专利名称：封闭系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及封闭系统。
驱动系统已在此前通过DE 19517181 A1和DE 19530907A1分别公开，但这种驱动系统并非封闭系统且它们的功能也不如预期的有效。
本发明的主要目的首先在于能有效地利用这样的封闭系统，可使此系统的内力借助循环流体用作能源。
上述目的是用本发明的封闭系统实现的，此系统的特征基本上在于它是由螺旋盘绕的弹性管组成，管内有流体流动，同时有一根直的橡胶管延伸通过此螺旋结构的中心，而此橡胶管内的流体则布置成按相反方向流动，即使得所述流体在以上述方式构成的一封闭回路中循环；此系统布置成能扩张与压缩，使得其中的内力在实际扩张与压缩过程中能进入非平衡态；此系统还布置成能由于此可以用作能源的内力而开始运动。
下面结合附图以说明性的最佳实施例形式来描述本发明，附图中
图1是此系统的侧视图，其中的螺旋卷绕弹性管处于压缩位置；图2示明此螺旋的渐伸线；图3示明由本发明的封闭系统驱动的小车；图4示明绕其转动中心转动的管。
图1示明了本发明的处于非平衡态的封闭系统。它包括内部有流体3流动的螺旋盘绕的弹性管1和其中有按反方向流动的此流体3的橡胶管2，也就是说，此流体是在一封闭回路4中循环。回路4可与泵5连接。
设此系统扩张或压缩，内力在实际扩张和压缩过程便将进入非平衡态，而此系统将由于内力而开始运动。
下面对此系统进行计算a)螺旋为了简化计算，将把此螺旋视作为以角速度ω绕其转动中心0转动的直管，参看图2。此时的流体将以科里奥利力F1＝2mωu来影响此管的内壁，其中m-管内流体质量，m＝ρS2R，而ρ-流体密度，s-管内横剖面积，u-管内流体相对速度现将F1＝2mωu换成F1＝2ρs2Rωu但Rω＝V，V为管端(螺旋端部)的线速度，于是有F1＝4ρsuv …(I)这就是作用到螺旋上的力。
b)扩张时作用到橡胶管上的力必要的假设1.管内流体体积保持不变，2.必须满足与连续流有关的条件；su＝s1u1＝常数式中，s1为给定转矩下该管的内部截面积；u1为给定转矩下流体的相对速度。将管长L计算为L＝2vt式中t为扩张管时所用时间。
将管内流体冲量(动量)计算为p＝mu1＝ρs12vtu1在流体加速时计算作用于其上的力F2＝p/t＝2ρs1u1v＝22ρsuv (II)于是科里奥利力为FK＝4ρsuv，橡胶管的力为Fg＝2ρsuv，而反作用力Fr＝FK-Fg＝2ρsuv。
从涉及到上述系统的方程I与II可以获得下述结论当此系统扩张或压缩时，内力中发生非平衡态，可以用作能源或用于给宇宙飞船充电。
本发明的技术效果更详细地说明于下螺旋与橡胶管的本发明的封闭系统的特性可以总结如下
要是管内的流体是稳定的，则需要用来扩张螺旋的力只需克服管中的各种弹性阻力，同时为使重心不动，两端的力必须是相等而反向。
另一方面，要是此流体为泵带动环流，那就需要较大的扩张力。这可以由下述事实说明当螺旋以恒定的速率扩张时，为了使液体保持恒定的相对速度，就需要有加速度(＝科里奥科加速度)。相应的力即科里奥利力应二倍于需用来将动量变化传递给此扩张速率所对应的液体时的力。此液体通过橡胶管的回流促使上述动量返回其初始值，为此而需该科里奥利力之半。
由于液体是在泵带动下绕特定方向环流，因而我们所具有的是一种非对称系统，因此，此科里奥利力取特定的方向。此科里奥利力源于螺旋的扩张力，但也因此而成为非对称的。
若是从外部施加这样的非对称力，则将获得整个系统非对称的运动，即其重心运动。
要是此整套装置设在一小车上，同时此小车上还设有此螺旋用的扩张装置，则此扩张装置的非对称力就会被通过此扩张装置的底座作用到小车上的反向反作用力而抵消。
这样，此科里奥利力的另一半则为此扩张装置的反作用力所抵消。
本发明以图3所示的小车形式的功能例子为例来说明本发明。
由于此可以以角度X约5°倾斜的螺旋1和橡胶管2可以固定地安装于扩张装置100上，而整套装置本身101则置于一在底座103上运行的小车102上，小车102为扩张装置100的反作用力所作用而开始运动。但这里将小车102本身及其所有附件视作为一个封闭系统，并把作用于此系统上的所有的力定义为内力。于是可以确定，小车102是由此不平衡的内力获得的冲量来实现其运动。为此，我们称此系统为“非平衡封闭系统”。
实现非平衡封闭系统的基本原理图4示明绕其转动中心0转动的管，转动时的角速度为ω·v0，即流体在管内的相对速度。此时，流体将以科里奥里力F影响管的内壁F＝2mωv。
式中，m为管内流体质量，m＝ρsR；ρ为流体密度；s为管内横剖面积。现根据此科里奥利力计算经过时间Δt时的冲量；力F＝2ρsRΔφ/Δt v0Δφ＝ω·Δtτ＝R·Δφ冲量PIX＝F·Δt＝2ρsτv0流体在管内的冲量(动量)P2＝mv0，投影到X轴上的分量为P2X＝ρsτv0，结果P1X＞P2X。
本发明的封闭系统包括两个主要部件螺旋1和橡胶管2。此扩张装置、台座与小车只是此封闭系统的例释。螺旋和橡胶管业已借助不同的方法分别计算。所有的计算结果都与本发明所求得的结果相同。下面给出两种算法。
计算方法1科里奥利力当粒子或质量体于转动的系统中运动时，它受到惯性力的影响，惯性力在转动系统中有可能促使粒子离开其路径。离心力与科里奥利力便是这类惯性力。
离心力实际上是向心加速度下粒子的“经历”，即作用在粒子上的力会引起它沿一曲线而不是直线运动。以同样方式，科里奥利力是科里奥利力下粒子的“经历”，它导致粒子偏离其直线相对运动。
科里奥利力影响的例子是风绕低压中心的运动，这里地球的转动导致朝向此中心的风向偏向右方(在北半球)。
科里奥利力的大小与方向由向量方程Fr＝-2mωv确定，这里ω是转动角速度而v是相对速度。
二维旋转坐标系中的基本运动方程在旋转的极坐标系中，加速度为ar:r..-rθ.2=r..-rω2]]>aθ:rθ..+2r.θ.=rω.+2r.ω]]>径向上的力
横向上的力
科里奥利力 或2mvω是质点(流体包装)m于此转动系统中所受到的惯性力。
设Fr＝0(即质点只因离心力运动而ω为常数)。r.dr.=a2rdr]]>dr.dr=dr.drr.--------------r.2=ω2r2]]>r.=ωr]]>即科里奥利力Fθ＝2mω2r是离心力的2倍。
此系统的动能可以描述为T=12Iω2+12m(r.2+(rω)2)]]>式中I是相对于转动轴线的质量惯性短。在前述假设下r.=rω]]>和T=12(I+2mr2)ω2]]>螺旋性管中的流体流科里奥利力和其他惯性力存在于所提出的螺旋流中，这是由于流体是在同时受到扩张/收缩的螺旋形管道内流动的。设V指此流体在各点的速度向量，又设ω为此管在扩张下于同一点的旋转角速度向量，则流体上的科里奥利力为-2ρsω×v且指向右方。在此假定为理想流，质量m＝密度ρ×体积s。
设线性延伸率为u，转数为n，螺旋半径为r，管的横剖面积为a，则可写作ω＝u/2πrn和S＝2πran，对此，科里奥利力为Fc=2ρauv计算方法21.引言考虑有恒定横剖面积A的螺旋形管，其中以恒速V0流过不可压缩的密度为ρ的液流。螺旋的半径设为R，长L和有N转。此螺旋可以用参数表示式描述r=(Rcosα,Rsinα,L2πNα):0≤α≤2πN,----(1)]]>式中α是绕Z轴的转动角度，为简明起见，Z轴沿螺旋轴线定位。
2.液体运动方程设此液体于α＝0即点r＝(R，O，O)处泵抽，并于α＝2πN即点r＝(R，O，L)处引出。这里略去供应线和返回线，但在有必要时可于稍后阶段考虑它们。
设想此螺旋是扩张或压缩的，因而其长度是时间的函数L=L(t)⇒b(t)=L(t)2πN=b0+b1t---(2)]]>在此假定上述时间函数为线性的，因而此螺旋终端的速度υ1仍为常数υ1＝L′(t)＝2πNb1(3)常数b0由螺旋的初始长度给定L(0)＝2πNb0(4)此管的切线方向由参数表示式通过求导确定drdα=(-Rsinα,Rcosα,b(t))=Rα^+b(t)z^,----(5)]]>在此我们应用了柱坐标中的两个基向量
现在考虑液体的体积微元dv并依循它的运动。假定此微元的位置由此螺旋上的角度α＝α(t)描述r(t)＝(Rcosα(t)，Rsinα(t)，b(t)α(t)) (7)此时其速度为u(t)＝r′(t)＝(-α′(t)Rsinα(t)，α′(t)Rcosα(t)，b′(t)α(t)+b(t)α′(t))(8)而其加速度为a(t)＝u′(t)＝(-[α′(t)]2Rcosα(t)-α″(t)Rsinα(t)，-[α′(t)]2Rsinα(t)+α″(t)Rcosα(t)，(9)b″(t)α(t)+2b′(t)α′(t)+b(t)α″(t)).此速度可以写作为u(t)=α′(t)Rα^+[b′(t)α(t)+b(t)α′(t)]z^---(10)]]>而加速度可以写为a(t)=-[α′(t)]2Rτ^+α′′(t)Rα^+[b′′(t)α(t)+2b′(t)α′(t)+b(t)α′′(t)]z^.---(11)]]>上式第一项理解为向心加速度，用来使液体与轴线保持恒定的距离R；第二项可解释作液体的可能的角加速度；而最后一项则可看作Z方向的加速度，我们将对此作较仔细的研究。
现在可将液体体积微元的牛顿运动方程写作ρdVa(t)＝dF. (12)力dF部分地包括来自管壁的法向力和部分地沿此管的压缩力，它们是由于管中的压力引起，不必是常量。我们将假定其他可能的力，重力以及液体中的内摩擦力都是很小的。必要时以后可对它们补偿。
设ρ(α)是液体中的压力。于是由此压力造成的dv上的合力为dFp=-A[p(α+dα)-p(α)]τ^,---(13)]]>式中
是此管的单位正切τ^=drdα|drdα|=Rα^+b(t)z^R2+[b(t)]2.----(14)]]>业已假定dv是α与α+dα间的体积，即dv＝ARdα。
通过将牛顿方程对方向
上投影，可以消除未知的法向力而有ρARdατ^·a(t)=-A[p(α+dα)-p(α)]=-Ap′(α)dα,----(15)]]>式中dα是无穷小。通过插入加速度(11)和正切的表示式(14)，这样便给出了此压力对其他量的关系式P′(α)=-ρRα′′(t)R2+b(t)[b′′(t)α(t)+2b′(t)α′(t)+b(t)α′′(t)]R2+[b(t)]2---(16)]]>3.求解这里的α(t)与P(α)两者都是未知量，这就是为什么还需要另一个关系式的原因。这可以从液体流φ0＝ρAV0应从管内各处相同的条件得出，即τ^·u(t)=υ0.---(17)]]>这就给出α′(t)R2+b(t)[b′(t)α(t)+b(t)α′(t)]=υ0R2+[b(t)]2.]]>方程(18)是一价微分方程，设插入α(O)＝0则其解为α(t)=υ0lR2+[b(t)]2---(19)]]>方程(19)的分母显然来自扩张过程导致螺旋伸长的事实。由于已把横剖面积A、半径R以及速度V0作为常值插入，这就意味着用速度α’(t)必须随液体在螺旋内向上运动而下降。在物理上更合理的假设或可能是允许半径减小而让螺旋长度为恒定的。然而让我们不再去关心这类细节而假定螺距相对于半径很小，[b(t)]2＜＜R2.(20)这样就近似地给出
以及这是前面从科里奥利加速度得到的同一表示式。
这种计算方法意味着我们已注意到，可把螺旋的扩张视作为螺旋各转以一定角速度的转动再加上该转在恒速下的平动。现在研究由这种运动能产生的法向力。
我们业已给出了向心加速度和在 轴线上的相应的力。
另一方面我们需要更细致地研究在垂直于 方向上的力(参看方程(41))。v^=-b(t)α^+Rz^R2+[b(t)]2---(29)]]>牛顿方程在此方向上的投影给出v^·dF=[-b(t)α′′(t)+b′′(t)α(t)+2b′(t)α′(t)+b(t)α′′(t)]ρAR2dαR2+[b(t)]2---(30)]]>5．总结由前述近似式，式(30)成为v^·dF=2ρAb1υ0dα.---(31)]]>在此同一边似式中，v^=z^-(b(t)/R)α^,]]>其 分量起主要作用。这样dFx≈2ρAb1υ0dα1(32)积分后，得到Fx≈2ρAυ0υ1， (33)即给出科里奥利加速度的法向力分量。
此法向力的 分量则比 分量小一个系数b(t)/R倍dFα≈-2ρAb(t)Rυ0b1dα---(34)]]>至此可以推断，要是忽略重力与内摩擦，将产生下面的力
1.若所述螺旋静止，则液体于Z轴上有恒速，但它将具有向心加速度
这是由管壁作用到液体上的法向力所保持，此法向力对于体积微元dv可以写作dFτ=-ρdVv02Rτ^---(35)]]>2.若所述螺旋以恒速V1扩张，则液体必然沿Z向加速。在一级近似下，以加速度量为υ0υ1πN,---(36)]]>它要求来自管壁的法向力作用到液体上。对于体积V，这必须有Z分量dFz=ρdVυ0υ1πN.----(37)]]>此力必须结合扩张提供。于是，由于液体V0的运动还需另外的扩张力Fz＝2ρAυ0υ1(38)3.由于有螺距，上一点中的法向力还具有α分量dFα=ρdVυ0υ1b(t)πNR---(39)]]>根据前述方程(25)这就在螺旋的两端间构成压力差。
由这种压力形成的合力垂直于Z轴，这就是螺旋于方向Z上不受影响的原因。
在以上两种计算方法中，螺旋是在一侧扩张，我们称此为非对称扩张。
要是使螺旋向两侧扩张，则科里奥利力便将加倍而成为Fc=4.ρsuv]]>我们称此为“对称扩张”，橡胶管只受来自其内的流体的加速度力的影响，这等价于
1.非对称扩张时Fac＝ρsuv2.对称扩张时 Fac＝2ρsuv本发明并不局限于上面描述的和由附图阐明的解释性例子，而是可以在不背离本发明的原理的前提下，在其权利要求的范围内作出种种变换。
权利要求
1.一种封闭系统，此系统的特征在于它包括内有流体(3)流动的螺旋盘绕的弹性管(1)以及一根直的延伸通过此螺旋结构中心的直的由橡胶或类似材料制的管(2)，管(2)内的流体则布置成按相反方向流动，即使得所述流体在以这种方式构成的一封闭回路(4)中循环；此系统布置成能扩张与压缩，使得其中的内力在实际扩张与压缩过程中能进入非平衡态；此系统还布置成能由于此可以用作能源的内力而开始运动。
2.如权利要求1所述的封闭系统，其特征在于，此螺旋盘绕的弹性管(1)是以恒定的盘绕直径盘绕成的。
3.如权利要求1～2所述的封闭系统，其特征在于，所述直的橡胶管(2)通过管螺旋(3)的中心。
4.如权利要求1～3中任一项所述的封闭系统，其特征在于，上述系统与泵(5)连接来泵送流体。
5.如权利要求1～4中任一项所述的封闭系统，其特征在于，此螺旋盘绕弹性管(1)的角度(X)约5°。
全文摘要
本发明涉及一种封闭系统,此系统包括内有流体(3)流动的螺旋盘绕的弹性管(1)以及一根直的延伸通过此螺旋结构中心的直的橡胶管(2)内的流体则布置成按相反方向流动,即使得所述流体在以这样方式构成的一封闭回路中循环。此系统布置成能扩张与压缩,使得其中的内力在实际扩张与压缩过程中能进入非平衡态,从而可使此系统布置成能由于此可以用作能源的内力而开始运动。
文档编号F03G3/00GK1272164SQ98809640
公开日2000年11月1日 申请日期1998年9月30日 优先权日1997年9月30日
发明者弗拉基米尔·坎加斯, 希勒·尼姆 申请人:弗拉基米尔·坎加斯, 希勒·尼姆