ЦЕПЬ ГЕРОНА

Цепь Герона относится к области создания развивающих игр, физических приборов, головоломок и может быть использована для демонстрации физических законов, фокусов.
Известна цепочка «павлиний глаз» (патент US 4903475 класс А 63 F 9/08 от 27.02.90 г.). Она состоит из двух простых цепочек, соединенных между собой, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. Причем каждая из простых цепочек образована чередованием звеньев большого и малого диаметра, которые компланарны и концентричны звеньям, соответственно, малого и большого диаметров другой цепочки.
Недостаток известного аналога состоит в ограничении демонстрационных возможностей с учетом ее статичности.
Наиболее близким к предлагаемому является развлекательная головоломка в виде цепи Герона (Фирсова Л.М. Игры и развлечения, Москва, Молодая гвардия, кн.3, 1992, с.16). Известная цепь состоит из двух простых цепочек (см. фиг.1) соответствующие по зацеплению звенья которых соединены между собой так, что вектор смещения звеньев одной из цепочек относительно соответствующих по уровню звеньев другой цепочки совершает поворот одного и того же знака при последовательном переборе звеньев. Кроме того, обе простые цепочки идентичны одна другой и образованы из одинаковых круглых колец.
Монтаж цепочки, см. фиг.1. Одну простую цепочку подвешивают за верхнее (первое) звено, а звенья другой простой цепочки продевают в вышележащие соседние, т.е. соответствующие по соединению, звенья первой. Например, второе звено во второй простой цепочке (назовем ее цепочкой «В») связано с вышележащим первым звеном той же цепочки «В», и, кроме того, второе звено цепочки «В» продевают в первое звено первой простой цепочки (далее - цепочки «А»), и т.д., звено «п» цепочки «В» продевают в звено «п-1» цепочки «А». Следует также учесть, что в равновесном положении плоскости звеньев «п» и «п-1» перпендикулярны. Поэтому подсоединение звеньев цепочки «В» к звеньям цепочки «А» происходит по снижающейся спирали. Например, если верхнее кольцо цепочки «В» поместили спереди от соответствующего (верхнего) звена цепочки «В», а второе кольцо цепочки «В» - справа от второго кольца цепочки «А», то третье кольцо цепочки «В» разместят сзади, а четвертое кольцо - слева от соответствующих колец цепочки «А». Далее положение колец цепочки «В» относительно соответствующих колец цепочки «А» повторится циклически: спереди, справа, сзади, слева и т.д.
Демонстрация зрелищного эффекта осуществляется следующим образом. Возьмем верхние звенья цепочек «А» и «В» в правую и левую руки соответственно, держа их примерно на одной высоте. Затем опускаем верхнее кольцо цепочки «А» до опоры его на второе кольцо цепочки «В» с последующим опрокидыванием его на 180°, в результате чего первое кольцо цепочки «А» вместо соседства с первым кольцом цепочки «В» получает соседство с его третьим кольцом. Кроме того, второе кольцо цепочки «А» опускается до опоры на третье кольцо цепочки «В», и, утрачивая верхнюю поддержку при опрокидывании своего верхнего кольца, само, оказавшись в состоянии неустойчивого равновесия, опрокидывается. За ним третье и т.д. все остальные кольца цепочки «А» опрокидываются последовательно во времени и в пространстве, создавая иллюзию падения верхнего кольца вниз. Возвращая первое кольцо цепочки «А» в исходное, верхнее положение, инициируем процесс последовательного опрокидывания колец цепочки «В». И т.д., поочередно меняя положение рук, демонстрируем «падение» колец вниз.
Недостаток прототипа состоит в ограничении демонстрационных возможностей цепи Герона. Таким образом, требуемый технический результат состоит в расширении демонстрационных возможностей цепи Герона, в повышении ее занимательности, а также в расширении конструктивных параметров цепи, при которых возможна ее надежная работа.
Недостатки прототипа устраняются в предлагаемой цепи Герона, состоящей из двух простых цепочек, соответствующие звенья которых соединены между собой так, что вектор
смещения звеньев одной цепочки относительно соответствующих звеньев другой совершает поворот одного и того же знака при последовательном переборе звеньев, аналогично прототипу.
Отличием предлагаемой цепи Герона от прототипа является то, что в ее состав вплетена, по крайней мере, третья простая цепь, идентичная двум простым цепочкам, а вектор смещения ее звеньев относительно соответствующих звеньев двух простых цепочек совершает поворот того же знака.
Кроме того, поперечное сечение звена каждой из простых цепочек может монотонно изменяться при последовательном переборе звеньев.
Кроме того, размер звеньев каждой из простых цепочек может монотонно изменяться при последовательном переборе звеньев.
Кроме того, поперечное сечение звена и размер звеньев каждой из простых цепочек могут монотонно изменяться при последовательном переборе звеньев.
Звенья цепи Герона могут быть выполнены разного цвета.
Описание предполагаемого изобретения поясняются чертежами:
- Фиг.1 - цепь Герона - прототип;
- Фиг.2 - цепь Герона, содержащая три простых цепочки.
На фиг.2 использованы следующие условные обозначения элементов (на примере цепи, состоящей из трех простых цепочек):
1 - начальное звено цепи;
1-1 - первое звено первого яруса;
2-1 - второе звено первого яруса;
3-1 - третье звено первого яруса;
1-2 - первое звено второго яруса;
2-2 - второе звено второго яруса;
3-2 - третье звено второго яруса;
1-3 - первое звено третьего яруса;
2-3 - второе звено третьего яруса;
3-3 - третье звено третьего яруса;
...;
2 - конечное звено цепи.
Покажем сборку цепи Герона на примере цепи, состоящей из трех простых цепочек.
Сборку цепи Герона, состоящей из трех, четырех и т.д. простых цепочек, можно проводить аналогично сборке цепи, состоящей из двух простых цепочек. Технология сборки была приведена при анализе аналога. Изготовление цепи Герона по предполагаемому изобретению позволяет изменить технологический процесс сборки, что позволит упростить и механизировать его. Рассмотрим технологию сборки на примере сборки цепи, состоящей из трех простых цепочек.
На звено 1 надеваются три звена 1-1, 2-1 и 3-1 первого яруса (см. фиг.2).
На три звена 1-1, 2-1, 3-1 первого яруса надевается звено 1-2 второго яруса.
На два звена 2-1,3-1 первого яруса надевается второе звено 2-2 второго яруса.
На одно звено 3-1 первого яруса надевается третье звено 3-2 второго яруса.
Затем на три звена 1-2, 2-2, 3-2 второго яруса надевается первое звено 1-3 третьего яруса.
Дальнейшая сборка цепи аналогична.
На последние три звена надевается звено 2.
При соединении звеньев необходимо, чтобы вектор смещения звеньев простых цепочек относительно соответствующих звеньев другой цепочки совершал поворот одного и того же знака при последовательном переборе звеньев.
Покажем реальность обеспечения требуемого технического результата за счет существенных отличий предлагаемой цепи.
Выполнение цепи Герона из трех и более простых цепочек позволяет фиксировать в пространстве одновременно не менее двух звеньев, что не только упрощает процесс сборки, но и позволяет ее механизацию. Кроме этого, пространственная фиксация первых звеньев обеспечивает возможность демонстрации не только с помощью механического (ручного) перебора, но использование, например, электродвигателя.
Предлагаемая цепь может быть не только развлечением, игрой, или фокусом. Цепь может использоваться, чтобы показывать как «исчезает» и «появляется» материя. Также цепь можно использовать для развития скорости реакции.
Разработаны следующие варианты игры и проведения экспериментов.
1. Когда одно или несколько звеньев «покатятся» вниз по цепочке, свободной рукой возьмем за самое нижнее звено и перевернем цепочку. Если кольцо не успело докатиться до конца, то оно покатится обратно. Этот вариант игры развивает скорость реакции.
2. Проверим, катаются ли звенья туда и обратно при перевороте цепочки, затем расположим ее вертикально, крутанем как скакалку и растянем линию. Звено должно покатиться вверх. Здесь имеет значение направление вращения. Если правая рука находится вверху, то она должна вращать цепочку по часовой стрелке, если внизу - то против. Этот вариант игры развивает координацию движений, помогает почувствовать связь между центробежными силами и силой гравитации, интуитивно освоить законы природы.
3. Проследим, где останавливается звено, которое докатывается до нижнего конца цепочки, удерживаемого второй рукой. Если это звено придержать, то при поворачивании цепочки оно не сможет покатиться вниз, но если Вы будете его медленно опускать, то, в конце концов, звено все же покатится вниз. Его можно будет остановить, если Вы снова поднимите опускаемое кольцо. Этот вариант игры развивает точность движения и моторную память.
4. Если звенья снова потянуть вверх, а другой рукой повернуть нижний конец цепи на пол-оборота против часовой стрелки, то остановившееся звено снова поднимется вверх, преодолевая гравитацию. Это самый сложный вариант игры.
5. Возьмите цепь разными руками за противоположные концы и расположите горизонтально над столом. Правой рукой перекручивайте на себя, а левой - от себя. В середине цепи звенья начнут приобретать красивую структуру. Начните укладывать цепь на стол, начиная с середины, пока вся цепочка не приобретет эту структуру.
6. Теперь, когда Вы умеете пускать звенья вниз и вверх, можно пустить звенья вниз, манипулируя только одной рукой.
Уменьшение размеров звеньев цепочки повышает занимательность демонстрации, так как у зрителей создается впечатление, что падающие звенья уменьшаются (или увеличиваются) на глазах по мере падения (в случае, если звенья цепи выполнены различными по размеру), а также, что их скорость меняется. Эффект усиливается тем, что зрение имеет особенность выделять движущиеся объекты в меньшей степени реагируя на неподвижные. Таким образом, глаз «не видит», что звенья цепи уменьшаются конструктивно, но замечает изменение размера падающих звеньев. К аналогичному зрелищному эффекту приводит и изменение поперечного сечения каждой из простых цепочек при последовательном переборе звеньев.
Таким образом, показано, что требуемый технический результат, действительно, достигается за счет существенных отличий предлагаемой цепи.
Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемой цепи и подтвердили обеспечение при этом требуемого результата.