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

Простые машины это не один предмет, например, рычаг или блок, это всегда пара взаимосвязанных простых предметов, образующих механизм.

Рычаг без опоры ничего не значит, это просто стержень (палка). Не случайно Архимеду приписывается утверждение: «Дайте мне точ- ку опоры — и я переверну Землю».

Блок без неподвижной консоли, к которой он крепиться, и гибкой связи просто колесо.Вторую важную часть«простой машины» обычно опускают,её подразумевают,как само собой разумеющееся,что явля- ется недопустимым упрощением.

Механизм это всегда сочетание пары элементарных, простых ча- стей (тел, элементов, звеньев), имеющих функционально противопо- ложные степени свободы, стыковочные элементы и противополож- ные, одного рода качества.

В книге «Механопротогония» (Петрозаводск: Verso, 2012. — 348 с.: ил. — ISBN 978-5-91997-068-2) подробно рассмотрена такая основа строения машин и механизмов.

Простым механизмом механической передачи является зубча- тая передача, состоящая из двух зубчатых колёс (или зубчатого ко- леса и зубчатой рейки) по передаче мощности вращением, которые на общей опоре образуют вращательную (или поступательную) зуб- чатую пару зацепления. Механическая передача служит для передачи вращательного движения и преобразования механической энергии от двигателя до исполнительного орудия, как правило, с изменением характера движения (изменения направления, сил, моментов и ско- ростей). С помощью зубчатой пары зацепления осуществляется пере- дача вращательногодвижения между валами,преобразование враща- тельного движения в поступательное (и наоборот: поступательного во вращательное — для реечной передачи) и функция механического редуктора. Некоторые простые зубчатые пары зацепления показаны ниже.

50

Механический редуктор (с лат. «уменьшать») — это механизм по передаче мощности вращением и снижению усилия, необходимого для привода исполнительного ору- дия,преобразующего передаваемую мощность в полезную работу. Про- стейшим механическим редуктором (или передаточным механизмом) является пара цилиндрических ше- стерён размещённых на опорах вра-

щения в корпусе, из которых ведущая шестерня меньшего размера, а ведомая — большего.

Примером простого механизма, сходным с клином по принципу действия, является пара винт — гайка. Винт и гайка имеют винтовую резьбу с противоположными качествами одного рода — винт наруж- ную, гайка — внутреннюю. При вращении винта гайка перемещается вдоль него.

Угол клина (или угол развёртки резьбы винта) определяется шагом винта h и его диаметром.

Винты с острым клином имеют малый шаг резьбы и значительный диаметр. Такие винты применяются в устройствах домкра- тов — приспособлениях для подъема тяже- стей.

Для подъёма тяжестей используется также древнее механическое приспособление — полиспаст (с греч. «многотяг»).

Полиспастами называют систему, образуемую подвижными

инеподвижными блоками шкивов, которые соединяются между со- бой канатной,тросовой (реже цепной) связью.

Всиловом (или прямом) полиспасте груз подвешивается к подвиж- ной обойме шкивов, а тяговое усилие прикладывается к ветви троса (каната),сбегающей с последнего из последовательно огибаемых тро- сом (канатом) блоков.

Принцип действия абсолютно любого полиспаста в целом схож

сработой рычага: выигрывается в силе во столько раз, во сколько раз проигрывается в длине.

Различие заключается в том, что роль жёсткого рычага играет гиб- кий трос или канат, длина которого может быть значительно больше длины рычага. Поэтому выигрыш в силе у полиспаста многократный

иравен количеству ветвей троса, на которые распределяется вес под- вешенного груза (число ветвей называют кратностью полиспаста).

51

Для степенного (потенциального) полиспаста (рисунокслева)кратностиодинарныхполиспастов (имеющих один подвижный шкив и кратность 2) перемножаются — 2 . 2 . 2 или значение кратности одинарного полиспаста возводится в степень рав- ную числу полиспастов — 23.

Скоростной (или обратный) полиспаст это об- ращённый силовой полиспаст, в котором усилие (обычно отгидравлического или пневматического силового цилиндра) прикладывается к подвижной обоймешкивов,агрузподвешиваетсяксбегающе- му концу троса (каната). Выигрыш в скорости при

использовании такого полиспаста образуется за счёт большой высоты подъёма груза при небольшом ходе поршня силового цилиндра. Вы- сота подъёма равна произведению хода поршня силового цилиндра на кратность полиспаста (для рисунка ниже — h = 2 b).

52

В «Теории машин и механизмов» И. И. Артоболевского «механизм» является основой внутреннего устройства машины и относится к её частям передающим движение.

Механизм предназначен для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел, у которых для такого преобразования есть соответствующая совокупность противо- положных,одногородакачества,стыковочныхэлементов.Как,напри- мер, в устройстве простейшего поршневого насоса.

Кривошипно-шатунный механизм плунжерного насоса одно- стороннего действия преобразует движение кривошипа в движение поршня.

Кривошип — это ведущее звено кривошипношатунного механиз- ма, которое совершает циклическое вращательное движение на пол- ный оборот вокруг неподвижной оси.

Шатун (как группа Ассура с нулевой степенью подвижности) свя- зывает кривошип с поршнем (плунжером, ползуном) или с ведомым звеном, которое совершает в цилиндре насоса возвратно — поступа- тельные (колебательные) движения.

Любой механизм состоит из одного неподвижного и одного или нескольких подвижных звеньев или у всякого механизма одниде- тали (одна часть) являются неподвижными, другие (вторая часть) — двигаются относительно них.

К подвижным звеньям относят рычаг, шатун, кривошип, поршень, колесо,клин,ползун,винт,гайка.К неподвижным звеньям или стойке относят фундамент, платформу, пандус, эстакаду, сваю, опору, стани- ну, шасси, корпус, цилиндр и саму Землю.

Возможными прообразами подвижных звеньев, например, колеса, блока, гончарного круга, ворота, катка были части ствола деревьев: длинное или короткое бревно, очевидно, колесом был узкий отрезок бревна. Прообразами рычага, клина, наклонной плоскости (пандуса) были прямая ветвь дерева, палка или скошенный кусок дерева.

При всей примитивности они становились частями простых ме- ханизмов многократно усиливающих физические возможности че- ловека.

53

Одно отдельно взятое звено пары не в состоянии без другого зве- на совершать заданное движение. Это как одной рукой и без опоры на Землю невозможно что-либо сделать.

Всякому взаимодействию нужно действие и ответная реакция — противодействие, то есть нужна пара противоположно действующих сил. Силы, известно, возникают не по одному, а парами. Таков физи- ческий смысл понятия взаимодействие.

Для осуществления движения необходим подвод энергии к под- вижному звену, чем обусловлена его связь с источником энергии или двигателем. При этом неподвижное звено обязательно должно иметь ту или иную связь с Землёй для обеспечения требуемого движения подвижного звена.

Функционально по назначению и по порядку сочленения меха- низмы машин разделяют на следующие виды: механизмы двигателей и преобразователей, передаточные механизмы, исполнительные ме- ханизмы или механизмы, непосредственно воздействующие на об- рабатываемый объект или среду; механизмы управления, контроля, регулирования; механизмы подачи,транспортировки,питания,счёта, взвешивания, упаковки.

Гравитация (тяготение) и невесомость

Человек, родившись в условиях гравитации Земли, принимал и принимает её как данность: всетела имеют вес илитяжесть,с кото- рой они действует на руку, подставку, подвес. Между тем существо- вание всего живого в том виде, как оно нам известно, и есть, обязано этой незаметной,но чрезвычайно созидательной силе —гравитации или притяжению Землёй. Проявление силы тяготения заметно при свободном падении тел и при любых направлениях полёта тел. Она постоянна и придаёт любому телу практически одно и то же уско- рение в направлении к поверхности Земли. Свободное падение есть равноускоренное движение. Сила тяжести (гравитации) пропорцио- нальна массе тела, на которое она действует. Есть принципиальное различие между силой тяжести (тяготения), которая сообщает всем элементам тела одинаковое ускорение, и силами, возникающими при непосредственном соприкосновении,которые действуюттолько на определённые участки поверхности тела и поэтому вызывают де- формации ускоряемого тела.Сила тяжести приложена к самому телу, притягиваемому Землей, а вес тела — к подвесу (или подставке). Пока упругое тело, на которое действует сила тяжести, прикреплено к подвесу, оно обязательно оказывается деформированным (двумя противоположными и равными силами). Когда же сила (реакции) со стороны подвеса перестает действовать, деформации исчезают,

54

и при свободном падении тело оказывается в недеформированном состоянии.

В лоне Земли все тела составляют с ней пару или систему взаимо- действующих тел, независимо от того покоятся они или движутся. Лежащий на земле камень с течением времени тонет в почве, а на- ходящийся на глубине —всплывает (закон Архимеда).В среде,состав- ляющей вещество Земли, действует противоположные силы: силы взаимного притяжения и силы отталкивания.

Всё, что известно о действии силы тяготения, хорошо изучено, но понимания природы гравитации пока нет: неизвестно что застав- ляет тела проявлять только взаимное притяжение и ни как не прояв- лять взаимное отталкивание.

Ньютон установил, что сила взаимного притяжения зависит от масс тяготеющих тел и расстояния между их центрами тяжести (F = G m1 . m2/R 2).Коэффициентпропорциональности G этой зависимо- сти величина постоянная и называется гравитационной постоянной (постоянной гравитационного взаимодействия). Численно постоян- ная равна величине силы тяготения, действующей на точечное тело единичной массы со стороны другого такого же тела, находящегося от него на единичном расстоянии. Таков всемирный закон, которому подчиняется вся небесная механика.Пользоваться гравитацией чело- век учится с рождения. Сила гравитации Земли это придание любому телу ускорения свободного падения. Тело падает на Землю с ускоре- нием.И Земля «падает» на данное тело.Правда,её «падение» не столь явное, всё стушёвывает огромные размеры планеты. Пока тело пада- ет, оно не испытывает «тяжесть» гравитации. Лёжа на земле, тело ис- пытывает действие двух равных сил сразу: силу притяжения Землёй и силу реакции поверхности Земли на эту силу. Силы всегда возни- кают парами: сила действия рождает силу противодействия (третий закон Ньютона), чем обусловлено понятие взаимодействие тел.

Действие такой пары сил сдавливает любое тело, обеспечивает появление трения покоя — важного условия для контактного пере- мещения по поверхности Земли. Собирает жидкость в водоёмах, от- печатывая их пространственную форму, снабжает её выталкивающей (поддерживающей) силой (закон Архимеда).

Простым и доступным ресурсом энергии является ускоренное падение тел, в частности, воды — самой распространённой жидко- сти на Земле. Благодаря гравитации любой перепад уровней над по- верхностью Земли заставляет течь воду. Луна, притягивая массы вод в океанах, создаёт приливы и отливы. Благодаря гравитации пере- мешиваются слои воздуха атмосферы, слои вод в океанах. Дуют ве- тры, образуются вихри, смерчи, а в океанических глубинах — тече- ния подобные рекам. Сила тяготения это бесплатная, можно сказать,

55

«сила — подарок», создающая благоприятные условия для жизни. С помощью неё мы легко удерживаем предметы, знаем, где верх, где низ, дышим, благодаря естественной атмосферной вентиляции, ко- торая непрерывно поставляет нам готовые порции свежего воздуха. Подняв предмет с земли, нам не надо возвращать его обратно, это успешно сделает за нас сила тяготения. Сила тяготения не действует на движение перпендикулярное её направлению. По направлению её действия либо тратится энергия на преодоление действия силы тяго- тения (веса),либо энергия экономится,в этом случае силой тяготения пользуются как дополнительной действующей силой.

Всё перечисленное выше отсутствует в условиях (состоянии) неве- сомости. Силу, которая заменяла бы силу гравитации, нужно созда- вать искусственно и всегда иметь при себе.Невесомость не просто от- сутствие деформации внутренних органов у человека, это коварное и достаточно враждебное состояние,снимающее необходимость в на- пряжении некоторых групп мышц,что приводит к неуклонному осла- блению всего организма. Предметы не давят на руку и потому невоз- можно удерживать их в определённом положении. Чтобы ощутить «давление» предмета, ему нужно сообщить ускорение. Невесомость или «отсутствие веса» возникает не в результате бездействия силы притяжения, а благодаря тому, что она действует, сообщая всем телам одинаковое ускорение свободного падения, которое бесконечно про- должается (например, при свободном орбитальном вращении вокруг Земли).В плоскости действия силы тяготения на быстро вращающем- ся цилиндрическом теле с одной стороны имеет место образование состояния невесомости, с противоположной — состояние перегрузки. Для уравновешивания этих состояний у скоростных валов и роторов предусматривается обязательная динамическая балансировка. Маят- нику, при отведении его в сторону, мы сообщаем определённую вы- соту свободного падения относительно Земли. Падая, груз маятника теряет в весе, но приобретает значительную скорость пригодную для совершения работы по подъёму маятникового груза на ту же высоту. Действительно,сила земного притяжения при падении груза маятни- ка действует по направлению ускорения свободного падения, увели- чивает скорость его движения и, тем самым, совершает положитель- ную работу. После прохождения грузом крайней нижней точки сила земного притяжения ускорение свободного падения действует про- тив скорости движения груза маятника. Скорость убывает до нуля и, тем самым, совершается отрицательная работа по торможению груза маятника, который достигает ту же высоту подъёма, что было задано изначально, но с противоположной его стороны. В условиях невесо- мости толчок груза маятника в сторону приводит к равномерному его вращению вокруг точки подвеса, так как все части маятника имеют

56

одинаковое ускорения свободного падения и сил реакции надействие силы тяготения в точке подвеса маятникового груза не образуется. Груз маятникадвижется вокругточки повеса по инерции.Поэтому ко- лебания маятника являются нагляднойдемонстрациейдействия силы гравитационного притяжения с образованием противоположной ей силы — силы реакции повеса груза на действие силы гравитационно- го притяжения: у подвеса, установленного неподвижно относительно Земли, отсутствует свобода ускоренного падения, какая есть у груза маятника. Единственной силой действующей против силы тяготения это поддерживающая или выталкивающая (Архимедова или гидро- статическая подъёмная) сила, возникающая (благодаря наличию гра- витации) в жидкой и газообразной среде при помещении туда любого тела. Тела, помещённые туда, «теряют» в весе (благодаря гравитации) на величину веса вытесненной им объёма данной среды. В невесомо- сти, наоборот, всегда есть необходимость придать предметам вес, что создаётся при помощи сообщения им ускорения — ускорения доба- вочного к ускорению свободного падения.

Гидро и аэростатика, гидро и аэродинамика

Гидро и аэростатика изучают равновесие неподвижных жидких и газообразных сред и воздействие их на тела, погружённые в них.

Элементарным устройством в механике является рычаг, установ- ленный на неподвижной опоре. Чем же рычаг отличается, например, отжидкости? Тем,что рычагэтотвёрдоетело,не меняющее свою фор- му и объём, а жидкость — это текучее (подвижное) тело, сохраняющее только свой объём. Рычаг, отвлекаясь от многих его свойств, считают условно«абсолютножёстким»(несгибаемым)телом,ажидкость —«аб- солютно несжимаемой». Между этими допущениями обнаруживается соответствие.Жидкость оказывается реальным жидким аналогом ры- чага (например,аналогом рычага у полиспаста является гибкий трос). И вот почему.

Давление, передаваемое без изменения во все стороны внутри жидкости (закон Паскаля), соответствует условию передачи одинако- вого объёма жидкости из точки его вытеснения в точку пополнения (условие сохранения объёма). Это позволяет получить полную анало- гию соотношения сил и перемещений, какое имеется у рычага. Для устройства в виде сообщённой пары неподвижных цилиндров разно- го диаметра, снабжённых поршнями, соблюдается «золотое правило» механики: выигрывая в силе, проигрываем в перемещениях. Это эле- ментарное устройство,названное по принципу действия гидравличе- ским прессом, такая же простая машина, как и рычаг, установленный на неподвижной опоре, и является аналогичным преобразователем

57

силы.«Жесткость» рычага здесь соответствует «несжимаемому» свой- ствужидкости.Еслиурычагаестьсоотношениедлинплеч,тоугидрав- лического пресса — соотношение площадей поршней. Если у рычага силы приложены к точкам (то есть, к условно исчезающим площад- кам соприкосновения),то у гидравлического пресса силы приложены к площадям поршней. И в этом их существенное отличие. Приложен- ная к поршню сила преобразуется в давление на жидкость, а она, пе- редавая давление без изменения во все стороны, свободно перетека- ет из точки вытеснения в точку пополнения. Получение больших сил посредством соотношения площадей поршней эффективней, чем по- средством соотношения длин плеч рычага.Длины плеч рычага имеют ограничение. Тогда как площади пары из воздействующего и воспри- нимающего поршней практически не ограничены. Площадь и длина (отрезок прямой) противоположности: площадь величина квадратич- ная, длина — линейная. Поэтому устройство гидравлического прес- са является технической, более эффективной, противоположностью устройства рычага. А сам рычаг, как выясняется, может быть пред- ставлен и в твёрдом, и гибком, и жидком (газообразном) состояниях.

Ужидкостинаблюдается(обнаруженБ. Паскалем)гидростатический парадокс: вес жидкости, налитой в сосуд, может отличаться от силы её давлениянаднососуда.Давление,вызванноевесомжидкостииназван- ное гидростатическим давлением,зависиттолько от плотности жидко- сти и глубины от свободной поверхности. Поэтому, какого бы объёма не были бы сосуды,для одинаковой площади их дна и одинаковой вы- соты столба налитой в них жидкости гидростатическое давление оста- ётся неизменным.В отличие отцилиндрического сосуда во всехдругих формахсосудовгидростатическоедавлениевсегданормально(перпен- дикулярно) расположено к поверхности и имеет на наклонных стенках вертикальную составляющую, которая компенсирует излишки веса жидкости или добавляет недостающий вес объёма жидкости (и в этом парадокс). Следовательно, малым объёмом жидкости можно получить значительную силу давления на дно сосуда (опыт Паскаля).

Противоречием закону Архимеда (возникновению поддерживаю- щей или выталкивающей силы со стороны жидкости) считается слу- чай, когда гидростатическое давление прижимает ко дну тело, вес которого гораздо меньше веса вытесненной им жидкости, и не даёт ему всплыть. Парадокс объясняется тем, что верхняя часть поверхно- сти тела подвержена действию гидростатического давления, а ниж- няя часть нет — дно препятствует и не передаёт давление жидкости. Жидкость, проникшая под нижнюю часть удерживаемого тела, пере- даёт туда и большее её гидростатическое давление, в результате чего возникает поддерживающая (выталкивающая) сила, и тело вплывает. Разность значений гидростатических давлений на нижней и верхней

58

поверхности тела равна весу объёма вытесненной телом жидкости (определяется только в условиях однородной гравитации).

В отличие от жидкости с её «несжимаемым» свойством противопо- ложнымисвойствамиобладаютнеподвижныегазы,например,воздух, состоящийизсмесиразличныхгазовиводяногопара,образующихат- мосферу Земли (изучаетАэростатика).Они в сотни раз менее плотны, но обладают упругостью по отношению к своему объёму, сжимаемы тысячекратно и потому плотность их зависит от давления. В сравне- нии с текучестью жидкости газы более подвижны, но так же передают давление, создаваемое поверхностными силами во все точки объёма газа без изменений (закон Паскаля). И давление всегда так же нор- мально к поверхности соприкасающихся с ним тел. При этом газы не имеют определённого собственного объёма и свободной поверх- ности, как у жидкости, но образуют единое целое — атмосферу Земли, которая силами тяготения прижата к её поверхности с определённым давлением и вращается вместе ней. Давление, оказываемое воздуш- ной оболочкой Земли на единицу площади её поверхности, назва- но атмосферой. Живя фактически на дне воздушного океана, ни кто не ощущает его тяжести на себе, хотя газы имеют вес.

По сравнению сдавлением в морских глубинах оно незначительно. Но, как и в жидкости, в газах малым давлением тоже можно получать значительную силу давления, причём не только с помощью нагнета- ния порций газа в сообщающихся сосудах,но и посредством разреже- ния газа (магдебурские опыты).

Пароатмосферная машина Ньюкомена работала на силе атмосфер- ного давления (рисунок справа). В рабочий цилиндр подавался на- гретый пар из котла для подъёма поршня и затемтам же пар охлаж- дался — конденсировался с помо- щью впрыскивания небольшого количества воды. В результате, под поршнем создавалось давле- ние меньше атмосферного. Под действием разницы давлений снаружи и внутри цилиндра пор- шень со значительной силой воз- вращался в исходное положение, совершая требуемую работу.

Атмосферное давление у по- верхности Земли позволяет по- лучить столб воды высотой более 10 м или столб ртути высотой 760 мм (опыт Е. Торичелли).

59