Аннотация — Дано описание дисковой разновидности крутильных весов – т.н. торсинда. Исходя из способности торсинда реагировать на некоторые астрономические феномены, находясь глубоко под землей в условиях почти полной изоляции, сделан первый шаг в попытке разобраться в том, на что, собственно, реагирует торсинд. В результате многолетних наблюдений за реакцией прибора в разных условиях, изучены некоторые внешние факторы, которые не могут быть причиной вращения диска торсинда. Высказано предположение, что торсинд откликается на некоторое неизвестное излучение, несущее в себе вращающий момент.

Index Terms — крутильные весы, торсинд, солнечные и лунные затмения

С момента первого применения подвесных приборов в науке в конце 18 в., крутильные весы до сих пор остаются одними из самых чувствительных приборов. Достаточно сказать, что до сих пор уточнения величины гравитационной постоянной G проводятся с помощью крутильных весов [1].

В истории научного использования крутильных весов четко прослеживается "географическая" приоритетность исследований. Западные ученые, начиная от Ш. Кулона (1736-1806) и Г. Кавендиша (1731-1810) и до современных, использовали крутильные весы в основном для количественных измерений при разных взаимодействиях. В то время как в славянском мире эти подвесные приборы, в том числе и крутильные весы, служили для качественного изучения новых взаимодействий. Еще в начале 20 века профессор Н.П. Мышкин обнаружил вращательные колебания легкого слюдяного диска, подвешенного на тонкой платиновой проволоке. Изолированный от внешних тепловых воздействий диск, "находящийся в потоке лучистой энергии" – как писал автор, поворачивался в разные стороны. Это дало основание Мышкину предположить, что механизм переноса вращающего момента на диск не связан ни с гравитацией, ни с электромагнетизмом [2].

Опыты Мышкина спустя несколько десятков лет были повторены в иной композиции В. Беляевым из Ульяновска, который для подвеса металлического кольца использовал паучью нить. Его прибор также откликался поворотом диска на фазы Луны и на гипотетическое геомагнитное излучение ядра Земли [3].

Ленинградский профессор Николай Козырев известен не только как ученый, впервые поместивший крутильные весы в фокус телескопа [4], но и как автор идеи о том, что крутильные весы чувствительны к некой субстанции, названной им "потоком времени" [5], которая пока не имеет строгой научной дефиниции. Из всего сказанного следует, что исследования с применением крутильных весов обладают большим познавательным потенциалом и очень подходят для изучения ранее неизвестных феноменов и взаимодействий.

Прецедент, положенный триадой славянских ученых, вызвал массовый интерес к наблюдениям за поведением крутильных весов в разных условиях. Так, например, известный специалист в области гироскопических навигационных приборов Г.О. Фриндлер обнаружил эффект поворота стрелки крутильных весов вблизи вращающегося маховика (не опубликовано). При этом вибрационное, воздушное, электрическое и магнитное воздействие на прибор исключалось.

Интерес к использованию этих подвесных приборов в астрономии возник после того, как французский ученый Морис Алле (Maurice Allais) обнаружил отклонение плоскости качания т.н. параконического маятника в момент солнечного затмения 1954 года [6]. Впоследствии этот эффект наблюдался и другими учеными. Начиная с 1996 г. в течение почти десяти лет румынский исследователь Д. Оленичи провел многочисленные наблюдения за параконическим маятником, которые обнаружили корреляцию между его поведением и некоторыми астрономическими событиями. В 2006 г. Д. Оленичи и автор статьи предприняли совместные усилия по использованию очень легких крутильных весов (настраиваемых по частоте) для дополнительного контроля аномального поведения маятников [7]. К этому времени автор, работая в Киевском планетарии, накопил уже более чем трехлетний опыт работы со сверхлегкими крутильными весами стрелочного типа. Начиная с января 2010 года по предложению автора коромысло крутильных весов было заменено легким, массой менее 100 мг, алюминиевым диском, а также была изменена система автоматической регистрации, после чего значительно возросла точность отсчетов и появилась возможность непрерывной регистрации. Новая конструкция придала прибору новые свойства, после чего прибор стал называться "торсиндом" (рис. 1, см. также фото в [9]).

Рис. 1. Фото одного из последних торсиндов.

Торсинд имеет три принципиальных отличия от классических крутильных весов:

1. Вместо жесткого подвеса или пряденой (кручёной) шелковой нити используется экструзивная мононить из кокона тутового шелкопряда, толщина которой в пределах одного образца может меняться в пределах 25-10 мкм. Тонкость мононити диктует необходимость делать подвесную часть торсинда очень легкой.
2. Линейное коромысло классических крутильных весов заменено тонким, легким диском, обычно изготавливаемым из алюминиевой фольги. В последних моделях вместо фольги используется тонкая, плотная бумага. Замена линейного коромысла симметричным диском устранила источник основных претензий к надёжности прибора – влияние конвективных движений воздуха внутри корпуса прибора на положение коромысла. Это значительно повысило помехоустойчивость прибора.
3. Автоматическая регистрация и запись результатов измерений исключает необходимость в присутствии оператора – одного из источников значимых помех.

Корпусом рабочего прибора служит кварцевый цилиндр (h=240 мм, D=200 мм, толщина стенки 2 мм) с прикрепленными снизу и сверху с помощью силиконового герметика круглыми стеклянными крышками. Это обеспечивает высокую степень герметизации пространства внутри корпуса. Правда, в верхней крышке есть небольшое отверстие диаметром около 0.5 мм для пропуска нити. И хотя это отверстие в рабочем состоянии прибора заклеено скотчем, тем не менее, можно говорить только о высокой степени герметизации, но не стопроцентной. Внутренняя поверхность корпуса, за исключением светопрозрачной крышки, оклеена плотной черной бумагой.

На верхней стеклянной крышке торсинда установлена веб-камера, и сверху прибор накрыт куском черной ткани. Камера направлена на диск и каждую минуту посылает изображение диска в компьютер. Последний определяет положение яркого пятна-маркера, нанесенного на край диска, относительно центра самого диска (в полярных координатах) и формирует рабочий файл, записывая в память компьютера момент времени и угловое положение маркера. Работа такого отлаженного прибора не нуждается в присутствии оператора и может непрерывно продолжаться в течение недель и месяцев. Среднее значение погрешности единичного измерения, определенное по многочисленным измерениям, составляет ±0.1713° [10].

С середины 2008 года два основных прибора WEB_1 и WEB_2 установлены в отдельной, затенённой, закрывающейся комнате на 4 этаже башни неработающего телескопа, вход в которую дозволен только оператору. Единственное окно этой комнаты закрыто черной светонепроницаемой бумагой. В комнате даже в солнечную погоду царил полумрак, поскольку только небольшая часть непрямого солнечного света проникала в помещение через узкие щели в светомаскировке. Оба прибора WEB_1 и WEB_2 дополнительно помещены в фанерный бокс, оклеенный черной бумагой и завешенный черной светонепроницаемой тканью. Таким образом, никогда за все годы измерений после установки прибора прямой солнечный свет не попадал на торсинд! А в рабочем режиме не допускалось попадание даже рассеянного солнечного света.

В январе 2010 года линейные коромысла обоих приборов были заменены алюминиевыми дисками, описанными ранее. Фото упрощенной демонстрационной модели торсинда опубликовано в работе [11], а относительно полное описание свойств рабочего экземпляра и его внешний вид представлены в публикации [9]. Первые экземпляры стрелочных крутильных весов, с которыми работал автор в 2006-2009 г.г., были защищены от статического электричества заземлёнными сетками Фарадея (фото можно увидеть в [12], [13]). Однако последующие измерения показали необязательность такой защитной меры. Дело в том, что внешние природные воздействия оказываются на несколько порядков сильнее, чем возможные помехи от возможных статических наводок.

Отсчетная градусная шкала прибора не бесконечна, а ограничена значениями от 0 до 360 градусов (мы говорим далее о целочисленных значениях). Если диск делает более одного оборота по часовой стрелке, то после отсчета 360 в память компьютера будет записан отсчет 1, а не 361. В этом случае при нанесении непосредственных отсчетов на график на нем появится разрыв. Так, на рис. 2, на котором черной линией нанесены непосредственные показания торсинда, видно три таких разрыва. Правильным же отражением поведения торсинда служит график на рис. 3 с нанесенными непрерывными значениями. Движение представляющей точки на этом графике в сторону отрицательных углов указывает на то, что вращение диска было против часовой стрелки (counterclockwise – CCW).

Рис. 2.

Рис. 3.

Значение деталей рисунка 2, представленных красным цветом, будет пояснено ниже.

Использование шелковой мононити делает торсинд единственным в своем классе прибором. Как установлено в результате специальных экспериментов и подтверждено многолетними наблюдениями, в такой нити не возникают возвращающие напряжения, препятствующие закручиванию, т.е. при закручивании в ней не накапливается реверсивный момент, который в классических крутильных весах возвращает стрелку прибора в исходное положение при отсутствии внешнего вращающего момента. Указанная особенность описана в публикации [9]. Однако это свойство нити проявляется только при очень медленном закручивании, когда угловая скорость закрутки не превышает величины 0.003 об/с (приблизительно 1.1° в секунду и медленнее). Тогда в такой нити не возникают или не накапливаются возвращающие упругие напряжения. Это означает, что после прекращения действия внешнего вращающего момента подвешенный на нити диск не вращается в обратную сторону. Или, строго говоря, возвратная реакция нити настолько мала, что практически не может быть замечена на фоне флуктуаций и погрешности измерений. За исключением буквально всего лишь нескольких особых случаев условие закрутки менее 1°/с до сих пор всегда выполнялось на практике, поэтому нет необходимости в учете реакции. Интересно отметить, что подобным свойством обладает еще одна натуральная нить животного происхождения – паутина [3].

Однако при относительно очень больших угловых скоростях закрутки (порядка 100 град/с) в шелковой мононити сохраняются остаточные напряжения, и коэффициент возврата по нашим определениям составляет -0.085. Это означает, что если, например, быстро закрутить нить с подвешенным диском на 1000 градусов, то через несколько десятков секунд диск повернется в противоположном направлении всего лишь на ≈ 85 градусов [9]. Исследования с промежуточными значениями угловых скоростей закрутки не проводились.

Хорошей иллюстрацией указанной особенности торсинда может служить рис. 2. Несмотря на то, что в полдень 15.01.2012 диск прибора провернулся более чем на 1000 градусов, после этого он остался практически в том же положении, в котором был в начале дня. Так, среднее положение в утреннее время соответствовало отметке (369.7 ± 0.9)°, тогда как после трех оборотов диск остановился в положении (373.4 ± 1.1)°, что свидетельствует об отсутствии накопленного реверсивного момента.

Удивительное свойство шелковой нити объясняется её молекулярной структурой. Основу нити составляют молекулы белка фиброина, вещества механически даже более прочного, чем кевлар. Повторяющиеся аминокислотные последовательности этого белка образуют антипараллельные складчатые ß-слои, соединяющиеся между собой водородными связями. Эти связи не очень прочные и допускают при умеренных механических нагрузках относительное смещение слоев. Этим, по-видимому, и объясняется тот факт, что при медленном (обязательно медленном!) скручивании нити слои могут без деформации сдвигаться без нарушения пространственной композиции самой белковой структуры. Более того, при этом не уменьшается механическая прочность нити.

В наших первых приборах, изготовленных более 5 лет назад как наглядное пособие, нить остается целой, несмотря на то, что диски за прошедшее время сделали многие тысячи оборотов в ту и другую сторону.

Описанное свойство нити определяет главную особенность прибора: он не может измерять приложенный момент силы, как это, например, делают весы Кулона или Кавендиша. Т.е. прибор не годится для непосредственных количественных измерений. Следовательно, прибор не может быть отнесен к категории "весов". Он определяет направление вращения. В этом отношении прибор подобен флюгеру, который не определяет скорость ветра, а только указывает направление. Поэтому правильнее называть прибор "индикатором кручения", что по-английски звучит как "torsion indicator" или сокращенно TorsInd.

Рис. 4.

Вопрос метрологии прибора остается открытым. Во-первых, потому, что отсутствуют метрологические стандарты для поверок и, во-вторых, неизвестно, на какое энергетическое воздействие откликается торсинд. Однако, кое-какое представление о чувствительности прибора можно получить, изучая ускоренное вращение диска.

В некоторых случаях, когда диск прибора вращался с ускорением, удалось точно вычислить величину крутящего момента и, таким образом, получить представление о чувствительности прибора. Одно из минимальных значений было вычислено по наблюдениям 15.01.2012 (прибор WEB_1), когда в интервале от 07ч 16м UT до 08ч 27м UT диск прибора вращался с заметным угловым ускорением (рис. 4). Эти данные хорошо аппроксимируются параболой, что указывает на постоянную величину углового ускорения. По средней величине этого ускорения Aугл, которое равнялось

Aугл = 4.42 ・10⁻⁴ град/с²

и известному радиальному распределению массы в диске для данного прибора был подсчитан крутящий момент М_А:

M_A = 6.47 · 10^-12 Н·м.

Точность определения составляет около 10-15%. Но это не предельный случай. Реальная чувствительность прибора вероятно выше (т.е. значение МА ниже) поскольку в некоторых случаях заметны движения с еще более слабыми ускорениями.

Таким образом, можно считать, что чувствительность прибора находится на уровне нескольких единиц 10^-12 Н·м. Такая чувствительность приблизительно на порядок превышает чувствительность обычных крутильных весов.

формате PDF (1047Кб)