SE1900071A1 - Konstruktion för undervisning av lyftkraft mellan luft och vatten - Google Patents

Abstract

Uppfinningen är en konstruktion för undervisning och underhållning, som rent fysiskt visar vad som händer när luft och vatten kontinuerligt byter plats i täta cylindrar under vattnet. Det sker när vattenfyllda cylindrar, som är monterade runt ett luftfyllt hjul helt nedsänkt i vatten dras runt, mellan två luftfyllda bärpelare i en cistern eller glasförsedd tank som gör det möjligt att se vad som händer när hjulet dras runt för hand eller med hjälp av en motor, samtidigt som cylindrarna då töms på vatten och fylls med luft, i sitt nedre vändläge för att sedan åter vattenfyllas var gång de närmar sig hjulets övre vändpunkt.

Description

Tekniskt område Konstruktion för undervisning av naturelemeten luft och vatten.Avsedd för demonstration och experiment mm. av luft ochvatten. Genom uppfinningen visas demonstrativt vad somhänder när luft och vatten kontinuerligt byter plats, i tätakolvförsedda cylindrar monterade på ett luftbärande hjulmonterat och lagrat mellan sidorna i en vattenfylld cisternroteras runt för hand eller av en extern motor.

Bakgrund Vi har i dag stor kunskap om många ting, men de flesta av osshar fortfarande dålig kunskap om så elementära saker som detvå element som omger oss - här avses då luft och vatten. Attluften vi andas har ett tryck vet vi, men normalt känner vi detinte, annat än när det blåser. Men blåst och lufttryck är inte riktigt samma sak.

Att luftens tryck påverkar vattnet vet en del som bor närakusten, därför att man kan avläsa högt eller lågt lufttryck på hurmycket luften pressar bort vattnet, vid högt lufttryck ärvattenytan därför läge. Vad som komplicerat det hela är att luft kan komprimeras, till skillnad mot vatten.

Att vatten kan bära hur stora båtar som helst tänker vi oftast intepå. Vi vet att vatten är tungt, och vagt vet vi att det är högretryck ju längre ner man kommer i vattnet. Denna uppfinning ärtänkt att sprida kunskap om hur de två elementen kan samverkaoch att det kan inspirera till nya tankar om hur dessa naturkrafter fungerar och kanske kan användas på ett miljöriktigt sätt.

Uppfinningens syfte Denna uppfinning avser att visa på vad som händer med olikakrafter när ett tätt föremål på ett vattendj up får sitt innehåll avvatten ersatt med luft. Uppfinningen är tänkt att användas för attvisa på de krafter som omger oss och hur dessa krafter kan förflyttas och kanske utnyttjas.

Detta kan nu på ett roande och praktiskt sätt demonstreras iskolor, på tekniska museer och på Vetenskaps anläggningar somTom Tiits experiment Universeum och liknande ställen som oftafinns i många större städer runt om i världen. Samtidigt kanuppfinningen ge upphov till en större kunskap och förståelse för naturkrafterna och framför allt vattnets fantastiska egenskaper.

Det gäller till exempel hur vatten snabbt kan trycka upp ettluftfyllt föremål från djupet rakt upp mot ytan, det må vara enbåt eller en luftfylld cylinder. Hur påverkas farten och kraftenoch hur stort motstånd blir det när vattnet tränger undan alltvatten ovanför denna flytkropp när den pressas kortaste väg rakt upp mot vattenytan.

Många olika, frågeställningar kommer att uppstå i sambandmed att denna demonstrations modell för vattnets inneboendetryckkraft gentemot den lättare luften. Detta kan nu rentpraktiskt demonstreras i olika skala. Om hjulet dras runt förhand kommer man direkt att känna vilken kraft som krävs för attpressa vattnet ut ur cylindrarna samtidigt som man direkt kan känna av hur denna kraft omvandlas till en motsatt lyft kraft.

Detta sker när samma cylindrar sedan fylls med luft i stället ochdå vill dra hjulet runt när vattentrycket pressar cylindrarnauppåt. Fortsätter man sedan att dra hjulet runt så att nästa ochnästa cylinderpar också luftfyllts, kommer man att känna skillnaden rent fysiskt.

När alla cylindrar runt hjulets ena halva är luftfyllda kan manockså se och känna vad som händer när spärren som hållerkolvarna låsta släpper och vattentrycket snabbt kommer attpressa in kolvarna så att luften i dessa nu också pressas ut och ger tillbaks kraft till hjulet.

På en dator skärm kan man sedan via givare avläsa vad somhänder vilken kraft som fordras för att pressa bort vatten urcylindrarna när man drar hjulet runt och vilken kraft som vattnets lyftkraft sedan utövar på en luftfylld kropp.

I dataprogrammet som skall åtfölja kan man ställa frågor och fåsvar på allt som rör fysik energi kraft och miljö samt hur olikaalternativa kraftkällor påverkar miljön. Samtidigt som man skakunna sätta upp egna simulerade situationer och göra visuellaexperiment, som kan ge svar om olika parametrar matas in för olika alternativ.

Exempelvis vilken energi som avges vid olika fallhöjder ochmängd /tidsenhet när vatten släpps loss. Eller av olika våghöj d,eller av vattentryck vid olika djup mm. Eller av att lyfta l kgeller ett ton, en meter på en sekund. Eller hur mycket arbetemåste till i form av kraft till för att en lampa på 100 watt skalysa kontinuerligt. Eller för att ladda batteriet i en mobiltelefonfullt.

Figur förteckning Uppfinningen är närmare beskriven i det följande underhänvisning till bifogade ritningar som schematiskt visar ettutföringsexempel på ett hjul med cylindrar som kan tömmas på vatten i sitt nedre läge och fyllas av vatten i sitt övre läge.

Figur l. Visar en sid vy av ett hjul (1) lagrat i sin vattenfylldacistern (2).

Figur 2. Visar hjulet (1) Lagrat mellan väggarna i sin täta cistern sittande mellan två bärpelare helt nedsänkt i vatten.

Figur 3. Visar två motställda cylinderpar (8) i genomskämingmed en gemensam vevaxel samt en del av ytterligare en rad medcylindrar som är monterade, topplock mot topplock runt hela hj ulets periferi.

Figur 4. Visar en cylinder (8) i en proj ektion, där vevaxel ochkolvens undersida syns samt kugghjulet som driver vevaxel och den övre kuggkransen som kugghjulet går in i.

Figur 5. Visar samma cylinder (8) som i figur 4. Men här i 90graders vridning och då sedd från sida med vevaxel och lager samt vevaxelns kugghjul och kolven (9) sedd från sidan.

Figur 6. Visar ett cylinderpar i samma vy som de visas i figur 1.Med gemensam vevaxel och kolvarna i sitt nedre vändläge medden täta delen av cylindern fylld med luft och med vattnet undanträngt från cylindrarnas öppna underdel.

Hänvisningsforteckning av ingående dettalier 1 . Hj ul 2 Cistem3 . Fundament4. Axel5 . Urtag6 Heltäckande täta sidor7 Ytterring 8 Cylinderpar .11.12.13.14.15.16. 17 KolvKolvstångVevaxelTopplockLuftkanalMynningVattenytanVatten . Kugghjul18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.42.

Låsspärr Nedre kuggkransDragring (Ej inritad)Övre kuggkransPumpDräneringspumpAxeltätningDrivaxel Ventil Vattentätt skottLagring Nedre kolvlägeKuggkransDrivkugghjulLuftpilarTransmissionHandvevVäxellåda MotorTätningslockKolvringarKolvtätningCylinderinkapslingVentil vattenintag Ventil vattenutsläpp 43. 44. Bärpelare 45. Ventil fyllning av cistern 46. 47. Riktningsbara skovlar 48. Ventil för fyllning av hjul och bärpelare49. Ventiler för tömning av hjul 50. Ventiler för tömning fyllning av bärpelare51. Strömningsportar Kortfattat funktions beskrivning När det luftfyllda hjulet i uppfinningen roteras under vattnet är det helti jämnvikt och nära viktlöst med små ytor som är bromsande gentemothjulets rotation när alla cylindrar som är monterade runt hjulets ytterring iett första skede är vattenfyllda. När hjulet sedan roteras åtgår kraft för attpressa ut vattnet ur ett cylinderpars öppna underdel, så att luft kan sugas in iden täta delen av cylindern, detta sker strax före det att cylinderparetpasserar sitt nedre vänd läge i vattnet. När sedan cylinderparet (eller allacylinderpar utefter samma vevaxel) passerat det nedre vändläget är de sedanfyllda med luft och har då en lyftkraft som vill dra hjulet runt. När nästacylinderpar (eller rader av cylinderpar) kommer i samma läge pressas vattnet i dessa cylindrar också ut och bidrar då till att dra hjulet runt. Samma 6 sak upprepas nu för nästa och nästa cylinderpar till dess att alla cylindrar påden ena sidan av hjulet är luftfyllda. När det cylinderpar som förstluftfylldes, närmar sig det övre vändläget på hjulet, frigörs en spärrhake somlåst oylindrarnas vevaxel i sitt luftfyllda läge. När så sker kommer detomgivande vattentrycket att snabbt vilja pressa in kolvarna i cylindramasom då vattenfylls igen, samtidigt som luften i cylindrama pressas ut. Denenergi som vattentrycket mot kolvarnas undersida ger upphov till överförsnu indirekt via kolvarnas vevaxel till hjulets rotation, kraften överförs via ettkugghjul på vevaxeln som löper i en kuggkrans som är fast monterad i konstruktionen.

När det första cylinderparet vattenfyllts kommer sedan samma sak att skemed de efterkommande cylindrama i samma förlopp, samtidigt som nyacylindrar töms på vatten i det nedre läget. Självtätande kolvringar hindrarvattnet från att tränga in i cylindrarna samt luften från att komma ut ur dessa.

Detaljerad beskrivning Förevarande uppfinning består enligt (FIGUR 1 och 2.) av ett hjul (1) somär helt nedsänkt i ett vatten (16), hjulet (l) sitter upphängt och vattentättlagrat mellan två ihåliga bärpelare (44) som sitter fästade i väggarna i en tätlådliknande konstruktion kallad cistern (2) som är öppen uppåt med en öppning (14) som befinner sig ovanför vattenytan (15).

Cistemen (2) kan vattenfyllas via en ventil (26) och (45) där ocksåcisternens fundament (3) kan vattenfyllas eller tömmas. Hjulet (1) får luftgenom tvärgående genomgångar till en ihålig axel (4) som sitter lagrademellan de två ihåliga bärpelarna (44). Hjulets (1) yttre del består av enihålig ytterring (7) som i sin tur bärs upp av två täta sidor som har luft imellanrummet mellan sidorna (6) som är tätt sammanfogade med den ihåliga axeln (4) och ytterringen (7).

Alla ihåligheter har förbindelse med varandra så att det vanliga lufttrycket fritt kan nå ända ut till ihåligheten i ytterringen (7) samt in i cylindrama (8) 7 via en luftkanal (13). Om cistemen (2) står i det fria kan luften komma in direkt genom den ihåliga axeln (4) om täcklocket (37) tas bort.

Runt ytterringen (7) (SE F IGUR 6, 3 ,4 ,5) sitter parvis monterade cylindrar(8) i en eller flera rader sida vid sida, drivna av en gemensamma vevaxeln (11) som är orienterad axiellt parallellt, med axeln (4).

I cylindrarna (8) sitter kolvar (9) som via en vevstake (10) drivs av engemensam vevaxel (11) på ett sådant sätt att de täta kolvama (9) rör sigsamtidigt och i samma läge inuti respektive cylinder (8) i 90 grader motvevaxeln (11). Cylindrarna (8) kan placeras så att de kan följa radien på hjulet (1) men vara förskjutna axiellt.

Kolvarna (8) (Se figur 3.) sitter monterade runt hela ytterringen (7) och desitter med topplocken (12) vända emot respektive nytt cylinderpar (8) ochderas vevaxel med en gemensam luftkanal (13) i topplocken som mynnar ut i ihåligheten i ytterringen (7) och till cylindrarna (8) Kolvama (9) drivs upp och ner via vevaxeln (11) som i sin tur drivs runt viaett kugghjul (17) som drivs runt när det går in i en nedre kuggkrans (19) närhjulet (1) med extem kraft roteras. När detta sker trycks vattnet sombefinner sig på undersidan av kolvama (9) bort och luft sugs då samtidigt ini cylinderparet (8). När så sker uppstår att mottryck från det omgivandevattentrycket riktat mot undersidan av kolvama (9) som då måste övervinnas när hjulet (1) drivs runt.

När kolvama (9) når sitt nedre läge går en låsspärr (18) in och låserkugghjulet (17) och vevaxeln (11) samt kolvama (9) i detta läge, samtidigtgår då kugghjulet (17) ut ur den nedre kuggkransen (19) som sitter fastmonterad i fundament (3). Efterkommande cylinderpar (8) kommer sedan att luftfyllas på samma sätt i en lika dan cykel.

När alla cylinderpar som ryms på uppsidan av hjulet (1) blivit luftfyllda ochdet först fyllda cylinderparet (8) är nära toppen av hjulets (1) i dess rotation,går kugghjulet (17) in i och greppar tag i den övre fasta kuggkransen (21).När detta sker frigörs låsspärren (18) som resulterar i att det omgivande vattentrycket nu kan trycka in kolvama (9) in i cylindrarna (8) så att all luft 8 pressas ut ur cylindrarna (8) samtidigt som cylindrama (8) på nytt vattenfylls i den öppna underdelen av cylindrama.

Den kraft som vattnet då utövar på undersidan av kolvarna (9) överförs dåtill hjulet (1) och dess rotation via vevaxeln (11) till kugghjulet (17) genomden övre och fasta kuggkransen (21).

Efterföljande cylinderpar (8) kommer att genomföra samma cykel både förtömning och fyllning av luft och vatten i över respektive nedersta läget medfasta intervall. Flera cylinderpar kan monteras bredvid varandra sidledes och då drivas av samma vevaxel..

Hjulet (1) och dess flytkraft kan regleras genom att anpassa luftvolymen ihjulet (1) och genom att montera fast barlast runt hjulet för balans ochflytkraft så att hela hjulet (1) blir nära viktlöst när alla cylindrar ärmonterade och vattenfyllda. Alla cylindrar är inkapslade i encylinderinkapsling (40) som löper runt hela hjulet. Cylinderinkapslingen(40) har strömningsportar (51) ovanför varje vevaxel (1 1) som kan styravattnet att komma in och ut på ett fördelaktigt sätt när hjulet (1) roterar och cylindrarna (8) töms och fylls på vatten.

Hj ulet (1) kommer då att likna ett cykelhjul avsett för höga hastigheter medheltäckande sidor (6) i stället för ekrar och cylinderinkapslingen (40)kommer att likna cykelhjulets däck men med strömningsurtag (51) ovanför cylindrarnas vevaxlar liknar däckets mönstring.

Runt hjulet (1) i cisternen (2) sitter riktningsbara skovlar (47) avsedda att gevattnet (16) i cistemen (2) en rotation som är gynnsam för hjulets (1) rotation och för att förhindra bromsande virvlar.

Hjulet (1) kan vid behov vattenfyllas via ventilen (48), intaget vatten kansedan tömmas via dräneringspumpen (23)eller via ventilerna (49). Detihåliga fundamentet (3) liksom hela cistemen är vattentätt och flyter om deninte är vattenfylld. Vatten kan pumpas ut ur fundamentet (21) via en pump(22). Cistemen (2) kan också vattenfyllas så att hela hjulet (1) kommerunder vatten i cisternen genom ventilerna (48). Bärpelarna (44) kan normalt bara vattenfyllas upp till det vattentäta skottet (27) vattnet kan då pumpas ut 9 med pump (22). Om vatten skulle läcka in i hjulet (1) kan detta pumpas utvia en dräneringspump (23). Den ihåliga axeln (4) är lagrad i bärpelarna (2)och har vattentätande axeltätningar (24). Kolvarna (9) se figur 3.tätas av kolvringar (38) och kolvtätningar (39).

En elmotor (26) for drivning av hjulet (1) kan sättas i en eller bådabärpelarna (44) altemativt utanpå cistemen (2) i ett eget utrymme, och kandå via en växellåda (35) med en utgående drivaxel (25) med ettdrivkugghjul (31) driva runt hjulet (1) via en kuggkrans (30) som är fastmonterad runt hela hjulet (1). Hjulet (1) kan också dras runt for hand via envev (34) och en transmission (33). Eller via en dragring som är större än hjulet (1) och då kan sticka upp ovanför vattenytan (15) .