PL225458B1 - Przyrząd do badania efektu Fano - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do badania efektu Fano, polegającego na formowaniu się rotującej kolumny cieczy reologicznej podczas jej wypływu w kierunku pionowym. Przyrząd ma zastosowanie w laboratoriach, zajmujących się badaniami w zakresie inżynierii materiałowej oraz w pracowniach studenckich do celów edukacyjnych.

Znany układ do badania efektu Fano ujawniony jest w rozdziale pt. „Rheology” autorstwa Eliota Kearsely, zamieszczonym w „Encyclopedia of Applied Physics” Vol. 16, wydanej pod redakcją G eorge'a Trigg'a przez VCH Publishers Inc. w Nowym Jorku, Tokio i Berlinie w 1996 r. Znany układ składa się z naczynia górnego, napełnionego cieczą reologiczną i naczynia dolnego. Działanie znanego układu polega na tym, że po nachyleniu naczynia górnego trzymanego ręką, ciecz reologiczna wypływa z niego do podstawionego dolnego naczynia, przy czym w strumieniu wypływającej cieczy obserwuje się efekt Fano. Po przepłynięciu całej objętości cieczy do naczynia dolnego, można ją przelać do n aczynia górnego i powtórzyć doświadczenie.

Znany przyrząd do badania efektu Fano ujawniony jest w książce Jim'a Fergusona i Zdzisława Kembłowskiego pt. „Applied fluid rheology”, wydanej przez wydawnictwo Elsevier Applied Science w Londynie w 1981 r. Znany przyrząd składa się z cylindrycznego, otwartego od góry naczynia, zamocowanego na statywie i zaopatrzonego od dołu w krótką rurkę. Pod dolnym końcem tej rurki ustawione jest płaskie otwarte naczynie. Dzianie znanego przyrządu polega a tym, że cylindryczne naczynie napełnia się cieczą reologiczną, która wypływa przez rurkę pod działaniem siły ciężkości i w strumieniu wypływającej cieczy zachodzi efekt Fano. Strumień tej cieczy spływa do dolnego szerokiego n aczynia. Po napełnieniu dolnego naczynia ciecz jest przelewana ręcznie do naczynia cylindrycznego.

Z kolei ze strony internetowej, dotyczącej zabawek fizycznych o adresie http://www-toys.science.unitn.it.fano/toys/redname.txt znana jest zabawka nazywana klepsydrą żelową. Składa się ona z przezroczystego cylindra, zamkniętego z obu końców i podzielonego w połowie wysokości przegrodą z okrągłym otworem w środku. Wewnątrz cylindra znajduje się jednorodna, zabarwiona na kolor pomarańczowy ciecz reologiczna o konsystencji żelu. Działanie znanego przyrządu polega na tym, że po jego ustawieniu w pozycji pionowej, ciecz reologiczna przepływa z części cylindra znajdującej się nad przegrodą do części poniżej przegrody przez znajdujący się w niej otwór. Dla strugi cieczy wypływającej z otworu zachodzi efekt Fano. Po przepłynięciu całej objętości cieczy przez otwór w przegrodzie, cylinder odwraca się tak, żeby ciecz znalazła się ponad przegrodą i można ponownie obserwować efekt Fano.

Ze strony internetowej, dostępnej pod adresem http://www.okazje.info.pl/okazja/dom-i-ogrod//zelowa-klepsydra.html, znana jest też klepsydra żelowa, zbudowana podobnie do klepsydry z poprzednio cytowanej strony internetowej z tą różnicą, że powierzchnia boczna cylindra ma przewężenie w części środkowej, podobne jak w powszechnie znanych klepsydrach piaskowych. Działanie tej klepsydry jest takie samo, jak klepsydry z poprzednio cytowanej strony internetowej.

Wszystkie znane ze stanu techniki przyrządy do badania efektu Fano mają tę niekorzystną cechę, że nie pozwalają na badanie tego efektu w cieczach magnetoreologicznych oraz elektroreologicznych, umieszczonych w polu magnetycznym lub elektrycznym oraz na regulowanie natężenia i zmianę przekroju poprzecznego przepływającego strumienia cieczy.

Istota rozwiązania przyrządu do badania efektu Fano zawierającego zespół dwóch symetrycznych pojemników - górnego i dolnego, w kształcie cylindrów lub graniastosłupów, wykonanych z materiału przezroczystego i elektroizolacyjnego, korzystnie z polimetakrylanu metylu, według wynalazku, polega na tym, że pojemniki rozdzielone są wspornikami, wykonanymi z tego samego materiału, co pojemniki i umieszczonymi po przeciwnych stronach pojemników. Dno górnego pojemnika i pokrywa dolnego pojemnika, zaopatrzone są w kołowe otwory o takiej samej średnicy, otoczone pierścieniowymi uszczelkami. W jednym wsporniku znajduje się obracająca się pionowa oś, na której osadzona jest pozioma, kołowa tarcza, zaopatrzona w otwory o wzrastających rozmiarach i środki tych otworów rozmieszczone są na okręgu o promieniu równym odległości, środków otworów w pojemnikach od osi obrotu tarczy, rozmiary największego otworu nie przekraczają średnicy otworów w pojemnikach, zaś pokrywa górnego pojemnika i dno dolnego pojemnika zakryte są od wewnątrz elektrodami, wykonanymi z metalu nieferromagnetycznego i zaopatrzonymi w przewody, wyprowadzone na zewnątrz pojemników, nadto w bocznych ściankach pojemników, w pobliżu elektrod, znajdują się otwory zamknięte korkami, wykonanymi z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego, ponadto jeden z pojemników wypełniony jest cieczą magnetoreologiczną, stanowiącą zawiesinę cząstek ferromagnePL 225 458 B1 tycznych, magnetycznie miękkich o rozmiarach od kilkudziesięciu nanometrów do kilku dziesiątych części milimetra, zdyspergowanych w cieczy nośnej, albo cieczą elektroreologiczną, stanowiącą zawiesinę cząstek dielektryka o rozmiarach kilkudziesięciu mikrometrów, zdyspergowanych w cieczy nośnej, albo mieszaniną opisanych zawiesin. Zespół pojemników umieszczony jest pionowo między biegunami elektromagnesu, składającego się z rdzenia w kształcie litery C, mającego prostokątny albo kołowy przekrój poprzeczny i wykonanego z materiału magnetycznie miękkiego. Na rdzeniu znajduje się karkas z uzwojeniem, zasilanym napięciem U o regulowanej wartości, rdzeń przymocowany jest do prostokątnej podstawy, wykonanej z materiału nieferromagnetycznego i elektroizolacyjnego, zaopatrzonej w narożnikach we wkręty poziomujące.

Korzystnie uszczelki wykonane są z silikonu.

Korzystnie otwory w kołowej tarczy mają kształt kołowy lub kwadratowy.

Korzystnie pionowa oś i tarcza wykonane są z materiału przezroczystego i elektroizolacyjnego, korzystnie z polimetakrylanu metylu.

Korzystnie elektrody wykonane są z miedzi.

Korzystnie korki wykonane są z silikonu.

Korzystnie ciecz nośna, w której zdyspergowane są cząstki ferromagnetyczne jest żywicą epoksydową.

Korzystnie ciecz nośna, w której zdyspergowane są cząstki dielektryka jest olejem transformat orowym.

Korzystnie rdzeń wykonany jest z żelaza chemicznie czystego.

Istota zasady działania przyrządu do badania efektu Fano według wynalazku polega na tym, że zespół pojemników jest umieszczony między biegunami rdzenia elektromagnesu, tak żeby jeden z pojemników początkowo wypełniony którąś z wymienionych cieczy o właściwościach reologicznych znajdował się u góry. Obracając ręczenie tarczą powoduje się wprowadzenie wybranego otworu, dla którego ma być badany efekt Fano, między otwory w pojemnikach i spowodowanie wypływu wirującej kolumny cieczy reologicznej, charakterystycznej dla efektu Fano, do dolnego pojemnika. Do końców przewodów, wyprowadzonych na zewnątrz pojemników przykłada się wysokie napięcie o regulowanej wartości, co powoduje wytworzenie pola elektrycznego w obszarze między elektrodami i umożliwia badanie wpływu tego pola na efekt Fano. Z kolei do końców uzwojenia przykłada się napięcie stałe o regulowanej wartości, co z kolei powoduje wytworzenie pola magnetycznego w obszarze między biegunami rdzenia elektromagnesu i umożliwia badanie wpływu tego pola na efekt Fano. W celu zmiany natężenia przepływu cieczy reologicznej lub zmiany przekroju poprzecznego jej strumienia, tarczę obraca się o pewien kąt, powodując wprowadzenie innego otworu w strumień cieczy. Po zakończeniu przepływu cieczy reologicznej do dolnego pojemnika, zespół pojemników wysuwa się z pomiędzy biegunów rdzenia elektromagnesu i obraca o 180°, tak żeby dolny pojemnik z cieczą znalazł się u góry. Otwory zamykane korkami służą do usuwania i wymiany cieczy reologicznej zawartej w pojemnikach, natomiast wkręty poziomujące pozwalają na ustawienie zespołu pojemników w pozycji pionowej, albo odchylonej o niewielki kąt od pionu i badanie wpływu tego odchylania na efekt Fano.

Główne zalety przyrządu do badania efektu Fano według wynalazku polegają na umożliwieniu badań tego efektu dla cieczy magnetoreologicznych i elektroreologicznych, odpowiednio w polu magnetycznym i elektrycznym o regulowanym natężeniu oraz na umożliwieniu zmian natężenia i przekr oju poprzecznego przepływającego strumienia cieczy. Dodatkowe zalety przyrządu polegają na jego łatwym przygotowaniu do powtórzenia badań, przez odwrócenie zespołu pojemników i możliwościach wymiany badanych cieczy oraz zastosowania ich mieszanin.

Przyrząd do badania efektu Fano według wynalazku przedstawiony został na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok całego przyrządu z boku, fig. 2 - jego widok z przodu, fig. 3 pokazuje powiększony widok zespołu pojemników z cieczą z boku i przekrojem przez uszczelki, fig. 4 i fig 5 ukazują widok tego zespołu pojemników - odpowiednio z przodu oraz z góry, natomiast fig. 6 i fig. 7 przedstawiają widok tarczy z otworami wypływowymi - odpowiednio z boku oraz z góry.

P r z y k ł a d I. Przyrząd do badania efektu Fano według wynalazku składa się z zespołu dwu symetrycznych pojemników - górnego 1 i dolnego 2, w kształcie prostopadłościanów o podstawie kwadratowej, o boku 40 mm i wysokości 80 mm, wykonanych z polimetakrylanu metylu i rozdzielonych wspornikami 3, 4, wykonanymi z polimetakrylanu metylu, umieszczonymi po przeciwnych stronach pojemników 1, 2, przy czym dno 5 górnego pojemnika 1 i pokrywa 6 dolnego pojemnika 2, zaopatrzone są w kołowe otwory o takiej samej średnicy, otoczone pierścieniowymi uszczelkami 7, 8, wykonanymi z silikonu, natomiast w jednym ze wsporników 3 obraca się pionowa oś 9, na której osadzona

PL 225 458 B1 jest pozioma, kołowa tarcza 10, zaopatrzona w otwory kołowe i kwadratowe 11, o wzrastających rozmiarach i środki tych otworów rozmieszczone są na okręgu o promieniu równym odległości, środków otworów w pojemnikach 1, 2, od osi obrotu 9 tarczy 10, natomiast rozmiary największego otworu nie przekraczają średnicy otworów w pojemnikach 1, 2, ponadto oś 9 i tarcza 10 wykonane są z polimetakrylanu metylu. Pokrywa górnego pojemnika 1 i dno dolnego pojemnika 2 zakryte są od wewnątrz kwadratowymi elektrodami 12, 13, wykonanymi z miedzi i zaopatrzonymi w przewody 14, 15, wyprowadzone na zewnątrz pojemników 1, 2 i do tych przewodów może być przykładane wysokie napięcie o regulowanej wartości, a ponadto w bocznych ściankach pojemników 1, 2, w pobliżu elektrod 12, 13, znajdują się otwory zamknięte korkami 16, 17, wykonanymi z silikonu. Jeden z pojemników 1, 2, jest wypełniony cieczą magnetoreologiczną 18, stanowiącą zawiesinę cząstek ferromagnetycznych o rozmiarach 0,05-0,1 mm, otrzymanych z żelaza chemicznie czystego i zdyspergowanych w żywicy epoksydowej. Ponadto zespół pojemników 1, 2 umieszczony jest pionowo między biegunami elektromagnesu, składającego się z rdzenia 19 w kształcie litery C, mającego prostokątny przekrój poprzeczny i wykonanego z żelaza chemicznie czystego, zaś na rdzeniu znajduje się karkas 20 z uzwojeniem 21, zasilanym napięciem U o regulowanej wartości. Rdzeń 19 przymocowany jest do prostokątnej podstawy 22, wykonanej z tekstolitu i zaopatrzonej w narożnikach we wkręty poziomujące 23.

Zasada działania przyrządu do badania efektu Fano według wynalazku polega na tym, że, zespół pojemników jest umieszczony między biegunami rdzenia elektromagnesu 19, tak żeby jeden z pojemników początkowo wypełniony cieczą magnetoreologiczną 18 znajdował się u góry. Obracając ręczenie tarczą 10 powoduje się wprowadzenie wybranego otworu 11, dla którego ma być badany efekt Fano, między otwory w pojemnikach 1, 2, i spowodowanie wypływu wirującej kolumny 24 cieczy magnetoreologicznej 18, charakterystycznej dla efektu Fano. Do końców przewodów 14, 15, wyprowadzonych na zewnątrz pojemników 1, 2, przykłada się wysokie napięcie o wartości regulowanej w zakresie 0-4 kV, co powoduje wytworzenie pola elektrycznego w obszarze między elektrodami 12, 13 i umożliwia badanie wpływu tego pola na efekt Fano. Z kolei do końców uzwojenia 21 przykłada się napięcie stałe o regulowanej wartości 0-50 V, co powoduje wytworzenie pola magnetycznego w obszarze między biegunami rdzenia elektromagnesu 19 i umożliwia badanie silnego wpływu tego pola na efekt Fano. W celu zmiany natężenia przepływu cieczy reologicznej 18 lub zmiany przekroju poprzecznego jej strumienia, tarczę 10 obraca się o pewien kąt, powodując wprowadzenie innego otworu 11 w strumień cieczy. Po zakończeniu przepływu cieczy reologicznej do dolnego pojemnika, zespół pojemników wysuwa się z pomiędzy biegunów rdzenia elektromagnesu 19 i obraca o 180°, tak żeby dolny pojemnik z cieczą znalazł się u góry. Otwory zamykane korkami 16, 17 służą do usuwania i wymiany cieczy reologicznej zawartej w pojemnikach 1, 2, natomiast wkręty poziomujące 23 pozwalają na ustawienie zespołu pojemników w pozycji pionowej, albo odchylonej o niewielki kąt od pionu i badanie wpływu tego odchylania na efekt Fano.

P r z y k ł a d II. Przyrząd do badania efektu Fano według wynalazku jest zbudowany tak s amo, jak w przykładzie I z tą różnicą, że zamiast cieczy magnetoreologicznej, w pojemniku znajduje się ciecz elektroreologiczna 18, stanowiąca zawiesinę cząstek tytanianu baru BaTiO₃ o rozmiarach 0,01-0,05 mm, zdyspergowanych w oleju transformatorowym.

Zasada działania przyrządu do badania efektu Fano według wynalazku zgodnie z przykładem II, jest taka sama, jak zasada działania ujawniona w przykładzie I, z tą różnicą, że obserwuje się tutaj silny wpływ pola elektrycznego na efekt Fano.

Claims (9)

1. Przyrząd do badania efektu Fano zawierający zespół dwóch symetrycznych pojemników górnego (1) i dolnego (2), w kształcie cylindrów lub graniastosłupów, wykonanych z materiału przezroczystego i elektroizolacyjnego, korzystnie z polimetakrylanu metylu, znamienny tym, że pojemniki (1) i (2) rozdzielone są wspornikami (3) i (4), wykonanymi z tego samego materiału, co pojemniki (1) i (2) i umieszczonymi po przeciwnych stronach pojemników (1) i (2), przy czym dno (5) górnego pojemnika (1) i pokrywa (6) dolnego pojemnika (2), zaopatrzone są w kołowe otwory o takiej samej średnicy, otoczone pierścieniowymi uszczelkami (7) i (8), we wsporniku (3) znajduje się obracająca się p ionowa oś (9), na której osadzona jest pozioma, kołowa tarcza (10), zaopatrzona w otwory (11) o wzrastających rozmiarach i środki tych otworów (11) rozmieszczone są na okręgu o promieniu równym odległ ości, środków otworów (11) w pojemnikach od osi obrotu (9) tarczy (10), rozmiary największego otworu

PL 225 458 B1 (11) nie przekraczają średnicy otworów w pojemnikach (1) i (2), zaś pokrywa górnego pojemnika (1) i dno dolnego pojemnika (2) zakryte są od wewnątrz elektrodami (12), (13), wykonanymi z metalu nieferromagnetycznego i zaopatrzonymi w przewody (14), (15), wyprowadzone na zewnątrz pojemników, nadto w bocznych ściankach pojemników (1), (2), w pobliżu elektrod (12), (13), znajdują się otwory zamknięte korkami (16), (17), wykonanymi z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego, ponadto jeden z pojemników (1), (2) wypełniony jest cieczą magnetoreologiczną (18), stanowiącą zawiesinę cząstek ferromagnetycznych, magnetycznie miękkich o rozmiarach od kilkudziesięciu nanometrów do kilku dziesiątych części milimetra, zdyspergowanych w cieczy nośnej, albo cieczą elektroreologiczną, stanowiącą zawiesinę cząstek dielektryka o rozmiarach kilkudziesięciu mikrometrów, zdyspergowanych w cieczy nośnej, albo mieszaniną opisanych zawiesin, zespół pojemników (1), (2), umieszczony jest pionowo między biegunami elektromagnesu, składającego się z rdzenia (19) w kształcie litery C, mającego prostokątny albo kołowy przekrój poprzeczny i wykonanego z materiału magnetycznie miękkiego, zaś na rdzeniu (19) znajduje się karkas (20) z uzwojeniem (21), zasilanym napięciem U o regulowanej wartości, rdzeń (19) przymocowany jest do prostokątnej podstawy (22), wykonanej z materiału nieferromagnetycznego i elektroizolacyjnego, zaopatrzonej w narożnikach we wkręty poziomujące (23).

2. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że uszczelki (7), (8) wykonane są z silikonu.

3. Przyrząd według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że otwory (11), mają kształt kołowy lub kwadratowy.

4. Przyrząd według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że oś (9) i tarcza (10) wykonane są z materiału przezroczystego i elektroizolacyjnego, korzystnie z polimetakrylanu metylu.

5. Przyrząd według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że elektrody (12), (13), wykonane są z miedzi.

6. Przyrząd według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że korki (16), (17), wykonane są z silikonu.

7. Przyrząd według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że ciecz nośna, w której zdyspergowane są cząstki ferromagnetyczne jest żywicą epoksydową.

8. Przyrząd według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że ciecz nośna, w której zdyspergowane są cząstki dielektryka jest olejem transformatorowym.

9. Przyrząd według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, albo 7, albo 8, znamienny tym, że rdzeń (19) wykonany jest z żelaza chemicznie czystego.