Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)
Транспортные машины — поезда, автомашины, самолеты, корабли — в процессе своего движения испытывают сопротивление среды (будь то воздух или вода). Для снижения потерь на сопротивление среды транспортным машинам придают обтекаемую форму. Не случайно наилучшую в мире форму крыла первых отечественных самолетов удалось найти только после того, как наряду с теоретическими расчетами были проведены и практические испытания его обтекаемости потоком воздуха, поступающего в специально построенную для этого аэродинамическую трубу.
Задача более полного использования тепла в тепловых машинах стояла перед машиностроителями и энергетиками в прошлом веке и продолжает оставаться одной из важнейших проблем современной техники. Ведь повышение коэффициента полезного действия даже на долю процента означает экономию колоссальных количеств угля, нефти и других горючих материалов, это означает серьезную экономию в транспортных средствах и, наконец, экономию труда. В зависимости от типа и характера тепловой машины применяются различные способы экономии тепла. Вспомним, что и мы зимой экономны тепло собственного тела, надевая более плотную одежду, которая увеличивает прослойку воздуха между одеждой и телом, экономим тепло в жилищах, обеспечивая теплоизоляцию.
Значительная доля энергии уходит также через кинематические пары в результате трения. Если представить себе соединения суставов в организме, то они в полном смысле этого слова также являются кинематическими парами, а следовательно, в них возможно трение. Для уменьшения трения природа пошла очень разумным путем: между костями в сочленениях имеется упругая прослойка, их покрывает хрящевая ткань, окружающая полость с суставной жидкостью (если в в суставах откладываются соли, они перестают исполнять свои функции). Подобное происходит и в кинематических парах механизмов. Для того чтобы в сочленении двух звеньев не было сухого трения, между ними вводится смазка, которая частично противодействует трению. Кроме того, что процесс трения «забирает» определенное количество энергии, трущиеся детали постепенно срабатываются и в определенное время их нужно менять, так при уменьшении размеров снижается прочность деталей, а при увеличении зазора в кинематической паре сила начинает передаваться от одного звена к другому с ударом, что может вызвать поломку деталей.
Явление трения в машинах в конце прошлого века оказалось одной из наименее разработанных областей механики. Правда, исследованием трения занимались и веком раньше. Однако все эти исследования относились лишь к явлению сухого трения, а увеличившиеся скорости работы механизмов потребовали принципиального пересмотра полученных результатов и их применимости к реальным машинам. Ведь детали машин работали в условиях не сухого, а жидкостного трения, еще неизученного, и поэтому инженерам приходилось работать буквально на ощупь. Не были известными и свойства смазочных масел, и явления, происходившие в смазочном слое, следовательно, все технические рекомендации основывались исключительно на большем или меньшем опыте отдельных техников. Особенно острым был вопрос о смазке машин и подвижного состава железных дорог: плохо смазанные буксы зачастую «горели», и это приводило к авариям.
Оптимальным было бы такое решение, при котором между обоими деталями имелось бы достаточно смазки и трение происходило бы не между самими деталями, а между частицами смазывающей жидкости. Подобный тип смазки называется жидкостным. Его теорию, так называемую гидродинамическую теорию смазки, разработал выдающийся русский инженер Николай Павлович Петров в 1884 г., награжденный за исследования в этой области Ломоносовской премией.
Ученый составил программу исследования смазочных масел, предложив произвести их испытание в условиях, соответствующих действительным, и изучить при этом все параметры в зависимости от всех переменных величин. В результате этих опытов он и пришел к гидродинамической теории трения. По его словам, «смазывающий слой, помещающийся между двумя не прикасающимися одна к другой поверхностями, отделяет их друг от друга», частично прилипая к каждой из них, и «эти две части слоя не могут двигаться одна по другой вполне беспрепятственно, вовсе не увлекая и не задерживая друг друга». Подобного явления никогда не наблюдалось именно потому, что части смазывающего слоя не могут двигаться одна относительно другой «без всякого трения».
Вопрос с буксами был не единственным вопросом, стоявшим перед железнодорожниками. Не меньшую важность приобрел вопрос о силах инерции. Оказалось, что при определенном состоянии пути скорости поездов можно увеличивать лишь до определенных пределов и при том необходимо снижать скорость прохождения по кривой. Выяснено это обстоятельство было чисто практически: поезда начали сходить с рельс, возросло число крушений. То же самое было замечено и на флоте: паровые двигатели также при большом числе оборотов начинали расшатывать корпус корабля, и опять-таки это приводило к нежелательным последствиям. Подобные же явления наблюдались и на стационарных установках.
Все это происходило по разным внешним и внутренним причинам. Сначала на них не обращали внимание, иногда даже «верили», что это какая-то игра случая, а затем серьезно занялись их изучением и обратили внимание на то, что во время работы машин некоторые их детали и агрегаты оказываются неуравновешенными. В качестве примера неуравновешенности можно привести вращение наждачного круга около своей оси. Если ось вращения полностью совпадает с геометрической осью диска, то никаких особых явлений при его вращении не произойдет. Если же ось вращения отстоит от геометрической оси хотя бы на ничтожное расстояние, то круг начнет «бить». Если же начать увеличивать обороты круга, то возрастет и биение, и в определенный момент силы сцепления материала окажутся меньше центробежной силы и круг разорвет.
То же самое явление происходит и со всеми вращающимися частями всех машин. Особенно ярко оно проявляется в паровой машине и в других машинах, основой которых служит кривошипно-ползунный механизм. Ведь даже если не рассматривать шатун, ось вращения кривошипа отстоит на значительном расстоянии от оси, проходящей через его центр тяжести. Значит, «биения» тут неизбежны, и поэтому вопросами уравновешивания паровых машин ученые и инженеры вынуждены были заняться вплотную, когда нежелательные помехи в связи с повышением скоростей значительно увеличились. А поскольку нет ни единой машины, в которой не было бы вращающихся частей, то, очевидно, уравновешивание вращающихся масс оставалось очень важной проблемой механики машин (впрочем, в некоторых машинах, например в центрифугах, научились использовать и свойство неуравновешенности вращающихся масс).
Обратим внимание еще на одно свойство машин. Оно было замечено еще в конце прошлого века, когда русский ученый Иван Васильевич Мещерский начал изучать механику переменных масс. Сперва это учение в основном применялось к движению ракет, хотя и сам Мещерский обращал внимание на некоторые его Применения к машинам. Как показали исследования советских ученых, в очень многих машинах оказалось необходимым учитывать изменения массы в процессе движения, поскольку в практике машиностроения встречаются механизмы со звеньями, имеющими переменную.
Кроме того, существуют механизмы с переменной массой, вибрационные механизмы, важнейшим движением которых являются колебания. С колебаниями ученые познакомились давно, их изучал еще Галилео Галилей. Христиан Гюйгенс изучал колебания применительно к часовому механизму, а Роберг Гук вообще считал, что все явления в мире сводятся к колебательным процессам.
Колебания как явление начали изучать в XVIII в. В сущности, если не учитывать колебания маятника, то первыми исследовались колебания струны. Затем перешли к расчету колебаний пружин, и уже в XIX в., когда вопросы прочности зданий и сооружений породили учение о сопротивлении материалов, начали изучать и колебания строительных деталей опять-таки с точки зрения их прочности. Физиками были изучены колебания в акустике, оптике, элекротехнике и, наконец, в радиотехнике. Все они в какой-то степени раньше или позже нашли свое место и в учении о машинах. Однако механические колебания деталей машин начали изучать значительно позже и сперва в связи с неуравновешенностью отдельных деталей и агрегатов, о которой речь была выше. Уже в начале XX в. было установлено, что колебания в машинах могут быть вредными как для людей, так и для самой машины, а кроме того, для сооружений, расположенных вблизи нее. Но тогда же заметили, что колебательные процессы можно также использовать для исполнения определенных технологических операций. На колебательном принципе строились «соломотрясы», «грохоты» и другие подобные машины.
