EA001117B1 - Устройство и способ создания высоких предельных нагрузок на чувствительных висячих весах - Google Patents

Description

1. Обзор состояния техники.

К техническим решениям, позволяющим сохранять массы в висячем состоянии и измерять эффект силы взаимодействия масс посредством изменения веса, относятся такие давно известные решения, как обычные весы, действующие по принципу рычага, более новые решения типа крутильных весов и такие новейшие решения для измерения мельчайших усилий, как микро- и ультрамикровесы, в которых используется эластичное усилие стержня, работающего на изгиб.

1.1 Использование обычных весов для создания висячего состояния и измерения силы между покоящимися и находящимися в висячем состоянии массами.

Технические решения, при которых для измерения силы взаимного тяготения масс, находящихся в состоянии покоя и в висячем состоянии, используются обычные весы, связаны с использованием сложных технических решений для создания поддающейся измерению, подходящей с технической точки зрения величины такой силы путем использования сверхвысоких масс.

Примерами могут служить устройства, предложенные Пойнтингом (Роупйпд, Англия; 1891 г.), а также Кёнигом, Рихарцом и КригарМенцелем (Κόηί§, Ктсйат/, Кгщаг-Мсп/ск Германия; 1898 г.).

Пойнтинг использовал чашку весов с гирями на одной стороне, а на другой позолоченный свинцовый шар массой т = 453 г. Весы не арретировались; висячее состояние поддерживалось с помощью груза массой 453 г с левой и правой сторон. Затем вплотную под висящей свинцовой массой располагается превышающая ее в 340 раз свинцовая масса М= 154 кг. В результате возникает движение - весы образуют перевес на стороне, с которой установлена покоящаяся масса. От нее исходит сила, вызывающая это движение.

Измерить эту силу обычными рычажными весами особенно трудно, поскольку при склонении рычага сопротивление трения призм дискретно меняется. При этом нормальная сила трения груза через призму на опору больше, чем сила взаимодействия между висящей и покоящейся массой.

Для повышения силы и надежности измерения существует возможность увеличения взаимодействующих масс. Такая возможность была использована Рихарцом и КригарМенцелем для осуществления одного из сложнейших способов измерения силы земного тяготения (см. рис. 2). В Берлине-Шпандау ими была уложена штабелем покоящаяся масса общим весом более 100500 кг из 2940 свинцовых слитков средней массой по 32 кг. Взаимодействующие с ней висящие массы размером в 1 кг были подвешены к обычным весам. По сравнению с устройством Пойнтинга соотношение масс, таким образом, было увеличено более, чем в 1000 раз, а точнее - в 1440 раз. Покоящаяся масса была больше в 652 раза, висящая - в 2,2 раза. Ввиду того, что расстояние между центрами было больше - массы в 1 кг висели на расстоянии 1,15 м от середины - эффект, с другой стороны, был ослаблен. Ибо более значительная масса в 100 т занимает и больший объем. Поскольку сила возрастает с размером масс, но ослабляется пропорционально квадрату расстояния, повышение ожидаемого эффекта путем чистого увеличения масс может быть лишь весьма условным.

Основным недостатком, однако, является трение на средней призме шириной более 3 см и на крайних призмах шириной более 2 см, что препятствует надежному достижению висячего состояния. При снятии рычага весов со стопора, вследствие перехода от трения покоя покоящейся призмы на опоре к трению скольжения вращающейся призмы на опоре начинается свободное колебание рычага вокруг положения равновесия. Для повышения чувствительности наилучшим сочетанием материалов в узле «призма - призма» оказалась комбинация сталь по стали. Недостаток решения сохраняется, однако, даже при самом оптимальном сочетании материалов. Перекрытие более значительной силой трения незначительной силы взамодействия масс в момент склонения рычага обусловливает весьма низкую эффективность измерений этой силы.

1.2 Низкая эффективность обычных весов.

При переходе от трения покоя к трению скольжения величины силы трения покоя и силы трения скольжения изменяются. Ввиду того, что переход этот осуществляется на наноуровне (молекулярный уровень; границы раздела), контроль над этими силами технически невозможен.

Они находят свое выражение в нежелательных колебаниях при снятии весов со стопора и их склонении. С повышением чувствительности в результате этого имеют место продолжительные колебания вокруг положения равновесия. Свободные колебания делают невозможным быстрый надежный отсчет перевеса; неопределенная величина изменения силы трения ограничивает точность измерений - недостатки данного решения.

Тем не менее, весы в Шпандау имели высокую относительную чувствительность в 30 миллионных висячего груза (0,03 мг). Для этого, правда, пришлось прибегнуть к весьма трудоемким мерам. В обычных условиях они экономически неоправданы: например, отсчет показаний с помощью зрительной трубы с целью исключения любых колебаний весов; особая центровка звеньев и т. д. Технические ограничения обусловлены силой трения. Порядок величины снижения эффективности определяется соотношением размера силы взаимодействия масс с размером возмущающей силы, определяемым как разница между силой трения покоя Е_н и силой трения скольжения Εθ в момент склонения рычага весов. При сухом трении стали по стали коэффициент трения покоя составляет примерно 0,15 нормальной силы веса; коэффициент трения скольжения составляет 0,09...0,03. При 9,81 Н нормальной силы массы размером в 1 кг на крайней призме это означает погрешность в момент подъема рычага весов и его свободного колебания порядка нескольких десятых ньютона:

ЛЕ_к=Гн-Го=0,5Н...0,3Н и, как минимум, примерно 1/100 этой величины, в лучшем случае ΔΕ_Κ = 0,003Н, причем точное определение остается невозможным. Следствием такого переходного действия возмущающих сил является нормальное положение, при котором в начале каждого дня взвешивания продолжительность свободных колебаний вокруг состояния покоя составляет 20 мин. [Источник: см. Заключительный отчет, стр. 34, Е Н1сИаг/, О. Клдаг-Меп/еР Везбшшипд бег Огаукабопзсопз!ап1е..., Уег1ад б. Кош§1. Лкабеш1е бег ^1ззепзсйайеп, ВегНп 1898]

Сила взаимодействия масс, оцененная в соответствии с законом тяготения для центров однородных тяжелых масс в 1 кг и в 100538 кг как начальных точек воздействия в пространстве на расстоянии 1,15 м свидетельствует о том, что в данном случае следует рассчитывать на показатель порядка пяти миллионных ньютона:

Еу=у-м-М-а^-2^6,67-10^-11Нм²кг^-2-1 кг-100536 кг-(1,1575м)^-2=5-10^-6Н

Эффективность вероятного использования этой силы для надежного измерения движения в состоянии висения практически равен нулю. Это проявляется в необходимости сопоставления с размером силы трения, возникающей в момент склонения призмы. Результатом этого является низкая эффективность надежного измерения силы взаимодействия масс, составляющая намного ниже 1 процента:

Р 6-1 п~^б н ^η=ΣίΕ^100%3Π^'^100%°'^16%

Соотношение становится еще более неблагоприятным в моменты, когда весы туго поворачиваются в силу хрупкости призмы или непараллельности вращения призмы и опоры, возможно, еще в 100 раз меньше:

Р Ч 1(Έ Н η = · 100% = —-.П · 100% ξ 0,0016%

ΔΕ_β 3-1(Г¹Н

Столь низкая эффективность характеризует любые решения по измерению действия силы тяжести между массами, взаимодействующими с вращающимися частями, например, гравитационные маятники, у которых качающаяся на средней опоре вверх-вниз масса колеблется в гравитационном поле, такими как оборотный маятник, с помощью которого измеряется ускорение падения. При таких решениях точность измерения силы масс имеет абсолютные пределы.

1.3 Решения с использованием крутильных весов.

В наши дни для измерения слабых сил часто используются крутильные весы. Они были изобретены всего 200 лет назад Мичеллом (М1сНе11, 1768) и Кулоном (Сои1ошЬ, 1777). На этой основе Кулон усовершенствовал вначале крепление стрелки компаса, а позднее использовал весы для измерения сил между электрическими зарядами. Использование при этом вращающейся сверху крутильной головки (см. рис. 3) позволяет удобнее определять скручивающее усилие. Но и в данном случае приходится опять иметь дело с силой трения. Такое решение использовал Кэвендиш (Сауепб1зй, 1798) для создания усилия взаимодействия между значительными массами в 158 кг и более легкими массами в 0,73 кг.

Такое устройство позволяет создать видимое движение в размере 2 см. Оно происходит в случае все большего сближения больших и малых масс поворотом друг к другу с расстояния примерно 2 м до 20 см. В ходе сближения массы начинают качаться и колебаться. До успокоения колебаний проходит примерно полчаса. Окончательная позиция малых масс устанавливается в таком случае на расстоянии около 2 см от исходного положения. Непосредственное наблюдение сдвига невозможно вследствие интерферирующих свободных колебаний.

Первый пример осуществления технического решения согласно данному изобретению показывает, что медленные притягивающие движения масс в определенном направлении поддаются надежному измерению - с использованием значительно меньших масс размером всего лишь в 20 г и 1 кг.

Это предложенное Кэвендишом техническое решение претерпело к настоящему времени многочисленные усовершенствования. В наши дни, например, таким способом измеряется сила тяготения вращающихся масс. Для сохранения же висящих масс в положении устойчивого равновесия данное решение не подходит.

1.4 Современные решения - микровесы с высокой чувствительностью и малой предельной нагрузкой.

Самыми современными техническими решениями, обеспечивающими прецизионные измерения малых масс и небольших перевесов этих масс ныне являются лабораторные весы, микровесы и ультрамикровесы.

Эти технические решения работают по аналогичному принципу с крутильными весами, что касается использования эластичного усилия. В отличие от крутильных весов у них используется, как правило, прочно закрепленный стержень, работающий на изгиб, рассчитываемый и нагружаемый как одноосная упругая балка. Стержень устанавливается с наклоном вверх; иногда путем ввинчивания в опору подвергаясь дополнительному предварительному напряже5 нию, преимуществом которого является повышение предельной нагрузки за счет придания дополнительной жесткости.

Преимущество такого решения заключается в отсутствии вращающихся деталей и поверхностей трения. Тем самым исключаются погрешности, обусловленные наличием силы трения. Это способствует достижению высокой абсолютной чувствительности.

Недостатком является малая предельная нагрузка, вызванная использованием тонкого стержня, работающего на изгиб, для максимально чувствительного измерения груза. Например, при превышении нагрузки горизонтальный или наклонный стержень просто ломается. Примерами максимальных нагрузок на современных весах являются:

- ультрамикровесы, изготовленные в конце 60-х гг. фирмой «Бекман Инструментс» (США) с предельной нагрузкой 50 г (точность показаний 0,02 мг = 20 мкг).

- 1996 г. - уменьшение предельной нагрузки на электронных ультрамикровесах всего в 10 раз при одновременном повышении чувствительности в 100 - 200 раз.

Пример: ультрамикровесы §4 фирмы «Сарториус АГ» из Гёттингена (Германия) рассчитаны на предельную нагрузку 4,02 г (точность показаний 0,0001 мг = 0,1 мкг).

Предельные нагрузки весов для ультрамикрофизических и ультрамикрохимических измерений намного ниже вышеописанных:

- предельная нагрузка на весах Донау (Лопан) составляет 0,004 г (4 мг);

- предельная нагрузка на весах Сальвиони (8а1уюш) составляет 0,0005 г (0,5 мг);

- предельная нагрузка на весах Сиборга (§еаЪогд) составляет 0,2 г (200 мг).

Общим недостатком этого технического решения с обычными весами являются свободные колебания. При наличии длинной балки, защемленной одним концом, или торсионной нити, закрепленной на обоих концах, избежать их невозможно. К тому же балка должна быть длинной, ибо чем длиннее и тоньше балка, тем меньше сгибающее усилие и, стало быть, тем чувствительнее взвешивание.

Примерами решений такого рода могут служить весы Донау (фиг. 4), сочетающие в себе крутильные и рычажные весы, рассчитанные на предельную нагрузку в 0,004 г (4 мг).

Весы Сальвиони (фиг. 5) состоят из закрепленного с одного конца тонкого стеклянного стержня, к которому подвешивается груз. С их помощью, например, измеряется скорость испарения эфирных масел - мускуса. Отсчет показаний изменения массы вследствие испарения производится по визирной нити через микроскоп.

Весы Сиборга отличаются повышенной предельной нагрузкой за счет предварительного напряжения. Практическое значение заключалось в их использовании при ультрамикрохимических экспериментах для измерений мельчайших количеств веществ. Весы были сконструированы в ходе исследований трансурановых элементов. С их помощью взвешивались количества порядка трехмиллионных долей грамма (3 мкг) плутония - такое количество растворялось в одной единственной капле жидкости (см. фиг. 6).

2. Техническая задача и техническое решение.

2.1 Задача.

В соответствии с этим в основу изобретения положена следующая техническая задача.

Многократное увеличение предельной нагрузки висящих на весах масс по сравнению с показателями современных микровесов, достижение высокой чувствительности и по возможности дальнейшее повышение чувствительности измерений перевеса на микровесах на основе использования эластичного усилия.

Вторая задача вытекает из потребности в наличии для решения стабильных рычажных весов, причем с исключением недостатков, присущих обычным рычажным весам, т. е. с уменьшением склонности к свободным колебаниям, а также с исключением силы трения.

Практическое и техническое, а также научное значение решения задачи увеличения предельной массы, подвешиваемой к чувствительным весам, вытекает из оценки абсолютного предела использования микровесов. Если взять самые лучшие стандартные весы с предельной нагрузкой в 4 г и точностью отсчета до 40 миллионных долей и если исходить из самого дорогостоящего опыта по созданию значительной силы взаимодействия масс с помощью установки покоящейся массы в 100 т свинца (оба примера относятся к высшим достижениям научно-технической мысли), то в результате выявится следующее.

С помощью ультрамикровесов с предельной нагрузкой в 4 г невозможно приблизиться к центру свинцовой массы менее, чем на 1,15 м. Ближе невозможно в силу обусловленности такого пространственного распространения объема твердого тела плотностью свинца. Так что одно уже это устанавливает абсолютный предел для применения соответствующих лучших технических решений. Масса, находящаяся на ультрамикровесах, и масса свинца создают силу взаимодействия порядка считанных долей одной миллионной ньютона:

Ру=у-м-М-а’²^6,67-10’¹¹Нм²кг’²-0,004 кг-100000 кг-(1,15 м ) = 2-10'⁸И

Взвешиванию на весах подлежит 40 миллионная доля веса в 4 г, т.е. 9,81-10^-10 Н - это примерно в 20 раз меньше ожидаемой силы тяготения.

Теоретически этого достаточно, но практически слишком мало для надежного и в любой момент воспроизводимого измерения сил взаимодействия масс. Это означает, что на базе известных решений выход на запредельные показатели, когда эффект в принципе налицо, а вот допуска для надежных и достаточно точных измерений не хватает, невозможен.

Если удастся создать весы, позволяющие сохранить порядок чувствительности микровесов и одновременно на 1 - 3 порядка повысить предельную нагрузку, то выход за эти пределы окажется возможным.

Задача состоит в том, чтобы найти техническое решение для создания весов, позволяющих стабильно поддерживать в висячем состоянии большой груз без применения призм и опор, чувствительность которых была бы столь же высокой или еще выше, чем у современных микро- и ультрамикровесов. Это позволяет найти путь к техническому решению.

2.1 Решение технической задачи - повышение предельной нагрузки за счет тягового усилия двойного волокна и повышение чувствительности за счет упругой изгибающей силы двойного волокна.

Техническое решение согласно данному изобретению заключается в использовании упругого сдвоенного волокна двойного действия, работающего, как на растягивание, так и на изгиб, причем оба волокна за счет своего тягового усилия несут пластину, на которую ложится рычаг весов и груз, масса которых может быть настолько велика, насколько это допускается разрывной нагрузкой, и причем оба волокна за счет своей изгибающей силы и реакции чувствительно измеряют перевес аналогично стержню микровесов, работающему на изгиб, и одновременно слегка стабилизируют против нежелательных колебаний и неконтролируемого опрокидывания. В данном устройстве рычаг весов горизонтально висит в равновесном положении и склоняется при перевесе точно так же, как рычаг обычных весов. При этом устройство согласно данному изобретению действует без трения только за счет силы тяжести (= силы взаимодействия висящих масс с массой Земли) и за счет силы взаимодействия других находящихся в окружении свободно висящих и покоящихся масс, сила которых согласно описанному в п. 2.) отличительной части формулы изобретения методу подлежит изменению и целенаправленному техническому установлению. И оно поддерживается в свободно висящем состоянии благодаря эластичной силе в поле притяжения в виде висячих весов (ЗсЬетеЬиидк^ааде), подводящих высокие предельные нагрузки друг к другу в устойчивом висячем состоянии. Несущий, склоняющийся рычаг расположен между упругим сдвоенным волокном, несущим благодаря своей большой прочности на разрыв значительный вес, в результате чего предельная нагрузка велика, и волокно с его незначительной изгибающей силой противодействует моменту наклона перевеса, что придает весам при взвешивании малых масс чувствительность микровесов.

С помощью такого устройства достигаются обе цели - высокая предельная нагрузка и высокая чувствительность.

В качестве материала для волокон в наши дни имеется в распоряжении целый ряд прочных на разрыв, легко гнущихся, упругих синтетических волокон типа вулканизованной фибры. К ним подвешиваются значительные предельные нагрузки, многократно превышающие нагрузки, выдерживаемые микровесами.

Преимущество микровесов, заключающееся в их высокой чувствительности, сохраняется, поскольку изгибающее усилие длинных тонких волокон находится в пределах между несколькими тысячными и миллиардными долями ньютона. Благодаря этому незначительная сила склонения весов поддается чувствительному измерению перевеса на одной стороне.

Тем самым решена и задача уменьшения свободных колебаний, поскольку симметричное расположение волокон дополнительно создает четкую плоскость симметрии и гибкости, в которой коромысло весов колеблется вверх-вниз с одной степенью свободы. Благодаря этому, поперечные движения самогасятся или вообще даже не возникают.

Устройствами, технически предпочтительно позволяющими решить задачу, являются висячие весы по типу описания весов для измерения гравитационных полей.

Для полноты изложения еще раз остановимся вкратце на этом вопросе.

Массы на конце рычага действуют тяговым усилием. Через установленную на ребро на рычаге весов (труба) пластину (тяговую пластину) тяговое усилие передается с концов в центр, на несущую пластину. Тяговое усилие превращается в нажимное усилие. Под несущей пластиной находится поперечная пластина (направляющая пластина), под которой прочно закреплены проходящие через отверстия в пластине сдвоенные волокна.

Они снова принимают на себя распределенное по пластине нажимное усилие в виде тягового усилия и передают усилие от нагрузки в продольном направлении примерно на 8 - 10 см вверх, где они таким же образом закреплены в верхней несущей пластине корпуса висячих весов. Таким путем нагрузка от собственной массы и нагрузка от висящих масс принимается, отводится и передается дальше. Тяговое усилие в нейтральном волокне определяет предельную нагрузку, изгибающее усилие определяет чувствительность взвешивания; реакция - устойчивость висящего состояния. Для обеспечения надежности устройства выбираются сдвоенные волокна с симметричными свойствами - одинакового диаметра, одинаковой длины, с равным модулем упругости и одинаковым креплением.

Изгибающее усилие остается при незначительном наклоне в результате незначительного перевеса небольшим, чем обеспечивается большая чувствительность.

Тяговое усилие и изгибающее усилие действуют независимо друг от друга. С помощью одной силы большая нагрузка удерживается в состоянии висящего равновесия, с помощью другой - измеряется изменение висящего состояния.

Таким путем были технически решены задачи повышения предельной нагрузки и сохранения чувствительности. Несколько построенных прототипов и проведенных с их помощью измерений и экспериментов служат подтверждением успеха.

На фиг. 1 схематически представлено техническое решение, на фиг. 7 -то же самое в несколько ином представлении.

Фиг. 8, 9 и 10 служат для наглядного представления метода создания силы взаимодействия между висящими в этом устройстве массами и покоящимися вне их массами, в определенном порядке взаимозаменяемыми по месту относительно висящих масс, в результате чего каждый раз создаются новые движения.

Фиг. 11 демонстрирует осуществление метода с висячими весами, установленными в течение более 18 ч в одном месте в углу многотонной кирпичной кладки. Благодаря этому наблюдается и замеряется особо медленное движение и особо малая сила взаимодействия массы стенок и собственной массы висячих весов.

На основе вышеописанного технического решения обеспечивается эффективное создание сил взаимодействия масс, поскольку с его помощью приходится иметь дело со стандартными удобными гирями и массами, где для реализации метода достаточно, например, 20 г или 1 кг.

Это намного проще и удобнее, чем передвигать огромные массы в несколько сотен килограмм или в 100 т (масса пятидесяти легковых автомобилей или крупного локомотива), как это требуется при использовании обычных весов для создания движения и усилия в поддающихся измерению пределах.

Тем самым техническая задача решена.

Висячие весы позволяют поддерживать во висячем состоянии значительные предельные нагрузки и осуществлять чувствительные измерения перевеса, как с помощью микровесов.

3. Примеры осуществления.

Первый пример осуществления - висячие весы с предельной нагрузкой 2 х 20 г.

Поддержание двух грузов по 20 г в висячем состоянии обеспечивается путем подвешивания масс за ушко под нижней чашкой весов. Висячие весы имеют следующие характеристики: несущие волокна диаметром 0,08 мм из материала, усиленного стекловолокном (фибра переднего зева); изначально длиной 80 мм, позднее они вытягиваются после подвешивания двух масс по 20 г, после чего длина их стабилизируется.

Несущие волокна имеют одинаковую длину; они вставляются в отверстия в несущей пластине вверху в корпусе (стекло) и внизу в направляющей пластине, проверяются на одинаковость длины и параллельность и закрепляются на нижней стороне пластин.

Направляющая пластина несет несущую пластину; последняя - рычаг весов; на его концах находятся подвески из крайних волокон, удерживающих чашки весов, принимающих массы. Висящие массы более, чем в 40 раз больше собственной массы в 1,8 г. Устройство имеет прочную конструкцию: способно нести во много раз большую основную нагрузку без возникновения возмущающих колебаний в результате перегибов. (Подробное описание системы волокон, рычагов и пластин в заявке на патент/подпункт «Весы для измерения гравитационного поля».)

Эффективность устройства определяется путем сопоставления изгибающей силы и реакции, действующих при склонении и стабилизации рычага весов, и величины силы взаимодействия масс, создающей перевес на одной стороне и видимое в результате этого движение.

При удалении покоящейся массы в 1 кг от висящей массы в 20 г на расстояние 14 см ожидаемая сила тяготения составляет менее одной триллионной ньютона:

Ро=у-м-М-а'²^6,67-10'¹¹Нм²кг'²-0,02 кг-1 кг-(0,14м)-²=6,6-10’¹¹Н

Изгибающее усилие упругого волокна диаметром 0,08 мм составляет при небольшом склонении менее 1 градуса величину порядка 0,01 миллионной ньютона.

Соотношение силы тяготения масс и изгибающего усилия волокон достигает при этом величины примерно в 1 % η ₌^·100% = ^6,6Ίθ ^11/7-100% = 0,66% ' Р_в ЮН что означает, что в данном устройстве сила масс поддается надежному измерению, действует однако примерно в 100 раз медленнее, поскольку упругая сила оказывает примерно во 100 раз более сильный замедляющий эффект, проявляющийся в виде реакции и силы торможения.

Эффективность такого устройства выше, чем у обычных весов (см. раздел 1.1), при которых взаимодействуют покоящаяся масса в 100 т и висящая масса в 1 кг - здесь это удается намного надежнее и поддается наблюдению в виде видимого движения при использовании в сто тысяч раз меньших масс.

В этом заключается экономическое преимущество решения согласно данному изобретению, обеспечивающего высокую эффективность использования силы взаимодействия масс и создание усилия на базе приемлемых затрат.

Видимое движение обеспечивается уже с малыми массами, удобными в пользовании, например, в 20, 50, 1000 г.

Следующие два примера осуществления отражают результаты измерений медленных движений, достигнутых с помощью данного устройства. При определении величин движения, правда, пока еще существует следующая проблема, разрешить которую несмотря на усилия и в этом направлении до сих пор еще не удалось.

Поскольку столь медленные движения в результате столь малых сил до сих пор не поддавались измерению (у обычных весов и у микровесов на них накладываются возмущающие силы и колебания или они находятся в пределах допуска и в предельной зоне измерения и в зоне колебаний величины), применение данного устройства ведет к выходу на новый уровень физических исследований, определяющие уравнения которого ныне пока еще отсутствуют. Это - одна из нерешенных пока задач современной фундаментальной физики и естественных наук.

В связи с этим сила взаимодействия масс в последующем изложении измеряется непосредственно на основе движения, так, как оно происходит -вследствие перевеса, возникающего в результате изменения угла наклона рычага весов и ускорения, изменения во времени скорости высоты висения. Таким образом, не определяется сила тяготения согласно (Ньютонову) закону тяготения, поскольку в данном законе отсутствует время как базовый параметр, а измеряется новая, в данной форме еще не ведомая природная сила.

Второй пример осуществления - создание изменения висящего состояния двух масс по 20 г с покоящейся массой в 1 кг.

Устойчивое висящее состояние устанавливается для двух масс по 20 г на одинаковой высоте, примерно 170 мм под рычагом весов путем подкладывания микроразновесок на висящие над ними чашки весов.

Затем с правой стороны к стеклянному корпусу подводится масса в 1 кг и спокойно устанавливается вплотную к стенке, примерно на высоте 10,4 см над висящими массами. Эта масса выдерживается до тех пор, пока поворотная стрелка не пройдет угол склонения 0,5° (фиг. 8).

В то время, как масса у стенки корпуса выдерживается, внутри возникает медленное движение: высота висения меняется.

Масса в 20 г, висящая ближе к массе в 1 кг, поднимается вверх. Когда угол поворота стрелки достигнет 0,5°, высота изменилась примерно на 0,18 мм по отношению к начальному уровню. Вторая висящая масса в 20 г опускается в то же время на то же расстояние вниз.

Движение поворотной стрелки сравнимо с движением магнитной стрелки при приближении притягивающего ее к себе магнита.

Затем масса в 1 кг перестанавливается с правой стороны корпуса на левую и устанавливается там в зеркальном положении, т.е. точно также, как прежде - на той же высоте и на том же расстоянии (фиг. 9).

Там снова начинается то же движение только на сей раз в обратном направлении.

Теперь масса с левой стороны начинает менять высоту. Результаты 12 таких измерений свидетельствуют о наличии абсолютно бесспорной связи между этим движением и расположением масс.

Высота висения меняется на ΔΙι = 0,18 мм в течение в среднем

а угол поворота меняется за то же время на 0,5°. Весы предварительно устанавливались на чувствительность на докладывание разновесок массой примерно Δηι = 1,2мг на 0,5°.

Тем самым измерялись величины, с помощью которых можно подойти к определению величины силы взаимодействия масс и энергии изменения высоты висения и определить движение, создаваемое в результате взаимодействия масс.

Движение может быть измерено с помощью следующих величин.

Средняя скорость составляет 4,7 миллионных долей метра в секунду, что измеряется высотой подъема массы в 20 г на расстояние 0,18 мм за среднее время 38 с взаимодействия масс:

V= Δ/ϊ/Γ = 0,18 мм/38 с = 4,7 · Ю^м/с,

Средняя величина ускорения составляет 120 миллиардных долей метра в секунду в квадрате и измеряется путем деления средней скорости на среднюю продолжительность взаимодействия масс 38 с:

а = V/Г =4,7-10^-6 м/с² / 38 с = 1,2-10^-7 м/с² т.е. 120 миллиардных долей метра в квадрат секунды.

Средняя величина силы взаимодействия масс составляет 0,15 триллионных долей ньютона (150 фН -150· 10^-15Н), что может быть измерено путем докладывания разновески массой 1,2 мг = 1,2 · 10^-6 кг соответственно изменению угла поворота на 0,5° и среднему ускорению:

Р = 1,2-10^-6 кг· 1,2· 10’⁷ м/с², = 1,5 · 10‘¹³кгм/с²

Средняя величина энергии изменения уровня висения составляет примерно 0,27 аДж, что может быть измерено через среднюю высоту висения и среднюю силу:

Δ\Λ/=/-· Δ/7 = 1,5 · 10'^,3 кг м/с² · 0,18 мм = 2,7 · 10’¹⁷ джоуля (0,27 аДж).

Сопоставление с аналогично малыми величинами из области энергии света показывает:

эта энергия составляет примерно 100кратную величину энергии кванта излучения видимого света (3,3 · 10^-19), воспринимаемого глазом в виде желтого света.

Это означает, что с помощью устройства можно надежно воспроизводить и измерять энергии, сравнимые по величине с энергией света.

В отличие от энергии излучения они не переходят со скоростью света. Они переходят с уровня на уровень за счет изменения состояния висения тяжелых масс в поле притяжения с медленной скоростью в 4,7 миллионных метра в секунду.

Третий пример осуществления - измерение действия силы массы каменной кладки.

Висячие весы были отрегулированы в ненагруженном состоянии на чувствительность порядка 0,4 мг на 1°. Затем сориентированные на север весы были установлены в углу между каменных стен (фиг. 11).

Расстояние от угла составило примерно 1,9 м. Направленность в угол примерно совпадала с ориентировкой в направлении север-юг. Температура в последующие часы сохранялась примерно на уровне 26°С; влажность воздуха около 60 %; атмосферное давление - 770 мм рт.ст.

Весы оставили стоять; через некоторое время можно было наблюдать медленное изменение высоты висения их обеих сторон: вначале стрелка в течение примерно 13 мин (785 с) склонилась на 0,5° вначале вправо, в южном направлении - в сторону от массы каменной кладки.

При этом, как показало следующее движение, продолжало действовать очевидно не полностью сбалансированное при тарировании равновесие; возможно, сыграла свою роль и неидеальная симметрия упругости волокон.

В этом положении наклон замер; движение остановилось. После этого началось продолжавшееся несколько часов обратное движение. Стрелка прошла обратный путь до исходного положения 0°. Оттуда за 25 мин (1620 с) на 0,5° дальше влево в северном направлении - в сторону массы каменной стены. Движение в эту сторону продолжалось и дальше:

- через 3 с лишним часа (19500 с) угол склонения достиг отметки 5,1 °;

- через 18 ч он достиг 17°,

- и вышел затем со все возрастающей скоростью из диапазона измерения.

Определение величин такого движения показывает, что при этом действует и переходит энергия, в миллионы раз меньшая, чем энергия электромагнитного светового излучения.

Если для упрощения предположить симметричное распределение собственной массы вокруг плоскости склонения, с двумя центрами тяжести по 0,9 г справа и слева, примерно на половине длины рычага весов, то тогда изменение угла склонения на 0,5° будет соответствовать изменению высоты центра тяжести на 0,09 мм.

Применительно к начальной продолжительности склонения в южном направлении 780 с это позволяет определить среднюю скорость изменения высоты в размере 115 миллиардных долей метра в секунду:

V =0,09 мм/780 с = 115 · 10 ~⁹ м/с, т.е. 115 миллиардных метра в секунду.

Среднее ускорение составляет 148 триллионных метра в секунду в квадрате - величина, определяемая на основе средней скорости и продолжительности изменения:

а= 115 · 10’⁹м/с/780 с = 148 · 10‘'^гм/с^г, т. е. 148 триллионных метра в квадрат секунды.

Сила склонения определяется величиной склонения в 0,5° и соответствующей массы в 0,2 мг, и из среднего ускорения:

Р = 0,2 · 10'⁶кг148 · 10'^1г м/с² = 29,6 - 10-’⁸кгм/с²[ Н ].

Энергия, медленно переходящая между уровнями висения, на порядки меньше энергии света, что определяется из величины средней силы и расстояния между уровнями:

ЛА29.6 · 10^-18Н · 0,09 мм =2,7 · 10^-21 Дж.

Эти величины могут быть таким же путем получены и для последующего обратного процесса движения в направлении каменной стенки.

При этом также выяснилось крайне медленное ускорение движения:

энергия медленно, но непрерывно возрастает.

Она остается, однако, намного ниже величины энергии кванта света, производимой с помощью вышеописанного устройства с целенаправленной сменой расположения покоящейся массы во времени вплотную с висящими массами.

Этой малой энергии достаточно, чтобы с ее помощью устойчиво поддерживать движение на протяжении более 18 ч.

После этого вращающаяся стрелка постепенно подходит к пределу шкалы, где заканчивается диапазон измерений.

Достигнув этой точки, система, склоняясь теперь все быстрее, окончательно выходит из состояния равновесия. В таком случае возникает необходимость новой юстировки, причем установка нуля неизменно сопряжена с трудностями, как и в работе с любыми чувствительными весами.

Затем измерение может быть проведено повторно.

Claims (6)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для создания высоких предельных нагрузок на чувствительных висячих весах для создания и измерения медленных движений и малой энергии с использованием слабой силы взаимодействия масс, отличающееся тем, что оно содержит упругое сдвоенное волокно (3) двойного действия, работающее на растяжение и на изгиб, причем оба волокна поддерживают юстировочную пластину (5), на которую опирается рычаг (4) весов и нагрузка.
2. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сдвоенное волокно (3) выходит из пластины (1), укрепленной на раме (2) в виде параллельных отдельных волокон и тем, что на концах рычага (4) слева и справа укреплены отдельные эластичные волокна (6), к концам которых подвешены чашки весов (6') для микрогирь и средства для подвешивания главных весов (ш_ь т₂...) (фиг. 1).
3. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сдвоенное волокно (3) выполнено из упругого гибкого синтетического материала, например вулканизованной фибры.
4. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оба волокна закреплены в отверстии платы (5) и в верхней плате (1), закрепленной на раме (2).
5. 5. Устройство по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что на рычаге (4) весов подвешена установленная на ребро тяговая пластина (4Ь) в виде кругового сегмента.
6. 6. Способ создания высоких предельных нагрузок на чувствительных висячих весах для создания и измерения медленных движений и малой энергии с использованием слабой силы взаимодействия масс, отличающийся тем, что к массам (т), подвешенным в стабильном состоянии к висячим весам, в определенной последовательности слева и справа подвешивают новые массы (М) и на определенном расстоянии и на определенный промежуток времени устанавливают и оставляют в положении выше или ниже или при приближении все медленнее подвигаются, и тем, что эти вновь подвешенные массы через определенное время снимают и меняют в порядке взаимного обмена местами в зеркально отраженное положение на другую сторону, или тем, что с переводом в другое положение выдерживают определенную паузу, после чего производят перестановку в новое положение, при этом место и расстояние при этой новой периодической перестановке свободно варьируются, так что сила созданного взаимодействия и скорость созданного движения поддаются целенаправленному управлению и регулированию.