УСТРОЙСТВО ВОДОВОЗДУШНЫХ ЧАСОВ (ВАРИАНТЫ)
AIR-AND-WATER CLOCK DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к итрушечно-сувенирному производству и может быть также использовано в медицинской технике в качестве альтернативы песочным часам, в химической технологии в устройствах газонасыщения растворов и в других областях техники, связанных с процессами взаимодействия жидкостей и газов.
Из древних веков для измерения времени известны водяные часы - клепсидры (см. БСЭ, т.21, с.410). Основными недостатками этих часов относительно целей данного изобретения являются необходимость постоянной подпитки их свежей водой из внешних источников и сложность изготовления.
В средние века и до настоящего времени для его измерения получили распространение песочные часы (см. БСЭ, т.47, с.75). Эти часы в связи с большим числом общих технических элементов принимаются за прототип. Песочные часы состоят в основном из двух сосудов, соединенных узкой горловиной. Один из сосудов перед пуском часов частично заполнен песком, в другом песка нет. Время по этим часам измеряется по количеству пересыпавшегося песка из одного сосуда в другой.
Основными недостатками песочных часов являются однообразный, монотонный характер перемещения песка и закрытость процесса взаимодействия перемещаемых во время работы часов материалов. В частности, при перемещении песка из верхнего сосуда в нижний идет встречное ему движение воздуха из нижнего сосуда в верхний. Хотя это движение оказалось скрытым, но его значимость такая же, как движение песка. Поскольку без перемещения воздуха не мог бы перемещаться и песок, так как свободного объема для заполнения им в нижнем сосуде не оказалось бы.
Задачей изобретения является создание устройства с четко и ярко выраженной динамикой движения и взаимодействия перемещаемых материалов в замкнутом пространстве при использовании его простых конструктивных форм и перемещаемых материалов.
Эта задача решается в устройстве водовоздушных часов, состоящем из двух герметично соединенных между собой сосудов и перемещаемых внутри них подвижных материалов, в котором согласно изобретению соединение между сосудами имеет трубчатую форму, а в качестве перемещаемых материалов используют воду и воздух. Трубчатая форма соединения может быть выражена в виде одной или двух трубок.
При соединении посредством одной трубки концы ее располагаются внутри сосудов вблизи наиболее близких друг к другу их частей. Одним из вариантов соединения посредством двух трубок является такое, при котором концы одной трубки находятся в наиболее близких друг к другу частях сосудов, а концы другой трубки - в наиболее удаленных частях сосудов. Другим вариантом соединения посредствам двух трубок является такое, при котором все концы трубок располагаются в наиболее удаленных частях сосудов, при этом каждая трубка на противоположных сторонах одна от другой имеет отверстие вблизи наиболее близких частей сосудов.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны схемы основных вариантов водовоздушных часов. На фиг 1 показана схема однострунных водовоздушных часов, на фиг.2 - двухструнных часов и на фиг.3 - схема пузырьковых водовоздушных часов.
На этих чертежах видно: 1 - нижний сосуд (при переворачивании устройства он становится верхним); 2 - водовоздухопроводящая трубка; 3 - вода в устройстве; 4 - верхний сосуд (при переворачивании устройства он становится нижним); 5 - компенсационная трубка; 6 - пузырьки в водовоздухопроводящей трубке; 7 -гидравлическое сопротивление поступлению воды в водовоздухопроводящую трубку; 8 - воздухопроводящая трубка (при переворачивании устройства она становится водовоздухопроводящей).
Работа устройства по схеме на фиг 1 происходит при наличии жидкости, в частности воды, в сосуде 4. Для пуска в работу этого устройства достаточно какого-либо легкого внешнего на него воздействия (встряхивания устройства, легкого нажатия на один из сосудов, если они изготовлены из полимерного материала и т.п.). В результате такого воздействия вода устремляется из сосуда 4 по трубке 2 к сосуду 1. Часть воды за счет силы инерции изливается в сосуд 1, в результате чего давление воздуха в нем становится больше давления столба воды в трубке 2.
Из-за возникшей разности давлений вода из трубки 2 вытесняется воздухом и часть его также за счет инерции в виде пузырей выбрасывается в сосуд 4. В результате этого выброса давление воды в сосуде 4 превышает давление воздуха в сосуде 1 и вода вновь устремляется к нему, часть ее изливается в этом сосуде и т.д. Таким образом, работа устройства имеет колебательный характер, продолжающийся до полного излива воды в сосуд 1 и перемещения соответствующего количества воздуха из этого сосуда в сосуд 4. Следующий пуск в работу устройства осуществляется простым его переворачиванием.
Измерение времени по продолжительности работы устройства в колебательном режиме является одним из основных технических результатов применения трубчатого соединения между сосудами и использования таких простых перемещаемых материалов, как вода и воздух.
3
Путем подбора размеров сосудов, количества поданной в них воды, длины и диаметра соединительной трубки могут быть найдены требуемая продолжительность работы устройства и частота колебательных периодов в них. Например, при изготовлении устройства из прозрачных полимерных материалов и размерах сосудов 1 и 4 приблизительно по 300 см, количества воды в них ~ 100 мл, длине трубки 2 ~ 40 см и ее диаметре 3,5 мм полная продолжительность излива воды из сосуда 4 в сосуд 1 составляет ~ 3 мин и частота колебаний - 25 колебаний в минуту.
Следует отметить, что на технические характеристики и на эстетическое восприятие этого устройства так же, как и на нижеприводимые варианты изобретения, могут повлиять, без изменения его сущности, выбор свойств материалов и формы конструкции (жесткость, упругость, изгибы соединительных трубок и др.) и свойств жидкости и добавок в нее (вода, спирт и др., красители, ПАВ и др.).
Работа устройства по схеме на фиг.2 происходит так же в колебательном режиме, как и по схеме на фиг.1. Конструктивное отличие в виде компенсационной трубки 5 связано со стремлением снизить жесткость требований по соотношению объема воды в устройстве с объемами сосудов 1 и 4. Наличие трубки 5 позволяет сделать работоспособным устройство даже при полностью заполненном водой сосуде 4, что является невозможным по схеме на фиг.1. Это происходит, главным образом, потому, что при нисходящем движении воды по трубке 2 воздух в сосуде 4 замещается воздухом из трубки 5. В конечном счете наличие трубки 5 позволяет при прочих равных условиях уменьшить размеры сосудов 1 и 4 и сделать устройство более компактным.
Работа устройства по схеме на фиг.3 происходит при поступлении воды в трубку 2 через гидравлическое сопротивление 7, в качестве которого может служить отверстие малого диаметра в этой части трубки 2. Из-за малости отверстия вода не успевает заполнить полностью трубку 2 и поэтому происходит засасывание в нее воздуха через ее верхний конец, расположенный в воздухозаполненной части сосуда 4. В связи с относительной стабильностью давлений на концах трубки 2 засасывание в нее воздуха происходит равномерно с равномерным распределением его вдоль трубки 2 в виде пузырьков одинакового размера.
Водопузырьковая смесь изливается в сосуд 1 и в нем дезинтегрируется. Вода остается в этом сосуде, а воздух вместе с частью воздуха из этого сосуда выходит, освобождая объем в нем для воды, через отверстие 7 и далее через трубку 8 в сосуд 4. Здесь часть воздуха вновь засасывается в трубку 2, а другая остается, замещая объем излившейся из этого сосуда воды.
Этот процесс длится до полного излива воды из сосуда 4. После этого пуск в работу устройства осуществляется его переворачиванием и заданием начального импульса движения (нажатием на какой-либо сосуд и др.). Равномерное пузырьковое движение, особенно вместе с окрашенной водой, делает процесс перемещения воды и воздуха из одного сосуда в другой наглядным и красивым.
Таким образом, использование изобретения с приведенным комплексом отличительных признаков позволяет проводить процесс измерения времени более наглядным, познавательным и эстетичным способом, чем это возможно при применении прототипа и анологов.