Капиллярный способ измерения ускорения свободного падения тел и устройство для его осуществления



Капиллярный способ измерения ускорения свободного падения тел и устройство для его осуществления
Капиллярный способ измерения ускорения свободного падения тел и устройство для его осуществления
Капиллярный способ измерения ускорения свободного падения тел и устройство для его осуществления
Капиллярный способ измерения ускорения свободного падения тел и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2527657:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) (RU)

Изобретение относится к гравиметрии. Согласно способу при размещении рабочего тела с капиллярами в смачивающей жидкости между обкладками плоского конденсатора достигают возможность преобразования в электрический сигнал зависимости ускорения свободного падения тел на поверхности Земли. Таким образом, зависимость ускорения свободного падения тел определяют по зависимости величины емкости конденсатора. Технический результат - повышение точности и автоматизация измерений. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области гравиметрии и может быть использовано для разведки и обнаружения неоднородностей в недрах Земли и в других планетах Солнечной системы, в том числе и различных полезных ископаемых на основе измерения относительного изменения ускорения свободного падения g.

Целью изобретения явилось создание простого в исполнении и устойчивого к внешним воздействиям способа с высокой степенью достоверности, регистрирующего ускорение свободного падения тел.

Известен способ гравиметрических измерений [1], заключающийся в измерении ускорения силы тяжести по изменению частоты колебаний подвеса инерционного тела в поле гравитации Земли. Недостатком данного способа является высокая чувствительность к различным вибрациям, для устранения которых применяются специальные меры.

Известны гравиметры, основанные на методах измерения ускорения свободного падения вертикально брошенного тела - баллистический лазерный гравиметр [2], а также струнные гравиметры, учитывающие зависимости изменения упругости металлического чувствительного элемента пластины от действия гравитации [1]. К недостаткам лазерного гравиметра [2] следует отнести:

1) необходимость создания вакуума в рабочей камере, которая требует наличия вакуумного насоса;

2) потребность совмещения центра тяжести с оптическим центром;

3) наличие лазерного источника излучения со стабилизацией частоты.

К недостаткам струнного гравиметра [1] следует отнести:

1) наличие связи струны с корпусом гравиметра и грузом;

2) необходимость электронной схемы для возбуждения колебаний струны;

3) невозможность автоматизированной фиксации получаемых результатов;

4) сложность интерпретации измерений.

Капиллярный способ регистрации зависимости ускорения свободного падения тел основан на использовании зависимости уровни высоты жидкости внутри капилляра h от значения ускорения свободного падения g.

Как известно, жидкость высотой h в цилиндрической емкости с площадью основания, равной S, создает величину давления у основания, равную Р [3].

Поскольку вес жидкости F=mg, где масса жидкости m=ρV, ρ - плотность жидкости, а объем жидкости V=Sh, то давление будет определяться согласно формуле:

P = F S = m g S = ρ V g S = ρ S h g S = ρ g h ( 1 )

и называться гидростатическим давлением жидкости.

Если в сосуд 1 (Фиг.1) с жидкостью 2 поместить капилляр 3 с внутренним радиусом r, то в случае смачивающейся жидкости 2 под действием Лапласового давления уровень жидкости поднимется на высоту h. В капилляре 3 нанесены миллиметровые метки, которые позволяют зафиксировать уровень поднятия жидкости на определенную высоту. Величина этой высоты определяется условием равенства Лапласового давления и гидростатическим давлением жидкости, которая была поднята внутри капилляра, в результате действия Лапласового давления, т.е.

2 σ r = ρ g h , ( 2 )

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости (является справочной величиной), а g - ускорение свободного падения. Высота уровня поднятия жидкости внутри капилляра:

2 σ r = ρ g h . ( 3 )

Видно, что величина h зависит от ρ, r, g и σ. Для выбранной жидкости она зависит от r и g. Если выбрать необходимый капилляр с радиусом r, то остается зависимость высоты уровня жидкости в капилляре от величины ускорения свободного падения g. В данном способе предлагается использовать эту зависимость для определения величины ускорения свободного падения тел на поверхности планет Солнечной системы.

Пример: Стеклянный капилляр с внутренним радиусом r=1 мм помещали горизонтально в сосуд с жидкостью. В случае смачивающейся жидкости под действием Лапласового давления уровень жидкости поднимется на определенную высоту h [3]. В качестве смачивающейся жидкости брали вначале воду (σ=73 мН/м, ρ=1000 кг/м3), а затем керосин (σ=24 мН/м, ρ=800 кг/м3). Высоту поднятия жидкости измерили с помощью миллиметровых меток, которые нанесены в капилляре при различных значениях ускорения свободного падения g. Рассчитанная по формуле (3) зависимость высоты h поднятия жидкости (в метрах) в капилляре от значения ускорения свободного падения g для двух жидкостей керосина (1) и воды (2) приведена на Фиг.2.

Результаты расчетов показывают, что вода является более подходящей жидкостью для рассматриваемой зависимости высоты поднятия жидкости в капилляре от ускорения свободного падения, поскольку для воды данная зависимость выражена сильнее из-за большого значения коэффициента поверхностного натяжения, и она более доступна и безопасна для осуществления практических работ.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является возможность преобразования изменения величин h и g в электрический сигнал, который может быть обработан с помощью числовых методов.

В целях повышения точности и автоматизации определения зависимости предлагается использовать следующие способы.

Во-первых, для усиления эффекта предлагается использовать одновременно несколько капилляров. При этом используется суммарный объем жидкости в этих капиллярах.

Во-вторых, вместо капилляров предлагается использовать твердое, сыпучее или иное тело, которое состоит из большого количества капилляров. В этом случае общий объем жидкости определяется суммарным объемом от всего огромного количества капилляров используемого тела. В качестве тела с капиллярами, например, можно использовать стекловату или кварцевый песок.

В-третьих, предлагается преобразовать величину объема жидкости, поднимающейся в капиллярах, в эквивалентную электрическую величину, которую можно с высокой точностью и достоверностью измерить, усилить, преобразовать в цифровой сигнал, использовать в вычислениях, записывать и сохранять в памяти электронно-вычислительного блока (условно не показан).

Суть изобретения состоит в следующем: емкость образованного плоского конденсатора зависит от среды, которая находится между двумя его обкладками. При изменении величины ускорения свободного падения g изменится уровень поднятия жидкости в капиллярах, изменяя, в свою очередь, объем жидкости между обкладками конденсатора и величину его емкости.

Емкость такого конденсатора может быть вычислена по формуле

C = ε 0 [ ε 1 ( a h ) + ( ε 1 + ε 2 ) h ] b d , ( 4 )

где С - емкость плоского конденсатора, ε1 - диэлектрическая проницаемость тела с капиллярами, ε2 - диэлектрическая проницаемость используемой жидкости, а - ширина обкладки конденсатора, b - длина обкладки конденсатора, d - расстояние между обкладками конденсатора, h - высота, на которую поднимется жидкость внутри капилляра.

Величина ускорения свободного падения g связана с емкостью плоского конденсатора С следующим образом:

g = 2 σ ε 0 ε 2 b ρ r ( C d ε 0 ε 1 a b ) ( 5 )

Пример: Плоский конденсатор (а - ширина обкладки конденсатора, которая в расчетах принята равной 0,2 м, b - длина обкладки конденсатора принята равной 1 м, d - расстояние между обкладками конденсатора принято равным 10 мм) между обкладками которого находится стеклянный капилляр (ε0=8,85·10-12, ε1 - диэлектрическая проницаемость тела с капиллярами, которая для стекла принята равной 7) с внутренним радиусом r=0,1 мм, помещали горизонтально в сосуд со смачивающей жидкостью. В качестве смачивающейся жидкости использовали воду (σ=73 мН/м, ε2=81, ρ=1000 кг/м3) и затем керосин (σ=24 мН/м, ε2=2, ρ=800 кг/м3). С изменением высоты уровня жидкости h по капилляру изменяется и емкость образованного плоского конденсатора С, которая рассчитана по формуле (4). Затем по формуле (5) была рассчитана зависимость величины ускорения свободного падения g от емкости плоского конденсатора С для двух жидкостей, воды (1) и керосина (2), которая приведена на Фиг.3.

Из расчетов видно, что для воды зависимость емкости конденсатора от изменения ускорения свободного падения является более сильной, чем у керосина. На практике существует много способов преобразования емкости в различные виды электрических сигналов. В данном случае емкость плоского конденсатора зависит от величины ускорения свободного падения, через высоту поднятия жидкости в капиллярах.

Результаты, приведенные на Фиг.3, свидетельствуют о возможности определения зависимости ускорения свободного падения g от изменения емкости конденсатора в результате изменения высоты уровня и объема жидкости в капиллярах.

Для реализации данного способа предлагается устройство, в котором нашли отражение все рассмотренные выше способы повышения точности и автоматизации измерения ускорения свободного падения. Устройство представляет собой плоский конденсатор и состоит из следующих элементов:

1 - обкладки конденсатора шириной а, размещенные друг от друга на расстоянии d; 2 - ручки; 3 - рабочее тело, выполненное либо из набора тонких капилляров, либо в виде твердого, сыпучего вещества (стекловата, кварцевый песок и др.); 4 - емкость; 5 - жидкость.

Структура устройства приведена на Фиг.4. Если плоский конденсатор 1 с помощью ручек 2 опустить в емкость 4, в которой находится смачивающая жидкость 5, то под действием Лапласового давления уровень жидкости через рабочее тело 3 поднимется на высоту h. При этом изменяется емкость конденсатора 1.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и высокая степень достоверности регистрации ускорения свободного падения тел, простого в исполнении и устойчивого к внешним воздействиям (климатические, биологические, радиационные, электромагнитные, термические и т.п.).

Литература

1. Патент РФ RU 2342683 С2.

2. Патент РФ RU 2193 786 С1.

3. Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. Москва: Дрофа, 2003. - 560 с.

1. Способ измерения ускорения свободного падения тел, отличающийся тем, что плоский конденсатор помещают в смачивающуюся жидкость емкостью С, величина которой зависит от изменения объема жидкости между обкладками конденсатора, вызванного воздействием ускорения свободного падения g
g = 2 σ ε 0 ε 2 b ρ r ( C d ε 0 ε 1 a b ) ,
где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; ρ - плотность жидкости; ε0=8,85·10-12 Ф/м; ε1 - диэлектрическая проницаемость тела с капиллярами; ε2 - диэлектрическая проницаемость используемой жидкости; а - ширина обкладки конденсатора; b - длина обкладки конденсатора; d - расстояние между обкладками конденсатора; r - внутренний радиус стеклянного капилляра, помещенного между обкладками конденсатора.

2. Способ измерения ускорения свободного падения тел по п.1, отличающийся тем, что колебания емкости конденсатора могут быть преобразованы в электрический сигнал, который может регистрировать, преобразовывать и обрабатывать электронно-вычислительный блок.

3. Устройство для измерения ускорения свободного падения тел, отличающееся тем, что содержит плоский конденсатор, между обкладками которого находится рабочее тело, выполненное из набора тонких капилляров, причем обкладки и рабочее тело помещены в емкость со смачивающейся жидкостью.

4. Устройство для измерения ускорения свободного падения тел по п.3, отличающееся тем, что между обкладками плоского конденсатора находится рабочее тело, выполненное из сыпучего вещества.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гравиметрии и касается способа выставки в вертикаль лазерного луча баллистического гравиметра. Способ заключается в том, что проводят серию бросков пробного тела при различных наклонах платформы гравиметра, в каждом броске определяют ускорение свободного падения, находят минимальное значение ускорения в серии бросков и соответствующий ему наклон платформы, при этом наклоне фиксируют платформу.

Настоящее изобретение относится к устройству для прямого измерения компонент тензора гравитационного градиента, в частности недиагональных компонент тензора, и к способу измерения упомянутых компонент тензора, и относится к областям навигации и разведки (например, обнаружения пустот), к геологоразведочным работам, к подводной навигации и разведке, к наземной и морской археологии, к медицине и исследованию космоса (например, для получения карт плотности астероидов и других орбитальных тел Солнечной системы).

Предложены способ и устройство измерения ускорения свободного падения. В способе измерение ускорения свободного падения осуществляют посредством измерения деформации первичного электромеханического преобразователя гравиметрического датчика, пропорциональной силе тяжести пробной массы.

Предложены способ и устройство измерения ускорения силы тяжести g. В способе определяют угловую скорость вращения волчка и угловую скорость прецессии волчка в прямом и обратном положениях волчка.

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано для обнаружения низкочастотных периодических ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Изобретение относится к гравиметрической разведке и может быть применено для определения пластового давления в межскважинном пространстве для газовых и нефтяных скважин по вариациям силы тяжести.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поисков месторождений и залежей нефти и газа. .

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано для обнаружения низкочастотных периодических ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано для обнаружения низкочастотных ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Группа изобретений относится к измерительной технике, в частности к гравитационным градиометрам. Устройство включает корпус, квадрупольный груз, установленный внутри корпуса, упомянутый квадрупольный груз имеет пару противоположных наружных сторон и центр массы между этими сторонами и как минимум два торсионных пружинных изгиба. Эти торсионные пружинные изгибы представляют собой цапфы, соединяющие упомянутые стороны упомянутого квадрупольного груза с корпусом, упомянутые торсионные пружинные изгибы совместно обеспечивают ось вращения, которая проходит через центр массы квадрупольного груза и через оба торсионных пружинных изгиба. Способ включает в себя выбор гравитационного градиометра, имеющего пару квадрупольных грузов, и обеспечение для каждого квадрупольного груза, по меньшей мере, пары торсионных пружинных изгибов. Упомянутые квадрупольные грузы имеют оси вращения, являющиеся коллинеарными и проходящие через центр массы каждого из квадрупольных грузов, упомянутые оси являются общей осью, где квадрупольный груз определяет пару противоположных наружных квадрупольных сторон. Один из упомянутых торсионных пружинных изгибов соединен с каждой из упомянутых противоположных квадрупольных сторон по одному. При этом упомянутые торсионные пружинные изгибы являются коллинеарными и соединяют каждую из упомянутых противоположных наружных квадрупольных сторон с корпусом. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 23 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для прогнозирования скрытых рудных полезных ископаемых, связанных с гранитоидами. Сущность: для перспективных рудоносных участков на базе данных по физическим свойствам пород, слагающих модельный разрез, и материалов мелкомасштабных гравиразведочных и магниторазведочных съемок осуществляют построение «нулевой» глубинной модели. «Нулевую» глубинную модель выполняют в виде глубинных разрезов, на которых всем выявленным телам присваивают соответствующие интервалы изменений плотностных и магнитных характеристик. Затем путем решения серии обратных задач осуществляют в интерактивном режиме подбор глубинной модели. В процессе подбора глубинной модели меняют как форму отдельных тел модели, так и их физические параметры (плотность и намагниченность) до практически полного совпадения расчетных гравитационного и магнитного полей с наблюденными. Полученное неоднородное распределение плотности пород и намагниченности интерпретируют, используя эталонные генетические модели рудно-магматических систем, с построением геолого-геофизических разрезов. На геолого-геофизических разрезах по резкой смене или по смещению изолиний полей плотности и намагниченности выделяют крупные разломы и области низкоплотных немагнитных пород как остаточные очаги котектических гранитов (источников флюидов, рудного вещества и энергии), а отходящие от них апофизы оконтуривают как прогнозируемые зоны рудоотложения. Технический результат: прогнозирование с высокой степенью достоверности скрытого оруденения, связанного с гранитоидами. 8 ил.

Изобретение относится к области гравиметрии и может быть использовано для измерений постоянной гравитации γ. В указанном способе процесс измерения начинается после окончания вывешивания шаров с известной массой и удаления держателя, когда шары начинают свободное движение в поле тяготения данных шаров. При этом по окончании вывешивания скорости движения одного шара относительно другого шара и шаров относительно измерительного спутника минимальны. Из измерительного спутника шары облучают лазерным светом, при этом часть лазерного света направляют на входы оптических приемников в виде опорного сигнала, проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным от первого шара и от второго шара. Далее записывают зависимость от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженным последовательно от первого шара в сторону второго шара и от второго шара на измерительный спутник, и проводят запись зависимости от времени картины интерференции опорного сигнала с лазерным светом, отраженного от вышеуказанных шаров. Импульсным дальномером записывают зависимость от времени расстояний от измерительного спутника до каждого шара. Определив изменение во времени расстояния между шарами вычисляют гравитационную постоянную. Технический результат - повышение точности определения гравитационной постоянной. 2 ил.

Использование: для определения плотности геологической формации. Сущность изобретения заключается в том, что предложены системы и способы для определения свойства, например, плотности геологической формации на основе гравитационной теории Эйнштейна. Разность гравитационного потенциала определяется между двумя позициями геологической формации с помощью измерения сдвига частоты радиоактивного излучения, проходящего из источника на абсорбер дифференциального гравиметра. Дифференциальный гравиметр может являться частью скважинного инструмента. Определенную разность гравитационного потенциала можно использовать для определения свойства геологической формации. Технический результат: обеспечение возможности определения плотности геологической формации в процессе бурения в условиях высоких температур, давлений, ударных нагрузок и вибрации. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а именно к гравитационным градиентометрам. Гравитационный градиентометр содержит квадруполь с изготовленными в виде стержня и пробных масс гантелями, следящие системы с датчиками перемещений и привод вращения со шпинделем, при этом квадруполь выполнен в виде центрального вала, к которому на радиально расположенных ленточных пружинах присоединены гантели так, что между стержнями гантелей и валом имеются зазоры, на концах гантелей тангенциально установлены легкие консоли, между прикрепленными к разным гантелям консолями оставлены промежутки, в которые установлены датчики перемещений в виде зондов и подложек туннельных микроскопов, центральный вал квадруполя соединен со шпинделем привода вращения, а между приводом и квадруполем установлен металлический экран. Технический результат - повышение точности и помехоустройчивости градиентометра. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области геофизики и предназначено для определения ускорения свободного падения gz и его пространственных характеристик gφ как на земной поверхности, так и на поверхностях других планет. Для определения ускорения свободного падения gz и его пространственных характеристик gφ используется измерительное устройство, оснащенное ноль-индикаторным и градиент-датчиками, установленными на диске, размещенном в координатном устройстве с возможностью вращения. Способ проведения гравиметрического зондирования заключается в получении с помощью измерительного устройства 3D-годографа gφ и сравнении полученного годографа с «нормальным годографом» с целью выявления аномальной области на полученном 3D-годографе. Данный способ обеспечивает возможность получения объемной характеристики гравитационного поля, при этом диапазон измеряемых значений ускорения свободного падения не ограничен. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности и информативности гравиметрических измерений. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной. При реализации предложенного способа реальную систему взаимодействующих тел, имеющих сложную форму, заменяют модельной системой тел, закрепленных на тонком стержне и имеющих форму шара. Далее определяют значения гравитационной постоянной для всех возможных комбинаций позиций взаимодействующих тел модельной системы. Для этого измеряют период и амплитуду колебаний тел модельной системы и рассчитывают значение гравитационной постоянной по известной формуле. В случае выявления зависимости гравитационной постоянной от комбинации позиций, данную зависимость устраняют путем подбора положения притягивающихся тел в ближней позиции, после чего продолжают измерения в новой модельной системе. Экспериментальные данные считают достоверными, если во всех комбинациях позиций было получено значение, близкое к стандартному. Техническим результатом заявленного изобретения является возможность определения гравитационной постоянной для тел сложной формы. 1 ил.
Наверх