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孙荣军的博客

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孙荣军
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创建时间: 2010-07-19
最后更新时间: 2014-04-14
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日  志

  被忽略的重要物理现象

作者:   分类:综合发展研究     浏览:1250次   回复:0次  
发表时间:2014-04-14 15:12:36

图片2

 背景

水平放置的柱塞式液压缸工作时柱塞会产生浮力,依据柱塞缸工作原理和能量守恒关系,浮力的大小与液体输入的能量无关,浮力逐渐减少转换为相应的机构摩擦损失,可见浮力是被输入的能量,符合热力学第一定律U=Q-W+Z,因此,柱塞缸比活塞缸多输入了一个外部能量Z即浮力,也就是说,柱塞缸工作时伴生着一个自然能传递现象。这种不需要人为提供能量就能获得浮力的现象,解决了浮力做功需要液体提供(转换)能量的技术问题,为实现浮力做功转换为机械能提供了条件。

技术构思

依据热力学第一定律柱塞缸存在两个能量传递过程,一是外力能量传递过程即U=Q-W,二是自然力(浮力)能量传递过程即U'=Q'-W'。由于获得浮力需要的能量Q'是伴生的,不需要人为提供能量,所以只需要把浮力转换为摩擦力的形式,变为浮力转换为机械能的形式,就能获得Q'输出的能量。由于柱塞缸只有在排空液体时能量才是守恒的,所以每次工作都会伴生一个能量Q',因此可以间歇性获得自然能量(自然力)输出的机械能。要重复获得能量输出,系统设计时还要满足所有能量实现闭环的要求,也就是,所有能量传递完毕后,系统应处于初始状态。

技术方案

为满足技术构思的需要及目的,把柱塞缸的柱塞设计为可以旋转的形式,就能使浮力转换为轴扭矩输出,其技术特征和方案如附图所示由左侧的活塞缸和右侧的旋转柱塞缸组成,两个液压缸由管道和阀门联通。活塞缸活塞1、缸体(2及密封机构组成;旋转柱塞缸由壳体(3)、旋转柱塞(4)、轴(7)、密封条(6)组成,壳体(3)顶端有排气阀(5)底部有进出液口,其中旋转柱塞(4)与轴(7)连接为一体,密封条(6)固定在壳体(3)上与旋转柱塞(4)和轴(7)密封,并将壳体(3)等分为有旋转柱塞的液体密封室和无旋转柱塞的空气密封室。

 

 

工作原理

由系统左侧的活塞缸提供能量驱动液体进入液体密封室,使旋转柱塞产生水平推力(Fx)和浮力(Fy),将自然力即浮力输入液体中。旋转柱塞在外力和浮力的共同作用下,从液体密封室向空气密封室旋转并经轴输出扭矩,过程中外力和自然力同时传递。活塞缸驱动液体将旋转柱塞完全转入空气密封室时,提升活塞排空液体密封室内的残余液体,这时的外力能量守恒、自然力能量守恒,活塞和旋转柱塞回到初始位置势能不变,系统所有能量实现闭环,继而重复实现能量转换。

系统工作步骤

为了描述方便,我们把旋转柱塞(4)的密度设定为水的密度,系统中的液体为水定常状态下:

步骤一:关闭阀门(8)打开阀门(9),驱动活塞1)下行将水压入左侧的有旋转柱塞的液体密封室,由排气阀(5)排气并阻止水溢出,满水后,旋转柱塞(4)解锁,在压强产生的水平推力作用下,旋转柱塞(4)向右侧的无旋转柱塞的空气密封室旋转。本步骤将旋转柱塞(4)的重力转换到水中产生浮力,注入的水称为浸没水外力提供的能量为W1

步骤二:旋转柱塞(4)转出液体密封室时,液体密封室的水位会因填补旋转柱塞(4)转出的体积而下降,应及时驱动活塞(1)注入相应体积的水保持水位,直至旋转柱塞(4)旋转90°完全进入右侧的空气密封室,这时的液体密封室被水充满,该过程注入的水称为压强水,外力输入的能量为Wp。旋转柱塞(4)重心在左侧的液体密封室内上升,浮力做正功与重力做负功抵消,旋转柱塞(4)重心在右侧的空气密封室返回时重心下降,重力做正功产生机械能。旋转柱塞(4)回到初始位置势能没有变化,本步骤完成了自然能传递及守恒。

步骤三:液体密封室内的水称为残余水,能量包括W1和Wp的残余能量W2。提升活塞1)至初始位置,残余水也回流到初始位置,由于外力输入的W1没有能量损失被完全回收,根据液压缸能量守恒关系,外力经活塞1)输入的能量W=Wp-W2全部转换轴扭矩输出,完成了机械能传递及守恒。这时系统总势能回到初始位置,所有能量实现了闭环,完成了机械能和自然能同时传递和转换

步骤:由于系统回到了初始状态,关闭阀门(9)开启阀门(8),重复上述步骤可以重复获得浮力做功产生的机械能

结论

机械能转换的目的是为了获得相应的能量形式,自然能转换的目的是为了获得能源。在一个独立系统内伴生自然能转换的现象,为人类从利用物质能源向利用能量能源的跨越提供了条件,对人类的文明进步和发展具有历史性意义。