способ замены трения скольжения трением качения объекта, движущегося в жидкой среде

Формула изобретения

Способ замены трения скольжения трением качения объекта, движущегося в жидкой среде, заключающийся в периодическом изменении поперечного сечения объекта в плоскости шпангоутов с помощью колебаний в упругой оболочке, охватывающей корпус объекта, отличающийся тем, что на поверхности вышеупомянутой оболочки объекта создают колебания в виде бегущей звуковой волны с профилем циклоиды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к судостроению и касается разработки способа замены трения скольжения трением качения объекта, движущегося в жидкой среде.

Известен способ замены трения скольжения трением качения объекта, движущегося в жидкой среде, заключающийся в периодическом изменении поперечного сечения объекта в плоскости шпангоутов с помощью колебаний в упругой оболочке, охватывающей корпус объекта (GB, 2188397, МПК F 15 D 1/12, 1987).

Однако реализация известного способа является весьма усложненной.

Технический результат осуществления описанного способа заключается в упрощении его реализации.

Этот технический результат достигается тем, что при реализации известного способа замены трения скольжения трением качения объекта, движущегося в жидкой среде, заключающегося в периодическом изменении поперечного сечения объекта в плоскости шпангоутов с помощью колебаний в упругой оболочке, охватывающей корпус объекта, согласно изобретению, на поверхности вышеупомянутой оболочки объекта создают колебания в виде бегущей звуковой волны с профилем циклоиды.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема равномерного орбитального движения частиц поверхности оболочки, посредством колебаний которой реализуется настоящее изобретение; на фиг. 2 - аналогичная схема при нулевой скорости поступательного движения объекта в жидкой среде; на фиг. 3 - схема взаимодействия поверхности объекта при реализации описываемого изобретения с жидкостью при движении с поступательной скоростью V.

При реализации изобретения корпус 1 объекта движется в жидкости 2 при периодическом изменении поперечного сечения его в плоскости шпангоутов с помощью колебаний в упругой оболочке 3, на поверхности которой создают колебания в виде бегущей звуковой волны с профилем циклоиды.

Частицам поверхности корпуса 1 придают орбитальное круговое движение путем генерирования продольной волны, например, в резиновой оболочке 3. Источник колебаний частиц оболочки располагают в носовой части объекта, и этот источник посылает импульсы частицами по площади сечения оболочки 3 в плоскости шпангоутов.

Упомянутая волна представляет собой чередование сгущений и разрежений частиц оболочки 3, колеблющихся относительно положений равновесия в продольном направлении. Областям сгущений частиц соответствует момент действия между ними сжимающих напряжений, сопровождающийся уменьшением местной длины оболочки 3, сжатием ее, а областям разрежений частиц -момент действия растягивающих напряжений, сопровождающийся местным увеличением длины оболочки, ее растяжением.

Местные линейные деформации оболочки неразрывно связаны (по закону Гука) с поперечными деформациями, поэтому в момент растяжения оболочки ее толщина уменьшается, а в момент сжатия - увеличивается. В связи с этим продольная волна вдоль упругой оболочки 3 сопровождается возникновением на ее поверхности бегущей волны, гребни которой соответствуют местам сгущений частиц оболочки, а впадины - местами разрежений частиц.

Частицы непосредственно на наружной поверхности оболочки 3 участвуют в двух движениях: в продольном, когда они колеблются относительно положения равновесия в связи с линейными деформациями оболочки 3, и в поперечном движении, когда они совершают поперечные колебания в связи с наличием поперечных деформаций оболочки 3.

При суммировании этих движений частицы совершают равномерное орбитальное движение с радиусом траекторий R = a, где a - амплитуда бегущей волны. Профиль волны описывается циклоидой в виде кривой с острыми гребнями.

При прохождении сечения C-C справа налево отрезка бегущей волны, равного ее длине , частица m поверхности совершает одно полное колебание по круговой траектории в направлении против хода часовой стрелки. Ее линейная скорость вращения при этом равна скорости движения бегущей волны.

Циклоида описывается точкой на окружности радиусом R, которая при движении по прямой линии за один оборот в течение времени периода волны проходит расстояние, равное длине волны = 2R. Поэтому скорость распространения бегущей волны . Так как радиус окружности, описывающей циклоиду, равен радиусу вращения частицы, ее орбитальная скорость равна скорости движения бегущей волны.

Согласно фиг. 2, если объект поступательно не движется, площади волновых ложбин вдоль всей поверхности объекта не будут заниматься жидкостью в связи с центробежным ускорением частицы жидкости, находящейся в сцеплении с частицей поверхности оболочки 3. При скорости волны 30 м/с и высотt волна h = 2 мм при радиусе R = 1 мм величина центробежного ускорения V²/R = 900 тыс. м/с². Длина волны при этом = 6,3 мм, а частота импульсов, посылаемых частицами оболочки 3 источником колебаний . По существу, вдоль оболочки 3 излучают звуковую волну. На фиг. 3 показано взаимодействие поверхности движущегося со скоростью V объекта с жидкостью 2 при ее относительном покое. Продольная волна со скоростью V при этом бежит по носовой части к корме объекта в противоположном направлении. При этих условиях траектория абсолютного движения каждой частицы поверхности оболочки 3 из круговой разворачивается в циклоидную форму, совпадающую с профилем бегущей волны. Частица m на поверхности совершает неравномерное криволинейное движение, а профиль бегущей волны относительно жидкости становится профилем стоячей волны. Пространства волновых ложбин заполняются вращающейся жидкостью, упрощенно говоря, жидкими роликами, скорость линейного вращения которых равна скорости движения объекта. В местах касания вращающейся жидкости с поверхностью объекта и с покоящейся жидкостью относительная скорость движения равна нулю, в результате чего скольжение поверхности объекта по покоящейся жидкости заменяется качением, т.е. сопротивление трения скольжения заменяется сопротивлением трения качения, что может снижать расход топлива при движении транспортных объектов в водной среде.

В природе аналогичным способом пользуются дельфины, у которых роль упругой оболочки выполняет кожный покров. Дельфины могут испускать не только звуковые, но и ультразвуковые волны, с помощью которых они осуществляют эхолокацию пространства при движении. Испуская такую волну вдоль кожного покрова, дельфины обеспечивают себе высокую скорость движения (до 100 км/ч) при весьма малых расходах мышечной энергии.