×
20.02.2020
220.018.045a

Способ определения гравитационной постоянной с добавлением периода колебаний при отсутствии кареток

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002714518
Дата охранного документа
18.02.2020
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определении гравитационной постоянной. Технический эффект, заключающийся в уменьшении погрешности вычислений гравитационной постоянной, достигается за счёт того, что по периодам колебаний весов при четырёх положениях кареток предварительно добавляют пятую позицию кареток, определяют пятый период колебаний при их отсутствии, затем вносят поправки в периоды колебаний весов с использованием пятой позиции, после чего вычисляют гравитационную постоянную при всех комбинациях притягивающих тел по двум независимым методикам, а на завершающей стадии уравнивают все возможные комбинации гравитационной постоянной коррекцией периодов колебаний. 1 ил., 5 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области метрологии, а именно к способу определения гравитационной постоянной при форме взаимодействующих тел, отличной от шаровой.

Известен способ измерения гравитационной постоянной при шаровой форме взаимодействующих тел [1] (Патент РФ №2364896 на изобретение. Способ измерения гравитационной постоянной // Приоритет изобретения 31.07.08). Способ заключается в том, что при всех позициях притягивающих тел измеряют периоды и амплитуды колебаний крутильных весов, рассчитывают моменты притяжения рабочего тела, определяют гравитационную постоянную либо по системе двух дифференциальных уравнений движения (методика 1), либо по аналитическим формулам, полученным с учетом теории нелинейных колебаний. Способ применим только при шаровых формах взаимодействующих тел.

Более близким по своей сущности к заявляемому способу является способ определения гравитационной постоянной [2] (Патент РФ №2581765 на изобретение. Способ определения гравитационной постоянной // Приоритет изобретения 27.03.2015). В нем непригодная для расчетов оригинальная система заменена на модельную, что привело к получению численного значения гравитационной постоянной. Учтено влияние перемещающихся кареток на периоды колебаний весов.

Недостаток предложенного метода состоит в сложности процесса преобразования реальной в упрощенную модельную систему.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому способу является способ определения гравитационной постоянной [3] (Карагиоз О.В., Измайлов В.П., Шахпаронов В.М. Патент РФ №2644437. Способ определения гравитационной постоянной. // Приоритет изобретения 13.12.2016. В нем после вычисления моментов притяжения на всех четырех позициях при различных углах отклонения весов создана аналитическая формула для моментов притяжения.

Недостаток данного способа заключается в отсутствии пятой позиции кареток, которая возможно играет роль в уменьшении погрешности вычислений.

Близким по своей сущности к заявляемому способу является также способ определения гравитационной постоянной [4] (Карагиоз О.В., Измайлов В.П., Шахпаронов В.М. Патент РФ №2691622. Способ определения гравитационной постоянной с учетом вклада кареток в моменты притяжения. // Приоритет изобретения 01.08.2018). В нем впервые использована пятая позиция кареток. Вместо внесения поправок в периоды колебаний введены поправки непосредственно в моменты притяжения.

Задачей изобретения является определение значения гравитационной постоянной по способу [3] с добавлением пятой позиции кареток и сравнение результатов в [3], [4] и данной заявке.

Поставленная задача достигается тем, что к измеренным значениям периодов колебаний весов при положении кареток в четырех позициях добавляется пятая позиция, которая отсутствует в протоколах измерений.

Способ поясняется чертежом (фиг.), где 1 - корпус вакуумной камеры, 2 - крутильная нить весов, 3 - отражающее зеркало весов, 4 - коромысло весов с плечами прямоугольного сечения длиной L6 и цилиндрическими концами длиной L7, 5 - цилиндрические грузы коромысла массой m1, 6 - цилиндрические притягивающие тела массой М, 7 - каретки для перемещения и фиксации в четырех положениях на блоках 8 масс 6, 9 - платформа для размещения установки.

Внутри вакуумной камеры 1 размещают крутильные весы, в которых на крутильной нити 2 крепится рабочее тело весов, включающее коромысло 4 с цилиндрическими грузами 5 на концах и отражающее зеркало 3. Зеркало 3 обеспечивает измерение амплитуд и периодов колебаний весов. Цилиндрические притягивающие тела 6 перемещаются с помощью кареток 7 вдоль линии равновесия весов и фиксируются на блоке 8 в четырех позициях. На платформе 8 размещается вся установка.

При отклонении весов на угол ϕ на рабочее тело воздействует упругая сила закрученной нити 2 и момент притяжения цилиндрических притягивающих тел 6, который в первом приближении пропорционален ϕ. Такой момент уменьшает период колебаний весов. По величине момента притяжения можно определить значение гравитационной постоянной при шаровой форме всех взаимодействующих тел. При отличной от шаровой форме тел вычисления становятся трудоемкими. В этом случае по значениям Li, М, m1, m2 шестикратным интегрированием определяют моменты притяжения.

В [2] момент инерции рабочего тела весов J=21483.64 г⋅см2. С учетом вытесненного воздуха масса цилиндрических притягивающих тел диаметром 18.0012 см и высотой 19.9531 см М=39756.452 г. Масса цилиндрических грузов коромысла длиной 1.63905 см и диаметром 1.6415 см с осевым отверстием диаметром 0.3015 см m1=29.9198 г. Масса всего коромысла шириной 0.3906 см, высотой 0.4071 и длиной плеч L6=16.92935 см mk=24.93909 г. С учетом объема прямоугольной части коромысла и его концов диаметром 0.3 см найдем, что масса прямоугольной части m2=23.9091 г, масса цилиндрического тела длиной 2(L6+L7) m3=11.65826 г, масса цилиндрического тела длиной 2L6 m4=10.62826 г. Центр масс грузов находился на расстоянии L5=17.748875 см от оси вращения весов. Центры масс притягивающих цилиндров располагались на четырех расстояниях L1=28.99845, L2=30.99860, L3=33.99805, L4=38.99795 см.

Использованные при окончательных расчетах моменты притяжения всего рабочего тела весов Ki на всех четырех позициях при L1=28.97675, L2=30.97690, L3=33.97635, L4=38.97625 см приведены в табл. 1.

В [4] показано, что T0=2321.0. Найдем разность периодов колебаний между T0 и T1, Т2, Т3, T4.

2321.0-2316.9967=4.0032

2321.0-2317.0480=3.9520

2321.0-2317.5864=3.4136

2321.0-2318.9207=2.0793

Получим следующий ряд значений: 4.0032, 3.9520, 3.4136, 2.0793 с. Умножим эти разности на отношение кубов периодов колебаний при наличии притягивающих масс и их отсутствии. Получим ряд величин, на которые следует увеличить периоды колебаний.

4.0032(2022.6253/2321.0)3=2.6493

3.9520(2100.1351/2321.0)3=2.9277

3.4136(2174.3469/2321.0)3=2.8066

2.0793(2239.6236/2321.0)3=1.8682

При положении притягивающих тел в первой позиции период должен быть увеличен на 2.6493 с. В остальных позициях периоды колебаний будут увеличены на 2.9277, 2.8066 и 1.8682 с. После ведения поправок вычисление гравитационной постоянной по методике 2 дает результаты, приведенные в 3 столбце табл. 2. Аналогичные вычисления по методике 1 приведены в табл. 3. Полученные значения Gij не существенно отличаются от данных, приведенных в столбцах 2 этих таблиц. Следовательно, погрешность при расчетах Gij мало зависит от наличия дополнительной пятой позиции кареток. Результаты все же изменились, но они стали достовернее. После введения аналогичных поправок в периоды колебаний в третьей и четвертой позициях получим результаты, представленные в табл. 4 и 5.

Анализ показал, что наличие трудно контролируемых неравновесных потоков разреженного газа было основным дестабилизирующим фактором. Для их полного подавления недостаточен даже вакуум порядка 10-6 Па. В данном эксперименте вакуум был хуже примерно на три порядка. Перемещение притягивающих тел вблизи вакуумной камеры, в которой размещены крутильные весы, может не только изменить конвективные потоки, но и изменить неравновесные внутри самой камеры. Переход притягивающих тел на очередную позицию изменял потоки вокруг камеры. Даже если вакуумная камера и притягивающие тела расположены в термостате, такого эффекта не избежать. При проведении данных экспериментов подобных мер предосторожности предпринято не было. Вследствие этого при минимальном и максимальном удалении притягивающих тел ситуация могла существенно различаться. При этом изменялась жесткость, вносимая неравновесными потоками в крутильную систему. Для компенсации дополнительной жесткости пришлось уменьшить расстояния до притягивающих тел на 217 мкм, что увеличило моменты притяжения на четырех позициях в 1.00418, 1.00368, 1.00311, 1.00245 раз. При дополнительной коррекции период колебаний в позиции 3 снижен на 14.6 мс, а в позиции 4 увеличен на 33.6 мс. В прототипе аналогичные величины составляли значения 12.7 и 42.0 мс.

В итоге проведенных исследований получены следующие основные технические результаты:

- показано, что использование дополнительной пятой позиции кареток все же смещает значение гравитационной постоянной после коррекции периодов колебаний примерно на 20 ppm, при этом повышается достоверность вычислений, до коррекции при учете позиции 4 смещение достигает 100 ppm,

- наличие кареток усложняет расчеты, но принципиальных трудностей не создает,

- во всех комбинациях четырех позиций притягивающих тел определены значения Gij, близкие к данным прототипа, получено достоверное значение гравитационной постоянной G=(6.6730±0.0008)⋅10-11 Нм2/кг2,

- совпадение результатов расчетов Gij по независимым вариантам расчета свидетельствует об отсутствии ошибок при их реализации, а также низкой погрешности при расчетах моментов притяжения тела весов цилиндрическими телами на всех четырех позициях,

- различие результатов в [4] и данной заявке, использующих дополнительную пятую позицию кареток, свидетельствует о погрешности измерений периодов колебаний при наличии кареток на четырех позициях,

- выявлен основной дестабилизирующий фактор, обусловленный влиянием неравновесных потоков на периоды колебаний весов вследствие недостаточно высокого вакуума,

- наличие такого фактора приводит к необходимости его компенсации уменьшением расстояний до притягивающих тел на 217 мкм,

- коррекции периодов колебаний в третьей и четвертой позициях на -14.6 и 33.6 мс компенсируют обусловленными неравновесными потоками погрешности при измерении периодов колебаний, когда каретки фиксировались на четырех позициях, в прототипе аналогичные величины составляли -12.7 и 42.0 мс.

Способ определения гравитационной постоянной при нешаровой форме взаимодействующих тел, в котором при всех позициях притягивающих тел измеряют периоды и амплитуды колебаний весов, а также массы, размеры, положение всех взаимодействующих тел, рассчитывают моменты притяжения тела весов притягивающими телами и момент его инерции, измеряют влияние средств перемещения притягивающих тел на период колебаний весов, определяют гравитационную постоянную по системе двух дифференциальных уравнений движения, отличающийся тем, что по периодам колебаний весов при четырех положениях кареток предварительно определяют дополнительный пятый период колебаний при их отсутствии, затем вносят поправки в периоды колебаний весов с использованием пятой позиции, после чего вычисляют гравитационную постоянную при всех комбинациях притягивающих тел по двум независимым методикам, на завершающей стадии уравнивают все возможные комбинации гравитационной постоянной коррекцией периодов колебаний.
Способ определения гравитационной постоянной с добавлением периода колебаний при отсутствии кареток
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-8 из 8.
10.08.2015
№216.013.6baa

Способ определения гистерезисных потерь маятниковым трибометром

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определения физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала. По коэффициентам гистерезисных потерь и радиусам пятен контакта шаровых опор маятникового трибометра с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559120
Дата охранного документа: 10.08.2015
20.04.2016
№216.015.36cd

Способ определения гравитационной постоянной

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной. При реализации предложенного способа реальную систему взаимодействующих тел, имеющих сложную форму, заменяют модельной системой тел, закрепленных на тонком стержне и имеющих форму шара. Далее определяют значения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002581765
Дата охранного документа: 20.04.2016
25.08.2017
№217.015.b5e8

Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определения физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала. Способ определения гистерезисных потерь в испытуемом образце механическим осциллятором заключается в том, что...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614647
Дата охранного документа: 28.03.2017
19.01.2018
№218.016.0e0c

Способ измерения гравитационной постоянной

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной вакуумированными крутильными весами. Сущность: притягивающие тела устанавливают на заданных позициях. Задают начальную амплитуду колебаний крутильных весов. Измеряют на всех позициях периоды, амплитуды колебаний весов, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633000
Дата охранного документа: 11.10.2017
20.01.2018
№218.016.1041

Способ измерения гравитационной постоянной

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной вакуумированными крутильными весами. Сущность: притягивающие тела устанавливают на заданных позициях. Задают начальную амплитуду колебаний крутильных весов. Измеряют на всех позициях периоды, амплитуды колебаний весов, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633804
Дата охранного документа: 18.10.2017
04.04.2018
№218.016.2ec6

Способ определения гравитационной постоянной

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной и может быть использовано для определения гравитационной постоянной при форме взаимодействующих тел, отличной от шаровой. Сущность: при всех позициях притягивающих тел измеряют периоды и амплитуды колебаний крутильных весов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002644437
Дата охранного документа: 12.02.2018
03.03.2019
№219.016.d246

Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой при повышенных температурах

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определении физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала в диапазоне температур до 360°С. Способ определения гистерезисных потерь в нитях подвеса крутильных систем,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680976
Дата охранного документа: 01.03.2019
19.06.2019
№219.017.83e3

Способ определения гравитационной постоянной с учётом вклада кареток в моменты притяжения

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определении гравитационной постоянной. Технический эффект, заключающийся в упрощении определения значении гравитационной постоянной достигается за счёт того, что после проведения расчётов момента притяжения на всех...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002691622
Дата охранного документа: 17.06.2019
Показаны записи 1-8 из 8.
10.08.2015
№216.013.6baa

Способ определения гистерезисных потерь маятниковым трибометром

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определения физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала. По коэффициентам гистерезисных потерь и радиусам пятен контакта шаровых опор маятникового трибометра с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559120
Дата охранного документа: 10.08.2015
20.04.2016
№216.015.36cd

Способ определения гравитационной постоянной

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной. При реализации предложенного способа реальную систему взаимодействующих тел, имеющих сложную форму, заменяют модельной системой тел, закрепленных на тонком стержне и имеющих форму шара. Далее определяют значения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002581765
Дата охранного документа: 20.04.2016
25.08.2017
№217.015.b5e8

Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определения физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала. Способ определения гистерезисных потерь в испытуемом образце механическим осциллятором заключается в том, что...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614647
Дата охранного документа: 28.03.2017
19.01.2018
№218.016.0e0c

Способ измерения гравитационной постоянной

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной вакуумированными крутильными весами. Сущность: притягивающие тела устанавливают на заданных позициях. Задают начальную амплитуду колебаний крутильных весов. Измеряют на всех позициях периоды, амплитуды колебаний весов, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633000
Дата охранного документа: 11.10.2017
20.01.2018
№218.016.1041

Способ измерения гравитационной постоянной

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной вакуумированными крутильными весами. Сущность: притягивающие тела устанавливают на заданных позициях. Задают начальную амплитуду колебаний крутильных весов. Измеряют на всех позициях периоды, амплитуды колебаний весов, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633804
Дата охранного документа: 18.10.2017
04.04.2018
№218.016.2ec6

Способ определения гравитационной постоянной

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной и может быть использовано для определения гравитационной постоянной при форме взаимодействующих тел, отличной от шаровой. Сущность: при всех позициях притягивающих тел измеряют периоды и амплитуды колебаний крутильных весов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002644437
Дата охранного документа: 12.02.2018
03.03.2019
№219.016.d246

Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой при повышенных температурах

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определении физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала в диапазоне температур до 360°С. Способ определения гистерезисных потерь в нитях подвеса крутильных систем,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680976
Дата охранного документа: 01.03.2019
19.06.2019
№219.017.83e3

Способ определения гравитационной постоянной с учётом вклада кареток в моменты притяжения

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определении гравитационной постоянной. Технический эффект, заключающийся в упрощении определения значении гравитационной постоянной достигается за счёт того, что после проведения расчётов момента притяжения на всех...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002691622
Дата охранного документа: 17.06.2019
+ добавить свой РИД