背景
1765年,英国钟表匠詹姆斯·考克斯发明了一种时钟,其唯一的能量来源是大气压的波动。考克斯的时钟使用了两个装有水银的容器。大气压的变化导致水银在容器之间移动,两个容器相对运动。这种运动作为实际时钟的能量来源。
我们对该装置进行分析。在整个分析中,我们假设:
- 地球的重力场 $\vec{g} = -g\vec{u_{z}}$ 是均匀的,其中 $g = 9.8 \, \mathrm{m} \cdot \mathrm{s}^{-2}$,$\vec{u_{z}}$ 是单位向量;
- 所有液体都是不可压缩的,其密度记为 $\rho$;
- 不考虑表面张力效应;
- 忽略大气压随高度的变化;
- 周围温度 $T_{\mathrm{a}}$ 是均匀的,所有变换都是等温的。
B 部分 - 两段式气压管
(本部分为 C 部分分析提供背景)
C 部分 - 考克斯的计时装置
考克斯开发的真实机制是复杂的。我们研究以下描述的简化版本:
- 一个圆柱形的底部水槽,包含水银浴;
- 一个与 B 部分研究的相同的两段式气压管,仍然完全排空空气,浸入水银浴中;
- 水槽和两段式管分别由一根缆绳悬挂。两根缆绳(假设为不可伸缩且质量可忽略)通过一个理想滑轮系统,最终连接到同一质量 $M$ 的两侧,该质量可以在水平表面上滑动;
- 系统中包含的液态水银总体积为 $V_{\ell} = 5 \, \mathrm{L}$。
每个部分的高度、横截面和质量在表 2 中给出。质量 $M$ 的位置由其质心坐标 $x$ 表示。我们考虑水平支撑面和质量 $M$ 之间的固体摩擦,不区分静摩擦系数和动摩擦系数;滑动时该力的大小记为 $F_{\mathrm{s}}$。
两个挡块限制质量 $M$ 的位移,使得 $-X \leq x \leq X$(其中 $X > 0$)。假设 $X$ 的值保证:
- 两段式管的底部永远不会触碰到水槽的底部,也不会脱离液体浴;
- 水银柱的高度 $z_{\ell}$ 始终位于上部球泡中。
| 参考编号 | 名称 | 高度 | 横截面积 | 空质量 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 水槽 | $H_{\mathrm{c}} = 30 \, \mathrm{cm}$ | $S_{\mathrm{c}} = 210 \, \mathrm{cm}^{2}$ | $m_{\mathrm{c}}$ |
| 2 | 气压管的管状部分 | $H_{\mathrm{t}} = 80 \, \mathrm{cm}$ | $S_{\mathrm{t}} = 5 \, \mathrm{cm}^{2}$ | 气压管总质量:$m_{\mathrm{tb}}$ |
| 2' | 气压管的球泡 | $H_{\mathrm{b}} = 20 \, \mathrm{cm}$ | $S_{\mathrm{b}} = 200 \, \mathrm{cm}^{2}$ |
系统与大气接触演化,大气压以振幅 $A = 5 \times 10^{2} \, \mathrm{Pa}$ 和周期 $\tau_{1} = 1$ 周波动。在起始时刻 $t = 0$,质量 $M$ 静止在 $x = 0$ 处,两根缆绳施加在质量 $M$ 两侧的张力平衡,此时 $P_{1}(0) = 0$。我们定义
$$\xi = \frac{S_{\mathrm{b}} + S_{\mathrm{c}} - S_{\mathrm{t}}}{S_{\mathrm{b}} S_{\mathrm{c}}} \frac{F_{\mathrm{s}}}{A} \simeq \frac{S_{\mathrm{b}} + S_{\mathrm{c}}}{S_{\mathrm{b}} S_{\mathrm{c}}} \frac{F_{\mathrm{s}}}{A} \qquad (3)$$
其中最后一个表达式使用了 $S_{\mathrm{t}} \ll S_{\mathrm{b}}, S_{\mathrm{c}}$(我们假设这在整个问题结束前都有效)。
仅对于问题 (C.2),假设质量 $M$ 暂时被阻挡在 $x = X$ 处。
当 $\xi < \xi^{\star}$ 时,从 $x = 0$ 和 $P_{1} = 0$ 重新开始,对于 $t \geq 0$ 可以观察到两种不同的行为。为了区分它们,我们需要引入另一个参数
$$\lambda = \frac{2 (S_{\mathrm{b}} - S_{\mathrm{t}})}{S_{\mathrm{b}}} \frac{\rho g X}{A} \simeq \frac{2 \rho g X}{A} \qquad (4)$$
在真实的考克斯计时装置中,机制提供的能量通过棘轮系统储存并用于提升配重,就像传统时钟一样。在这里研究的简化模型中,时钟回收的能量对应于水平表面对质量 $M$ 施加的摩擦力耗散的能量。从现在开始,我们假设系统的尺寸设计为在允许时钟回收能量的状态下工作。我们还假设建立了稳定状态。我们用 $W$ 表示在一个周期 $\tau_{1}$ 内由固体摩擦力耗散的能量,它可以仅用 $F_{\mathrm{s}}$ 和 $X$ 表示。
在其他条件相同的情况下,可以调整 $F_{\mathrm{s}}$ 和 $X$ 以最大化能量 $W$;我们用 $F_{\mathrm{s}}^{\star}$ 和 $X^{\star}$ 表示它们在最优情况下的各自值。