Физика физика



жүктеу 130.83 Kb.
Дата18.04.2019
өлшемі130.83 Kb.
    Навигация по данной странице:
  • ФИЗИКА




ФИЗИКА




ФИЗИКА









УДК 53.01/07:531.3:532.5
Физические эффекты и явления

при закрученном движении твердых тел и жидкости
Докт.техн.наук А. Абдураманов

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати, Тараз



В данной работе освещены научные результаты, полученные автором при исследовании закрученного движения твердых тел и жидкости: физические основы эффекта переворачивания волчка «тип-топ», новая математическая кривая - пространственная циклоида (эктациклоида); физические эффекты: гидравлический тупик, гидравлическая пробка и свободный гидравлический сфероид; уравнения движения вязкой несжимаемой жидкости в функциях «вторых вихрей» в криволинейной ортогональной системе координат и уравнения турбулентного движения жидкости в сферической системе координат; теория совершенного гидравлического прыжка; формула для определения силы давления жидкости на вращающегося тела в однородном потенциальном поле течений.

Ключевые слова: закрученное движение, эффект переворачивания, математическая кривая, физический эффект, несжимаемая жидкость, потенциальное поле.
Природа богата явлениями (эффектами), возникающими при закручивании твердых и жидких тел.

Форма закрутки многообразна: вращающаяся, вихревая, винтовая, спиралеобразная, улиточная, сферообразная, конусообразная, шаровая, цилиндрическая, цилиндро-коническая, торообразная и другие. Описание этих явлений (эффектов) в настоящее время преимущественно ведется с применением Евклидовой геометрии и декартовой системы координат. Тем самым, выбрав самую простую методику воображения пространственных многообразий, значительно искажаем реальные явления, усложняем решения дифференциальных уравнений, получаем приближенные результаты.

Учебники и учебные пособия по дисциплинам естественных наук насыщены явлениями (эффектами), связанными с прямоточным движением твердых и жидких (газообразных) тел, в то время, когда в природе и технике преобладают вихревые потоки (смерчи, торнадо, спиральное движение небесных газообразных сред, движение воды на поворотах, циклоны, антициклоны, гидравлические прыжки, вращательно-поступательное движение твердых и жидких тел в окружающей среде, движение воды в насосах, гидротурбинах, сепараторах, гидроциклонах, вихревых струйных аппаратах, циклонных топках и горелках, ветровых и реактивных двигателях и .т.п.).

Изучение физических эффектов, возникающих при закручивании твердых и жидких тел позволило нам обнародовать: новые явления, ранее неизвестные.

Физические основы эффекта переворачивания волчка «тип-топ». Парадокс заключается в том, что при сильном вращении волчка «тип-топ» вокруг вертикальной оси, проходящей вдоль «ручки», он переворачивается на 180°, то есть «ручка» для вращения волчка становится его «ножкой» [1].

Над установлением причин переворачивания волчка «тип-топ» занимались Уильям Томсон (лорд Кельвин), Дж.Перри, Я.Смородинский, Н.Гулиа, И.В.Соколов, Оге Бор, В.А.Павлов, И.Д.Малюков, В.А.Сапа и другие. Однако тайна сохранилась надолго. Ближе всех к ее разгадке стоял Оге Бор.

Он насыпал на пол (стол) тонкий слой пудры и запускал волчок. Далее изучая линию, по которой двигалась точка касания волчка с полом, он заметил место, где волчок раскручивается по спирали в обратную сторону. Причину объяснить он так и не смог. Дело в том, что волчок обратно не раскручивается, а продолжает вращаться по тому же первоначальному направлению. Но уже действуют другие факторы-эффекты, установленные нами [2, 3]:

а) когда волчок окажется в положении, опирающийся на двух опорах, шаровая часть волчка вращается вокруг вертикальной оси, а ручка скользит по полу с нарастающей силой трения, затем весь волчок переходит на качение;

б) в момент перехода трения скольжения на трение качения имеет место «закон движения усеченного конуса» - движение волчка по кривой, соответствующей кругу малого основания конуса. С учетом этих двух эффектов вековой парадокс переворачивания волчка «тип-топ» становится наглядным и ясным.

Пространственная циклоида (эктациклоида). Рассматривается качение усеченного конуса (с воображаемой вершиной в некоторой неподвижной точке 0) над плоской горизонтальной поверхностью без скольжения. Плоская поверхность соприкосновения является неподвижной аксоидой, а боковая поверхность конуса - подвижным аксоидом. Подвижный аксоид имеет угловую скорость ωс Когда каждая точка подвижной аксоиды очерчивает в пространстве своеобразную циклоиду, которая по предложению К.Д.Дониса названа эктациклоидой [4].

Все виды известных циклоид лежат на плоскости, перпендикулярной некоторой горизонтальной поверхности.

Что касается эктициклоиды, то она является совершенно новым видом циклоиды, образующимся на кривых поверхностях, расположенных под углом к горизонту. Проекциями кривых поверхностей на горизонтальную плоскость являются кривые линии различного очертания.

Гидравлический тупик - эффект прекращения истечения жидкости через нижнее отверстие вертикально расположенного гидроциклона при напорном режиме его работы. Вся тангенциально входящая в гидроциклон жидкость выходит полностью через верхний сливной патрубок [5]. Парадокс имеет место при определенном соотношении размеров верхнего и нижнего отверстий и входного давления жидкости в аппарат.

Учет этого эффекта в инженерных расчетах дает возможность правильно спроектировать напорных гидроциклонов, установить соотношение размеров сливного и пескового патрубков аппарата.

Гидравлическая пробка - эффект периодического, спонтанного закупоривания пескового патрубка минигидроциклона наносами при напорно-вакуумном режиме работы гидроциклонных насосных установок [5].

Правильно подбирая гидравлические параметры (давление, скорость, концентрацию твердой фазы), входящего в минигидроциклонную камеру двухкомпонентного потока можно добиться того, что через песковый патрубок наружу импульсивно будет выплескиваться осадок (сгущенная пульпа) определенными порциями, то есть в сгустительной камере между выплесками образуется так называемая «гидравлическая пробка».

Использование этого эффекта позволяет сконструировать новые гидроциклонные насосные установки, которые способны двухфазную гидросмесь разделить на два конечных продукта: насос нагнетает чистую воду, а через песковый патрубок минигидроциклона - сгущенную твердую фазу, содержащей воду только в порах грунта [6].

Свободный гидравлический сфероид - эффект, заключающийся в том, что слабозакрученная свободная струя, выходящая под небольшом напором из круглого отверстия цилиндро-конической насадки, образует сфераобразную полую гидравлическую поверхность, замыкающаяся на полюсе и затем распадающаяся в виде венчика струи [7]. Эффект обладает уникальными свойствами, использование которых в народном хозяйстве принесет большую экономическую выгоду.

Уравнение движения вязкой несжимаемой жидкости в функциях «вторых вихрей» в криволинейной ортогональной системе координат. Автор настоящей работы доказал, что вихрь от вихря где -- вектор вторых вихрей) так же как и вязкость, уменьшает массовую силу, сообщающую частицам жидкости соответствующие ускорения [8].

С учетом этого факта нами получены уравнения движения вязкой несжимаемой жидкости в функциях «вторых вихрей» в криволинейной ортогональной системе координат



(1)
Уравнение (1) называется уравнением движения вязкой несжимаемой жидкости в форме Абдураманова. Здесь компоненты «вторых вихрей» выразятся в виде:

Компоненты «первых вихрей» выражаются через составляющие скорости:

В проекциях на оси ортогональной криволинейной системы координат уравнения (1) имеют вид:


Здесь приняты следующие обозначения:



- составляющие компоненты вектора скорости;

- составляющие компоненты вектора массовых сил;

- плотность жидкости;

- коэффициенты Лямэ;

- криволинейные координаты;

- давление в данной точке;

- коэффициент кинематической вязкости;

Упрощенный вывод уравнений движения вязкой несжимаемой жидкости (уравнении Навье-Стокса) в функциях «вторых вихрей» в декартовой системе координат ранее получен Н.Е.Жуковским [9]. В работе [8] далее получены дифференциальные уравнения движения в форме Ламба-Громеки, но для вязкой несжимаемой жидкости. Поэтому уравнения (1) можно считать новой формой записи уравнения Навье-Стокса.


. (3)
Уравнения турбулентного движения жидкости в сферической системе координат. Решение задач турбулентного движения жидкости (газа) шарообразной (сфераобразной) формы требует использование уравнения Рейнольдса, записанной в сферической системе координат. Однако хорошо известны нам уравнения турбулентного движения только в декартовой и цилиндрической системах координат. Была очевидна необходимость вывода уравнения турбулентного движения (уравнения Рейнольдса) в сферической ортогональной системе координат. Такая работа нами выполнена впервые путем применения общей криволинейной ортогональной системы координат [8].

Основное уравнение совершенного гидравлического прыжка (уравнение Абдураманова) и его частные случаи.

Исследованием гидравлического прыжка занимались: Леонардо да Винчи (1452-1519), Джузеппе Вентуроли (1768-1846), Джордж Бидоне (1781-1839), Жан-Батист Беланже (1789-1874), Жан Антуан Шарль Бресс (1822-1883), Жозеф Буссинеск (1842-1929) и др.

Уравнение, которое характеризует совершенный гидравлический прыжок беспрерывно усовершенствовалось и его современный вид называется основным уравнением совершенного гидравлического прыжка (уравнением Беланже-Буссинеска). Это уравнение выражает баланс сил между двумя контрольными сечениями прыжка. Однако оно не учитывает уклон дна русла, длину и гидравлический уклон (уклон трения) прыжка. Поэтому профессор Избаш С.В. считает это уравнение - уравнением сопряженных глубин (h1 и h2), а не основным [10].

Нами выведено основное уравнение прыжка с учетом вышеприведенных геометрических и гидравлических параметров русла и потока [11]. Поэтому уравнение Абдураманова является более общим, более точным. Такое уравнение пытался вывести в свое время профессор Мостков М.А. [12]. Что касается уравнения Беланже-Буссинеска, то оно является частным случаем уравнения Абдураманова, когда уклон трения равен уклону дна русла.

Уравнение Абдураманова имеет вид:


(4)

или


(5)
где - прыжковые функции в начальном и конечном сечениях гидравлического прыжка; Q - расход жидкости через поперечное сечение водотока; - среднее значение смоченного периметра; С- коэффициент Шези; - среднее значение площади живого сечения гидравлического прыжка; - среднее значение уклона трения между начальным и конечным сечениями; i - уклон дна русла; Lпр - длина гидравлического прыжка.

В случае, когда уравнение (5) принимает обычный вид:


(уравнение Беланже-Буссинеска) (6)
Уравнение (4) полностью отвечает основному уравнению динамики (второму закону Ньютона), тогда как уравнение (6) этому требованию не отвечает.

Теорема об изменении удельной энергии сечения по длине прыжка. На основе уравнения Абдураманова и уравнения Беланже-Буссинеска для плавноизменяющегося (неравномерного) движения жидкости получена теорема об изменении удельной энергии сечения по длине прыжка, которая формулируется следующим образом: изменение удельной энергии сечения по длине гидравлического прыжка равно разности прыжковых функций, приходящихся на единицу объема жидкости, заключенного в прыжке [13].

Основное дифференциальное уравнение совершенного гидравлического прыжка. Получено уравнение, характеризующее изменение глубины воды вдоль длины прыжка через прыжковые функции для непризматических и призматических русел [13]. Доказано, что основные уравнения и выводы неравномерного (плавноизменяющегося) движения воды полностью согласуются с теорией разработанной автором для совершенного гидравлического прыжка.

Длина совершенного гидравлического прыжка (закон Абдураманова). Определению длины совершенного гидравлического прыжка (СГП) посвящены работы выдающихся ученых: Н.Н.Павловского, М.Д.Чертоусова, О.М.Айвазяна, К.Сафранца, Б.А.Бахметева, А.Е.Мацке, В.А.Шаумяна и других. Однако все эти работы носят эмпирический и полуэмпирический характер. Проблема долгое время не поддавалась теоретическому обобщению. Данная проблема нами решена окончательно. Из уравнении (5) длина СГП [13]


. (7)
Формула (7) выражает закон Абдураманова [14] который гласит: длина совершенного гидравлического прыжка прямо пропорциональна разности прыжковых функций в сопряженных глубинах и обратно пропорциональна произведению средних величин площади живого сечения и разности уклонов трения и дна русла прыжка.

Потери энергии (напора) в совершенном гидравлическом прыжке. Получены формулы для определения потери удельной энергии (напора) в совершенном гидравлическом прыжке при различных значениях уклона дна русла и длины прыжка, а также разности прыжковых функций, приходящийся на единицу ширины прямоугольного призматического русла по горизонтальному дну [13].


(8)
где в - ширина дна русла; h1, h2 - сопряженные глубины воды в первом и втором сечениях гидравлического прыжка.

Поперечная сила давления на вращающегося тела в однородном потенциальном потоке жидкости. Сила Абдураманова и ее проявления. Известно, что на падающего и одновременно вращающегося тела в воздухе действует сила давления окружающей среды в поперечном направлении. Этот факт установлен Г.Магнусом. Аналогичное явление имеет место и при поступательно-вращательном движении донных наносов. Поэтому этот эффект называют иногда эффектом Дюпюи-Магнуса. Особенности вращения наносов в придонной области потока жидкости исследовал и профессор А.Я.Милович. Однако долгое время не удавалось установить модуль и направление этой поперечной силы давления жидкости на вращающиеся тела.

Нами эта формула получена в виде[15]
, (9)
где - плотность окружающего тело (вихря) среды;

Д - диаметр вращающегося тела (вихря);

S - площадь миделового сечения тела (вихря);



- скорость однородного потенциального потока;

- угловая скорость тела (вихря);

- сила Абдураманова (по предложению М.И.Касабекова [16]).

Следует отметить, что телом могут служит песок или тела шарообразной, цилиндрической, цилиндро-конической формы, а также отдельный вихрь, цилиндрические или торообразные вихри.

Сила Абдураманова в корне отличается от сил Кориолиса и Кутта-Жуковского.

Механизм вовлечения активной струей пассивного (спутного) потока при истечении струи в ограниченное цилиндрическое пространство. Действие силы Абдураманова при работе струйных аппаратов показаны в работе [17]. До сих пор считалось, что активная струя просто увлекает окружающий пассивный поток своей кинетической энергией, не задаваясь вопросом: почему пассивный поток проникает в пограничный слой? В [16] показаны направления действия различных сил на движения твердых частиц (вихрей) в цилиндрической трубе при закрученном распространении переносного движения жидкости. Оказывается, в пограничный слой пассивный (спутный) поток проникает потому, что на них давит сила Абдураманова, в противном случае активная струя должна была отбросит пассивный поток в сторону.


Литература
1 Павлов В.А. Гироскопический эффект, его проявления и использование. - Л.: «Судостроение», 1978. - 208 с.

2 Абдураманов А. К теории переворачивающегося волчка «тип-топ». -Механика и моделирование процессов технологии. - Тараз, 1999. - №1. - С.19-22.

3 Абдураманов А. Эффект переворачивания волчка «тип-топ». В. Сб. Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. - Пермь, 2001. - 15 с.

4 Абдураманов А. О пространственной циклоиде (эктациклоиде).-Механика и моделирование процессов технологии. - Тараз, 2000. - №1. - С. 55-56.

5 Абдураманов А. О двух парадоксальных гидродинамических эффектах в гидроциклоне. - Доклады НАН РК. - 1996. - №3. - С. 10... 13.

6 Шилибек К., Жоламанов Н. 100 изобретений д.т.н., профессора Абдураманова. - Алматы, КазНТУ им. К.И.Сатпаева. - С. 135...138, 162...164, 231...233, 238...240.

7 Абдураманов А. Свободный гидравлический сфероид. - Доклады НАН РК. – 1993. - №6. - С. 31...34.

8 Абдураманов А. Механика вихревых и винтовых потоков жидкости и ее приложение в гидротехнике, Ч.1. - Ташкент, ТИИИМСХ, 1982. - 81 с.

9 Жуковский Н.Е. Упрощенный вывод уравнений движения вязкой несжимаемой жидкости. - Полн.собр.соч., т.4, - М., 1936. - С. 182-189.

10 Избаш С.В. Основы гидравлики. - М., 1952. - 423 с.

11 Абдураманов А. Об основном уравнении совершенного гидравлического прыжка. - Механика и моделирование процессов технологии. - Тараз, 1999. - №2. - С. 142-146.

12 Мостков М.А. Гидравлика. М.: трансжелдориздат, 1958. - С. 293...297.

13 Абдураманов А. Некоторые вопросы теории совершенного гидравлического прыжка. - Механика и моделирование процессов технологии, 2000. - №2. - С. 130-135.

14 Минарбеков Ж.И. Длина совершенного гидравлического прыжка. Закон Абдураманова. - Материалы за IX Международна научна практична конференция "Бъдещите изследования - 2013", т.30. -София. "Бялград - БГ" ООД, 2013. - С. 5...7.

15 Абдураманов А.А. Вывод формулы поперечной силы давления жидкости на вращающегося тело при эффекте Магнуса Ж. Механика и моделирование процессов технологии, Тараз. – 2006. - №2. - С. 287.. .288.

16 Касабеков М.И. О силе Абдураманова на вращающиеся тела шарообразной и цилидрической формы, обтекаемые однородным потенциальным потоком. Изв. МГТУ «МАМИ», Сб.научн.трудов. - М., 2008, - С. 177...180.

17 Абдураманов А. Струйные аппараты. Теория и практика. - Тараз: «Сенім», 2011. - С. 47...52.

Қатты денелер мен сұйықтардың бұралған

қозғалысындағы физиКалық эффектілер мен құбылыстар
Техн.ғыл.докт. Ә. Әбдіраманов

М.Х. Дулати атындағы Тараз мемлекеттік университеті, Тараз


Бұл жұмыста автордың қатты денелер мен сұйықтықтардың бұралған қозғалысын зерттегенде ашылған ғылыми нәтижелері келтірілген: «тип-топ» ұршығының аунап түсу эффектісінің физикалық негіздері, жаңа математикалық қисық-кеңістіктік циклонда (эктациклонда); физикалық эффектілер: гидравликалық тұйық, гидравликалық тығын және еркін гидравликалық сфероид; тұтқырлы, сығылмайтын сұйықтық қозғалысының қисық сызықты ортогональді координат жүйесіндегі «екінші құйындар» функциялық теңдеулері; сұйықтың сфералық координаттар жүйесінде жазылған турбуленттік қозғалысының теңдеулері; жетілген гидравликалық шапшыма теориясы; біртекті потенциалдық ағыс өрісіндегі айналып бара жатқан денеге әсер ететін қысым күшін анықтайтын формула.
Түйінді сөздер: бұрандалы қозғалыс, аударылу эффектісі, сығылымсыз сұйық, физикалық эффект, потенциалды өрісі.

Physical effects and phenomena

at a zakruchennom dvizheniye of firm bodies and liquid
Dоct.tech.sci. A. Abduramanov

Tarazsky state university of a name of M.Kh. Dulati, Taraz


In this work the scientific results, received the second are shined at research of the twirled movement of firm bodies and liquid: physical bases of effect of a turning of a top the "type top", a new mathematical curve - a spatial cycloid (actasikloida); physical effects: hydraulic deadlock, hydraulic stopper and free hydraulic spheroid; the equations of movement of viscous incompressible liquid in functions of "the second whirlwinds" in curvilinear orthogonal system of coordinates and the equations of a whirl of liquid in spherical system of coordinates; theory of a perfect hydraulic jump; formula for determination of pressure force of liquid on rotating bodies in a uniform potential field of currents.
Keywords: swirling motion effect of turning a mathematical curve, a physical effect, incompressible fluid, the potential field.








Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет