DE19726142A1 - Automatische Kraft- und Arbeitsmaschine mit Gravitations- und Rotationsantrieb und Gravitationsmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine automatische Kraft- und Arbeitsmaschine mit Gravitations- und Rotationsantrieb mit einer konstanten Präzessionskraft als Antriebskraft der neutralen Masse eines Körpers zur Erzeugung hochkonstanter Schwingungen und Schwebungen in Präzessionsbahnen in der Mikro- und Nanodimension und ein Präzessionspendel als Gravi­ tationsmeßgerät.

1.1 Die zugrundeliegende Naturkraft - die Präzessionskraft der Erdgravitation und der Erdrotation

Es ist bekannt, daß Schwingungspendel nicht aus eigener Antriebskraft eine Masse in Bewegung setzen, und in Schwingung erhalten. Nach den Erfahrungen der Physik klingt nach dem ersten Anstoß jede Schwingung durch Reibung, Luftwiderstand, und andere Widerstände ab. Ist die zugeführte Energie verbraucht worden ist, dann geht der Körper nach den Grundsät­ zen der Mechanik in der tiefsten Stelle in den Zustand der Ruhe über. Dort verharrt er unbeweglich, wenn nicht wieder ein erneuter äußerer Anstoß erfolgt.

Diesen zu geben, so daß eine möglichst sicher zu erhaltende Schwingung herauskommt, ist eine grundlegende technische Aufgabe bei diesen Geräten.

Ein Präzessionspendel nutzt die technisch noch gar nicht bekannte Möglichkeit, mit eigener Antriebskraft kleine Schwingungen, kleine Schwebungen, und kleine Präzessionsbahnen auf einem mittleren konstanten Niveau der Bewegungsgrößen zu erzeugen und zu erhalten.

Daß die Oberfläche der Erde sich unterhalb der Pole um die Erdachse auf mitteleuropäi­ schen Breitengraden mit etwa 300 m/s bereits sehr schnell dreht, ist allgemein bekannt. Dadurch wird jeder mit der Erdoberfläche verbundene Körper mit hoher Mitnahmegeschwindigkeit von der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit mitbewegt. Das gilt allgemeingültig für beliebige Breitengrade und Körper. In Polnähe wirken kleinste, am Äquator höchste Umlaufgeschwindig­ keiten. Die radiale Komponente der Umlaufkraft, die den Körper in der Ebene des Großkreises um die Polachse dreht, liegt in dieser Ebene, und zieht den Körper in die Richtung des kürzesten Abstandes zur Drehachse.

Davon zu unterscheiden ist die Schwerkraft der Erde, die auch im Körper angreift. Sie zieht den umlaufenden Körper mit seinem Gewicht lotrecht zum Schwerpunkt der Erde. Dieser liegt bekanntlich viel tiefer - in der Äquatorebene, in deren Mittelpunkt.

Beide Kräfte sind universelle Kräfte. Beide greifen in der Schwerpunktnähe jedes auf der Erdoberfläche beschleunigt umlaufenden Körpers an. Durch die ungleiche Richtung der Radial­ kraft zur Drehachse, und der Schwerkraft zum Erdschwerpunkt ist ein fester Richtungsunterschied der beiden Kräfte da. So entsteht eine neue Resultierende Kraft. Sie wirkt durch die sie erzeugenden Kräfte in jedem Moment. Es ist also eine technisch nutzbare, neue Kraft.

Sie versucht ständig, den Körper zu drehen, und aus den Richtungen auszulenken, die durch die Schwere und durch die Radialkraft des Körpers erzeugt werden.

In der Technik fehlt es aber, obwohl diese Kraft so universell wirkt, wie die sie erzeugenden Gravitations- und Rotationskräfte, an mechanischen Vorrichtungen, womit sie als Antriebskraft effektiv zu nutzen ist, wovon es für die Schwerkraft und die Trägheitskraft viele gibt.

Das hängt sicher damit zusammen, daß die Präzessionskraft der Erdgravitation und der Erdrotation von der heutigen Physik ganz übersehen worden ist. Beschleunigte Bezugssyste­ me gelten als eines der schwierigsten Kapitel. Und daß jede bekannte Kraft, wie z. B. die CORIOLISkraft, die auch auf der Erdoberfläche wirkt, davon verschieden ist, liegt darum auf der Hand, weil das nämlich eine Trägheitskraft ist. Die Präzessionskraft setzt sich aber immer aus einer Gravitationskraft und aus einer Trägheitskraft zusammen.

Die Schwierigkeit hängt auch mit der Kleinheit der Größe zusammen. Das ist am Beispiel zu sehen. Ein Ort wie Rostock dreht auf dem Breitenkreis 54,05° im Abstand von etwa 3737 km um die Erdachse. Jeder Körper auf der Meereshöhe dreht sich auf dieser Breite mit der Umlaufgeschwindigkeit von etwa 272 m/s einmal in 24h, 60 min, 60 sec in 86400 s um die Achse der Erde. Die senkrecht zur Umlaufgeschwindigkeit auf die Drehachse ziehende Radialbe­ schleunigung des Körpers mißt sich durch die Geschwindigkeit und die Dauer eines Umlaufes:
a = 272 m/s : 86400 = 0,0031 m/s². Das ist eine sehr kleine Größe der Beschleunigung - nur 1/3120 der Schwerebeschleunigung von 9,82 m/s², die den Körper in eine ganz andere Richtung auf den Erdmittelpunkt hinzieht - dieser liegt südlich tief darunter, etwa in der Mitte des Großkreises des Äquators.

Gegen diese kleine Trägheitsbeschleunigung des Körpers beim Umlauf auf der Erdober­ fläche ist die kleine Gravitationsbeschleunigung von 0,006 m/s² der Sonne, womit diese die Erde in einer astronomisch großen Bahn hält, bereits doppelt so groß.

Das zeigt aber auch, daß es technisch möglich ist, eine Kraftmaschine zu schaffen, die durch die stabile Wechselwirkung der Radialkraft zur Erdachse und des Gewichtes zum Erdschwerpunkt funktionieren wird. Denn die Gravitationsbeschleunigung der Sonne ist sicher zu messen. Also sind auch neue Meßinstrumente mit der neuen Kraft zu schaffen.

Die Größenordnung der Kraft zeigt, daß damit in Mikro- und Nanobereiche zu kommen ist.

Beispielsweise wird ein Körper von 105 g Masse auf dem Großkreis 54,02° mit der kleinen Radialkraft von 0,3 Millinewton (0,00033 N) zum Mittelpunkt der Drehung in der Erdachse gezogen. Außerdem wird er mit seinem Gewicht von 1,031 N von der Schwerkraft zum Mittelpunkt der Erde zum Erdschwerpunkt gezogen. Zwischen beiden Kräften liegt ein Winkel, der von der geografischen Breite abhängt. Um diesen Winkel wirken die kleine Kraft der Rotation des Körpers und die große Kraft der Gravitation des Körpers konstant verschieden.

Physikalisch ist es also ausgezeichnet möglich, die Kraft der Trägheit und die Kraft der Gravitation ganz sicher zu unterscheiden, trotzdem die Größen der Kräfte um den Faktor 3000 um drei Größenordnungen verschieden ist. Auf der geografischen Breite von ϕ= 54,02° zieht die Gravitation der Erde durch die Gravitationsbeschleunigung von etwa g (ϕ) = 9,82 m/s² den Körper in die lotrechte Richtung zum Erdschwerpunkt. Die Radialbeschleunigung hält der Fliehbeschleunigung des Körpers das Gleichgewicht mit a (ϕ) = 0,003 m/s² dagegen in der horizontalen Drehebene, ihn auf der Höhe des Breitenkreis zur Erddrehachse ziehend. Die Zeichnung 11 zeigt schematisch, wie die Zusammenhänge mit der geografischen Breite aussehen, und wie die Präzessionskraft wirkt.

Es ist also technisch möglich, diese kleine Kraft zu nutzen. Wie das zu machen ist, das ist der Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.

Damit ist beispielsweise eine technische Lösung zu schaffen, womit sich ein im Schwe­ refeld bewegter Körper automatisch in einer stabilen Umlaufbewegung erhält.

Die natürliche Präzessionskraft wird so zur Antriebskraft einer Bewegung in einer Maschine. Sie ist die natürliche Energie- und Kraftquelle, die Naturkraft, die hinter dem Antrieb steckt, der im Titel der Erfindung als Gravitations- und Rotationsantrieb gekennzeichnet worden ist.

Die Kleinheit der Kraft macht ihre technische Erschließung heute praktisch besonders wichtig, und für viele Anwendungsbereiche hochinteressant.

Denn beim heutigen Stand der Technik sind die kleinen räumlichen Bereichen in der Mikro- und Nanodimension gut erschlossen. Es ist es aber sehr schwierig, in diesen Bereichen periodische mechanische Anregungsimpulse von kleinster Energie mit elektrisch ungelade­ nen, neutralen Massen zu erzeugen und zu erhalten. Es gibt viele Möglichkeiten, welche die Elektronik und die Elektrodynamik hier zur Verfügung stellt.

Aber mechanische Vorrichtungen, die im Mikrobereich wie Maschinen mit höchster Kon­ stanz ihrer Parameter automatisch arbeiten, gibt es in dieser Dimension bislang nicht.

Auch die Anwendung der zu schaffenden technischen Lösung zur Nutzung dieser Kraft als Gravitationsmeßgerät ist im Zusammenhang der Kleinheit der Präzessionskraft zu sehen.

Gerade, weil sie so klein ist, und eben darum, weil die Gravitationskraft der Erde eine Komponente davon ist, ist die Wechselwirkung der Gravitation mit jedem Verfahren, daß diese Naturkraft nutzt und verwendet, besonders sicher und genau zu messen.

Für die sichere Messung ist nicht die Kleinheit der Größen ausschlagend.

Der Öffnungswinkel Γ der Präzessionsbahn des Körpers um die Symmetrielinie der freien Fallbewegung in Richtung des Erdschwerepunktes ergibt sich für den Breitengrad ϕ= 54,02° - Zeichnung 11 - mit der sehr kleinen Größe von Γ = 0,018°. Das ist etwas mehr als eine Bogenminute. Davon werden mit dem Ausführungsbeispiel der Lösung etwa 10%. . . 5% realisiert. (Tabelle AP-0)

Anfangs liegt die Bahnweite noch bei 0,5 mm; bei etwa 30% des Erreichbaren.

Mit nachlassender Elastizität der Faser und Kraftkopplung sind es zum Schluß 1/10 davon. Dennoch ändert sich an der Stabilität und der Konstanz der mittleren Größen nichts. Nur die Bahnweite wird dadurch immer kleiner.

Mit dieser technischen Lösung sind kleine Kräfte der Natur, wie sie in den kleinsten Raumzeitbereichen wirken, und schwache Wechselwirkungen der Gravitation, wie erdferner großer kosmischer Massen, wie der Sonne, natürlich ausgezeichnet zu messen. Denn Gravitationskräfte sind allgemeingültig Komponenten einer Präzessionskraft der neutralen Masse und Materie eines Körpers.

Weil es heute keine technische vergleichbare Lösung und mechanische Vorrichtung gibt, besteht zur technischen Charakterisierung im Vergleich bekannter Verfahren nur die Möglich­ keit, mit Meßinstrumenten zu vergleichen, womit kleine Größen schwacher Gravitationskräfte, wie der Sonne, direkt zu messen sind.

1.2 Vergleich mit modernen Lösungen der Gravitationsmessung Torsionswaage

Mit der Anordnung von 1962 von DICKE, ROLL, und KROTKOW zur Präzisionsmessung der Gravitation sind Drehwinkel mit der Genauigkeit von 10^-11 bis wenige hunderttausendstel einer Bogensekunde zu messen. Es handelt sich um eine elektronisch gesteuerte Torsionswaage, deren mechanischer Teil nach dem Vorbild der klassischen Gravitationsdrehwaage von 1799 von CAVENDISH funktioniert. Unten hängen an einem Quarzdrehfaden in einem Quergehänge verschiedene Massen frei drehbar. Wenn sich diese durch Einwirkung einer Anziehungskraft drehen, dann verdrillt sich der Faden, wobei der Drehwinkel, und dadurch die Verdrillungskraft und das Drehmoment die Größe der einwirkenden Kraft zu messen ist. In der schematisch in Zeichnung 8 dargestellten Anordnung hängen drei Massestückchen - eins aus dem Element Gold, zwei aus dem Element Aluminium. Die hohe Meßgenauigkeit schafft die Grundlage, um die mit der Drehung des Ortes auf einem Breitengrad sich ändernde Richtung der Gravitations­ anziehung der Sonne in bezug auf diesen Ort zu nutzen, um damit das Äquivalenzprinzip schwerer und träger Masse zu testen. Denn steht die Sonne am Morgen näher an dem schwereren Massestück aus Gold, so liegt in diesem Moment die schwere Masse aus Gold vor dem Drehfaden. Nach einer halben Erddrehung steht sie dann am Abend auf der anderen Seite der Anordnung. In diesen Momenten steht sie näher an den leichteren Massestücken aus Aluminium. Wenn nun die schwerere Masse aus Gold stärker von der Sonne angezogen wird, als die leichtere Masse aus Aluminimum, dann sollte also mit dieser Anordnung eine periodische Drehung zu beobachten sein, weil der Meßfehler so klein ist, daß jede Wirkung von dieser Art auch sicher zu messen ist, vorausgesetzt, daß sie da ist, und größer ist als Toleranz. -

Diese Messung ging negativ aus. Es war keine Drehung zu messen.

Torsionspendel

Noch eine Größenordnung genauer ist bis 10^-12 mit dem Torsionspendel von BRAGINSKI und PANOW von 1972 zu messen (Zeichnung 7).

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit trägt der 2,9 m lange Drehfaden bei, der nur etwa 5 Mikrometer Durchmesser hat, aus Wolfram ist, und die Anordnung der Teile vollständig im Vakuum. Im Quergehänge drehen sich ungleich schwere Masse, die paarweise über Kreuz gegenüberliegen. Auf der einen Seite hängen Massestücke aus dem schweren Element Platin, und auf der anderen Seite aus dem leichten Element Aluminimum.

Die langsame kleine Änderung der Kraft der Gravitation der Sonne auf die in dieser Anordnung frei im Schwerefeld der Erde schwebenden kleinen Körper ist wieder, genau wie bei der Torsionswaage von Dicke, . . ., nur durch kleine Drehwinkel der Massen in einer unverän­ derlich festen Drehebene um den lotrecht hängenden Drehfaden zu messen. Schwingungen in die Tiefe und Schwebungen in die Höhe stören die Messung der Verdrillungskraft und des Drehmomentes empfindlich, und sind daher zu unterdrücken.

Es gibt nur eine Kategorie von Größen, die auf diese Weise von allen Größen der in jedem Moment stetig veränderlichen einheitlichen Wechselwirkung der Gravitationsanziehung der Sonne, und der Gravitationsanziehung der Erde auf die Massestücke Im Drehkreuz des Torsionspendels - durch die Schwere, und das Gewicht -, und von der Eigengravitation der im Schwerefeld frei bewegten Massestücke technisch sicher zu nutzen und direkt zu messen ist Das sind Drehgrößen: Denn Schwingungsgrößen nach unten, und Schwebungsgrößen nach oben sind als Störungsgrößen der Drehmomentmessung wieder zu unterdrücken. Die Messung des Drehwinkels geschieht in bezug auf die feste Drehebene um die neutrale Faser des Wolframfadens mit einem daran befestigten kleinen Spiegel. Dieser wirft ein Lichtsignal zurück auf eine laufende Filmtrommel. Dadurch ist der Drehwinkel mit der Genauigkeit bis wenige millionstel einer Bogensekunde zu messen. Auch diese Messung hatte ein negatives Ergebnis. Es war keine Drehung zu messen.

Schwingpendel

Das körperliche Pendel ist weltweit die heutige Vorzugslösung für die Absolutmessung der Schwere.

Die Nachteile dieses Verfahrens liegen in einer Reihe von Faktoren, die sich mit der Verwendung eines starren Pendelkörpers ergeben, der auf der Schneide um seine Ruhelage schwingt, wobei Biegung und Dehnung, Eindrücken der Schneide in die Schwingfläche, Etalonkorrektur der links und rechts auf und ab schwingenden kleinen Prüfmassen durch den Atmosphärendruck, und Temperaturverzerrung der gegenüberliegenden Pendelarme in tech­ nischer Hinsicht eine Rolle spielen.

Hinzu kommt die direkt nicht mögliche Längenmessung des Abstandes mehrerer Schwer­ punkte mitten in einem massiven Körper, so daß man auf die Bestimmung der Trägheitsmomen­ te angewiesen ist. Dabei ist der Abstand beider Schwerpunkte links und rechts von der Drehachse und Schneide, und deren Abstand vom resultierenden Schwerpunkt zu bestimmen, worin erhebliche Unsicherheiten liegen. Alles zusammen bestimmt die vergleichsweise nied­ rige Sicherheit der Messungen zu den vorgenannten Lösungen.

Die Sicherheit der Bestimmung einer reduzierten Pendellänge, des Abstandes des Schwerpunktes vom resultierenden Schwerpunkt, ist nicht besser als 10^-7. Und die Sicherheit der Bestimmung der reduzierten Schwingdauer ist nicht besser als 10^-8 (QUELLE: VERMESSUNGSTECH- NIK; NR. 12; BERLIN 1970; S. 452). Damit ist die Sicherheit der Bestimmung der Schwere der Erde, und der Bestimmung der Fallbeschleunigung des frei fallenden Körpers, heute nicht besser als 1 Millionstel. Sie liegt bei etwa 10^-6. Beispielsweise wurde 1972 mit elektronischer Kurzeit­ meßtechnik mit drei Reversionspendeln in der Vakuumkammer auf der Höhe der Bezugspfeiler des Pendelkellers durch Mittelwertbildung über alle drei Höhen, und über alle drei Meßgeräte in Potsdam der mittlere Schwerewert bestimmt von: g = 9,812601 m/s² ± 0,000003 m/s².

1.3 Vergleich mit anderen naheliegenden Lösungen

Ein unter dem eingangs beschriebenen Aspekt zu sehender Nachteil moderner techni­ scher Lösungen - Torsionswaage; Torsionspendel; körperliches Schwingpendel - ist, daß keines dieser Gerät aktiv mit einer Präzessionsbewegung arbeitet. Diese ist damit auch nicht zu messen, weil sich deren Verlauf in jedem Moment auch in Höhe und Tiefe ändert.

Zur vergleichenden technischen Kennzeichnung der erfindungsgemäßen Lösung ist darum auch auf naheliegende ältere Lösungen für freie Schwingungen neutraler Massen im Schwere­ feld hier unbedingt mit einzugehen.

Diese sind seit einem Jahrhundert nicht weiterentwickelt worden. Im Hinblick der Verwen­ dung eines Fadens liegen sie der erfindungsgemäßen technischen Lösung jedoch näher als ein körperliches Schwingpendel.

Fadenpendel

Das Fadenpendel ist in der einfachsten Form als Lot im Bauwesen vom Hochziehen einer senkrechten Flucht an einer Mauer altbekannt. Das Lot zum Schwingpendel umzugestalten, und als Präzisionsmeßinstrument zu nutzen, hat sich technisch als sehr schwierig erwiesen.

Das einfache Prinzip - ein beweglicher dünner Faden, der oben fest gehalten wird, und an dessen unterem Ende ein Körper frei hängt - täuscht darüber. Die Überlegungen der Mechanik hierzu sind bekanntlich: Die Ruhelage des Körpers liegt im tiefsten Punkt. Lenkt man ihn heraus, dann beginnt die Schwerebeschleunigung (g) der Erde die Masse sofort zurückzuziehen. Damit beginnen Schwingungen um die Ruhelage. Durch die Reibung der Luft und des Fadens kehrt der Körper in den Zustand der Ruhe zurück. - Das Pendelgesetz (1) ist Ausdruck dieser Beobach­ tungen und Überlegungen: Die reduzierte Schwingdauer T einer Halbschwingung und die reduzierte Länge L des Pendelarms und die Fallbeschleunigung des Körpers g, das sind die einzigen veränderlichen Größen, die eine Rolle spielen.

Der ausgezeichnete absolute Punkt der Schwingung liegt im Ruhepunkt des Körpers im tiefsten Punkt. Ohne Impuls- und Energiezufuhr ist der Körper nach (1) daraus nicht zu heben. Das wäre eine elementare Verletzung des darin steckenden Fallgesetzes, das alle Körper zur Erde fallen, und nie von selbst aus dem tiefsten Punkt wohin sie gefallen sind, herauskommen.

Ein periodischer Anstoß ist einigermaßen sicher nur mit einem starren Pendelarm zu übertragen. Darum wird seit langem das körperliche Schwingpendel vorgezogen. Beim Faden­ pendel hängt die Masse an einem dünnen Faden. Es ist praktisch unmöglich, hier immer wieder den gleichen Impuls auf den Körper zu bringen.

BESSEL löste das Problem mit einer Gabeltechnik des Fallenlassens des Körpers in die Bahn. (F. W. BESSEL: Bestimmung der Länge des einfachen Sekundenpendels für Berlin; Berlin 1837). Der schwingende Körper war ein Hohlkörper aus Platin (21,45 g/cm³), um geringen Luftwiderstand zu erzielen, dessen Masse durch Füllen leicht zu ändern war. Dieser wurde an Fäden aus Stahl (Elastizitätsmodul ca. 2,2.10¹¹ N/m² aufgehängt. - Wolfram hat die höchste Elastizität (3,5.10¹¹ N/m²), was beim Torsionspendel von BRZEGINSKI/PANOW 1972 eine Rolle spielt.

Die technischen Vorkehrungen BESSEL's hatten zum Ergebnis, daß eine reduzierte Pendel­ länge für Berlin für T = 1 Sekunde Schwingdauer herauskommt - genau genommen auf geografischer Breite von 52,5° im ehemaligen Garten der Potsdamer Sternwarte, und von 34,6 m des Schwerpunktes über Meeresniveau - von L = 440,7354 ± 0,005 preußische Linien.

Das ist in die heutiger internationaler Längeneinheit ausgedrückt die Größe von L = 0,960 583 ± 0,00001 m.

Aus der für das Schwingungspendel von Bessel selbst aufgestellten Formel

erfährt man, das er mit dieser Lösung die Fallbeschleunigung des Körpers in Luft gerade noch direkt messen konnte von:

g_Fadenpendel ≅ (9,480574 ± 0,0001) m/s²

Der Schwerewert von 1970 von 9,812 601 m/s² gilt für Potsdam; ist aber nicht zu vergleichen, weil das Reversionspendel im Vakuum (etwa 1000 Halbschwingungen) schwingt, und nicht in Luft. Man kann den Wert nur mit einer technischen Lösung vergleichen, wo der Körper unter vergleichbaren Bedingungen in Luft schwingt. - Eine solche Lösung enthält das Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier wird der Bleikörper während der Dauer von 2,6 Tagen In Luft bewegt. Das ist für ein Fadenpendel, und andere bekannte Pendel, undenkbar. Durch formale Anwendung von (1), was den Möglichkeiten des Verfahrens nicht entspricht, (Tabelle AP-0; Spalte 10) wurde für den unkorrigierten - also durch Länge und Zeit direkt gemessenen Wert der Fallbeschleunigung des in freier Atmosphäre schwebenden Bleikörpers die Größe gemessen von:

g_{Präzessionspendel} ≅ (9,77991 ± 0,0008) m/s²

Das ist ein technisches Kennzeichen im Vergleich eines der besten Fadenpendel - mit Stahlfaden, Schneide, Platinkörper, thermisch gut isoliert. Damit kommt man über den Schwe­ rewert von 9,5 m/s² in Luft nicht hinaus.

Der Zuwachs des Meßwertes um + 0,3 m/s² charakterisiert den technischen Unterschied der Lösungen, und ihre Leistungsfähigkeit in bezug der Toleranz von 0,0001 m/s² durch den für Präzisionsmessungen an der Toleranzgrenze wichtigen Gewinn an direkt gemessener Größe:

Der Verfahrensgewinn durch die automatische Erhaltung der Schwingung und Schwebung durch die Nutzung der Präzessionskraft als Antriebskraft des Körpers ist so groß, daß man es sich dabei sogar erlauben kann, ihn für ein wirtschaftliches Verfahren umgehend wieder zu opfern. Dadurch ist mit wenig Aufwand zu relativ sicheren Messungen zu kommen.

Die Doppellupe, und direktes Abzählen der Momente der Schwebung [analog wie um 1835 (!)], sind die Grundlagen der Meßwerte, die den der vorliegenden Beschreibung beigefügten 3 Tabellen Ap-0, Ap-1, Ap-2 des Ausführungsbeispiels zu entnehmen sind.

Andere Nachteile von Torsionswaage und Torsionspendel

Präzessionsbewegungen, welche sich durch den ständigen Wechsel und stetigen Über­ gang verschiedenartiger Bewegungen ein- und desselben Körpers auszeichnen, sind nicht mehr zu messen, sobald er im Schwerefeld an einem Torsionsfaden hängt. Bei der Torsionswaage stören schon schwache Schwebungen in höhere Stellen die Messung des Drehmomentes. Bewegungen dieser Art werden rigoros unterdrückt. Mit der heutigen Elektronik geht das hervorragend. In der Lösung von DICKE, . . . erledigt ein Dämpfungskondensator diese Arbeit.

Die Gravitationsanziehung einer fernen Masse, wie der Sonne, wirkt aber, je nachdem wohin der Ort sich auf der Oberfläche der Erde gerade dreht, im Verlaufe des Tages in bestimmten Momenten durch eine schwache Schwebung, also durch eine den Körper schwach hochziehen­ de Kraft (Zeichnung 10). Umgekehrt ist es in Momenten, nachdem die Sonne unter dem Horizont verschwunden ist, also bei Nacht. Die schneller werdende Fallbewegung des Körpers durch eine In gleicher Richtung wie die Fallbeschleunigung wirkende unabhängige Gravitationsanziehung, die dann da ist, wenn die Sonne auf der Erdgegenseite unter dem Ort steht, ist durch die Änderung des Drehwinkels natürlich nicht direkt zu messen - denn dieser entsteht ja durch die Drehung der Masse in "horizontaler" Ebene; diese wird gemäß EUKLID bekanntlich erzeugt mit dem rechten Winkel bezogen auf den lotrechthängenden Drehfaden. Aberdieserhängt in einem Schwerefeld im Labor auf der Erdoberfläche gleich in einem doppelt beschleunigt bewegten Bezugssystem.

Er präzessiert also immer. Unterdrückt man das, z. B. mit einem biegesteifen Wolframfaden, dann kann man die Drehung sauber messen. Aber alles andere, was dazu gehört, nicht. Die hohe Toleranz der Messung des Drehwinkels nützt dafür nichts. Sie könnte doppelt so hoch sein. - Von der Schwebung des Körpers zu einer momentan oberhalb des Ortes schwebenden großen kosmischen Masse, und von der Anziehung zu einer momentan darunter schwebenden Masse, ist durch die Messung der reinen Drehbewegung nichts zu erfahren.

Auf diese Weise werden bestimmte Meßgrößen in bezug auf eine direkt ablaufende Bewegung der Masse mit solchen Lösungen nicht erfaßt; sie sind mathematisch nicht zu bestimmen - bleiben unbestimmt; und physikalisch werden sie nicht erfahren - bleiben unbekannt.

Es ist auch keine technische Lösung heute bekannt, womit Schwingungen, Schwebungen, und Drehungen des gleichen Körpers durch eine sich automatisch reproduzierende stabile Bewegung zu erhalten sind, und durch deren langsame Änderung genau zu messen ist, wie sie sich in Stunden, Tagen, und Wochen ändert. Denn um eine solche Bewegung zu erhalten, braucht man eine Antriebskraft, die den Körper in unaufhörlicher Bewegung automatisch erhält. Ein Beobachter schafft das selbst durch noch so genau bestimmtes Anstoßen nicht. Er kann eingreifen, um direkt zu messen; mehr wohl nicht. - Das bedeutet, es ist eine grundlegend verschiedene technische Lösung von den vorstehend beschriebenen Lösungen zu schaffen, die teils nach dem Prinzip des Präzisionsmeßgerätes, teils nach dem einer Präzisionsmaschine arbeitet, die zwischen den Messungen vollautomatisch mit einer eigenen Antriebskraft funktio­ niert, und die damit stabil läuft.

1.4 Die technische Aufgabenstellung

Erfindungsgemäß steht diese Antriebskraft in der Präzessionskraft zur Verfügung, die auf jeden Körper außerhalb der Erddrehachse und außerhalb des Erdschwerpunktes durch die Radialkraft zur Erddrehachse und durch die Schwerkraft gegen den Erdschwerpunkt wirkt.

Diese Kraft ist eine außerhalb dieser Achse und dieses Punktes universell wirkende Kraft, wie die Kraft der Schwere und wie die Kraft der Trägheit. Dabei ist sie mit keiner von beiden gleich, außer im Grenzfall. Sie wirkt in jedem Körper, der neutrale Masse hat.

Diese Kraft ist darum technisch ausgezeichnet zur Lösung der Aufgabe zu nutzen, als Antriebskraft der Bewegung der neutralen Masse eines Körpers zu dienen.

Um ihre universelle Wirkung technisch zu nutzen, besteht die Aufgabe darin, die Angriffs­ stelle der Radialkraft in dem mit der Erdoberfläche mitbewegten Körper in der Richtung der Erdachse und die Angriffsstelle der Schwerkraft im selben Körper in der Richtung des Erdschwerpunktes mit einem bestimmen Verfahren zu trennen. Denn solange beide Stellen mitten im Körper liegen, und womöglich nahe bei dessen Schwerpunkt vereinigt wirken, bleibt die Wirkung auch direkt im Körper, womit keine nutzbare Bewegung zu erhalten ist.

Darum besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren und eine Anordnung zu finden, womit getrennte Angriffssteilen für die Radialkraft der Erdrotation und für das Gewicht der Erdgravi­ tation sicher herzustellen, fest zu verbinden, und stabil zu erhalten sind.

1.5 Technische Lösung

Der erste Hinweis für die technische Lösung auf dem mittleren geografischen Breitengrad von ϕ = 54,02° ergibt sich aus dem kleinen Präzessionswinkel der Aufspaltung der Radialbe­ schleunigung und der Schwerebeschleunigung von Γ=0,018°. Das bedeutet, bei einer Trennung der Angriffsstellen um einen festen Abstand von 2,5 m ist mit einem größten Radius der Präzessionsbahn von höchstens 0,8 mm zu rechnen. Unabhängig davon, wie die besondere technische Lösung also ausfällt, sind unter diesem Aspekt möglichst große Abstände zu schaffen, um zu gut sichtbaren Bewegungen und auf sicher meßbare Größen zu kommen.

Die erfindungsgemäße technische Lösung zur Trennung der Angriffsstelle für die Radialkraft der Erdrotation und für das Gewicht der Erdgravitation besteht unter diesem Ergebnis darin, das Gewicht des Körpers mit einer leicht biegsamen dünnen Faser in eine wenigstens 2 m bis 3 m hohe Tragstelle als Last auf einen Träger zu bringen, dessen Fußstellen fest auf der Erdoberflä­ che aufsitzen, so daß diese Stelle weit außerhalb des Körpers liegt, worin die Masse ohne das Gewicht zurückbleibt. Denn dieses ruht als Last auf dem Träger.

Damit ist der Teil der Aufgabe gelöst, der die Trennung der Angriffspunkte betrifft.

Die Angriffsstelle für die Radialkraft der Erdrotation auf den Körper liegt in der Mitte des tragenden Querschnittes, wodurch das Gewicht auf dem Träger lastet. Kurz unterhalb dieses Punktes tritt eine Faser aus, die kaum nennenswerte Eigenmasse hat. Knapp oberhalb diese Punktes geht der Druck und Zug der Last in das Material von der Faser in die Tragöse über den Tragkopf in den Träger über. Dieser ist weitgehend starr; er wird in ganzer Länge von der Umdrehung um die Erdachse mitgenommen.

Die Angriffssteile für die Gravitationskraft der Erdmasse auf die Masse liegt im Schwer­ punkt des Körpers am unteren Ende. Denn die Masse ist mit der Zugkraft der Faser nicht auf den Träger zu bringen. Das gelingt nur für das Gewicht. Der Schwerpunkt bleibt in der Masse als die Angriffsstelle der Gravitationskraft der Erdmasse zurück.

Dadurch sind zwei sicher getrennte Stellen im Schwerpunkt der Masse für die Gravitations­ kraft und der Last des Gewichtes für die Radialkraft da, zwischen denen oben und unten und in jeder Steile der Faser die Präzessionskraft nun wirkt.

Für die technische Gestaltung und konkrete Ausführung gibt es viele Möglichkeiten.

So kann der Träger (T1) des Gewichtes ein Massivträger sein, wie in einem Labor die Zwischendecke des Baukörpers, oder die Gesteinsdecke in einem Bergwerkstollen; oder ein mobiler Träger, wie ein Gerüst sein, ein hohes Stativ, usw.
Beispiele für die Stativ-Form enthält Zeichnung 1 und 5;
Beispiele für die Massiv-Form enthalten Zeichnung 3 und 6;
Beispiele für Details beim Wirkungsprinzip der Anordnung, und der Nutzung der erzeugten Präzessionsbewegung zur Präzisionsmessung der von überall her von fern und nah auf den Körper einwirkenden schwachen und starken Gravitationskräfte enthält die Zeichnung 9 und 10;
die Beschreibung der Zusammenhänge steht wegen der anders nicht möglichen Darstel­ lung der Zusammenhänge auf den Blättern.

Der andere Teil der technischen Lösung betrifft die Kopplung der getrennten Angriffsstellen für die Radialbeschleunigung der Erdrotation im Träger des Gewichtes und der Angriffsstelle für die Gravitationsbeschleunigung im Schwerpunkt des Körpers mit der Zugkraft einer elastischen Faser.

Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine leicht biegsame, schwach dehnbare Faser von stetig veränderlichem Elastizitätsmodulals der Generator, als der eigentliche Motor der Kraft- und Arbeitsmaschine eingesetzt und verwendet wird.

Sie hat die Funktion, die vielen kleinen Präzessionswirkungen längs der mit hoher Zugkraft gespannt gehaltenen Faser, die nicht direkt zu messen sind, weil sie in jedem Volumenelement als eine zu kleine Größe wirken, zu sammeln, und zu einer großen Wirkung zu verstärken.

Das ist möglich, weil die Radialbeschleunigung jedes Element in annähernd demselben Winkel zur Erdachse zieht, und weil auch die Gravitationsbeschleunigung jedes Element in annähernd gleichem Winkel zum Erdschwerpunkt zieht.

Das unterscheidet die Lösung von bekannten Lösungen. Dort sind auch Stahlfäden einzusetzen, wie es beim Fadenpendel geschieht, oder Wolframfäden, wie es beim Torsionspendel geschieht. Diese Fäden besitzen jedoch eine hohe Biegefestigkeit. Die Biegekraft zu überwin­ den, das schafft die kleine Auslenkungs- und Antriebskraft, die sich in Elementen der Faser überträgt, und in der Wirkung sammelt, nicht.

Darum führt die bekannte technische Lösung mit der Schneide und dem Drehlager - die bevorzugte Lösung für Fadenpendel und körperliche Pendel überhaupt - hier nicht zum Ziel.

Das auch aus dem anderen Grund, daß eine Schneide eben nur zwei Freiheitsgrade der Bewegung nach oben und nach unten zuläßt.

Um die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen, und die Präzessionsbewegung stabil zu erhalten, braucht man aber in jeder Stelle den Freiheitsgrad in alle Richtungen, denn der Körper schwebt mitunterstärker hoch, und staucht den Faden, manchmal fällt er schneller, dann wächst die Zugkraft stärker, und er dreht in alle Richtungen.

Von der Präzessionsbewegung ist, sobald man eine Schneide anbringt, nichts mehr zu erfahren.

Der Übergang zwischen Körper und Faser wird erfindungsgemäß besonders sorgfältig ausgeführt, im allgemeinen so, daß die Faser unten in einem Kegel frei beweglich herauskommt, und oben rutschfest in ähnlicher Weise fest einsitzt. Die technische Ausführung der Tragöse erfolgt vorzugsweise aus Stahl. Die Ösen werden für den raschen, sicheren, und wirtschaftlichen Wechsel der Fasern nach deren Verschleiß in leicht auszutauschenden Stahlmuttern und Stahlsplinte angeordnet.

Zwei Beispiele zeigt die Zeichnung 2.

Erfindungsgemäß wird die elastische Kraftkopplung mit der schwach dehnbaren Faser, die durch das Herstellungsverfahren auch wirtschaftlich zu erzeugen, und sicher zu reproduzieren sind, in Kombination mit dem Verfahren der doppelten Längenmessung durchgeführt.

Dieses besteht darin, daß die Absolutmessung des Abstandes der Stellen von oben bis unten erfolgt, und als die Differenzmessung in umgekehrter Richtung des Abstandes des Körpers gegen eine untere Bezugskante, z. B. den Meßtisch darunter.

Wo beide Maßstäbe sich am Körper überlappen, wird am Differenzmaßstab, der im Ausführungsbeispiel ein Meßkeil ist - Zeichnung 4 - die Nullmarke gesetzt.

Anschließend genügt in der Regel die Differenzmessung der Änderung des Abstandes infolge des Zuwachses der Faserlänge durch Dehnung.

Das Verfahren ist mit einem Meßkeil in der Toleranz Mikrometer durchzuführen. Mit dem Interferometer ist bis in den Nanobereich zu kommen.

Damit wird die Anordnung zum Präzisionsmeßinstrument. Damit ist nicht nur der Zuwachs der Länge direkt zu messen. Es sind auch Größen, die sonst sehr schwierig zu messen sind, wie die langsame Fallgeschwindigkeit des Körpers, sicher zu messen.

Erfindungsgemäß wird die Präzessionsbewegung immer mit zwei Meßsystemen durch die unabhängige Messung der Schwingung des Körpers, Meßpunktes, oder Schwerpunktes in tiefste Stellen, und der Schwebung des Körpers, Meßpunktes, oder Schwerpunktes in höchste Stellen gemessen. Damit wird folgendes erreicht.

Die Größen der Schwingung des Schwerpunktes in der Nähe der tiefsten Stelle um die Symmetrieachse der Bewegung - Zeichnung 11 -, und die Größen der Schwebung des Schwerpunktes in der Nähe der am weitesten davon entfernten höchsten Stellen der Bewegung sind auf diese Weise in bezug auf sicher getrennt gemessene Stellen zu unterscheiden.

Bei der Präzessionsbewegung fehlt die Ruhesteile, die man beim Schwingpendel hat.

Es gibt hier keine Stelle des Verharrens, wovon die Mechanik ausgeht, weil der Ruhepunkt in der Bewegung des Schwerpunktes in der erfindungsgemäßen Anordnung nicht zu finden ist - der Umlauf des Körpers bleibt unaufhörlich erhalten - hat man keine Wahl, als so vorzugehen, und die Stellen getrennt zu messen, und dadurch wechselseitig feste Bezugspunkte zu schaffen.

1.6 Ausführungsbeispiele 1. Erzeugung von 90 000 Schwebungen in 25 Stunden stabile Laufzeit

Die Anordnung war ein Bockträger (T1) - Zeichnung 1 - aus drei Stahlprofilen von 2 m Höhe, mit Kugelkopf (T1-K) oben in der Mitte, daran die Halteschraube (T1-H) aus Stahl, worin die Stahlöse (T1-Ö) sitzt; deren Formgebung zeigt Zeichnung 2. In diese Öse wird die oben mit aufgeklemmtem Paßröhrchen gesicherte Faser (T2) einhängt. Entsprechend unten in der Tragöse des Körpers (T3). Der Körper ist aus Blei und hat einen senkrechten Führungskanal. Quer durch den Führungskanal geht eine horizontale Bohrung. Dadurch wird ein Stahlsplint geschoben, der vom eine Greiföffnung hat. Damit wird die Faser erfaßt. Sie gleitet beim Durchschieben des Splintes in das Paßloch in der Mitte.

Zwischen den Tragstellen ist der Abstand L' zu messen.

Der Schwerpunkt der Masse liegt im Abstand "a" unterhalb der Tragöse. Beides zusammen ergibt den Abstand L zwischen der Angriffsstelle der Gravitation im Schwerpunkt der Masse und der Angriffsstelle der Rotation im Träger

L=L'+a.

Die Absolutmessung des Abstandes bis Unterkante Körper ergibt den Abstand

L''=L'+a+b

Hierauf bezogen wird die Differenzmessung zwischen Unterkante Körper und Meßtisch mit dem Meßkeil ausgeführt. - Berührungen des Körpers führen bei künstlich angeregten Schwin­ gung zu Fehlmessungen. Hier sind Berührungen des Körper mit dem Meßkeil mit kurzen Verlangsamungen verbunden, die nicht stören, denn der Körper setzt sich von der Faser als Motor getrieben mit der Kraft der Präzessionswechselwirkung sofort wieder in Bewegung.

Beobachtet wurden die Momente der Schwebung mit Vergrößerungslupe. Zur Ausrichtung der Amplitude wurde eine Eichumgebung einer nahen Masse - Zeichnung 3 - als Mikrogravita­ tionsquelle aufgebaut.

Es sind auch andere Meßstellen über dem Körper anzuwählen.

Ein Beispiel mit Mikroskop und elektronischer Signalübertragung zeigt Zeichnung 6.

Die Fernrohrbeobachtung veranschaulicht Zeichnung 5.

Zur besseren Beobachtung wird am Körper noch ein Zeiger angebracht.

Das Stativ war 2 m hoch. Der Abstand der Wirkungsstellen war L = 1,02 m. Der Körper aus Blei hatte die Masse von 105 g. Die Faser hatte 0,2 mm Durchmesser.

Bei der Verwendung eines Stativs zeigte sich Neigung zur Mitwirkung von Eigenschwin­ gungen, was der mittlere quadratische Fehler von ± 0,15 m/s² bei der mit (1) in Fallbeschleuni­ gung umgerechneten Meßwerte zeigt, und der für Bewegung in Luft zu hohe Mittelwert dafür von
9,828 m/s²

2. Erzeugung von 142 216 ± 62 Schwebungen in 63 Stunden stabile Laufzeit

Zwei Dinge sind geändert worden: Als Träger dient ein massiver Baukörper; der Kugelkopf (T1-K) ist jetzt im Deckenträger verankert - Zeichnung 4.

Ferner wurde die Ablesung der Momente der Schwebung mit einer Doppellupe von etwa 10facher Vergrößerung verbessert. Nachfolgend werden technische Kennzeichen der Erfindung am Beispiel dieser Ausführung charakterisiert.

2.1 Hohe Zugfestigkeit der elastischen Faser und stetig veränderliche Elastizität im Bereich des Elastizitätsmoduls der Metalle

Der Abstand der Angriffsstellen für die Rotation und die Gravitation liegt am Anfang bei der Länge von: L = 2519,9 mm. Nach etwa 4 Stunden ist der Zuwachs von ΔL = 0,86 mm zu messen. Die Länge der Faser selbst beträgt L'= 2497,4 mm. Die Dehnung ist durch die Änderung der Länge dividiert durch die Anfangslänge zu messen:

ε₁ = ΔL/L= 0,00034

Bei dem Durchmesser der Faser von 0,2 mm zieht das Gewicht von 1,03 N des Körpers in der Querschnittsfläche von 0,031 mm². Damit bestimmt sich die Zugspannung 33 Newton je Quadratmillimeter (σ = 3,3.10⁷ N/m²). Der Elastizitätsmodul in dieser Arbeitsphase beträgt also: E₁ = σ/ε₁ = 0,96.10¹¹ N/m². Das ist höher als der Elastizitätsmodul von Gold E_AU= 0,8.10¹¹ N/m², und weniger als der von Messing E = 1,03.10¹¹ N/m².

Die Faser wird bis zum Abschluß des Verfahrens noch insgesamt um 0,7 mm länger; die ganze Längung beträgt: ΔL = 1,56 mm.

Damit liegt die Dehnung abschließend bei ε₂ = 0,00062; und der Elastizitätsmodul bei:
E₂ = σ/ε₂ = 0,54.10¹¹ N/m². Das liegt bei dem von Zinn E_Zn= 0,54.10¹¹ N/m² und etwas unter dem von Quarzglas E= 0,6.10¹¹ N/m².

2.2 Höchste Stabilität der natürlichen Bewegung wie in atomaren Bereichen, kon­ stante Mittelwerte, automatische Erhaltung der Perioden der Schwebung über Tage, Messung der Wirkung der Sonnengravitation durch die Differenz der Periodenmittelwerte

Die Stabilität ergibt sich aus der Langzeiterhaltung. Die Bewegung des Körpers wurde über fast 63 Stunden, genauer 3773 Minuten, bzw. 226 380 Sekunden, automatisch erhalten. Während der ganzen Zeit bewährt sich die elastische Faser als das technische Mittel, womit die Präzessionskraft der Erdgravitation und der Erdrotation zum Generator und zur Antriebskraft der Bewegung des Körpers zu machen ist.

Durch die langsame Änderung der Präzessionsbewegung ist die Einwirkung der Sonnen­ gravitation zu messen.

Weil die Toleranz der beschriebenen technischen Lösung bei weitem nicht ausreicht für die direkte Messung der stetigen Änderung der Periode im Verlauf von wenigen Minuten wurde der andere Weg beschritten, die Mittelwerte immer für die gleichen Stunden des Tages am Mittag und um Mitternacht, und Vormittags und Abends zu messen, und dann die Differenz der durch die direkt gemessenen Größen bestimmten Mittelwerte zu ziehen.

Damit wird die beschriebene technische Lösung zum Gravitationsmeßgerät.

Dieses vorstehend bezeichnete Meßverfahren, und die Bestimmung der Differenzen auf dieser Grundlage, ergibt die sichersten Meßgrößen der Gravitation. Das zeigt kleinste quadra­ tische Fehler, der sich dafür ergibt.

Damit ist extrem genau zu messen.

Das Ausführungsbeispiel zeigt, daß durch das Ziehen der Differenz vergleichbarer mittle­ ren Periodenwerte der Schwebungsdauer kleinste Zeitunterschiede im Bereich Millisekunde bis Mikrosekunde sicher zu messen.

Einer der Hauptfaktoren dafür liegt in der Sonnengravitation. - Dieses Resultat des Einsatzes des Präzessionspendels als "Automatisches Gravitationspendel" und als ein Gravi­ tationsmeßgerät wird bei den Meßwerten der Tabelle AP-2 deutlich.

Den allgemeinen Überblick und Zusammenhang dabei veranschaulicht die Zeichnung 10.

Die hohe mittlere Konstanz der Bewegungsgrößen der neutralen Masse von 105 g des Bleikörpers zeigt sich z. B. Beispiel bei der Dauer der Schwebungen. Über alle Meßreihen gemittelt beträgt sie: 1,5918 s ± 0,007 s - Tabelle AP-1. Insgesamt sind 142 216 ± 62 Schwebungen in 63 Stunden erzeugt worden.

Beim Vergleich mit technischen Kennzeichen der Schwingungspendel schneiden diese extrem ungünstig ab:
Dort ist künstlich anzuregen; es gibt keinen Generator; es werden 1000 bis 5000 Halb­ schwingungen im Vakuum erzeugt; die Schwingungen verlaufen gedämpft und klingen ab.

Mit der erfindungsgemäßen technischen Lösung sind dagegen in freier Atmosphäre weit über 140 000 Schwebungen erzeugt worden.

Bewegungen von konstanter Dauer der Zeitperiode, die auf natürliche Weise zustande kommen, und ohne äußere Anstöße stabil zu erhalten sind, findet man unter den heute schon allgemein bekannten Erfahrung bekanntlich nur in den atomaren Bereichen.

2.3 Künstliche Steuerung der Fallgeschwindigkeit und sichere Messung kleiner Größen in der Nanodimension und an der Grenze des atomaren Bereiches

Die Fallgeschwindigkeit des Körpers ist durch die Änderung des Abstandes zwischen der Angriffsstelle der Erdrotation im Träger und der Erdgravitation im Schwerpunkt als der Fallweg von ΔL = 1,45 ± 0,005 mm und durch die Laufzeit t = 226 380 s des Gerätes und der Präzessionsbewegungen zu messen:

ϑ = ΔL/t=0,001 45m/226 380 s = (6,4 ± 0,3).10⁹m/s

Daraus ergibt sich die mittlere konstante Fallbeschleunigung, womit die tiefste Stelle im Zentrum der Präzessionsbewegungen langsam in die Richtung des Erdschwerpunktes vor­ gerückt ist

a=ϑ/t

a = (2,8 ± 0,3).10^-14 m/s²

Die mittlere konstante Gravitationskraft, die das bewirkt, hat bei der angezogenen Masse m = 0,105 kg die mittlere Größe von

F=m a

F= (3 ± 0,2).10^-15N

Die in jeder Sekunde freigesetzte Gravitationsenergie im Fallweges beträgt

ΔW=FΔL

ΔW=(4,3 ± 0,2).10^-18J

Die Energie der Lichtquanten des gelben Lichtes beträgt 3,3.10^-19 J, so daß mit dem beschriebenen Verfahren kleinste Größen der Wechselwirkung der Massen sicher zu messen sind, die man unter den heute bekannten Erfahrung bekanntlich nur bei den Quanteneffekten findet, und durch den Energieaustausch stabiler Prozesse der atomaren Bereiche erfährt.

2.4 Hoher Wirkungsgrad der Energienutzung der Rotationsenergie von 50%

Die geografischen Angaben zur Anordnung sind: Breitengrad 54,05°; Abstand vom Erdmit­ telpunkt ca. 6 365 317 m; Anordnungshöhe: 30 m über Normal; Radius des Breitenkreises bis zum Massenschwerpunkt = Abstand von der Erdachse: x_m = 3 736 961,73 m.

Aus der Tagesperiode t_T= 86 400 s der Achsenumlaufs folgt die Umlaufgeschwindigkeit des Breitenkreises auf Schwerpunkthöhe:

ϑ_m=2πx_m/t_T =271,759 526 m/s

Die Tragstelle des Gewichtes in lotrechter Richtung in bezug des Erdmittelpunktes liegt um 2,52 m über dem Körper, was auf den Radius des Breitengrades projiziert die verkürzte Länge von h = 1,48 m ausmacht, womit sich der Abstand x_H=x_m+ h =3 736 963,21 m der Tragstelle des Gewichtes vor der Drehachse ergibt, und damit deren Umlaufgeschwindigkeit:

ϑ_H=2πx_H/t_T =271,759 634 m/s

Die Differenz der Umlaufgeschwindigkeit der Angriffsstelle der Erdrotation im Träger und der Erdgravitation im Schwerpunkt erhält sich durch den festen Abstand konstant:

Δϑ= ϑ_H - ϑ_m

Δϑ= 0,000 108 m/s

Beide Endstellen werden durch die elastische Faser als Generator der Bewegung zusam­ mengekoppelt. In der einen Stelle läuft die Masse des Körpers um. In der anderen wirkt sie durch ihr Gewicht, wenn man den Weg über die Integration über alle Stellen der Wechselwirkung nicht nehmen will, dann ist das in der Näherung so anzusehen, als wenn zwei Massen parallel um die Erdachse mit konstanter Differenz der Umdrehungsgeschwindigkeit umlaufen. Der dabei wir­ kende konstanter Unterschied der kinetischen Energie beträgt

Δ W=1/2m.Δν²

Δ W=1/2. 0,105 kg.(0,000 108 m/s)²

Δ W=6,1.10^-10 J

Diese Energie steht aus der Rotationsenergie als Energiequelle für die Erhaltung der Bewegung des Körpers zur Verfügung. Die elastische Faser sorgt für den Übergang zwischen den Stellen. Der Wirkungsgrad der Energienutzung drückt sich durch das Verhältnis zur tatsächlich erhaltenen Energie aus:

Die Erhaltungsenergie der Präzessionsbahn des Körpers liegt in den letzten Tagen bei

=3.10^-10 J.

Der Wirkungsgrad der Energienutzung der Differenz der Rotationsenergie bei der Parallel­ bewegung der Angriffsstelle der Erdrotation im Träger und der Erdgravitation im Schwerpunkt durch die Energie der Präzessionsbewegung des Körpers beträgt fast 50%

Die Quelle der kleinen Energie ist die Erdbewegung. Der Nutzungsgrad der Umwandlung der Energie der Erdbewegung in Bewegungsenergie eines Körpers mit einem Fasergenerator ist vergleichsweise also besser als der eines Dieselmotors, der zwischen 36%. . . 45% liegt.

Bezugszeichenliste

TI - Träger (Bockständers im Geländeeinsatz; Gesteinsdecke im Stollen; Balken im Gebäude/Labor; Rumpfspant im Luftfahrzeug/auf dem Wasserfahrzeug; usw.)
TI-K - Tragkopf, möglichst in alle Richtungen verstellbar; z. B. ein Kugelkopf, an dessen unteres Tragteil Halteschrauben und Führungsmuttern anzuschrauben sind
TI-H - Haltschraube(n), Führungsmutter(n)
TI-S - Führungssplint, oben, z. B. einschiebbarer Präzisionssplint mit Greifspalt für die Trag­ faser und mittiger Paßöse für festen Fasersitz; oder in die Führungsmutter eingelassenes, mit Tragfaser und Führungsmutter aus dem Fasersatz zu nehmendes neues Bauteil
TI-Ö - Paßöse (Paßloch/Führungsöffnung in Führungssplint/Führungsmutter)
T2 - elastische Tragfaser zur Kraftkopplung/Generator der automatischen Präzessionsbewegung
T3 - Körper der neutralen Masse, die mit der Faser in der Präzessionsbewegung erhalten wird
T3-S - Führungssplint, unten, z. B. durch eine Bohrung quer durch den Körper der Masse mitten durch die senkrechte Führungsbohrung darin zu schieben, so daß die im Bohrkanal einhängende Traglaser dabei erfaßt wird, und zum Paßloch gleitet)
T3-Z - Zeiger, z. B. unter dem Körper angebracht zur punktgenauen Beobachtung der Präzessionsbewegung
T3-0 - Zeigerspitze (mögliche Meßstelle/sicherer und bequemer Bezugspunkt)
T4 - Peripherie der Meßgeräte für die unabhängige Messungen der Schwingung, Schwebung, und Bahnbewegung des Körpers, und der Einflüsse der Umgebung
T4-M - Meßtisch
T4-S - Standard-Meßgeräte, (Thermometer, Barometer, Hygrometer, Kompaß, Nivellier­ instrument für Überwachung der Umgebung bei Langzeitmessung der Präzessionsbewegung
T4-G - Beobachtungs-Meßgeräte, (Doppel-Lupe zur Beobachtung der Zeigerregion, der Form der Bahnbewegung; Zeitmesser zur Messung der Dauer der Übergänge in Stellen des Schwebens (Schwebungsdauer); Fernrohr zur Fernbeobachtung; Mikroskop mit angeschlossener Kamera zur Signal-Fernübertragung, usw.
T4-E - Endmaß zur Differenzmessung des Zuwachses der Länge und des Abstandes z. B. Meßkeil für die Messung der laufenden Änderung des Abstandes zwischen Oberkante Meßtisch, oder Meßblatt, oder Meßschraube, oder Interferometer, oder Laserlaufzeitmesser

Ausführungsbeispiel und Meßwerte Automatisches Gravitationspendel Technische Daten der Anordnung

• - Faserdurchmesser: 0,2 mm
• - Anfangshöhe des Ruhepunktes in der Tragstelle über dem Schwebungspunkt und Schwerpunkt: ca. 2,52 m
• - Stabilität der Schwebungsperioden zwischen 23. und 26 April: ca. 140 900 erzeugte Schwebungen
• - stabil in Bewegung erhaltene Masse des Steuerkörpers: 0,105 kg
• - Faserlagerung: in Stahlführungssplinten, mit Tragöse in Steuerkörper und Haltemutter
• - Umgebung: Luft; Temperatur: ca. 25°C; Gerätestandort: ca. 30 m über Meeresspiegel
• - Messung der Verschiebung des Schwebungsniveaus: mit Meßkeil; Toleranz < 0,01 mm
• - Zählung der Schwebungen in bezug auf Bahnumkehrungsstellen: optische Ablesung, mittels Doppellupe
• - Toleranz der Zeitmeßgenauigkeit einer Beobachtungsreihe: < 0,01 Sekunde

Tabelle AP-01

Tabelle AP-02

Tabelle AP-03

Tabelle AP-04

Tabelle AP-05

Tabelle AP-06

Tabelle AP-07

Anwendungsbeispiel des automatischen Gravitationspendels Verkleinerung der Toleranz und Erhöhung der Sicherheit der Messung durch Erzeugung dauerhafter freier stabiler Bewegungen im Schwerefeld und Zusammenfassung der Größen nach vergleichbaren Momenten der Wirkung

Tabelle AP-1

Die Erhöhung der Meßsicherheit zeigt sich im kleineren mittleren Fehler der Größen, die bei der Langzeit­ messung von über 140000 Schwebungen in weniger als drei Tage zuverlässig vergleichbar mit der gleichen Anordnung, und in bezug periodisch wiederkehrender fester Momente des Tages zu messen sind. Alle Mittelwerte dieser Größen weisen charakteristischerweise kleinere Fehler auf, als der damit bestimmte Tagesmittelwert besitzt. Dieser hat größere mittlere Fehler bei jeder Größe. Er ist prinzipiell unsicherer bestimmt Beispiel: Der Fehler des Tagesmittelwerts der Fallbeschleunigung von ± 0,0084 m/s² ist doppelt so groß wie der Fehler von ± 0,0047 m/s² der unsichersten Messung an einem bestimmten Tagesabschnitt (Vormittag). Darin zeigt sich die praktische Bedeutung für Präzisionsmessungen: Mit Langzeitmessungen mit automatischen Gravitationspendeln ist zu besonders sicheren Messungen und verläßlichen genauen Meßgrößen zu kommen.

Anwendungsbeispiel des automatischen Gravitationspendels Messung kleiner Wirkungsgrößen langsamer periodischer Änderungen der Gravitation durch die Bildung der Differenz prinzipiell getrennt nach vergleichbaren Momenten der Wirkung der Gravitation in einer Langzeitmessung sicher gemessener Größen

Tabelle AP-2

Die mit dem Gravitationspendel ermittelte Größe der täglichen Änderung der Fallbeschleunigung auf der Erdoberfläche von etwa 0,0048 m/s² (= 0,0082-0,0039) liegt bei 80% der schwerpunktbezogen bestimmten Gravitationsbeschleunigung zwischen Erde und Sonne; - also Übereinstimmung in der Toleranz. Darin zeigt sich die praktische Bedeutung des Verfahrens: Mit Langzeitmessungen mit automatischen Gravitation pendeln ist auf der Erdoberfläche zu Meßgrößen zu kommen, die sonst nur durch astronomische Beobachtung zu erfahren sind, oder die sonst nur in bezug nicht direkt meßbarer Massenpunkte zu bestimmen sind.

Claims (5)

1. Automatische Kraft- und Arbeitsmaschine mit Gravitations- und Rotationsantrieb sowie Gravitationsmeßgerät mit einer konstanten Präzessionskraft als Antriebskraft der neutralen Masse eines Körpers zur Erzeugung hochkonstanter Schwingungen und Schwebun­ gen in Präzessionsbahnen in der Mikro- und Nanodimension und für die Präzisionsmessung der Größen der langsamen Änderung der Wechselwirkung starker Gravitationskräfte großer Mas­ sen (kosmische Gravitation) und schwacher Gravitationskräfte kleiner Massen (Mikrogravitati­ on) auf der Erdoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Präzessionskraft (F_p), die auf jeden unter dem Pol mit der Erdoberflä­ che mitbewegten Körper wirkt, und die aus der Radialkraft (F_a), die ihn senkrecht zur Erddrehach­ se zieht, und aus der Schwerkraft (F_g) resultiert, die ihn lotrecht zum Erdschwerpunkt zieht, erfindungsgemäß technisch genutzt wird als die Antriebskraft und Energiequelle der selbsttäti­ gen automatischen Bewegung einer elastischen Faser von mittlerem konstanten Präzessions­ winkel (Γ), der in erster Ordnung proportional dem Verhältnis der Radialkraft der umlaufenden trägen Masse zur Gravitationskraft der schweren Masse ist, (arc tan Γ ∼ F_a / F_g), oder dem Verhältnis der Umlaufbeschleunigung a um die Erdachse auf dem Breitengrad der Präzessionsmaschine zur Gravitationsbeschleunigung g zum Hauptmassezentrum im Schwer­ punkt der Erde (arctan Γ ∼ a/g), dazu wird das Gewicht des Körpers mithilfe einer elastischen Verbindung auf einen massiven Träger in eine nicht in einem Lager oder in einer Schneide bewegliche Laststelle von möglichst kleinem Querschnitt verlegt, so daß diese Stelle relativ zur Erdoberfläche ruht, und wobei mit der Zugkraft der Faser die elastische Gegenkopplung zur Anziehungskraft der Erdgravitation hergestellt wird, weiche in der schweren Masse des von der Faser in jeder Richtung frei beweglich getragenen Körpers angreift.

2. Anordnung zur Erhaltung des festen Abstandes zwischen der Angriffsstelle der Radial­ kraft am Träger (T1) und der Schwerkraftin der Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die höhere Stelle mit einem Stativ (geschaffen wird, z. B. mit einem Dreibock aus Stahlprofilen, (Zeichnung 1), oder mit einem Ankerin der Decke eines Hohlraums im massiven Gestein, (Zeichnung 8) oder in einem Bauwerk, usw., wobei leichtauswechselbare Halterungen im Körper (T3) und im Trägerkopfteil die Faseraufnehmen, z. B., Stahlstifte (T-S) mit Stahlösen (T-Ö), die in das Kopfteil und in den Körper (T3) geschoben werden, so, daß die Faser beim Einschieben erfaßt wird und in die Öse gleitet, welche sich oben und unten konusartig öffnet, (Zeichnung 2) so daß ein präziser und fester Sitz und die freie Beweglichkeit erreicht wird.

3. Verfahren zur Durchführung der elastischen Kraftkopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine leichtbiegsame, schwach dehnbare Faser von stetig veränderlichen Elastizitätsmodul als der Generator, als der die Präzessionsbewegung erhaltende Motor der Kraft- und Arbeitsmaschine eingesetzt und verwendet wird, damit wird erreicht, daß die vielen kleinen Präzessionswirkungen längs der mit hoher Zugkraft gespannt gehaltenen Faser, die nicht direkt zu messen, weil sie in jedem Volumenelement als eine zu kleine Größe wirken, zu sammeln, und zu einer großen Wirkung zu verstärken sind, das damit möglich ist, weil die Radialbeschleunigung als die eine Komponente der Präzessionsbeschleunigung jedes Element in annähernd demselben mittleren Winkel zur Erdachse zieht, und weil die Gravitationsbeschleunigung als die andere Komponente der Präzessionsbeschleunigung jedes jedes Element ebenfalls in annähernd konstant bleibendem mittlerem Winkel zum Erdschwerpunkt zieht; vorzugsweise wird als Generator und Motor der Präzessionsmaschine eine feste elastische Verbindung von hoher Zugfestigkeit, kleiner Biegesteifig­ keit, und von stetig veränderlichen Elastizitätsmodul in Form einer Festkörperkopplung verwendet, wobei im Gegensatz zu Faden- und Torsionspendeln erfindungsgemäß auch stets ein kompletter Satz vorgefertigter, leicht austauschbarer, gleichartiger, leicht biegsamer, schwach dehnbarer, hochzugfe­ ster, und hochelastischer Fasern von beim Einsatz stetig abnehmendem Elastizitätsmodul zum Einsatz kommt, wobei die Vorzugslösung der in wirtschaftlicher Weise durch ein gleichartiges Herstellungsverfahren mit gleichen Eigenschaften in großen Losgrößen anzufertigende Fasersatz ist, dessen einzelne Faser in der aktiven Phase des Generatoreinsatzes zur Erbringung der Präzessions­ arbeit den Bereich der Elastizitätsmodule der Metalle von Federstahl bis Weichmetall durchläuft, und die dann ausgetauscht wird, wenn die Elastizität verbraucht ist, und der Wirkungsgrad der Energienut­ zung nachläßt, so daß damit praktisch nicht mehr zu arbeiten ist, außer vielleicht für Meßzwecke; dann wird gegen eine neue gleiche Faser oder neue andere Faser aus dem vorgefertigten ganzen Satz ausgetauscht, wobei der Wechsel in wirtschaftlicher Weise mithilfe der am Träger und am Körper leicht zu lösenden Halteteile sicher und leicht möglich ist, womit die Arbeit mit gleichen Anfangsparametern, oder mit beliebigen neuen, sicher definierten technischen Kenngrößen wieder aufzunehmen ist.

4. Gravitationsmeßgerät für die Messung langsamer Änderungen des Gravitationsfeldes, und kleinster Größen der Mikrogravitation nach Anspruch 1, 2, und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Periode der Präzessionsbewegung getrennt nach der Schwingung der Masse zu dem Hauptgravitationszentrum, in der Regel in die tiefste Stelle in der Richtung des Erdschwerpunktes, und nach der Schwebung der Masse zu einem starken, aberfernen Nebengravitationszentrum, z. B. in der Richtung der Sonne, oder zu einem nahen, aberschwach anziehenden Mikrogravitationszentrum, z. B. In Richtung einer höher angeordneten Masse (Zeichnung 3), und nach der Drehung und Umlaufbewegung der Masse in der Präzessionsbahn über eine längere Zeit über Stunden, Tage und Wochen durchgeführt wird, daß die täglich regelmäßig gemessenen Größen der Perioden und der Umlaufbahn für vergleichbare Momente dann zu Periodenmittelwerten und Bahnmittelwerten zusammengefaßt werden, (Tabelle AP-1), und daß dann die Differenz dieser direkt gemessenen, und in bezug auf vergleichbare Momente und Ortesichervergleichbare Periodenmittelwerte gezogen wird (Tabelle AP-2); damit sind kleinste Größen der langsamen Änderung des Gravitationsfeldes sicher zu messen, und kleinste Größen der Mikrogravitation naher Massen festzustellen sowie technisch zu nutzen.

5. Verfahren zur Messung der Schwingung der Masse um die Symmetrieachse der Präzessions­ bahn in Stellen und Momente des kürzesten Abstands vom Erdschwerpunkt und der Schwebung in weiteste Stellen der Präzessionsbahn und Momente des kürzesten Abstandes von der höher liegenden Angriffsstelle der Radialkraft, sowie der Längenmessung des Zuwachses des festen Abstandes zwischen der Angriffsstelle der Radialkraft und der Schwerkraft, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen mit unabhängigen Meßgeräten und Meßvorrichtungen getrennt durchgeführt werden wie für völlig unabhängige Bewegungen, denn es gibt in der mit dem Verfahren nach Anspruch 1 erzeugten Präzessionsbewegung im Gegensatz zu den mechanischen Bewegungen der Körper keinen Ruhepunkt in der unaufhörlichen Bewegung, so daß das technisch sicherste Verfahren für die scharfe Beobachtung darin besteht, die Schwebung in hohe Stellen, die Schwingung in tiefe Steilen, und die Umdrehung in den Bahnstellen durch unabhängige Messungen und Meßverfahren zu erfassen, dabei geschieht die Längenmessung immer doppelt, einmal durch die Absolutmessung des Abstandes zwischen der Angriffsstelle der Radialkraft in der Tragestelle des Gewichtes und der Schwerkraft im Schwerpunkt, wobei gleichzeitig in umgekehrter Richtung die Differenzmessung des Abstandes vorgenommen wird, z. B. zwischen dem Meßtisch und der Unterkante des Körpers, die Überlappungssteile des Maßstabes von oben und des Maßstabes von unten wird als Nullstelle markiert, von der ab diesem Zeitpunkt dann die Änderung des Abstandes gemessen wird, für die Differenzmessung wird ein Laserinterferometer benutzt, oder ein Meßkeil, (Zeichnung 4) was den Vorteil hat, daß die Berührungen genau im tiefsten Punkt der Schwingung erfolgen, und dadurch sicher zu messen sind; bei der Messung der Schwebung werden Eichumgebungen mit nahen Masse als Mikrogravitationsquelle angeordnet, die etwas erhöht über dem frei bewegten Körper stehen (Zeichnung 3); mit dieser erfindungsgemäßen Kombination der Meßverfahren wird erreicht, daß die langsame Änderung des Abstandes und die sehr kleine Größe der Fallbewegung im Schwerefeld direkt zu messen ist, und daß mit den Meßgrößen der Präzessionsbewegung sicher in die atomare Größenordnung zu kommen ist.