) экспериментальная запись синусоиды импульсов момента сил дисбалансов [1];
b) теоретический всплеск (D) амплитуды момента импульса сил инерции при  2 t  135 0
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты эксперимента, полученные российским инженером Линевич Эдвид
Иванович, завершают эпоху существования закона сохранения энергии и открывают новые перспективы в энергетике.
Литература
1. Линевич Э.И. Применение центробежной силы в качестве источника мощности.
http://www.dlinevitch.narod.ru/pages.htm
2. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. 12-е издание. Том I. Краснодар 2009. 687
с. http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev
3. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. 12-е издание. Том II. Краснодар 2009. 448
с. http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev