Спосіб вимірювання структури молекулярних процесів у нейтральному газовому середовищі

Спосіб вимірювання структури молекулярних процесів у нейтральному газовому середовищі, що включає одночасне або почергове вимірювання величини хаотичної швидкості молекул атмосфери шляхом вимірювання фази акустичного ехосигналу , пов'язаного з хаотичною швидкістю мо C2 2 91091 1 3 Da T1 / 2 , або з довжиною вільного пробігу мо лекул ( ) і хаотичною швидкістю молекул (ν) співвідношенням D ν, і початкового радіуса метеорного сліду (r0), пов'язаного з щільністю атмосфери ( ) або з довжиною вільного пробігу молекул співвідношенням r0 1/ або го~ ) у різних за кутом місця напрямках ( ), одержання залежності вимірюваного параметра від кута місця ( ), побудови залежності lgDa і lgr0 від lg , визначення величин Da і r0, при кутах =90° і =0°, і обчислення коефіцієнта анізотропії Кa за формулою Ka=Dг/Dв або Ка=r0г/г0в, де Dг і г0г - значення величин, знайдених для горизонтального напрямку, Dв і r0в - знайдених для вертикального напрямку відповідно. Недоліком такого способу є те, що структура молекулярних процесів (у даному випадку їхня анізотропія) вимірюється побічно, тобто через вимірювання величин Dа і г0, причому для вертикальної площини, крім того цей спосіб може бути застосований тільки при радіолокаційному спостереженні іонізованих метеорних слідів, що, як відомо, спостерігаються на чітко обмеженому діапазоні висот (80-100км). Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого винаходу є спосіб вимірювання анізотропії температури [Делов И.А., Слипченко Н.И. Результаты экспериментальных исследований анизотропии молекулярных процессов атмосферы с помощью акустического зондирования // Прикладная радиоэлектроника, 2004, том 3, №3. Харьков. - С.27-36], що включає в себе одночасні (або почергові) вимірювання величини хаотичної швидкості молекул атмосфери шляхом виміру фази акустичного ехо-сигналу (φ), пов'язаного з хаотичною швидкістю молекул (ν) співвідношенням φ~1/ν, побудова залежності обмірюваної хаотичної швидкості молекул від кута місця ( ), визначення на підставі отриманої в такий спосіб залежності ν=f( ) структури хаотичної швидкості молекул атмосфери Землі для вертикальної площини і визначення коефіцієнта анізотропії хаотичної швидкості молекул повітря у вертикальній площині. Недоліком даного способу дослідження структури молекулярних процесів (зокрема анізотропії Т° або ν) є те, що за допомогою його молекулярні процесії (T°) вимірюються побічно за обмірюваною фазою акустичного ехо-сигналу (φ), тому що φ~ν0. В основу винаходу способу поставлена задача шляхом безпосереднього вимірювання хаотичної швидкості молекул протягом деякого часу над спрямованим джерелом тепла або холоду для декількох напрямків виявити можливість існування переважної швидкості молекул у напрямку джерела тепла або холоду. Такий технічний результат може бути досягнуто, якщо в способі вимірювання структури молекулярних процесів у нейтральному газовому середовищі, що включає одночасне (або почергове) вимірювання величини хаотичної швидкості молекул атмосфери шляхом вимірювання фази акустичного ехо-сигналу (φ), пов'язаного з хаотичною швидкістю молекул (v) співвідношенням φ~1/ν, побудова залежності обмірюваної хаотичної швид 91091 4 кості молекул від кута місця ( ), визначення на підставі отриманої в такий спосіб залежності ν=f( ) структури хаотичної швидкості молекул атмосфери Землі для вертикальної площини і коефіцієнта анізотропії хаотичної швидкості молекул повітря у вертикальній площині, відповідно до винаходу, проводять безпосереднє вимірювання хаотичної швидкості молекул одночасно (або по черзі) над спрямованим джерелом тепла або холоду протягом деякого інтервалу часу в декількох напрямках для молекул, що летять у напрямку, протилежному потоку тепла або холоду, у напрямку потоку й у напрямку, перпендикулярному напрямку потоку тепла або холоду в двох протилежних напрямках (ліворуч і праворуч), і на підставі отриманих у такий спосіб часових залежностей хаотичної швидкості молекул визначають можливість існування в потоці тепла або холоду досить тривалий час швидкостей молекул, які мають найбільші значення в напрямку від джерела тепла або найменші - у напрямку від джерела холоду, причому зазначені вище вимірювання проводять при різній спрямованості джерела тепла або холоду до обрію, на різній відстані від джерела тепла або холоду, а також при короткочасному відключенні джерела тепла або холоду. На Фіг.1 наведено пристрій, за допомогою якого можна реалізувати запропонований спосіб. На Фіг.2, 3 подано часову залежність хаотичної швидкості молекул, обмірювана одночасно для трьох напрямків: у напрямку від джерела тепла - , у напрямку до джерела тепла - , і в напрямку, перпендикулярному цим двом напрямкам - . Експеримент проводився над джерелом тепла, спрямованим площиною вгору. Результати отримані для двох відстаней: h=30см (Фіг.2) і h=64см (Фіг.3). По вертикальній осі на графіках відкладені значення опору термістора, обернено пропорційні хаотичній швидкості молекул. По горизонтальній осі відкладені порядкові номери вимірювань. На Фіг.4, 5 наведені часові залежності хаотичної швидкості молекул, отримані для випадку, коли джерело тепла було спрямовано під кутом 60° від вертикалі. На Фіг.4 результати наведені для висоти h=64см, на Фіг.5 - для висоти h=30см. На Фіг.6, 7 наведені часові залежності хаотичної швидкості молекул, отримані над джерелом холоду для двох висот: на Фіг.6 - для h=25см, на Фіг.7-дія h=15см. На Фіг.8, 9 подані часові залежності хаотичної швидкості молекул, обмірювані так само, як і на Фіг.2-7, але для однієї висоти h=20м від джерела тепла, причому на Фіг.8 наведені результати для випадку, коли джерело тепла було відключено; на Фіг.9 - коли джерело тепла було підключено; на Фіг.10 наведені результати вимірювань, коли джерело тепла перекривалося на короткий час теплоізоляційною плитою, і в цей час проводилися вимірювання хаотичної швидкості для зазначених вище напрямків. Як випливає з Фіг.2, 3, хаотична швидкість молекул, що летять від джерела тепла, більше хаотичної швидкості молекул, що летять до джерела тепла, і в напрямку, перпендикулярному основно 5 му напрямку. Причому така картина зберігається зі збільшенням відстані від джерела тепла з 30см до 64см. Як випливає з Фіг.4, 5, картина, що спостерігається на Фіг.2, 3 для джерела гепла, спрямованого вертикально, зберігається і для джерела тепла, спрямованого під кутом 60° від вертикалі. Як випливає з Фіг.6, 7, де замість джерела тепла використовується джерело холоду, також спостерігається картина результатів, подібна наведеної на Фіг.2, 3 і Фіг.4, 5, проте тут швидкість молекул, що летять від джерела холоду, виявилася менше швидкості молекул, що летять до джерела холоду й у напрямку, перпендикулярному джерелу холоду, причому така картина зберігається для двох висот: h=25см і h=15см. Як випливає з Фіг.8, 9, співвідношення обмірюваних швидкостей молекул над джерелом тепла зберігається при короткочасному усуненні дії джерела тепла шляхом розміщення теплоізоляційного екрана, тобто задана джерелом тепла додаткова швидкість молекул, що летять від джерела тепла, певний час зберігається. Таким чином, нейтральний газ (у даному випадку повітря) має властивість спрямовано передавати через своє середовище кінетичну енергію молекул будь-яким, заданим зовнішнім джерелом, напрямку, створюючи по шляху передачі кінетичної енергії визначену анізотропію хаотичної швидкості молекул. Суть способу полягає у вимірюванні хаотичної швидкості молекул повітря (газу) над джерелом тепла або холоду одночасно або по черзі в чотирьох напрямках: у напрямку від джерела тепла (холоду), у напрямку до джерела тепла (холоду), і в напрямку, перпендикулярному напрямку джерела тепла (холоду) у двох протилежних напрямках, і на підставі отриманих у такий спосіб часових залежностей хаотичних швидкостей молекул визначають існування в потоці тепла (або холоду) досить тривалий час швидкостей, які мають найбільші значення в напрямку від джерела тепла і найменші - від джерела холоду, причому, при цьому зазначені вище вимірювання проводять при різній спрямованості джерела тепла (або холоду) до обрію і на різній відстані від джерела тепла і при короткочасному відключенні джерела тепла або холоду. Пристрій для реалізації способу містить штатив 1 з основою 2, на якому встановлено важіль 3 з датчиком хаотичної швидкості молекул 4, що складається з теплоізоляційного корпуса квадратної форми, на одній площині якого висвердлено отвір (некрізний, І~20мм), на дні якого розміщено термістор (або інший який-небудь подібний елемент, опір якого залежить від температури повітря), термістор за допомогою проводу приєднаний до приладу 5, що вимірює опір термістора через задані інтервали часу з необхідною точністю, платформу 6, джерело тепла (холоду) 7, гвинти 8 і 9, пристрій 10 для зміни кута нахилу потоку тепла або холоду щодо горизонтальної площини. Пристрій працює в такий спосіб. На платформі 6 встановлюється джерело тепла або холоду. Джерелом тепла може бути будь 91091 6 який обігрівач із плоскою поверхнею випромінювання тепла. Джерелом холоду може бути шматок льоду також із плоскою поверхнею. Над джерелом тепла (холоду) встановлюється датчик 4 на потрібній відстані від джерела важелем 3, що фіксується гвинтом 8. Встановлюємо отвір датчика хаотичної швидкості молекул 4 в одному з чотирьох напрямків (наприклад, униз) і фіксуємо гвинтом 9. Через 2-3 хвилини вимірюємо опір термістора за допомогою приладу 5 і показання записуємо в журнал. Потім датчик 4 повертаємо в наступному напрямку (наприклад, отвором нагору) і фіксуємо гвинтом 9. Через 2-3 хвилини записуємо показання вимірювального приладу в журнал. Такі процедури виконуємо у всіх чотирьох напрямках (вниз, вгору, горизонтально праворуч і горизонтально ліворуч). Вимірювання на заданій відстані датчиком 4 від джерела тепла 7 проводяться протягом декількох хвилин, щоб набрати необхідну кількість експериментальних даних для статистичної обробки. Такі вимірювання проводяться на 2-3 різних висотах від джерела тепла і для двох-трьох кутів нахилу платформи 6 щодо рівня поверхні Землі. Після чого джерело тепла замінюють на джерело холоду і проводять такі самі вимірювання, як і для джерела тепла. Потім для джерела тепла і джерела холоду для фіксованої висоти проводять наступні виміри. Розглянемо спочатку для джерела тепла. Над джерелом тепла на фіксованій відстані вимірюють опір термістора за допомогою приладу 5 для чотирьох положень датчика швидкості 4. Після чого теплоізоляційною плитою накривають джерело тепла, і знову фіксують показання приладу для чотирьох положень датчика 4. Для набору необхідного статистичного матеріалу такі вимірювання проводяться протягом необхідного інтервалу часу. Потім такі самі вимірювання проводяться над джерелом холоду. Після набору необхідної кількості статистичних дані результати обробляються. Будуються часові залежності отриманих даних для чотирьох напрямків датчика 4. При цьому враховується, що очікувана властивість газового середовища відсутня, то побудовані часові залежності обмірюваних величин хаотичної швидкості молекул для чотирьох напрямків збіжаться на графіках, а їхні середні значення для цих даних будуть близькі за величиною між собою. Якщо ж існує очікувана властивість газу, то під час вимірювання хаотичної швидкості молекул над джерелом тепла, хаотичні швидкості молекул, обмірювані для напрямку від джерела тепла, будуть більше обмірюваних значень швидкості для трьох інших напрямків. А під час вимірювання хаотичної швидкості молекул над джерелом холоду, величина хаотичної швидкості, обмірювана для напрямку від джерела холоду, буде менше обмірюваних значень швидкостей молекул для трьох інших напрямків. При цьому зазначені вище співвідношення обмірюваних хаотичних швидкостей молекул для джерела тепла і джерела холоду зберігатимуться певний час при усуненні дії джерела тепла або холоду. 7 Отримані в такий спосіб результати свідчать про те, що швидкості молекул, що летять від джерела тепла, завжди більше, а від джерела холоду завжди менше швидкостей молекул, обмірюваних для інших напрямків, і це співвідношення зберігається на різних відстанях від джерела тепла або холоду, при різних напрямках джерела тепла або холоду, а також зберігається певний час після усу 91091 8 нення джерела тепла або холоду, то отримані таким чином дані свідчать про те, що нейтральний газ (повітря) має властивість при хаотичному русі молекул середовища зберігати досить тривалий час кожною молекулою газового середовища величини і напрямки швидкості, отриманої ними від зовнішнього джерела. 9 91091 10 11 91091 12 13 91091 14 15 Комп’ютерна верстка О. Рябко 91091 Підписне 16 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601