МОДЕЛЬ ПЛАНЕТЫ С УГЛОВОЙ ВИБРАЦИЕЙ ТВЕРДОГО ЯДРА И СПОСОБ ДЕМОНСТРАЦИИ ОТРЫВА ПОТОКА ОТ ДИСКРЕТНО ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТВЕРДОГО ЯДРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК G09B27/02 

Текст описания приведен в факсимильном виде.

Изобретение относится к наглядным пособиям в области астрофизики и может быть использовано для моделирования движения твердого ядра и нижней мантии планеты в окружающей их жидкой среде. Твердое ядро в форме тела вращения с электропроводным зондом и электродом сравнения на поверхности погружают резервуар с раствором электролита, моделирующий нижнюю мантию планеты. Прикладывают к зонду и электроду сравнения постоянную разность потенциалов. Приводят резервуар в равномерное вращение. Смещают твердое ядро от оси вращения резервуара. Осуществляют угловую вибрацию твердого ядра и регистрируют колебания электрического тока в цепи зонда, происходящие с частотой угловой вибрации. Путем вращения твердого ядра изменяют среднее за период вибрации угловое положение зонда. Амплитуду скорости угловой вибрации твердого ядра устанавливают большей либо равной разности средних угловых скоростей резервуара и твердого ядра. Включение угловой вибрации производят во время вращения путем перевода ремня в канавку с шипами. Возможно также применение угловой вибрации к остановленному твердому ядру. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности демонстрации отрыва потока от дискретно вращающегося твердого ядра с воспроизведением характерного для планеты относительно малого сдвига твердого ядра от оси суточного вращения. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 63 ил., 2 табл.

1. Модель планеты, включающая резервуар, заполненный жидким раствором электролита, твердое ядро, погруженное в этот раствор и подвешенное на ведомом шкиве ременной передачи, ведущий шкив которой соединен с двигателем, источник напряжения с электропроводным зондом и электродом сравнения, погруженными в раствор электролита, и регистратор электрического тока, отличающаяся тем, что твердое ядро соединено с ведомым шкивом вертикальным полым валом, который снабжен радиальным подшипником, вставлен в отверстие втулки, скрепленной с ведомым шкивом, и имеет возможность перемещения в этом отверстии по вертикали с последующей фиксацией положения полого вала во втулке, внутри полого вала размещен токовывод, подключенный к зонду, закрепленному на поверхности твердого ядра, при этом ведущий шкив включает четное число канавок для ремня, смежные канавки сгруппированы в пары, одна из канавок каждой пары выполнена с гладким круглым дном, а другая канавка имеет радиальные выступы, огибаемые ремнем.

2. Модель планеты по п.1, отличающаяся тем, что каждый радиальный выступ выполнен в виде шипа и имеет основание в виде штыря, вставленного в гнездо на дне канавки, причем при числе радиальных выступов в одной канавке, равном двум или более, радиальные выступы расположены на одинаковом угловом расстоянии друг от друга.

3. Модель планеты по п.1, отличающаяся тем, что радиальный выступ имеет вид овального подъема дна канавки.

4. Модель планеты по п.1, отличающаяся тем, что ремень находится в контакте с натяжным роликом.

5. Модель планеты по п.1, отличающаяся тем, что твердое ядро выполнено в виде тела вращения с полостью, а зонд имеет вид ленты, расположенной вертикально на цилиндрическом участке поверхности твердого ядра между двумя радиальными каналами, в которые вставлены концы ленты.

6. Модель планеты по п.1, отличающаяся тем, что электропроводный зонд и электрод сравнения изготовлены из никеля, электрод сравнения выполнен в форме двух пластин, скрепленных с полым валом, раствор электролита содержит воду, соли K₃Fe(CN)₆, K₄Fe(CN)₆ и щелочь KOH, например, имеет состав

0.005 М K₃Fe(CN)₆ + 0.005 М K₄Fe(CN)₆ + 0.1 М KOH.

7. Модель планеты, включающая резервуар, заполненный жидким раствором электролита, твердое ядро, погруженное в этот раствор и подвешенное на ведомом шкиве, источник напряжения с электропроводным зондом и электродом сравнения, погруженными в раствор электролита, и регистратор тока, отличающаяся тем, что твердое ядро соединено с ведомым шкивом вертикальным полым валом, который снабжен подшипником, вставлен в отверстие втулки, скрепленной с ведомым шкивом, и имеет возможность перемещения в этом отверстии по вертикали с последующей фиксацией положения полого вала во втулке, внутри полого вала размещен токовывод, подключенный к зонду, закрепленному на поверхности твердого ядра, ведомый шкив упруго закреплен с возможностью совершать крутильные колебания и взаимодействовать с вибратором, а регистратор тока снабжен избирательным усилителем, настроенным на собственную частоту крутильных колебаний ведомого шкива, соединенного с твердым ядром.

8. Модель планеты по п.7, отличающаяся тем, что упругое закрепление ведомого шкива выполнено с помощью П-образной пружины.

9. Модель планеты по п.7, отличающаяся тем, что вибратором служит ведущий шкив, выполненный с радиальными выступами и соединенный с двигателем, а ведомый шкив снабжен стрелкой, имеющей возможность отклонения радиальными выступами ведущего шкива.

10. Модель планеты по п.7, отличающаяся тем, что вибратором служит катушка с расположенным внутри нее подвижным сердечником, который соединен штоком с ведомым шкивом и упруго закреплен с помощью пружины.

11. Способ демонстрации отрыва потока от дискретно вращающегося твердого ядра, отличающийся тем, что на поверхности твердого ядра устанавливают электропроводный зонд и электрод сравнения, погружают твердое ядро в резервуар с раствором электролита, прикладывают к зонду и электроду сравнения постоянную разность потенциалов, приводят резервуар в равномерное вращение, смещают твердое ядро от оси вращения резервуара, осуществляют угловую вибрацию твердого ядра, регистрируют колебания электрического тока в цепи зонда, происходящие с частотой угловой вибрации, путем вращения твердого ядра изменяют среднее за период вибрации угловое положение зонда, спад амплитуды указанных колебаний электрического тока используют как признак прохождения зонда через место смены направления постоянной составляющей скорости жидкости относительно твердого ядра, на протяжении одного оборота твердого ядра находят два угловых положения зонда, соответствующих спадам амплитуды указанных колебаний электрического тока, и по найденным угловым положениям зонда определяют границы области обратного течения, вызванного отрывом потока от твердого ядра.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что вращение твердого ядра совмещают с его угловой вибрацией и осуществляют с постоянной средней угловой скоростью, меньшей, чем угловая скорость резервуара, амплитуду скорости угловой вибрации твердого ядра устанавливают большей либо равной разности средних угловых скоростей резервуара и твердого ядра.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что угловую вибрацию твердого ядра осуществляют путем периодического изменения натяжения ремня ременной передачи.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что включение и выключение угловой вибрации производят путем перемещения ремня вдоль оси вращающегося ведущего шкива ременной передачи в пределах пары смежных канавок этого шкива.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что вращение твердого ядра выполняют в виде поворотов твердого ядра между интервалами времени, на которых твердое ядро вибрирует при фиксированном его среднем положении, причем угловую вибрацию твердого ядра осуществляют на частоте основной гармоники собственных крутильных колебаний твердого ядра, скрепленного с ведомым шкивом, а колебания электрического тока регистрируют избирательно на частоте той же основной гармоники.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что постоянную составляющую электрического тока через зонд до и после включения угловой вибрации твердого ядра рассчитывают соответственно по уравнениям:
,

где J_C постоянная составляющая электрического тока при равномерном вращении твердого ядра до включения угловой вибрации,
J_S - постоянная составляющая электрического тока после включения угловой вибрации с сохранением средней угловой скорости вращения твердого ядра,
c_о - концентрация разряжающихся ионов в объеме раствора,
n - число электронов, участвующих в разряде одного иона,
F=96500 Кл/моль - число Фарадея,
D - коэффициент диффузии разряжающегося иона,
Г - гамма-функция, Г(1/3)=2.6789,
Н - высота зонда,
b - длина зонда в направлении его движения при вращении твердого ядра,
∇_c - постоянная составляющая поперечного градиента скорости жидкости, направленного по нормали к поверхности зонда,
ω - круговая частота угловой вибрации твердого ядра,
ν - кинематическая вязкость раствора электролита,
r - радиус твердого ядра,
ΔΩ_с - амплитуда колебаний угловой скорости твердого ядра.

17. Способ по п.11, отличающийся тем, что переменную составляющую электрического тока на частоте угловой вибрации твердого ядра рассчитывают по уравнениям:
,
,
,
,
Q(0)=0.5953196746,

где J_а - проходящая через границу зонда с раствором электролита переменная составляющая электрического тока на частоте угловой вибрации,
Г - гамма-функция,
n - число электронов, участвующих в разряде одного иона,
F=96500 Кл/моль - число Фарадея,
D - коэффициент диффузии разряжающихся ионов,
c_o - концентрация разряжающихся ионов в объеме раствора,
A=bH - площадь зонда,
b - длина зонда в направлении его движения при вращении твердого ядра,
∇_c - постоянная составляющая поперечного градиента скорости жидкости, направленного по нормали к поверхности зонда, определяемая, в частности, по величине тока при вращении твердого ядра до наложения угловой вибрации,
- амплитуда переменной составляющей поперечного градиента скорости жидкости, направленного по нормали к поверхности зонда,
ω - круговая частота угловой вибрации твердого ядра,
t - время,
ζ, ξ, η - переменные интегрирования,
β - критерий подобия в виде безразмерной частоты,
E_C(β), E_S(β) - определяемые расчетом коэффициенты, зависящие от критерия β, в частности,
E_C(100)=9.1042·10^-5, E_S(100)=109.28·10^-5,
E_C(500)=0.3494·10^-5, E_S(500)=10.241·10^-5,
E_C(1000)=0.0846·10^-5, E_S(1000)=3.6591·10^-5.

18. Способ по п.11, отличающийся тем, что регистрируют постоянную составляющую тока при двух режимах вращения твердого ядра: при равномерном вращении и при дискретном вращении, которое достигают периодическими остановками между интервалами движения, в результате чего вызванное периодическими остановками снижение средней скорости вращения повышает постоянную составляющую тока.

19. Способ демонстрации отрыва потока от дискретно вращающегося твердого ядра, отличающийся тем, что на диаметрально противоположных местах поверхности твердого ядра устанавливают два электропроводных зонда, погружают твердое ядро и электрод сравнения в резервуар с раствором электролита, прикладывают к зондам и к электроду сравнения постоянную разность потенциалов, приводят резервуар в равномерное вращение, смещают твердое ядро от оси вращения резервуара, осуществляют импульсный поворот твердого ядра и одновременно регистрируют по одному импульсу электрического тока на каждом из двух зондов, причем область обратного течения, обусловленную отрывом потока, идентифицируют по противоположности полярностей указанных импульсов.