ABSTRACT: Viene descritto il prototipo ASPS (Associazione Sviluppo Propulsione Spaziale) SC23/a, che attraverso lo sfasamento baricentrale delle forze di azione e reazione, offre la possibilità di realizzare un dispositivo capace di accelerare senza espulsione di massa o energia di reazione.Da alcuni anni l'ASPS indica nella PNN (Propulsione Non Newtoniana) una alternativa in sostituzione degli enormi e costosi razzi, e una efficiente prospettiva per ridurre drasticamente i costi e i tempi della colonizzazione umana dello spazio.
Il prototipo ASPS SC23/a, è il prototipo ASPS che ha offerto soluzione sperimentalmente positiva all'ipotesi teorica di sfasare, sul baricentro del sistema, forze newtoniane di azione e reazione e di realizzare quindi spinta in una direzione.
Come la Relativita` Ristretta ha dimostrato privo di significato fisico il concetto di Tempo Assoluto di Newton, identicamente la PNN può applicare la stessa metodologia ai tempi di trasmissione sperimentali di una forza nel sistema dove essa è generata.
Come nessun segnale luminoso si trasmette in un tempo zero, così nessuna onda meccanica può mettere in moto in un tempo nullo il baricentro del sistema dove essa agisce.
Prima di realizzare SC23/a, l'ASPS ha condotto per diversi anni sperimentazione riguardo ai tempi di ritardo con cui un sistema reagisce quando e` sottoposto a una forza rapidamente variabile.
Il problema che si pone è quello di chiarire prima, a livello qualitativo,perché la non contemporaneità delle forze di azione e reazione possa produrre spostamento. Postuliamo, dunque,di avere un sistema chiuso e isolato nel quale in virtù di un opportuno dispositivo interno la forza di azione ,dopo la propagazione, si esercita sul baricentro dello stesso prima di quella di reazione, pur essendo, le forze di azione e reazione generate nello stesso istante temporale.
Per ragioni di opportunità esplicativa postuliamo pure che all'istante iniziale il sistema sia in quiete, e che l'intervallo temporale, definente lo sfasamento tra le forze di azione e reazione sia, ad esempio , di un minuto.
Ora, mentre la forza di azione si esercita sul baricentro, il sistema accelera e successivamente si muove a velocità costante, una volta che la forza di azione ha esaurito i suoi effetti.
Dopo un minuto subentra sul baricentro l'effetto della forza di reazione. Ma tale evento non riconduce il sistema nella posizione iniziale. Per la sua stessa definizione, la forza di reazione fa ritornare a zero solo la velocità del sistema , ma non lo spostamento percorso sin dall'istante iniziale.
Gli sfasamenti tra forze di azione e reazione sono stati osservati e studiati dal 1979 dall'ASPS in una situazione sperimentale dove il prototipo veniva appeso in guisa di pendolo. Se la risultante di forze interne è diversa da zero, il prototipo si inclina producendo un'angolo rispetto alla verticale.
Tutto questo apparato sperimentale ha comportato lo sviluppo di una tecnologia di rilevazione elettronica dei dati basata su sensori di prossimità , di rilevatori di velocità, di accelerometri, di rilevatori di gradienti di spinta, di generatori di jerk, etc.
Tutte le esperienze condotte dall'ASPS per oltre un decennio, sono in accordo al dato sperimentale che nessun sistema reale può cambiare la sua energia e la sua quantità di moto in un tempo nullo (1), (2), (3), (5), (9). Se una barra di acciaio rigida (foto 1),
Foto 1
alla quale sono attaccati (3) (9) due bracci ruotabili viene fatta impattare e rimbalzare su un tondino di acciaio si trova che i tempi di reazione , ovvero i tempi di contatto con il tondino di acciaio sono almeno proporzionali a 2L/V , dove L è la lunghezza geometrica del sistema rispetto alla propagazione dell'onda e V è la velocità dell'onda (4).
Foto 2
Se i bracci vengono ruotati di 90 gradi (foto 2) rispetto la direzione di impatto, si trova che il tempo di reazione è più lungo ,perché nel secondo caso l'onda nei bracci è trasversale, mentre in precedenza era longitudinale. Infatti le onde meccaniche trasversali si propagano più lentamente di quelle longitudinali.
Un sistema più evoluto nello sfasamento simultaneo delle forze di azione e reazione è quello descritto negli schemi delle Figure 1 e 2
e nelle foto 3/a e 3/b. Il sistema è costituito da due masse di peso uguale M1 e M2, reciprocamente aderenti nella zona C di fig.1 attraverso una cam circolare (sviluppata linearmente in fig.2) e molle di compressione B1 e B2 in coda.
Foto 3a
Foto 3b
La cam circolare nella zona C è collegata alla massa M1, mentre il follower è collegato alla massa M2.
Ciascuna delle masse M1 e M2 è costituita da tre tubi di alluminio T1,T2,T3 inseriti assialmente uno nell'altro (foto 4).
Foto 4
I tubi di M1 sono collegati ,attraverso opportuni dispositivi meccanici,in serie (testa-coda-testa-coda-testa-coda), mentre i tubi di M2 sono collegati in parallelo (testa-testa-testa) .
Quando il follower sale sul gradino della cam (alta 1 mm) (fig. 2) si produce per entrambe le masse una rapida variazione di accelerazione (jerk), ed esse si spostano rispettivamente in direzioni opposte della stessa quantita` (mezzo mm).La massa M2 collegata in parallelo reagisce prima di M1 alla rapida variazione di accelerazione durante la fase di jerk (1), perchè in essa le onde si propagano più rapidamente che in M1.
Sensori di rilevamento dello spostamento, posti su M1 e M2 dimostrano sperimentalmente la differenza di fase temporale nell'azione delle forze di azione e reazione sui centri di massa di M1 e M2.
Foto 5
Nella foto 5 è mostrata la traccia , memorizzata nell'oscilloscopio, dell'anticipo dello spostamento di M2 , rispetto allo spostamento di M1.
La cam usata è una semplice cam a gradino, a discontinuità di velocità assiale per lo jerk delle due masse. Il follower, composto di due cuscinetti, ruota a velocità uniforme sulla cam a gradino attraverso l'azione di un motore elettrico.
Foto 6
Nella foto 6, è mostrato il follower prima di essere montato su M2.
In conclusione attraverso questa esperienza si dimostra sperimentalmente come la variazione di quantità di moto del baricentro di due sistemi di massa uguale ma di geometria diversa (per le forze di azione e reazione) non sia temporalmente coincidente quando la forza, dopo la propagazione, accelera il sistema.
Le forze di azione e reazione pur presentando lo stesso start temporale (ingresso) sul follower e la cam , collegati ai sistemi di tubi, non concludono il lavoro di accelerazione delle due masse (uscita) nello stesso istante.Durante fenomeni di tipo non lineare (ad esempio urti o più in generale rapide variazioni di accelerazione) la forza di azione non è sempre esattamente uguale alla forza di reazione. Solo "dopo" che due masse interagenti hanno assunto i valori finali della quantità di moto ci dobbiamo aspettare che la somma delle quantità di moto finali sia uguale a quella "prima" dell'urto (6). Questi dati non sono conosciuti solo dall'ASPS, ma in generale provengono da studi fatti da tempo su sistemi meccanici soggetti a rapide variazioni di accelerazione. Sull'organo informativo dell'ASPS NOVA ASTRONAUTICA , tutte queste anomalie e discordanze con le equazioni del moto classiche sono state e sono discusse dal 1981. In generale , in tutti i sistemi fisici vibranti e non lineari, descritti in termini di combinazioni più o meno complesse dei modelli di Maxwell o di Kelvin (7) per le sollecitazioni viscoelastiche, compaiono termini proporzionali alla variazione di accelerazione.
Il problema sostanziale, per l'ASPS è stato quello di porre nella sequenza corretta l'insieme dei transitori relativi agli jerk e utilizzarli per la propulsione.
La PNN consiste euristicamente nell'equilibrare durante una parte del ciclo di forze rapidamente variabili, la forza newtoniana "ma" (m=massa, a=accelerazione) con una forza non-newtoniana mDda/dt (dove D e` la "Devianza" o più generalmente il "Critical Action Time" del sistema: cioè il tempo che tutti i sistemi reali impiegano a reagire a una sollecitazione ).
In modo qualitativo possiamo dire che mentre la forza newtoniana ha un effetto propulsivo , la forza non newtoniana è un tipo di forza che non ha ancora avuto il tempo di passare allo stadio di forza newtoniana sul baricentro.
La soluzione dell'equazione differenziale, che lega le forze newtoniane e non newtoniane offre per alcuni valori dei parametri del sistema accelerazione unidirezionale (8). Quanto detto è pienamente confermato dall'esperienza in seguito descritta e realizzata nel 1992.
Il sistema precedentemente descritto presentava due ordini di incompletezza che ora chiariremo.
Se la massa in parallelo M2 è la prima ad accelerare (salita del follower sulla cam), essa è anche la prima a decelerare quando il follower scende dal gradino della cam.
Il che significa che se il sistema offre una spinta positiva nella salita sulla cam, tale spinta è cancellata quando il follower scende dalla cam a gradino. Ed inoltre lo jerk negativo cancella tutta la variazione positiva di velocita`.
Nella cam a gradino lo jerk è una funzione impulsiva: rapidamente sale e rapidamente scende quando ha raggiunto il vertice del gradino.In pratica per sfruttare lo jerk di salita e di discesa, per la propulsione, e avere incrementi successivi di velocità è necessario realizzare un ciclo in cui si ribaltino in senso favorevole quella parte delle anomalie, che cancellano gli eventi propulsivi di altre.
Molteplici riflessioni e sperimentazioni ci hanno così condotto al seguente ciclo di fase:
Fase "1" : La massa M2 è in parallelo e M1 è in serie; jerk in salita; la forza di azione in uscita da M2, anticipa la forza di reazione , in uscita da M1.
Fase "2": Commutare al vertice dello jerk , quando la variazione di accelerazione è zero e la velocità è massima, la geometria delle due masse M1 e M2, ovvero fare in modo che M2 si disponga in serie e M1 si disponga in parallelo.
Fase "3": causare uno jerk negativo (forza rapidamente decrescente) con M2 in serie e M1 in parallelo. In questo caso la forza di azione in uscita da M2 rimane più a lungo di quella di reazione in uscita da M1, e si ha ancora un incremento di velocità.
Fase "4": Commutare nuovamente, quando lo jerk è nullo la geometria delle due masse, ovvero porre M2 in parallelo e M1 in serie.
Iniziare nuovamente il ciclo partendo dalla Fase "1".
Tutti questi problemi sono stati risolti, dopo molti e complessi tentativi, dall'ASPS , attraverso il dispositivo SC23/a.Per produrre la variazione di accelerazione a gradino su M1 e M2 è stata montata su M1 una sequenza di cam paraboliche (Jambha) , con due massimi e due minimi.
La Jambha parabolica ha la caratteristica di produrre discontinuità dell'accelerazione nei punti di flesso . Il punto di flesso è in questo caso il punto in cui si raccordano due parabole a differente concavità .
Foto 7
In pratica nella Jambha circolare realizzata dall'ASPS , foto 7, ci sono 4 parabole e quattro punti di flesso: ovvero 4 discontinuità a gradino dell'accelerazione: salita , discesa,salita, discesa. La velocità assiale di M1 (o di M2) è una funzione continua ma non derivabile: è cioè una funzione a "dente di sega".
Nella figura 3 sono illustrate le caratteristiche dinamiche delle oscillazioni del follower e della Jambha : in alto il follower percorre la superficie della cam, nel disegno intermedio la velocità di M1 o di M2, in basso le accelerazioni a gradino , e quindi discontinue, nei punti dove la velocità, a dente di sega, non è derivabile.
Foto 8
Nella foto 8 si vedono nell'oscilloscopio con memoria , le curve di velocità crescente e decrescente di M1.
La commutazione della geometria delle due masse è stata realizzata attraverso dei cunei radiali. Lungo e complesso è stato lo studio del dispositivo da utilizzare per la commutazione geometrica di SC23/a (foto 9).
Foto 9
È essenziale ricordare che i collegamenti meccanici, per il passaggio delle onde meccaniche, non sono dello stesso tipo dei collegamenti elettrici per il passaggio delle onde elettriche.
I collegamenti meccanici debbono essere realizzati con opportuni carichi e con opportuni accorgimenti (foto 10 e 11) per evitare riflessioni dell'onda stessa.
Foto 10
Foto 11
La coppia di cunei radiali C1 e C2 di figura 4, inserendosi opportunamente in determinate zone di raccordo dei tubi, di cui sono costituiti M1 e M2, fanno in modo che essi passino periodicamente dallo stato serie a parallelo.
Le masse M1 e M2 per la loro caratteristica di commutare la loro geometria, ovvero il loro tempo di reazione temporale all'azione di una forza, sono state chiamate Divisori Di Tempo : DDT M1 e DDT M2.In una rotazione della Jambha ci sono 4 jerk e 4 cambiamenti di geometria delle masse M1 e M2.
Il cambiamento di geometria avviene quando ovviamente l'accelerazione è costante e quindi lo jerk è nullo.
È essenziale per l'inserimento e il disenserimento rapido dei cunei la realizzazione di un sistema di cam radiali rispetto alla direzione di oscillazione della jambha e del follower.
In totale ci sono due cam di inserimento dei cunei e due di disenserimento. Le quattro cam relative ai cunei oltre a essere messe in fase con se stesse e con la Jambha, debbono essere costruite in modo da produrre accelerazioni e decelerazioni morbide sui cunei (onde evitare vibrazione e logorio degli stessi).
Data la complessità e la estrema precisione nel definire la curvatura delle cinque cam del prototipo, si è reso necessario, per la costruzione delle stesse l'uso costante di frese e torni a controllo numerico e la modifica delle curvature delle cam ai parametri del sistema. Naturalmente tutto è stato fatto elaborando opportuni programmi per il computer che gestiva la realizzazione dei singoli componenti.
Foto 12
Foto 13
Nella foto 12 è mostrato il follower insieme alle due cam radiali di espulsione rapida dei cunei. Nella foto 13 è mostrato il prototipo appeso al pendolo balistico.
Il follower scorre sulla jamba, attraverso l'azione di un motore elettrico esterno, la cui velocità di rotazione, comanda la frequenza e l'ampiezza dello jerk prodotto. Nella foto 14 è mostrato il rotore che racchiude le cams radiali di espulsione e inserimento dei cunei.
Foto 14
Nella figura 4 è mostrata la struttura finale di SC23/a, con il "Fixed Frame". Il "Fixed Frame", è in pratica l'involucro che avvolge e riceve gli impulsi , di tutto il sistema oscillante. Esso ha un ruolo essenziale nell'assicurare la corretta propagazione delle forze di azione e reazione , ed è costruito in modo da rispettare i parametri sperimentali che risultano determinanti per la soluzione dell'equazione differenziale che offre le soluzioni per l'accelerazione unidirezionale di tutta la configurazione sperimentale (8).
Figura 5
Nella figura 5 viene evidenziato come la differente geometria del sistema rispetto alle forze di ingresso rapidamente variabili può determinare diversi tempi di risposta ad una accelerazione variabile. Più l'accelerazione è rapidamente variabile ,più i tempi di risposta (in ordinata) differiscono. Il grafico è realizzato mandando a impattare il sistema di foto 1 e 2 (le velocità di impatto sono in ascissa del grafico di figura 5).
Da notare in figura 5 come i tempi di risposta divengono identici, quando la variazione di accelerazione tende a zero (limite classico) (10) (11) (12).
BIBLIOGRAFIA
(1) S.H.Shot, AM.J.PHIS., n.11 Vol.46 Nov.1978, pp. 1090-94.
(2) W.O.Davis, ANNALS OF THE NEW YORK ACADEMY OF SCIENCES, Vol.138, Article 2, Feb.6, 1967.
(3) E. Laureti,"Quale Fisica per il 2000", Proceedings of the International Conference, Ischia, Italy , May 29-June 1 1991 pp.368-375. Soc. Ed. Andromeda, Via S. Allende 1, 40139 Bologna.
(4) W.G.B.Britton,J.J.Fendley,M.E.Michael, Am. J. PHYS. ,n.11 Vol.46 Nov.1978, pp.1124-1130.
(5) E. Laureti,NOVA ASTRONAUTICA,n.47, Vol.11 1991, pp.19-24.
(6) La Fisica di Berkeley, pp.88 Ed. Zanichelli, 1983 Bologna.
(7) G.E.Mase, MECCANICA DEI CONTINUI, Etas Libri Spa, 1976 Milano.
(8) E.Laureti, NOVA ASTRONAUTICA, Vol.3 n.18 1983, pp.3-17
(9) P. Chiavaroli, PROGETTO ELEKTOR, n.4 1995 pp.60-70 e n.7/8, 1995, pp.74-80.
(10) E. Laureti, Programma e Sunti del Convegno Internazionale "Cartesio e la Scienza",Perugia 4-7 Settembre 1996, Dip. di Matematica Universita' ,06123 Perugia, pp.113-115.
(11) E.Laureti, PROGETTO ELEKTOR, n.1 1997 pp.48-53.
(12)Per ulteriori chiarimenti e informazioni relativamente alle attivita` dell'ASPS , informiamo che l'associazione, pubblica dal 1981 il periodico trimestrale NOVA ASTRONAUTICA. NOVA ASTRONAUTICA non e` in distribuzione nelle edicole in quanto e` riservata ai soci e agli abbonati. Per abbonamenti o iscrizioni, e` necessario rivolgersi all'ASPS.
