УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖИДКИХ ФИГУР И БАРЕЛЬЕФОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК B44C5/00 A63H33/00 A47G35/00 

Предлагаемое устройство относится к таким объектам техники, как детские игрушки и игры, устройства для демонстрации фокусов, предметы интерьера, устройства для изготовления рельефных орнаментов и фигур, учебные пособия по физике.

Известно устройство-прототип для получения жидкостных фигур в полых телах (см. патент ФРГ N 3837508, кл. B 44 C 5/00). Устройство содержит полое тело, выполняющее роль корпуса, внутри которого помещены несколько разных жидкостей. Жидкости не смешиваются и не растворяются одна в другой.

Все внутреннее пространство тела-корпуса или отдельные отсеки этого пространства имеют в сечении узкую клиновидную форму, благодаря которой жидкости, заполняющие это пространство или его отсеки, принимают самые разнообразные очертания (контуры), то есть образуют различные жидкостные плоские фигуры, наблюдаемые сквозь одну из стенок тела-корпуса.

При изменении наклона тела-корпуса в пространстве жидкостные фигуры изменяют свои очертания и положения в теле-корпусе.

Прототип имеет следующие недостатки.

Варианты очертаний жидкостных фигур зависят от геометрических параметров клиновидного сечения внутреннего пространства тела-корпуса. Это ограничивает эксплуатационные возможности прототипа.

Жидкостные фигуры имеют плоский вид, так как образующие их жидкости контактируют с внутренними поверхностями стенок тела-корпуса. Невозможность создания в прототипе барельефных фигур ограничивает его эксплуатационные возможности.

Изменение формы очертаний фигур в прототипе возможно лишь в результате перемещения (наклона, переворота) тела-корпуса в пространстве. При больших габаритах тела-корпуса его указанные перемещения будут затруднены, что также ограничивает эксплуатационные возможности прототипа и удобство его обслуживания.

Исключено дистанционное управление изменением формы фигур, что также ограничивает эксплуатационные возможности прототипа и удобство его обслуживания.

Задачами, решаемыми в предлагаемых вариантах устройства, являются следующие:
- расширение эксплуатационных возможностей прототипа,
- повышение удобства обслуживания прототипа.

Поставленные для варианта 1 задачи решаются за счет того, что в прототипе, содержащем корпус, внутри которого помещены две несмешиваемые и не растворяющие друг друга жидкости, и по меньшей мере одна из стенок которого выполнена из оптически прозрачного материала, выполнено следующее.

По меньшей мере одна из стенок корпуса 1, 7 выполнена из магнитопроводящего материала, а одна из жидкостей - магнитная 3 на основе органических соединений, снаружи магнитопроводящей стенки корпуса 1, 7 расположен по меньшей мере один магнит 5, 6, 9, чей магнитный поток взаимодействует с магнитной жидкостью 3, образуя из нее барельеф или фигуру "а", "b", при этом магнит 5, 6, 9 расположен с возможностью перемещения относительно стенки, а вторая жидкость 4 выполнена оптически прозрачной и с меньшей плотностью, чем магнитная жидкость 3.

Удержание магнита 5, 6, 9 около магнитопроводящей стенки осуществлено за счет притяжения к нему магнитной жидкости.

Органическое соединение, из которого выполнена магнитная жидкость 3, представляет собой тетрадекан или керосин.

Вторая жидкость 4 представляет собой спирт, кислоту или раствор спирта или кислоты.

Оптически прозрачный материал, из которого выполнена по меньшей мере одна стенка корпуса 1, 7 представляет собой стекло.

Поставленные для варианта 2 задачи решаются за счет того, что в прототипе, содержащем корпус, внутри которого помещены две несмешиваемые и не растворяющие друг друга жидкости, и по меньшей мере одна из стенок которого выполнена из оптически прозрачного материала, выполнено следующее.

По меньшей мере одна из стенок корпуса 1 выполнена из магнитопроводящего материала, а одна из жидкостей - магнитная 3 на основе органических соединений, снаружи магнитопроводящей стенки корпуса 1 закреплено несколько подключенных к источнику тока 18 электромагнитов 10-15, чьи магнитные потоки взаимодействуют с магнитной жидкостью 3, образуя из нее по меньшей мере один барельеф или фигуру "а", при этом электромагниты 10-15 подключены к источнику тока 18 через переключатель 17, обеспечивающий поочередное включение их по одиночке или группами, вторая жидкость 4 выполнена оптически прозрачной, с меньшей плотностью и большей смачиваемостью, чем магнитная жидкость 3.

Органическое соединение, из которого выполнена магнитная жидкость 3, представляет собой тетрадекан или керосин.

Вторая жидкость 4 представляет собой спирт, кислоту или раствор спирта или кислоты.

Оптически прозрачный материал, из которого выполнена по меньшей мере одна стенка корпуса 1, представляет собой стекло.

В процессе поиска информации не было обнаружено решений, эквивалентных или совпадающих с заявленными вариантами устройства, что позволяет сделать вывод об их новизне.

Существенность признаков заявляемого варианта 1 устройства подтверждается следующим.

Условие, в соответствии с которым магнит 5, 6, 9 расположен с возможностью перемещения относительно магнитопроводящей стенки корпуса 1, 7, обеспечивает следующее:
- возможность синхронного перемещения барельефа (фигуры) "а", "b" вместе с перемещаемым магнитом благодаря воздействию на магнитную жидкость 3 магнитного потока (поля) магнита сквозь указанную стенку,
- возможность пространственного перемещения магнита 5, 6, 9 относительно магнитопроводящей стенки корпуса 1, 7, что позволяет приближать или удалять магнит от стенки, тем самым увеличивая или уменьшая образующийся из жидкости 3 барельеф (фигуру) "а", "b", а также позволяет поворачивать магнит другой стороной к указанной стенке корпуса, меняя тем самым конфигурацию барельефа (фигуры),
- возможность перемещения корпуса 1, 7 относительно неподвижного магнита 5, 6, 9, вследствие чего будет получен тот же результат с движущимся барельефом (фигурой) "а", "b".

Все вышеперечисленное направлено на расширение эксплуатационных возможностей прототипа.

Отсутствие элементов крепления магнита 5, 6, 9 упрощает, удешевляет и облегчает прототип.

Условие, в соответствии с которым вторая жидкость 4 (раствор спирта или кислоты) обладает оптической прозрачностью, меньшей плотностью и большей смачиваемостью, чем магнитная жидкость 3, обеспечивает:
- возможность наблюдения за образующимися из магнитной жидкости 3 барельефами (фигурами) сквозь жидкость 4,
- нахождение второй жидкости 4 вверху, а магнитной жидкости 3 внизу корпуса 1, 7 при отсутствии нахождения магнита 5, 6, 9 около верхней части корпуса (около крышки 2, 8), что необходимо для нормального начала работы устройства, а также для приведения устройства в исходное положение после окончания его работы после удаления магнитов от корпуса,
- исключение образования темных следов (слоев) магнитной жидкости 3 на внутренних поверхностях оптически прозрачной стенки корпуса 1, 7 благодаря тому, что вторая жидкость 4 имеет лучшую смачиваемость поверхностей, чем магнитная жидкость 3, что обеспечивает присутствие второй жидкости 4 на вышеуказанных внутренних поверхностях оптически прозрачной стенки корпуса 1, 7 и, как следствие, не позволяет магнитной жидкости контактировать напрямую с этими поверхностями и оставлять на них темные следы, затрудняющие визуальное наблюдение сквозь эту стенку за барельефами и фигурами "а", "b".

Все вышеописанное направлено также на расширение эксплуатационных возможностей прототипа.

Условие выполнения по меньшей мере одной стенки корпуса 1, 7 из оптически прозрачного минерального стекла также направлено на расширение эксплуатационных возможностей прототипа, так как это условие позволяет пользователю наблюдать за образующимися барельефами и фигурами сквозь указанную стенку и вторую жидкость 4. При этом необходимо отметить следующее:
- минеральное стекло и магнитная жидкость на основе органических соединений имеют неродственные химические основы, что противодействует налипанию жидкости на это стекло, чего нельзя сказать об органическом стекле или другом оптически прозрачном материале,
- минеральное стекло обладает магнитной проницаемостью, т.е. пропускает сквозь себя магнитные потоки (поля).

Условие, в соответствии с которым удержание магнита 5, 6, 9 около (на) магнитопроводящей стенки корпуса 1, 7 осуществлено за счет притяжения магнитной жидкости к магниту 5, 6, 9, обеспечивает фиксированное положение магнита на корпусе 1, 7 без крепежных элементов и в то же время позволяет быстро переставлять (двигать) магнит в другое место стенки корпуса. Это направлено на исключение элементов фиксации магнитов, что удешевляет, упрощает и облегчает прототип, сохраняя расширение его эксплуатационных возможностей.

Существенность признаков заявляемого варианта 2 устройства подтверждается следующим.

Условие, в соответствии с которым электромагниты 10-15 подключены к источнику тока 18 через переключатель 17, обеспечивающий чередующиеся включение и выключение одного или группы электромагнитов, позволяет:
- при задействовании одного электромагнита получить зрительную иллюзию "всплытия" и "погружения" барельефа или фигуры "а" в магнитной жидкости 3 в одном и том же ее районе,
- при выключении одного электромагнита и включении другого электромагнита получить зрительную иллюзию перемещения исчезающей и возникающей фигуры "а" по магнитной жидкости 3,
- при задействовании группы электромагнитов получить иллюзию перемещения группы барельефов или фигур "а", которые будут исчезать в одном районе магнитной жидкости 3 при выключении соответствующей одной группы электромагнитов и которые будут возникать в другом районе жидкости 3 при включении соответствующей другой группы электромагнитов.

Все вышесказанное направлено на расширение эксплуатационных возможностей прототипа.

Конструкция переключателя 17 может обеспечивать как мгновенное, так и плавное включение и выключение электромагнитов. Естественно, что и фигура (фигуры) "а" будет появляться ("всплывать") и исчезать ("погружаться") мгновенно или плавно.

Существенность остальных признаков варианта 2 устройства доказана выше при рассмотрении существенности признаков варианта 1.

Предлагаемые решения поясняются чертежами, где на фиг. 1 показано в разрезе первое исполнение варианта 1 устройства, магниты которого расположены по прямой линии. На фиг. 2 и на фиг. 3 изображены соответственно виды сверху и снизу на фиг. 1.

На фиг. 4 изображено в разрезе второе исполнение варианта 1 устройства, магнит которого находится в нижнем положении.

На фиг. 5 показано в разрезе первое исполнение варианта 1 устройства, магниты которого расположены звездообразно.

На фиг. 6 и на фиг. 7 изображены соответственно виды сверху и снизу на фиг. 5.

На фиг. 8 изображено в разрезе второе исполнение варианта 1 устройства, магнит которого находится в верхнем положении.

На фиг. 9 показан в разрезе вариант 2 устройства.

На фиг. 10 и на фиг. 11 изображены соответственно виды сверху и снизу на фиг. 9.

Первое исполнение варианта 1 устройства (фиг. 1-3) содержит прямоугольный корытообразный корпус 1 с герметично установленной крышкой (верхней стенкой) 2. Корпус 1 выполнен из материала, обеспечивающего прохождение сквозь него магнитных потоков (полей), например, из пластмассы или стекла. Крышка (верхняя стенка 2) выполнена из оптически прозрачного материала - минерального стекла, также пропускающего магнитные потоки (поля).

Внутри корпуса 1 находятся магнитная жидкость 3 и оптически прозрачная жидкость 4. Магнитная жидкость 3 имеет черно-коричневый цвет и образована как механическая взвесь (смесь) магнетита F₃O₄ и тетрадекана или другого жидкого алкана (см. Претер В. и др. "Химия", вправ. изд., "Химия", 1989, стр. 460). Жидкие алканы относятся к парафинам, мало реакционноспособны, химически стойки по отношению к кислотам, щелочам, спиртам и их растворам. Благодаря этим свойствам магнитная жидкость на основе тетрадекана-4 (см. ТУ 004-11109734-95) имеет более высокую плотность и меньшую смачиваемость, чем вторая жидкость 4, в качестве которой может быть использован раствор спирта (например, этилового, нашатырного или др.) или раствор кислоты (например, уксусной или др.). Магнитная жидкость 3 может быть также выполнена на основе керосина (см.ТУ004-11109734-95).

Помещенные вместе в корпус 1 эти две жидкости 3 и 4 не перемешиваются, не растворяют друг друга и образуют два слоя, из которых нижний слой образован магнитной жидкостью 3. Обе жидкости визуально наблюдаются сквозь крышку 2, причем магнитная жидкость 3 наблюдается как сквозь крышку 2, так и сквозь вторую жидкость 4.

Присутствие внутри корпуса жидкости 4 исключает налипание и смачивание магнитной жидкостью 3 крышки 2, выполненной из стекла.

Снаружи корпуса 1 со стороны его нижней стенки (дна) находятся прямоугольные магниты 5 и кольцевой магнит 6. Эти магниты могут удерживаться снаружи дна корпуса 1 как за счет притяжения к магнитной жидкости 3, так и другим способом, например за счет их размещения на поверхности стола, когда на них, в свою очередь, размещен корпус 1.

Второе исполнение варианта 1 устройства (фиг. 4) содержит цилиндрический корпус 7 в виде стакана, герметично закрытый крышкой (верхней стенкой) 8. Корпус 7 выполнен из оптически прозрачного материала - минерального стекла, как и крышка 2 корпуса 1. Поэтому он отвечает всем вышеописанным качествам крышки 2.

Кольцевой магнит 9 расположен вокруг корпуса 7 и взаимодействует своим магнитным потоком (полем) с магнитной жидкостью 3, находящейся внутри корпуса. Там же находится вторая жидкость 4.

Вариант 2 предлагаемого устройства (фиг. 9-11) содержит вышеописанный корпус 1 с крышкой 2 и жидкостями 3 и 4. На нижней стенке (дне) корпуса 1 закреплены электромагниты 10-15, при помощи электросвязей 16 подсоединенные к переключателю 17. Последний, в свою очередь, через связь 16 подключен к источнику тока 18. Изображения электромагнитов 10-15, электросвязей 16, переключателя 17 и источника тока 18 выполнены условно.

Вариант 1 предлагаемого устройства работает следующим образом.

При эксплуатации первого исполнения варианта 1 (фиг. 1-3) вследствие магнитной связи между магнитами 5, 6, 9 и магнитной жидкостью 3 на ее поверхности со стороны жидкой среды 4 образуются барельефные изображения (фигуры) "а" и "b", имеющие форму цветка (фиг. 2). При изменении положения магнитов 5, 6 путем их перемещения (перестановки) относительно нижней стенки (дна) корпуса 1 из прямолинейной в звездообразную конфигурацию (фиг. 5-7) изменится и компоновка барельефных изображений "а" и "b" на поверхности магнитной жидкости 3. Новая компоновка будет иметь форму звездообразной фигуры (барельефа) (фиг. 6).

Изменяя таким образом положения магнитов 5, 6 около нижней стенки корпуса 1 (перекомпонуя магниты, поворачивая их к стенке другой стороной), можно получить другие виды барельефов (фигур) на поверхности магнитной жидкости 3. Наблюдение за ними осуществляется сквозь оптически прозрачную верхнюю стенку (крышку) 2 и сквозь вторую жидкость 4, которая помимо своих ранее изложенных достоинств обеспечивает более качественное получение барельефов (фигур), чем без нее. Это объясняется уменьшением силы тяжести, действующей на образующиеся барельефы под жидкостью 4, аналогично тому, как уменьшается сила тяжести предметов под водой по сравнению с их силой тяжести на суше. Поэтому барельефы из магнитной жидкости 3 под второй жидкостью 4 будут более контрастны, выпуклы и пр., чем барельефы из жидкости 3 в воздухе.

Возможен иной способ работы первого исполнения варианта 1 устройства по фиг. 1-3, 5-7 (не показан), при котором магниты 5, 6 будут перемещаться около (по наружной поверхности) дна (нижней стенки) корпуса 1 при помощи механического, электрического или другого привода. Тогда соответственно и образованные из магнитной жидкости 3 барельефы и фигуры типа "а" и "b" будут двигаться в соответствии с движениями магнитов и синхронно с ними.

При эксплуатации второго исполнения варианта 1 устройства (фиг. 4) кольцевой магнит 9 перемещают вверх вдоль корпуса 7 (фиг. 8). При этом магнитная жидкость 3 или ее часть примет форму тела вращения с утонением по оси и будет также перемещаться в верхнюю часть корпуса. Это перемещение полученной из магнитной жидкости 3 фигуры будет сопровождаться перетеканием второй жидкости 4 вниз сквозь центральную часть упомянутой фигуры, периодически ее прорывая. Оптическая прозрачность корпуса 7 позволит наблюдать за указанными явлениями.

Для данного исполнения варианта 1 устройства также возможно использование какого-либо привода для перемещения магнита 9, а корпус 7 может иметь какую-то криволинейную (кольцевую) конфигурацию (на чертежах не показано).

Работа варианта 2 устройства (фиг. 9-11) может быть реализована как с одним, так и с несколькими электромагнитами 10-15.

В первом случае один электромагнит (например, 10), периодически (эпизодически) подключаемый к источнику тока 18 переключателем 17, обеспечит возникновение и исчезновение фигуры "а" в одном и том же районе магнитной жидкости 3, что зрительно будет восприниматься как "всплытие" и "погружение" фигуры "а".

Во втором случае электромагниты 10-15 переключателем 17 подключают к источнику тока 18 поочередно: сначала электромагнит 10, затем 11 и т.д. В результате образованная включенным электромагнитом в магнитной жидкости 3 барельефная фигура "а" будет исчезать в районе выключенного электромагнита и возникать в районе включенного электромагнита, создавая иллюзию ее перемещения по траектории "с" (фиг. 10). При ином взаимном расположении электромагнитов 10-15 траектория "с" будет иметь иную форму.

Возможно не одиночное, а парное (групповое) поочередное включение и выключение электромагнитов: сначала пара (группа) 10 и 11, затем 11 и 12 и т.д. (не показано). Результат - перемещение двух фигур "а".

Возможны другие исполнения вариантов устройства, не представленные на чертежах и позволяющие получить иные результаты.

Например, исполнение варианта 1 устройства по фиг. 1-3, 5-7 может использоваться в вертикальном положении, тогда магнитная жидкость 3, находящаяся внизу вертикально установленного корпуса 1 с крышкой 2, под действием перемещаемых магнитов 5, находящихся там же, как показано на фиг. 1-3, 5-7, будет подниматься, опускаться, двигаться вправо и влево в виде соответствующих фигур и барельефов.

Тот же результат может быть получен и при вертикально расположенных корпусе 1 и крышке 2 варианта 2 устройства по фиг. 9-11.

Исполнение варианта 1 устройства по фиг. 4, 8, дополненное вертикальной оптически непрозрачной перегородкой, установленной внутри корпуса 7 с зазорами между ее верхней и нижней сторонами и крышкой 4 и дном корпуса 7 и закрепленной своими боковыми сторонами на внутренней поверхности корпуса 7, может быть использовано для получения эффекта водопада, каскада, потока и т. п.

Для этого взамен магнита 9 необходимо использовать один или несколько магнитов 5, которые следует перемещать вдоль корпуса 7 от его дна к крышке 8. Тогда магнитная жидкость 3 будет подниматься порциями или непрерывно снизу вверх вдоль одной половины полости корпуса 7, отделенной перегородкой, и самотеком устремляться через перегородку вниз вдоль другой половины полости корпуса, со стороны которой нет магнитов.

Наличие зазоров между верхней и нижней сторонами перегородки и крышкой 8 и дном корпуса 7 обеспечит бесконечное множество перетеканий жидкости 3 под действием магнитов 5, перемещаемых вблизи соответствующей половины корпуса 7 снизу вверх и возвращаемых вниз вдали от корпуса.

Тот же результат может быть получен при помощи неподвижных электромагнитов 10-15 (фиг. 9-11), если их зафиксировать на корпусе 7 по вертикали со стороны одной половины корпуса и включить их по одиночке или группами, начиная с расположенных снизу электромагнитов и кончая верхними электромагнитами.

Как показали испытания опытного образца устройства, использование второй жидкости 4 с вышеизложенными ее свойствами обеспечивает в предлагаемых вариантах устройства совокупность следующих качеств:
- улучшается и облегчается формообразование барельефов и фигур из магнитной жидкости 3 под жидкостью 4, что объясняется уменьшением силы тяжести, действующей на жидкость 3, по сравнению с силой тяжести, действующей на эту жидкость на воздухе,
- движение потоков жидкости 3 и образованных из нее барельефов и фигур осуществляется более плавно и несколько замедленнее, чем на воздухе, что положительно влияет на зрительное восприятие этого движения,
- исключается налипание жидкости 3 на внутренних поверхностях стеклянных стенок и крышек корпусов устройства (т.е. исключается их смачивание темной жидкостью 3), что является необходимым условием визуального наблюдения за поведением жидкости 3 под действием магнитов или электромагнитов.

Изобретение может быть использовано при изготовлении детских игрушек, предметов интерьера, учебных пособий и при демонстрации фокусов. Внутри корпуса, одна из стенок которого выполнена из оптически прозрачного материала, помещены две несмешиваемые и не растворяющие друг друга жидкости. По меньшей мере одна стенка корпуса выполнена из магнитопроводящего материала, а одна из жидкостей - магнитная на основе органических соединений. Вторая жидкость выполнена оптически прозрачной, с меньшей плотностью и большей смачиваемостью, чем магнитная жидкость. Снаружи магнитопроводящей стенки расположен по меньшей мере один магнит, чей магнитный поток взаимодействует с магнитной жидкостью, образуя из нее барельеф или фигуру, при этом магнит расположен с возможностью перемещения относительно стенки. Во втором варианте электромагниты подключены к источнику тока через переключатель, обеспечивающий поочередное включение их по одиночке или группами. Обеспечивается расширение эксплуатационных возможностей и повышение удобства пользования. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для образования и перемещения жидких фигур и барельефов, содержащее корпус, внутри которого помещены две несмешиваемые и не растворяющие друг друга жидкости и по меньшей мере одна из стенок которого выполнена из оптически прозрачного материала, отличающееся тем, что по меньшей мере одна стенка корпуса выполнена из магнитопроводящего материала, а одна из жидкостей - магнитная на основе органических соединений, снаружи магнитопроводящей стенки расположен по меньшей мере один магнит, чей магнитный поток взаимодействует с магнитной жидкостью, образуя из нее барельеф или фигуру, при этом магнит расположен с возможностью перемещения относительно стенки, а вторая жидкость выполнена оптически прозрачной, с меньшей плотностью и большей смачиваемостью, чем магнитная жидкость. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что удержание магнита около магнитопроводящей стенки осуществлено за счет притяжения к нему магнитной жидкости. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что органическое соединение, из которого выполнена магнитная жидкость, представляет собой тетрадекан. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вторая жидкость представляет собой спирт, кислоту или раствор спирта или кислоты. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптически прозрачный материал, из которого выполнена по меньшей мере одна стенка корпуса, представляет собой стекло. 6. Устройство для образования и перемещения жидких фигур и барельефов, содержащее корпус, внутри которого помещены две несмешиваемые и не растворяющие друг друга жидкости, и по меньшей мере одна из стенок которого выполнена из оптически прозрачного материала, отличающееся тем, что по меньшей мере одна из стенок корпуса выполнена из магнитопроводящего материала, а одна из жидкостей - магнитная на основе органических соединений, снаружи магнитопроводящей стенки корпуса закреплено несколько подключенных к источнику тока электромагнитов, чьи магнитные потоки взаимодействуют с магнитной жидкостью, образуя из нее по меньшей мере один барельеф или фигуру, при этом электромагниты подключены к источнику тока через переключатель, обеспечивающий поочередное включение их по одиночке или группами, вторая жидкость выполнена оптически прозрачной, с меньшей плотностью и большей смачиваемостью, чем магнитная жидкость. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что органическое соединение из которого выполнена магнитная жидкость, представляет собой тетрадекан. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что вторая жидкость представляет собой спирт, кислоту или раствор спирта или кислоты. 9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оптически прозрачный материал, из которого выполнена по меньшей мере одна стенка корпуса, представляет собой стекло.