Г. Покровский - Физика в технике
Идея создания многоступенчатых ракет была впервые высказана К. Э. Циолковским. В многоступенчатых ракетах по мере сгорания части топлива избавляются от ненужных конструкций, отцепляют отработавшую ступень. Практическая ценность этой идеи тем более очевидна, что многоступенчатые ракеты позволили осуществить запуск первых искусственных спутников Земли. Запуск подтвердил правильность теории космических полетов, которой Циолковский посвятил свои многочисленные труды.
«Земля, — писал Циолковский, — колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».
И вот теперь все человечество является свидетелем того, как успешно претворяется в жизнь мечта великого ученого. Недалек тот день, когда на Луну и ближайшие планеты ступит нога человека — покорителя бесконечных и величественных просторов Вселенной. Пройдут годы, и человек устремится к иным мирам — мирам самых отдаленных звезд, подобных нашему Солнцу, и не исключена возможность того, что в окрестностях таких звезд будут обнаружены планеты, подобные нашей Земле. Для осуществления таких полетов потребуются уже совершенно иные типы ракет, которые будут двигаться со скоростью, близкой к скорости света.
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ
На протяжении всей истории развития физики и техники возникали те или иные проблемы, которые требовали безотлагательного решения. Появление таких проблем определяется, с одной стороны, новыми задачами и требованиями как с теоретической, так и е производственной точки зрения и, с другой стороны, необходимостью пересмотра некоторых старых теорий или отдельных положений, что обусловливалось всем ходом предшествующего развития науки и техники.
Так, развитие судоходства привело к созданию парового двигателя для кораблей, а целый ряд новых открытий б области физики, не укладывавшихся в рамки старой теории (например, открытие и исследование фотоэффекта, опыты Майкельсона, работы Эйнштейна), привели к созданию новой теории — теории относительности, которая коренным образом изменила наши представления о пространстве и времени.
В этом разделе будут рассмотрены некоторые вопросы, связанные с прочностью материалов и конструкций в связи с быстрым развитием строительной техники и появлением новых, в частности синтетических материалов.
Другой весьма важной проблемой нашего времени является проблема освоения новых источников энергии. В связи с этим остановимся на возможности использования энергии приливов и отливов, а также на некоторых вопросах, связанных с созданием управляемых термоядерных реакций, расскажем о явлении, возникшем на стыке трех отраслей физики — квантовой механики, оптики и радиофизики, а именно о явлении, лежащем в основе квантового генератора лучистой энергии.
Прочность материалов и конструкций
В атомах и молекулах в нормальном их состоянии содержится равное число электронов (в электронных оболочках) и протонов (в атомных ядрах). Поэтому электрические силы действуют только внутри атомов и молекул. На достаточно больших расстояниях от молекул электрические силы электронов и протонов компенсируются и не производят заметного действия. Однако если молекулы подходят близко друг к другу, то они могут отталкиваться или притягиваться в зависимости от своего строения и взаимного положения. Чем плотнее вещество, тем заметнее силы взаимодействия. Наличием этих сил объясняется способность капель жидкости висеть на проводах и различных выступах, не падая вниз под действием силы тяжести.
Эти силы, притягивают жидкости к твердым телам, давая возможность воде насыщать грунты, цемент, бетон, позволяя краске прилипать к окрашиваемой поверхности, влаге почвы подниматься по стволам растений к листьям и плодам.
Точно так же прочность твердых тел, столь важная в технике, обусловлена молекулярными силами, связывающими в единое твердое тело все образующие его молекулы или атомы.
Наиболее ярко свойства твердых тел выражены в кристаллах. Кристаллы — это такие твердые частицы тела, которые в процессе образования, например при охлаждении расплавленного вещества, принимают правильные геометрические формы. Это обусловлено появлением определенного порядка в расположении частиц, образующих твердое тело. Так, в некоторых кристаллах атомы вещества (располагаются определенным образом: именно так, чтобы взаимное притяжение было бы наибольшим (рис. 27, а). Кристаллы очень прочны.
При образовании алмаза из углерода атомы углерода, входящие в кристалл, очень прочно связываются друг с другом. Действительно, алмаз является очень твердым и очень прочным телом и поэтому широко применяется в технике как материал для резания и сверления прочных и твердых тел. Графит представляет собой несколько другое соединение атомов углерода и обладает значительно меньшей прочностью (рис. 27, б).
Многие тела, в частности металлы, состоят из большого количества очень мелких кристаллов, беспорядочно соединенных друг с другом. Это так называемые микрокристаллические тела. Различные виды обработки металлов (отжиг, закалка, ковка, прокат, штамповка, волочение и т. д.) сильно влияют на размеры и взаимное расположение кристаллов, образующих металл.
Рис. 27. Расположение атомов в кристалле. а — алмаза; б — графита
Детальное исследование строения кристаллов металла и их взаимного расположения чрезвычайно важно для того, чтобы понять условия, при которых металлы и их сплавы обладают наибольшей механической прочностью, наиболее стойки в химическом отношении и могут выдерживать наибольший нагрев. Иногда сравнительно ничтожные добавки к металлу различных веществ могут заметно изменить его свойства. Это видно хотя бы!на примере нержавеющей стали.
Исследования показывают, что сами кристаллы обладают очень большой прочностью, превышающей практическую прочность соответствующих материалов в десятки раз. Это объясняется тем, что во всяком твердом теле имеются различные не видимые глазом, но очень существенные дефекты в структуре: трещины, пустоты, сильно снижающие прочность.
Чтобы наглядно представить себе это, надо взять лист бумаги и, растягивая его руками, попробовать разорвать. Для этого потребуется некоторое усилие. Если затем сделать на краю листа небольшой надрыв или прорезь, то разорвать лист после этого значительно легче, потому что разрыв произойдет путем разрастания того надрыва или разреза, какой был сделан.
Чтобы по возможности избежать влияния подобных дефектов и увеличить прочность металлов, поверхность их специально обрабатывают и по возможности уменьшают толщину. Тонкие металлические струны, сплетенные в толстый канат, намного прочнее, чем массивный стержень того же веса и из того же материала.
Это свойство металлов учитывают при строительстве крупных инженерных сооружений. Например, на канатах из тонких стальных тросов можно подвешивать огромные мосты, имеющие пролет более одного километра.
В настоящее время быстро развивается производство искусственных химических материалов; на основе соответствующих теоретических расчетов изменяют структурные формулы молекул и изготовляют очень прочные и вместе с тем очень тонкие пленки и нити. Такие пленки и нити все шире внедряются в практику.
Ученые работают над созданием тонкопленочных надуваемых воздухом лодок, планеров и даже самолетов.
Созданы тонкопленочные надувные здания, ангары, башни для радиотехнических целей и другие сооружения.
Широко применяются также пористые вещества из синтетического материала. Они обладают высокими теплоизоляционными свойствами, устраняют вибрации и в десятки раз легче дерева.
Перед инженерами, проектирующими материалы ближайшего будущего, стоит интереснейшая задача — сочетать сознательно рассчитанную и построенную конструкцию молекул с микроскопической структурой твердого вещества. Необходимо, чтобы молекулы вещества, предназначенного для той или иной цели, были построены не менее обоснованно и тщательно, чем, например, детали самолета или космической ракеты.
При строительстве различных сооружений нередко бывает необходимо перейти от малогабаритного сооружения к сооружению такого же типа, но более крупных размеров. Такие задачи встречаются повсеместно: растет высота зданий и башен, увеличиваются пролеты мостов, размеры морских, воздушных и космических кораблей и многих других технических объектов.
Допустим, что какое-либо сооружение, например башня для радиорелейной связи, создается по образцу уже существующей, но все размеры ее увеличиваются вдвое. При таких условиях объем конструкции, а следовательно, и вес ее возрастут в восемь раз. Однако поперечное сечение конструктивных элементов, несущих нагрузку от веса вышележащих частей башни, увеличится только в четыре раза. Это значит, что нагрузка на единицу поперечного сечения увеличится вдвое. Другими словами, нагрузка на единицу площади поперечного сечения увеличивается во столько раз, во сколько возрастут размеры сооружения.
