17. Момент импульса и энергия.

 

17.  Момент импульса и энергия

***

Аннотация

          В статье рассмотрена возможность вращения свободного объекта без внешней реакции за счет его внутренней энергии и преобразование кинетической энергии вращения в другие виды энергии внутри объекта вращения и обратные преобразования.

***

 

Известный литературный герой, самый правдивый в мире барон Мюнхгаузен, когда попал в свою очередную трудную ситуацию и стал тонуть в болоте вместе с конем,  оказался не только самым «правдивым», но и самым находчивым. Он схватил сам себя за волосы и вытянул себя вместе с конем из болота. Архимед в свое время сказал: «Дайте мне точку опоры, и я переверну земной шар». Так что же общего в истории с бароном и высказыванием Архимеда?

Общее оказывается есть. Это возможность систематического изменения механических параметров физических объектов в целом без участия силы реакции на  взаимодействия с другими физическими объектами. По-другому поставим вопрос: возможно ли систематическое направленное изменение импульса и момента импульса у физического объекта за счет изменения его внутренней энергии? Можно иначе сформулировать задачу: возможно ли преобразование энергии собственного момента импульса земного шара в другой вид энергии, например, в тепловую или в кинетическую энергию поступательного движения Земли?

Анализ данного вопроса показывает: изменить импульс физического объекта за счет его внутренних энергетических возможностей нельзя, а вот момент импульса преобразовать в другой вид энергии можно. Можно также внутреннюю энергию объекта преобразовать в изменение его пространственной угловой ориентации, то есть за счет своей внутренней энергии объект способен повернуться на любой угол относительно окружающих его объектов без использования силы реакции этих объектов.

Почему же свободные объекты поворачивать в пространстве можно, а поступательно перемещать за счет использования их внутренней энергии нельзя? Принципиальная разница между импульсом и моментом импульса заключается в том, что энергия момента импульса локализована в пространстве, а энергия импульса является нелокальной. Последняя переносится в пространстве вместе с объектом на неограниченное расстояние в виде кинетической энергии объекта. Таким образом, вытянуть себя за волосы из болота нельзя, тут барон перегнул палку. А вот изменить осевую угловую скорость вращения Земли теоретически можно.

Представим себе следующую конструкцию: два одинаковых стержня  l₁  и  l₂, равные длине  l, пренебрежимо малой массы, соединены в центре приводом с автономным источником энергии, с помощью которого стержни способны вращаться относительно друг друга либо в одном, либо в противоположном направлении. На концах стержня l₁ закреплены грузики  m₁  и  m₂  массой m. Каждая половина стержня l₂ снабжена грузиками  m₃  и  m₄  массой  m, которые с помощью автономных приводов способны перемещаться между серединной и концевыми точками стержня. В результате получается два стержня и четыре грузика (рис. 1).

Представим, что стержни способны вращаться в плоскости чертежа относительно друг друга. Установим грузики  m₃  и  m₄  на концах стержня  l₂ (рис. 2). Приведем стержень  l₂  во вращательное движение по часовой стрелке. Что произойдет со стержнем  l₁? Для обеспечения выполнения закона сохранения момента импульса, стержень  l₁  придет в противоположное вращательное движение относительно  l₂, причем, на точно такой же угол, что и стержень  l₁.   

Примем, что  l₂  у нас является вспомогательным стержнем. Остановим  l₂, остановится и l₁.  Таким образом, мы получили конструкцию, в которой управление стержнем  l₂  приводит к управлению стержнем  l₁, а именно, мы можем установить стержень  l₁  в любое угловое пространственное положение. В частности, снабдив таким механизмом спутник, можно его поворачивать на любой пространственный угол. Например, если ему необходима конкретная пространственная ориентация относительно внешних космических объектов. Более того, вращением вспомогательного стержня можно вращать спутник с нужной нам, причем стабильной, скоростью. Чтобы перейти от одномерной к трехмерной ориентирующей системе, необходимо рассмотренную конструкцию, включая привод, повторить трижды. При этом плоскости вращения стержней должны быть смещены относительно друг друга на угол 90°. Обратим внимание, вращательный эффект можно получить, разместив устройство вращения в любом месте внутреннего пространства спутника, а не обязательно в центре его массы. Поворот все равно будет происходить вокруг точки центра массы спутника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Рис. 1                                                                               Рис. 2

 

Нет необходимости в бесконечном вращении стержня  l₂. Поворот стержня можно осуществить на базе следующего алгоритма (рис. 1).

Первый шаг. Поместим грузики  m₃ и  m₄   на концах стержня.

Второй шаг. Повернем стрежень  l₂  на нужный угол.

Третий шаг. Переместим грузики  m₃  и  m₄  к оси вращения стрежня.

Четвертый шаг. Повернем стержень  l₂  в исходное положение.

Пятый шаг. Переместим грузики m₃  и  m₄  на концы стержня l₂,  и далее алгоритм повторяется.

Взяв два таких устройства, работающих в противофазе, которые поворачивают объект в одном направлении, можно получить процесс непрерывного поворота объекта на нужный угол. В принципе, такое устройство способно вращать колеса транспортного колесного средства.

Рассмотрим следующую схему (рис. 3).

Плоский диск вращается вокруг точки О с угловой скоростью  w. На расстоянии  r  от центра вращения на четырех взаимно-перпендикулярных пружинках закреплено тело массой  m. Оси двух пружинок проходят через точку вращения центра вращения круга О. Конец пружины, направленный к центру вращения, соединим с возвратно-поступательным приводом П.     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3

Рассмотрим физическую ситуацию при неподвижном диске. Запустим привод и добьемся резонансного перемещения груза  m. Груз будет совершать колебательные движения вдоль радиуса диска. Теперь приведем диск во вращение. Что же произойдет? На груз будет действовать сила Кориолиса. При движении груза от центра диска к его краю эта сила будет направлена слева направо, а при движении груза вниз, то есть к точке О, – она будет направлена в противоположную сторону. Результирующая траектория перемещения груза будет соответствовать искаженной эллиптической траектории, причем, направление вращения груза  m  будет противоположным направлению вращения диска. Движения груза  m,  перпендикулярные к радиусу диска, через возвратно-поступательный механизм можно перевести во вращательное движение и таким образом снимать энергию, накапливающуюся в грузике  m,  за счет вращения диска О.

В результате, скорость вращения диска «О» будет уменьшаться.

Если же на одну из пружинок, размещенных перпендикулярно радиусу диска,  в противоположной от грузика «m» точке установить второй возвратно-поступательный привод, то энергию этого привода можно переводить в энергию момента импульса диска «О», и, таким образом, ускорять его угловое вращение вокруг точки «О». Это и есть та опорная точка, которая теоретически позволяет оказать влияние на угловую скорость вращения Земли вокруг ее оси.

Поскольку грузик m вращается по замкнутой траектории, то можно сразу же его вращение преобразовать во вращательную энергию, если грузик закрепить таким образом, чтобы он скользил вдоль рычага, размещенного в плоскости чертежа. При этом один конец рычага должен быть закреплен на оси перпендикулярно к рычагу. Ось вращения должна быть размещена в точке, вокруг которой вращается грузик m.

 

Вывод: космические объекты, в принципе, способны изменять свой момент импульса за счет своей внутренней энергии.

 

                                              Гребенников В.И.

8-928-16-00-581

 http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/03/blog-post.html