Можно ли верить вычислениям в САПР?

Вот расчёт полностью замкнутого (экранированного) коаксиального электромагнитного резонатора в САПР CST studio. Режим симуляции tetrahedral eigenmode solutions.
R1 = 60 мм
R2 = 28 мм
L1 = 200 мм
L2 = 158 мм
U =  50 кВ
F = 700МГц
Я экспоритровал из САПР таблицу выходных данных и в сторонней программе просуммировал силы на всех участках поверхности резонатора. Получилась сила безопорной тяги направленая влево на рисунке
F = 3.390814 Ньютон
что сложно списать на погрешности вычислений.
Продольная компонента силы давления излучения:
F =     3.390299 Н
Левая заглушка (в форме шайбы)            F =     5.719692 Н
Средняя заглушка            F =     -3.001812 Н
Правая заглушка            F =     0.675733 Н
Цилиндрические поверхности    F =      -0.001598 Н

#69065 givigudze :

Касательно волноводов — ANSYS, Microwave Office.  И не парься.  Вообще нормально в разных программах одно и то же сделать и проверить.

Проверялось в CST studio и ANSYS, результат одинаковый. Давление в замкнутой системе действует несимметрично, существенно нарушая закон сохранеия импульса и третий закон Ньютона. Действие не равно противодействию.

Максимальная сила давит влево на левую заглушку коаксиальной линии (в форме шайбы).

До правой заглушки излучение практически не доходит через запредельный волновод и давление на заглушку небольшое отрицательное, то есть, сила направлена опять же, влево.

Небольшое отрицательное давление действует на торец центральной части коаксиальной линии. Эта силя тянет вправо, но не компенсирует силу, направленную влево. Получается эффективный безопорный движитель.

На резонансной частоте расход энергии небольшой, несмотря на большие токи и напряжения. В случае сверхпроводящих стенок потерь энергии вообще нет.

По давлению. Не грешно высичслить ручками давление электромагнитного излучения. Вроде в учебнике 11 класса есть методика расчета.

Я не нашёл расчётов сил вручную, аналитическими методами, для несимметричных электтормагнитных систем.

В учебнике Фейнмана приводится простейшая задача взаимного несимметричного движения двух зарядов, но решение не приведено.

Но в словесных рассуждениях Фейнман уверяет, что импульс должен сохраняться за счёт вектора Пойнтинга. Но этот вектор обнулится при равномерном прямолинейном движении зарядов.

На практике в лабараториях никто с киловаттами в волноводах не работает. Хотя волноводы конечно же используют для передачи больших энергий, просто в эти моменты там нет людей — слишком быстро умирают от излучения. 

Если не залезать внутрь волновода, облучения практически нет. В кухонной СВЧ печи тоже киловатты, но никто пока от них не облучился.

Ну и никто не держит волновод в руках, что бы оценить силу давления излучения.

В космических аппарата даже небольшая сила может нарушить орбиту.

Ну солнышко когда светит в колбу на алюминиевый лепесток — там сила ну 0,02 Н .   Так что твои 3 Н — это вполне реально — если так на пальцах.  

Проблема не в самих силах, а в их нескомпенсированности в замкнутой системе. Суммарная сила не равна нулю.

#69080 givigudze :

Нарисуйте картинку волновода, где у него вибратор, который излучает,  и куда получились силы . 

При решении задач с объёмными резонаторами в САПР не требуется указывать расположение вибратора. Если нет омических потерь, стоячие волны не требуют подпитку от вибратора. В реальном устройстве вибратор можно расположить в разных местах. В нашем случае можно изолировать внутреннюю трубу от левой заглушки и подключить к ней источник переменного напряжения.

На рисунке показан вид коаксиального резонатора в продольном разрезе.

Силы, действующие на цилиндрические поверхности радиальны и их сумма близка к нулю.

На левую заглушку (в форме шайбы) давит наибольшая сила, направленная влево  F1
На среднюю заглушку действует небольшая отрицательная сила, направленная вправо  F2
На правую заглушку действует очень маленькая отрицательная сила, направленная влево  F3

Сумма сил F=F1+F2+F3 не равна нулю, как того требует третий закон Ньютона и составляет около 3 Н при напряжении 50 кВ.
 

Учебник Мякишева 11  класс. Там есть расчет давления света.

В САПР вычисления делаются по формулам Максвелла и Лоренца, поэтому давление на некоторые поверхности получается отрицательным.

В учебнике Мякишева для 11 класса приводится расчёт на основе импульсов фотонов. Он даёт только положительное давление, поэтому результат получится ещё хуже. Сила F2 окажется направлена влево, увеличив аномальную «безопорную» силу тяги.

Сила F3 пренебрежима мала, поскольку излучение практически не проходит через запредельный волновод. Куда при этом девается продольный импульс фотонов, непонятно.

Получается, современная физика не позволяет однозначно решать подобные задачи?

#69119 givigudze :

Я не знаток физики.  Мне кажется нужно такую систему с излучателем рассматривать.

Если в резонаторе нет потерь, колебания можно однократно запустить коротким импульсом и давление излучения будет постоянным.

Навряд ли Ansys в таких задачах ошибается. В нем всё-таки всякие электромоторы и трансформаторы рассчитывают, и паразитные вибрации в них. 

Там длина волны много больше рамеров системы и аномальная сила исчезающе мала.

Можно на форуме Ansys спросить, там люди грамотные подскажут.

Сама САПР не выдаёт полную силу для всей системы, только таблицу сил, действующих на отдельные микро участки.

Суммировать силы приходится в сторонних программах и разработчики САПР могут не принять претензий. Они просто заложили в модель формулы Максвелла и Лоренца. Возможно, проблема в них. На это обратил внимание Фенман в своём курсе лекций

ФЕЙНМАНОВСКИЕ ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ    6. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

стр.267:

http://www.t-z-n.ru/archives/tom6.pdf

Но расчётов не привёл и в словесных рассуждениях уверяет, что импульс должен сохраняться за счёт излучения (стр 300):

Но в такой ситуации изменяется и импульс поля.
                Если вы рассмотрите величину импульса, задаваемую вектором Пойнтинга, то она оказывается непостоянной.
                Однако изменение импульса частицы в точности компенсируется импульсом поля, так что полный импульс частиц и поля все же сохраняется.
   

Но если заряды движутся равномерно и прямолинейно, то не производят излучение.

#69154 givigudze :

Ну Вы согласны, что если излучатель излучает волны, то на него будет сила в обратную сторону от направления излучения. А пластинка которая воспримет излучение будет испытывать силу направленную по направлению излучения ?

Проблема в том, что до противоположной заглушки излучение практически не доходит, поскольку волновод является запредельным для данной длины волны.

Судя по вектору Пойнтинга, энергия излучения возвращается к излучателю, тем самым, оказывая на него дополнительное давление.

Куда исчезает продольный импульс излучения непонятно, ибо давление на боковые цилиндрические стенки строго радиально. Сила Лоренца/Ампера не имеет продольной компоненты.

#69168 givigudze :

Давайте сначала простой случай разберём. Направленный излучатель без опоры в вакууме и металлическая пластина.

На излучатель будет действовать сила отдачи. Противоположная по направлению сила будет действовать на пластину, если на неё направлен излучатель. Эта сила может превышать силу отдачи излучателя, поскольку пластина будет излучать отражённую волну.

Если всю конструкцию экранировать, то сумма всех сил должна быть равна нулю, согласно закону сохранения импульса.

Но когда я моделировал подобные конструкции в САПР CST Studio и ANSYS, то сила отличатся от нуля в асссиметричных резонаторах.

В частности, при геометрии усечённого конуса, как у EMdrive

Направление и величина силы зависят от параметров и можно добиться почти обнуления. Большая сила получается у коаксиального резонатора:

#69172 givigudze :

как у пластины сила может быть больше чем у излучателя.

Если пластина поглощает излучение, она уравновесит силу отдачи излучателя. При отражении, импульс излучения инвертируется и сила удваивается. По Вашему, передающая антенна с рефлектором не получит отдачи? Сила, действующая на облучатель, полностью уравновесится силами на металлическую пластину рефлектора?

Попробуйте смоделировать прямоугольный волновод.

Прямоугольные волноводы тоже бывают запредельными и излучение пропадёт, не дойдя до заглушки. На что оно будет давить? Или в прямоугольном волноводе излучение может давить на стенки продольно, а не под прямым углом?

Может быть да действительно есть особенности расчета разных тел, да возможно есть ошибка в расчетах.

Или ошибка в уравнениях Максвелла/Лорнеца? Или закон сохранения импульса не распространяется на электромагнитные явления?

Ну по опыту в Ansys там чего только не моделировали.

Может быть, никого не интересовали возникающие силы. Но в космических аппаратах их нужно учитывать. Да и в наземных, периодически изменяющаяся сила при модуляции мощного сигнала может ввести конструкцию в механический резонанс.

#69188 givigudze :

Когда наша металлическая деталь излучила она получила импульс от этого излучения. Если излечение одинаковое во все стороны, то импулса не будет от излучения.  Будет только импульс от принятия излучения.

В антеннах с рефлектором излучение не одинаковое во все стороны. По Вашему, у неё не будет отдачи? Силу, действующую на облучатель, полностью уравновесит сила, действующая на отражатель?

По вопросам волноводов.  Стенки волновода  получают импульс от проходящего в них излучения.  Нужно понимать что волны в волноводе идут пакетами и направление E и H там получается и вдоль оси волновода и поперек.

Сила Лоренца/Ампера поперечна к движению заряда, а значит может давить на металл только перпендикулярно к его поверхности.

В САПР это видно по векторам сил в резонаторе.

Просто смоделируйте прямоугольные волноводы — так Вы  обойдете ошибку вычисления  цилиндрических функций.  Прямоугольные волноводы гораздо легче и точнее расчитываются.ъ

САПР решает задачу не аналитическими методами, а сеточными. Декартово пространство разбивается на микрообъёмы и для каждого решается система уравнений Максвелла. Цилиндрическая система координат не используется. Да и не может ошибка из за этого быть столь большой. Выбор способа разбиения почти не влияет на результат.

Расчеты ведутся по методике Оливера Хевисайда и группы физиков и математеков работавших с ним. По самим уравнениям Максвелла Вы ничего не посчитаете. 

Если у Маквелла нет ошибок, значит их допустил Хевисайд? Ведь именно его вариант используется в САПР.

Начните с начала. Есть программа MMana

Чем она лучше CST Studio или ANSYS? Вы пробовали сверять результаты их расчётов и получили большие расхождения?