Что такое акваскипер? Ищем правильный ответ, нам поможет Интернет:
1. Википедия: Упоминается в статье "Водный велосипед", мол, "разновидность, использующая подводные крылья и ластовый движитель". Под ластовым движителем википедия понимает ("Ласты (дайвинг)") детально описанные ножные ласты. И еще отсылает на страницу "Весло".
Таким образом, Википедия нам не помогла.
2. Забьем в поисковик "Теория акваскипера". А в ответ тишина. Только Е.Д.Сорокодум ищет инвестора для "проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию первых образцов" супе-пупер-акваскиперов. Как я уточнил, лет двадцать уже ищет.
А мне внучка намедни позвонила и срок поставила до конца мая. До ее приезда. Иначе бабушке нажалуется.
3. "Нет ничего практичней хорошей теории". Теории нет. Надо создать. Зато есть образцы акваскиперов. Оценим их характеристики.
4. Идея появилась у А.Сахлина еще в 1988 году. Однако, первый рабочий прототип
был создан им лишь в 1993 году в Швеции, куда он переехал. Назван "Тромпофойл" и поступил в продажу.
Характеристики:
Вес - 11 кг;
Вес "наездника" - до 110 кг;
Минимальная скорость - 5 узлов (9 км/ч);
Максимальная скорость на 50 метровом участке спокойной акватории - 11 узлов;
Самая длинная дистанция, которую удалось преодолеть - 11,2 км;
Самое продолжительное непрерывное движение - 1 час;
Самое протяженное скольжение за одно колебание - 28 метров.
Три последних рекорда принадлежат создателю Тромпофойла А.Сахлину. Это означает, что он умеет настраивать Тромпофайл на требуемый режим, что настройки эти "острые" и что все остальные настраивать свои тромпофойлы толком не умеют.
5. Развитием тромпофойла стал акваскипер: тромпофойл с жесткой рамой. А колебания наездника воспринимает не рама, а пружина переднего шарнирного крыла. В результате рама стала легче и прочнее. Еще есть пампбайк, там кинематика другая, его пока из рассмотрения исключим. Сложнее конструкция, шарнир на основном (заднем) крыле. Такой надводный вариант "Аквеона".
6. Что делать:
6.1. Понизить минимальную скорость трампофойла километров до четырех при сохранении кпд. Тогда он из спортивного снаряда превратится в прогулочное средство. На котором хоть целый день катайся.
6.2. По возможности исключить "острые" настройки, зависящие от веса, скорости, предполагаемой дальности и времени непрерывного катания.
7. Цели ясны, за работу.
7.1. Начать стоит с чтения книги "Изобретения Дедала", право, книга того стоит. К нашей теме относится "Усмирение кильватерной струи". Настрой соответствующий задает. На вопрос, возможно ли описанное, ответ отрицательный. На вопрос, но почему, ответ узнаем при знакомстве с вихревой дорожкой Кармана.
7.2. Вторым этапом будет разглядывание рисунка вихревой дорожки Кармана. Двойной цепочки вихрей,формируемой набегающим на плохо обтекаемое тело потоком. При этом вихри образуются за телом по очереди и их совокупность создает направленную к телу струю. Как говорит Википедия, данный эффект используется в вихревых расходомерах, поскольку частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости набегающего на тело потока и обратно пропорциональна ширине обтекаемого тела. Каждый вихрь двойной цепочки равноудален от двух ближайших вихрей другой цепочки. При неких соотношениях между расстоянием между цепочками и расстоянием между соседними вихрями вихревая дорожка обретает устойчивость. Это значит, что при противодействие со стороны всех вихрей вихревой дорожки попыткам смещения какого-либо вихря относительно его места в дорожке. Это важно, запомним.
За счет этого картинки интересные получаются: сначала вихри маленькие и формируемая ими между цепочками линия потока жидкости почти прямая. Потом вихри становятся все больше и больше, а центры их не сдвигаются друг относительно друга. Соответственно линия тока приобретает все большую амплитуду. Очень красиво.
7.3. Еще один момент требует уточнения. Дедал утверждал, что, являясь макрооб'ектами, поведение вихрей описывают законы механики, следовательно, к ним применим принцип обратимости. Из чего вытекает принципиальная возможность "усмирения кильватерной струи". В поисках ошибки рассмотрим примеры:
7.3.1. Несколько капель на плоской поверхности накрыты прозрачным колпаком, изолирующим их от атмосферы. Спустя время видим, что самая большая капля "выпила" все остальные и осталась одна.
Таким образом происходит перераспределение воды во взаимодействующих каплях.
7.3.2. Теперь выясним, как происходит перераспределение энергии во взаимодействующих вихрях. Маленькие ли вихри отбирают энергию от больших до тех пор, пока не сравняются с ними по размерам, либо большие отбирают ее от маленьких, пока не отберут всю?
7.3.3. Вихри,образующие дорожку зарождаются последовательно то с одной, то с другой стороны обтекаемого потоком тела. То есть, уже развившийся, но еще не оторвавшийся вихрь не дает развиваться вихрю с другой стороны, выкачивая из него энергию. Другими словами, взаимодействие двух вихрей сопровождается поглощением маленьких вихрей большими. В принципе, этот вывод можно сделать и из общих соображение, например, из Принципа наименьшего действия в формулировке Гаусса.
7.3.4. Это т.н. "принцип наименьшего принуждения", он же "принцип наименьшей потерянной работы" в самом грубом приближении, говорит, что из всех возможных тректорий материальная точка "выбирает наиболее прямую". Соответственно частички двух взаимодействующих вихрей "выбирают" вихрь с меньшей кривизной (большей "прямизной"), то есть с большим радиусом. Покидают маленький вихрь, прихватив свою кинетическую энергию.
7.3.5. Вовлекая в движение прилегающие слои, вихрь становится все больше и вращается все медленнее. Обратный процесс (вихрь становится все меньше и вращается все быстрее) самопроизвольно не происходит. Это обстоятельство и препятствует реализации идеи Дедала об "усмирении кильватерной струи". Напрашивается гидромеханическая ассоциация со вторым началом термодинамики, утверждающим, в частности, что если горячий чайник поставить на холодную подсааку, то чайник будет остывать, а подставка нагреваться. А не наоборот: чайник - еще сильнее нагреваться, а подставка - еще сильнее остывать.
7.3.6. И последнее. Усиленно рекомендую всем книгу "Рожденные вихрем", вышедшую в замечательной серии "Жизнь замечательных идей". Там все книги серии стоит прочитать вместе с детьми, с внучками и внуками.
7.4. Однако, способы утилизации энергии вихрей для создания тяги существуют, например:
7.4.1. В Интернете есть ролики о мотодельтопланах, возглавляющих летящий клин журавлей. Легко видеть, что ближайшие к мотодельтоплану журавли крыльями не машут и даже почти ими не шевелят.Они летят за счет утилизации вихревых потоков, создаваемых мотодельтопланом. Считается, что при полете журавлей клином, они используют энергию вихрей, созданных впереди летящими птицами.
7.4.2. При полете легкомоторного самолета, например, подкосного высокомоноплана крылья его создают не только под'емную силу, направленную вверх, но и дополнительную (к тяге пропеллера) тягу, то есть силу, направленную вперед. Это учитывается при проектировании подкосов, препятствущих крыльям "улететь" как вверх, так и вперед.
7.5. Перейдем к рассмотрению обращенной вихревой дорожки Кармана, она же вихревая дорожка Голубева. Что это такое?
7.5.1. В первом приближении посредством Википедии узнаем, что дорожка Голубева -это дорожка Кармана у которой все вихри вращаются наоборот. При этом все формулы расчета дорожки Кармана справедливы для дорожки Голубева. Поэтому ее и называют еще обращенной вихревой дорожкой Кармана. Правда, если по этим формулам рассчитывать сопротивление обращенной дорожки Кармана, оно получится отрицательным. А отрицательное сопротивление есть тяга. Налицо созвучие с идеей Дедала об усмирении кильватерной струи. В самом деле, тело, двигаясь в воде, затрачивает энергию на образование вихрей дорожки Кармана, создающей дополнительное сопротивление. Однако, если все эти вихри закрутить наоборот, они не сопротивление будут создавать, а тягу. При проверке убедились, что формулы верны, создается тяга.
7.5.2. Во втором приближении пытаемся оценить эффективность волновых двигателей, прежде всего, по развиваемой тяге, а также эффективный кпд процесса. Идеальный процесс состоит в следующем: сначала вихрь образуется плывущим телом, потом, взаимодействуя с этим телом, поддерживает движение тела, передает ему тяговый импульс, полностью отдавая ему свою энергию вихря, и, таким образом, вихрь перестает существовать.
7.5.3. Имеет смысл уточнить способы передачи импульса от вихря к телу. В самом деле, если вихрь образуется на передней кромке тела, то процесс кажется очевидным: вращаясь "в правильную сторону" у поверхности тела, вихрь толкает тело вперед, а сам скатывается назад, теряя энергию. Тело в этом случае является аналогом большого вихря и подобно ему "выпивает" энергию вихря маленького. Потом "недопитые" вихри остаются за телом, образуя вихревую дорожку Кармана. При этом, в нашем мысленном рассмотрении мы считаем, что корма тела вихрей не образует. Если же вихри образует задняя кромка движущегося тела, то вихри эти, оторвавшись, на движение тела влияния уже не оказывают; ни тяги не создают, ни сопротивления. Картина эта не совсем верная. Совсем не верная эта картина, строго говоря. И теорию акваскипера на ней базировать некорректно. Посему отвлечемся на теорию, достаточно практичную, чтобы ей пользоваться.
8. Прежде всего, покончим с некоторыми мифами, рассматривая примеры ниже:
8.1. Вопрос: можно ли заткнуть пальцем воздушный компрессор, создающий давление в миллион атмосфер? Ответ: да, можно, если затыкать пальцем не выход компрессора, а его вход, где перепад давлений не может превышать одной атмосферы.
Еще вопрос: считая воду абсолютно несжимаемой (в нормальных "пляжных" условиях так и есть), можно ли в да раза изменить обьем шприца, полностью заполненного водой? Ответ: да, можно, если этот обьем не уменьшать, а увеличивать (не давить поршнем, а его вытягивать). В этом случае достаточно силы, превышающей силу атмосферного давления (килограмм на квадратный сантиметр). Вода же, как и любая иная жидкость устойчивостью на разрыв не обладает. Запомним это: устойчивость воды на сжатие очень велика, а на растяжение ничтожно мала.
8.2. Есть сколько-то пружин, одинаковых с виду, но различающихся жесткостью. Мы последовательно растягиваем их с одинаковой силой. Очевидно, что энергия, переданная пружине будет тем больше, чем жесткость пружины меньше. В самом деле, по закону Гука сила пружины пропорциональна ее жесткости и величины смещения относительно равновесного положения. Следовательно, энергия пружины пропорциональна жесткости и квадрату величины смещения. Значит, например, вдвое более мягкая пружина запасет вдвое больше энергии при воздействии на них с одинаковой силой.
8.3. В какой степени слова "устойчивость" и "жесткость" являются синонимами пусть решают филологи. Мне важно, интуитивно осознать самому и убедить окружающих, что передавать энергию воде эффективнее не сжимая ее, а "растягивая". При этом "растяжка" в одном месте не должна сопровождаться "сжатием" в другом. Например, можно "подкручивать" вихрь. Опишем мысленный опыт.
8.4. Приведем во вращение опущенную в воду "катушку"; два плоских диска, соединенных тонкой осью. Вода между ними со временем начнет двигаться, образовав вращающийся
цилиндр. Очевидно, за счет центробежной силы давление внутри вращающегося цилиндра понизится. Увеличив скорость вращения катушки, мы увеличим скорость вращения вихря, добавив ему запасенную им энергию. Приспособив эту катушку, например, для под'ема груза, сможем запасенную энергию из вихря возвращать, замедляя вращение катушки и связанного с ней вихря. В маловязкой жидкости, такой как вода энергия вихря рассеиваться будет слабо, запасти ее можно много. Неизмеримо больше, чем при попытке запасти ее просто сжимая воду. Корректно ли говорить, что запасаем мы энергию, воду "разжимая"? Мол, малая устойчивость воды на разрыв тут аналогична малой жесткости пружины. Нет, "разжимание" воды обеспечивает канализацию энергии, запасаемой во вращаемой массе воды. Приведем аналогию: если вращение вихря это конденсатор, по легкая "разжимаемость" воды это провода, соединяющие конденсатор с источником напряжения.