Энергетическая установка Уильяма Скиннера: устройство и принцип работы планетарного резонатора

Приветствуем всех ценителей физики и наглядных экспериментов! Сегодня мы разберем механику и фундаментальные законы удивительной конструкции — планетарного резонатора. Этот прибор разработал американский инженер Уильям Скиннер, который стремился обойти закон сохранения энергии и получить двенадцать единиц полезной энергии на каждую затраченную. Воплотить эту амбициозную задумку ему, разумеется, не удалось, однако в результате получился высокоэффективный кинетический накопитель, работающий за счет резонансной раскачки и закона сохранения момента импульса.

Друзья, в нашем блоге на SE7ENе уже больше 1300 подписчиков! А еще у нас 18000 подписчиков на Дзене, 8500 в Телеграме и 53000 в ВК. Если бы 5% этих людей оформили ежемесячный донат 200 рублей, это бы покрыло базовые потребности нашего проекта — тогда мы бы смогли полностью отдаться любимому делу (популяризацией науки) и не тратить время на нелюбимое дело (поиск финансирования). Все, кто хочет попасть в эти 5%, может оформить подписку на удобном сайте:

• Телеграм

• Бусти

• Патреон

• Дзен

А всем, кто уже поддерживает нас, огромное спасибо! Вы помогаете нам выпускать все наши материалы: видео, статьи, уроки в нашей видеоэнциклопедии, конспекты и проектные работы.

А теперь возвращаемся к планетарному резонатору. Приятного чтения!

Краткий обзор конструкции

Перед нами классическая планетарная передача, обладающая двумя степенями свободы. Если зафиксировать центральную шестерню с помощью специальной рукоятки, то два боковых сателлита, закрепленных на водиле, начнут обкатываться вокруг неё.

Возможен и другой сценарий: зафиксировав водило рукой, мы вращаем рукоятку, приводя в движение центральную шестерню, которая одновременно вращает и сателлиты.

Помимо чисто механических элементов, здесь присутствует ключевая физическая деталь — пара эксцентричных грузов, смонтированных на шестернях-сателлитах. Их конструкция спроектирована так, чтобы они синхронно смещались либо к центру системы, либо к её периферии.

Давайте понаблюдаем за устройством в действии. Удерживая рукоятку, мы с усилием раскручиваем водило вместе с сателлитами. Затем начинаем раскачивать рычаг, строго выдерживая определенный ритм. В результате вращение не только поддерживается, но и постепенно ускоряется по мере учащения движений рукоятки.

Принцип работы

Очевидно, что решающую роль в этом процессе играют эксцентрики. Если демонтировать их, любые попытки раскрутить механизм окажутся тщетными. Исчезает и сама основа для поддержания ритма, ведь раньше мы подстраивались именно под их циклическое вращение.

Запись на высокоскоростную камеру позволяет отчетливо увидеть взаимосвязь: один полный взмах рычага приходится ровно на четыре оборота водила. За это время грузы-эксцентрики успевают удалиться от центральной шестерни и вернуться обратно. При их приближении к центру рычаг движется навстречу водилу, а при удалении к периферии их направления движения совпадают.

Для детального изучения функций эксцентриков проведем эксперимент: зафиксируем центральную ось в неподвижном состоянии, а на стенд установим фотоворота для измерения угловой скорости водила.

Запускаем измерения и энергично раскручиваем водило. Полученный график демонстрирует неравномерность вращения: помимо общего плавного затухания из-за неизбежных потерь энергии, на кривой видны мощные пульсации, в ходе которых угловая скорость за один период изменяется почти в два раза.

Сопоставление с графиком угла поворота подтверждает: каждая такая пульсация длится ровно четыре оборота водила, что в точности соответствует одному циклу возвращения эксцентриков к центральной шестерне.

Объяснение кроется в законе сохранения момента импульса, который в замкнутой системе равен произведению моментов инерции и угловой скорости. Хотя наша система не идеальна и трение постепенно уменьшает этот параметр, за один короткий цикл падение незначительно. Здесь вступает в силу перераспределение масс: когда грузы смещаются ближе к оси вращения, момент инерции падает, что приводит к резкому скачку угловой скорости.

Напротив, при удалении эксцентриков от оси суммарный момент инерции возрастает, вызывая закономерное замедление вращения.

Таким образом, помимо вращательного движения, установка совершает внутренние колебания. А где возникают колебания, появляется и возможность резонанса при условии раскачки системы внешней силой на нужной частоте и в правильной фазе.

Однако у этого механизма есть принципиальное отличие от классического маятника или иных колебательных систем — у него отсутствует строго фиксированная собственная частота. Полный цикл колебаний эксцентриков (наружу и внутрь дважды) занимает те же четыре оборота водила. Раскрутив установку повторно, мы можем подпитывать её энергией посредством точечных импульсов, постепенно наращивая темп ограничением лишь нашей физической возможности двигать рычаг.

Традиционный финальный вопрос

Мы хорошо знаем, что обычные качели эффективнее всего подталкивать в нижней точке траектории: именно в этот момент скорость максимальна, а значит, максимальна и вкладываемая в систему мощность, равная произведению силы на скорость.

А в какие конкретно моменты времени нужно прилагать усилие в данном устройстве? Делитесь вашими гипотезами в комментариях!

К сожалению, наши ведущие физически не успевают отвечать на комментарии на всех площадках GetAClass. Поэтому под этой статьей предлагаем вам обсудить тему друг с другом, а если вам хочется поговорить напрямую с Андреем Щетниковым и Алексеем Колчиным, тогда милости просим в наше сообщество на YouTube!

 

Источник