Способ движения и устройство типа «Рыба»

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемое техническое решение служит созданию транспортных средств, автономно перемещающихся в текучих средах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно (National Maritime Research Institute, http://www.nmri.go.jp /index e.html, Prototype Fish Robot, PF-600. http://www.nmri.go.jp/eng/ khirata/fish/experiment/pf600/pf600e.htm) устройство рыба-робот, состоящая из заоваленного в передней части жесткого цилиндрического туловища, несущего источник питания, радиоэлектронную схему управления двумя двигателями, осуществляющими колебательные движения хвоста, имеющего форму хвоста тунца, в соответствии с алгоритмом движения натурального тунца, воспроизводимым с помощью компьютера.

При наблюдении с помощью видеозаписи движения такой рыбы-робота легко убедиться в том, то устройство осуществляет свое движение аналогично движению венецианской гондолы под управлением гондольера, осуществляющего движения веслом, закрепленным на корме гондолы. По сути, несмотря на применение компьютера для управления движением робота, по-прежнему используется гребковый способ движения, что является принципиально низкоэффективным способом по сравнению со способом движения рыбы.

Известно (Л.С. Шапиро. К патентам природы. http://www.submarina.ru/intro.php?31), «что в 1936 г. английский зоолог Джеймс Грей установил, что сопротивление дельфина при его движении в воде, рассчитанное обычным для судостроения способом, оказывается в 8 - 10 раз больше того, которое способна преодолевать мускулатура животного. Высказывалось мнение, что для значительного уменьшения сопротивления кожа дельфина должна не пассивно, а активно демпфировать возмущения в пограничном слое, для чего существует какой-то физиологический процесс, способный управлять изменениями свойств кожи. Но, несмотря на подобные взгляды, моделирование активного действия, характерного для кожного покрова морских животных, продолжает рассматриваться как одна из перспективных проблем кораблестроения».

Таким образом, остается открытым вопрос: каким образом рыбы при своем движении снижают сопротивление среды?

Известны (Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. Изд-во «Наука». М., 1974, с. - 712) средства снижения сопротивления тела в потоке в виде ламинаризации этих потоков и устранения отрыва пограничного слоя от обтекаемой поверхности с помощью отсоса пограничного слоя или вдувания в пограничный слой дополнительного количества текучего вещества, что приводит к повышению критического числа Рейнольдса и, следовательно, к подавлению процесса турбулизации пограничного слоя, увеличивающего сопротивление среды движению в ней тела.

И в том и другом случае требуются дополнительные средства для управления пограничным слоем на поверхности обтекаемого тела с фиксированным профилем.

Известны (№ 2002669 RU) способ и устройство для управления развитием пограничного слоя на обтекаемой поверхности, в котором определяют местоположение области перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, измеряют его характеристики по всей длине и вводят в пограничный слой возмущения определенной амплитуды и фазы, добиваясь тем самым подавления развивающихся в ламинарном пограничном слое естественных возмущений, и как бы затягивают таким образом возникновение турбулентности, что приводит к уменьшению общего сопротивления.

Такое техническое решение требует использования большого количества датчиков, сложных электронных устройств (генератора, анализатор и т.д.) и соответственно значительных энергетических затрат (патент № 2171205 RU).

Известен (М.М. Ильин, К.С. Колесников, Ю.С. Саратов. Теория колебаний. Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. М., 2003, с - 272) способ стабилизации перевёрнутого маятника, так называемого маятника П.Л. Капицы. Этот способ демонстрирует наличие устойчивого состояния равновесия у массивного тела с центром тяжести, расположенным выше точки подвеса, причем в точке подвеса тело подвергается высокочастотным малоамплитудным колебаниям. Этим фиксируется положение тела вдоль вертикали, поскольку принудительное отклонение до некоторого предельного угла маятника от положения равновесия приводит к свободным затухающим колебаниям маятника, завершающимся стабильным положением перевернутого маятника.

В настоящее время такой маятник и его многозвенные варианты является предметом многочисленных исследований, не имея практического приложения, кроме демонстрационных и объяснения устойчивости каната у «индийских факиров».

Известны (В.Г. Широносов. Резонанс в физике, химии и биологии. Ижевск. Издательский дом "Удмуртский университет", 2000/01. 92 с.) устройства типа перевернутого маятника, созданные В.Н. Челомеем. Отличительной особенностью этих маятников является то, что их поведение рассматривается в вибрирующей жидкой среде. При этом оказывалось, что, например, груз, свободный или надетый на стержень с возможностью инерционного соскальзывания с него, в случае вертикальной вибрации сосуда с вертикально или под некоторым углом к вертикали закрепленным внутри стержнем поднимается по стержню или без него вверх, если его плотность выше плотности жидкости, и опускается вниз, если плотность груза меньше плотности жидкости. Это явление демонстрирует различное поведение перевёрнутого маятника в случае изменения плотности среды.

Опыты Челомея до сих пор по прошествии уже 50 лет не нашли применения.

Известны (патент № 2259302 RU) наши «Способ и устройство для перемещения затопленного тела», заключающиеся в том, что, ударного типа воздействие в определенной точке захвата на обтекаемое гибкое крылоподобное тело в поперечном к крыловой поверхности направлении приводит к возникновению силы тяги, принуждающей тело к движению в направлении вперед поперек прилагаемого усилия. При этом гибкое тело естественным образом приобретает такую форму, при которой лобовое сопротивление тела минимальное.

Это техническое решение допускает расширение в виде его применения к системе последовательно соединенных подобных элементов, например, двух - «туловища» и «хвоста», воспроизводящими тело «рыбы» и процесс ее движения.

Цель предлагаемого решения - разработка способа и устройства движения в текучих средах, лишенного вышеперечисленных недостатков известных технических решений и являющегося естественным развитием нашего известного технического решения.

Цель достигается применением рыбоподобного тела, перемещающегося в текучей среде, составленного из двух последовательно соединенных обтекаемых гибких элементов массивного "туловища» и "хвоста", причем движение тела осуществляется за счет силы тяги, создаваемой «хвостом» и «туловищем» при их одновременном поперечном в противофазе ударного типа воздействии на окружающую текучую среду, при этом изгибные ударного типа движения туловища и хвоста способствуют снижению сопротивления среды за счет естественного принятия «туловищем» и «хвостом» формы в виде крыла в индуцированном встречном потоке обтекающей среды, а сопутствующие изгибным движениям деформации сжатия и растяжения боковых поверхностей «туловища» приводят соответственно к вливанию и отсосу жидкости в областях соответствующих пограничных слоев «туловища», что способствует снижению сопротивления за счет ламинаризации этих слоев, а продольные колебательные движения туловища, сопровождающие изгибные движения «туловища» и «хвоста», способствуют стабилизации направления движения «рыбы» и возникновению дополнительной тяги.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Исходные положения изобретения заключаются в следующем:

1) Основа движения рыбы - это изгибные ударного типа движения её туловища.

2) Эти изгибно-ударные движения улучшают гидродинамические характеристики обтекания туловища потоками настолько, что, даже потеряв хвост, рыбы могут совершать движение в среде, поскольку такие движения способствуют не только возникновению силы тяги, но и существенным образом снижают сопротивление среды.

3) В создании силы тяги у рыбы участвуют туловище, совершающее изгибно-ударные движения в среде, и хвост, достаточно жестко связанный с предхвостовым окончанием туловища, а потому также испытывающий собственное изгибно-ударное взаимодействие со средой и являющийся главным исполнительным элементом тела рыбы, создающим основную часть силы тяги для всего тела.

4) Как у туловища, так и у хвоста есть особая точка, относительно которой совершаются изгибные движения туловища и хвоста и в которой сосредотачивается воздействие среды. Эта точка находится в районе 0.2 долей длины туловища рыбы со стороны её головы.

5) Изгибание движущегося туловища рыбы служит существенному снижению сопротивления, поскольку сопровождается процессами "отсоса" и "вливания" жидкости в пограничных слоях выгнутой и вогнутой сторон туловища.

6) Стабилизация направления движения рыбы, приводимой в движение движителем-хвостом, расположенным сзади, обеспечивается при изгибных движениях туловища рыбы возникновением условий стабилизации, аналогичных условиям стабилизации перевернутого маятника Капицы.

7) Изгибные движения туловища создают условия, аналогичные условиям движения массивного тела в вибрирующей жидкости, как в опытах Челомея, порождая поступательное движение туловища вперед за счет возникновения при этом обратных потоков, обтекающих тело.

Технические условия разработки определяются исходными положениями.

1. Рыба, как система двух последовательно соединенных движителей (фиг.1).

Туловище 1 и хвост 2 на рисунке фиг.1 рыбы обладают высокой степенью гибкости в плоскости, в которой осуществляется движение хвоста 2, при этом спинные плавники и плоскость хвоста расположены перпендикулярно плоскости движения хвоста. Центр тяжести туловища рыбы смещен от геометрического центра к голове. Туловище рыбы обладает высокой обтекаемостью. Согласно экспериментальным данным (Е.В. Романенко. Гидродинамика рыб и дельфинов. Изд-во КМК. М. 2001. С. -411.) в процессе плавания рыба совершает колебательные движения такие, что туловище 3 и хвост 4 (фиг. 1) колеблются в противофазе с различными амплитудами смещения относительно направления движения. На фиг. 2 приведена типичная зависимость смещения h(X) различных точек X тела рыбы, в процессе плавания. Обращает на себя внимание тот факт, что зависимость имеет минимум, расположенный в области X ≈ 0.2.

Нами (патент № 2259302 RU) выявлено, что эта точка для плоского гибкого обтекаемого тела обладает тем свойством, что захват тела в данной точке и прикладывание к ней ударного типа воздействия в поперечном к поверхности тела направлении приводит к возникновению максимальной силы тяги (при заданной силе воздействия в точке захвата тела), вынуждающей тело двигаться вперед в направлении поперек приложенной силы. При этом тело приобретает изогнутую форму, естественно соответствующую при заданных изгибных упругих свойствах заданного тела минимальному сопротивлению среды, аналогичную той, что сплошной линией показана на фиг.1.

Фиг.1

Точка, о которой шла речь выше, определяется правилом U=δ/l=0.29, где δ – смещение от геометрического центра (движителя – тела рыбы), вперед по продольной центральной прямой к носику, l – длина этой продольной прямой; такое значение параметра U соответствует значению X=0.21 для кривой на фиг.2. На фиг.1 линии а и е ограничивают по длине тело рыбы в состоянии покоя; линия с соответствует условной точке подвеса туловища рыбы как маятника или точке соединения туловища и хвоста рыбы; пересечение линий b и d с прямой ОО' указывают положения точек, соответствующие правилу U=0.29 для туловища (b) и хвоста (d) как отдельных движителей.

Фиг.2

Логичным продолжением наших исследований стало применение не одностороннего, а знакопеременного периодического ударного воздействия на гибкое упругое тело, чтобы это тело приобрело прямолинейное результирующее движение вперед, подобное движению вперед крыловой поверхности при ее маховых движениях. Эти исследования были выполнены. В результате выявлены возможности гибкого упругого тела быть движителем, отличающимся от традиционных гребковых движителей типа винта тем, что он не опирается, как винт, о воду, пытаясь ее оттолкнуть, а создает встречный продольный поток среды, поперечный к направлению ударного воздействия на тело.

В активном состоянии, очевидно, хвост рыбы является основным движителем. Достаточно обратится к тому факту (Е.В. Романенко. Гидродинамика рыб и дельфинов. Изд-во КМК. М. 2001. С. -411.), что дельфин с помощью хвоста удерживает вертикальное положение туловища над водой. Изгибное движение туловища рыбы приводит к поперечному ударному взаимодействию туловища и, как следствие, хвоста со средой. Согласно нашим результатам такое знакопеременное взаимодействие приводит к возникновению результирующей силы тяги, принуждающей тело рыбы, составленное из двух последовательно соединенных гибких упругих тел, к поступательному движению вперед.

Таким образом, два тела, обладающих гибкостью и упругостью, способные при поперечном взаимодействии ударного типа со средой приходить в состояние поступательного движения вперед, при последовательном соединении образуют систему. В этой системе у рыбы первый элемент системы "туловище", являясь движителем-контейнером, содержит все необходимые органы жизнеобеспечения, а второй – "хвост" – является основным движителем существа. Потеря хвоста приносит ему ограничения в скорости и маневренности движения, но не лишает жизнеспособности. Туловище рыбы существенно по массе превосходит хвост. Изгибные движения туловища позволяют рыбе легко изменять направление движения за счет изменения при этом момента инерции туловища при заданном моменте инерции хвоста.

2. Факторы, снижающие сопротивление движения рыбы. Обращает на себя внимание (фиг.1 и фиг.2) то, что при прямолинейном движении нос рыбы испытывает в примерно 8 раз меньшее смещение, чем хвостовая часть. Такое поперечное периодическое знакопеременное смещение тела рыбы в процессе ее перемещения в водой среде, называемое «рысканием», исследователи (Е.В. Романенко. Гидродинамика рыб и дельфинов. Изд-во КМК. М. 2001. С. -411.) относят к издержкам их движения.

На наш взгляд такое движение рыб не издержка, а необходимость для осуществления движения с меньшими энергетическими потерями.