ГРАВИТАЦИОННЫЙ МАХОВИК

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к производству двигателей вращения, и может быть использована для повышения коэффициента полезного действия (КПД) двигателей за счет силы гравитации.
c
Известно достаточно много устройств, в которых сила гравитации используется для вращения. Несмотря на различие устройств их объединяет один принцип: падение тела или его вращение сопровождается аккумулированием механической энергии, которая превращается в силу инерции, направленную противоположно ускорению тела, равную массе умноженной на ускорение центра тяжести тела Q=m·α.
Аналогом является маятник-тело, совершающее под воздействием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси. Маятник относится к неуравновешенным механизмам. При опускании тела аккумулируется сила тяжести , а при подъеме действует сила инерции Q. При этом . Устойчивое равновесие маятник обретает в крайней нижней точке. Вредные потери при вращении маятника уменьшают силы , . В результате маятник совершает затухающие колебания и не является двигателем.
Однако маятник обладает очень ценным качеством. Его тело под воздействием сил тяжести перемещается по дуге круга с радиусом, равным длине отвеса. Но это качество в настоящее время не используется для повышения КПД двигателей.
Наибольшее распространение в машиностроении получили гидродвигатели - устройства для преобразования механической энергии жидкости в механическую энергию вращающегося вала.
Простейшим из гидродвигателей является водяное колесо - "колесо с лопастями, вращаемое потоком воды", которое может служить прототипом полезной модели.
Крутящий момент водяного колеса зависит от силы тяжести воды, падающей на лопасти (высоты падения, площади лопастей, радиуса колеса), и является постоянной величиной. Сила инерции возникает только с прекращением потока воды. Механизм имеет устойчивое равновесие.
Недостатки прототипа состоят в том, что для обеспечения работы двигателя необходимы дорогостоящие, стационарные гидроузлы, строительство которых не всегда возможно и рационально.
Техническим результатом полезной модели является использование крутящих моментов силы давления  и силы инерции  в качестве дополнительных составных частей крутящего момента двигателей вращения, что повышает их КПД.
Отличием является то, что на валу двигателя устанавливается "гравитационный маховик", который обладает свойствами маятника гидродвигателя и обеспечивает синхронность работы гравитационного маховика с угловой скоростью вращения двигателя .
Положительный эффект при осуществлении данного технического решения состоит в том, что представляется возможность либо повысить мощность без увеличения расхода топлива, либо сэкономить топливо, сохранив мощность двигателя. Преобразование потенциальной энергии в энергию кинетическую и разность крутящего момента одного и того же двигателя с гравитационным маховиком и без него позволяет количественно определить экономический эффект. В конце описания приводится пример по определению КПД двигателя с гравитационным маховиком и без него. Техническая сущность полезной модели поясняется чертежом на фиг.1.
1
2
3
4
5
1
1
2
3
4
5
1
5
Гравитационный маховик включает штатный маховик 1, на половине обода которого установлены через равные промежутки на расстоянии "r" от оси вращения двигателя нечетное число штырей 2 с нарезкой под гайки-разновесы. На фиг.1 показан гравитационный маховик, состоящий из 5 штырей с гайками-разновесами с массами m=m=m=m=m. На чертеже обозначены: G - центр вращения оси двигателя (3), G - центр тяжести маховика с учетом закрепленных неподвижно масс m=m=m=m=m, "e" - эксцентроситет маховика; пара сил  и , где  - сила веса гравитации, a  - сила, расходуемая двигателем на трение, вращение масляных, водяных насосов и т.д. Сила  соответствует всем потерям и моменту вращения двигателя на холостом ходу. Поскольку моменты сил  и  зависят от масс m÷m, радиуса r, угловой скорости , а радиус r и угловая скорость  для определенного двигателя - величина постоянная, то равенство момента гравитации - и момента силы  возможно только подбором гаек-разновесов с общей массой m.
2
В том случае, если моменты холостого хода и момент потерь не будут равны, то это нарушит равновесие, центровку двигателя, вызовет изменение центробежной силы Q, биение оси вращения двигателя. Чтобы предотвратить биение при изменении режима работы двигателя (пуск, остановка, изменение нагрузки) необходимо равенство . Следует подчеркнуть, что существует и другая причина биения оси двигателя: при вращении на каждое вращающееся тело с массой "m" при падении действует сила , а при подъеме сила . В результате при падении тело будет вращаться равноускоренно, а при подъеме - равно замедленно. При этом центробежная сила Q=m·r·w будет величиной переменной, что и обуславливает биение оси двигателя.
Чтобы обеспечить равномерное вращение гравитационного маховика с постоянной угловой скоростью  предлагается, как указано выше, установить нечетное число штырей с гайками-разновесами. Работа двигателя с гравитационным маховиком иллюстрируется графиком на фиг.2.
x
Если учесть, что крутящий момент , где l - проекция "r" на горизонтальную ось, то графическое решение уравнения представляет площадь, равную произведению P·l·cosθ прямоугольной системы координат, где за оси приняты значения силы гравитации Р и углы поворотам <θ°.
В том случае если груз , т.е. будет сосредоточен в точке m, то вращающий момент при <θ=0° =m·l·cosθ=m·0·1=0; при <θ=90° =mg·P·cos90°=P·0,25·l, при <θ=180° : сила гравитации  заменяется силой инерции - Q=P. Дальнейшее вращение равномерно замедляется. Допустим, что под воздействием вредных потерь вращение прекратится при <θ=270°. Завершение поворота должно осуществляться за счет двигателя. Графическое решение иллюстрирует, что гравитационный момент сосредоточенного груза "m" обладает резкими перепадами в зависимости от угла вращения θ, что вызывает биение оси двигателя и исключает его практическое использование.
1
5
1
2
3
4
5
Однако если рассредоточить груз "m" на грузы m÷m, то, как показано на графике - учитывая, что при углах θ=270°, θ=0° действия моментов грузов m, m, равны и противоположны по знаку моментам грузов m, m - то получим: параллелограмм 0°DLm, центр площади которого совпадает с осью вращения двигателя. Следовательно, при любом изменении угла вращения будет действовать постоянный момент вращения и исчезнет причина биения оси двигателя. Кроме того, рассредоточенное расположение грузов позволяет, поскольку моменты сил гравитации и двигателя постоянные, синхронизировать их совместную работу при различных режимах работы двигателя.
Ниже приводится пример определения эффективности гравитационного маховика. Для определения КПД двигателя использовался шкив, насаженный неподвижно на ось двигателя 6, посредством которого поднимался в качестве противовеса груз Р. Из таблицы видно, что двигатель без гравитационного маховика способен поднять груз Р=145 гр. Учитывая вредные потери, т.е. силу , которая соответствовала Р=100 гр КПД
КПД двигателя с гравитационным маховиком при увеличении груза  повышается. Однако при весе груза =25 гр возникает биение оси 3. При =40 гр биение становится недопустимым. Следовательно, для обеспечения устойчивости двигателя необходимо ограничение, весом =15 гр, что позволяет повысить КПД
Р - вес противовеса
P<sub>Г</sub> - вес груза
кпд (η)
Δкпд
145
-
0,59
-
160
15
160/145
+1,10 (10%)
170
25
170/145
+1,17 (17%)
185
40
185/145
+1,24 (24%)