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

сами по себе, «бесплатно», благодаря лишь наличию движения. Уско- рение в таком движении является абсолютным для любой инерцион- ной системы отсчёта (Земля, Солнце и звёзды).

Под движением взаимодействующих тел всегда подразумевается движение «системы тел»,например системы двух соударяющихся тел, системы двух разлетающихся тел, тел Солнечной системы, в которых действуют силы. В Солнечной системе — это силы всемирного тяготе- ния, в системе соударяющихся тел — силы упругости, в системе, на- пример «пушка — снаряд», — силы давления пороховых газов.

Всякая система как минимум состоит из пары тел. Если си-

стема состоит из одного тела, то для него закон сохранения импуль- са означает, что в отсутствие сил, на него действующих, импульс тела не изменяется.Это равносильно закону инерции (скоростьтела не из- меняется).

Есть силы, действующие со стороны связей между парными те- лами, называемые силами реакции связей. Элементы тела, огра- ничивающие свободу движения другого тела, называются жёсткими связями. Жёсткие связи находятся на элементах противополож- ных качеств одного рода взаимодействующих тел. Например,

когда поршень движется в цилиндре двигателя, то жесткими связя- ми являются стенки цилиндра, которые допускают движение порш- ня только в одном направлении. Если поршень начинает двигаться

всторону,то он деформирует стенку цилиндра и при незначительных деформациях возникают очень большие силы реакции связей, кото- рые прекращают дальнейшее отклонение поршня и обеспечивают движение поршня только вдоль цилиндра. Противоположными каче- ствами одного рода у цилиндра и поршня являются внутренняя по- верхность цилиндра и внешняя цилиндрическая поверхность порш- ня, обеспечивающие жёсткую связь. Равновесие сил всегда возникает

внаправлениях, где связи не препятствуют движению, например,для поршня — вдоль цилиндра, для тела на наклонной плоскости — вдоль плоскости. Равновесие сил в других направлениях обеспечивается автоматически, так как уже при малой деформации связей появятся силы реакции, уравновешивающие приложенную силу.

Движение, которое ограничено жесткой связью, является также вращение тела вокруг жесткой оси или вращение тела закрепленно- го на оси. Например, колеса машин и механизмов могут вращаться только вокруг неподвижной оси. Вращение вокруг оси не стремится ни сдвинуть, ни изогнуть эту ось, т. е. не вызывает деформации оси, поэтому вращение вокруг оси происходит беспрепятственно. Одна- ко всякое другое движение деформирует ось, в результате чего воз- никают силы реакции связи, действующие со стороны оси на тело. Они препятствуют движению, которое приводит к деформации оси.

30

Противоположными качествами одного рода для неподвижной оси и колеса являются наружная поверхность оси и сопряжённая с ней по- верхность отверстия колеса.

Момент силы является положительным, если сила, действуя в от- дельности, вращает тело по часовой стрелке, и отрицательным —

впротивоположном направлении. Момент силы определяется как произведение величины силы на плечо.

Если нателодействуютдве равные по величине и противоположно направленные силы, не лежащие на одной прямой, то такие две со-

вместно действующие силы, называют парой сил. Момент пары сил равен M = F . L, где L — расстояние между линиями действия сил, со- ставляющих пару, называемое плечом пары сил.

Если тело закреплено на оси, то под действием на него пары сил оно приводиться во вращение вокруг этой оси.

Динамика характеризуется неуравновешенностью приложенных сил, что является причиной ускоренного движения. В противополож- ность этому есть состояние тел, которые под действием приложенных сил или других тел, остаются в покое,то есть, находятся без движения,

вусловиях равновесия сил. Статика (с греч. «равновесие») — противо- положность Динамики, и относится к покоящемуся состоянию тела (материальной точки) под действием приложенных сил (или других тел). Причина статичности тела — в уравновешенности приложенных сил.Равнодействующая уравновешивающихся сил,например двух сил, равных по величине и противоположных по направлению,равна нулю.

Статика относится к покою и приложима к условиям, где рост сил чрезвычайно медленный, а силами трения можно пренебречь.

«Золотое правило» механики (выигрыш в одном сопровождается всегдапроигрышемвдругом)вытекаетизСтатики,изусловий,гденет движения или оно есть,но медленное и равномерное безтрения.При- ближённо «золотое правило» выполняется при малых ускорениях.

Произведениемассытеланаегоскоростьназываютимпульсомтела, приращениеимпульсателаподдействиемпостояннойсилыравнопро- изведению силы на время её действия. «Внутренние силы» не изменя- ют суммарного импульса системы (закон сохранения импульса).

Во всех движущих механизмах (тепловых и электрических двига- телях) действуют силы, которые совершают работу при движении ме- ханизма. В тепловых машинах сила давления рабочего тела на пор- шень совершает работу при движении поршня; силы давления газов сгоревшего заряда пороха совершают работу при движении снаряда; силы взаимодействия электрических токов,текущих в обмотках элек- тродвигателя,совершаютработу при вращении его вала.Работа равна

произведению величины действующей силы на длину пути переме-

щения A = F .  s.

31

Давление рабочего тела образуется в результате действия мно- жества ударов (импульсов) его молекул о внутренние стенки порш- невой пары, этот результат обусловлен и массой одновременно воз- действующих на поршневую пару молекул и их скоростью. Поэтому, сила формируется и массой одновременно действующих молекул ра- бочеготела и замедлением их скорости (отрицательным ускорением). Мощность, развиваемая механизмом, равна произведению величины действующей силы на скорость (N = F . ν), в которую основную лепту вносятмасса активных молекул рабочеготела и их скоростьдвижения (или суммарный импульс). Поэтому, для увеличения мощности меха- низма надо увеличивать либо силу, развиваемую механизмом, либо скорость его движения.

При определенном материале и при заданных допустимых дефор- мациях движущихся частей механизма величина силы, с которыми эти части действуют друг на друга, тем больше, чем больше размеры движущихся частей. То есть, чем больше размеры механизма, тем большую силу способен развивать механизм. Это вытекает из того, что масса активных молекул рабочего тела равномерно распределена по внешней поверхности поршня и их масса, а значит, и сила опреде- лённо зависит от его размеров (площади): F = p . S, где p — давление рабочего тела, S — площадь поршня.

Следовательно, значение мощности механизма достигают как за счёт размеров механизма (силы), так и за счёт скорости его дви- жения (быстродействия). Поэтому тихоходные силовые механизмы имеютзначительные габариты (массы),при этом миниатюрные и бы- строходные механизмы обладают при прочих равных условиях боль- шей мощностью.

Раз движение можно представить как чередование мгновений по- коя материальнойточки при изменении её положения в пространстве относительно точки отсчёта, то для силовых расчётов механизмов выбранную точку покоя выражают в виде равновесия приложенных

кэтой точке сил.

Вбыстроходных механизмах важна прочность подвижных частей при минимальных деформациях, для них обязательна статическая идинамическаяуравновешенность(обязательнабалансировка),необ- ходимаядля исключения разрушительных резонансных явлений,воз- никающих, например, при совпадении периода действующей силы с собственным периодом колебаний опоры или вращающегося вала.

Существует динамическая устойчивость, которая противоположна по сути статичности неподвижных стоек типа свай забитых в землю, фундаментов, опор эстакад.

Свойством динамической устойчивости обладают быстро вра- щающиеся с постоянной скоростью тела типа волчка или юлы, ко-

32

торые невозможно повалить внешним воздействием — они только отскакивают в сторону (сходно со спином элементарных частиц). Ди- намической устойчивостью пользуется велосипедист, движущийся на велосипеде, так как только движущийся двух или одноколёсный велосипед не опрокидывается. Закрученный снаряд, выпущенный из пушки, устойчив в полёте и точнее движется к цели поражения.

Гироскоп (с греч.«наблюдать вращение») построен на основе волч- ка, и имеет безотносительный центр вращения ротора по отношению к Земле, что обеспечивается посредством двух пересекающихся под- вижных рамок карданного подвеса, установленных свободно на ста- нине связанной с Землёй.

Вращающийся ротор устойчиво сохраняет первоначально вы- бранное направление оси вращения независимо от перемещений самого устройства,вернее его станины при вынужденной мобильно- сти устройства. Ось ротора всегда стремится увернуться от действия внешней силы и возвратиться в первоначальное положение. Это свойство является важным техническим преимуществом и исполь- зуется в приводах обратной связи автоматического управления (ста- билизации) движением различных аппаратов (в автоматах курса и ав- топилотах).

Простейший гироскоп содержит: 1 — ротор; 2, 3 — рамки карданного подвеса; 4 — станина; АВ — ось вращения ротора; DE и GK — оси вращения рамок.

Маятник Фуко, предназначен- ный для демонстрации вращения

Земли, по существу тот же гироскоп, где всё наоборот: вращение Земли — огромного волчка, обнаруживается по смещению плоскости качания маятника. На экваторе плоскость качания остаётся непод- вижной, на полюсах Земли — будет поворачиваться на 360 градусов в сутки.

Если звено обратной связи в автоколебательных системах пред- назначено для поддержания или гашения в них колебаний, то гиро- скопы предназначены исключительно для удержания курса движения различных аппаратов в пространстве, то есть, относятся к частям от- рицательной обратной связи. Сами аппараты не относятся к автоко- лебательным системам, но они подвержены при своём движении вы- нужденным беспорядочным (негармоничным) отклонениям от курса, что устраняется посредством гироскопов, входящих в цепь обратной связи приводов управления курсом этих аппаратов.

33

При равномерном прямолинейном движении ускорение отсут- ствует, поэтому, как бы не была велика скорость этого движения, никаких разрушений в телах она вызвать не в состоянии. Напротив, в криволинейном равномерном движении действуют силы, то есть, есть ускорения (центростремительное и центробежное = ν 2/R), кото- рые вызывают упругие деформации во вращающихся телах, поэтому большие скорости могут спровоцировать их разрушение. Переход к покою или прямолинейному равномерному движению в этом слу- чае гарантируетих защиту отразрушения.Переход же к криволиней- ному равномерному движению с большой скоростью обеспечивает деформацию тела вплоть до его разрушения. Ускорение и замед- ление движения вызываются действием других тел, в них причина действия ускоряющей или замедляющей силы. Покой и прямоли- нейное равномерное движение — это формы проявления сохране- ния инерции, то есть, условия, при котором отсутствует действие других тел, отсутствуют ускорения, а значит, и действие сил. Сила пропорциональна ускорению, сообщённому ею: чем больше ускоре- ние, тем большая сила её вызывает. Отношение силы к ускорению сообщаемой ею соответствует мере инерции — массе ускоряемого тела. Чем больше масса,тем большая сила к ней прикладывается для получения одной и той же величины её ускорения. Поэтому ускоре- ние прямо пропорционально силе и обратно пропорционально мере инерции —массетела.Еслинателонедействуютсилы(илисилыдей- ствуют, но их равнодействующая равна нулю), то и ускорение равно нулю — значит, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Переходы от покоя к динамике и от динамики к покою неотъем- лемые составляющие всякого целенаправленного движения.Они обу- словлены действием на движение тел главного свойства — инерции тел, измеряемой их массой. Масса «сопротивляется» всякому изме- нению своего пространственного положения. Благодаря массе тело не может мгновенно остановиться или сдвинуться с места, что озна- чало бы бесконечно большое его ускорение и потребовало по закону Ньютона бесконечно большой силы. Как утверждал И. Ньютон, «под врождённой силой я разумею единственно силу инерции. Она неиз- менна». На преодоление сил инерции тратятся энергия, материалы (вещество) или информация, поэтому траты, пошедшие непосред- ственно на получение какой-то пользы, всегда меньше общих затрат направленных на получение этой пользы.

В статике нет сил инерции или они незначительны, а значит, трат на их преодоление нет или они минимальны, поэтому траты энергии, материалов (вещества) или информации на получение пользы всегда близки к общим.

34

Волновые явления, звуковые колебания

Способ существования материи — движение. Надо сказать это сложное, сложно колеблющееся движение. Колебания это основа сложного движения,движения от одной крайности к другой, от одной противоположности к другой, от одной высоты к другой, от одной стороны к другой. Это непрерывный процесс чередования противо- положных состояний: давления и разрежения, подъёма и опускания, деформации и восстановления. Как в мире микрочастиц действует сложное броуновское (хаотичное или тепловое) с колебаниями дви- жение, так и в макромире действует сложное колеблющее движение материальных тел, обусловленное множеством действующих на них сил. Сложны колебания у ядер атомов в узлах кристаллического тела. Планеты время от времени попадают в баллистический резонанс,

итакие взаимные возмущения учитываются при расчётах движения тел вокруг удерживающей их звезды. Вся Вселенная, звёзды, планет- ные системы, галактики взаимозависимые посредством гравитации

ивакуума совершают сложные колебательные движения, которые измеряются огромными отрезками времени. Мир существует благо- даря сложному, объединяющего все материальные тела, волновому, колеблющемуся движению — движению, которое наиболее легко осу- ществимо Природой. Мы живём, того не замечая, в грандиозной ка- кофонии (шуме) всевозможных колебаний от различных источников

ипередающих эти колебания упругих сред,и являемся одновременно её частью. Наша жизнь поддерживается сложным автоколебательным сокращением сердечной мышцы,откоторой волнами движется по со- судам кровь, транспортирующая все необходимые вещества к частям нашего тела, извлекая из них попутно отходы жизнедеятельности. Сложное движение содержит в той или иной степени периодическое

инепериодическое, гармоничное и негармоничное, свободные и вы- нужденные, затухающие и незатухающие движения, которые могут быть разложены на ряды Фурье. Входящие в него простые виды дви- жения (прямолинейное, вращательное, равномерное, ускоренное, по инерции), представленные в бесконечно малых величинах, позво- ляютописатьматематическиифизическисложноедвижение,исполь- зуя метод пренебрежения ничтожными, не влияющими на общую картину, физическими качествами. На этом основан метод физиче- ской идеализации: идеальный газ,несжимаемая жидкость,абсолютно жёсткое тело, нерастяжимая нить.

На поверхности жидкости образование волн (сложного продоль- но —поперечногодвижения) обеспечиваетсядействием силы поверх- ностного натяжения и силы тяжести (гравитации), которые стремятся выровнять поверхность жидкости. Прикосновение твёрдым предме-

35

том к поверхности жидкости приводит к её опусканию. На дно это- го углубления под действием силы тяжести устремляются частицы жидкости, образуя кольцевую деформацию. С внешней окружности углубления в его центр падают вниз частицы жидкости, непрерывно увеличивая диаметр кольца. Из центра кольцевого углубления воз- росшая масса частиц жидкости по инерции поднимается вверх, об- разуя гребень волны. Позади него возникает кольцевая впадина. Так образуется конфигурация волнового явления или распространения колебаний от одного места к другим во все стороны. В каждой точ- ке поверхности жидкости происходит деформация этой поверхности. Вогнутостьустремляетсяназадкплоскостиисменяетсявыпуклостью,

иобратно, меняется площадь поверхности и величина энергии по- верхностного натяжения. Величина поверхностного натяжения тем больше, чем больше искривлена поверхность жидкости между сосед- ними гребнями волны или короче длина между ними (выше частота колебаний). Для длинных волн (низких частот) действующей силой является сила тяжести. Между длинными и короткими волнами или крайностями, нет явной границы, всё зависит от плотности жидкости

иеё коэффициента поверхностного натяжения. У воды для коротких волн (менее 1 см) преобладают капиллярные силы, а для более длин- ных — сила тяжести.

Механическиеколебаниявупругихсредахителах(твёрдых,жидких

игазообразных),вокружениикоторыхмыживём,обусловленысвязью частиц силами упругости (силами притяжения и отталкивания), в ре- зультате чего возможен процесс передачи колебаний от одних частиц к другим. Механические колебания, чтобы распространяться, нужда- ются в упругих материальных средах. Там где заканчивается упругая среда, там и заканчивается распространение колебаний. В «пустоте» космического пространства распространение механических колеба- ний невозможно,там глубочайшая «тишина».

Деформация упругой среды в любом месте приводит к дефор- мации в соседних участках, последовательно распространяющейся во все стороны, непрерывно удаляющейся от исходного места. Этот вид передачи колебательного процесса назван волной. Распростра- нение волны это запаздывающая передача колебательного движения от исходной точки во все последующие.

Звук, который способен воспринимать орган слуха человека (от 17 герц до 20 кгц), обусловлен механическими колебаниями плот- ности воздуха, распространяющимися волнами во все стороны. Звук это волновое явление,а воздух —смесь газов и паров воды,скреплён- ных земной гравитацией, — колебательная система.

Волны на поверхности озёр, морей и океанов поднятые ветрами формируютсясилойтяжестиисилойповерхностногонатяжения.При-

36

ливы и отливы — гравитационным влиянием обращения Луны вокруг Земли. Пульсирует и Солнце. Всё шевелиться.

Колебания в земной коре, вызванные тектоническим движением литосферных плит, выходят на поверхность в виде землетрясений, часто приводящим к цунами и катастрофическим последствиям для жителей городов. Такие колебания называют сейсмическими. Сейс- мические волны (колебания почвы) записываются специальными приборами на сейсмических станциях.

В космическом вакууме могут распространяться с постоянной ско- ростью лишь электромагнитные волны и гравитационные волны (ко- торые настолько ничтожны, что для их обнаружения требуется гран- диозный источник в виде столкновения гигантских «чёрных дыр»).

Звуковые (или акустические) волны воспринимаются нашим ор- ганом слуха, электромагнитные волны (в частности свет) — органом зрения. Пороги чувствительности глаза и уха примерно равны.

Скоростьраспространенияразличныхмеханическихволннемгно- венна, а имеет определённое значение. В газе скорость меньше, чем в жидкости и твёрдых телах, например в воздухе скорость звука

≈ 337, 5 м/сек, в воде — 1435 м/сек, в стали — 4980 м/сек.

Существуют два вида упругих волн (волны, формирующиеся упру- гими противодействующими силами): поперечные (колеблющиеся перпендикулярно или поперёк направления распространения волны) и продольные (колеблющиеся вдоль направления распространения волны).

Поперечные волны это волны сдвига слоёв,смещающихся при сво- их колебаниях друг по другу без сжатий и разрежений перпендику- лярно к направлению распространения волны. Упругие поперечные волны распространяютсятолько втвёрдыхтелах,продольные распро- страняются и твёрдых телах, и в жидкостях, и газах.

Это объясняется тем, что в поперечной волне происходит сдвиг слоёв относительно друг друга, в результате чего только в твёрдых те- лах возникают противодействующие упругие силы (притяжения и от- талкивания), поддерживающие такой вид распространения волны.

В жидкостях и газах смежные слои свободно скользятдруг по другу без образования упругих противодействующих сил, поэтому распро- странение поперечных волн в них невозможно.

Скорость распространения упругих поперечных волн тем больше, чем больше жёсткость колеблющихся материальных единиц твёрдого тела и меньше его плотность.

Продольные волны это волны сжатия или деформации (изменений плотности) слоёв среды вдоль направления распространения волны, представляющие собой чередование повышенного и пониженного давлений.

37

В продольной волне участки сред последовательно испытывают сжатие (положительное движение в одну сторону) и разрежение (от- рицательное движение в противоположную сторону), меняя свой объём, что вызывает образование упругих сил (притяжения и оттал- кивания), поддерживающих распространение такой волны, поэтому продольные волны распространяются в трёх агрегатных состояниях вещества.

Во всякой среде скорость распространения волн сжатия больше волн сдвига, то есть при одном и том же периоде длина продольной волны больше поперечной (С = λ/T = λ . f). Длина волны λэто расстоя- ние, на которое распространяются колебания за один период. Кроме того, скорость упругих волн зависит от температуры и качества среды.

Волны способны к отражению от препятствий (известно такое яв- ление, как эхо).

Скорости распространения механических волн с высокой точно- стью легко измеряются по значению времени между посылкой волны и приёмом её отражения от препятствия, находящегося на известном расстоянии. По известной величине скорости волны определяется расстояние до объекта, отразившего волну. На этом принципе (на за- паздывании отражённого сигнала) основана гидроакустическая лока- ция и эхо-локация.

По разности между временами прихода короткой волны, которые замерены в двух — трёх разных точках наблюдения, можно опреде- лить (запеленговать) местонахождение источника этой волны (волно- вая пеленгация или звукометрия).

Гидролокаторы позволяют обнаруживать подводные и надво- дные суда, ультразвуковые эхолоты измеряют глубину морского дна и в определённом масштабе записывают профиль морского дна на ленте.

Распространение механической волны представляет собой после- довательную передачу движения, а значит энергии, от одного участка среды к другому. По форме это перенос кинетической и потенциаль- ной энергий частицами среды. Энергию поставляет источник меха- нической волны, поэтому её распространение это сферический поток энергии в среде,расходящийся отисточника во все стороны (ввел рус- ский физик Н. А. Умов, 1874 г). При малых размерах источника волны по сравнению с расстоянием,где эта волна наблюдается,он считается практически точечным, если посылает волну во все стороны равно- мерно. Участок сферической волны достаточно малый по сравнению с расстоянием до её источника считается практически плоским.

«Комариный писк» насекомого это излучение звуковой волны ни- чтожной мощности. Ударная же волна от взрыва бомбы способна со- вершить механическую работу разрушения.

38

Энергия, переносимая волной через единицу площади за единицу времени, или мощность, переносимая через единицу площади, назы- вают интенсивностью сферической волны (или силой звуковой вол- ны), которая убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от её источника.

Интенсивность звука прямо пропорциональна квадрату ампли- туды. При заданной частоте и амплитуде колебаний источника волн кинетическая энергия частиц среды тем больше,чем больше их масса (больше плотность среды). Потенциальная (упругая) энергия в этом случае тем больше, чем среда менее сжимаема (жёстче). Следователь- но, такой источник создаёт тем более интенсивную (мощную) волну, чем больше плотность и упругость среды (колеблющаяся пластинка, находящаяся в воде,пошлёт волну в 3,5тысяч раз более интенсивную волну,чем притаких же колебаниях в воздухе,так как плотность воды в 750 раз больше плотности воздуха).

Интенсивность звука при данной амплитуде обратно пропорцио- нальна удельному акустическому сопротивлению среды (воздуха, воды). Квадрат амплитуды звуковой волны при данной интенсивно- сти звука прямо пропорционален удельному акустическому сопро- тивлению среды. Акустическая жёсткость среды или её способность передаватьколебаниясоответствуетволновомусопротивлению,кото- рое равно произведению плотности среды на скорость распростране- ния в ней звука. Удельное акустическое или волновое сопротивление воздуха при нормальных условиях (равное 1, 225 кг/м 3 . 340, 3 м/сек = 417 Па . сек/м) гораздо меньше, чем воды (150 . 10 4 Па . сек/м), поэтому звук не проходит из воздуха в воду и из воды в воздух, и на 99, 8 % от- ражается на границе раздела этих сред.

Ограничения возможностей для расхождения волны (например, в трубе) позволяют уменьшить убывание интенсивности волны (при- менялось на судах для связи капитанского мостика с машинным от- делением). Концентрация звука при помощи рупора (мегафона) объясняется направленным излучением звука и значительным пре- вышением размеров излучателя (выходного отверстия рупора) над размерами отверстия для рта (то есть, большим отношением разме- ров излучателя к длине волны).

Интенсивность волны ослабляется и в результате поглощения её энергии средой, в которой она распространяется (энергия тратится на работу против сил вязкости среды и на рассеивание энергии стен- ками средств ограничения). Волны могут быть полностью поглощены средой (которая, например, выполнена из войлока или ваты).

Угол отражения волны от отражающей плоскости равен углу паде- ния (закон отражения).Отражение волн,например,от стенок тоннеля метро, усиливает шум в салоне вагонов, возникающий при движении

39