ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

Комаров Станислав Григорьевич
независимый исследователь, электромеханик

Аннотация
Предлагается к конструктивной и практической реализации прибор для измерения ускорения силы тяжести, который может быть использован в работе с направлением оси чувствительности как по вертикали места измерений, так и по горизонтали, т. е. как гравиметр, так и гравитационный вариометр, например, для измерения неоднородностей в распределении ускорения свободного падения на поверхности Земли, измерения ускорения силы тяжести по горизонтали, создаваемого, например, горным массивом; для экспериментального определения свойств гравитационного поля, как сейсмоприёмное устройство, и т. д.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Комаров С.Г. Прибор для измерения ускорения силы тяжести // Современные научные исследования и инновации. 2012. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2012/01/6469 (дата обращения: 29.09.2017).

Что такое тяготение? – мы не знаем. Возможно, что это результат действия на гравитационные заряды встречно направленных от них же пучков обменных частиц-гравитонов, переносчиков взаимодействия. С какой скоростью распространяется тяготение? Являются ли эти частицы-гравитоны “родственниками” электромагнитных фотонов и существуют лишь короткое время на период передачи взаимодействия зарядов? Всякая ли материальная среда (масса) является источником тяготения?.. Но быть может с применением приборов для измерения ускорения силы тяжести особой конструкции при постановке гравитационных экспериментов нам удастся разрешить хотя бы некоторые из этих задач.

В основу прибора для измерения ускорения силы тяжести положены примеры измерения ускорения двух масс, особым способом связанных в промежутке между ними несвободной массой, которая в конечном счёте соединена с телом в приповерхностном слое Земли. При этом несвободная масса – это система отсчёта образуемых в результате силы тяжести смещений каждой из двух масс, являющихся связанными пробными массами с несвободной массой через пружины.

В действительности в качестве двух масс и пружин использованы два протяжённых магнитострикционных стержня с размещёнными на общей оси рассредоточенными массами, упругие свойства которых заменяют пружины, или же это может быть один протяжённый магнитострикционный стержень, точечно жёстко в своей середине прикреплённый к несвободной массе.

В качестве датчика ускорений силы тяжести использован магнитоупругий датчик давления – высокочувствительный преобразователь механической напряжённости в магнитострикционных стержнях (или в стержне) вблизи крепления их (или его) к несвободной массе в электрическое напряжение. В основу датчика положен электрический колебательный контур, катушка индуктивности которого одета на магнитострикционный стержень. Если стержень подвергается деформации от физичекого воздействия – силы тяжести, то его магнитная проницаемость меняется. Что приводит к изменению полного электрического сопротивления катушки индуктивности датчика и в конечном счёте к измерению величины физического воздействия. Однако такой датчик требует использования очень низких температур для обеспечения высокой добротности электрического колебательного контура.

В гравитационном эксперименте нам предстоить измерять силы, действующие на массы протяжённых магнитострикционных стержней. А поскольку массы свободные, то силы приводят к их ускорениям относительно зафиксированной несвободной массы, которые таким образом могут быть измерены. Задача обнаружения малой силы (или, что тоже самое, малого ускорения) сводится к задаче регистрации малых механических напряжений в магнитострикционных стержнях вблизи их крепления к несвободной массе.

В приборе также применена мостовая схема, которая используется как измерительная цепь, и содержит магнитоуправляемые полупроводники – магниторезисторы. Из-за чего мостовая цепь также требует использования очень низких температур для обеспечения стабильности работы.

Детальное описание.

На чертеже (в приложении) представлена блок-схема прибора для измерения ускорения силы тяжести.

Прибор для измерения ускорения силы тяжести содержит датчик (на чертеже не обозначен) ускорений, состоящий из первого и второго электрических колебательных контуров 1 и 2 (каждый из которых образован своими конденсатором С и катушкой К индуктивности), двух протяжённых стержней 3 и 4 из магнитострикционных материалов, например, ферромагнетиков, расположенных на одной оси «У», образующей ось чувствительности прибора, и несвободной массы 5 – системы отсчёта, через которую внутренние концы стержней 3, 4 изолированно прикреплены друг к другу, образуя симметричный вибратор. При этом каждая из катушек К индуктивности колебательных контуров 1, 2 одета на внутренний конец своего стержня 3 или 4 и прикреплена к несвободной массе 5.

Прибор содержит также узел (на черт. не обозначен) крепления и защиты датчика ускорений от вредных воздействий, состоящий (в случае использования прибора при постановке наиболее «тонких» гравитационных экспериментов) из экрана 6 защиты датчика от действия внешних магнитных и электрических полей, выполненного в виде цилиндрического корпуса из металла с высокой магнитной проницаемостью, покрытого одним или несколькими слоями алюминия, и снабжённого отверстиями (на черт. не обозначены) небольшого диаметра для возможности создания вакуума. Во внутренней полости цилиндрического корпуса экрана 6 через несвободную массу 5 и скользящие изоляторы (на черт.не обозначены) закреплены стержни 3, 4 (и датчик ускорений в целом).

Прибор состоит также из криостата 7, внутренняя полость которого вакуумирована, предназначенный для защиты датчика ускорений от внешних акустических колебаний, для снижения уровня тепловых колебаний стержней 3, 4 и обеспечения высокой добротности колебательных контуров 1 и 2; и узла 8 подвески экрана 6 с датчиком ускорений в полости криостата 7.

Прибор содержит первый и второй управляемые высокочастотные автогенераторы 9 и 10 , каждый из которых подключен к входу возбуждения электрических колебаний своего колебательного контура 1 или 2 через петлю (на чертеже не показана) индуктивной связи; генератор 11 электрических импульсов, снабжённый входом установки калиброванных по амплитуде, длительности и частоте выходных электрических импульсов, выход которого подключен к внутренним концам стержней 3 , 4 датчика ускорений (примечание: применение генератора 11 в некоторых гравитационных экспериментах не является обязательным, а при использовании магнитострикциооных стержней с высоким удельным сопротивлением и вовсе не нужным. Но при использовании электропроводных магнитострикционных стержней генератор 11 позволяет исследовать режимы измерения ускорения силы тяжести при дополнительно возбуждаемых на резонансных частотах магнитострикционных стержней.); первый и второй детектирующие фильтры – усилители 12, 13, связанные с соответствующими им колебательными контурами 1, 2 через петли (на чертеже не показаны) индуктивной связи; мостовую измерительную цепь 14, снабженную двумя датчиками сопротивлений в виде магнитоуправляемых полупроводников – магниторезисторов, образующих входы управления мостовой измерительной цепи 14; и узел 15 обработки и регистрации информации; при этом выходы детектирующих фильтров – усилителей 12, 13 подключены к входам управления мостовой измерительной цепи 14, выход которой соединён с узлом 15 обработки и регистрации информации.

Каждая из катушек К колебательных контуров 1, 2 может быть выполнена из сплава ниобия с германием, который при температуре 23 Кельвина и ниже становится сверхпроводником. Магнитострикционные стержни 3, 4 в одном из примеров могут быть электропроводными и обладать исходно заданным оммическим сопротивлением. Из-за чего добротность стержневого вибратора (как своего рода электрического колебательного контура) может быть низкой, так как она определяется отношением индуктивного сопротивления контура на его собственной частоте к активному сопротивлению контура, и ток, протекающий через вибратор от действия генератора 11 электрических импульсов, оказывается сравнительно небольшим.

Накопленная в конденсаторе этого контура энергия при разряде сразу будет израсходована на активном сопротивлении контура и собственные электрические колебания в нём не могут возникнуть. Но под действием внешнего электрического поля – импульсного напряжения генератора 11 электроны в вибраторе будут двигаться то в одну, то в другую сторону, вызывая деформацию стержней 3, 4. Выбором исходного активного сопротивления материала стержней 3, 4 и частоты генератора 11 электрических импульсов возможно обеспечить электромеханический резонанс стержней 3, 4.

Однако, поскольку наибольшей чувствительностью к изменению давления обладают те магнитные материалы, которые имеют большую магнитную проницаемость с большим значением магнитострикции при малой индукции насыщения, а они чаще всего обладают очень высоким удельным сопротивлением, то именно они найдут преимущественное применение при изготовлении стержней 3, 4 для прибора.

В качестве хладоагента в криостате 7 и в криостате мостовой измерительной цепи 14 (при постановке особых гравитационных экспериментов) может быть использован жидкий гелий.

Начальная частота излучения автогенераторов 9, 10 может быть выбрана в зависимости от собственной частоты колебательных контуров 1, 2. В частности, в качестве автогенераторов 9 и 10 может быть использован обычный клистрон, а вместо двух автогенераторов 9, 10 в устройстве может быть использован только один из них, подключенный к входам колебательных контуров 1, 2 одновремённо.

Мостовая измерительная цепь 14 может быть выполнена с применением гелиевого криостата, и магнитных полупроводников – магниторезисторов. В одном из примеров это могут быть даже магнитные полупроводники с Z – образной характеристикой – антиферромагнетики, представляющие собой кристаллы с очень низкой проводимостью, в том числе, вплоть до самых низких температур, например, температуры жидкого гелия, которые при наложении на них внешнего магнитного поля от обмотки с током достаточной напряжённости могут стать на десять порядков более проводящими.

Узел 15 обработки и регистрации информации может быть выполнен в составе схемы накопления сигнала за заданное время и усреднения сигнала и документирующего регистратора – самописца с возможным отражением электронного времени на определяемых визуально амплитудах регистрируемого сигнала.

Источники тока (усилителей, автогенераторов 9, 10, мостовой измерительной цепи 14 и т. д.), на черт. не показаны, могут быть термостатированы.

Наибольший размах (амплитуда) переменного напряжения в контурах 1, 2 получаются тогда, когда частота высокочастотных генераторов 9, 10, подсоединённых к контурам 1, 2, равна резонансной частоте контуров 1, 2. Резонансная кривая каждого из контуров 1 и 2 тем «острее», чем выше добротность контуров 1, 2. (Как известно, при очень низких температурах добротность электрических колебательных контуров 1, 2, в которых катушки К индуктивности изготовлены из особых сплавов, высокая).

Самый простой способ измерения ускорений силы тяжести – механических смещений, в том числе, давлений – напряжений в несвободных концах стержней 3, 4, состоит в следующем: поскольку обе массы являются рассредоточенными по длине стержней 3, 4, то под действием силы тяжести сжатие и растяжение соответствующих стержней 3, 4 по их длине вызывает изменение давлений – напряжений на внутренних концах стержней 3, 4, что изменяет магнитную проницаемость стержней 3, 4, добротность электрических колебательных контуров 1, 2 и тем самым амплитуду электрического напряжения в контурах 1, 2. Остаётся использовать получаемые малые изменения амплитуды электрического напряжения в контурах 1, 2 для дальнейшего его усиления и детектирования детектирующими фильтрами – усилителями 12, 13, и последующей обработки сигналов мостовой измерительной цепью 14, а затем и узлом 15 обработки и регистрации информации.

Однако ещё до нацеливания оси чувствительности прибора на источник гравитационного поля амплитудные значения напряжения на выходах детектирующих фильтров – усилителей 12, 13 являются настолько малыми, что почти неизмеримы даже, например, с применением высокочувствительного цифрового вольтметра, который, к примеру, позволяет отсчитывать единицу пятого знака измеряемого электрического напряжения. Но эти низкие значения напряжений на выходах детектирующих фильтров – усилителей 12, 13 могут быть наложены на вспомогательное высокостабильное постоянное напряжение. Что необходимо для исходного запуска мостовой измерительной цепи 14 и выбора рабочей точки на её характеристике. При действии на прибор силы тяжести на выходах детектирущих фильтров-усилителей 12, 13 появляется напряжение, достаточное при подаче его на соответствующие обмотки управления магниторезисторов мостовой изиерительной цепи 14 для обеспечения измерения силы тяжести.

Выполнение датчика ускорений двух масс с применением протяжённых магнитострикционных стержней 3, 4 с двумя электрическими колебательными контурами 1, 2 и использование мостовой измерительной цепи 14 суммирования и усиления сдвиговых напряжений колебательных контуров 1, 2 обеспечивают образование явной оси чувствительности по оси прибора, наиболее острую направленность на выбранный источник гравитационного поля и максимальное повышение чувствительности прибора в целом, так как изменение механической напряжённости в стержнях 3, 4 датчика ускорений, вызванное их деформацией, значимее относительной деформации этих стержней по их длине.

Работает прибор для измерения ускорения силы тяжести в режиме обратимого смещения границ и укрупнения доменов (явление намагничевания в слабых полях) следующим образом.

Включаются в работу высокочастотные автогенераторы 9, 10 с начальной частотой излучения примерно равной собственной частоте колебаний своего колебательного контура 1 или 2. Так как каждый из автогенераторов 9, 10 подключен к входу возбуждения электрических колебаний своего колебательного контура 1 или 2, то в контурах 1, 2 возникают электрические колебания.

Добротность контуров 1, 2 исходно обеспечена высокой, поэтому кривая резонанса оказывается острой. Каждый из автогенераторов 9, 10 через вход управления подстраивается по собственной частоте контуров 1, 2 на самую крутую часть склона (левого или же правого) резонансной кривой – на среднюю точку склона. Контроль подстройки автогенераторов 9, 10 по частоте возможно осуществить при помощи вспомогательного прибора – осциллографа. Из-за чего в каждом из контуров 1, 2 обеспечивается исходный фиксированный размах (амплитуда) переменного напряжения.

Включается в работу генератор 11 электрических импульсов, выход которого подключен к внутренним концам стержней 3, 4 датчика ускорений, образующим собой симметричный вибратор. Через вход управления генератор 11 устанавливается на генерирование калиброванных по амплитуде, длительности и частоте выходных импульсов напряжения, которыми в своей середине питается симметричный вибратор – стержни 3, 4.

Под действием импульсного напряжения генератора 11 электроны в стержнях 3, 4 движутся то в одну, то в другую сторону не свободно, а испытывают соударения с ионами решетки ферромагнетиков. Энергия упорядоченного движения электронов передаётся положительным ионам при соударениях и частично превращается в энергию деформации стержней 3, 4.

При установке прибора в условиях Земли по вертикали места измерений кроме того от действия силы тяжести в стержне 3 возникает сжимающее напряжение, в стержне 4 наоборот растягивающее напряжение. От действия сжимающего и растягивающего напряжений на внутренних концах стержней 3, 4 происходит изменение магнитной проницаемости на внутренних концах стержней 3, 4, где размещены катушки К индуктивности колебателных контуров 1, 2.

Изменение магнитной проницаемости стержней 3, 4 приводит к изменениям полного электрического сопротивления катушек К индуктивности контуров 1, 2. Изменение полного электрического сопротивления катушек К индуктивности колебательных контуров 1, 2 приводит к изменениям собственной частоты контуров 1, 2. Но так как частота каждого из автогенераторов 9, 10 не изменяется, то изменяется амплитуда переменного напряжения в контурах 1, 2 – осуществляется первичная вспомогательная модуляция высокочастотного напряжения.

Изменения амплитуды напряжений в контурах 1, 2 согласованы, т. е. действуют одновременно в обоих контурах 1, 2. Только напряжение в контуре 1 увеличивается (механическое напряжение в стерже 3 увеличивается), а в контуре 2 наоборот уменьшается (поскольку механическое напряжение в стержне 4 уменьшается). Переменные напряжения с выходов контуров 1, 2 поступают далее на соответствующие входы первого и второго детектирующих фильтров – усилителей 12, 13 – специальных детекторов. Детектирующие фильтры – усилители 12, 13 предназначены каждый для преобразования модулированного по амплитуде высокочастотного напряжения в низкочастотное напряжение заданной полярности, изменяющееся по закону модуляции, т.е. их задачей является преобразование отклонения амплитуды несущей частоты сигнала от её номинального значения в постоянное напряжение, знак и величина которого характеризуют величину и знак этого отклонения.

Согласованно изменяющиеся постоянные напряжения выходов детектирующих фильтров – усилителей 12, 13 одновремённо для каждого с заданным значением высокостабильного постоянного напряжения подаются на соответствующие входы мостовой измерительной цепи 14 и таким образом, чтобы сопротивление в одном плече моста возрастало, а сопротивление в смежном плече моста наоборот убывало пропорционально переменной составляющей напряжения – полезных сигналов, снимаемых с колебательных контуров 1, 2. Так как мостовая измерительная цепь 14 была исходно сбалансирована, то теперь на выходе её возникает напряжение, которое пропорционально деформации стержней 3, 4, вызванной действием силы тяжести и движущихся от напряжения генератора 11 электронов в теле вибратора (в стержнях 3, 4).

Напряжение с выхода мостовой измерительной цепи 14 поступает на вход узла 15 обработки и регистрации информации, в свою очередь осуществляющего накопление сигнала за заданное время, усреднение сигнала и фиксирование начального и последующих уровней сигнала документирующим регистратором – самописцем, одновременно фиксирующим очень точные значения электронного времени по уровням сигнала.

Одними из наиболее сложных физических экспериментов с применением предлагаемого прибора являются эксперименты по измерению вариаций силы тяжести Земли, вызванных влиянием тяготения Солнца и Луны.

Прибор для измерения ускорения силы тяжести обладает явно выраженной осью чувствительности, поэтому в период измерений, когда она направлена на центр масс Солнца (или Луны) и одновременно относительно центра Земли, то сила притяжения к Земле, которая ранее вынуждала стержень 3 устройства (см. черт.) укорачиваться относительно несвободной массы 5 (в конечном счёте опирающейся на тело, находящееся в приповерхностном слое Земли), а стержень 4 наоборот удлиняться, теперь будет изменяться (уменьшаться) и от действия гравитационного поля Солнца (или Луны), которое является переменным из-за вращения Земли и изменения нацеливания оси чувствительности на центр масс Солнца (или Луны). Деформации в стержнях 3, 4 также будут изменяться, изменяя тем самым магнитную проницаемость стержней 3, 4 в местах размещения колебательных контуров 1, 2 и добротность контуров 1, 2. Что в конечном счёте приводит к возможности измерения изменяющейся силы тяжести Земли от влияния силы тяжести Солнца или Луны.

Измерения ускорений силы тяжести – это в данном случае могут быть дифференциальные измерения. Иными словами, регистрируется не сама величина, например, сила тяжести Земли, а лишь её изменение, вызванное тяготением Солнца или Луны.

Как известно, в наиболее общем случае гравитационное поле на свободный электрон не действует. Но когда движущийся с ускорением электрон оказывается в поле тоже движущегося атома, куда влечёт их электрический ток в стержнях 3, 4 датчика ускорений, то со стороны гравитационного поля электрон и атом получают дополнительную энергию, которая может быть измерена прибором, несмотря на то, что гравитационные поля являются всепроникающими и действуют на любые массы с одинаковым ускорением. Что возможно экспериментально подтвердить при изготовлении магнитострикционных стержней 3, 4 из электропроводного ферромагнитного материала, а также используя генератор 11 электрических импульсов.

Прибор для измерения ускорения силы тяжести может использоваться также в качестве сейсмоприёмного устройства.

При жёстком креплении прибора в приповерхностном слое Земли сейсмические колебания Земли приводят к дополнительной деформации стержней 3, 4 датчика ускорений из-за действия ускорений земной поверхности на рассредоточенные массы стержней 3, 4, к изменениям магнитной проницаемости стержней 3, 4, и в итоге, к регистрации амплитуды сейсмических колебаний земной поверхности по выбранному направлению распространения колебаний.

Вместо двух стержней (3 и 4) для такого эксперимента в приборе может быть использован один стержень, который должен крепиться к несвободной массе 5 за свою середину длины.

Чертёж представлен в приложении.


Библиографический список
  1. В.Б.Брагинский, А.Г.Полнарёв «Удивительная гравитация», библиотечка «Квант», вып. 39, М. , «Недра», 1985, стр. 13, 52, 152-157.
  2. Леонид Пронин “Занимательная гравитация”, Свердловск, Средне-Уральское книжное издательство, 1989, стр. 282-298.
  3. Государственный комитет по стандартам, Абсолютные определения ускорения силы тяжести, 1974, вып. 4, стр. 6-11, 16-20.


Все статьи автора «Комаров Станислав Григорьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

4 комментариев к “Прибор для измерения ускорения силы тяжести”

  1. 16.03.2012 в 16:15

    “Ускорение силы тяжести” – термин не корректный, сила и ускорение различны по физической природе. Ускорение – есть быстрота изменения скорости по времени, “ускорение силы” – не совсем понятно что это такое. Корректнее было бы употребить “ускорение свободного падения”. И потом, а какие все же силы регистрирует прибор? Ведь на любое тело, находящееся на поверхности Земли действует несколько сил: сила тяжести G=mg, сила Архимеда (из-за плотности атмосферы), центробежная сила инерции (от вращения Земли вокруг своей оси), сила Кориолиса(Земля помимо того что вращается вокруг своей оси, ещё и движется по орбите).

    • 27.08.2012 в 23:24

      “Подтверждение корректности употребляемого термина “ускорение силы тяжести” содержится в литературе – Всесоюзный научно-исследовательский институт технической информации, классификации и кодирования, Образцовые и высокоточные средства измерений, Обзорная информация, Абсолютные определения ускорения силы тяжести, выпуск 4, Москва, 1986, с.1, 5, 6″. Измерение ускорения силы тяжести заключается в измерении ускорения пробной массы, движущейся под действием силы тяжести (наблюдение равновесия тела постоянной массы, на которое действует сила тяжести и некоторая, точно измеренная, компенсирующая сила. В примере ускорение силы тяжести может определяться отношением измеренной силы, уравновешивающей силу тяжести, к известной массе. Таким образом, прибор измеряет ускорение силы тяжести, вызванное силой тяжести (гравитирующей массой), действующей на массу пробного тела.

  2. 07.07.2013 в 13:42

    Увязать кинематический и динамический подход к определению ускорения поможет рассмотрение природы силы тяжести. Это фиктивная сила (как и центробежная), являющаяся суммой силы притяжения к Земле+ к Солнцу+ к Луне (и др. небесным телам)+ центробежные силы инерции от центра Земли, Солнца, Луны.. (фиктивные компоненты). “Ускорение силы тяжести” т. о. – это ускорение свободно движущихся в гравитационном поле Земли тел, измеряемое в неинерциальной с. о., связанной с поверхностью Земли. Для практических измерений этот термин удобен, так же, как “центробежная сила”.

    Жаль, что в статье не представлен обзор современных высокоточных гравиметров. Какая может быть чувствительность у предлагаемого гравиметра?

  3. 11.07.2013 в 09:52

    Комаров С. Г.
    11. 07. 2013 г.
    Александру Королёву
    Типы современных высокочувствительных гравиметров представлены, например, в Интернете. В моей статье «Легко ли измерить скорость тяготения?» представлен источник информации на гравиметр GVR непрерывного действия с очень высокой чувствительностью (отмечена в статье), достаточной для измерения приращений ускорения силы тяжести на поверхности Земли к действующему ускорению силы тяжести всей Земли (учитывается воздействие на пробную массу) в период равноденствия в точке измерений, обращённой к Солнцу, в условиях экватора Земли, в относительно небольшой промежуток времени измерений, включающий полдень. Для этой же цели был разработан и стационарный «Прибор для измерения ускорения силы тяжести». В данном случае более важны не абсолютные измерения ускорения силы тяжести, а так называемые дифференциальные измерения, т. е. при измерениях не самой величины, а лишь её малых приращений, с применением особой методики вычислений положения максимума приращений на шкале времени. Чувствительность прибора того же порядка, что и у известного гравиметра GVR. Прибор может быть использован также для измерения, например, приливных и атмосферных возмущений, и т. д., в том числе, в условиях невесомости, для измерения приращений напряжённости гравитационного поля по выбранному направлению (с применением генератора электрических импульсов, подключенного выходом к внутренним концам стержней датчика ускорений).

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: