Посвящается памяти академика А..А.. Харкевича

Введение

Сейчас появляется все больше попыток найти новые способы извлечения энергии из окружающей среды: из тепловых, электромагнитных, гравитационных полей, физического вакуума, эфира и др. (см, например, публикации в журнале «New Energy Technologies», [1-3]). Из публикаций видно, что исследователи сталкиваются с большим многообразием новых малоисследованных физических процессов. Эти области являются трансцендентно трудными для изучения. Все это препятствует развитию работ по созданию новых источников энергии. В предлагаемой ниже работе делается попытка, на основании общего анализа свойств материи, показать общие свойства источников энергии независимо от их физической природы. Для исследования общих свойств материи будет использоваться теория преобразователей.

Действие всех физических, технических или биологических систем выражается в преобразовании энергии. Для описания этих систем применяется огромное число теорий, опирающихся на частные, специфические для данной системы, методы. Но с ростом числа степеней свободы и количества элементов внутри системы многие теории уже не могут описать работу этих систем. Впервые эти проблемы возникли в электротехнике, радиотехнике, автоматике и акустике. Для этих областей начали применять теорию преобразователей, представляющую сложную систему неким «черным ящиком», который имеет несколько входов и выходов. Работа огромного числа элементов, находящихся внутри этого ящика, представляется в виде некоторых эквивалентных функций, приведенных к входам и выходам.

В последние десятилетия разрабатываются приемы решения динамических задач механики с использованием метода комплексных сопротивлений, а также представления элементов в виде линейных преобразователей [11], конечных элементов в жидкости [14]. Эта тенденция распространяется и на механику жидкости и газа. Успешно развиваются концепции, согласно которым для анализа процессов в гидродинамических системах часто достаточно рассмотреть модели с очень небольшим числом степеней свободы [10]. Но хорошо развитый математический аппарат описания работы преобразователей в названных выше областях науки и техники имеет специфический вид и пригоден только для этих областей.

Академик А.А. Харкевич развил теорию линейного преобразователя и поднял ее до уровня общей теории преобразователей, пригодной для преобразования любых видов энергии [24]. Общая теория преобразователя, предложенная академиком А.А. Харкевичем, пригодна для описания разнообразных источников энергии, летающих и плавающих аппаратов, а также функционирования различных органов животных и технологических процессов. В настоящей работе на основе общей теории преобразователя исследуются некоторые общие свойства материи и источников энергии.

Общая теория преобразователя энергии

Все окружающее нас пространство, от микро до макромира, заполнено энергией. Согласно различным теориям, пространство представляется сплошной средой (т.е. с распределенными параметрами) или состоящим из конечного числа дискретных элементов (с сосредоточенными параметрами). По аналогии с гидродинамикой [10,14], сплошную среду можно представить в качестве эквивалентной системы с конечным числом степеней свободы. Таким образом, все пространство можно представить некоторой системой, состоящей из элементов и связей между элементами с конечным числом степеней свободы. Обмен энергией происходит по степеням свободы. Перенос энергии происходит при наличии градиента энергии в окружающем нас пространстве. Благодаря градиенту энергии также возникает сила, стремящаяся осуществить перемещение в пространстве [4]. В свою очередь сами элементы могут быть системами и т.д.

Таким образом, чем подробнее мы будем рассматривать деление элементов на системы, а систем на элементы, тем глубже будем опускаться в микромир (атом, элементарные частицы, физический вакуум, эфир и т.д.). В свою очередь, чем больше мы будем объединять элементы в системы, а системы, которые будут являться элементами еще больших систем, в новые системы — тем больших размеров будет рассматриваемый макромир (солнечная система, галактики и т.д.). Все эти системы и элементы взаимосвязаны. Системы и их элементы являются преобразователями энергии. В сколь угодно малой области пространства будет происходить движение энергии, а значит все пространство, без исключения, можно представить как состоящее из преобразователей энергии. В общем случае границы преобразователя состоят из внешних границ (связи с макромиром) и внутренних границ (связи с микромиром) по каждому виду энергии. Разделение на макромир и микромир происходит по отношению к размеру преобразователя по каждому виду энергии. Виды энергии, проходящей через связи преобразователя и внутри него, могут быть различными: механическая, тепловая, электромагнитная, химическая и другие известные и еще неизвестные.

Сложность процессов, в которых участвует огромное число взаимодействующих элементов и различные виды энергии, не позволяет описывать полностью эти процессы современными математическими методами. Поэтому возникает проблема отыскания таких методов решения задач, которые, не раскрывая все связи внутри элемента, сразу же давали бы представление о движении элемента в системе. Для предлагаемого здесь метода решения задачи движения системы и её элементов, могут быть созданы следующие исходные предпосылки:

1.      Движение всех элементов в пространстве характеризуется обменом энергией между ними.

2.    Из бесконечного пространства нас интересует определенное ограниченное пространство по каждому виду энергии отдельно. Выбранное ограниченное пространство назовем преобразователем.

3.    Преобразователь имеет степени свободы на своих границах (сторонах) и степени свободы внутри (внутренние степени свободы).

4.    Далее будем рассматривать такое ограниченное пространство (преобразователь), которое имеет на своей границе, или позволяет иметь, конечное число степеней свободы (сторон).

5.        Взаимодействие этого преобразователя с окружающей средой происходит только через эти степени свободы (стороны) посредством обмена энергией.

6.   Движение энергии внутри преобразователя между его элементами происходит по внутренним степеням свободы преобразователя. Внутри преобразователя может быть конечное или бесчисленное количество степеней свободы.

7.   Все пространство заполнено преобразователями без пустот. Все преобразователи соприкасаются между собой своими границами без пустот. Обмен энергией между преобразователями происходит через стороны, которые не имеют размеров, а отображают обобщенные кинематические и динамические характеристики энергии, переносимой через эти стороны.

От редакци: В полном варианте статьи представлено математическое описание работы преобразователей энергии, которое позволяет автору сделать следующие выводы:

Внутри преобразователя может существовать любое число различных элементов с соответствующим числом степеней свободы и любым видом энергии. Однако на дой стороне преобразователя обобщенная сила имеет одно и тоже значение и зависит только от изменения энергии по этой степени свободы. В связи с этим два преобразователя будут считаться одинаковыми, если обобщенные силы (изменение энергии) на всех сторонах будут равны. При этом не требуется, чтобы внутренняя структура преобразователя, количество внутренних степеней свободы и виды энергий этих двух преобразователей совпадали. Это есть принцип эквивалентности преобразователей при эквивалентности сил на сторонах преобразователей.

—        В общем случае обобщенная сила на любой стороне зависит не только от обмена энергией на этой стороне, но и от обмена энергией между сторонами и на других сторонах преобразователя. Обобщенные силы образуются распределением энергии в пространстве.

—        Преобразователь характеризуется тем, что на входной стороне его имеется энергия одного вида, а на другой входной стороне — другого вида (или того же вида, но с другими характеристиками движения).

Сопротивления взаимосвязи дают информацию о физических свойствах преобразователя, в частности о физической взаимосвязи между сторонами. При этом не играет роли количество внутренних степеней свободы в этом преобразователе и реакции на других сторонах. Собственные сопротивления сторон и сопротивления взаимосвязи дают информацию о внутренних физических характеристиках преобразователя, приведенных к эквивалентным величинам на сторонах. В связи с этим можно иметь два преобразователя с равными эквивалентными сопротивлениями взаимосвязи по всем сторонам, но сами преобразователи по геометрическим, конструктивным характеристикам и видам энергии будут разными. Сопротивления могут быть функцией от кинематических характеристик (нелинейный преобразователь), от времени (параметрический преобразователь), а также обладать постоянными величинами (линейный преобразователь).

О физических свойствах материи, заключенной в объеме преобразователя, можно судить только по сопротивлениям на сторонах преобразователя.

Структура преобразователя

Каждую внутреннюю степень свободы можно представить последовательной цепью. По аналогии с электрическими цепями [6,7,11,16-18], преобразователь можно описать как систему, состоящую из некоторого числа цепей. При бесконечном числе степеней свободы внутри преобразователь можно представить соответственно состоящим из бесконечного числа цепей. Цепи имеют последовательное, параллельное и смешанное соединение. Ветвью называется участок цепи, все элементы которой имеют одинаковое обобщенное смещение. Ветвь может состоять из одного или нескольких элементов. Узлом называют место соединения не менее трех ветвей. Контуром считают замкнутый путь, состоящий из нескольких ветвей и узлов. Все элементы цепи, соединенные последовательно, имеют одинаковое обобщенное смещение (а также скорость и ускорение). Обобщенная сила, действующая на всю цепь, равна сумме обобщенных сил действующих на элементы последовательной цепи.

Можно заменить последовательно соединенные элементы одним элементом таким образом, чтобы обобщенное смещение и суммарная обобщенная сила не изменились. При параллельном соединении все ветви цепи присоединяются к одной паре узлов и находятся под действием одной и той же обобщенной силы. Параллельные цепи можно заменить последовательной эквивалентной цепью и наоборот [6,7,11,17,18]. Отсюда следует, что количество внутренних степеней свободы, и, соответственно, цепей, может быть как уменьшено, так и увеличено. При этом сопротивления на всех сторонах останутся неизменными.

Структура линейного преобразователя

Простейшим преобразователем является односторонний преобразователь, который имеет одну внутреннюю степень свободы…

Если на вход преобразователя подавать обобщенное смещение или силу, имеющую зависимость от времени в виде чистого синусоидального сигнала, то реакция для линейного преобразователя будет также синусоидальной с этой же частотой. Для синусоидального сигнала с фиксированной частотой линейный преобразователь (в том числе с бесконечным числом внутренних степеней свободы) можно представить эквивалентным преобразователем, приведенным к данному входу в виде одной цепи. На другой фиксированной частоте синусоидального возбуждения на этом входе эквивалентный преобразователь также предстанет в виде цепи с одной степенью свободы, но уже с другими величинами элементов цепи. Если сигнал на входе преобразователя имеет сложную периодическую во времени форму, то его можно разложить в ряд Фурье. От каждой гармоники ряда Фурье будет получаться своя цепь. От всего сложного сигнала будет получаться сложная цепь, состоящая из сложноорганизованной суммы простых последовательных цепей. Эта сложная цепь состоит из элементарных цепей, объединенных между собой последовательно, параллельно, в узлы и контуры. Принципы построения этой сложной цепи могут строиться на методах идентификации и синтеза, достаточно хорошо развитых в электротехнике, автоматике для линейных и нелинейных преобразователей [9,12,13]. Эти принципы формально пригодны для преобразователей с преобразованием энергии любой физической природы. Идентификация дает столько элементарных цепей, сколько есть внутренних степеней свободы. Каждая элементарная цепь отражает движение по одной внутренней степени свободы. Здесь действует физическая аналогия между движениями разной физической природы [11,16,18]. Величины обобщенных масс, упругостей, диссипативных и активных элементов могут быть зависимыми от кинематических переменных (нелинейные цепи), от времени (параметрические цепи), а также постоянными (линейные цепи).

Последовательная цепь, при наличии в ней массы и упругости, будет иметь резонансную частоту, на которой в суммарной реакции будет отсутствовать реакция от массы и от упругости. Это равносильно тому, что мы не будем знать не только о величине массы (и упругости), но и вообще о наличии массы как таковой. При этом масса может иметь огромную величину, но для нас она будет отсутствовать. Отсюда следует, что если мы будем рассматривать преобразователь в виде атома, то внутри атома могут быть элементарные цепи, имеющие огромную массу (намного большую, чем масса Земли), и этого мы не будем знать, пока не подадим на вход преобразователя частоту, на которой эта масса обнаружится. Любой преобразователь энергии, в т.ч. с распределенными параметрами, можно представить в виде системы определенным образом соединенных элементарных последовательных и параллельных цепей. Видов этих соединений для конкретного преобразователя может быть очень много. Все они могут переходить в другую комбинацию соединений с одновременным изменением величин масс, упругостей, диссипативных и активных элементов, входящих в них. Однако при этом должна соблюдаться эквивалентность реакции на всех сторонах преобразователя в заданном частотном диапазоне.

Для каждой комбинации соединений для преобразователя существует свой спектр резонансных частот. Для преобразователя с распределенными параметрами (например, упругий стержень, сжимаемая жидкость с ограниченными размерами) будет существовать бесконечное число степеней свободы и как следствие, бесконечное число резонансов. Наше воздействие на преобразователь обычно имеет определенный диапазон частот. Как следствие ограниченного диапазона частот возбуждения, преобразователь будет представляться как система с конечным числом внутренней свободы, даже в случае, когда преобразователь будет обладать распределенными параметрами.

Величины эквивалентных элементов зависят от частоты колебания. Кроме этого, по известным правилам, несколько параллельных цепей можно преобразовывать в последовательную цепь и наоборот. Имея все это в виду, можно сделать следующие выводы:

1.     Обобщенные масса, упругость и диссипативные элементы не имеют постоянных значений в природе, а их величина зависит от частоты процесса, т.е. они зависят от характера изменения во времени возмущения, действующего на преобразователь.

2.     Обобщенные масса, упругость и диссипативные элементы являются продуктом изменения энергии в пространстве и во времени.

Типы преобразователей энергии

Преобразователи могут быть нелинейными, параметрическими и линейными. Преобразователь может быть активным (с источником внутри) и пассивным (с внешним источником). Пассивный преобразователь никогда не может быть источником энергии (по определению). В преобразователь может поступать и в нем преобразовываться один вид энергии (моноэнергетические преобразователи) и несколько видов энергии (полиэнергетические преобразователи). Полиэнергетический преобразователь имеет внутри себя механизм и соответствующие элементы и цепи, позволяющие преобразовывать один вид энергии в другой. В принципе, все преобразователи являются полиэнергетическими преобразователями энергии, но многие из них можно представить как моноэнергетические, в силу очень слабого участия в них других видов энергии. Более удобно при построении преобразователя выносить источник энергии из преобразователя. Проведем дальнейшую классификацию пассивных преобразователей.

Пассивные преобразователи могут быть следующих типов:

1. Простые преобразователи

В этом случае получение энергии на выходе происходит за счет преобразования энергии, поступающей на входы, в энергию другого вида или с другими характеристиками. Примером могут служить следующие преобразователи:

Электрический трансформатор: на вход трансформатора подается напряжение одной величины, а на выходе снимается напряжение другой величины (вид энергии сохранен).

Топка для сжигания топлива: на вход подается энергия, заключающаяся в энергии химических связей вещества топлива, а на выходе получаем тепловую энергию (энергией излучения можно пренебречь).

Ветрогенератор, гидроэлектостанция: на вход подается кинетическая энергия движущегося воздуха или воды, а с выхода снимается электрическая энергия.

2. Усилители энергии

В этом случае преобразователь усиливает энергию, поступающую на один из входов за счет энергии, поступающей на другие входы (или на другой вход). Примерами для моноэнергетического преобразователя может служить следующее. На вход электрического усилителя поступает энергия (электрический сигнал с определенными характеристиками), а с выхода снимается энергия с такими же характеристиками, но намного большей энергии. Это происходит за счет электрической энергии, поступившей на другой вход преобразователя.

Примером для полиэнергетического преобразователя может служить тепловой насос. На один вход теплового насоса поступает низкопотенциальная тепловая энергия окружающей среды (воздух, вода, земля), а на другой вход поступает электрическая энергия от электросети. На выходе снимается тепловая энергия, величина которой равна сумме поступившей тепловой энергии окружающей среды и электрической энергии от сети через электродвигатель компрессора. Тепловая энергия, снимаемая с выхода, в несколько раз превосходит энергию, поступающую от электрической сети. Энергия, снимаемая с выхода, всегда будет меньше суммы низкопотенциальной тепловой энергии и электрической энергии, поступающих на входе. Т.е. кпд теплового насоса всегда будет меньше единицы.

Полезность теплового насоса заключается в том, что потребитель платит только за электроэнергию от электросети опотенциальное тепло окружающей среды

используется даром). При этом получение тепловой энергии на выходе в несколько раз больше, чем могла бы обеспечить поступающая на вход электрическая энергия.

3. Автогенераторы

Автогенератор представляет собой устройство, на вход которого подается энергия (имеющая постоянные во времени характеристики), а на выходе мы получаем энергию с периодическими во времени характеристиками. На вход можно подавать также энергию, имеющую периодические во времени характеристики, совершенно не связанные с периодическими характеристиками энергии на выходе. Преобразователь может работать в режиме автогенератора, если он будет иметь следующее:

1. Обратную связь в виде последовательной цепи: один из выходов соединен с дополнительным преобразователем, выход которого в свою очередь соединен с одним из входов преобразователя. При этом дополнительный преобразователь обеспечивает определенные изменения входного сигнала (задержку по времени).

2. На вход преобразователя подается энергия (постоянная или периодическая во времени).

3. Преобразователь обязательно должен иметь определенный тип нелинейности.

Примеры автогенератора

Двигатель внутреннего сгорания: обратная связь — это система зажигания; нелинейный элемент — это система впускных и выпускных клапанов; источник энергии — это энергия химических связей топлива.

Многообразные электрические генераторы: все они имеют обратную связь, нелинейный элемент и источник энергии.

Качественное отличие преобразователей типа автогенератора от энергетического усилителя заключается в том, что автогенератор может работать и брать энергию из окружающей среды без подачи на него дополнительной энергии (от электросети и т.п.).

В теоретических и экспериментальных работах по созданию альтернативных источников энергии часто пытаются создать самоподдерживающуюся, самоорганизующуюся систему. Это, в принципе, правильная тенденция, но при ее реализации необходимо использовать теорию автогенераторов. Подобная развитая теория имеется в электротехнике, автоматике и других областях [25]. Для облегчения использования этих теорий необходимо также использовать аналогию между одинаковыми процессами в разных физических полях.

4. Выпрямители

На вход преобразователя подается энергия, имеющая периодические характеристики во времени. С выхода преобразователя снимается энергия, имеющая постоянные или почти постоянные во времени характеристики. Преобразователь может работать в режиме выпрямителя, если будет иметь нелинейный элемент (или элементы) определенного типа (типа диода, одностороннего клапана и т.п.). Примерами преобразователей этого типа могут служить электрические выпрямители и насосы клапанного типа.