Лодка-амфибия: от шагающего механизма к шагающему колесу
|
Даты проведения с 2018-01-01 по 2018-12-01 |
Лодка-амфибия: от шагающего механизма к шагающему колесу
Видеоролики о работе: https://youtu.be/73qHqeH9ndE (новый) https://youtu.be/hCYcoRvRV5A https://youtu.be/Zrh0bbOqPtQ
Известен шагающий механизм и шагающая машина П.Л.Чебышева, которые были показаны на Всемирной выставке в Париже в 1878 году [1,2]. Пафнутий Львович Чебышев предложил гребной механизм в качестве движителя для лодки [2,3]. Закономерен вопрос о создании единого, общего движителя для лодки и машины. В моей работе доказаны три факта. Во-первых, П.Л.Чебышев не заметил в своём гребном механизме свойств амфибии, хотя его лодка почти выходила на берег. Во-вторых, П.Л.Чебышев напрасно перенёс прямолинейный участок природной шагающей траектории на гребной механизм, потому что по воде лодка не шагает. В-третьих, даже на прямолинейном участке угол атаки весла изменяется и не равен прямому, что уменьшает силу тяги вёсел.
Цель работы заключается в предложении единого, общего для суши и для воды, движителя лодки-амфибии, основная среда для которой является водной. При таком определении целевого назначения транспортного средства появляется возможность его использования на заболоченной местности, на шугированных водоёмах, на мелководье, на снегу, на затопленных льдах. Для достижения поставленной цели работы было предложено рассмотреть возможность совмещения преимуществ шагающей машины П.Л.Чебышева [1] с гребным механизмом, предложенным этим же автором [3] и упрощением конструкции, предложенным Скворцовой А.А. и Папиашвили Э.Д. [4].
В гребном устройстве П.Л.Чебышева два лямбдаобразных механизма с общим ведущим кривошипом дополнены ещё двумя другими механизмами для обеспечения прямолинейного участка движения механических вёсел, когда те поочерёдно погружаются в воду. Прямолинейное движение вёсел в воде не является очень жёстким требованием, потому что движение верхней точки подвижного шатуна в четырёхзвенном лямбдаобразном механизме П.Л.Чебышева даже по верхней части траектории-дуги не очень сильно искривлено из-за вытянутости дуги. Это означает, что использование верхней дуги траектории для погружённого в воду весла тоже приведёт к отбрасыванию воды назад и передаче импульса лодке вперёд. Отпадает необходимость в двух дополнительных спрямляющих движение механизмах, достаточно перевернуть сдвоенную на одном ведущем кривошипе пару лямбдаобразных механизмов П.Л.Чебышева. Переворот механизма – это патентная новизна предлагаемого устройства [5,6,7,8].
Собранный макет такой комбинации механизмов показал возможность лодки не только плавать, но и передвигаться по отмели [8]. Если сдвоенную пару лямбдаобразных механизмов перевернуть, то непосредственно на концы шатунов можно установить вёсла- опоры, которые могут и грести по воде, и шагать по отмели. Если глубина водоёма большая, то вёсла на концах шатунов гребут по воде. На отмели эти же вёсла с опорами
шагают по дну водоёма, пока лодка-амфибия не выйдет на «чистую» воду. Несколько искривлённое движение вёсел не критично для лодки, потеря тяги не более 3%. Для предлагаемого нового движителя лодки-амфибии требуется, чтобы на пассивном прямолинейном участке траектории вёсла опоры полностью поднимались над водой. Это означает, что ватерлиния лодки-амфибии должна находиться немного ниже прямолинейного верхнего пассивного участка движения конца шатуна. С позиции физики вычислено положение центров массы и давления для устойчивости. Схема движения лодки-амфибии по отмели и по «чистой» воде показана схематично рисунке.
Теоретический расчёт и уже созданные макеты доказывают одну степень свободы у предложенной пары механизмов по формуле П.Л.Чебышева [4,5]. Для иллюстрации работоспособности технического предложения был изготовлен макет гребного механизма с одновременным приданием ему функции опор шагающего механизма [5-11]. Преимуществом предлагаемого способа передвижения лодки-амфибии является простота и надёжность технического решения [8].
Прогрессом научной работы является разработка и создание макета принципиально нового механизма – шагающего колеса с лямбдаобразными механизмами П.Л.Чебышева [12]. Я предложила, а потом установила на один кривошип шесть лямбдаобразных механизмов П.Л.Чебышева. В традиционной механической схеме корпус механизма неподвижен, а кривошип вращается вокруг корпуса. Я предлагаю обратить движение, поэтому изготовила механизм по роторной схеме, то есть кривошип неподвижно закреплён относительно конструкции лодки-амфибии, но теперь уже подвижный корпус вращается вместе с шестью шарнирно-рычажными лямбдаобразными механизмами П.Л.Чебышева относительно лодки-амфибии. Сдвиг по фазе в работе соседних механизмов равен 60 градусов, когда один механизм уходит из зацепления с поверхностью дна водоёма или контакта весла с водой, на смену ему приходит следующий механизм с началом фазы своей активной работы по перемещению лодки- амфибии. Собранный механизм шагающего колеса и схема его работы показаны на рисунке.
Вывод. Найдено новое применение известному механизму П.Л.Чебышева в качестве движителя лодки-амфибии как перспективного транспортного средства, особенно для освоения северных районов, доказана возможность создания лодки-амфибии со значительным упрощением механизма, предложен и собран новый механизм – шагающее колесо с лямбдаобразными механизмами П.Л.Чебышева. В конце сентября планирую провести испытания лодки-амфибии с шагающим колесом.
Литература
1. Шагающая машина П.Л.Чебышева. Электронный ресурс «Математические этюды»: http://www.etudes.ru/ru/etudes/chebyshev-plantigrade-machine/
2. Артоболевский И.И., Левитский Н.И. Механизмы П.Л.Чебышёва / Научное наследие П.Л.Чебышёва. – Вып. II. – Теория механизмов. – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1945.
– С.52-56. – Электронный ресурс: http://www.tcheb.ru/1
3. П.Л.Чебышев. Гребной механизм. Электронный ресурс: http://www.tcheb.ru/17
4. Скворцова А.А., Папиашвили Э.Д. Универсальная передвижная шаговая платформа для освоения тундры и Арктики // Материалы 8-го Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и инновации в технических университетах». – СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. – 170 c. – С.6-8. – ББК 30.1 Н34 - С.6-8.
5. Скворцова А.А., Папиашвили Э.Д. Шагающая платформа для освоения тундры, Арктики и шельфовых областей (научный руководитель Лебедев В.В.) // Юные техники и изобретатели / Сборник материалов по итогам II Всероссийской конференции в Государственной Думе РФ / Лучший проект для молодёжи России в 2015 году. - Презентации победителей. - Номинация "Освоение тундры". - С.32-33. - Электронный ресурс: www.юные-техники.рф
6. Жукова В.С. Шагающая лодка-амфибия с одним движителем П.Л.Чебышева / Материалы 11-го Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых учёных "Наука и инновации в технических университетах" 25-27 октября 2017 г. - Санкт- Петербург, Издательство Политехнического университета, 2017. - 121 с. – С.58-60. – Электронный ресурс: http://ysc.spbstu.ru/forum2017/Forum2017.pdf
7. Жукова В.С., Скворцова А.А. Механика и гидродинамика привода ложки- амфибии / 60-я Научная конференция МФТИ. Программа 60-й Всероссийской научной конференции МФТИ. - Москва-Долгопрудный-Жуковский. - М.: МФТИ, 2017. -116 с. - ISBN 978-5-7417-0651-0. - Секция теоретической и прикладной аэрогидромеханики. - С.61. – Электронный ресурс: https://conf60.mipt.ru/public/admin/mipt- conference/Programma.pdf
8. Жукова В.С. Упрощение и новое применение гребного механизма П.Л.Чебышева
/ Машиноведение и инновации. 29-я конференция молодых учёных и студентов (МИКМУС-2017) 6-8 декабря 2017 г. - Москва, Институт Машиноведения им. А.А.Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН).
9. Жукова В.С. Лодка-амфибия шагает по отмели. – Декабрь 2017 г. – Электронный ресурс (видеоролик): https://youtu.be/Zrh0bbOqPtQ
10. Жукова В.С. Новый движитель для неопределённых жидких и шугированных сред с отмелями / XXI Международная конференция «Строительство – формирование среды жизнедеятельности 2018». – Москва, НИУ МГСУ, 25-27 апреля 2018 г.
11. Жукова В.С. Механика и гидродинамика нового движителя лодки-амфибии / Материалы VВсероссийского конкурса «Старт в науке V». – 2018. – Электронный ресурс: https://school-science.ru/5/11/35109
12. Жукова В.С. Лодка-амфибия: от шагающего механизма к шагающему колесу. Сентябрь 2018 г. – Электронный ресурс (видеоролик): https://youtu.be/73qHqeH9ndEПроект опубликовал
