Бегущие волны на поверхности воды (механические) — явление известное, а если организовать встречные бегущие волны с одинаковыми параметрами (когерентные волны), то возможно образование стоячей волны на поверхности воды. Также стоячие волны (СВ) бывают за кормой корабля или ракеты.
Если механические бегущие волны заключить в волновод (трубу), то в волноводе будут распространяться бегущие волны давления, и если организовать встречные когерентные волны давления, то возможно образование стоячих волн давления внутри волновода. А поскольку это также процесс волновой, то и здесь уместно использовать понятие интерференции, на этот раз для волн давления. То есть «стоячая волна в волноводе — это интерференция бегущих волн давления.
Немного определений
Волновод — искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна. При этом поток энергии, переносимый волной, сосредоточен внутри этого канала.
Бегущей волной называют волну, которая при распространении в среде переносит энергию (в отличие от стоячей волны, которая фиксирует энергию). Это может быть упругая волна в стержне-волноводе, столбе газа или жидкости в волноводе, электромагнитная волна вдоль длинной линии и др.
Узлы — сечения по длине волновода, в которых давление неизменно до и после возникновения СВ и равно давлению покоя.
Пучности — max и min — сечения по длине волновода, в которых величина давления max или min. Чередование значений аналогично синусоиде.
Прежнее определение пучностей и узлов
Интерференция волн — взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов)...
На сегодня нет научной теории этого явления, которая могла бы, в частности, определить факторы, влияющие на КПД процесса. Возможно, по причине отсутствия теории это явление не нашло в настоящее время применения на практике, но если учесть, что гравитация — тоже волны, то эта тема достаточно широка, интересна и способна предложить новую базу для развития технологий.
Далее речь идет о волнах давления. Для получения СВ необходимо внутри волновода в двух разнесенных точках осуществить колебательные движения для генерации встречных бегущих волн давления. При когерентности этих бегущих волн возможно образование неподвижной — СВ давления, в которой амплитуды давления будут распределены по длине волновода ФИКСИРОВАННО и по форме будут совпадать с формой бегущей волны, например синусоиды.
При этом возникают узлы и пучности СВ, т. е. образуются неподвижные амплитуды давления, в том числе макс. и мин. давления, например 30 и 3 атм. Отбор этих давлений можно проводить через отверстия в стенках волновода и использовать для разработки различных технологий, в том числе для движителей надводных судов и подводных лодок (ПЛ) параллельно или вместо гребных винтов. При этом необходимо использовать минимальное давление больше атмосферного для исключения перехода жидкости в пар, что приведет к срыву генерации СВ.
для демонстрации связи между звуковыми волнами и давлением газа воспользуемся трубой Рубенса. На одном из торцов горизонтально расположенной трубы, перфорированной по всей длине, прикреплена мембрана, а ко второму подключен источник горючего газа (например, пропана). В 1904 г. немецкий физик Генрих Рубенс во время эксперимента использовал 4-метровую трубу, в которой насчитывалось 200 отверстий с шагом 2 см.
Устройство трубы Рубенса:
1 — баллон с газом,
2 — клапан,
3 — металлическая труба с отверстиями,
4 — мембрана,
5 — громкоговоритель,
6 — тон-генератор
Предположим, что подводная лодка (ПЛ), у которой в средине корпуса имеется кольцеобразный волновод, и в нем создана стоячая волна с перепадами давления в 3 и 30 атм., находится на глубине в 200 метров, где давление равно 20 атм. Если к сечениям волновода с низким давлением подводить с помощью специального канала забортную воду от носа ПЛ, а от сечений с высоким давлением отводить воду за кормой ПЛ, то это приведет ПЛ в движение.
Возможен реверс потоков. Наиболее высокий перепад давлений можно получить при высоком исходном давлении, например в глубине океана. К примеру, на глубине в 100 м, где давление 10 атм, можно использовать перепад давления в СВ до 20 атм. При глубине в 300 м — рабочий перепад до 60 атм. Также большие рабочие перепады можно получить путем каскадного соединения волноводов, в которых сгенерирована СВ.
Пока нет научной теории этого физического явления, тем не менее практическое использование, а также отработка технологии, возможны для наиболее простых применений — высокой очистке жидкостей или газов от примесей без использования фильтров. Поскольку примеси будут перемещаться из зоны высокого давления в зону с низким давлением, то разделение на чистую и грязную фракции произойдет неизбежно (пример — пузырек воздуха размером в 1 мм поднимается в воде при перепаде 1/10 000 атм. Если в волноводе на 1 м создать перепад в 10 атм, то воздействие на пузырек будет в 100 раз больше). Потребуется только организовать отвод чистой и грязной фракций. Более высокая очистка — при каскадном соединении волноводов.
Потребность в очистке воды и воздуха становится все более востребованной, например в Китае, Индии, Африке, т. е. рынок растущий (сайт «Роспатент-реестры», см. патент № 86585 «Устройство для очистки жидкости или газа от примесей»). Таким образом, если на первом этапе разработать и наладить производство конкурентоспособных очистительных устройств, то последующее финансирование развития технологий будет частично или полностью проводиться за счет прибыли от продаж водо- и газоочистительных устройств. Например, газоочистка для алюминиевых заводов стоит немалых денег при высоких эксплуатационных расходах. Альтернативный вариант на СВ, думаю, будет существенно дешевле.
Принципиально устройства несложные, но есть определенные требования и условия для корректной генерации СВ в волноводе с учетом физического смысла процесса, который состоит в следующем: при возникновении в волноводе СВ происходит преобразование кинетической энергии источников колебаний в потенциальную энергию фиксированного перепада давлений по длине волновода, а КПД этого преобразования напрямую зависит от степени когерентности бегущих волн давления (см. патент № 168309 «Источник когерентных бегущих волн давления для жидкостей или газов»), используемых для их интерференции в волноводе.
Цель данной статьи — привлечение внимания к теме для признания ее инновационной, поиск заинтересованных в ее развитии фондов и предприятий для финансирования и организации НИОКР, результаты которых будут полезны и для разработки научной теории явления. В свою очередь, научная теория позволит создать математические модели процессов, которые смогут использоваться для разработки и конструирования более сложного оборудования, такого как насосы, движители надводных и подводных судов и других устройств, а также устройств, использующих немеханические бегущие волны.
вибратор излучателя 1 диаметром 8 мм и длиной 15—20 мм вырезан из ферритового стержня марки М-400 НН, используемого в магнитных антеннах карманных приемников. Вибратор закреплен за ее середину в просверленном в резиновом диске 2 отверстии диаметром 6 мм. Диаметр резинового диска 20–30 мм, а его толщина 2–3 мм. Диск 2 с помощью вырезанной из тонкого текстолита шайбы 3 и четырех болтов с гайками 4 (два из них одновременно являются клеммами, к которым подключены концы обмотки возбуждения) крепится к стойке 7. Подмагничивание вибратора осуществляется стопой из трех-пяти кольцевых керамических магнитов 6, верхний из которых касается нижнего торца вибратора. Обмотка возбуждения 5 излучателя бескаркасная; внутренний диаметр ее равен 9–10 мм. Закреплена она так, чтобы ферритовый вибратор не касался ее. Обмотка возбуждения содержит 15–20 витков провода ПЭЛ 1,0.
Эксперименты, подтверждающие фиксированное распределение давления по длине волновода при возникновении в нем стоячей волны:
1. Эксперимент с трубой Рубенса — для газов.
2.Эксперимент для жидкости В. В. Майера.
МИ — обмотка возбуждения магнитострикционного излучателя;
Т — высокочастотный трансформатор, намотан на выполненном из изоляционного материала плоском каркасе длиной 60 мм и сечением окна 4 х 22 мм2;
I — первичная обмотка трансформатора содержит две секции по 100 витков в каждой;
II — вторичная обмотка, намотанная поверх первичной, содержит 20 витков. Обе обмотки выполнены проводом ПЭЛ 1,0.
Внутрь каркаса трансформатора свободно вставляется настроечный плоский ферритовый сердечник (от магнитных антенн) размером 3 х 20 х 100 мм3. Перемещением этого сердечника осуществляется регулировка частоты генерируемых прибором колебаний (в пределах от 100 до 190 кгц).
Данные остальных элементов схемы генератора следующие: R1= R2 = 30 ком, С1 = С2 = С3 = 1000 пф, С4 = 0,04 мкф
Если в эксперименте с трубкой Рубенса нулевую линию провести по верхнему краю пламени, то после возникновения СВ заметно, что фиксированное распределение давления принимает форму синусоиды.
При этом в эксперименте В. В. Майера происходит разделение жидкости на «чистую» и «грязную» фракции.
Применения СВ
1. Устройства для очистки жидкостей (газов) без использования фильтров.
2. Устройства для распределения добавок в жидкой фазе металлов и пластиков (разработка материалов с новыми свойствами).
3. Насосы без подвижных частей.
4. Реактивная тяга для морских судов на основе СВ.
5. Основная цель — разработка источника энергии на немеханической СВ.
Статья была опубликована в майском номере журнала "Наука и техника" за 2019 год
