Устройство для перемещения по поверхности жидкости Российский патент 2023 года по МПК B63B1/32 B63B1/34 

Сущность изобретения заключается в том, что на плоскую поверхность, например, корабля или водных лыж, наносится в зоне контакта с жидкостью пленка или слой из материала, который плохо смачивается водой, например, фторопласта или само изделие, например, водные лыжи изготавливается из такого материала. На поверхности этого материала наносятся (выполняются) приблизительно одинаковые впадины, с использовавшей любой технологии, например, за счет режущего инструмента. На границах внутри впадин между водой и воздухом (рис. 1) возникает сила поверхностного натяжения, направленная вверх и препятствующая погружению изделия: корабля, водных лыж и т.п. в воду. При этом сопротивление движению будет минимальным, особенно, если впадины будут ориентированы по направлению движения. Глубина впадин должна быть не меньше их ширины. Желательно, чтоб эта высота (глубина) была больше в 2 - 3 раза. К поверхности, например, лыж, на которых необходимо перемещаться по поверхности воды можно прикрепить сетку (паутину) из тонких нитей, выполненных, из материала, плохо смачивающегося водой. При этом также будут формироваться границы между воздухом и водой и устройство будут удерживаться на поверхности при достаточной длине границ между водой и воздухом.

Подъемная сила зависит от силы поверхностного натяжения , которая для пресной воды равна 82,5⋅10^-3 Н/м или приблизительно 0,08 Н/м. Вес тела - mg, m - масса, a g - ускорение свободного падения. На нить, выполненную из материала, плохо смачивающегося жидкостью (гидрофобную) общей длиной 1 м будет действовать подъемная сила F₁=0,08 Н и если mg меньше этой величины, т.е. масса m=F₁/g меньше 0,008 кг или 8 г, то нить будет плавать на поверхности воды опираясь на воду (как водомерка) (рис. 4). Аналогично, если на границе воды и воздуха будет прорезь длиной 1 м (целая или из несколько частей) в кусочке гидрофобного материала, например, фторопласта, то такой кусочек будет плавать, если его масса меньше 8 г. Если общую длину нитей или прорезей увеличить в миллион раз, то на поверхности может плавать груз массой до 8 т. На плоской границе воды и воздуха сила поверхностного натяжения будет направлена вертикально вверх (рис. 2)

Зная максимальную массу судна с грузом или человека на водных лыжах легко сосчитать максимально допустимое расстояние между одинаковыми параллельными друг другу впадинами или между нитями на поверхности соприкасающейся с водой. Пусть длина судна или лыжи ширина а расстояние между впадинами или нитями . Естественно дно судна или лыжи должна быть плоским. Поверхность в зоне контакта с водой . Общее число впадин, а следовательно, и границ между водой и воздухом, если впадины параллельны будет . Общая длина впадин или нитей на устройстве: Подъемная сила должна быть больше mg

_{Отсюда или}

Например, если судно с плоским днищем, имеет максимальную массу с грузом 1000 т, длину дна 100 м, а ширину 10 м, то должно быть меньше 8 мкм. При современном развитии нанотехнологий (1 мкм = 1000 нм), выполнить указанное требование волне реально.

Если нужно, чтобы кусок фторопласта толщиной 4 мм и плотностью около 1,5⋅10³ кг/м³ лежал на поверхности воды и не тонул, то должно быть меньше 1,35 мм, что легко выполнить даже в гараже, но практически малоинтересно.

Если на поверхности фторопласта площадью 1 м², если это будут, например, водные лыжи нанести впадины на расстоянии 0,01 мм друг от друга, то такой лист (листы) фторопласта выдержит нагрузку, за счет явления поверхностного натяжения около 7200 Н или 720 кгс.

Водные лыжи, имеющие площадь поверхности (двух лыж) 1 м² могут выдержать груз до 720 кг, что много больше веса любого человека.

Подъемная сила за счет поверхностного натяжения равна или Можно или рассчитывать подъемную силу при заданном или найти максимальное допустимое для любой массы m устройства с максимальным грузом.

Ограничения в ширине впадин и расстояний между ними, по-видимому существует, но эта величина соизмерима с размером молекул жидкости, например, воды. Эта величина будет меньше одного нм. При расстоянии между впадинами 1 нм подъемная сила 1 м² будет 7200 т.

Корабли будут держаться на воде не за счет силы Архимеда, т.е. обязательно погружаться в воду, а будут скользить по поверхности воды и сопротивление движению, а также расход топлива уменьшится в несколько раз. Они смогут двигаться с высокими скоростями. Двигатели необходимо вынести из воды, как на судах на воздушной подушке.

Корабли на воздушной подушке, которые могут двигаться над поверхностью воды или суши, которые являются очень далеким аналогом предложенных мною устройств, требуют большого расхода энергии, чтобы закачивать воздух под дно судна и чем больше вес судна, тем расход энергии больше. Самый близкий аналог ноги водомерки, которые позволяют ей перемещаться по поверхности воды не погружаясь в нее (рис. 4)

Устройства, предложенные мною будут двигаться по поверхности воды абсолютно не погружаясь в нее. Указанные устройства по мимо уменьшения в несколько раз расхода топлива и увеличения скорости, также будут обладать абсолютной непотопляемостью. Даже если судно будет разорванно на несколько частей, то каждая часть будет плавать на поверхности воды. Поскольку суда будут плавать по поверхности воды, то не потребуется никаких фарватеров. Суда даже большие смогут плавать по водоемам с небольшой глубиной и швартоваться практически в любых местах. Предложенное устройство позволит перемещаться людям по поверхности воды и перемещать через водные препятствия грузы на санках, выполненных с использованием указанного изобретения. Спасательный плотик массой несколько кг позволит пассажирам стонущего судна лежать на нем выше поверхности воды, а не замерзать в воде, как при использовании жилетов.

Известны технические решения, где на поверхность судна ниже ватерлинии наносился слой гидрофобного материала и на нем выполнялись впадины и/или выступы. Ставилась задача уменьшить трение между изделием, например, поверхностью корабля и водой. Это может дать заметный эффект при малых скоростях до 10 м/с, но при значительных скоростях в соответствии с законами гидродинамики сопротивление в основном определяется формой подводной части судна или другого устройства, двигающегося в воде. Снижение сопротивления и расход топлива не сильно уменьшаются и при низких скоростях.

В патенте США 5.476.056 от 19.12.1995 г. рис. 19 показано, что впадины на поверхностях из различных материалов всегда заполняются водой за какое-то время, если находятся ниже поверхности воды и эффект действия этих впадин пропадет. Время заполнения водой уменьшается при увеличении глубины и скорости перемещения. В патенте и глубина и скорость небольшие. Глубина 120 мм, а скорость до 3 м/с. Таким образом даже небольшой эффект от использования впадин будет пропадать с течением времени. По указанной причине массового использования предложенных в патентах США 5.476.056 от 19.12.1995 г., С№201291985 (Y) от 19.08.2009 г. KR 20040046262 (А) от 06.05.2004 г. и W 2006/121909 A2; CT/YS2006/017502 технических решений не наблюдается, хоть первому из указанных патентов уже более 25 лет.

На боковой поверхности судна погруженной в воду будет действовать сила поверхностного натяжения, но под углом к поверхности воды. Суда обычной формы не могут двигаться по поверхности воды. Они всегда будут погружены в воду. В указанных патентах задача движения непосредственно по поверхности воды не ставилась.

На рис. 1 показан принцип работы устройства на примере пластины из фторопласта (1) с впадинами (2) расположенными на малом расстоянии друг от друга. На пластину можно положить груз (8) и она будет плавать на поверхности воды (9). Впадины на расстоянии около 1 мкм можно получить, например, методом резания специальным инструментом, что можно выполнить на современном уровне техники. Впадины выполняются на всю длину пластины. Если ширина пластины будет 500 мм, а длина 2000 мм, то такая пластина (при расстоянии между впадинами 1 мкм) сможет выдержать нагрузку в 7200 кг. Такие пластины можно прикрепить к днищу корабля, и он не будет погружаться в воду (3), если его вес не превысит допустимый, а двигаться (скользить) по ее поверхности (9). В результате будут достигаться все указанные выше цели изобретения.

Если кусочки указанной пластины площадью 170 см², например, (10×17 см) прикрепить к подошвам любой обуви, то можно будет ходить по воде. Эти пластины будут выдерживать вес человека более 120 кг. Конечно потребуется определенная сноровка, т.к. обувь будет скользить, как на очень гладком льду.

На рис. 2 (выров из пластины (1)) показано расположение воды (4) и воздуха (5) во впадинах, показанных на рис. 1. В каждой впадине будет действовать подъемная сила F₁, направленная вертикально вверх, которая зависит от силы поверхностного натяжения и длины впадины. Эта сила мала и при длине 1 м будет 0,072 Н. Если впадин достаточно много, то силы складываются, и общая подъемная сила F пов будет достаточно велика, как показано выше и позволит устройствам держаться на поверхности воды.

Устройства, работающие на принципе использования силы поверхностного натяжения могут быть выполнены не на базе пластин с выступами и впадинами, а на базе тонких нитей из материалов плохо смачивающихся водой.

На рис. 3 показан пример, выполнения такого устройства. Если паутину из тонких гидрофобных нитей (6) прикрепить к поверхности изделия (7), то будет выполняться та же функция. Корабль или др. устройство не будет погружаться в воду (3), а будет скользить по поверхности (9). Если диаметр нити будет, например, 1 мкм, а расстояние между нитями будет 2 мкм, то подъемная сила 1 м² такой паутины без учета подъемной силы поперечных нитей будет более 300 кгс. Мне кажется, что выполнить устройство на базе такой паутины будет сложнее, но возможно в некоторых случаях будет проще выполнять очень тонкие нити, чем впадины и выступы на малом расстоянии друг от друга на поверхности пластин.

Изобретение относится к устройствам для перемещения по поверхности жидкости, преимущественно пресной или морской воды, и может быть использовано в судостроении. Предложено устройство для перемещения по поверхности жидкости, имеющее в зоне контакта плоскую поверхность, параллельную поверхности жидкости, зона контакта с которой выполнена из материала, плохо смачивающегося этой жидкостью, на которой выполнены впадины и/или выступы, при этом глубина впадин или высота выступов не меньше расстояния между впадинами или выступами, в зоне контакта образуются границы между жидкостью и воздухом, общая длина которых обеспечивает удержание устройства с грузом на поверхности жидкости за счет силы поверхностного натяжения. Материал, контактирующий с жидкостью, может быть выполнен в форме пластин с выполненными на их поверхности приблизительно одинаковыми друг другу впадинами, закрепленных на нижней плоской поверхности устройства в зоне контакта с жидкостью. Выступы и впадины могут быть сформированы из приблизительно одинаковых нитей, закрепленных на нижней плоской поверхности устройства в зоне контакта с жидкостью на расстоянии друг от друга не меньше полутора и не больше пяти диаметров этих нитей. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик перемещаемых по поверхности жидкости устройств, в частности судов различного назначения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для перемещения по поверхности жидкости, преимущественно пресной или морской воды, имеющее в зоне контакта плоскую поверхность, параллельную поверхности жидкости, зона контакта с которой выполнена из материала, плохо смачивающегося этой жидкостью, на которой выполнены впадины и/или выступы, отличающееся тем, что глубина впадин или высота выступов не меньше расстояния между впадинами или выступами, в зоне контакта образуются границы между жидкостью и воздухом, общая длина которых обеспечивает удержание устройства с грузом на поверхности жидкости за счет силы поверхностного натяжения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что материал, контактирующий с жидкостью, выполнен в форме пластин с выполненными на их поверхности приблизительно одинаковыми друг другу впадинами, закрепленных на нижней плоской поверхности устройства в зоне контакта с жидкостью.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выступы и впадины формируются из приблизительно одинаковых нитей, закрепленных на нижней плоской поверхности устройства в зоне контакта с жидкостью на расстоянии друг от друга не меньше полутора и не больше пяти диаметров этих нитей.