книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Любой механизм, в том числе и основной функциональный узел машины, состоит из одного неподвижного и одного или нескольких подвижных звеньев,являющимися материализованными противопо- ложностями по характерудвижения: подвижный и неподвижный.Эти части способны воспроизвести физическое явление, например, пере- дачу движения.

Такая пара звеньев (или материализованных противоположно- стей) соединены соответственно противоположными качества одного рода,называемыеэлементамизвеньев.Элементызвеньевпротивопо- ложны,так как располагаются друг против друга или с противополож- ных сторон относительно точки контакта и имеют противоположные формы сопряжения. Элементы одного тела, ограничивающие свободу движения другого тела, называются жёсткими связями.

Если звенья соприкасаются по линии или в точке (качество одно- го рода), то их относят к высшей кинематической паре. Если сопри- косновение осуществляется по поверхности (другое качество одного рода),то это низшая кинематическая пара.

Движение (кинематика)

Всякое движение характеризуется свойством поступательности — направленностью вперёд или назад,вверх или вниз,вправо или влево (вектором). Свойство поступательности для них является качеством одного рода. Элементарное или простое движение это поступатель- ное движение, когда любая прямая проведённая через материальную точку в любой точке траектории её движения остаются параллельной самой себе. Наиболее простым является прямолинейное движение. Противоположное ему движение уже не является поступательным движением. Им является другое простое движение — вращательное, когда материальная точка движется по окружности имеющей центр на оси вращения. Это движение относится к криволинейному движе- нию — противоположности прямолинейного движения. Данные дви- жения взаимосвязаны противоположными качествами одного рода и противоположными причинами их обращения, причём обусловле- ны колебательным характером обоих движений.

Причиной поступательного движения обязательно является вра- щательное движение, как, например, в швейной машинке: при вра- щении маховика игла совершает возвратно-поступательное (колеба- тельное) движение. И наоборот, причиной вращательного движения является поступательное движение. Например, в поршневых ма- шинах при возвратно-поступательном (колебательном) движении поршня маховик или колен — вал совершает вращательное движе- ние.

20

Шатун паровой машины давит с некоторой силой на подшипник 2 короткого плеча кривошипа и сообщаетточкам обода колеса 1 боль- шую скорость.

Технические возможноститакой связи причин,имеющих противо- положные сущности движения (поступательное и не поступательное), определяются границами поступательного движения и диаметром окружности вращения характерной материальной точки.

Технические возможности обоих движений измеряются объёмом той пользы, для производства которой они предназначены. На одно из движений тратятся энергия, материалы или информация, чтобы получить другое противоположное ему полезное движение.

Любое равномерное вращение является повторяющимсядвижени- ем: каждая точка вращающегося тела, исходя из одного положения, проходит многие другие положения, и возвращается в исходное по- ложение, и так при каждом обороте. Повторяющимися движениями вперёд — назад обладают поршни насосов и двигателя внутреннего сгорания, вверх — вниз — игла швейной машины. Повторяющее дви- жение является периодическим,если каждый циклдвижения вточно- сти воспроизводится любой другой цикл. Продолжительность одного оборота равномерного вращения называют периодом. Колеблющиеся тела и системы это приметы нашего мира обитания в условиях одно- родного гравитационного поля Земли.В мире открытого космоса сре- ди небесныхтел преобладаетпериодическое вращательноедвижение. Колебаниям подвержены сами небесные тела под действием сил вза- имного тяготения.

Рассматривая тела и устройства техники, видно, что они способ- ны совершать свободные колебательные движения (качания), если их подтолкнуть, например, качели, груз на пружине, протяжённый висячий мост, маятник. Многие тела совершают вынужденные пе- риодические движения под действием периодических внешних сил, например, раскачивание мачты на ветру или корабля на волнах, че- редование приливов и отливов,движение сит. Всё это относится к ко- лебательным системам, и они распространены в машинах и механиз- мах. Источники звука микрофон, телефон, камертон, мегафон и сам воздух также относятся к колебательным системам.

21

Кроме чисто механических колебательных систем (например, ча- сов), существуют электромеханические, электромагнитные колеба- тельные системы (Радиотехника). Простейшей колебательной систе- мой является тело ощутимой массы, подвешенное на тонкой нити, центр тяжести которого находится ниже точки подвеса, названное маятником. Он в своём движении демонстрирует взаимодействие с притяжением Земли,это система двухтел,имеющих противополож- ные качества одного рода: движение одного и относительный покой другого.

Известно,что Г. Галилей,наблюдая в Пизанском соборе за качания- ми паникадила надлинной цепи (подобный маятник естьв Исаакиев- скомсобореСанкт-Петербурга),установил,чторазмахиилиамплитуда качания уменьшалась, а период оставался постоянным (изохронизм).

Вкачестве секундомера Г. Галилей использовал собственный пульс. Период маятника при однойдлине,но различной массы груза,остаёт- ся также постоянным.

Постоянство периода качания маятника Г. Галилей предложил ис- пользовать в часах. Первые часы с маятником в качестве колебатель- ной системы построил Х. Гюйгенс (1673 г). Ход часов с маятником от- личался стабильностью и не зависел оттрения.

Умаятника есть устойчивое положение равновесия, при котором центр тяжести груза находится ниже точки подвеса на вертикали (на линии притяжения груза Землёй), проведённую через эту точку.

Вэтом положении на грузик действует только сила тяжести, направ- ленная вертикально вниз, которая уравновешена силой натяжения нити.Черезположениеравновесиямаятникпроходитсмаксимальной скоростью,в положениях наибольших отклонений скорость маятника равна нулю. График движения маятника во времени представляет со- бой развёртку гармонического (простого) колебания или синусоиду, следовательно, движение маятника является синусоидальным. Число циклов гармонического колебания за единицу времени (1 сек) назы- вается частотой. Единице частоты «цикл в секунду» дали называние «герц» (в честь Г. Герца). Частота обратно пропорциональна периоду: f = 1/T. Диапазон частот механических гармонических колебаний ши- рок от долей герца (фундаменты зданий) до миллионов мегагерц (ко- лебаний атомов внутри молекул).

Колебания одинаковых маятников могут происходить не одновре- менно,то есть начала движений могут быть сдвинуты по времени или сдвинуты по фазе движений (то есть, иметь разность фаз). Колебания пары одинаковых маятников могут отставать, опережать, быть в оди- наковой фазе (синфазно), быть в противофазе.

Математический маятник,применяемыйдля расчётов,существен- но отличается от реальных физических маятников, им он противопо-

22

ложен. В нём не учитываются масса нити, форма груза, деформация нити и груза: масса маятника сосредоточена в грузике, упругие силы в нити настолько велики, что нить практически нерастяжима.

Пренебрегая трением о воздух, в отклонённом положении сила тя- жести действует под углом к силе натяжения нити и состоит из силы по направлению нити и перпендикулярной ей силы направленной к положению равновесия. Сила натяжения нити превышает первую составную силу на величину центростремительной силы, которая за- ставляет грузик двигать по дуге. Вторая составная сила (восстанав- ливающая сила) стремится вернуть грузик в положение равновесия, своим возникновением она обязана силе тяжести. Чем больше от- клонение маятника, тем больше восстанавливающая сила. В положе- нии равновесия эта сила обращается в нуль, и маятник проходит его поинерциивдругуюсторону.Приотклонениимаятникавдругуюсто- рону восстанавливающая сила растёт и направлена в противополож- ную сторону. Замедляя движение маятника, восстанавливающая сила достигаетмаксимального значения и на мгновение его останавливает (скорость обращается в нуль),затем начинается ускоренное движение грузика в обратную сторону.

Восстанавливающая сила возникает и при деформации твёрдых тел, упругие силы деформации вызывают колебания. Простейшим устройством является пружинный маятник: грузик, подвешенный на пружине.

Упругие колебания совершают камертон, натянутая струна, мост, высотное здание.

В моменты наибольшего поднятия грузика над положением рав- новесия его потенциальная энергия максимальна, в моменты про- хождения грузика через положение равновесия его потенциальная энергия минимальна, а скорость и кинетическая энергия максималь- ны. Полная энергия (сумма потенциальной и кинетической энергий) при этом остаётся постоянной (закон сохранения энергии), она равна энергии, которую сообщили маятнику при пуске (это или начальное отклонение или начальный толчок).

Для упругих колебаний потенциальная энергия является энерги- ей деформации упругого тела, а не потенциальная энергия силы тя- жести, переходы потенциальной и кинетической энергий происхо- дят так же. В сферическом жёлобе или чаше с качающимся шариком натяжение нити нет.Роль силы натяжения нити выполняетдавление шарика о стенки жёлоба или чаши, действие силы тяжести остаётся таким же.

Плоский и конический маятники одинаковых размеров имеют одинаковые периоды качания и обращения: любая плоскость качания равна любой другой проходящей через ось окружности обращения.

23

Период обращения конического маятника T = 2πr/v, восстанавли- вающая сила плоского маятника равна — r . mg/L, а конусного — цен- тростремительной силе mv 2/r. Период у них один, значит, эти силы равны: r . mg/L = mv 2/r,отсюда скорость обращения конусного маятни- ка v = r . √g/L, тогда T = 2π . √L/g. Восстанавливающая сила, зависящая от ускорения силы тяжести, и центростремительная сила вращения, зависящая от скорости вращения, разные по природе силы, но связа- ны равенством, благодаря одинаковому периоду движения.

Период математического маятника зависит только от ускорения силы тяжести и длины нити подвеса от точки подвеса до центра тя- жести груза. Период не зависит от пути движения грузика: в плоско- сти по дуге или по окружности основания конуса. При постоянной длине маятника и определённом периоде колебаний вычисляется ускорение силы тяжести: g = (2π) 2 . L/T 2 {для конусного маятника g = (v/r) 2 . L}, что пригодно для определения аномалий плотности земной коры и обнаружения залегания полезных ископаемых (гравиметрия).

Упругие колебания грузика на пружине являются гармонически- ми, период выражается формулой подобной математическому ма- ятнику: T = 2π . √m/s, где m — масса колеблющегося тела, s — коэффи- циент жёсткости пружины (величина силы при растяжении пружины на 1 см).Увеличение массы упругой колебательной системы приводит к увеличению периода (замедлению колебаний), а увеличение жёст- кости пружины (уменьшение упругости) — к уменьшению периода (ускорению колебаний).

Упругими колебаниями являются и крутильные колебания: враще- ниетела на упругой нити или спиральной пружинетуда и обратно во- круг оси, проходящей через его центр тяжести. Закручивание упругой нити или спиральной пружины приводит к образованию потенциаль- ной энергии деформации, которая затем переходит в кинетическую энергию. Крутильный маятник или балансир (колёсико, к оси которо-

24

го прикреплена спиральная пружина «волосок») применяется в руч- ных механических часах. Период крутильных колебаний тем больше, чем меньше жёсткость упругого элемента и больше масса грузика.

Для распределённой относительно оси одинаковых масс грузов (типа гантели) период при малых угловых амплитудах определяется подобным выражением: T = 2π.√J/D, где J — момент инерции, равный 2mr 2 (где m —масса грузов,а r —расстояние каждого груза до оси вра- щения), D — коэффициент крутильной жёсткости упругого элемента (равный величине момента закручивания упругого элемента на угол 1 радиан).

Любая колебательная система имеет собственную вещественную основу, и находиться в определённой среде, представляющейся собой колебательную систему (в космосе физический вакуум не является такой средой, потому там глубокая тишина). В результате, запас ко- лебательной энергии постепенно тратится на приведение в движение внутренних и внешних материальных частиц, исходно находящихся

впокое. Силы сопротивления или трения противодействуют колеба- тельному процессу, и он с течением времени затухает, то есть стано- витсянегармоничнымиапериодическим.Такимисиламипользуются, чтобы предотвратитьили затормозитьнежела- тельные колебания.

Например, в системе демпфирования коле- баний стрелки электроизмерительных прибо- ров используются токи Фуко (вихревые токи), возникающие при движении неферромаг- нитного подвижного элемента стрелки между полюсами магнита. Тормозящая сила, созда- ваемая вихревыми токами, гасит колебания стрелки.

Свободные от сопротивлений колебания системы являются её соб- ственнымиколебаниями.Этоколебания,совершаемыеколебательной системой, которая выведена из состояния равновесия и предоставле- на самой себе до исчерпания запаса энергии. Вынужденные колеба- ния,вотличиеотсобственныхсвободныхколебаний,поддерживаются

вколебательнойсистемепериодическименяющейся(гармонической) силой (от другой действующей колебательной системы), и не затуха- ют, пока действует эта сила. Период вынужденных колебаний равен периоду действующей силы.

Автоколебания не требуют периодического воздействия извне, и поддерживаются внешним источником энергии. Например, скри- пичная струна колеблется при равномерном движении по ней смыч- ка,колебания маятника в механических часах поддерживается за счёт упругой энергии заведённой пружины или потенциальной энергии

25

поднятого груза. Устройства, которые сами поддерживают собствен- ные колебания, причём автоматически, называют автоколебательны- ми системами.

Простейшие автоколебательные системы (например, часы) содер- жат колебательную систему (маятник), усилитель колебаний (подня- тый груз) и звено обратной связи (ходовое колесо и анкер).

Звенообратнойсвязимеханизмачасов:1 —хо- довое колесо; 2 — анкер.

Расход и поступление энергии автоматически

уравновешиваются, становясь сбалансированы.

Звеном обратной связи является цепь, используемая для управления (регули- рования) процесса колебания, например,

впаровой машине Уатта обратную связь осуществляет золотниковый механизм, который приводится в действие поршнем машины и благодаря ему он же управляет его движением автоматически (то есть,без участия человека). Обратная связь (обрат- ная подача) важнейшее приспособление

вавтоматическом управлении и регулиро-

вании (Теория машин —автоматов,Теория автоматического управле- ния). Положительная обратная связь способствует росту отклонений колебательной системы, отрицательная — противодействует, гасит её отклонения (например, в движениях столов и суппортов металлоре- жущих станков).

Колебательные системы под действием периодической силы теря- ют возможность для проявления собственных колебаний, и подчиня- ется только этой силе в большей или меньшей степени. При совпа- дении периода собственных колебаний системы с периодом внешней силы приводит к раскачке колебательной системы и установлению максимального значения амплитуды вынужденных колебаний.

Это явление получило название резонанса (с лат. «откликаюсь»). Сила, вызвавшая наибольший отклик колебательной системы, назы- вают резонансной, а систему — настроенной на резонанс. Резонанс в одних явлениях полезен, а в других явно негативен (часто разруши- телен), например, двигаясь по навесному мосту, можно своей часто- той шагов попасть в резонанс с собственной частотой колебаний мо- ста и человека на нём. Это приводит к большой амплитуде колебаний моста препятствующей передвижению по нему.

26

Визобретении а. с. 244690 предложен «Способ определения линей- ного веса движущейся нити» в процессе производства по всей длине. Известно, что частота собственных (а, значит, резонансных) колеба- ний нити соответствует средней массе нити на единицу длины, ко- торая пропорциональна толщине нити. Противоположное значение этой формулировки физического явления соответствует сути причи- ны технической ограниченности прежнего способа измерения.

Визмерительной установке в качестве задатчика частоты колеба- ний опоры,на которойдвижется нить,используется измерительрезо- нансных колебаний нити, и линейный вес нити определяется по ча- стоте колебаний на выходе измерителя.

Схема установки измерения содержит: 1 — индикатор колебаний нити; 2 — вибратор (электроакустический преобразователь); 3 — измеритель резонансных колебаний нити; 4 — самовозбуждающийся генератор колебаний; 5 — блок питания.

В изобретении а. с. 317797 предложен «Способ предварительно- го ослабления угольного пласта». Эффективность ослабления пласта достигается тем, что в нишах угольного пласта по схеме друг против друга устанавливаются механические вибраторы. Пласту с помощью вибраторов сообщают встречные колебания, настроенные в резонанс с собственными колебаниями обрабатываемого массива. В результа- те, в пласте возникают зоны напряжений, вокруг микротрещин об- разуются множество трещин, трещины раскрываются, снижается сцепление между частями пласта, чему способствует анизотропия (неоднородность) пласта, наличие плоскостей скольжения и внутрен- них напряжений. На пласт, предварительно приведённый в возбуж- дённое состояние, воздействуют направленными импульсами с ча- стотой собственных колебаний массива, вводя его в резонанс и, тем самым, ослабляя его прочность. Противоположная формулировка яв- ления резонанса соответствует сути причины отсутствия техническо-

27

го преимущества у прежнего способа предварительного ослабления угольного пласта.

В свободной колебательной системе (например, находящейся

ввоздушной среде) резонансные явления точны и резко выражены (острый резонанс), в задемпфированной системе (например, в во- дной среде) — резонансные явления не отчётливы и слабые (тупой резонанс).

Врезонанс колебательная система может входить и под действи- ем периодической негармонической (то есть, сложной) силы, которая

спомощью преобразования Ж. Б. Фурье может быть преобразована

ввиде суммы гармонических колебаний действующих с разными частотами по синусоидальному закону кратными наиболее низкой (основной) частоте (основному тону или первой гармонике). Ряд ко- лебаний, кроме основного, называют высшими гармониками или обертонами, имеющие различные амплитуды и фазы. В резонанс колебательная система входит при совпадении собственной частоты

счастотой одной из гармонических колебаний, входящих в состав действующей негармонической силы. Частоты и амплитуды гармо- ник, входящих в состав сложного (негармонического) колебания, на- зывают гармоническим спектром этого колебания.

Вотличие от движущегося тела покоящееся тело, принадлежащее точке отсчёта, движется вместе с ней и, тем самым, обладает необхо- димой и бесплатной энергией для того, чтобы к такому телу можно было приложить и потратить силы, энергию для получения движения относительно точки отсчёта. Такая точка отсчёта всегда есть в опор- ном мире, то есть, мире небесных тел, в мире, имеющем гравитаци- онное поле. В безопорном мире, где нет гравитации, нет покоя, а есть только движение, на создание опоры, как точки отсчёта или покоя, наоборот,тратятся силы, энергия, материалы.

На Земле для земной техники такой опорой и точкой отсчёта явля- ется сама Земля. Во всех объектах земной техники активно использу- ются опорные качества Земли, в частности, её основных сред: грунт, воздух, вода, находящиеся в разных агрегатных состояниях.

Они по существу бесплатный и практически неисчерпаемый, по- стоянно возобновляемый Природой, ресурс.

Динамика и Статика (покой)

Динамика(сгреч.«сила»)относитсякдвижениютел(материальной точки) под действием приложенных сил, к движению, которое имеет причину —действие сил.Под силами понимается контактное или бес- контактное действие тел друг на друга, вызывающее у одного из них ускорение, у другого торможение.Ускорение может быть как положи-

28

тельным, так и отрицательным. Если мгновенная скорость движуще- госятела растет,тодвижение называютускоренным,если мгновенная скорость уменьшается,то движение называют замедленным.

Это вид неуравновешенного, ускоренного движения тела (мате- риальной точки). Для прямолинейного движения, например, условно считают скорость положительной или отрицательной, в зависимости от направления движения — по ходу движения или против него.

Действия тел друг на друга создают ускорения пропорциональные действующим силам («внутренним» силам). На тела могут действо- вать и силы, не относящиеся к «внутренним» — т. н. «внешние» силы, например,на соударяющиеся бильярдные шарыдействуютсилатяже- сти и сила упругости стола, которыми обычно пренебрегают.

Все движения соприкасающихся друг с другом тел осуществляют- ся с некоторой величиной и видом трения, представляющим собой фрикционную связь между телами. Трение играет противодействую- щую роль в движении с ускорением. Оно позволяет приложить силы кточкеопоры(стойке)дляполученияускоренияилиторможениятела, атак жедля создания реакцииточки опоры надействие приложенных сил, чем характеризуется принцип взаимодействия (в отличие от от- сутствия взаимодействия). Закон равенства действия и противодей- ствия (действия и реакции) состоит в том,что если одно тело действу- ет на другое с некоторой силой, то второе тело действует на первое с равной по величине и противоположной по направлению силой (третий закон Ньютона). Ускорения, получаемые, например пушкой и снарядом, направлены противоположно, но по величине обратно пропорциональны массам этих тел.

Всякое покоящееся тело обладает инертностью покоя и трением покоя и, чтобы его сдвинуть с места, нужно к нему приложить уси- лия, силы, а, значит, энергию, потратить материалы, вещество или информацию. Сила, которая возникает, когда тело ещё не движется (не скользит по поверхности), называется силой трения покоя. Сила трения скольжения может быть меньше, чем сила трения покоя. Ра- бота против сил трения не исчезает бесследно. Движение тел при на- личии трения ведет к их нагреванию.

Земля в этом смысле гигантское покоящееся тело, которое невоз- можно сдвинуть с места (да и нет у него такого места) никакой тратой энергии, материалов или информации. Это прочная опора (стойка) для функционирования земной техники, которая бесплатна и исклю- чает множество проблем,которые есть в безопорном мире —в космо- се. Движение тела с ускорением сопровождается ростом сил сопро- тивления сред, возникающих от трения об эти среды (газ, жидкость, твердь земная). «Движущие» силы всегда требуют затрат усилий, ма- териалов или информации,тогда как силы сопротивления возникают

29