Термодинамика реальных процессов

На рис. 25 изображена конструктивная схема одного такого прибора, а на рис. 26 - его внешний вид со снятым кожухом. Детали этого прибора изготовлены в основном из дюраля, маховики и крестообразные валы - из стали; все подшипники шариковые, радиальные однорядные. При диаметре маховика 35 мм масса сателлита с шестеренкой и подшипником 50 г, масса прибора БМ-33 в сборе 1,93 кг, радиус R = 11 мм, плечо момента сил L = 36 мм (см. рис. 19, а и 25). Коническая шестеренка сателлита 7 катится по неподвижной конической шестеренке 11. Вал верхней пары сателлитов зацепляется с таким же нижним валом с помощью цилиндрических зубчаток 12, поэтому они вращаются в разные стороны. Таким способом балансируются массы и синхронизируются частоты вращения всех сателлитов и валов.

Если на прибор смотреть сверху (рис. 25), то при вращении двигателя против часовой стрелки схема возникновения сил у верхней пары сателлитов в точности соответствует рис. 19, а. При изменении направления вращения верхнего вала изменится также направление вращения сателлитов, в результате нескомпенсированная сила останется неизменной (см. параграф 5 гл. XXI). То же самое можно сказать и о нижнем вале с его сателлитами. Поэтому с целью изменения направления силы такой прибор надо поворачивать «вниз головой».

Результаты испытания описанного устройства на аналитических весах без промежуточного коромысла представлены на рис. 27. Из сопоставления графиков а и б видно, что внутренняя сила резко возрастает с частотой вращения. Этого и следовало ожидать, ибо момент гироскопических сил пропорционален произведению угловых скоростей вертикального вала и сателлита. При суммарной силе тока на двух моторах ?? = 8,7 А частота вращения n = 5000 об/мин и внутренняя сила ?хВ = 28·10-5 ?.

Момент гироскопических сил пропорционален также моменту инерции, в свою очередь пропорциональному диаметру маховика в четвертой степени (см. параграф 5 гл. XX). Чтобы экспериментально показать влияние момента инерции, по схеме рис. 25 изготовлен большой прибор БМ-33 массой 9,27 кг. При диаметре маховика 70 мм, R = 25 мм и L = 70 мм масса сателлита равна 244 г. Однако электродвигатели МА-40А не позволили развить необходимые для сравнения частоты вращения.

Аналогичное устройство БМ-33-мини с диаметром маховика 21 мм и массой сателлита 26,7 г имеет массу в сборе 1,58 кг, R = 8 мм, L = 42 мм. Испытание этого прибора при частоте вращения 5000 об/мин (сила тока 4 А) дало внутреннюю силу около 2·10-5 ?. Эта величина примерно в 14 раз ниже предыдущей, что вполне объяснимо, ибо у мини-сателлита все размеры меньше, чем у предыдущего: диаметр маховика в 1,67 раза (1,674 = 7,7), длина маховика в 1,17 раза (7,7х1,17 = 9), диаметр конической шестеренки в 1,09 раза, диаметр хвостовика в 1,25 раза и т.д. В итоге набирается величина, сопоставимая с экспериментальной.

Таким образом, многочисленные опыты, выполненные с различными устройствами типа БМ-33, подтверждают принципиальные выводы теории. Прежде всего это касается направления действия возникающей внутренней силы и ее связи с направлениями вращений сателлита. Наблюдается также определенное согласование теории и опыта в количественном отношении. Например, квадратичный характер имеет зависимость величины силы от числа оборотов сателлита в единицу времени (в наших приборах частоты вращений сателлита вокруг продольной и поперечной осей равны между собой). Есть намек и на четвертую степень зависимости силы от диаметра маховика. Интересен факт изменения величины силы при ее направлении вверх или вниз (рис. 27, а), который отражает влияние тепловой конвекции и внешних хрональных воздействий.

Необходимо отметить, что найденные в БМ-33 значения внутренних сил фактически определяются разностью между гироскопическим и ротационным эффектами (смерчевый эффект гасится из-за разнонаправленного вращения вертикальных осей). Первый эффект господствует над вторым благодаря большому L и малому R. С уменьшением L и ростом R ротационный эффект увеличивается и БМ-33 превращается в БМ-34.

При осуществлении устройства БМ-34 за основу взята конструктивная схема БМ-33-мини (она похожа на схему рис. 25). В этом приборе у сателлита отсутствует хвостовик. Маховик, изготовленный заодно с конической шестеренкой, вращается на трех миниатюрных шариковых подшипниках, расстояние между центрами шариков крайних подшипников L = 5 мм, расстояние от вертикальной оси до центра шарика первого подшипника R = 8 мм, диаметр маховика 21 мм, масса сателлита 16,5 г, масса всего прибора 1,1 кг.