Способ движения и устройство типа «Рыба»

Поясним это.

Тело рыбы состоит из двух основных элементов – туловища и хвоста. На фиг.1 схематически показаны два состояния рыбы – пассивное (пунктирная линия) и состояние активного (сплошная линия) взаимодействия со средой. В пассивном состоянии туловище и хвост вытянуты вдоль прямой ОО'. В активном состоянии туловище рыбы находится в изогнутом состоянии, вызванном сокращением боковых мышц туловища с одной стороны и расслаблением боковых мышц с другой стороны туловища. Естественно, что при этом сторона с сокращенными мышцами образует поверхность меньшей площади, чем та же площадь поверхности в пассивном состоянии. Для другой боковой стороны характерно увеличение площади поверхности по сравнению с той же площадью поверхности в пассивном состоянии. Это приводит к тому, что в первом случае жидкость, контактирующая с телом, вытесняется, т.е. происходит вливание жидкости в область пограничного слоя, что приводит с этой стороны тела к стабилизации условий его обтекания с малым сопротивлением, выражающейся в смещении критической точки и разделительной линия тока набегающего потока назад по направлению к выходной части профиля (или даже располагается в потоке за выходной кромкой). Во втором случае увеличение площади поверхности эквивалентно отсосу жидкости в области пограничного слоя, что ламинаризует потоки, с этой стороны обтекающие тело. Перекладывание рыбой усилия приводит к мгновенной смене режимов взаимодействия сторон со средой, не оставляя обтекающим потокам возможности для развития турбулентности в пограничном слое, что согласно (Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. Изд. -во «Наука». М., 1974, с. - 712) служит существенному снижению сопротивления. Поэтому визуально наблюдаемое «рыскание» соответствует не энергетическим издержкам в движении рыбы, а процессу снижения сопротивления тела рыбы, т.е. снижению энергетических затрат на преодоление сопротивления среды.

3. Возникновение дополнительной силы тяги у "туловища".

В потенциальном гравитационном поле Земли обычный физический маятник в виде груза, закрепленного на конце стержня, другим концом закрепленного в точке подвеса, занимает положение, при котором груз находится ниже точки подвеса. В свободном состоянии покоя груз занимает положение, характеризующееся минимальной потенциальной энергией. Это состояние устойчивого равновесия маятника. Однако перевёрнутый маятник, у которого груз находится выше точки подвеса, также обладает состоянием устойчивого равновесия, если точку подвеса маятника привести в состояния принудительного, например, гармонического вертикального с большой частотой и малой амплитудой колебания под действием внешней силы. В таком случае отклонение маятника от вертикали приводит его в свободное колебательное движение относительно вертикали с уменьшением со временем амплитуды колебаний и переходом маятника в состояние покоя относительно вертикали.

На наш взгляд и в согласии с нашими результатами рыбы используют эффект обратного маятника, но в универсальном варианте. Т.е. в варианте, когда ось, вдоль которой производятся колебания и вдоль которой направлена сила тяги, произвольным образом ориентируется в пространстве.

Поясним это.

Наша разработка основана на экспериментальных фактах.

Замечено, что у маятника Капицы и маятника Челомея имеется общая закономерность: тело движется против направления действия результирующей силы, вызванной действием потенциальных полей.

В случае перевёрнутого маятника Капицы преобладает гравитационное поле Земли: при этом сила гравитационного взаимодействия, приложенная к массивному грузу маятника, направлена к Земле, а состояние равновесие таково, словно, по аналогии с обычным маятником эта сила направлена от Земли. Отклоненный от положения равновесия маятник в ходе затухающих колебаний движется вверх, чтобы занять свое положение устойчивого равновесия. Похожий вариант реализуется у Челомея для тяжелого груза, помещенного в сосуд с вибрирующей жидкостью. Но здесь эффективному потенциальному полю соответствует результирующая двух сил (силы тяжести и силы Архимеда), которая также направлена к Земле, а груз также движется вверх. Для лёгкого груза, плотность которого меньше плотности жидкости, результирующая тех же двух сил направлена от Земли, но груз тонет, словно результирующая сила направлена к Земле.

Движение груза в вибрирующей жидкости в соответствии с законом сохранения импульса должно сопровождаться возникновением потоков жидкости, обратных направлению движения груза.

Наш вывод. Таким образом, если потенциальное поле, воздействующее на тело, представляет собой композицию потенциальных полей, а результирующая сила их воздействия на тело направлена произвольным образом в пространстве, то, придавая некому протяженному маятникоподобному телу, типа тела рыбы, колебательные в «точке подвеса» (в точке соединения туловища и хвоста) с высокой частотой движения параллельно направлению действия результирующей силы, можем ожидать стабилизации положения тела вдоль направления действия этой результирующей силы. А если учесть то, что рыбы своими движениями создают встречный поток жидкости, то таким произвольным направлением будет направление силы тяги, создаваемой рыбой.

Для рыб характерно, что средняя плотность тела близка к плотности воды. Т.е. действия гравитационной и Архимедовой сил на плавающую рыбу взаимно компенсируются. Следовательно, эти поля исключаются из рассмотрения. Остается потенциальное поле сил сопротивления движению тела в жидкости. Такое поле возникает под действиями хвоста и туловища рыбы на окружающую среду, приводящими ее в движение от головы к хвосту и, следовательно, к возникновению сил сопротивления среды.

Пусть задан (Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Механика. Гос. Изд. Физ. -мат. Лит. М., 1958, с - 258) перевёрнутый плоский маятник, точка подвеса которого совершает со временем t вертикальные вдоль оси у колебания по закону у=acosϒ×t с амплитудой а и угловой частотой ϒ. Положительное направление оси у - вертикальное. Если g - ускорение силы тяжести, a l – длина маятника, то положение маятника вертикально вверх при условии а²ϒ ²>2gl оказывается устойчивым для колебаний с большой частотой ϒ>>(g/l)^0,5 и малых амплитудах а.

Следовательно, в произвольном потенциальном поле, действующем на тело с силой, определяемой ускорением g'≠g, условием устойчивости этого тела будет неравенство а²ϒ ²>2g'l. При этом а будет амплитудой продольных колебаний тела с частотой ϒ, a l будет определять положение его центра тяжести.

Пользуясь экспериментальными данными (Е.В. Романенко. Гидродинамика рыб и дельфинов. Изд.-во КМК. М. 2001. С. -411.), относящимися, например, к дельфину, длиной 2.2 метра, получаем оценки для частоты колебания хвоста 2.2 кол./с или частоты продольных колебаний туловища ϒ=2×2.2=4.4 кол./с=2π×4.4 рад./с=27.63 с^-1. Здесь учтено, что одно полное колебание хвоста соответствует двум продольным возвратно-поступательным колебания туловища. Амплитуда этих колебаний а=0.15, а ускорение движения дельфина g'=3 м/с² при расположении центра тяжести от точки «крепления» хвоста l=1.5 м. Тогда согласно условию устойчивости перевернутого маятника левая часть равна (0.15) ²× (27.63) ² = 17.18, а правая – 2×3×1.5 = 9.0, что вполне удовлетворяет тому, что туловище у тела типа «рыба» будет вести себя как перевернутый маятник. Выполняется и условие для частоты - 27.63 >> (3/1.5)^0.5= 1.4.

Из полученных оценок и из того, что известно о перевернутом маятнике, следует, что кроме выстраивания изгибающегося в процессе колебаний туловища рыбы вдоль направления ее плавания, как у маятника Капицы, происходит процесс движения туловища рыбы вперед, сопровождающийся «отдачей» в виде дополнительных от головы к хвосту потоков, обратных движению вперед тела рыбы, как у маятника Челомея.

Это еще одна из причин снижения сопротивления движению тела рыбы в среде по сравнению с её "мертвой" моделью, описанной в (Е.В. Романенко. Гидродинамика рыб и дельфинов. Изд.-во КМК. М. 2001. С. -411.).

Изобретение поясняется иллюстрациями, на которых:

На фиг.1 схематично показан профиль рыбы (вид сверху) в пассивном (пунктир) и активном (сплошная линия) состоянии. В пассивном состоянии 1 и 2 туловище и хвост соответственно расположены вдоль направления ОО' движения тела рыбы; в активном состоянии, тело рыбы изображено в момент завершения удара туловищем 3 и хвостом 4. Линии а и е соответствуют границам тела рыбы в состоянии покоя; линия с соответствует условной точке подвеса туловища рыбы как маятника или точке соединения туловища и хвоста рыбы; линии b и d соответствуют положению точек на туловище и хвосте, соответствующие правилу U=0.29 отдельно для туловища (b) и хвоста (d) как отдельных движителей.

Фиг.1

На фиг.2 показан график зависимости смещения Н точек X тела рыбы в процессе её активного движения (Е.В. Романенко. Гидродинамика рыб и дельфинов. Изд.-во КМК. М. 2001. С. -411.). Единицы измерения величин Н и X выражены в долях полной длины тела рыбы.

Фиг.2

На фиг.3 фотография установки для проведения исследований и демонстрации поведения гибкого крылоподобного тела под действием ударного воздействия в поперечном к его результирующему движению направлении (фиг.3, а). Установка состоит из крыло-контейнера 1, груза сравнения 2, штатива 3, электрического двигателя 4, аквариума 5. Крыло-контейнер (фиг.3, b) с несущей гибкой плоскостью 6, собственно контейнером 7 (с грузом или без груза) захватывается нитью в точке захвата 8, определяемой правилом U=0.29 (патент № 2259302 RU).

Фиг.3

На фиг.4 фотография момента достижения крыло-контейнером 1 поверхности воды, когда груз сравнения 2 еще находится далеко от поверхности воды.

Фиг.4

На фиг.5 фотография момента достижения крыло-контейнером поверхности воды при увеличении поперечной силы воздействия, приводящем к увеличению его скорости движения вперед настолько, что фиксируется только размытый след.

Фиг.5

На фиг.6 приведены экспериментальные данные сравнения траекторий движения крыло-контейнера для разных точек его захвата нитью: Δ - захват в точке, соответствующей правилу U=0.29, ◊ – захват в центре носика. X – горизонтальное, а Н – вертикальное смещение крыло-контейнера в процессе движения в единицах 2.5 см. Кривая А - тренд для случая захвата в соответствии с нашим правилом U=0.29 описывается уравнением Н=0,0734Х²+0,6422Х с коэффициентом корреляции R2=0,9837. Кривая Б – тренд для случая захвата в центре носика описывается уравнением Н=0,3854Х²+1,4749Х с коэффициентом корреляции R2=0,9978.

Фиг.6

На фиг.7 приведена фотография радиоуправляемого устройства в виде плавающей модели судна, несущего электрический двигатель 1, четыре источника питания АА, напряжением 1.5В каждый, и электронную схему включения-выключения питания двигателя, скрытые внутри корпуса модели, шестеренчато-ременной редуктор 2, кривошипно-шатунный механизм 3, захват испытываемого тела штоком 4, испытываемое тело 5, антенну 6. модель расположена на демонстрационном столике.

Фиг.7

На фиг.8 фотография движителя-хвоста. Движитель - плоское гибкое упругое хорошо обтекаемое (с малым лобовым сопротивлением) в плоскости движителя тело с усеченной эллипсоидальной формой и переменной жесткостью. Жесткая серпоидальная фронтальная часть 1 тела движителя обтянута гибкой упругой пленкой 2, превращающей серпоидальное тело в половину эллипсоидальной поверхности. 3 - точка захвата движителя для передачи ему в вертикальном к плоскости движителя направлении ударного воздействия.

Фиг.8

На фиг.9 кадры видеосъемки движения модели, демонстрирующие два состояния движителя 1: а – фаза движения штока вверх, b – фаза движения штока вниз.

Фиг.9