Скачать приложение можно, нажав СЮДА!!!
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
СКОРОСТИ «КОРАБЛЯ ГАЛИЛЕЯ»
И
УСКОРЕНИЯ «ЛИФТА ЭЙНШТЕЙНА»
С.Н. Шмидт
«Мы имеем законы, но не знаем,
каково то тело отсчета,
к которому следует их отнести,
и все наше физическое построение
оказывается возведенным на песке»
А. Эйнштейн
Существующие в настоящее время способы определения скорости и положения объекта требуют наличия постоянной или периодической контактной, оптической или радио связи с маяками, поверхностью или средой, относительно которых движется объект. То есть, обязательным условием современной навигации является наличие аппаратных средств не только на объекте, но и вне его.
В настоящее время не существует способов определения скорости равномерного и прямолинейного движения объекта относительно Земли только с помощью аппаратных средств, установленных на объекте.
При этом скорость объекта измеряется относительно среды или контактной поверхности. Если среда или контактная поверхность также перемещаются относительно Земли, то для определения абсолютной скорости движения объекта относительно Земли необходимо знать параметры движения среды или контактной поверхности. Например, воздушный шар может перемещаться в горизонтальной плоскости только за счет и вместе с движением атмосферы. Плот, плывущий по течению реки. Батискаф или подводная лодка в подводном течении. Для измерения параметров движения объекта в воздушных или водных потоках необходимо одновременно производить измерения параметров движения объекта относительно потока и потока относительно Земли. Если параметры движения потока неизвестны, то определить параметры движения объекта относительно Земли можно только относительно маяков (реперов), с которыми объект должен иметь контактную, оптическую или радиосвязь.
Например, параметры движения глубоководного батискафа относительно Земли, когда расстояние до дна и поверхности измеряется километрами, невозможно определить никакими существующими техническими средствами.
Существующие системы инерциальной навигации не могут прямо определять скорость движения объекта относительно Земли – они фиксируют только ускорения, возникающие при изменении скорости. На движение с постоянной скоростью акселерометры не реагируют.
Что произойдет, если по каким-то причинам произойдет временное отключение ИНС во время полета самолета? На ее повторный запуск потребуется не только достаточно продолжительное время, но и обязательное наличие связи с наземными или космическими маяками. Если в этот момент будет нарушена и связь с маяками, то самолет может полностью потерять пространственную ориентацию. Как правило, подобные ситуации заканчиваются катастрофами.
В 1632 г. Галилей «предположил», что, находясь в трюме корабля, невозможно определить скорость его движения относительно Земли. Развивая идею Галилея, Эйнштейн пошел дальше и «предположил», что, находясь в свободно падающем лифте, невозможно определить его ускорение относительно Земли.
В настоящее время эти «предположения» известны, как Принцип относительности, положенный в основу СТО и ОТО. Принцип относительности появился только потому, что ни Галилей, ни Эйнштейн, ни многие другие исследователи, не смогли обнаружить реальной физической связи процессов, протекающих в трюме корабля и падающем лифте, с такой системой отсчета, как Земля.
В основном, доказательства Принципа относительности построены на «мысленных» экспериментах и математических абстракциях, но… еще со времен Галилея физическим инструментом, якобы доказывающим правильность Принципа относительности, являлся маятник.
В современных учебниках в качестве примера приводится маятник на движущейся тележке, параметры колебаний которого, якобы, не зависят от скорости движения тележки.
А кто, когда и как пытался определить параметры колебаний маятника на движущейся тележке экспериментально?
Если принять во внимание факт, что первые маятниковые часы изобрел Галилей, то люди проводят такие эксперименты уже четыре столетия и… ничего не увидели, хотя с самого начала использования маятниковых часов люди отмечали их большую погрешность. На протяжении столетий тысячи людей занимались повышением их точности, но до сих пор не существует ни одной пары часов, показывающих синхронное время.
Гюйгенс стал первым исследователем неизохронности колебаний маятника и попытался найти траекторию движения маятника «точных» часов. Такую траекторию назвали таутохроной и она по форме представляет нормальную циклоиду.
Если траектория движения маятника будет отличаться от таутохроны, то часы будут идти неточно.
Циклоида – это траектория, описываемая точкой колеса при его качении без скольжения по ровной поверхности. Что будет происходить с циклоидой при наличии проскальзывания колеса? Она уже перестанет быть правильной циклоидой и не будет таутохроной, то есть маятник часов, установленных на движущейся тележке уже не может совершать изохронные колебания.
Что и как будет изменяться в поведении маятника «часов» на движущейся тележке?
Существующая теория заявляет, что никаких отличий между колебаниями маятника на подвижной тележке и неподвижной не будет и сегодня это легко проверить в простых компьютерных моделях, например, в программе «Живая Физика», (http://int-edu.ru).
Но… компьютерные программы создаются на основе Принципа относительности и, конечно не могут показать реальное движение.
Как экспериментально подтвердить или опровергнуть «предположения» Галилея и Эйнштейна? Что, как и с какой точностью, мы должны измерять в этом эксперименте?
Отметим, что маятники являются основной частью акселерометров, входящих в состав инерциальных систем навигации.
Внешняя сила придает маятнику дополнительное ускорение, что приводит к изменению параметров колебаний маятника, которые мы можем измерить.
Встает вопрос, а нельзя ли создать маятник, параметры колебаний которого изменяются в зависимости от скорости движения «корабля Галилея» или от изменения силы гравитации при свободном падении в «лифте Эйнштейна»?
Задача сложная и на первый взгляд кажется абсурдной, так как противоречит ОТО И СТО, но все-таки ее удалось решить.
Теоретические предпосылки решения этой задачи были разработаны автором много лет назад, но первые обнадеживающие экспериментальные результаты были получены, как ни странно, из космоса с американских аппаратов MPL и MGS. Именно многочисленные аварии космических аппаратов марсианских экспедиций заставили автора заинтересоваться этой проблемой, а данные об орбитальном движении MPL и MGS, любезно выложенные NASA на страницах Интернета, позволили увидеть аномалии движения, которые впоследствии были экспериментально подтверждены в Земных условиях.
Первый эксперимент по обнаружению влияния скорости движения объекта на поведение маятника были проведены по материалам автора в Красноярске в 2000 году.
В последующие годы автором были проведены многочисленные исследования самых разных компьютерных и физических моделей.
В 2007 году была разработана оригинальная и достаточно простая конструкция устройства. Поданы российская RU 2007134101 и международная PCT/RU2008/000378 заявки на изобретение «Способ определения скорости прямолинейного и равномерного движения объекта относительно Земли и устройство для его осуществления».
Основой устройства (рис.1) является маятник, шарнирно закрепленный на вращающемся маховике, и имеющий возможность совершать колебания в плоскости вращения маховика.
Рис. SEQ Рисунок \* ARABIC 1 Рис. 2
Принцип работы устройства заключается в том, что ускорение маятника зависит не только от относительной скорости вращения маховика VOM, но и от переносной скорости устройства относительно Земли VП.
На рис. 2 представлено прямолинейное и равномерное движение объекта в горизонтальной плоскости относительно Земли в трех системах отсчета – неподвижной системе отсчета XOZ, связанной с поверхностью Земли, системе X’O’Z’, связанной с объектом в точке, совпадающей с осью вращения маховика, и системе X”O”Z”, связанной с шарниром маятника. При этом системы XOZ и X’O’Z’ являются инерциальными, а система X”O”Z” - неинерциальной. Система X’O’Z’ движется относительно неподвижной системы XOZ с постоянной скоростью. Система X”O”Z” движется относительно системы X’O’Z’ с постоянным ускорением.
Абсолютная скорость VA маятника получается в результате векторного сложения переносной скорости VП движения объекта относительно Земли и относительной линейной скорости VОМ маятника, возникающей при его вращении вместе с маховиком.
Вектор VA представлен отрезком ОС2, вектор VП – отрезком OO’, вектор VОМ – отрезком O’С2. При повороте маховика вектор VОМ вращается вокруг конца вектора VП, и абсолютная скорость VA маятника меняется, как по величине, так и по направлению.
Из треугольника ОO’С2 находим абсолютную скорость маятника.
VA = [(VП +VOM *cosβ)2 +(VOM *sinβ)2]0,5 = (VП2+2VПVOM*cosβ +VOM2 )0,5, (1)
где VA – абсолютная скорость движения маятника;
VП – переносная скорость движения маятника;
VOM – относительная скорость движения маятника;
β = α+π/2 – угол между вектором переносной скорости VП и вектором относительной скорости VOM;
α – угол поворота маятника в системе X’O’Z’.
Найдем производную этой функции.
V’A = (VП2+2VПVOM*cosβ +VOM2)(-0,5)*VП*VOM*(-sinβ); (2)
Производной абсолютной скорости маятника является его ускорение в системе XOZ. Анализируя уравнение (2) можно сделать вывод, что производная от абсолютной скорости маховика зависит от переносной скорости движения объекта. Мы получили ускорение и силу инерции, действующую на маятник, установленный на вращающемся в плоскости движения объекта маховике, зависящую, как от относительной, так и от переносной скорости движения маятника. И в этом нет ничего удивительного, так как траектория движения маятника в неподвижной системе отсчета представляет собой циклоиду, а его абсолютная скорость изменяется и по величине, и по направлению.
Следует отметить, что на маятник, кроме центробежной силы будет действовать еще и другая сила инерции, которая хоть и не видна для наблюдателя в системе X’O’Z’, но реально существует и определяется физическими свойствами системы XOZ или Земли в данном случае.
Наблюдатель, находящийся в неподвижной системе отсчета XOZ, может определить все параметры движения маятника, маховика и объекта.
Наблюдатель, находящийся в системе X’O’Z’ связанной с движущимся объектом, может определить скорость вращения и угол поворота маховика, положение маятника относительно объекта и относительно маховика. Кроме того, этот наблюдатель может увидеть действие сил инерции, появление которых связано с наличием внешней системы отсчета, обладающей определенными физическими свойствами. В данной ситуации этой внешней системой отсчета будет являться Земля, формирующая вокруг себя гравитационное поле. Так как силы инерции проявляются независимо от того, видит или не видит наблюдатель систему отсчета, вызывающую эти силы, то по характеру поведения маятника он сможет установить и характер движения объекта относительно системы отсчета, вызывающей силы инерции.
Наблюдатель, находящийся в системе отсчета X”O”Z”связанной с шарниром маятника, может определить расстояние от шарнира до маятника и силы, действующие на шарнир со стороны маятника. Этих данных уже недостаточно для определения истинного характера движения маятника относительно других систем отсчета.
В соответствии со схемой на рис.1 был изготовлен действующий макет устройства и проведена серия экспериментов в движущемся автомобиле.
В качестве маховика и привода использовался дисковод для гибких дисков компьютера, обеспечивающий высокую стабилизацию скорости вращения. Для питания устройства применялся стабилизированный блок питания от ПК и автомобильный инвертор 12/220, позволяющий подключать также и ноутбук во время продолжительных экспериментов.
Для контроля отклонений маятника от положения равновесия была применена простая схема с двумя внешними датчиками на фотоэлементах. Данные с датчиков поступали на линейный вход одного из каналов звуковой платы компьютера и регистрировались с помощью программы «PowerGraph», http://www.pgraph.nm.ru/ .
Во второй канал поступал сигнал с колеса автомобиля от простого магнитного датчика.
Запись осуществлялась на частоте опроса 20kHz, что позволяло контролировать угловые отклонения маятника с достаточной точностью.
Рис.3 Рис.4
На рис.3 представлено фото устройства с блоками питания. На рис.4 представлено фото во время записи данных в ноутбук при проведении эксперимента в движущемся автомобиле.
Во время экспериментов данные записывались блоками, длительностью 60 секунд, и после математической обработки на ПК приводились к виду, изображенному на рис. 5, 6, где угол отклонения маятника от положения равновесия приведен в градусах, а скорость автомобиля, по данным с колеса, - в м/сек.
Просматривается четкая связь между скоростью движения автомобиля и углом отклонения маятника от положения равновесия.
Рис.5
Рис.6
Для сравнительного анализа экспериментальных данных с теорией была создана плоская компьютерная модель (рис.7, 8) в программе «Interactive Physics», http://www.interactivephysics.com, соответствующая физической модели устройства. Геометрические размеры, масса деталей, параметры пружин и демпферов компьютерной и физической модели полностью соответствуют между собой. Кроме того, компьютерная модель имеет возможность изменять и контролировать многие конструктивные и технологические параметры.
Рис.7 Рис.8
Так как программа создана в соответствии с существующей теорией, в основе которой лежит Принцип относительности, то никакие изменения постоянной скорости движения объекта не вызовут никаких колебаний маятника (рис.9).
Силу F (рис.8), которая заставляет маятник совершать определенные колебания при постоянной скорости движения объекта, необходимо ввести дополнительно, руководствуясь уравнением (2) и массой маятника.
Рис.9 Рис.10 Рис.11
При подстановке в компьютерную модель силы F (рис.8) маятник в компьютерной модели начинает совершать колебания, зависящие от величины постоянной скорости движения объекта (рис.10).
Введем в программу реальные данные скорости движения автомобиля в одном из экспериментов (рис.11).
Сравнивая графики работы компьютерной и физической модели можно сказать, что наблюдается очень хорошая сходимость их поведения. Следует еще учесть, что на этой трассе внешние силы возникали не только при нажатии на педаль газа, но и при поворотах автомобиля. Еще следует учесть, что в компьютерной модели угол колебания маятника определяется во многих точках на одном обороте маховика, а в физической модели только в двух точках на каждом обороте.
Главное то, что физическая модель с двумя внешними датчиками вполне способна показать изменения параметров колебания маятника в зависимости от скорости движения объекта. При этом исчезает проблема установки датчиков на вращающемся маховике и передаче данных в счетное устройство по беспроводным каналам.
Для выявления возможностей регистрации колебаний маятника с помощью внешних датчиков, исходя из возможностей программы, в компьютерной модели установлены два электростатических датчика, подающие сигнал при прохождении мимо них маятника в определенное время. Программа позволяет записывать и передавать данные в цифровой форме в другие приложения, например, программу Excel, с помощью которой можно произвести вычисления полупериодов (времени прохождения маятника между датчиками) колебаний и углов отклонения маятника, как это делалось в реальном эксперименте с физической моделью.
Устройства с внешними датчиками можно применять при малых скоростях движения объекта. В этом случае предельная скорость определяется частотой дискредитации системы сбора данных.
При больших скоростях движения объекта нужно применять внутренние датчики и тут встает техническая задача простого способа сбора и передачи данных с быстровращающегося маховика.
Посмотрим, как будет вести себя компьютерная модель в падающем лифте.
Рис.12 Рис.13 Рис.14
На рис.12 представлено падение лифта на Луне, на рис.13 – на Земле, на рис.14 – на планете с g=3m/s2.
Выводы:
1. Экспериментально установлено, что маятник может быть использован для определения скорости движения «корабля Галилея», и показана часть теории этого процесса.
2. Создана компьютерная модель устройства, соответствующая физической модели и проведен их сравнительный анализ.
3. Так как у автора нет возможности проводить физические эксперименты в падающем лифте, то можно воспользоваться дедуктивными методами Эйнштейна и использовать для этих целей компьютерную модель.
4. Компьютерная модель наглядно показывает процесс колебаний маятника в падающем лифте, и предлагаемое устройство может быть применено для измерения скорости и ускорения «лифта Эйнштейна».
5. В предлагаемом способе естественной системой отсчета является Земля или другое небесное тело, в сфере гравитационного действия которого движется объект, а для определения положения и скорости движения объекта относительно Земли используется неизохронность колебаний маятника, установленного на вращающемся маховике. При этом параметры колебания неизохронного маятника, установленного на вращающемся маховике, зависят от скорости вращения маховика, скорости движения и положения объекта относительно Земли.
6. Данный способ позволяет включать устройство в любое время движения объекта. Устройство автоматически за очень короткое время, определяемое конструктивными особенностями, установит динамическую связь с естественной системой отсчета и выдаст все необходимые навигационные параметры.
Сферы применения:
Предложение к сотрудничеству:
