DE19822538A1 - Mehrwellentorsionsgetriebe und Torsionsmaschine mit Feldkraftantrieb - Google Patents

Abstract

Torsionswaagen und Torsionsschwingungsgeräte gehören zu den genauesten und empfindlichsten Prüf- und Meßgeräten in Wissenschaft und Industrie. DOLLAR A Der allgemein bekannte Nachteil dieser Geräte ist, daß ein Torsionsfaden zwar ein Richt- und Drillmoment bringt, aber kein Kipp- und Biegemoment aufnehmen kann. DOLLAR A Es ist darum wünschenswert, ein Torsionsgerät zu besitzen, das beides leistet. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem elastischen Torsionsgetriebe aus mehreren Torsionsfasern gelöst. DOLLAR A Dabei bringt das Drillmoment aller in einem starren Rahmen vertikal gespannten Fasern das resultierende Richtmoment für die freie Torsionsschwingung eines starren Dreharms um die vertikale Achse, und die Differenz der vertikalen Zugkräfte (F¶1¶, F¶2¶) bringt das Hebemoment auf, womit das Kippmoment des Übergewichtes (F¶z¶) eines schweren Körpers an der Spitze des Dreharms abgefangen, und dieser im schwebenden Gleichgewicht erhalten wird. DOLLAR A Das Resultat ist eine Mehrwellentorsions- und Schwebemaschine, die so genau arbeitet und so empfindlich funktioniert, daß damit die schwache Kraft und Energie der Wechselwirkung natürlicher Kraftfelder, wie der Sonnenanziehung, mit der schweren Masse des übergewichtigen schweren Körpers, als Antriebskraft und Antriebsenergie für Torsionsschwingungen zu nutzen ist. DOLLAR A Mehrwellentorsionsgetriebe sind für die Material- und Werkstoffprüfung, die Erdbebenwellenmessungen, für Meß-, Steuer- und Regelgeräte, für die Umwandlung von Feldenergie in ...

Description

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft Mehrwellentorsionsgetriebe und Torsionsmaschine mit Feldkraftantrieb.

Bekannte technische Lösungen in Industrie und Meßtechnik

Mit Torsionsschwingungsgeräten für die Erzeugung von Torsionskräften für die Werkstoff- Prüfung, wie sie nach DIN 53 445 für die Bestimmung von Schubmodul, Scherung, Steifheit, u. a. Material-Kenngrößen von der chemischen Industrie eingesetzt werden, sind freie Torsionschwingungen anzuregen.

Torsionswaagen - oder Drehwaagen, oder Torsionspendel - sind hochempfindliche Meßge­ räte. Dabei wird die geringe Verdrillungskraft eines dünnen Drehfadens zur Messung kleinster Kraftmomente genutzt.

Gemeinsame Kennzeichen dieser allgemein bekannten technischen Lösungen sind:

• a) Es gibt nur eine Torsionswelle. Ein Torsionsschwingungsgerät hat einen Torsionsstab; die Drehwaage einen Torsionsfaden.
• b) Die Torsionswelle ist an einem Ende fest eingespannt, das andere Ende hängt frei beweglich ins Schwerefeld. - Hierbei gibt es vielfältige Variationen.
  • - Bei Werkstoffprüfungen bildet der Probekörper die Torsionswelle, und die Schwungscheibe kann unten angehängt, oder oberhalb befestigt sein; diese ist von homogener Dichte, und symmetrischer Form. - Das Prinzip geht aus Fig. 4 und Fig. 5 auf Zeichnungs-Blatt 4/7 hervor.
  • - Am frei beweglichen unteren Ende des Fadens der Torsionswaage hängt ein Waagebalken im Massengleichgewicht. An den Balkenenden hängen die Probekörper.
  • - Am Querbalken der Drehwaage von EÖTVÖS (1900) hängen zur Messung der räumlichen Variation der Feldstärke des Schwerefeldes neutrale Körper.
  • - Am Sternbalken des Torsionspendels von BRAGINSKI/PANOW (1972) sind Aluminiumstücke und Platinstücke befestigt; das Drehkreuz erhält sich im Massengleichgewicht. - Das Prinzip dieser Lösungen veranschaulichen die Fig. 6 und die Fig. 7 auf Zeichnungs-Blatt Nr. 5/7.
  • - Magnetische Drehwaagen funktionieren entsprechend mit magnetischen Körpern an Torsionsbändern; heute werden sie kaum noch verwendet.
  • - Elektrostatische Drehwaagen besitzen einen Drehwaagestab aus Isoliermaterial, woran elektrisch geladene Körper anzuhängen sind. Sie werden nur noch für Demonstrationszwecke in Lehre und Experimentalphysik verwendet.

Die technische Aufgabe der Schaffung eines Feldkraftantriebes mittels Torsionsgetriebe

Ein allgemeines Kennzeichen dieser bekannten technischen Lösungen ist, daß die Drehachse durch die neutrale Faser des Torsionsfadens, und die verlängerte vertikale Schwere­ linie durch den resultierenden Schwerpunkt des Torsionskörpers - des Waagebalkens, des Drehkreuzes, der Schwungscheibe, usw. - praktisch immer deckungsgleich zusammenfallen. Der Grund ist, daß ein dünner Faden nur geringe Widerstandskraft gegen Umbiegen hat. Es genügt ein geringes Übergewicht, und der Waagebalken kippt. Die Torsionswaage funktioniert also nicht, wenn der Schwerpunkt des Torsionskörpers außerhalb der Drehachse liegt.

Genau das ist aber die Bedingung, deren Erfüllung für die Schaffung eines Feldkraftan­ triebs physikalisch prinzipiell zu fordern ist, der mit Kraftmomenten beliebiger Kraftfelder funktioniert, also auch mit denen neutraler Kraftfelder. Dieser ist wichtig, um Wirkungen auch solcher Kraftfelder zu nutzen, die auf der Erdoberfläche im Vergleich zum Schwerefeld zwar schwach, aber in jedem Moment und an jedem Ort stetig wirken. Durch die technische Lösung dieser Aufgabe ist z. B. das Kraftfeld der Sonne zur Energiequelle eines solchen Feldkraftan­ triebs zu machen.

Daß das bekannte technische Prinzip der Drehwaage dafür keine Anknüpfungspunkte bietet, veranschaulicht die Fig. 9 auf dem Zeichnungs-Blatt Nr. 6/7: Der Versuch, mit der Anziehungskraft der Sonne ein Drehmoment zu erzeugen, muß physikalisch notwendig ein negatives Ergebnis haben, weil der Angriffspunkt der resultierenden Anziehungskraft der Sonne im Schwerpunkt des angezogenen Körpers liegt. Fallen also Schwerpunkt des Körpers, und Drehachse des Körpers, wie bei der Drehwaage der Fall, in jedem Moment zusammen, dann wirkt das Kraftfeld zwar in jedem Moment linksdrehend und rechtsdrehend beschleunigend. Aber es erzeugt genau entgegengesetzt drehende Kraftmomente.

Daher gleichen sich diese Kraftmomente im Resultat für den ganzen Drehkörper aus. Darum verharrt der Drehbalken der EÖTVÖS-Waage, oder das Torsionspendel von BRAGINSKI/­ PANOW, bis zur hohen Meßgenauigkeit von 10^-9 bzw. 10^-12 für den Beobachter im Zustand der Ruhe und des Gleichgewichtes.

Von der schwachen, stetigen, stabilen Wirkung des weitreichenden Sonnenkraftfeldes auf die Massen der Körper im Schwere- und Rotationskraftfeld der Erde ist auf diese Weise physikalisch nichts zu erfahren.

Zwar erzeugt das Kraftfeld der Sonne auf der Erde in jedem um eine feste Mitte drehenden oder tordierenden Körper schwach links- und rechtsdrehende Teil-Drehmomente. Nur, direkt zu erfahren sind diese Teil-Momente mit Anordnungen wie Drehwaagen physikalisch nicht, weil sich das links- und das rechtsdrehende Moment, teils wegen der Parallelität der Anzie­ hungskräfte in der Richtung einer sehr fernen Quelle eines weitreichenden Kraftfeldes, teils wegen der Symmetrie des Körpers bezüglich der Drehachse, in jedem Moment gegenseitig aufheben. Darum ist mit Geräten, die nach dem Prinzip des Torsionsschwingers und der Torsionswaage arbeiten, keine Torsionsmaschine mit Feldkraftantrieb zu bauen. Damit sind freie Torsionsschwingungen immer nur für eine bestimmte Zeitdauer anzuregen.

Daß es physikalisch und technisch im Prinzip möglich ist, einen Feldkraftantrieb zu schaffen, der mit dem Kraftfeld der Sonne langsame freie Torsionsschwingungen von einer Viertelperiode von etwa 6 Stunden stabil anregt und aufrecht erhält, das zeigt anschaulich die obere Fig. 8 auf Zeichnungs-Blatt Nr. 6/7.

Die wichtigste Voraussetzung, um diese Möglichkeit technisch zu nutzen, liegt in der Schaffung einer Anordnung, womit der Drehpunkt, worum die Drehung des Körpers und Torsionsschwingung gegen eine elastische Rückstellkraft erfolgt, und der Massenschwer­ punkt des Körpers, worin die Anziehungskraft der schweren Masse der Sonne (und der natürlich auch der schweren Masse der Erde!) angreifen, voneinander zu trennen sind.

Mit einem Torsionsfaden, wie bei der Drehwaage, oder mit einem Torsionsstab, wie beim Torsionsschwingungsgerät, ist das technisch offenkundig nicht zu schaffen.

Trennen muß man aber, weil nur so zwischen Drehpunkt und Schwerpunkt der nötige Abstand r_s zu legen ist, der den "Kraftarm" bildet, um den die zur Sonne anziehende Feldkraft F_A außerhalb des Drehpunktes angreifen, und ein Kraftmoment erzeugen kann, daß das elastische Rückstellmoment der Torsionsachse des Torsionsgetriebes überwindet. Nur so kommt eine physikalisch sicher beobachtbare, und technisch zuverlässig reproduzierbare Dreh- und Torsionsbewegung zustande. Das ist der einzige Weg, um ein technisch nutzbares Kraftmoment M_A durch eine derartige Feldkraft als Antriebskraft

M_A = F_A r_s

zu erzeugen. Die Größe des Moments ist bestimmt von der Größe der Anziehungsbe­ schleunigung g_s des Sonnenkraftfeldes auf die Masse in und vom Abstand r_s zwischen Schwerpunkt und Drehpunkt des Körpers

M_A = m g_s r_s.

Die wirkende Feldkraft ist dabei bestimmt von der Größe der angezogenen Masse und von der Größe der Anziehungsbeschleunigung des Kraftfeldes

F_A = m g_s.

Die schwierige Aufgabe, die technisch zu lösen ist, liegt nun darin, eine Anordnung zu schaffen, womit die viel stärkere Feldwirkung der Schwerkraft, die durch die Schwerebe­ schleunigung g_z durch das Übergewicht F_z des Körpers durch ein Kippmoment in Richtung der Erdoberfläche wirkt,

M_z = m g_z r M_z = F_z r

in jedem Moment der Dreh- und Torsionsbewegung stabil zu kompensieren ist, so daß der Körper nicht zur Erde fällt, sondern im Schwerefeld der Erde andauernd in festem Abstand um die Drehachse frei schwebt, und darum leicht und ungestört dreht. Dabei sind auch Störkräfte abzuhalten, bzw. zu dämpfen. Insbesondere das unstetige Kraftspiel mechanischer Reaktionskräfte beim Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung in einem beweglichen Lager infolge Oberflächenreibung zu unterdrücken ist dabei sehr wichtig, beispielsweise durch eine geeignete Gestaltung der Torsionswellenlager. Wenn das alles gelingt, dann ist die Aufgabe zu lösen, und die gefundene Anordnung funktioniert dann als eine Torsions- und Schwebemaschine mit einem Feldkraftantrieb.

Beschreibung des Mehrwellentorsionsgetriebes und der feldkraftgetriebenen Torsionsmaschine Aufbau und Funktionsweise eines elastischen Getriebes für die Erhaltung eines übergewichtigen Torsionskolbens im Schwebezustand

Die erfindungsgemäße technische Lösung, wie im kennzeichnenden Teil des Patentanspru­ ches beschrieben, wird nachfolgend näher beschrieben und erläutert.

Zuerst wird die Anordnung - dazu Fig. 1, 2, 3 - im Zusammenspiel ihrer Hauptbauteile gekennzeichnet, und deren Funktionsweise wird kurz charakterisiert. Anschließend werden unterschiedliche Vorzugslösungen näher beschrieben. Dann werden verschiedene Teile der Lösungen durch ausgewählte Angaben näher beschrieben. Abschließend werden Ausführungs­ beispiele charakterisiert, und einige mit Prototypen erhaltene Ergebnisse genannt.

Die Anordnung, womit im Schwerefeld der Erde ein schwerer Körper in festem Abstand um die Drehachse andauernd im Zustand der Schwebung stabil zu erhalten ist, besteht aus einem starren unbeweglichen Rahmen, worin ein elastisches Getriebe aus mehreren Fasern Zugkräfte und Torsionskräfte auf einen beweglichen starren Träger überträgt. Erfindungsgemäß ist an der einen Seite dieses Träger ein schwerer Körper montiert, und an der anderen freien Seite nehmen unbewegliche feste Lager; wie Bohrungen, worin die Faser an dem einen Bohrungsaustritt rutschfest festsitzt, bzw. einklemmt, und an dem anderen Lochende in alle Richtungen frei biegsam austritt, die Torsionsfaser auf. Die Wirkungsweise des Getriebes und die wichtigsten Bauteile der Anordnung sind in Fig. 1 (Blatt 1/7) zu sehen: Die obere Faser wird zwischen Kolben und freiem Ende des Trägers verankert; die untere Faser wird zum freien Ende des Trägers hin dahinter in möglichst kleinem Abstand "a" verankert. Die obere Faser ist etwa so lang, daß sie bis zur Mitte des Rahmens reicht. Mittels einer Spannvorrichtung wird nach dem Einhängen der Fasern in die Lager die untere Faser straff gespannt. Dadurch beginnt sich auch die obere Faser zu straffen, und nach dem Erreichen der Dehngrenze beginnt deren Lager als Hebellager zu wirken, worum die entgegengesetzte Seite des Trägers mit dem schweren Kolben durch immer weiteres Spannen der unteren Faser hochzuhebeln ist, bis dieser in der Horizontebene stabil schwebt. In diesem Moment ist der stabile Schwebezustand in der Horizontebene um die vertikale Torsions- und Drehachse zwischen den Lagern erreicht. Die Drehachse verläuft dabei ungefähr in der Mitte zwischen den Lagern im Träger, und geht etwa durch die Mitte der Lager im Rahmen.

Um diese Achse schwingt der schwere Kolben in diesem Zustandjetzt mit kleinster Kraft, weil die Wirkung des Schwerkraftmomentes durch das vom elastischen Getriebe aufrecht erhaltene Gegenmoment nun vollständig kompensiert wird.

Er hat jetzt nur noch das kleine Verdrillungsmoment der Fasern zu überwinden, das ihn in der Schwebungs- und Drehebene in einer bestimmten festen Richtung festzuhalten bestrebt ist. Darum dreht und bewegt sich der schwere Torsionskörper unter der Wirkung eines kleinen Kraftmomentes einer schwachen Feldkraft, das damit zum Antriebsmoment wird.

Damit ist die technische Aufgabe gelöst: Der Feldkraftantrieb des Kolbens kann in der Horizontebene als die Torsionsschwingungsebene unter diesen Bedingungen mit der Kraft und dem Kraftmoment beliebiger kraftfelderfunktionieren, die stark genug wirken, die resultierende kleine Verdrillungskraft durch das resultierende kleine Rückstellmoment aller straff gespannten elastischen Fasern des Torsionsgetriebes zu überwinden.

Die Instabilität unstetig wechselnder Reibungskräfte beim Kraftschluß im beweglichen drehbaren Lager ist erfindungsgemäß durch die Beschränkung auf die Haftreibungskraft eines unbeweglichen elastischen Lagers unterdrückt worden, welche den Form- und Kraftschluß von Faser und Unterlage unterstützt.

Mit der Verwendung des unbeweglichen elastischen Torsionslagers wird das Ziel erreicht, daß sich kleinste Wirkungen stetiger Feldstärkeänderungen ungestört durch unstetige Kraftspiele, wie sie im Dreh- oder Kipplager nicht zu umgehen sind, summieren, was den Torsionskolben erfindungsgemäß in eine entsprechende stetige Bewegung versetzt, sobald die Summe aller solcher an sich unmeßbar kleinen Wirkungen auf einem bestimmten festen Niveau der Gesamtwirkung angekommen ist, so daß ein Kraftmoment entsteht, daß größer ist, als die Gegenwirkung des Richtmomentes des elastischen Torsionsgetriebes. Die technische Ausführung des erfindungsgemäßen Torsionswellenlagers als ein unbe­ wegliches festes elastisches Lager ist damit offenkundig: Es kann z. B. als eine Führungsbohrung mit Konus-Klemmsitz für die Faser ausgeführt sein. Wälzlager, Schneidenlager, Kugellager, u. ä. bekannte bewegliche Lager erfüllen im Gegensatz dazu die eben genannten charakteristischen Anforderungen und Kennzeichen als elastische feste Lager eines elastischen Mehrwellentorsionsgetriebes für eine Torsions- und Schwebekörpermaschine nicht.

Das eben genannte Kennzeichen ist beim heutigen Stand der Technik ein charakteri­ stisches Unterscheidungsmerkmal einer Schwebe- und Torsionsmaschine mit elastischem Mehrwellentorsionsgetriebe (Patentanspruch 1) und eines elastischen Mehrwellentorsions­ getriebes (Patentanspruch 2) für die Werkstoffprüfung. Bei der zweiten unter Schutzanspruch gestellten erfindungsgemäßen Lösung ist man insoweit variabel, es kann gegebenenfalls auch das bewegliche Lager im Mehrwellentorsionsgetriebe eingesetzt, und verwendet werden. Das richtet sich danach, was genau erreicht werden soll.

Mit den ersten Prototypen haben sich Richtgrößen ergeben von etwa 0,001 N je 1° Drehwinkel für um die Torsionsachse horizontal frei schwebende schwere Körper von 0,31 kg Masse. Mit auf dem schwebenden Kolben mitgeführten Laserstrahlern sind Winkelauflösungen von 0,010, selbst unter ungünstigsten Erprobungsbedingungen, zu schaffen. Das bedeutet, mit dieser Lösung sind Feldbeschleunigungen des Kolbens im Echtzeitbetrieb - also nicht statistisch gemittelt - physikalisch nachzuweisen, und technisch zu nutzen, die das mittlere konstante Niveau der Gesamtwirkung in Größenordnung von 0,000032 m/s² erreichen.

Damit ist auch physikalisch das Ziel erreicht worden, die Feldstärke des Gravitationskraftfel­ des der fernen Sonne als Kraft- und Energiequelle für horizontale Dreh- und Torsionsbewegungen technisch zu nutzen.

Diese ist, mit der aus der Astronomie allgemein bekannten jahresmittleren Größe von etwa 0,006 m/s² verglichen, immerhin fast das 200fache größer als die Drehbeschleunigung, die im elastischen Getriebe den frei schwebenden Torsionskolben um eine Winkelgröße von 0,01° in die Richtung der Quelle des Kraftfeldes dreht.

Das bedeutet, die Wirkung dieses Sonnenkraftfeldes ist mit der gefundenen Lösung physikalisch sicher zu erfassen, und damit technisch zuverlässig zu nutzen.

Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 (Blatt 1/7) zeigt schematisch eine Zweiwellen-Torsionsmaschine mit Feldkraftantrieb für die Horizontebene des Beobachters.

Der Feldantrieb durch das Kraftfeld der Sonne ist damit durch Dreh- und Torsionsbewegun­ gen des Kolbens anzuzeigen und sichtbar zu machen, von denen sich zeigt, daß sie in einem charakteristischen 6-Stunden-Rhytmus bzw. 12-Stunden-Rhytmus von vergleichbarem Verlauf der Kurven zwischen den Maxima und den Minima der größten Auslenkung nach links und rechts verlaufen.

Fig. 2 (Blatt 2/7) zeigt das Schema einer Vierwellen-Torsionsmaschine. Damit ist die seitliche Torsions- und Drehbewegung zu unterdrücken, und die vertikaleTorsions- und Drehbewe­ gung um die Horizontebene durch vertikale Kraftfeldkomponenten zum Vorschein zu bringen. (Damit sind vertikale Schweregradienten noch sicherer als mit der EÖTVÖS-Drehwaage, oder mit einem der üblichen Federgravimeter, zu messen.) Die Beschwerung des Kolbens mit Nutzlasten (8) bietet dabei ein Beispiel dafür, wie die Torsionsmaschine als "Transportmaschine" für Meßgeräte im Zustand der stabilen Schwebung über der Erdoberfläche praktisch zu nutzen ist: Die Laserstrahler zur Messung des Torsionswinkels sind auf diese Weise Bestandteil der erfindungsgemäßen technischen Lösung. Die Loslösung der Lichtquelle von einer starren Verbindung mit dem Erdboden erhöht nicht nur die Winkel-Meßgenauigkeit. Das eröffnet auch neue technische Wege zur genaueren Messung von Bodenwellen, und von Bewegungen des Erdbodens, bis hin zu Erdbebenwellen. Denn damitverfügt man über eine neue technische Möglichkeit, ungestört über dem Erdboden schwebende feste Bezugspunkte für Messungen überhaupt, speziell aber für Richtungsmessungen mit Strahlungsquellen zu schaffen, die auf dem Torsionsträger fest montiert sind.

Fig. 3 (Blatt 3/7) zeigt das Schema einer Zweiwellen-Torsionsmaschine mit kombiniertem Feldkraftantrieb - durch neutrale Kraftfelder deren Feldstärkeänderung auf die schwere Masse des Standardkolbens (Ak) wirkt, durch magnetische Kraftfelder; deren Feldstärkeänderung auf den mit dem Torsionskolben mitbewegten magnetischen Stoff des Permanent-Magneten (Mg) wirkt, und durch elektrische Kraftfeldei; deren Feldstärkeänderung auf die elektrische Ladung des mitbewegten Kondensators (Ko) wirkt.

Die Stromzuführung für die Laserelektronik, und die elektrische Zuleitung zum Kondensator, besteht aus dünnen Cu-Drähten vom Führungsgestell herab zum Träger. Deren Verdrillungskraft geht damit in die resultierende Richtgröße des elastischen Torsionsgetriebes ein.

Gezieltes Zuschalten oder Abschalten künstlich erzeugter Kraftfelder ist möglich. Auf diese Art und Weise ist eine Vielfalt unterschiedlichster Wirkungen zu erzielen, womit weitere neue physikalische Erfahrungen zu machen sind.

Technische Angaben zu ausgewählten Funktionsstellen

• - Das Führungsgestell (3) wird aus einem nicht magnetischen Material, vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium, angefertigt. - dazu Zeichnung 1 -
• - Die elastischen Torsionswellen (2; 9) bestehen aus synthetischen Fasern, die eine besonders hohe Zugfestigkeit besitzen, und leicht biegsam sind, vorteilhaft sind Geflechte, wie Dyneema, und Material wie Kevlar. Die obere Zug- und Torsionswelle wird darum vereinfachend auch "Tragfaser" , und die untere Zug- und Torsionswelle "Hebelfaser" genannt.
• - Die Tragwellenlager (1, 10; 4, 5), worin die Fasern enden, sind zur Vermeidung von Gleitreibungskräften und Störkräften keine Wälzlager, keine Kugellager, usw. Es sind in der Regel unbewegliche, feste Formschlußlager, z. B. Bohrungen für die Durchführung der Faser, etwas größer als der Faserdurchmesser, mit speziellem Paßsitz der Faser dahinter, teilweise auch noch im Paßsitz verklebt, um Gleitreibung der Oberflächen beim Tordieren und Verdrillen der Fasern ganz sicher auszuschließen.
• - Der Träger (6) für den Feldantriebskolben ist in der Regel ein Metallprofil aus zug-, druck-, und biegefestem Leichtmetall, z. B. ein H-Profil aus Duraluminium, oder ein Profil aus Titan.
• - Der Feldantriebskolben (7) wird aus Material von großer Dichte gefertigt, und als Bleikörper, oder Platinkörper, ausgeführt.
• - Die Spannvorrichtung (11) der Hebelfaser ist im unteren Teil des Führungsgestells angeordnet. Sie wird in an sich bekannter Weise mittels Umlenkrolle und Antriebswalze ausge­ führt. Drehen in Spannrichtung erhöht die Zugspannung der auf die Walze aufgewickelten Hebelfaser. Damit nimmt die Führungskraft F₂ zu, womit der Druck auf das hintere Führungslager (5) des Trägers steigt. Damit nimmt auch die nach oben gerichtete Führungskraft F₁ zu. Im Resultat des Spannens der Führungsfasern ändert sich durch die Wechselwirkung der Führungskräfte das Höhenniveau der Dreh- und Arbeitsebene, und wird der Kolben in die gewünschte Schwebehöhe eingesteuert.
• - Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Übergewichts- und Vertikalkraft F_z des Kolbens und den Führungskräften der Fasern wird mittels des konstruktiv festgelegten Abstandes "a" der Mitte der Lagerstellen (4, 5) der Trag- und Hebelfaser im Träger, und des Abstandes "b" des resultierenden Schwerpunktes bis Mitte Lagerstelle der Tragfaser bestimmt. Die Reißfestigkeit der elastischen Fasern bestimmt die Obergrenze, wie weit zu gehen ist. Der Abstand r_s zwischen Drehachse des Trägers und Angriffspunkt des Übergewichtes der Kolben- und Trägermasse bestimmt sich dabei überschläglich aus diesen Abständen nach der Beziehung
  

Ausführungsbeispiele und Ergebnisse bei Prototypen 1. Zweiwellen - Torsionsgetriebe mit 157 g-Antriebskolben und 5-mm La­ gerabstand der Torsionsfasern

Die Gesamtmasse der Laser, der Einschubhülse des Permantmagneten, des Konden­ sators, der elektrischen Anschlüsse, der Bleikörper, des H-Profils aus Aluminium, und anderer Bauteile des zuerst hergestellten Prototyps beträgt m = 157 g.

Der Abstand zwischen Drehachse des Trägers und Angriffspunkt des Übergewichtes der Gesamtmasse beträgt: r_s = 140 mm.

Der Abstand der Mitte der Lagerbohrungen im Träger beträgt a = 5 mm.

Daraus ergibt sich die Festlegung des Kraftübersetzungsverhältnisses auf b/a = 27.

Damit folgt die mittlere Führungskraft für die Fasern in Größenordnung von F = 42 N.

Tragwelle und Führungswelle sind aus Fasern von gleichem Durchmesser D = 0,3 mm hergestellt.

Daraus ergibt sich die Führungsspannung in jeder Torsionsfaser in einer Größenord­ nung im Mittel bei σ = 4F/πD2 = 600 N/mm².

Mit dieser Anordnung zeigte sich unter anderem das charakteristische Ergebnis, daß die Dauer einer Torsionsschwingung in einem bestimmten Dehnungs- und Tagesabschnitt nicht von der Weite der Amplitude abhängt. Sie bleibt eine mittlere konstante Zeitgröße für beliebige räumliche Ausschläge.

Die Amplitude dauert also die gleiche Zeit für große Horizontal-Amplituden (etwa 3 Millimeter Schwerpunktweg; diese werden künstlich angeregt durch Anstöße) und für kleine Horizontal-Amplituden, die auf natürliche Weise durch Feldkraftantrieb aufrecht erhalten werden (Amplituden unter 0,01 mm bis . . . 0,02 mm Schwerpunktweg). Daraus ergibt sich, daß die Torsionsgeschwindigkeit, die Torsionsbeschleunigung, und die Torsionskraft direkt proportional zur räumlichen Größe der Horizontalamplitude veränderliche Größen sind.

Dabei nimmt die Dauer der Torsionsschwingung mit wachsender Dehnung und Alte­ rung der Faser unter konstant bleibender Zugspannung bei etwa 600 N/mm² stetig ab; zum Beispiel
10.03.98, 17.00 Uhr: 4,941 s
11.03.98, 15.50 Uhr: 4,820 s
12.03.98, 14.38 Uhr: 4,732 s
13.03.98, 20.41 Uhr: 4,634 s
14.03.98, 17.15 Uhr: 4,609 s
15.03.98, 09.45 Uhr: 4,527 s.

Aus diesen Angaben ergibt sich, das etwa eine Woche nach der Einrichtung des Gerätes die relative Verkürzung der Schwingungsdauer um 8,4% in 5 Tagen zu beobachten ist. Nach etwa vier Wochen ist die Dauer der Torsionsperiode auf etwa 4 s, und nach nicht ganz 8 Wochen auf etwa 3,6 s gefallen.

Der mit dieser Anordnung erzielbare maximale Seitenantrieb war auf dem Meßblatt mit etwa 8 mm im 6-Stunden-Rhytmus abzulesen, was einem um die Mittellage schwankenden Schwerpunktweg des 157 g-Antriebskolbens von etwa 0,24 mm entspricht.

Bei einem Torsionswiderstand dieser Anordnung von etwa dem 7fachen der Antriebs­ kraft wäre von einer Feldbeschleunigung von etwa 7×0,000 02 m/s² ∼ 0,00014 m/s² als Antriebsbeschleunigung für die langsame Seitenbewegung auszugehen.

Der Vergleich mit der mittleren Größe von 0,006 m/s² der Anziehungsbeschleunigung der Sonnenmasse und der Erdmasse ergibt, daß diese Größe hier nur zu 2,2% wirksam geworden ist. Das weist auf einen geringen Wirkungsgrad dieser Anordnung für die Energienutzung hin.

Als Schlußfolgerung wurde der zweite Prototyp mit verkleinertem Abstand a zwischen Tragfaser und Hebelfaser, und mit größerer Kolbenmasse gebaut.

2. Zweiwellen-Torsionsgetriebe mit 310 g-Antriebskolben und 2,5-mm Lagerabstand der Torsionsfasern

Die Gesamtmasse der Laser, der elektrischen Anschlüsse, der Bleikörper, des H-Profil aus Aluminium, und anderer Bauteile beträgt: m = 310 g.

Der Abstand zwischen Drehachse des Trägers und Angriffspunkt des Übergewichtes der Gesamtmasse beträgt: r_s = 70 mm.

Der Abstand der Mitte der Lagerbohrungen im Träger beträgt a = 2, 5 mm.

Daraus ergibt sich die Festlegung des Kraftübersetzungsverhältnis auf b/a = 27.

Damit folgt die mittlere Führungskraft für die Fasern in Größenordnung von F = 82 N.

Tragwelle und Führungswelle sind aus Fasern von gleichem Durchmesser D = 0,4 mm hergestellt. Daraus ergibt sich die Führungsspannung in jeder Torsionsfaser in einer Größenord­ nung im Mittel von σ = 650 N/mm².

Charakteristische mechanische Kenngrößen dieser Anordnung sind:
Trägheitsmoment: J = 0,0015 kg m²
Winkel-Richtgröße: -D = 0,0055 mN m/rad
Richtkraft auf den Kolben je 1° Winkeldrehung: F_A = 0,000 97 N/°
konstante Torsionsdauer (Mittelwert 2. Tag): T = 3,30 s.

Der mit dieser Anordnung erzielte Seitenantrieb auf dem Meßblatt beträgt etwa 30 mm im 6-Stunden-Rhytmus; das entspricht einem Antriebsweg des 310 g- Antriebskolbens in der Horizontebene zur Seite um etwa 0,9 mm und einem Drehwinkel von 0,4°.

Die mittlere Größe der Feldkraft, die diese seitliche Bewegung im Verlaufe von 6 Stunden erzeugt, ergibt sich aus der Richtkraft dem Kolbens je 1° Winkeldrehung mal dem direkt beobachteten Drehwinkel

F_A = 0,4°×0,000 97 N/° = 0,000 39 N.

Die den Kolben um 0,4 mm zur Seite bewegende Kraft, dividiert durch die um diese Strecke verschobene Masse des Kolbens, ergibt die mittlere Beschleunigung, womit die Verschiebung erfolgte

a_A = F_A/m = 0,000 39 N/0,31 kg = 0,0013 m/s².

Das ist eine Antriebsbeschleunigung des Antriebskolbens von fast 22% der Anziehungsbe­ schleunigung der Sonnenmasse und der Erdmasse.

Die in Antriebsenergie umgewandelte Feldenergie des Kraftfeldes ist durch die Arbeit zu bestimmen, die das Feld durch die Kraft der Verschiebung des Kolbens längs des Weges des Schwerpunktes um die Drehachse verrichtete:

W_A = F_A s = 0,000 39 N.0,000 9 mg = 3,5 10^-7J.

Die Kleinheit der mit dieser Lösung in Bewegungsenergie umgesetzten Feldenergie ist charakteristisch für Energieumsätze in den kleinsten Raum-Zeit-Bereichen der Materie.

Sie kommt hier aber nicht durch atomare oder molekulare Wechselwirkung kleinster Teilchen, sondern durch langsame stetige Wechselwirkung eines starken Kraftfeldes und einer schweren Masse zustande.

Die kleine Energie solcher stetiger schwacher Wechselwirkungen ist mittels Mehrwellentor­ sions- und Schwebemaschinen mit elastischem Getriebe technisch zu nutzen, was dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Erläuterung der Zeichnungen und der Bezugszeichen Fig. 1 - Mehrwellentorsionsgetriebe mit zwei Wellen

0

Vertikale Drehachse von resultierendem Richtmoment der Rückstell-/Drillmomente aller Torsionswellen/Führungsfasern

0

' Horizontale Drehachse von resultierendem vertikalem Führungsmoment der elastischen Dehn-, Schub- und Zugmomente in der Längsrichtung aller Torsions-/Führungsfasern

1

oberes Torsions-Tragwellen-Lager, oberes Tragfaserlager

2

obere Torsionswelle, obere Tragfaser

3

Führungsgestell

4

unteres Torsions-Tragwellen-Lager, unteres Tragfaserlager

5

oberes Torsions-Führungswellen-Lager, oberes Hebelfaserlager

6

Geräteträger

7

Antriebskolben (neutraler Körper, Bleimasse, . . .)

8

Nutzgeräte (Meßgeräte, Laserstrahler, . . .)

9

untere Torsionswelle

10

unteres Torsions-Führungswellen-Lager, unteres Hebelfaserlager

11

Führungs- und Hebevorrichtung (Spannvorrichtung)

12

Wärmeschutzgehäuse; Schutzgehäuse
F_A

Antriebskraft des Kolbens; Feldkraft, die durch die Feldstärkeänderung des Kraftfeldes durch das Kraftfeld auf den Kolben wirkt
F_Z

Vertikalkraft im Schwerpunkt, Übergewicht auf der Tragwellen-Trägerseite
r Kraftarm (Abstand des resultierenden Schwerpunktes vom Drehpunkt)
F₁

Obere Führungskraft der oberen Torsionswelle
F₂

Untere Führungskraft der unteren Torsionswelle
a Abstand zwischen der Mitte der Torsions-Wellenlager im Träger des Arbeitskolbens der Maschine
b Abstand des resultierenden Schwerpunktes von der Mitte des Torsions-Tragwellen-Lagers.

Fig. 2 - Mehrwellentorsionsgetriebe mit vier Wellen

1

oberes Torsions-Tragwellen-Lager, bestehend aus zwei oberen Faserlagern

2

obere Torsionswelle, bestehend aus zwei oberen Tragfasern

4

unteres Torsions-Tragwellen-Lager, bestehend aus zwei unteren Faserlagern

5

oberes Torsions-Führungswellen-Lager bestehend aus zwei oberen Faserlagern

3

,

6

. . .

8

- wie

Fig.

1

9

unteres Torsionswelle, bestehend aus zwei unteren Führungsfasern

10

unteres Torsions-Führungswellen-Lager, bestehend aus zwei unteren Faserlagern

11

,

12

, . . . F_A

. . . b - wie

Fig.

1.

Fig. 3 - Mehrwellentorsionsgetriebe mit Zusatzgeräten

1

. . .

12

, F_A

. . . b - wie

Fig.

1
+ Potential/Spannungsversorgung zum Aufbau eines elektrischen Kolben Kondensator (Ko) und Ansteuerkondensator (im Gehäuse)
L+ Stromversorgung für die Laserstrahler
Ko Kondensator (elektrisches Nutzgerät elektrischer Zusatz Antriebskolben)
Mg Permanentmagnet (magnetisches Nutzgerät; magnetischer Zusatz-Antriebskolben)
Ak Standard Antriebskolben (wirkt durch schwere und träge Masse eines neutralen Körpers)
La Laseroptik, Laserdiode, und Laserelektronik.

Fig. 4 - Vergleich mit bekanntem normiertem Torsionsschwingungsgerät mit angehängtem Schwungkörper (Fundstelle: DIN 53 445 - Prüfung von polymeren Werkstoffen, Torsionsschwingungsversuch; Herausgeber: Deutsches Institut für Normung e.V., Berlin/Köln 1984)

1

obere Einspannklemme, mit fester Achse

2

Probekörper

3

Wärmekammer

4

Kammergehäuse

5

untere Einsparklemme

6

Verbindungswelle

7

symmetrischer Schwungkörper (Masse ca. 20 . . . 30 g).

Fig. 5 - Vergleich mit bekanntem normiertem Torsionsschwingungsgerät mit entlasteter Torsionswelle (gleiche Fundstelle: nach DIN 53 445)

1

Gegengewicht (zur Entlastung des Gewichtes der Schwungscheibe und des Probenkörpers)

2

flexibler Tragdraht für das Gewicht von Schwungscheibe und Probenkörper

3

symmetrische Schwungscheibe

4

Verbindungswelle

5

obere Einspannklemme (

3

,

4

,

5

: Schwungkörper)

6

Probekörper

7

Wärmekammer

8

Kammergehäuse

9

untere Einspannklemme.

Fig. 6 - Vergleich mit um 1900 bekannter wissenschaftlicher Torsionswaage von R.v. EÖTVÖS (Fundstelle: Die Masse und ihre Messung, E. S. Sawelski, Fachbuchverlag Leipzig, 1977, S. 69)

1

Torsionswelle (Metall-Torsionsfaden von 0,045 mm Durchmesser aus Platin-Iridium-Legierung)
Sp Drehspiegel am Torsionsfaden

2

Drehkörper auf höherem Niveau (am Drehwaagebalken)

3

Drehwaagebalken

4

Gehäuse, Standgestell

5

Wägekörper auf tieferem Niveau (mittels Faser tiefer an den Waagebalkens gehängt)

6

Lichtstrahl zum Spiegel am Torsionsfaden

7

Lichtstrahl zum Ableseschirm (Registrierrolle).

Fig. 7 - Vergleich mit um 1970 bekanntem wissenschaftlichem Torsionspendel von W. B. BRAGINSKI und W. L PANOW (gleiche Fundstelle: wie Fig. 6)

1

Vakuumkammer, Gehäuse

2

obere Halteklemme für die Torsionswelle

3

Torsionswelle (bestehend aus einem Wolfram-Torsionsfaden von 0,005 mm = 5 Mikrometer Durchmesser)

4

untere Halteklemme für die Torsionswelle

5

Drehspiegel für die Messung des Drehwinkels mittels eines Helium-Neon-Laserstrahls (wird damit auf eine laufende Filmtrommel umgelenkt)
Pt Platinkörper
Al Aluminumkörper.

Fig. 8 - Zum Wirkungsprinzip der erfindungsgemäßen Mehrwellentorsions- Lagerung

0

Drehachse
K übergewichtiger Torsionskörper relativ zur Drehachse, Ausrichtung der Drehachse: Parallel zu den Schwerelinien des Erdschwerefeldes am Ort
r Abstand der Drehachse von der Schwerelinie durch den Massenmittelpunkt des Torsionskörpers = "Kraftarm" des wirkenden Feldkraftmomentes
g_s

Feldstärke der Massenanziehungskraft der Masse der Sonne; Anziehungsbeschleunigung zur Quelle des Kraftfeldes
D Drehmoment
D = max Drehmoment, maximal (weil in dieser Stellung der Kraftarm bezüglich der Kraftquelle die größte Länge erreicht)
D = min Drehmoment, minimal (weil in dieser Stellung die Drehwirkung des Kraftarms bezüglich der Kraftquelle verschwindet).

Erläuterung zum Wirkungsprinzip des Feldkraftantriebs durch Änderung des Kolben-Kraft­ momentes durch natürliche Mitdrehung der Anordnung in einem neutralen Kraftfeld nach Fig. 8:
In einem Kraftfeld weitgehend paralleler Massenanziehungs-Kraftlinien (wie z. B. der Massenanziehung der Sonne auf die Masse von Körpern auf Planetenoberflächen) entsteht durch globale Rotation des planetari­ schen Körpers (z. B. der Erde um die eigene Achse) ein spezifisches Drehmoment auf im Kraftfeld um eine feste Rotationsachse asymmetrisch verteilte, frei drehende, schwebende schwere Massen.

Die Nutzung dieses Umstandes führt technisch zur Entwicklung eines elastischen Getriebes für nicht-symme­ trisch im Kraftfeld frei um die Schwere- und Vertikalachse schwebende Körper und zur Mehrwellen- Torsionsmaschine.

Fig. 9 - Zum Wirkungsprinzip bekannter Torsionsgeräte im gleichen neutra­ len Kraftfeld auf symmetrische Torsionskörper von bekannter Art (z. B. nach Fig. 4 bis Fig. 7)

0

Mittelpunkt = Drehpunkt
r symmetrischer Abstand des gemeinsamen Mittelpunktes der gegenüberliegenden Massenschwer­ punkte der Teilmassen des Torsionskörpers = "Kraftarm" des wirkenden Feldkraftmomentes
g_s

Feldstärke der Massenanziehungskraft der Masse der Sonne = Anziehungsbeschleunigung zur Quelle des Kraftfeldes
D Drehmoment
D = 0 Drehmoment, Null (weil in dieser Stellung vollständig kompensierte Drehmomente vorliegen)
D = 0 Drehmoment, Null (weil in dieser Stellung der Kraftarm bezüglich der Kraftquelle gleich Null ist).

Erläuterung zur Wirkung symmetrischer Torsionskörper im neutralen Kraftfeld nach Fig. 9:
Wegen der Symmetrie des Schwerpunktabstandes +r nach links und -r nach rechts in bezug des Mittelpunk­ tes als Drehpunkt kompensieren sich die zur Kraftquelle drehenden Kraftmomente links und rechts in jedem Moment.

Zwar entstehen im Kraftfeld durch die Rotation des planetaren Bezugskörpers "Erde" periodisch an- und abschwellende Drehmomente, aber nur in den Teilkörpern links und rechts von der Drehachse. Diese gleichen sich aus wegen der Symmetrie des Kraftarmes in bezug des Symmetriepunktes als Drehpunkt. Infolge der Symmetrie der Masse Verteilung verschwindet darum das resultierende Feldkraft Moment auf den ganzen Drehkörper.

Daher verharrt dieser als Ganzes gegen den Beobachter im Zustand der Ruhe.

Auf diese Art und Weise geht das vom Kraftfeld auf natürliche Art und Weise erzeugte Drehmoment als technisch nutzbares Kraftmoment verloren. Daher ist mit technischen Lösungen von der bekannten Art - Fig. 4 bis Fig. 7 bieten Beispiele dafür - die natürliche Wirkung des neutralen Kraftfeldes physikalisch nicht zu erfahren, und technisch nicht zu nutzen.

Fig. 10 - Mehrwellentorsionsgetriebe für Meß- und Prüfzwecke

1

oberes Klemm- und Einhängelager für oberen Prüfkörper

2

oberer Prüfkörper, oder Vergleichskörper

3

Führungsgestell

4

unteres Klemm- und Einhängelager für unteren Prüfkörper

5

oberes Klemm- und Einhängelager für unteren Prüfkörper, bzw. für den unteren Vergleichskörper

6

Gewichts- und Geräteträger

7

Laufgewicht, zur Regulierung der Prüfspannung

8

mitbewegte Meßgeräte: Laser-Torsionswinkelmesser, . . .

9

unterer Prüfkörper, unterer Vergleichskörper

10

unteres Klemmlager, unteres Einhangelager für den unteren Prüfkörper

10

a flexible Spannwelle

11

Feststellvorrichtung, Vorspannvorrichtung

12

Wärmeisolierung, Schutzgehäuse
F_Z

Übergewicht, mittels des Laufgewichtes

6

zu steuern/zu regeln
F₁

Führungskraft (Längs- und Zugkraft nach oben) des oberen Prüfkörpers
F₂

Führungskraft (Längs- und Zugkraft nach unten) des unteren Prüfkörpers
F_1ω

elastische Richtkraft der oberen Torsionswelle, Drillkraft des oberen Prüfkörpers
F_2ω

elastische Richtkraft der unteren Torsionswelle, Drillkraft des unteren Prüfkörpers
F_2ω

resultierendes Richtmoment des elastischen Mehrwellentorsionsgetriebes, resultierendes Drillmoment.

Fig. 11 - Zeichnung zur Zusammenfassung

Claims (2)

1. Mehrwellentorsionsgetriebe und Torsionsmaschine mit Feldkraftantrieb
für die Werkstoffprüfung in der Industrie,
für die Erdbebenwellenmessung für die Seismographie,
für den Einsatz in Meß-, Steuer-, und Regelanlagen für Prozesse, Vorgänge, und Abläufe, die durch periodische Aktivitätsschwankung in Abhängigkeit der Erdrotation ausgezeichnet sind,
für die Umwandlung von Feldstärkeänderungen und Feldenergieschwankungen natürlicher Kraftfelder in Bewegungsenergie eines Torsions-Kolbens in einem weiten Einsatzbereich bis an die Grenze atomarer kleinster Raum-Zeit- und Energiebereiche,
für die physikalische Darstellung stabiler, freier Schwebungen schwerer Körper um feste Drehachsen auf der Erdoberfläche,
für die zuverlässige Reproduzierung von Zustands- und Bewegungsgrößen des stabilen Gleichgewichts- und Schwebezustandes schwerer Körper im Schwerefeld,
dadurch gekennzeichnet,

• (a) daß die Anordnung erfindungsgemäß aus folgenden Gruppen von Bauteilen besteht:
  • 1. ein starrer Rahmen als festes Führungsgestell (3);
  • 2. ein biegesteifes Trageprofil (6) darin als beweglicher Träger;
  • 3. ein schwerer Körper (7), womit ein Obergewicht des Trägers hergestellt wird, dieser wird als Torsions- und Antriebskolben auf dem Träger montiert, die Art des Körpers richtet sich dabei nach dem Zweck des Einsatzes der Anordnung - es kann ein homogener Körper sein, z. B. ein neutraler Bleikörper, oder ein magnetischer Stahlkörper, oder ein heterogener Körper, z. B. eine Reihe von Nutzgeräten (8), wie Meßgeräte, oder beides zusammen;
  • 4. mehrere leicht verdrillbare, hoch zugfeste elastische Torsionswellen (2, 9, . . .), vorzugswei­ se aus synthetischen Fasern hergestellt, womit die Hebe- und Haltekräfte für das Hochhebeln und für die Erhaltung des schweren Körpers in einer festen Schwebungs- und Drehungsebene über dem Erdboden mittels einer Spannvorrichtung (11) zu erzeugen sind, wobei die resultieren­ de Drillkraft aller Fasern zugleich das elastische Rückstellmoment für freie Torsionsschwingun­ gen des Torsionskörpers (6, 7, 8) in der mit der Spannvorrichtung fest eingestellten Dreh- und Torsionsebene liefert;
  • 5. die entsprechende Anzahl unbewegliche feste elastische Torsionslager (1, 4, 5, 10, . . .), die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet sind, daß die Faser auf der Druckseite praktisch unbeweglichfestsitzt, wobei eine Führungsbohrung den Übergang zur freibeweglichen Zugseite schafft, z. B. wird eine Bohrung etwa gleich dem Faserdurchmesser im Rahmen des Führungs­ gestells und des Trägers hergestellt, und die durch Druckkraftbelastete Seite wird von der Hülle der Faser, also von außen her, unbeweglich mit dem Profilmaterial verschmolzen, beispielsweise wird ein Knoten geschlagen, dieser wird festgeklemmt, und die Faseroberfläche und die Metalloberfläche werden mit möglichst geringer Eindringtiefe des Klebers miteinander fest verklebt; auf der anderen Bohrungsseite tritt die Faser in einer sich konusartig erweiternden Öffnung zuletzt völlig frei beweglich aus; auf diese Art und Weise wird exakterfester Sitz der Welle auf der Druckseite und freie Beweglichkeit auf der Zug- und Verdrillungsseite erreicht;
• (b) mittels einer Hebe- und Spannvorrichtung (11), die z. B. mittels einer Umlenkrolle unter einem Durchführungslager (10) und einer Zugwalze hergestellt wird, worauf die untere Faser (9) aufgewickelt wird, ist eine starke Zug- und Führungskraft (F₂) nach unten zu erzeugen, die auf die Druckseite von dessen Torsionslager (5) drückt, und über das daneben liegende Torsionslager (4) eine starke Gegendruckkraft erzeugt, weil dieses Torsionslager der oberen Faser genau umgekehrt angeordnet ist - dessen Druckseite zeigt nach unten - , dadurch entsteht mit zunehmender Aufwicklung der unteren Faser auf die Zugwalze eine starke Hebelwirkung um diese Druckstelle als Drehstelle für die Hebung des Übergewichtes des schweren Körpers (7) auf der gegenüberliegen­ den Seite des Trägers; damit wird erreicht, daß das Übergewicht des Trägers sich im Schwerefeld auf der Erdoberfläche in einem stabilen Schwebezustand um bestimmte feste Dreh- und Torsions­ achsen von einem bestimmten festen elastischen resultierenden Rückstellmoment erhält,
• - dazu Fig. 1, Fig. 2
• (c) charakteristische Kennzeichen dieser Lösung ergeben sich im Vergleich bekannter Lösun­ gen, wie Drehwaage und Torsionsschwingungsgerät, aus der Wirkungsweise, z. B. sind
  • - damit freie Torsionsschwingungen und langsame stetige Torsionsbewegungen mit überge­ wichtigen Torsionskörpern und schweren Torsionskolben anzuregen, anstelle mit gleichgewichtigen Torsionskörpern und leichten Drehwaagebalken und Torsionschwungscheiben; daher sind viel stärkere Wirkungen, und ganz andere Größen mit schwacher Kraft hiermit zum Vorschein zu bringen, darzustellen, und zu nutzen
  • - die Höhe der Schwebung des Körpers und die Neigung der Torsionsebene gegen die Drehachse ist leicht zu steuern zwischen der Horizontebene bis fast an die Vertikalebene, durch Ändern der Führungskraft durch Drehen der Spannschraube der Spannvorrichtung (11)
  • - im Gegensatz zu bekannten Lösungen, wie Fliehkraftregler, fehlt dabei die starre mechanische Welle ganz, denn diese ist mit dem erfindungsgemäßen elastischen Getriebe durch eine flexible feste Achse ersetzt worden, die sich ganz von selbst zwischen den elastischen Torsionslagern einstellt, so daß Fliehkräfte und Anziehungskräfte der Massen um ein Vielfaches empfindlicher hiermit zu registrieren und zu messen sind
  • - die empfindliche Reaktion des übergewichtigen Torsionskörpers auf diese Kräfte, schon bei klein­ sten Feldstärke-Änderungen des umgebenden Rotations- und Schwerefeldes auf der Erdoberfläche, macht diesen zum Feldkraftantrieb für eine Torsions- und Schwebungsmaschine,womit zusammen mit dem frei im Schwerefeld schwebenden Torsionskolben auch Nutzlasten zu transportieren sind - vorwiegend Meßgeräte; diese sind damit im Schwebezustand erhalten, und mit schwacher Kraft der Feldstärkeänderung durch das Schwerefeld zu führen, das ist ein Kennzeichen und ein Vorzug, der die erfindungsgemäße technische Lösung von allen hier bekannten technischen Lösungen abhebt - von Drehwaage, Torsionsschwinger, und Fliehkraftregler;
• (d) weitere charakteristische Kennzeichen der erfindungsgemäßen Lösung, welche die Anordnung und die Funktionsweise der Bauteile mehr im Einzelnen betreffen, werden im nach­ folgenden spezifiziert
  • 1. der schwere Körper (7) an der Spitze des Trägers ist z. B. ein Bleikörper, dessen Übergewicht den Träger als asymmetrischen Drehkörper und Torsionskolben (6,7,8) erscheinen läßt; dabei ist anstelle eines neutralen Körpers auch ein elektrischer Körper, wie ein über gesonderte Zuleitungen elektrisch aufladbarer Kondensator (Ko), oder ein magnetischer Körper, z. B. ein Permanent-Magnet (Mg), am Träger zu montieren; es können auch alle Körper zusammen einen kombinierten Feldantrieb bilden;
  • - dazu Fig. 3
  • 2. die elastischen Wellen (2,9) übertragen elastische Führungskräfte (F₁, F₂) zwischen Führungsgestell und Torsionskolbenträger; die Stärke der Führungskraft wird mittels Spannvor­ richtung (11) gesteuert; die Führungskräfte werden durch nebeneinanderliegende Lager (4, 5) im Träger (6) künstlich getrennt, und erzeugen durch ihre Druckkräfte auf den Träger an diesem ein Hebelmoment; der Abstand "a" der Lager bestimmt dabei die Ausreißkraft an der Druckstelle, der das Lager, und die Biegekraft, der der Träger standhalten muß; daß so erzeugte hochdrückende Kraftmoment hält dem nach unten ziehenden Kippmoment (M_Z) des Übergewichtes F_Z des Torsionskolbens das Gleichgewicht, und kompensiert dieses; das Resultat davon ist der Schwebezustand des Körpers und aller Nutzlasten auf dem Träger, der technisch genutzt wird bei der Torsions- und Schwebemaschine zum Transport von Meßgeräten in einem Zustand praktischer Schwerelosigkeit über dem Erdboden, wohin trotz Übergewicht kein Fallen eintritt; dabei wird das Rückstellmoment in die Ruhelage durch das resultierende Drillmoment aller elastischen Torsionsfasern erzeugt;
  • 3. das Material und die Form der elastischen Wellen ergeben sich daraus, wofür das Getriebe genau hergestellt wird,
  • - erfindungsgemäß sind wirkungsvolle Feldkraftantriebe mit großem Hebemoment des Übergewichtes und von kleinem Rückstellmoment in die Ruhelage mit speziellen synthetischen elastischen Fasern von geringer Steifheit und hoher Zugkraft herzustellen; auch handelsübliche Erzeugnisse kommen - eingeschränkt - in Frage, wie Dyneema, oder Kevlar
  • - für die Aufzeichnung von Vertikalwellen (Seismograph; Erdbeben; . . .) können dabei zusammengesetzte Torsionswellen verschiedene Vorteile bieten, wo ein Mittelstück eine Feder aus Runddraht und die Endstücke biegsame elastische Fasern sind, oder ganzmetallische Torsionsfasern, z. B. aus Wolfram
  • 4.) charakteristisch ist für die Funktionsweise, daß mehrere Aufgaben im Zusammenhang gelöst werden: es ist ein großes (vertikales) Hebelmoment zu erzeugen, womit das große Kippmoment des für den Feldkraftantrieb physikalisch prinzipiell zu fordernden Übergewichtes des schweren Torsionskörpers in bezug der Drehachse zu kompensieren ist;
    es ist ein kleines (horizontales) Rückstellmoment gegen Verdrehen des übergewichtigen Körpers aus der Ruhelage um die Achse zu erzeugen, so daß freie Torsionsschwingungen mit der schwachen Kraft eines Massenkraftfeldes zuverlässig anzuregen sind;
    es ist eine starke Dämpfung gegen mechanische äußere Kräfte zu erreichen, weil der Weg zum schweren Körper nur durch die elastischen Fasern in einem kleinen Querschnitt führt, der unter großer Zugspannung steht, das ergibt eine ausgezeichnete Dämpfung und Abschirmwirkung gegen störende Kräfte; störende Einflüsse sind in Kombination mit der Ausführung des Gehäuses (12) als Wärmekammer, u. a. zu diesem Zweck an sich bekannte Maßnahmen, soweit auszu­ schalten, daß sicher zu unterscheiden ist, ob und in welcher Größe die Torsionsschwingung durch eine schwache Feldkraft angeregt wurde.

2. Mehrwellentorsionsgetriebe für die Werkstoffprüfung nach Anspruch 1 zur Bestimmung von Größen wie Scherkraft, Torsionsmoment, Steifheit, Temperaturabhängigkeit der Längendehnung, und Änderung der Dehngeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Änderung der Temperatur, sowie des Elastizitätsmoduls, des Schubmoduls, und anderer Kenngrößen von Materialeigenschaften von Produkten und Erzeugnissen, insbesondere der chemischen Industrie und der metallverarbeitenden Industrie, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Torsionsmaschine für einen raschen Wechsel und leichten Austausch von Probekörpern und Vergleichskörpern sowie Normkörpern eingerichtet ist, die an die Stelle der oberen und der unteren Torsionswelle nach Punkt 1 in die Maschine eingesetzt werden, was in der Regel mit an sich bekannten technischen Mitteln durch zweckmäßiges Abändern und Einrichten der unter Punkt 1 beschriebenen Vorrichtungen zu erreichen ist,
• - dazu Fig. 10
• b) erfindungsgemäß sind beispielsweise die nach Anspruchspunkt 1 der Erfindung festen Lager der Torsionswellen durch Wechsellager zu ersetzen, wie kombinierte Klemm- und Einhängelager, derart, daß das Klemmlager im geöffneten Zustand den Probekörper aufnimmt und im geschlossenen Zustand, nach Zuschrauben, das Einhängelager bildet, dieses wird in ein spiegelbildlich ausgearbeitetes Gegenlager im Träger des Torsionskolbens, und in die Verbindungs-/Haltestücke (10a) zum Führungsgestell eingesetzt; Klemm- und Einhängelager bilden auf diese Art und Weise ein Bauelement des Mehrwellen-Torsionsgetriebes, womit der Probekörper schnell mit Rahmen- und Kolbenträger zu verbinden ist, so daß das unter Anspruchspunkt 1 beschriebene elastische Getriebe einfach und sicher mit beliebigen Probekörpern - wie Fasern, Gewebe, Geflechte, Filze, Drähte, usw. - aufzubauen, und zur Untersuchung der Material- und Kenngrößen damit darzustellen ist;
• c) das Verfahren der Werkstoffprüfung nutzt analog wie unter Anspruchspunkt 1 beschrieben den aysmmetrischen Dreh- und Torsionskolben des Mehrwellen-Torsionsgetriebes, im Unter­ schied zu Anspruchspunkt 1 wird der Kolben bei der Werkstoffprüfung jedoch nicht als Antriebselement genutzt, weil die Nutzung anderer Feldkräfte als der Schwerkraft des Erdschwe­ refeldes in der Materialprüfung stets ein untergeordneter Aspekt ist, sondern der schwere Kolben wird in der Art eines Laufgewichtes durch Verschiebung gegen die Lager im Träger zur Erzeugung einer rasch veränderlichen Übergewichtskraft, und Kipp- und Hebelkraft genutzt, analog wie bei einer Schnellwaage ist mit dem auf dem beweglichen Träger verschiebbaren Torsionskolben eine veränderliche Gewichtskraft einzustellen; diese wird vom starren Träger mittels des ersten Wechsellagers hauptsächlich als eine Längs- und Reißkraft auf den oben eingehängten Probe-/Prüfkörper übertragen, und mittels des zweiten Wechsellagers hauptsächlich als eine Längs- und Reißkraft auf den unten eingehängten Probe-/Prüfkörper übertragen; dabei ist auf jedem Niveau der mittels des Lagerabstandes und der Kolbenmasse fest eingestellten Führungskräfte durch seitliches Verdrehen des Kolbens gegen die Ruheiage um einen vorgegebenen Dreh- und Prüfwinkel, z. B. etwa 60°, in gewohnter Weise der Widerstand gegen Verdrehung für beide unabhängigen Prüfkörper festzustellen und zu prüfen; auf diese Art und Weise sind die Wirkungen der Längs- und Querkräfte auf das Material unter Bedingungen zu prüfen, wo diese Kräfte in sicher definierter Weise unter verläßlich reproduzierbaren Bedingungen zusammenwir­ ken; die Vorteile einer erfindungsgemäßen Mehrkörper-Prüfung mittels der Mehrwellen-Tor­ sionsmaschine sind im Vergleich mit der Einkörper-Prüfung im Torsionsschwingungsgerät naheliegend, so daß deren beispielhafte Kennzeichnung - wie Einsetzen gleicher Materialien oben und unten, aber von ungleichem Querschnitt; oder Einsetzen verschiedener Materialien oben und unten, aber von gleichem Querschnitt; oder Einsetzen unbekannter Prüfkörper oben, und bekannter Vergleichskörper oder Normkörper unten, usw., - genügt; darin liegen charakte­ ristische Kennzeichen und Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich mit den Möglichkeiten und Kennzeichen bekannter Werkstoff-Prüfverfahren mit Torsionsschwin­ gungsgeräten.