2. Гравитация Земли
«На поверхности Земли G (ускорение свободного падения) изменяется от 9,78 м/сек2 на экваторе до 9,83 м/сек2 на полюсах. Значения G внутри Земли означают ускорение, которое имело бы тело, если бы там существовали пустоты, по которым тело могло свободно падать. Вопреки ожиданию значение G в общем не уменьшается внутри оболочки. До глубины 2400 км оно слабо колеблется, отличаясь от величины 9,88 м/сек2 не более чем на 1 %. У нижней границы оболочки G достигает своего максимального значения – около 10,2 м/сек2. Внутри центрального ядра оно постепенно уменьшается, достигая нуля в центре Земли».
«Планета Земля». Изд. «Иностранная литература», 1961 г. Ред. А.Х. Хргиан. Стр.45.
2.1. Техника функционирует в гравитационном поле Земли. В той или иной мере это накладывает отпечаток на все технические системы. В некоторых случаях гравитация дает полезный эффект. Примером могут случить приливные электростанции и гидроэлектростанции: в сущности, они работают на гравитационной энергии. Гравитационное поле Земли весьма постоянно. Это позволяет использовать силу тяжести при решении некоторых изобретательских задач на измерение. Так, еще в 1979 году по силе тяготения удалось определить плотность Земли, в 1906 году Милликен измерил заряд электрона, уравновешивая вес капель масла электростатическим полем.
Гравитационное поле выгодно использовать для измерения времени. Например, в а.с. № 189597 падение тела под действием силы тяжести использовано для фиксирования небольших промежутков времени: «Устройство для установления заданных промежутков времени, отличающиеся тем, что, с целью повышения точности измерения при записи сейсмограммы, оно выполнено в виде стержня с расположенным на нем грузом, замыкающим во время свободного падения контакты, соединенные с электродетонаторами».
2.2. Однако намного чаще приходится решать задачи, в которых гравитационное поле Земли выступает как отрицательный фактор, с которым надо бороться.
Пример 2.1. А.с. 300614. Способ взрывания смежных уступов, отличающийся тем, что с целью улучшения дробления породы, взрывание нижнего уступа осуществляется в момент, когда порода верхнего уступа находится во взвешенном состоянии.
На эффективность взрыва большое влияние оказывает вес взрываемой породы. Для уменьшения этого веса в описанном изобретении используют невесомость верхнего уступа, пока он не осел на нижний.
Уход от обычной гравитации приводит к эффектам, которые с успехом применяются в изобретательстве. Невесомость свободно падающего тела используется, например, для лучшего перемешивания вещества (а.с. 334200), для получения шариков подшипников, изучения физических свойств материалов в невесомости и т.д.
Невесомость свободного падения трудно использовать из-за его кратковременности. Так, специально предназначенные для создания невесомости, вертикально стартующие ракеты, достигающие 500-километровой высоты, могут пребывать в невесомости только в течение 10-15 минут. С появлением орбитальных станций появилась возможность проводить эксперименты и технологические процессы, требующие длительной невесомости: получение сплавов материалов с различной плотностью, сварка и выращивание кристаллов в невесомости. Стало возможным адгезийное литье. Адгезия – это взаимное прилипание двух разнородных тел. С адгезией связано и такое понятие, как смачиваемость. Если расплавленный материал подать на специальную форму или внутрь формирующей оболочки, то за счет смачиваемости формы расплав растечется по всем изгибам поверхности тонким и равномерным слоем. В условиях тяготения Земли этого не происходит. Другие методы, применимые на Земле, также не дают таких хороших результатов.
Не меньшую, чем невесомость, пользу может принести и увеличение силы тяжести. Так, для изучения влияния поля тяготения на рост растений применяют центрифугу.
2.3. Использование невесомости требует больших затрат, которые чаще всего намного превышают возможный положительный эффект. Однако изобретателям удается все освободиться от земного тяготения. Для этого могут использоваться некоторые стандарты и большинство приемов устранения технических противоречий, например, принцип эквипотенциальности и антивеса. Так, около ста лет назад, задолго до появления космонавтики, бельгийский физик И.А.Ф. Плато изучал поведение невесомых капель оливкового масла в сосуде с водным раствором спирта, плотность которого была равной плотности масла. Безусловно, Плато применил принцип антивеса. Но обратим внимание и на другой факт: для того, чтобы получить невесомость на Земле, пришлось использовать неземную среду – раствор спирта.
Получить «неземное» тяготение на Земле можно изменением и других параметров условий Земли, например, магнитного поля.
Пример 2.2. «В ходе экспериментов, выполненных на космических кораблях и орбитальных станциях в полной невесомости, удалось получить однородные сплавы совершенно не смешивающихся в жидком виде веществ, в том числе и металлов, которые на Земле неизбежно расслаиваются в ходе кристаллизации из-за различной плотности».
В работе выполненной в Институте физики АН Латвийской ССР («Доклад АН СССР», 1977, т. 234, № 1), для управления поведением металлов в гравитационном поле использовалась способность проводника, по которому пропускают ток, отклоняться под действием так называемой силы Лоренца. Поскольку эта сила может быть направлена как угодно, в том числе и вертикально, и к тому же зависит от тока, - а разные металлы имеют разную удельную проводимость, - то можно подобрать условия, когда под действием электромагнитных сил жидкие компоненты сплава начинают вести себя так, будто имеют одинаковую плотность, что равноценно воздействию невесомости.
Таким способом, например, удалось получить однородные сплавы цинка со свинцом, висмута с галлием, галлия со свинцом. Так что в некоторых случаях «космические эксперименты» удаются и на Земле».
«Химия и жизнь», 1978 г., № 1, стр. 12. «Невесомость без невесомости».
Как уже отмечалось выше, силу тяжести необходимо не только уменьшать, но и увеличивать, например, для уплотнения асфальта. И снова эту задачу можно решить изменением другой характеристики условий Земли – атмосферного давления.
Пример 2.3. Для качественного уплотнения асфальта необходимо обрабатывать его тремя катками, постепенно увеличивая вес от 3 до 12 тонн. По а.с. 633973 предлагается каток, в котором сила давления на асфальт регулируется с помощью вакуумных камер. Теперь достаточно только одного катка, да и вес его сильно уменьшился. «… А недавно изобретатели из НИИ механики Московского государственного университета им. Ломоносова получили авторское свидетельство № 615193 на буровую установку, у которой «сила притяжения к земле» увеличивается за счет двух полусферических вакуумных камер».
«Безвоздушная подушка», ИР № 7, 1979 г., стр. 7.
Таким образом, земная техника постепенно теряет отпечаток земной гравитации. Вместо гидроэлектростанций, работающих за счет гравитационного поля Земли, появились атомные; вместо маятниковых и песочных часов – пружинные, электронные; даже вагонетки к рельсам могут прижиматься теперь не только весом, но и магнитным полем.