Результаты численного эксперимента с виброходом, пока кратко.

Программа виброхода

Движение центробежного вибратора

Графики движения виброхода получены при следующих параметрах: массы, корпуса и грузов как у пружинного инерцоида Толчина; Скорость грузов в медленном такте 0,205 м/с; Скорость грузов в быстром такте в 6 раз больше 1,23 м/с; Номинальное трение в 1 грамм имеется в виду вариант на подшипниках качения; Тактовый период 1 сек.

Из графика видно, что перемещение виброхода за 3,87 секунды только 46,3 мм. Обратите внимание, что центр масс движется без периодических остановок, что не соответствует опыту с инерцоидом. За 4 секунды виброход не достигает равновесного состояния и продолжает разгоняться. Траектория движения грузов слишком эллиптична для инерцоида. Средняя скорость за 4 секунды 12 мм/с.

Номинальное трение 6 грамм. Остальные параметры не изменились. Скорость и трение в другом масштабе.
Из графика видно, что виброход быстро достигает равновесия (меандр трения). Уже заметны колебания центра масс. Форма траектории принципиально не изменилась, только растянулась за счёт большей скорости движения.

Номинальное трение 25 грамм. Тактовый период увеличился до 1,13 сек. Масштаб трения другой.

Из графика видно, что корпус значительное время стоит на месте (синяя штриховка). Колебания центра масс из-за трения значительны, происходит периодическая остановка центра масс, что означает переход к режиму старт-стоп. Скорость уменьшилась. Наблюдается нестабильность траектории грузов. Опыт на качелях в этом случае не получается из-за большого трения.

Проверим некоторые предположения других исследователей.

«Секрет движения прибора — в силах трения, которые всегда зависят от скорости движения тела. На рисунке показана такая зависимость. Коэффициент трения имеет наибольшее значение, когда находится в покое. Затем, в начале движения, трение резко уменьшается и, наконец, при больших скоростях начинает стремительно возрастать.
Это закономерно для любых видов движения, начиная от вращения наждачного круга и  кончая, скажем, движением снаряда в стволе орудия. «Независимые» колеса тележки инерцоида, двигаясь, приобретают два вида трения: скольжения в цапфах и качения на ободе. Как следствие разных скоростей движения центра масс всей системы (назад быстро, вперед медленно) прибор движется толчками, даже несколько возвращаясь назад. Посмотрите, какое это необычное движение: когда дебалансы быстро отбрасываются назад, тележка инерцоида скачет вперед, когда дебалансы медленно движутся вперед, тележка отодвигается назад, или, в лучшем случае, стоит на месте, потому что сила трения здесь больше внутреннего" импульса.»
Журнал Юный техник 1978 год №4.
Н. Соснин, инженер.

Автор, фактически утверждает, что при наличии такой сильной зависимости трения от скорости, будет наблюдаться движение как у инерцоида Толчина. Зададим номинальное трение в нашем численном опыте 25 грамм. Обеспечим спад трения при увеличении скорости, так чтобы в быстром полутакте трение практически уменьшалось до нуля, что является крайним случаем, выходящим за пределы реальности, и посмотрим, что будет.

Интенсивность спада трения равна -60 грамм/(м/сек). Тактовый период практически 1 сек. За 4,16 сек виброход проходит по центру масс 0,122 м. Средняя скорость 29,3 мм/с, это несколько больше предыдущего опыта. На графике силы трения виден провал от резкого спада трения в быстром полутакте. Однако это не приводит к принципиальному изменению характера движения виброхода.
Трение в реальном опыте имеет гистерезис во времени. Сорвавшись с отметки 25 грамм в покое, оно уже не может вернуться к этому значению в реальном времени периодического движения механизма, так как слипание поверхностей (разрушение масляной плёнки и дальнейшее молекулярное сцепление) процесс более длительный. Многие авторы, формально воспроизводя график зависимости трения от скорости, даже об этом и не подозревают и делают совершенно нелепые выводы о роли трения в движении виброхода. Толчин в своих опытах не забывал смазывать механизм инерцоида. «Перед экспериментированием ходовые части инерцоида и оси колёс дополнительной тележки смазать жидким машинным маслом», ст. 45. Надо иметь в виду, что вязкое трение масла увеличивается с ростом скорости прямо пропорционально, что явно не в пользу теории виброхода. Впрочем, не всё так просто и надо учитывать нагрузочную способность подшипника скольжения, которая тоже возрастает прямо пропорционально скорости вращения, т. е. при малых оборотах возможно более сухое трение. Однако наличие необратимого гистерезиса и подтверждает, что трение в основном гидродинамическое. Чтобы окончательно прояснить ситуацию воспользуйтесь густой смазкой. В этом случае трение будет больше, но зато будет гарантирован закон гидродинамического трения и тогда многие нелепые объяснения принципа движения инерцоида сразу «отвалятся».

Повторим этот опыт, при трении 6 грамм. Интенсивность спада трения равна -15 грамм/(м/с). Минимальное трение 0,5 грамм.

За 4,07 секунды центр масс виброхода проходит 119 мм. Средняя скорость 29,2 мм/с.

Можно проверить и другие варианты. Например, проверить как влияет силовой момент, действующий на грузы. Однако в результате этого становится ясно, что достичь скорости в 60 мм/с при тактовом периоде в 1 секунду в пределах этой системы виброхода принципиально не удаётся. При этом очевидно, что искать варианты необходимо в области маленького трения, так как необходимо учитывать опыты на качелях. В этом случае разгон виброхода становится слишком слабым, что не соответствует опытам Толчина. Несмотря на это, я продолжу эту серию графиков при различных параметрах настройки.

Движение виброхода на качелях при трении 6 грамм. Высота подвеса качелей 0,9 метра. Масса платформы 100 грамм.

Горизонтальные колебания платформы качелей достигают амплитуды 10 мм. Скорость движения меньше, чем в предыдущем опыте. Наблюдается продолжительная остановка корпуса на платформе качелей.

Исследуем движение центробежного вибратора по инерции, без трения в колёсах, при скорости центра масс в 60 мм/с и тактовом периоде 1 сек. Скорость медленного полутакта 0,205 м/с. Скорость быстрого полутакта в 6 раз больше 1,23 м/c.

Откат 0,7 мм; ход вперёд 60,4 мм. Обратите внимание, что траектория грузов вибратора, по сравнению с инерцоидом, не так сильно вытянута при той же скорости движения. Это указывает на то, что средняя поступательная скорость движения центра масс не может, является единственной причиной сильной деформации траектории грузов. Скорость в 60 мм/с выше равновесной скорости виброхода, т.е. если включить трение, то будет наблюдаться торможение вибратора. Утверждение, что трение является единственной причиной движения инерцоида хорошо только при поверхностном, формальном исследовании. Численное моделирование позволяет более глубоко рассмотреть это явление и тогда становится ясно, что приводит в движение инерцоид не только трение.

Вперёд

Назад