Книга для чтения по физике

      Вниманию молодых читателей предлагается первая часть «Книги для чтения по физике». Ее цель — ознакомить учащихся старших классов средней школы с некоторыми достижениями физики и техники и применением их на практике.
      Программа школьного курса физики не может полностью удовлетворить интересы учеников к этим вопросам, так как в школе изучаются только основы наук.
      Поэтому ученики с большим интересом читают научно-популярную литературу, зачитываются отдельными статьями, которые печатаются в популярных технических журналах.
      «Книга для чтения по физике» содержит дополнительный материал по отдельным вопросам физики и техники. В книге собраны статьи или выдержки из статей, относящиеся к достижениям физики, к истории некоторых изобретений и открытий, к фактам из жизни и деятельности выдающихся ученых. Значительное место в книжке отведено вопросам применения достижений науки в технике, описанию отдельных машин, агрегатов и технических установок. Большинство статей книги заимствовано из специальных пособий, научно-популярной литературы, журналов и т. д. в виде выдержек или отдельных глав. Авторы статей и источники указываются в сносках. Статьи, написанные составителями, ссылок не имеют.
      Если в учебниках материал подается в определенной систематической последовательности — по программе курса физики для средней школы, то в «Книге для чтения» это не выдержано. Материалы, приведенные в ней, систематизированы лишь относительно определенной темы, и потому каждую статью можно читать независимо от того, что говорилось впереди.
      Используя эту книгу, уместно вспомнить слова академика А. Е. Ферсмана, написанные в предисловии к «Занимательной геохимии»: «...мало сказать, что надо читать, — часто еще гораздо важнее сказать, как надо читать, каким образом надо изучать книги и научиться извлекать из них больше пользы. Одни книги читаются запоем, когда интересный рассказ увлекает вас, и вы не можете оторваться от него, пока не прочтете до самой последней страницы. Так читают, например, занимательные приключен-
      ческие романы. Другие книги надо изучать: в них изложены или целая наука, или отдельные научные проблемы; последовательно излагаются научные данные, описываются явления природы, делаются научные выводы. Такие книги надо читать, вникая в каждое слово, не пропуская ни отдельных страниц, ни даже строк или слов».
      «Книга для чтения по физике» не принадлежит к первой из указанных выше категорий книг, но она отличается и от другой категории: помещенные в ней статьи в большинстве не надо заучивать, но они все же направлены на углубление вопросов, которые изучаются в соответствующих разделах курса физики средней школы.
     
     
      Раздел первый
      ОСНОВНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ. ДВИЖЕНИЕ
     
      МЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
     
      Наша жизнь немыслима без измерений. Торопясь куда-либо, мы смотрим на часы, чтобы определить время; почувствовав недомогание, «ставим градусник» — измеряем температуру тела; покупая какой-нибудь товар, следим за стрелкой весов, то есть также производим измерение.
      Без измерений не было бы ни телефона, ни радио, ни электричества. Не было бы, пожалуй, почти ни одной вещи из тех, что нас окружают.
      Без точных измерений не существовало бы современной техники. Взять хотя бы какую-либо сложную машину — автомобиль, металлорежущий станок и т. д. В ней несколько тысяч деталей. И такие машины производятся в серийном, массовом порядке. Части однотипных машин можно переставлять с одной машины на другую без всякой подгонки. Это называется взаимозаменяемостью. Размеры взаимозаменяемых деталей часто отличаются друг от друга лишь на толщину человеческого волоса, а иногда еще меньше. Такая точность стала возможной благодаря высокому совершенству измерений.
      Не менее важную роль играют измерения в науке. Русский ученый Д. И. Менделеев говорил: «Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять». И действительно прогресс науки неотделим от прогресса измерений.
      В свою очередь наука изыскивает новые, более совершенные методы измерений. Например, изучив природу света, ученые стали применять световые лучи для точнейших измерений длины.
      По мере того как измерения становились все более сложными и многообразными, росла необходимость в едином учении, которое связывало бы различные методы измерений, давало им научную основу. Так возникла самостоятельная отрасль науки — метрология2 — учение об измерениях и мерах.
      1 По книге А. Полонского «Измерения и меры» и 3. Перля «О станках и калибрах».
      2 От греческих слов: «метрон» — мера, «логос» — учение.
      В глубокой древности мерами служили главным образом части человеческого тела. Достоинство таких «мер» в том, что они всегда «под руками».
      Несколько тысячелетий назад в Египте были воздвигнуты огромные пирамиды. При постройке их в качестве единицы длины применялся локоть — расстояние от кончика среднего пальца до локтя. Египетский локоть равнялся приблизительно 525 мм.
      Такая же мера длины употреблялась и в древней Вавилонии (1500 — 500 годы до нашей эры), но вавилонский локоть был равен примерно 540 мм. .
      До конца XVI века локоть служил основной единицей длины и в России. Здесь его длина составляла около 457 мм. Затем локоть заменили аршином, который был в полтора раза длиннее, т. е. равнялся примерно 686 мм. Слово «аршин» пришло с востока: «арш» по-персидски тот же локоть. В начале XVIII века аршин увеличили до 711 мм.
      Издавна в России применялась и другая единица длины-сажень; до XVII столетня она была равна трем локтям. В 1649 году сажень приравняли трем аршинам. Помимо трехлокотной и трехаршинной саженей, находили применение две другие сажени — косая и маховая (вспомните поговорку «косая сажень в плечах»).
      В Англии до сих пор применяется единица длины — дюйм, который первоначально равнялся длине сустава большого пальца. Само слово «дюйм» по-голландски обозначает большой палец.
      Многими народами применялась еще одна единица длины — фут (от английского слова «ступня»). Он был равен длине человеческой ступни.
      Расстояния измерялись шагами, двойными шагами и т. д. В древнем Риме для этой цели применяли особую единицу — милю, равную тысяче двойных шагов. Слово «милле» по-латыни значит тысяча.
      Но все подобные меры имели очень большой недостаток. Ведь у одного человека рука длиннее, а у другого короче; у одного шаг шире, а у другого уже. Значит, каждый измеряет по-своему. Отсюда и пошла пословица «другого на свою меру не меряй». Немудрено, что долгое время в мерах царила полная неразбериха. Так, например, в Германии даже в начале XIX века единица длины фут имела значение от 250 до 330 миллиметров...
      ...В XVII столетии царь Федор Алексеевич впервые ввел регулярную проверку правильности существующих мер. Проверенные меры (линейки, гири, ведра и т. д.) клеймились «орленой печатью» с изображением государственного герба — орла.
      Ряд важных законодательных актов по упорядочению мер осуществил Петр I.
      Наконец, в 1842 году в России была создана государственная служба мер и весов, сохранившая свои основные черты и поныне. В тот год начало работать первое метрологическое учреждение —
      «Депо образцовых мер и весов», возглавляемое «ученым хранителем». Должность «ученого хранителя» занимали известные метрологи акад. А. Я. Купфер, проф. В. С. Глухов, а с 1892 года — великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев, сыгравший исключительно важную роль в дальнейшем развитии отечественной метрологии.
      Еще полтора века назад метрология, по словам видного советского метролога проф. П. М. Тиходеева, представляла «как бы справочник о мерах, содержащий их перечисление и соотношения между мерами разных стран».
      Благодаря Д. И. Менделееву метрология превратилась в науку об измерениях не только длины, веса и объема, но и большого числа других величин, как-либо характеризующих окружающий нас мир.
      По инициативе Д. И. Менделеева «депо» было преобразовано в Главную палату мер и весов, где он проработал последние 15 лет своей жизни, до 1907 года.
      Главная палата существовала и в советское время. Сейчас метрологическая работа осуществляется в Комитете стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР.
      С внедрением метрической системы мер произошел переворот в мировой измерительной системе; этот переворот начался во Франции, в годы буржуазной революции, давшей толчок развитию мыслей, еще ранее зародившихся у ученых, о необходимости создания единого и международного естественного эталона постоянной меры длины.
      Французские ученые измерили одну четвертую земного меридиана, который проходит через Париж, и как природную и неизменную (как тогда считали) меру выбрали одну десятимиллионную часть четверти этого меридиана, назвав ее метром.
      Измерение было осуществлено точным способом, который имеется в распоряжении специальной науки — геодезии. Способ этот называется триангуляцией. Для простоты представим себе, что наша Земля — правильный шар. Практически невозможно измерить меридиан земного шара путем наложения на всем его протяжении специальных измерительных стержней — жезлов, которыми пользовались французские ученые. Горы, леса, реки, моря, овраги и, наконец, огромнейший объем земного шара — все это исключает возможность непосредственного измерения. Небольшую же часть меридиана (от 5 до 15 км), выбрав наиболее ровный участок, можно вымерять непосредственно, укладывая вдоль ее точно измеренные стержни. Такой участок называют «базой». Конечные точки участка старательно отмечают. Дальше измерения проводят, уже прибегая к геометрическим и тригонометрическим вычислениям.
      Земной шар представляет собой тело вращения особой формы, которая называется «геоид». По форме это тело вращения очень близко к сфероиду (шару). Наибольшая разность расстояний от двух точек на поверхности геоида до его центра не превышает 100 м. Понятно, что эта величина очень мала по сравнению с поперечником Земли. Но все же чтобы избежать влияния на расчет даже этого незначительного отклонения, дугу меридиана измерили дважды, выбирая базу на разных участках меридиана: одну взяли по возможности поближе к экватору, вторую — к полюсу. Среднее значение измерений было принято за правильную величину дуги меридиана.
      Таким способом французские ученые Мешен и Деламбер измерили дугу Парижского меридиана между городом Дюнкирхеном (Франция) и городом Барселоной (Испания). Одна база была выбрана возле города Мелюн, а вторая — в районе города Перпиньян. Для измерения были использованы наиболее совершенные тогда достижения измерительной техники и геодезии, все возможности науки того времени. В результате этого измерения, длившегося шесть лет (1792 — 1798), была установлена новая единица длины — метр (от греческого слова, которое означает «мера»), величину которого, как тогда убеждены были ученые, можно было всегда определить новым измерением длины Парижского меридиана.
      Таким образом, основной эталон метра был как бы копией естественного неизменяющегося образца. Метр стал основной мерой новой, метрической, системы линейных мер.
      Французская комиссия мер и весов во времена французской революции так отзывалась о новой системе:
      «Определение этих мер и весов, взятое из природы и тем самым освобожденное от всякого произвола, будет ныне устойчивым, непоколебимым и неизменным...»
      Права ли была комиссия? Не совсем. И в самом главном, пожалуй, вовсе неправа, а именно в том, что основная единица новой системы — метр — будто бы освобождена от всякого произвола.
      Когда французские ученые измерили меридиан, они определили метр, как 1/40000000 его часть. Следовательно, длина земного меридиана, по их расчету, 40000000 м. Но позднейшие измерения Парижского меридиана показали, что его длина несколько больше, а именно — на 3423 м. Таким образом, первый основной эталон метра, изготовленный по результатам первого измерения и утвержденный в 1799 году, оказался фактически меньше 1/40000000 части меридиана. Переделывать его не стали. Результаты новых измерений меридиана могли оказаться отличными от первых двух.
      Величина первого метра, так называемого «архивного прототипа» (от греческого слова, означающего «первообраз»), изготовленного из платины, осталась международным эталоном, но он потерял значение природной меры.
      Огромным достоинством новой системы мер явилась ее десятеричность. Каждая величина этой системы образуется путем деления или умножения основной меры на число, кратное 10... Все вычисления по новой системе производятся очень легко.
      Вторым преимуществом новой системы явилось установление твердой зависимости между линейными и весовыми мерами. Вообразите себе куб чистой дистиллированной воды со стороной, равной одному сантиметру, и при температуре наибольшей плотности воды 4 градуса. Вес этого куба и был принят за основную весовую единицу метрической системы и назван граммом. Умножая грамм на 1000, 100 000 и 1 000 000, мы соответственно получаем килограмм, центнер и тонну, а разделив на 1000 — миллиграмм (наиболее употребительные наши весовые величины).
      7 апреля 1795 года — день объявления Национальным конвентом Французской республики закона о введении метрической системы мер и весов — следует считать днем рождения метра как эталона длины. К этому времени в мире господствовал английский ярд, насчитывавший уже несколько сот лет существования. Подразделение ярда — дюйм и фут — прочно утвердилось в промышленности и торговле ряда передовых стран. Дюймовая система укрепилась на занятых ею позициях, и метр был встречен враждебно. Именно то, что метрическая система упрощала технику отсчетов и была призвана к созданию единого мерительного языка во всем мире, сообщало новой системе революционный, интернациональный характер...
      И все же к новой, прогрессивной системе мер многие относились недоброжелательно.
      Но вот в 1868 году с трибуны Первого съезда русских естествоиспытателей (в Петербурге) на весь мир прозвучали страстные, проникновенные слова «Заявления о метрической системе» великого русского ученого Д. И. Менделеева:
      «Объединение народов останется мечтою мира и прогресса, пока не подготовлены к этому пути. До сих пор, кроме стихий, только печатное слово, торговля и наука скрепляют интересы народов. Подготовлять же связь крепчайшую обязан каждый, кто понимает, что настанет, наконец, желанная пора теснейшего сближения народов.
      Воздухоплавание, попытка отыскать мировой язык и всеобщие письмена, международные выставки...
      Есть между этими попытками одна, не стоящая ни миллионов, как выставки, ни громадных усилий опыта и ума, как воздухоплавание, — это попытка склонить народы к единству мер, весов и монет.
      Число, выраженное десятичным знаком, прочтет и немец, и русский, и араб, и янки одинаково, но живое значение цифр для них чересчур разнообразно, даже одно слово часто имеет неодинаковое значение у разных народов...
      Давно стремятся установить однообразие в этом отношении. Побуждает к тому польза, очевидная для каждого.
      Система, пригодная для этой цели, должна быть прежде всего десятичная, потом все меры в ней должны одна от другой происходить...
      Такова метрическая система...
      Облегчим же и на нашем скромном поприще возможность всеобщего распространения метрической системы и через то посодействуем в этом отношении общей пользе и будущему желанному сближению народов. Не скоро, понемногу, но оно придет. Пойдем ему навстречу».
      А через год — в 1869 году — действительный член Российской Академии наук Б. С. Якоби от имени русских ученых представил в Парижскую Академию наук обоснованный доклад о необходимости сделать метрическую систему мер международной. Именно эта инициатива русских ученых и послужила фундаментом, на котором удалось через несколько лет возвести здание международной конвенции — соглашения о введении единой международной системы мер длины и массы.
      В 1872 году в Париже собралась Международная метрическая комиссия из представителей двадцати стран. Комиссия предложила изготовить новый прототип метра по размеру первого прототипа (архивного). Первый прототип метра был изготовлен в виде конце вой меры, его размер точно выражался расстоянием между срезами стержня. Это вело к искажениям вследствие износа поверхности срезов, соприкасавшихся с контактами держателя.
      Новый прототип изготовили в виде штриховой меры — точный размер метра выражался расстоянием между двумя штрихами на поверхности стержня, вся длина которого равнялась 102 см. Он был изготовлен из сплава платины с иридием. Этот материал (90% платины и 10% иридия) отличается высокой твердостью, не-окисляемостью и стойкостью против изменений размеров с течением времени. Новый прототип был провозглашен комиссией международным прототипом мер длины. В. 1888 году под Парижем, в г. Севре, было организовано Международное бюро мер и весов — место хранения эталона линейных мер — метра и эталона веса — килограмма. Здание бюро, по соглашению с правительством Французской республики, было объявлено международным.
      В 1891 году были изготовлены 34 копии международного метра и распределены между странами — участницами международного бюро. По жребию Россия получила две копии: № 11 и № 28...
      Начиная с этого времени метр как эталон постепенно проник во все страны Европы, а также в Японию, Турцию и США. В Англии и США и в некоторых других странах на основании точно установленных соотношений допускается и применение дюймовой системы.
      У нас метрическая система была объявлена обязательной и единственной декретом Совнаркома от 14 сентября 1918 года.
      Международный прототип метра представляет собой платиноиридиевый стержень с сечением Х-образной формы. Длина стержня, как уже было сказано, равняется 102 см. На верхней поверхности полки стержня, на каждом конце, нанесено по три поперечных штриха. Расстояние между двумя средними штрихами определяет длину метра.
      Из 34 образцовых метров, изготовленных Международным бюро мер и весов, метр № 6 оказался при 0° С точно равным архивному метру и поэтому был признан международным прототипом.
      Он хранится в Международном бюро в г. Севре, в специальном помещении, огражденном от сотрясения и влияния температурных изменений.
      По международному метру производится проверка прототипов, находящихся в центральных мерительных учреждениях других стран.
      Мы уже знаем, что величина метра определяется расстоянием между двумя штрихами, нанесенными на стержень прототипа. Но такое определение, как мы это увидим дальше, недостаточно. Всякое вещество изменяет свои размеры с изменением температуры (расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении). С веществом прототипа метра происходит то же самое, а по этой причине при различных температурах меняется расстояние между штрихами. Поэтому условились основной величиной метра считать его длину при температуре тающего льда — 0 градусов.
      Платино-иридиевый сплав устойчивее других материалов, но он очень дорог. Из него изготовлены только международный прототип и его национальные копии. Меры, к которым предъявляются менее строгие требования в отношении точности, изготовляются из других
      материалов, также сравнительно устойчивых против температурных влияний, но изменяющихся в большей степени, чем платиноиридиевый сплав. Стальной метр при изменении температуры на 1 градус изменяет длину на 11 микронов...
      В конце XIX века начали применять сталь с содержанием 36% никеля. Этот материал (названный «инвар») хорошо сопротивляется температурным влияниям: однометровый стержень изменяет длину на 1 микрон при изменении температуры на 1 градус. Таким образом, метр, изготовленный из инвара, при нагревании от 0 до 100 градусов удлиняется только на 0,1 миллиметра. Но и этот материал подвержен значительному искажению размеров с течением времени — в результате внутренних изменений...
      Форма сечения прототипа также выбрана непроизвольно. Если стержень положить на какую-либо, даже точно обработанную плоскость, то нижняя его поверхность не всеми точками совпадет с этой плоскостью. Вследствие этого стержень потеряет свою прямолинейность...
      Между верхней и нижней поверхностями существует так называемый нейтральный слой, в плоскости которого расстояние между штрихами настолько мало изменяется, что этими изменениями можно пренебречь... Поэтому международному прототипу при-
      дали Х-образную форму, штрихи перенесли на его среднюю полку (нейтральный слой) и уложили его на две правильно установленные опоры. Такая форма обеспечила наименьшую величину изменений длины стержня... (рис. 1).
      На протяжении нескольких десятилетий усилия науки направлены были к тому, чтобы добиться предельной точности в установлении величины метра — этой всеобщей международной единицы длины.
      Но лишь в конце XIX века ученые получили возможность, используя длину световых волн, производить измерения с настолько высокой степенью точности, что многократные измерения одной и той же величины не показали какого-либо существенного различия. Метр, выраженный в длинах этих волн, получил ту устойчивость, к которой стремились ученые на протяжении многих лет.
     
      ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
     
      Для измерения и проверки размеров обрабатываемых деталей приходится пользоваться различными измерительными инструментами. Для измерений грубо обработанных деталей пользуются измерительными линейками, кронциркулями и нутромерами, а для измерений более точно обработанных деталей — штангенциркулями, микрометрами и др.
     
      I. Измерительная линейка, кронциркуль. Нутромер
      Измерительная линейка (рис. 2) служит для измерения длин деталей. Наиболее распространены стальные линейки длиной от 150 до 300 мм с миллиметровыми делениями. Часто на длине первых 5 — 10 см миллиметры разделены пополам, т. е. на 0,5 мм.
      Длину измеряют, непосредственно прикладывая линейку к обрабатываемой детали. Начало делений, или нулевой штрих, совмещают с одним из концов измеряемой детали и затем отсчитывают штрих, на какой приходится второй конец детали.
      Возможная точность измерений с помощью линейки составляет 0,25 — 0,5 мм.
      Кронциркуль (рис. 3 ,а) — наиболее простой инструмент для грубых измерений наружных размеров обрабатываемых деталей. Кронциркуль состоит из двух изогнутых ножек, которые сидят на одной оси и могут вокруг нее вращаться. Легким постукиванием об измеряемую деталь или о какой-нибудь другой твердый предмет ножки кронциркуля сдвигают так, чтобы они вплотную касались наружных поверхностей детали. Затем этот развод ножек переносят на измерительную линейку. Способ переноса размера с измеряемой детали на измерительную линейку показан на рисунке 4.
      На рисунке 3,6 изображен кронциркуль с пружиной и установочным винтом. Его ножки стремятся раздвинуться под действием пружины. Их устанавливают на размер при помощи винта и гайки с мелкой резьбой. Поэтому установить его можно точнее, чем простой кронциркуль; кроме того, ножки не сбиваются при неосторожном ударе или по другим случайным причинам.
      Нутромер. Для грубых измерений внутренних размеров служит обычный (рис. 5,а), а также пружинный нутромеры (рис. 5,6). Устройство нутромеров сходно с устройством кронциркулей; сходно также и измерение этими инструментами. Вместо нутромера можно пользоваться кронциркулем, заведя его ножки одна за другую, как показано на рисунке 5,а.
      Точность измерения кронциркулем и нутромером можно довести до 0,25 мм.
     
      2. Штангенциркуль
      Точность измерения измерительной линейкой, кронциркулем и нутромером, как уже указывалось, не превышает 0,25 мм. Более
      точным инструментом является штангенциркуль (рис. 6), которым можно измерять как наружные, так и внутренние размеры обрабатываемых деталей; штангенциркуль можно использовать также для измерения толщины стенок детали и глубины выточки или уступа.
      Штангенциркуль состоит из стальной линейки 1 с делениями и двух ножек 2 и 3. Ножка 2 составляет одно целое с линейкой, а ножка 3 — одно целое с движком 4, скользящим по линейке. С помощью винта 5 можно закрепить движок на линейке в любом положении.
      На движке 4 имеется вырез 6, на наклонной грани которого внизу нанесена шкала 7 с делениями для отсчета дробных долей миллиметра, называемая нониусом. 11ониус позволяет производить измерения с точностью до 0,1 мм (десятичный нониус), а в более точных штангенциркулях — до 0,02 мм.
      Устройство нониуса. Рассмотрим, каким образом производится отсчет по нониусу у штангенциркуля с точностью до 0,1 мм.
      Шкала нониуса (рис. 7,6) разделена на десять равных частей и занимает длину, равную девяти делениям шкалы линейки, или 9 мм.
      Следовательно, одно деление нониуса составляет 0,9 мм, т. е. оно короче каждого деления линейки на 0,1 мм.
      Если сомкнуть вплотную ножки штангенциркуля, то нулевой штрих нониуса будет точно совпадать с нулевым штрихом линейки.
      Остальные штрихи нониуса, кроме последнего, такого совпадения иметь не будут: первый штрих нониуса не дойдет до первого штриха линейки на 0,1 мм; второй штрих нониуса не дойдет до второго штриха линейки на 0,2 мм; третий штрих нониуса не дойдет до третьего штриха линейки на 0,3 мм и т. д. Десятый штрих нониуса будет точно совпадать с девятым штрихом линейки. Такое положение будет повторяться каждый раз, когда нулевой штрих нониуса будет точно совпадать с одним из штрихов линейки (рис. 7,6).
      Если сдвинуть движок таким образом, чтобы первый штрих нониуса (не считая нулевого) совпал с первым штрихом линейки (рис. 7,а), то между ножками штангенциркуля получится зазор в 0,1 мм. При совпадении второго штриха нониуса со вторым штрихом линейки зазор между ножками составит уже 0,2 мм, при совпадении третьего штриха нониуса с третьим штрихом линейки зазор будет 0,3 мм и т. д. Следовательно, тот штрих нониуса, который точно совпадает с каким-либо штрихом линейки, показывает число десятых долей миллиметра.
      Допустим, нужно установить размер 15,1 мм. Для этого сначала устанавливаем нулевой штрих нониуса точно против 15-го штриха линейки (рис. 7,6), что будет соответствовать зазору между ножками в 15 мм. При этом первый штрих нониуса не совпадет с 16-м штрихом линейки на 0,1 мм. Если теперь сдвинуть движок так, чтобы первый штрих нониуса совпал с 16-м штрихом линейки, то тем самым зазор между ножками увеличится на 0,1 мм, следовательно, получим требуемый размер, т. е. 15,1 мм.
      Результаты измерения штангенциркулем с нониусом отсчитывают следующим образом.
      1. Если нулевой штрих нониуса точно совпадает с каким-либо штрихом линейки, это указывает действительный размер детали в целых миллиметрах; нониус в этом случае не используется. На рисунке 7,6 показан пример отсчета при действительном размере детали, равном 15 мм.
      2. Если нулевой штрих нониуса не совпадает с каким-либо штрихом линейки (рис. 7,в), а находится между ними, то ближайший слева штрих указывает целое число миллиметров (в данном случае 15); десятые доли миллиметра отсчитывают дополнительно по нониусу. Десятые доли прибавляют к целому числу миллиметров в зависимости от того, какой штрих нониуса (не считая нулевого) совпадает с каким-либо штрихом линейки. На рисунке 7,в совпадает шестой штрих нониуса, следовательно, действительный размер детали в данном случае 15+0,6=15,6 мм.
      Для измерения наружных размеров деталь а (см. рис. 6) помещают между плоскостями ножек 2 и 3 и осторожно сдвигают их так, чтобы они плотно, но без нажима, соприкасались с деталью. При измерении внутренних размеров вводят концы ножек в измеряемое отверстие (деталь б) и, раздвигая их, приводят в соприкосновение со стенками детали. При этом к полученному размеру надо прибавить общую толщину ножек, равную обычно 5 или 10 мм (это указано на штангенциркуле).
      Такую же точность измерения (до 0,1 мм) дает штангенциркуль, выпускаемый в последнее время заводом «Калибр» (рис. 8,а). Хотя шкала нониуса этого штангенциркуля отличается от шкалы нониуса штангенциркуля, рассмотренного выше, отсчет по нониусу обоих штангенциркулей одинаков.
      Штангенциркулем, показанным на рисунке 8,6, можно пользоваться для измерений диаметров, глубины и толщины деталей. Длинными ножками 2 и 3 измеряют диаметры наружных поверхностей, а короткими ножками 6 и 7 — диаметры отверстий. Глубина измеряется при помощи тонкого стержня 8, который скреплен с движком 4, перемещающимся по линейке 1. При измерении штангенциркулем внутренних диаметров размер отсчитывается непосредственно по шкале линейки с помощью нониуса. При измерении глубины стержень 8 вводят в отверстие так, чтобы он тонким концом касался стенки. На сколько передвинется движок 4,
      Рис. 8. Штангенциркули с точностью измерения 0,1 мм: а — общий вид; б — измерение штангенциркулем.
      на столько же углубится стержень 8. Результаты измерения определяются по шкале линейки с помощью нониуса. Винт 5 служит для закрепления движка.
     
      Микрометр
      Микрометр служит для точных измерений наружных размеров деталей — диаметров, толщин и длин. Микрометр (рис. 9) состоит из стальной скобы 1, которая с одной стороны имеет неподвижную пятку 2 с измерительной поверхностью, а с другой — стебель 3, в котором закреплена гильза с внутренней резьбой. В гильзе ходит микрометрический винт 4 с шагом 0,5 мм; на левом конце винт заканчивается точно доведенной измерительной поверхностью 8. Снаружи стебель охватывается барабаном 5, соединенным на конус с винтом 4. Таким образом, при вращении барабана вращается и винт, при этом перемещается его измерительная поверхность 8.
      На правом конце барабана имеется особое приспособление 6, называемое трещоткой. Оно состоит из свободно вращающейся головки, на торце которой нарезаны зубчики, и небольшой собачки прижимаемой к зубчикам пружиной.
      При измерении надо вращать барабан только за головку тре щотки. Сила пружинки собачки подобрана таким образом, что допускает применение определенного усилия нажатия микрометра ческого винта при измерении. Если вращать головку с большей силой, то трещотка начнет проскакивать и усилие на винте не увеличится, иначе результат измерения будет зависеть от силы нажа тия микрометрического винта.
      Для закрепления винта в нужном положении имеется стопорное кольцо 7.
      На наружной поверхности стебля 3 расположена продольная риска, выше и ниже которой нанесены две шкалы — верхняя с миллиметровыми делениями и нижняя — со штрихами, делящими каж дый миллиметр верхней шкалы пополам. На скошенной части барабана нанесено 50 равноотстоящих штрихов.
      При каждом обороте барабана 5 относительно стебля 3 винт повертывается на один оборот и его измерительная поверхность 8 перемещается вдоль оси на величину, равную шагу винта, т. е. на 0,5 мм. При повертывании барабана относительно стебля на одно деление по окружности, т. е. на 1/50 часть оборота, измерительная поверхность винта перемещается на 1/50 шага резьбы винта, т. е. на 0,5 : 50=0,01 мм. Следовательно, цена каждого деления барабана 0,01 мм.
      Когда измерительные поверхности сомкнуты, нулевой штрих барабана должен точно совпадать с продольной риской стебля, а его край — с нулевым штрихом на стебле. Это положение называется нулевым. Если повертывать барабан на себя, то штрихи на его скошенной части будут один за другим пересекать продольную риску стебля, а кромка барабана — перемещаться вдоль линии расположения поперечных штрихов шкалы стебля.
      Для отсчета показаний микрометра сначала смотрят по шкале стебля, на сколько отошел влево нулевой штрих ее от кромки барабана; по верхней шкале определяют целые миллиметры, а по нижней — половины миллиметров. Для отсчета сотых долей миллиметра пользуются штрихами на скошенной части барабана. Допустим, по микрометру нужно установить размер 6,36 мм. Для этого необходимо, поворачивая барабан, переместить его кромку на шесть делений верхней шкалы правее нулевого штриха (рис. 10,а), затем повернуть дополнительно барабан так, чтобы 36-й штрих его окружности совпал с продольной риской стебля.
      Обратимся к рисунку 10,6. Крайней кромкой барабана открыто на верхней шкале стебля шесть делений, соответствующих 6 мм; продольная риска гильзы совпадает не с нулевым штрихом, а с 34-м штрихом по окружности барабана. Это показывает, что измерительные поверхности микрометра разведены на 6,34 мм. На рисунке 10,в продольная риска стебля располагается посередине между 32 и 33 штрихами. Крайняя кромка барабана, как и в предыдущем случае, открыла на верхней шкале гильзы шесть делений, а на нижней еще одно деление; это соответствует размеру 6+0,5+0,325=6,825 мм.
      При измерении сначала отпускают стопорное кольцо, затем берут микрометр левой рукой за скобу и наводят его на измеряемую деталь (рис. 11). Большим и указательным пальцами правой руки вращают за трещотку барабан микрометра до Тех пор, пока измерительные поверхности микрометра не коснутся поверхности детали; последние пол-оборота барабана следует делать медленно. После этого закрепляют винт стопорным кольцом.
      Резьбовой микрометр (рис. 12, а) применяется для измерения резьб. Он отличается от микрометра для гладких деталей только тем, что вместо постоянных измерительных поверхностей имеет особые сменные измерительные наконечники 1 и 2. Наконечник 2 (рис. 12,6), снабженный конусом с углом, равным углу профиля резьбы, вставляют в отверстие микрометрического винта, другой, снабженный прорезью, — в пятку.
      При измерении резьбовый микрометр устанавливают так, чтобы конус входил в углубление резьбы, а измерительный наконечник с вырезом охватывал выступ резьбы (рис. 12,а). Отсчет по шкале микрометра показывает размер среднего диаметра резьбы.
      Правила пользования микрометром. При работе микрометром необходимо:
      1) содержать в чистоте его измерительные поверхности;
      2) прекращать вращение барабана незадолго до соприкосновения измерительных поверхностей с деталью; дальше производится точная установка винта трещоткой;
      3) предохранять микрометр от нагрева, следовательно, не держать его долго в руке и не хранить вблизи отопительных приборов;
      4) не измерять вращающихся деталей, а также деталей, нагревшихся во время обработки на станке.
      После работы микрометр надо тщательно протереть и смазать. Хранить его нужно в особом футляре, чтобы защитить инструмент от повреждений, пыли и тепловых влияний.
     
      ТОЧНОСТЬ
     
      О способах достижения требуемой точности измерений в промышленных и полевых условиях мы расскажем в этой статье.
      На войне я был командиром тяжелого миномета.
      На рассвете с наблюдательного пункта сообщили, что немецкая пехота перешла в контратаку. Была дана команда: «Беглый огонь!».
      Мой заряжающий, недавно начавший воевать, охватил мину и начал ее поспешно засовывать.
      И мина своей толстой частью застряла в начале ствола.
      — Товарищ командир, — закричал заряжающий новичок, — эти мины не подходят к миномету...
      — Неправильно работаешь. Не надо торопиться и запихивать мину. Ее задержал сжатый в стволе воздух. Еще не было у нас случая, чтобы мина или снаряд не подошли к своему оружию.
      И не может быть!
      Контратака немцев была отбита. Мы закурили.
      — А почему же все-таки не может быть такого случая, — спросил заряжающий, — чтобы какая-нибудь мина не подошла к своему стволу? Вот наш миномет, например, делается на Урале, а мины к нему присылаются с другого конца страны.
      Точного ответа на этот вопрос я тогда отыскать не мог.
      — Вы спрашиваете, что такое взаимозаменяемость? — сказал профессор, специалист по этому вопросу, когда я явился к нему после войны как журналист. — На войне вы в каких частях служили? В минометных? Прекрасно. Теперь скажите мне: был ли у вас хоть один случай, чтобы мина не подошла к стволу своего калибра? Не было. Вот это и есть взаимозаменяемость. Любой снаряд определенного калибра должен подходить к любому стволу пушки этого же калибра. Так же и в промышленности. Поршень, изготовленный в Сормове, без подточек и пригонок подходит к своему цилиндру, изготовленному в Ленинграде.
      То же и в быту. Цоколь электролампы, изготовленный в Москве, ввернется в патрон любой квартиры Тбилиси, Риги, Ташкента.
      Взаимозаменяемость — государственное дело. Поэтому у нас в СССР есть специальное научно-исследовательское бюро, которое занимается вопросами взаимозаменяемости в металлообрабатывающей промышленности.
      Вся история металлообрабатывающей техники есть борьба за точность. Более высокой точности в обработке металла достигал тот, кому удавалось сконструировать более совершенные обрабатывающие приспособления.
      Точность — основа взаимозаменяемости, — продолжал профессор. — Теперь мне хочется объяснить вам, какова роль точности в промышленности.
      Сорок лет назад целое крупное строительство было сорвано из-за отклонения от точности на микронные величины. Так возросло значение точности. Вы представляете величину микрона? Человеческий волос имеет в среднем в диаметре пятьдесят микронов. В миллиметре укладывается одна тысяча микронов.
      И вот из-за этой величины сорок лет назад не сошлись стволы тоннеля, пробиваемые в хребте одного горного отрога. Главный инженер строительства был обвинен акционерным обществом в неумении работать, в техническом легкомыслии.
      Его судили. Но он не был виновен...
      Измерение площади большого строительства производится при помощи геодезического базиса. Базис — это ровный участок пло щади, зачастую расположенный в стороне от строительства. Линия базиса требует особенно точной промерки. Это делается при помощи недавно созданного прибора с проволокой Едерина.
      Проволоку, изготовленную из высококачественного сплава-инвара, защищают от сотрясения, от дождя, от ветра. Потому что даже тяжесть росы может прогнуть ее на какое-то количество микронов. При передвижении проволоку наматывают на специальный алюминиевый барабан, этот барабан обязательно должен иметь продольные прорези.
      В жаркий летний день прибор был осторожно доставлен на участок базиса.
      Алюминий подвергается большему расширению, чем инвар. От жары алюминиевый барабан расширился, и, так как он не имел прорезей, он растянул намотанную на него проволоку на несколько десятков микронов.
      Неточной проволокой был неточно измерен базис. Неточно вымеренный базис внес неточность в тригонометрические и геометрические построения. Ошибка росла. Из-за неправильного построения треугольников были неправильно поставлены на местности геодезические знаки. Неточность микронных величин перешла в метровые величины. Стволы тоннеля, пробиваемые друг другу навстречу, были намечены неправильно. Они разошлись, погубив все строительство.
      Своему заряжающему, — заметил профессор, — вы бросили хорошую фразу: «Не может быть!..» Не может быть, чтобы мина не подошла к стволу своего калибра. Чем же достигается взаимозаменяемость? Точной обработкой и точным измерением.
      Точно измерить — это значит сравнить с первоисточником длины.
      Но как практически в заводских условиях можно узнать, что моя измерительная скоба точно соответствует какой-то части метра? Не буду же я свою измерительную скобу посылать для контроля в Академию наук?
      Мы очутились в большом, светлом помещении лаборатории. Профессор вынул из портфеля измерительную скобу.
      — Представьте себе, что эту контрольную скобу, которой мастер проверяет в цехе готовые детали, мы заподозрили в неточности.
      Мы должны ее проконтролировать. Для этого надо дать сначала скобе нагреться до той температуры, которая имеется! в лаборатории.
      Профессор взглянул на термометр. В помещении удерживается необходимая температура для измерения — плюс 20 градусов Цельсия. Это тоже международная измерительная величина. Отклонение на один градус дает увеличение или уменьшение длины метрового металлического стержня на 10 — 12 микронов.
      Профессор раскрыл плоскую коробку. В бархате лежало несколько прямоугольных кусочков металла.
      — Этими измерительными плитками, — сказал профессор, — все заводы мира проверяют и устанавливают точность продукции и измерительного инструмента. Измерительными плитками можно обнаружить неточность в 1 микрон, а сами плитки должны быть изготовлены с точностью до долей микрона.
      Продольно и сильно проведенные одна о другую, плитки как бы склеиваются за счет молекулярного сцепления. Для измерения это очень ценное свойство. Благодаря ему мы можем составить из плиток блок необходимого размера.
      Профессор взял со стола измерительную скобу.
      — Измеряемая нами скоба должна иметь расстояние между своими измерительными губками в 40 мм. Я набираю плитки на эту величину.
      Видите, плитки плотно встали между измерительными губками. Так же просто можно проконтролировать этими плитками точность готовой детали. Вы приносите в лабораторию деталь из готовой партии и даете металлу время нагреться до этой «международной» температуры. Под измерительный шпиндель измерительного прибора — индикатор — -устанавливается блок плиток требуемой толщины. Стрелка индикатора должна быть на нуле. Затем мы ставим на место блока плиток измеряемую деталь. Отклонение стрелки индикатора влево или вправо покажет, на сколько деталь меньше или больше заданного размера.
      При контроле изделий весьма высоких точностей нельзя прикасаться рукой к металлу, потому что руки нагреют изделие до температуры более высокой, чем температура воздуха в лаборатории. Для этого изделие берут и передвигают специальными деревянными держателями...
      — Хорошо, профессор, но ведь этой превосходно отрегулированной скобкой проверяет точность деталей обыкновенный контролер. За восемь часов он должен проверить несколько сот деталей. Тут и глаза могут устать, да и превосходно отрегулированная скоба будет давать ошибки.
      — Вы правы. В станкостроении долгое время был разрыв между качеством техники изготовления деталей и качеством техники их измерения. Четырех работающих за станком должен был обслуживать один контролер. Этот живой контролер все же не давал полной гарантии выпуска высококачественных деталей.
      И вот здесь сказали свое слово работники научно-исследовательского бюро взаимозаменяемости в металлообрабатывающей промышленности, руководимые доктором технических наук профессором И. Городецким. Ими были созданы контрольные автоматы, работающие гораздо производительнее и заменяющие труд многих сотен квалифицированных рабочих.
      Профессор пригласил меня пройти в экспериментальный цех.
      — Несколько лет назад, — рассказывал он по пути, — коллектив научно-исследовательского бюро пришел к мысли, что за точность изготовленных деталей должен бороться самый придирчивый, верный и работоспособный контролер — электричество.
      Конструкторам пришлось немало поработать, чтобы заставить электричество помогать вести контроль. Основное, что надо было сделать, — это найти «пальцы» электроавтомата, его щупальцы, через которые будут проходить контролируемые детали. Этими щупальцами стал электрический контакт. Была сконструирована электроконтактная головка — основа аппаратов автоматического контроля.
      Первым контрольным автоматом готовой продукции был выпущен аппарат для контроля диаметров цилиндрических деталей.
      В экспериментальном цехе профессор включил ток для контрольного автомата и насыпал в его бункер мелкие цилиндрические детали. Быстро проходя через контакт электроголовки, детали, в зависимости от размеров, поступали в ящик готовой продукции или брак.
      — За восемь часов работы, — сказал профессор, — автомат проверяет восемь тысяч деталей и не пропускает ни одной детали с отклонением от заданного размера. Автомат стали применять десятки заводов массового производства деталей.
      Но советские конструкторы не останавливались на том, они пошли дальше. Используя электрическую головку, они решили создать другой автомат, более совершенный, — автомат контроля точности в самом процессе изготовления детали. Такой автомат должен не определять брак, а делать его невозможным.
      Было известно, что европейские и американские фирмы усиленно работают над этой же проблемой.
      Через полгода коллектив научно-исследовательского бюро изготовил по проекту инженера А. А. Плоткина первый прибор автоматического контроля точности в процессе производства для желобо-шлнфовального станка.
      К этому же времени солидная американская фирма Ван-Норман изготовила однотипный автомат.
      Решено было произвести сравнительные испытания аппаратов. Обработанное американским автоматом кольцо было измерено в лаборатории. Точность его обработки равнялась пяти микронам.
      Обработанное русским автоматом кольцо было также измерено в лаборатории. Точность его обработки равнялась двум микронам — на три микрона выше точности американского автомата.
      Установив на желобошлифовальном станке с контрольным аппаратом кольцо шарикоподшипника, профессор включил станок. Специальный щуп, связанный с электроконтактной головкой, по мере снятия стружки стал опускаться все ниже, проверяя за резцом каждый миллиметр поверхности обрабатываемого кольца.
      Станок автоматически перешел с черновой обработки деталей на чистовую. Без этого автоматического прибора станок надо было бы останавливать пятнадцать раз и пятнадцать раз производить вручную контрольные измерения. Станок увеличил производительность в пятнадцать раз...
      Рычажок щупа, достигнув нижнего контакта, включал станок.
      — Кольцо обработано, и точность его проконтролирована. Так успешно началось вытеснение измерительного инструмента, — сказал профессор. — На станках, оснащенных таким автоматом, измеряется только расстояние между контактами в электроголовке. Оно должно равняться толщине снимаемого с детали слоя металла.
      Но недалек тот день, когда человеческому глазу и рукам и это измерение не надо будет производить. Щуп, связанный с режущим инструментом, будет скользить по шаблону и обрабатывать поверхность детали уже без всякого измерения.
      «Полное вытеснение измерительного инструмента с заводов!» — вот наш лозунг. Эту важнейшую задачу мы и решаем.
      Вам теперь понятно, почему все наши мины должны были обязательно подойти к минометам?
     
      ВЕСЫ
     
      Весы — один из первых измерительных приборов, изобретенных человеком.
      Процесс взвешивания состоит в уравновешивании силы тяжести (веса) неизвестного груза известными силами. Казалось бы, что при взвешивании измеряется вес груза. Однако это далеко не так.
      На простейших рычажных весах правое и левое плечи коромысла равны, следовательно, при равновесии сила тяжести груза уравновешивается силой тяжести гирь.
      При взвешивании на таких весах происходит не измерение веса, а измерение массы груза путем сравнения его с известной массой гирь (рис. 13).
      Самая древняя схема рычажных весов — это равноплечие весы с подвесными чашками. Почему такие весы находятся в равновесии, когда коромысло расположено строго горизонтально?
      Мы привыкли иметь дело только с устойчивыми весами, у которых центр тяжести коромысла расположен ниже точки опоры.
      1 По статье С. Щедровицкого из журнала «Техника — молодежи», 1951,
      № 5.
      При отклонениях от горизонтального положения сила тяжести коромысла возвращает коромысло в горизонтальное положение.
      Чем ниже расположен центр тяжести коромысла, тем более устойчивы весы, но зато они менее чувствительны, то есть меньше отклоняются, если на одну из чашек добавлен небольшой грузик. Для того чтобы регулировать чувствительность, точные весы снабжаются регулятором положения центра тяжести. Поднимая грузик, увеличивают чувствительность весов, при опускании грузика возрастает устойчивость.
      Грузики на концах коромысла называются регуляторами тары. Они служат для того, чтобы уравновесить коромысло в горизонтальном положении при отсутствии нагрузки.
      Рис. 13. Равноплечие рычажные весы с подвесными чашками
      При взвешивании на равноплечих весах масса гирь должна быть равна массе взвешиваемого груза. Это большое неудобство, особенно когда приходится взвешивать грузы в несколько тонн или десятков тонн.
      Задача значительно облегчается, если сделать коромысло неравноплечим и подвесить чашку для гирь на длинном плече, а чашку для груза — на коротком. Тогда груз будет уравновешиваться гирей, масса которой меньше массы груза во столько раз, во сколько длинное плечо коромысла больше короткого. На весах с отношением плеч 1 : 1000 гиря массой всего в один килограмм уравновесит груз массой в одну тонну.
      Меняя отношение плеч, можно одной и той же гирей уравновешивать различные грузы. Русские мастера умели делать такие весы с «универсальной» гирей еще в глубокой древности. Назывались эти весы кантарем, или русским безменом (рис. 14).
      Принцип безмена используется во всех шкальных весах — так называют теперь весы с переменным отношением плеч.
      Для удобства вместо одной гири применяются две: одна, тяжелая, служит для грубого уравновешивания, вторая, более легкая, заменяет мелкие гири.
      Если сделать равноплечие весы достаточно устойчивыми, расположив центр тяжести коромысла значительно ниже точки опоры, то можно будет взвешивать груз, не кладя гирь на вторую чашку весов. Чем больше будет масса взвешиваемого груза, тем на больший угол отклонится коромысло. Приделав к коромыслу стрелку, можно, пользуясь соответствующей шкалой, взвешивать различные грузы. Такие весы называются квадрантом.
      На принципе квадранта построены многие циферблатные весы (рис. 15).
      Подвесные чашки обладают замечательным свойством — они всегда располагаются так, что центр тяжести груза лежит на одной вертикали с точкой подвески чашки к коромыслу. Это значит, что положение груза и гирь на чашках не влияет на результаты взвешивания, так как плечо при этом не меняется.
      Есть у подвесных чашек и крупный недостаток — на них трудно накладывать большие и тяжелые грузы. В этом отношении платформенные весы обладают большим преимуществом. Для сравнения художник изобразил старинные возовые весы с подвесной площадкой (рис. 16). Для того чтобы показания платформенных весов или весов с верхним расположением чашек не зависели от положения груза, нужно, чтобы платформа перемещалась вверх и вниз, оставаясь горизонтальной.
      Эту задачу решает параллелограммный механизм.
      Принцип параллелограмма в том или ином виде используется в конструкциях всех платформенных весов с верхними чашками.
      Точнее всего нужно взвешивать гири.
      Взвешивание гирь производится на образцовых весах. Самые точные образцовые весы служат для определения массы эталонов. Такие весы называются метрологическими.
      Метрологические весы устанавливаются на фундаменте в специальном помещении, где нет колебаний температуры. Зеркальные стенки витрины, окружающей весы, отражая свет, способствуют сохранению неизменной температуры. Во Всесоюзном научноисследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева для таких весов построен «дом в доме». Помещение, в котором находятся весы, окружено со всех сторон глухим коридором. Экспериментатор находится в соседнем помещении, для того чтобы не повлиять на температуру весов и не создавать колебаний воздуха. Перенос гирь с чашки на чашку и накладывание разновесов производится с помощью специальной системы управления. Вместо стрелки на таких весах используется луч света, отражающийся от зеркала, установленного на коромысле. Отсчет показаний производится с помощью зрительной трубы.
      При таких точных измерениях массы необходимо знать вес воздуха, вытесняемого гирей. Для этого объем гири определяется путем взвешивания на гидростатических весах. Если не учесть разность объемов двух килограммовых гирь, сделанных из разных материалов, то ошибка в определении массы может составить 10 мГи более.
      Точность взвешивания эталонных гирь массой в один килограмм производится с погрешностью не более 0,002 мГ, что составляет всего 0,000 000 002 от номинальной массы гири. Относительная погрешность при взвешивании на метрологических весах в 60 раз меньше, чем погрешность при самых точных измерениях эталонного метра.
      Чем меньше грузоподъемность весов, тем легче обеспечить высокую чувствительность. Грузоподъемность аналитических весов составляет всего 200 Г, зато погрешность взвешивания измеряется в долях миллиграмма. Увеличение чувствительности достигается также за счет уменьшения расстояния между точкой опоры и центром тяжести коромысла до нескольких сотых, а иногда и тысячных долей миллиметра.
      Для взвешивания с точностью до долей миллиграмма используется принцип шкальных весов. Гиря подвешивается на более коротком плече, чем чашка.
      На коромысле наносится рей-терная шкала, вдоль которой можно перемещать специальные гири-рейтеры (рис. 17).
      В аналитических весах коромысло используется и в качестве квадранта. Весы снабжаются отсчетной шкалой, около которой качается стрелка.
      Для увеличения точности отсчета на стрелке часто укрепляется прозрачная микрошкала, изображение которой проектируется на экран.
      Аналитические весы должны быть защищены от внешних воздействий. Достаточно | сказать, что если температура одного плеча коромысла будет всего на 0,2 градуса Цельсия больше, чем температура другого, ТО ошибка взвешивания составит около 0,5 Поэтому аналитические весы закрываются витринои, из которой выступают только ручки управления.
      пще более осторожного обращения требуют микроаналитические весы, рассчитанные на нагрузку в 20 мГ. В этих весах недостаточно закрыть механизм витриной — приходится прятать коромысло в отдельную коробку внутри витрины.
      Часто задача взвешивания малых грузов возникает не только в лабораториях и научно-исследовательских институтах.
      При производстве электрических ламп требуется точно определить длину нити. Проще всего подгонять длину нити, взвешивая ее на весах.
      В этих случаях на помощь приходят пружинные «торзионные» весы. Они изготовляются для нагрузок от 2 мГи до 10 Г. На весах для предельной нагрузки 2 мГцена деления шкалы составляет всего 0,002 мГ.
      Торзионные весы получили широкое распространение не только в электроламповой промышленности. На них взвешивают зерна в сельскохозяйственных лабораториях, тончайшие шелковые нити в текстильной промышленности, порошки и пилюли на фармацевтических заводах.
      Громадный поток грузов отправляется ежедневно по железнодорожным путям Советского Союза. Для их взвешивания применяются вагонные весы (рис. 18).
      Вагонные весы «врезаны» в железнодорожное полотно, а на их платформе проложены рельсы. Платформа покоится на системе рычагов, связанных со шкальным или циферблатным указательным прибором, установленным в весовой будке.
      Существуют весы и для взвешивания паровозов. Конструктору паровоза важно знать, какая доля веса машины приходится на каждый скат.
      Весы состоят из нескольких платформ, по числу скатов. Паровоз ставится на весы так, чтобы каждый скат стоял на отдельной платформе.
      Весы с предельной нагрузкой до 200 Т и более применяются в цехах металлургических заводов для взвешивания расплавленного металла, на сталепрокатных заводах для взвешивания отливок. Грузы, транспортируемые кранами, взвешиваются на мощных крановых весах.
      Автоматические весы взвешивают и записывают результат каждого отвеса и суммарный вес всех пропущенных грузов, автоматически отвешивают заданные порции материалов или продуктов, фиксируя число отвесов, или взвешивают груз на движущемся конвейере.
      Весы с автоматическим уравновешиванием грузов могут быть основаны на принципе квадранта. В этом случае квадрант, отклоняясь, не только перемещает стрелку по циферблату, но и заставляет переворачиваться счетчик или печатающий аппарат.
      У автоматических шкальных весов подвижной груз перемещается вдоль шкалы не от руки, а с помощью электромотора. На конце коромысла устроены электрические контакты. Когда коромысло находится в равновесии, контакты разомкнуты и мотор выключен. Когда коромысло отклоняется от положения равновесия, то замыкается верхняя или нижняя пара контактов и мотор начинает вращаться, подвигая гирю в соответствующем направлении, пока коромысло не вернется в положение равновесия. Весы такого типа часто используются для определения сил, действующих на самолеты при испытаниях самолетов и моделей в аэродинамических трубах.
      Автоматические «порционные» весы применяются на фасовочных фабриках для развески товаров, на элеваторах для приемки и отпуска зерна, на электростанциях для учета расхода угля.
      Автоматические порционные весы представляют собой коромысло, на одном плече которого подвешен ковш для приемки взвешиваемых материалов, а на другом — гири, уравновешивающие коромысло, когда ковш наполнится заранее заданным количеством груза.
      Скорость подачи взвешиваемых материалов регулируется, заслонкой, а количество отвешенных порций — счетчиком.
      При взвешивании таких материалов, как уголь, свекла, руда, один-два лишних куска, упавших в ковш, могут нарушить заданный вес порции. Порционные весы для таких материалов, кроме счетчика числа отвешенных порций, снабжаются счетчиком перевеса. Коромысло весов связано с квадрантом, отклонения кото-
      рого пропорциональны избыточному весу порции. Квадрант приводит в действие счетчик перевеса.
      В рамках одной статьи трудно перечислить псе разнообразные конструкции весов, выпускаемых нашей промышленностью. Каждый год появляются новые, более совершенные типы весовых механизмов, предназначенные для обслуживания всех отраслей нашего народного хозяйства.
     
      ДВИЖЕНИЕ И СКОРОСТЬ
     
      Измерение скорости
      «Жизнь — это движение». В справедливости этого мы убеждаемся на каждом шагу. Даже буквы, при помощи которых написано это изречение, появились как следствие движения пера по бумаге. Достаточно посмотреть вокруг и можно увидеть множество движущихся тел: движется воздух, перемещаются автомобили, троллейбусы; обгоняя их, мчится звуковой сигнал, предупреждающий об их приближении, медленно, но непрерывно движутся тени предметов.
      Как разобраться во всем этом множестве различных движений? Как их сравнить друг с другом?
      Ответ на эти вопросы дает нам одна величина - скорость.
      Все вы, конечно, знаете, что скорость измеряется расстоянием, проходимым движущимся телом за единицу времени. Однако движений так много, и они настолько разнообразны, что приходится применять различные размерности скоростей: километры в час, метры в минуту, сантиметры в секунду.
      Но в мире есть такие движения, скорость которых в этих размерностях выражалась бы либо очень большими, либо чересчур малыми цифрами. Приведем таких два противоположных примера.
      Если прижать друг к другу гладко отполированные куски меди и свинца и оставить их в таком положении на тридцать-сорок лет, то по истечении этого срока их нельзя будет разнять — чаогицы меди вследствие диффузии проникнут в толщу свинца, а частицы свинца будут перемещаться в глубь куска меди. Это перемещение может служить примером очень медленного движения.
      Выражая скорость этого движения в километрах в час, получим ничтожное число с огромнейшим количеством нулей после запятой. Тут лучше применить размерность миллиметры в год, и при этой размерности быстрота проникновения одного металла в толщу другого выразится большой дробью, т. е. очень малым числом.
      Если же мы захотим выразить скорость распространения света в километрах в час, то получим весьма большое число с девятью нулями.
      Поэтому предельно большие скорости выражают чаще всего в километрах за секунду
      Спортсмены и физкультурники выражают обычно скорость движении немного иначе: числом секунд или минут, расходуемых на продвижение по определенной дистанции: 100 м, 500 м, 5000 м. Так, мировой рекорд быстроты бега на 100 ж — 10,4 секунды. Значит, скорость бегуна на этой дистанции достигает в среднем почти 10 ж в секунду.
      Несложными расчетами одно выражение скорости легко переводится в другое. Этот перевод необходим при сравнении двух скоростей: они должны быть выражены в одинаковых единицах.
      Так, например, можно сравнить нормальную поступь человека со скоростью таких медлительных животных, как улитка или черепаха.
      Улитка вполне оправдывает репутацию, приписываемую ей поговоркой: она проходит 1,5 мм в секунду, или 5,5 м в час, — ровно в тысячу раз меньше человека!
      Черепаха ненамного перегоняет улитку — ее обычная скорость — 70 м в час.
      Проворный рядом с улиткой и черепахой, человек предстанет перед нами в ином свете, если сопоставить его движение с другими, даже не очень быстрыми движениями в окружающей природе.
      Так, с мухой, пролетающей 5 ж в секунду, человек сможет успешно состязаться только при быстрой езде на лыжах. Зайца или охотничью собаку человек не перегонит даже на лошади.
      По зато машины, изобретенные человеком, делают его одним из самых быстрых существ. Вот что рассказывает инженер Б. Ляпунов о борьбе человека за скорость:
      — Необъятен мир чудес советской техники, где решается одна из важнейших задач современного технического прогресса — борьба за скорость (рис. 19).
      Велики успехи, достигнутые в этой борьбе. За полвека скорость резания металлов выросла в нашей стране в 150 раз. Теперь она доходит для стали до 2000 м в минуту, для легких сплавов — до 3500 — 4000ж! Сравнительно недавно эти цифры показались бы фантастикой.
      Тысячи, десятки тысяч оборотов в минуту стали сегодня привычной меркой. Со скоростью 10 000 оборотов в минуту вращается вал токарного станка-автомата. 18 000 оборотов в минуту делают веретена современного ткацкого станка.
      Число оборотов авиационной газовой турбины, установленной на скоростном реактивном самолете, достигает 15 000 в минуту. Опытные газовые турбины развивают 60 000 оборотов в минуту.
      На десятки тысяч оборотов пошел счет и у создателей приборов для летчиков и моряков: в гигроскопических приборах мы встречаемся с огромными скоростями вращения.
      В наши дни появились электромоторы невиданных еще скоростей дающие 18 000 — 48 000 оборотов вала в минуту. Создан сверхскоростной мотор на 120 000 оборотов. Быстроходные электромоторы работают теперь в станках для обработки дерева и металла, в ручных электроинструментах.
      Инженеры воспользовались силой воздушной струи, чтобы получить огромные числа оборотов. Воздушные турбины, вращающие шлифовальные шпиндели и авиационные гироскопы, обеспечивают скорости ог 10 000 до 100 000 оборотов в минуту, а особо быстроходные — и до 150 000. -
      При небольшом диаметре вращающегося ротора можно получить чрезвычайно большие, сверхвысокие скорости — до четверти миллиона оборотов в минуту. А в одном из опытов с крошечным ротором диаметром около одного сантиметра удалось получить свыше миллиона оборотов в минуту!
      Есть и ультрацентрифуги, работающие при 150 000 оборотов в минуту.
      Скорость реактивных самолетов превысила сейчас 1000 км в час. Созданы и сверхзвуковые самолеты со скоростями до двух тысяч километров в час.
      Быстрее звука летают сегодня ракеты, поднимающие приборы на сотни километров ввысь. А конструкторы мечтают уже о космических скоростях, о километрах в секунды, чтобы одолеть притяжение Земли и вырваться в межпланетное пространство.
      Электроны, которые двигаются с огромными, недостижимыми для частей наших машин, космическими скоростями, позволяют нам создавать сверхбыстрые машины, действующие мгновенно. В этих машинах электроны помогают изучать электрические колебания, недоступные нашим органам чувств, измерять отрезки времени в миллионные доли секунды, видеть и слышать на расстоянии.
      С огромными скоростями работают вычислительные устройства автоматов «машинной математики», где тоже участвуют электроны. Современные автоматические счетно-решающие устройства могут рассчитать траекторию метеорита вдвое быстрее, чем он летит от границ атмосферы до Земли.
      Частицы вещества можно разогнать в ускорителях до скоростей, близких к скорости света. Именно здесь получена скорость, которая меньше световой всего лишь на три сотых доли процента. Это самая большая скорость, которую человек получил искусственно на Земле.
      Нет предела могуществу человеческого разума, могуществу науки и техники. Быть может, скорости, с какими сейчас летают лишь электроны, скорости, доступные лишь в микромире, станут когда-нибудь подвластны и человеку — покорителю вселенной, строителю межпланетных кораблей.
      Ведь мы живем в эпоху, когда, по словам Горького, расстояние от самых безумных фантазий до совершенно реальной действительности сокращается с поразительной быстротой...
     
      Скорость — понятие относительное
      Всем хорошо известно то странное положение пассажира поезда, который, глядя из окна вагона на соседний состав, не может сказать, какой из составов начал двигаться: тог, в котором находится он, или тот, который он видит. Происходит это потому, что всякое движение можно заметить лишь в том случае, когда есть возмож» ность сравнить положение движущегося тела с каким-либо, которое считаем неподвижным. Поэтому и скорость — понятие относительное.
      Относительность движения определяется тем, по отношению к чему мы определяем скорость этого движения.
      Рис. 20, Скорость — понятие относительное
      Так, человек, мчащийся в автомобиле со скоростью 100 км в час, полагает, что он движется быстро и притом в определенном направлении. На самом же деле он движется гораздо быстрее, да еще в нескольких направлениях сразу (рис. 20).
      Действительно, шоссе, по которому движется автомобиль, составляет часть поверхности Земли и вместе со всей планетой участвует в ее движениях: суточном — вокруг земной оси и годовом — вокруг Солнца. Земля является частью солнечной системы и вместе с прочими планетами и Солнцем движется в области созвездия Геркулеса. Подобно другим звездам, Солнце, сопровождаемое своими планетами, перемещается по огромной орбите внутри Галактики (Млечного Пути), которая, по-видимому, тоже мчится куда-то в пространство.
      Все эти движения совершаются с различными скоростями: автомобиль по шоссе делает 100 км в час, вместе с шоссе вследствие вращения Земли вокруг ее оси он делает 1700 км в час;
      вместе с Землей по ее орбите он несется со скоростью 108 000 км в час;
      вместе с Землей и Солнцем он развивает еще около 72 000 км в час в направлении созвездия Геркулеса.
      Обращаясь в Галактике вместе с Солнцем, он делает около 1 000 000 км в час.
      Как видно, всякое движение определяется прежде всего скоростью, с которой оно совершается. Кроме того, всякое движение для его определения должно быть сопоставлено с некоторым состоянием покоя, хотя и оно часто относительно.
     
     
      Раздел второй
      ЗАКОНЫ ДИНАМИКИ
     
      ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ МЕХАНИКИ
     
      История развития механики — одной из древнейших наук — тесно связана с историей общества. Ранее других отраслей механики зародилась статика, развитие которой тесно связано со строительным искусством древних египтян, кораблестроением у древних греков и внедрением весов в торговом обмене.
      Памятники древней механики и строительства (египетские пирамиды, остатки строительных сооружений древней Греции и Рима), папирусы, произведения античных ученых подтверждают значительное развитие статики в древнем мире.
      В египетских папирусах мы находим изображение тарелочных весов (рис. 21), шадуфа — колодезного журавля (рис. 22). Таким образом, уже в те времена были известны равноплечие и неравноплечие рычаги.
      Рис. 21 Египетские весы
      Рис. 22. Игппетскип колодезный журавль (шадуф)
      Еще большего расцвета достигла античная наука в древней Греции. Греческий ученый Архит Терентский (ок. 440 — 360 годах до н. э.) установил первые принципы механики, а также изобрел блок и винт. Древним грекам были известны не только рычаги, весы, безмены, но и клещи, топоры, кривошипы, зубчатые колеса и другие простые механизмы.
      Одним из величайших механиков и математиков древности был греческий ученый Архимед (ок. 287 — 212 годах до н. э.). Свои замечательные физико-математические познания он применил к разнообразным задачам естествознания и техники, в частности к конструированию многочисленных машин и сооружений. Архимед, в частности, изобрел бесконечный винт (рис. 23) и водоподъемную машину, названную архимедовым винтом (рис. 24). Водоподъемник Архимеда представляет собой цилиндрическую трубу длиной 4 — 6 м, открытую с двух сторон. По оси трубы расположен вал с винтовой поверхностью. Один конец архимедова винта установлен там, где жидкость должна подниматься, другой конец погружен в жидкость.
      При вращении винта вода поднимается вдоль трубы и непрерывно выливается из верхнего отверстия. Таким образом, действие винта фактически основано на принципе наклонной плоскости.
      Архимедов винт обладает несомненными преимуществами по сравнению с поршневым насосом, так как позволяет производить; подъем загрязненной, илистой воды, в то время как поршневые насосы хорошо работают лишь при подъеме чистой воды.
      В настоящее время водоподъемники Архимеда почти не применяются, так как сильно уступают центробежным насосам, однако в III веке до нашей эры изобретение такой машины представляло замечательное достижение. В наши дни архимедов винт иногда используется для передвижения твердых и сыпучих тел, для перемешивания жидкостей, а также как часть некоторых машин.
      В 213 году до н. э. римские войска осадили родной город Архимеда — Сиракузы. Для защиты города Архимед изобрел ряд военных машин: катапульты, пушки, выбрасывавшие на большое расстояние камни различной величины — от огромных глыб до небольших кусков; спускавшиеся на канатах «журавлиные клювы», которые захватывали носы вражеских кораблей, приподнимали их и, сотрясая и раскачивая, приводили в негодное состояние. Элементами таких машин были блоки, винты, зубчатые колеса, пружины и водяные двигатели.
      Приведем живой и красочный рассказ древнего историка Плутарха о машинах Архимеда в действии:
      «Когда римляне осадили город с двух сторон, сиракузцы испугались. От страха каждый молчал, потому что не надеялся оказать сопротивление такой грозной силе. В это время и привел Архимед в действие свои машины. В неприятельскую пехоту неслись пущенные им различного рода стрелы и невероятной величины камни с шумом и страшной быстротой. Решительно ничто не могло вынести силы их удара. На море внезапно поднимались со стен над кораблями бревна, загнутые наподобие рога. Они ударяли на некоторые корабли сверху и силой удара топили их. Другие железными лапами или клювами, наподобие журавлиных, схватывали корабли за носы, поднимали их в вертикалыюм направлении на воздух, ставили корабль на корму и затем (удалив крюк) топили.
      Иногда корабль, перевязанный протянутыми в противоположном направлении веревками, вертелся из стороны в сторону, кружась, наскакивал на скалы и утесы, находившиеся возле городских стен, и тонул вместе с многочисленным экипажем.
      Часто корабль поднимало высоко над поверхностью моря и, вися в воздухе, к ужасу окружающих, он качался в разные стороны, пока весь экипаж не был сброшен или перестрелян. Тогда пустой корабль или разбивался об стены, или крюк опускали, и он шел ко дну.
      Машина, которую Марцелл поставил на нескольких кораблях и подвозил к стенам, называлась самбукой по сходству ее с музыкальным орудием того же имени. Она не успела подойти к стене, как оттуда вылетел камень весом в десять талантов2, за ним другой, третий. Они упали на машину со страшным шумом и силой, разбили ее корпус, разорвали болты и уничтожили связи... Наконец, римляне стали так трусливы, что если замечали, что над стеной движется кусок каната или бревно, то кричали: «Вот, вот оно!», и, думая, что Архимед хочет направить на них какую-либо машину, устремлялись в бегство.
      Видя это, Марцелл прекратил всякого рода сражения и нападения...»
      В ряде научных сочинений Архимед излагает свои открытия в области статики и гидростатики. Он сформулировал один из основных законов гидростатики, носящий его имя: «Твердые тела, которые легче жидкости, будучи погружены в жидкость, стремятся кверху с силой, равной превышению веса жидкости, взятой в объеме этих тел, над весом самих тел.
      Тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены в жидкость, погружаются все глубже, пока не достигают дна, и, пребывая в жидкости, теряют в своем весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объеме этих тел».
      Архимед несомненно может быть назван основателем статики. Он впервые предложил теорию рычага и, в частности, сформулировал закон рычага: «Соизмеримые величины весов находятся в равновесии, если расстояние точек их приложения от точки опоры обратно пропорциональны весам». В этом законе, правда в скрытом виде, имеется понятие момента силы, играющее основную роль во всей современной механике. Работы Архимеда позволяли создать научную теорию равновесия и, таким образом, решать важные практические задачи.
      В первом столетии нашей эры в Александрии работал выдающийся греческий инженер и ученый Герон, создавший ряд остроумных аппаратов, приводимых в движение нагретым или сжатым воздухом или паром. Он изобрел различные сифоны (рис. 25); аппарат для открывания дверей; паровой шар, приводимый в движение реакцией вытекающего пара; аппарат для продажи «священной воды» и т. д. Изобретения Герона значительно опередили общий уровень развития античной техники и не были в должной мере поняты современниками.
      Механизмы и автоматы не могли получить широкого применения в условиях рабовладельческого общества. Лишь пожарный насос и некоторые другие гидравлические машины Герона были применены при жизни изобретателя.
      Итак, в древности уже было накоплено много сведений по статике и гидростатике, сконструировано много простых машин. Значительно .меньшего развития достигла в те времена динамика, первая попытка создания которой принадлежит великому древнегреческому ученому Аристотелю (384 — 322 годы до н. э.). Динамика Аристотеля содержала немало ошибочных утверждений и носила в значительной степени фантастический характер, так как она не была основана на эксперименте, опыте. Основой научного метода ученого являлось созерцание явлений, а не опыт. Аристотель считал, что в природе существует два вида движений: естественные и насильственные. Если движение производится самими телами без вмешательства посторонней причины, то они являются естественными. К ним Аристотель относил круговые движения небесных тел, а также падение тяжелых тел вниз и движение легких тел вверх. Все остальные движения являются, по Аристотелю, насильственными, для них необходима действующая причина — «сила».
      Рис. 25. Сифон Герона
      Ученый считал, что более тяжелые тела падают быстрее менее тяжелых. Он выдвинул неправильное положение о том, что действующая сила пропорциональна скорости, а не ускорению.
      Механика Аристотеля исключала возможность правильного понимания инерции тел. Исходя из его утверждений, надо, например, считать, что тело, брошенное под углом к горизонту, летит по прямой и, наконец, изменив направление, движется вертикально вниз. Несмотря на целый ряд ложных положений, динамика Аристотеля означала все же определенный шаг вперед в развитии науки. Аристотель привлек внимание к таким понятиям механики, как сила и скорость, и впервые пытался начать изучение механических движений.
      Новый этап в изучении вопросов механики относится к эпохе Возрождения и связан с именем замечательного итальянского мыслителя и ученого Леонардо да Винчи (1452 — 1519 годы). С развитием мореходства, военного дела, ремесел, торговли в XIV — XV веках начинается расцвет наук. Ученые отказываются от созерцательного метода изучения природы. Леонардо да Винчи первым провозгласил опыт, эксперимент как единственный источник познания. В своих научных исследованиях он неизменно добивался экспериментальной проверки своих предположений.
      Леонардо да Винчи, очевидно, впервые в истории механики провел специально организованные опыты, в частности для изучения свободного падения тел.
      Он рассеял некоторые ошнбочныо утверждения механики Аристотеля. Леонардо да Винчи, указав, что тело, брошенное под углом к горизонту, движется по параболе, пришел к выводу, что движение тела под действием силы тяжести является равномерно-ускоренным.
      В своих исследованиях он приближается к выводу закона инерции. В работах Леонардо да Винчи можно встретить такие записи:
      «Всякое тело стремится сохранить себя или каждое движущееся тело, движется постоянно, пока в нем сохраняется сила его двигателя». «Всякое движение постольку будет продолжать путь своего бега по прямой линии, поскольку в нем будет сохраняться природа принуждения, выполняемого его двигателем».
      Леонардо да Винчи впервые в истории науки занялся изучением теории полета, его замечательные и тонкие наблюдения над особенностью полета птиц сохраняют свою важность и для нашего времени.
      Он пишет в своих записках: «Ты видишь, как удары крыльев в воздухе поддерживают тяжелого орла и в самом тяжелом и в самом разреженном воздухе. С другой стороны, ты видишь, как воздух, движущийся над морем, натягивает паруса и гонит нагруженный корабль. Из этих доказательств можно узнать, что человек с большими крыльями, действуя силой на сопротивляющийся воздух, сумеет победить его и подняться вверх». Причину полета птиц Леонардо поясняет сжатием воздуха: «под ударами крыльев воздух сжимается и птица держится на воздухе, как на твердом теле». Теоретические исследования позволили ему сконструировать модель планера, изобрести парашют и обосновать возможность построения геликоптера.
      Изучая полеты птиц, Леонардо близко подошел к формулировке принципа действия и противодействия: «Такая же сила создается предметом против воздуха, как и воздухом против предмета».
      Леонардо был не только гениальным ученым, но и выдающимся инженером. Он проектировал и осуществил постройку каналов, занимался вопросами мелиорации, разработал ряд проектов оборонных сооружений, крепостей, башен и бастионов. Механическая самопрялка, проект которой создал Леонардо да Винчи, была значительно более производительной, чем те, которыми ранее пользовались.
      Работы над созданием статики были завершены голландским ученым Стевипым (1548—1620 годы). Изучая равновесие тел на наклонной плоскости,
      Стевип открыл разложение силы на составляющие, т. е. закон параллелограмма сил. Свои открытия в области статики Стевин изложил в известной книге «Начала статики», вышедшей в 1587 году (рис. 26).
      В XVII столетии развернулась деятельность выдающихся ученых Декарта и Галилея, исследования которых и положили основы динамики.
      В 1644 году французский ученый Декарт (1596 — 1650) сформулировал закон инерции так: «Думаю, что природа движения такова, что если тело пришло в движение, то этого уже достаточно, чтобы оно продолжало его с той же скоростью по направлению той же прямой линии до тех пор, пока его не остановит или отклонит какая-либо другая причина». Мерой влияния такой посторонней причины Декарт считал величину mv (количество движения).
      Большой вклад в развитие динамики внес великий итальянский ученый Галилео Галилей (1564 — 1642). Он занимался исследованием законов свободного падения тел и доказал ошибочность взглядов Аристотеля в этом вопросе.
      Существует легенда, что когда в 1583 году Галилей наблюдал раскачивание двух люстр разной величины, которые висели в Пизанском соборе на шнурах одинаковой длины (рис. 27), он обратил внимание, что обе люстры двигались одинаково, т. е. достигали положения равновесия за одно и то же время. Движение этих люстр можно уподобить свободному падению, и поэтому Галилей увидел в этом явлении несоответствие утверждениям Аристотеля.
      Галилей провел многочисленные опыты с падением тел. С наклонной Пизанской башни он сбрасывал тела разного веса и убедился в том, что все тела падают с одинаковой скоростью, если только их сечение не сильно изменяется с изменением веса (так как большая разница в сечении существенно изменяет величину сопротнвления воздуха). Впоследствии действительно было установлено, что в безвоздушном пространстве тела разной поверхности и массы падают одинаково.
      Так Галилей установил законы свободного падения тел. Он также исследовал движение тела, брошенного в горизонтальном направлении, и установил сложность этого движения.
      «Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления, то ...движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость продолжалась бы в пространстве без конца. Если же плоскость конечна и расположена высоко, то тело, имеющее вес, достигнув конца плоскости, продолжает двигаться дальше таким образом, что к его начальному равномерному беспрепятственному движению присоединяется другое, вызываемой силой тяготения, вследствие чего возникает сложное движение из равномерного горизонтального и естественного ускоренного движения».
      Галилей устанавливает понятие мгновенной скорости, ускорения (не употребляя самого термина) и закон сложения движений.
      Окончательная и полная формулировка законов механики принадлежит великому английскому физику И. Ньютону.
     
      ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ
     
      Галилео Галилей (1564 — 1642)
      Гениальный итальянский ученый Галилео Галилей родился 15-февраля (по старому стилю) 1564 года в г. Пизе.
      По свидетельству Вивиани (ученика и первого биографа Галилея), Галилей еще в детские годы с успехом мастерил различные механические игрушки, конструировал действующие модели машин, мельниц, кораблей. Очевидно, уже в эти годы у Галилея развились необыкновенная наблюдательность и любознательность. Еще в годы учебы Галилей делает открытие, имевшее большое научное и практическое значение, — открывает изохронность колебания маятника. Вивиани так рассказывает об этом: «Благодаря остроте своего ума он изобрел простейший и верный способ измерения времени с помощью маятника, никем прежде него не усмотренный.
      Для сего воспользовался случайным наблюдением качания люстры, когда находился в Пизанском соборе, сделал точный опыт, убедился в равной продолжительности колебаний, и ему тогда же пришла мысль приспособить маятник в медицине для измерения биения пульса к удивлению и восторгу врачей, и в том виде, как это и ныне употребляется. Этим открытием он потом пользовался во многих опытах для измерения времени и движении и первый применил его к наблюдению небесных тел, чем достиг небывалых результатов в астрономии и географии».
      Из этого видно, что уже в первом открытии Галилея резко проявились черты, которые характеризуют его как ученого нового типа. Проявилась наблюдательность Галилея, от которой не ускользали, казалось бы, незначительные явления, проявилось умение делать научные обобщении из опыта, наконец, оценка практического значения полученных результатов.
      Далее Галилей установил «относительность движения», введя понятие о движении одних тел относительно других, установил также понятие инерции, скорости, ускорения. Исследуя падение тел, он доказал неправильность утверждения Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тел.
      Материальная необеспеченность заставила Галилея в 1592 году перейти на работу в университет г. Падуи. В Падуе полностью развернулись блестящие дарования Галилея. Здесь сформировалось его научное мировоззрение и здесь же сложился план борьбы за укрепление позиций новой науки.
      В Падуе Галилей открывает законы динамики, изобретает термоскоп, зрительную трубу и обогащает науку новыми открытиями.
      Долго люди считали, что центром Вселенной есть Земля, около которой вращаются светила, созданные богом. Так учила религия, так учил древнегреческий ученый Птолемей.
      Гениальный польский ученый Николай Коперник в XVI столетии разработал новую систему мира. Он учил, что центром Вселенной является Солнце, вокруг которого вращаются небесные светила, в том числе и Земля. Против этой новой научной системы яростно боролось духовенство, и много людей поплатились за поддержку этого учения. Так, выдающийся последователь учения Коперника — Джордано Бруно — по суду инквизиции был заживо сожжен на костре.
      В Падуе Галилей разрабатывает доказательства в защиту системы Коперника. Изобретя телескоп, он мог практически подтвердить учения Коперника. С помощью телескопа Галилей доказал, что Луна лишь отражает солнечный свет, что на Луне есть горы, которые отбрасывают тени. Одно за другим отпадали неверные представления. С помощью телескопа Галилей обнаружил, что планета Венера, как и Луна, изменяет свою видимую форму, что она вращается вокруг Солнца, что на поверхности Солнца есть пятна, обнаружил много фактов, подтверждающих учение Коперника и отрицающих неверное учение Птолемея. Борьба за систему Коперника была борьбой за новое научное мировоззрение, борьбой с реакционной идеологией церкви (духовенства).
      Новое учение Галилей изложил в одной из своих прекрасных работ — «Диалог о двух системах мира, Птолемея и Коперника». За эту работу Галилей был осужден судом инквизиции и сослан.
      Под угрозой смерти Галилей вынужден был официально отречься от поддержки учения Коперника.
      Но несмотря ни на что, старый ученый не сдался. Слепой и немощный, он продолжает в глубоком подполье борьбу против противников науки и заканчивает выдающийся труд — «Беседы и математические доказательства о двух новых науках». Эта книга является вершиной научного творчества Галилея. Основы механики, акустики, молекулярной физики и учения о сопротивлении материалов — таково содержание этой изумительной книги.
      Только по механике Галилей изучал следующие вопросы:
      1) равномерное движение тел;
      2) законы свободного падения тел;
      3) движение тел по наклонной плоскости;
      4) теорию маятника;
      5) закон сложения сил;
      6) движение тела, брошенного под углом к горизонту;
      7) понятие относительного движения.
      Лишенный возможности заниматься астрономией (вследствие потери зрения и запрещения инквизиции, под надзором которой он находился до смерти), он в ряде высказываний и в переписке с друзьями, по-прежнему, высмеивает ничтожество научных представлений своих противников.
      Умер Галилей 8 января 1642 года. Всю свою жизнь Галилей посвятил науке и несмотря ни на что мужественно боролся за создание новой науки, за научное мировоззрение.
     
      ЗАКОН НЕЗАВИСИМОСТИ ДЕЙСТВИЯ СИЛ
      Чтобы дать представление о творчестве Галилея, приводим ниже выдержки из его сочинения «Диалог о двух великих мировых системах» (1632 год).
      «Заключите себя с каким-нибудь приятелем в возможно просторном помещении под палубою большого корабля и пустите туда мух, бабочек и других подобных маленьких летающих животных. Пусть будет там также большой сосуд с водой и в нем рыбки. Подвесьте также к потолку ведро, из которого капля за каплей вытекала бы вода в другой сосуд с узким отверстием, находящийся внизу под ним. Пока не движется корабль, наблюдайте, как эти летающие животные с разной быстротой будут летать во все стороны комнаты. Увидите, что рыбы будут плавать безразлично во все стороны; падающие капли будут попадать в подставленный сосуд. И вы, бросая приятелю какую-нибудь вещь, не будете принуждены употреблять большую силу для того, чтобы бросить ее в одну сторону, чем в другую, если только расстояния одинаковы. Притом вы будете проходить одинаковые пространства во все стороны, куда бы ни прыгали. Наблюдайте хорошенько за всем этим, и заставьте привести в движение корабль с какою угодно быстротой.
      Если движение будет равномерно, то вы не заметите ни малейшей перемены во всех указанных действиях и ни по одному из них не в состоянии будете судить, движется ли корабль или стоит на месте. Вы, прыгая, будете проходить по полу те же самые пространства, как и прежде, т. е. вы не сделаете вследствие того, что корабль движется весьма быстро, больших прыжков к корме, чем к носу корабля, хотя в то время, когда вы находитесь в воздухе пол, находящийся под вами, бежит к части противоположной вашему прыжку. Бросая вещь товарищу, вам не нужно с большей силою бросать ее, если он будет у носа корабля, вы же около кормы, чем наоборот. Капли будут падать, как прежде, в нижний сосуд, и ни одна капля не упадет по направлению к корме, несмотря на то, что в то время как капля находится в воздухе, корабль уходит вперед на несколько локтей. Рыбы в своей воде не с большим трудом будут плавать к одной, чем к другой стороне сосуда, и будут подходить с одинаковой ловкостью к пище, положенной на какое угодно место края сосуда. Наконец, бабочки и мухи будут по-прежнему летать во все стороны и не будут держаться более около той стены, которая ближе к корме, как будто устали следовать за быстрым ходом корабля, от которого они, находившись долго в воздухе, как будто разъединены. И если зажжете несколько ладона, то дым пойдет вверх, будет держаться в виде облачка и безразлично двигаться в ту или другую сторону.
      Причина того, что все эти действия так соответствуют одно другому, заключается в том, что движение корабля обще всему находящемуся в нем и воздуху. Для этого и нужно, говорил я, чтобы мы находились под палубой. Если бы мы были над нею, на открытом воздухе, который не следует за движением корабля, то заметили бы разницу, более или менее ощутительную, в некоторых описанных явлениях. Дым, без сомнения, отставал бы, как и сам воздух. Мухи и бабочки, встречая сопротивление воздуха, не могли бы следовать за кораблем, если хоть немного от него отделятся. Держась совсем вблизи, они могли бы еще беспрепятственно и без напряжения следовать за кораблем: как постройка неправильной формы, корабль увлекает за собой прилежащие слои воздуха».
     
      ПАДЕНИЕ ТЕЛ
      Предлагаемый отрывок взят из книги Галилея «Собеседования о двух новых науках», в которой изложены сделанные им открытия в механике, — между прочим, законы падения тел. Книга написана в форме разговора трех лиц: Симпличио, сторонника древнего учения Аристотеля, Сальвиати, высказывающего мысль Галилея, и третьего собеседника, Сагредо.
      «Симпличио. Аристотель утверждает, что различные тела в одной и той же среде движутся с разной скоростью и непременно пропорционально их весу, так что груз, больший в 10 раз, и движется в 10 раз скорее. Дальше он принимает, что скорости одной и той же массы в разных средах обратно пропорциональны плотностям, так что, если, например, плотность воды вдесятеро больше плотности воздуха, то скорость в воздухе вдесятеро больше, чем в воде.
      С а л ь в и а т и. Очень сомневаюсь в том, чтобы Аристотель когда-нибудь проверял на опыте, действительно ли два камня, из которых один вдесятеро тяжелее другого, если пустить их в одно и то же мгновение, например, с высоты 100 локтей, что такие два камня получает настолько различное движение, что по прибытии большего на месте, меньший пройдет лишь 10 локтей.
      С и м п л и ч и о. По вашим словам можно думать, что вы производили подобные опыты, иначе вы не говорили бы таким образом.
      С а г р е д о. Но я, синьор Симпличио, не производил никаких опытов и все же утверждаю, что пушечное ядро в 100, 200 и более фунтов ни на пядь не обгонит полуфунтовую ружейную пулю, если оба упадут с высоты 200 локтей.
      С а л ь в и а т и. Не производя длинных опытов, мы можем путем одного лишь краткого рассуждения доказать невозможность того, чтобы большой груз двигался скорее, нежели меньший, если оба они состоят из одного и того же вещества. Если у пас имеются два тела, обладающие разными скоростями, и если мы их соединим, то ясно, что движущееся скорее получит замедление, а движущееся, медленнее — ускорение. Согласны вы с этим?
      С и м п л и ч и о. Этот вывод я нахожу совершенно правильным.
      С а л ь в и а т и. Но если это верно, и если бы было справедливо, что больший камень движется, например, со скоростью 8 локтей, а малый со скоростью 4 локтей, то оба вместе должны были бы, если их соединить, обладать скоростью меньшей, чем 8 локтей. По ведь оба камня вместе, конечно, весят больше, чем больший камень, обладавший скоростью в 8 локтей, и, стало быть, выходит, что более тяжелый камень (происшедший от соединения двух) будет двигаться м е д л синее, чем легки й, а это противоречит нашему предположению. Отсюда вы видите, что из допущения, будто более тяжелое тело обладает большей скоростью, чем легкое, я вас могу привести к выводу, что более тяжелое тело движется медленнее.
      С и м п л и ч и о. Я совсем смущен, потому что мне все-таки представляется, что меньший камень, соединенный с большим, должен увеличивать его вес, а потому должен увеличить также и его скорость или по крайней мере не уменьшат!, се.
      С а л ь в и а т м. Вы впадаете в новую ошибку, синьор Сим-плнчио, потому что неверно, будто меньший камень увеличивает вес большего.
      С и м п л и ч и о. Вот как! Но это должно происходить, сколько я понимаю...
      С а л ь в и а т и. Ничуть! Вы псе поймете, гели я вас высвобожу из рамок того заблуждения, в котором вы находитесь. Заметьте хорошо, чго в данном вопросе надо различать, движется ли уже тело или находится в покое. Если мы положим камень на одну чашку весов, то от прибавки еще одного камня вес увеличится; даже от куска пакли он возрастает. Но если вы возьмете камень, связанный с паклей, и дадите ему возможность свободно падать
      с большой высоты, то неужели вы думаете, что пакля во время движения будет давить на камень и ускорять его движение или камень будет замедлен в своем движении, как бы поддерживаемый куском пакли? Мы ощущаем груз на наших плечах лишь в том случае, если стараемся помешать его движению. Но если мы ста-• нем двигаться вниз с такою же скоростью, как и груз, лежащий на нашей спине, то как он может давить и обременять нас? Не ду. маете ли вы, что это подобно тому, как если бы мы захотели поразить копьем кого-либо, кто бежит впереди нас с такою же скоростью, с какою движемся и мы? Итак, вы должны вывести заключение, что при свободном падении малый камень не давит на большой и не увеличивает его веса, как это бывает при покое.
      Симпличио. Ну, а если бы больший камень покоился на меньшем?
      Сальвиати. Тогда он должен был бы увеличить его вес лишь в том случае, если бы скорость его была больше. Но мы уже выяснили, что если бы меньший груз падал медленнее, то уменьшил бы скорость большего груза, следовательно, составная масса двигалась бы медленнее своей части, — что противоречит вашему допущению. Итак, разрешите принять, что большие и малые тела движутся с одинаковой скоростью.
      Симпличио. Все-таки мне не верится, чтобы капля свинца и пушечное ядро падали с одной и той же скоростью.
      Сальвиати. Скажите лучше: крошечная песчинка и мельничный жернов...
      С а г р е д о. Не думаю, чтобы вы старались нас убедить, что и пробка падает так же быстро, как свинец.
      Сальвиати. Если устранить сопротивление среды, все тела падали бы с равными скоростями.
      Симпличио. Подумайте, что вы сказали! Ну, можно ли говорить, что в одном и том же пустом пространстве прядь льна будет падать так же скоро, как и свинцовая пластинка?
      Сальвиати. Для этого необходимо пространство, в котором совершенно не было бы воздуха и всякого другого тела, хотя бы тонкого и уступчивого. Но такого пространства нет, и потому нам остается наблюдать, что случается в средах тонких и мало сопротивляющихся сравнительно с тем, что бывает в средах менее тонких и более сопротивляющихся. Мы находим, что с уменьшением плотности среды уменьшается и разность в скоростях падающих тел... Из этого можно, мне кажется, с большой вероятностью заключить, что в пустоте тела падали бы со скоростью, вполне одинаковой».
      Ниже мы приводим разъяснения к работам Галилея по исследованию законов свободного падения тел.
      Для исследования законов свободного падения Галилей использовал столь излюбленные им геометрические методы Архимеда, и это наложило известный отпечаток не только на терминологию, но и на всю методику разработки этого вопроса.
      С точки зрения формы — это изложение вопроса в виде теорем, лемм и следствий из них. С точки зрения содержания — это стремление изобразить зависимости в виде пропорций. Это часто мешает выразить закон достаточно полно. Например, при рассмотрении свободного падения это приводит к тому, что уделяется много внимания вопросам сравнения скоростей, сопоставлению величин пройденного пути, но почти совершенно не указываются методы абсолютного определения этих величин.
      Галилей много внимания уделил тому, чтобы доказать, почему движение свободно падающего тела обязательно должно быть равноускоренным. Начинает он с доводов умозрительного характера. Он, например, говорит:
      «Когда я замечаю, что камень, выведенный из состояния покоя и падающий со значительной высоты, приобретает все новое и новое приращение скорости, не должен ли я думать, что подобное приращение происходит в самой простой и ясной для всякого форме? Если мы внимательно всмотримся в дело, то найдем, что нет приращения более простого, чем происходящее всегда равномерно».
      И заключает он словами: «Наконец, к исследованию естественно ускоренного движения нас непосредственно привело внимательное наблюдение того, что обычно имеет место и совершается в природе».
      На основании всех своих рассуждений он приходит к выводу, что единственно возможным движением свободно падающего тела является равноускоренное движение.
      В трудах Галилея мы можем найти страницы, посвященные доказательству того, что скорость тела изменяется равномерно, без скачков, что падающее тело начинает свое движение с ничтожно малых скоростей, а не сразу скачком набирает скорость, как это казалось многим его современникам и как это часто кажется наблюдателю.
      Разрабатывая вопросы равноускоренного движения, Галилей показал, что именно такое движение свойственно свободно падающему телу. Он дал строгое определение этому виду движения, показал, как нарастает в этом случае скорость, указал, по какому закону нарастает величина пройденного пути.
      Чтобы выведенные законы движения свободно падающего тела были полными, ему надо было отойти от принятого им сравнительного метода и дать прямые зависимости между скоростью, ускорением, временем и пройденным путем. •
      Законы движения свободно падающего тела были выведены Галилеем для идеализированных условий, без учета трения. Это не значит, что он не понимал влияния трения на характер происходящих при свободном падении процессов.
      Галилей понимал, что тяжелые и легкие тела падают в воздухе несколько по-разному не потому, что верны абстрактные взгляды Аристотеля, а потому, что здесь имеют место разные силы трения.
      Галилей говорит: «Причина различной скорости падения тел различного веса не заключается в самом их весе, а обусловливается внешними причинами, главным образом сопротивлением среды, так что если бы устранить последнее, тб все тела падали бы с одинаковой скоростью»1.
      Сопоставляя процесс падения тел в воздухе и в жидких средах, в частности в воде, Галилей показывает, как влияет вязкость этих сред на величину трения.
     
      ИСААК НЬЮТОН
     
      Исаак Ньютон (1643 — 1727)
      Исаак Ньютон — один из самых выдающихся физиков, математиков и астрономов. Он сформулировал основные законы классической механики, закон всемирного тяготения, установил важные закономерности в оптике, открыл способ вычисления бесконечно малых величин и т. д. Почти всю свою сознательную жизнь Ньютон посвятил науке.
      Ньютон родился 25 декабря 1642 года2 в Вульсторпе (Англия). Его отец — небогатый фермер (арендатор) умер незадолго до рождения Ньютона. Еще в раннем детстве Исаака мать его вторично вышла замуж и переехала к мужу, оставив своего сына в Вульсторпе на попечении бабушки. Когда Исааку было 12 лет, его отдали] на воспитание в школу-пансион в Грентеме. Сначала он учился плохо и считался одним из самых отстающих учеников в классе. Рассказывают, что его отношение к учебе резко изменилось после неудачной стычки с одним из товарищей. Исаак был хилым мальчиком и не мог отстоять себя перед более развитыми физически товарищами по школе. Тогда Ньютон решил добиться авторитета в школьном коллективе не силой, а познаниями в науках. Вскоре он достиг этого и стал самым лучшим учеником в школе.
      С детских лет Ньютон занимается изготовлением механических аппаратов и игрушек. Среди изготовленных им моделей — ветряные мельницы, повозочки-самокаты, водяные часы. Некоторые из этих игрушек вызывали всеобщее удивление: в модель ветряной мельницы он посадил мышку-мельника, которая управляла механизмом и потом съедала перемолоченную муку, а к воздушному змею приспособил зажженный фонарь, и жители принимали этого запущенного змея за комету.
      В 16-летнем возрасте Ньютон производит первые исследования по определению скорости ветра. Для этого он измеряет длину своего прыжка против ветра и по ветру.
      Интересы будущего ученого были весьма многосторонними. Он много читал, пользуясь библиотекой аптекаря Кларка, занимался живописью. Одним нз юношеских увлечений Ньютона была поэзия.
      Однажды Ньютон прочел книгу алхимика Бэта «Тайны природы и искусства». С этого времени началось увлечение алхимией. Свои опыты Исаак проводил в лаборатории аптеки.
      Через два года мать вернула мальчика на ферму, намереваясь обучить его ведению хозяйства и торговым операциям. Однако эти попытки были малоуспешными. Юноша с гораздо большим интересом читал книги или решал математические задачи. Его дядя Эйскоу н школьный учитель Стокс посоветовали матери снова отдать сына в школу и подготовить его к продолжению образования. Мать вняла этим просьбам, и после трехлетнего обучения в Грентеме Ньютон в 1661 году поступает в Кембриджский университет.
      Вскоре он выдвинулся в число лучших студентов.
      Студенты университета в Кембридже делились на группы в зависимости от происхождения и богатства. Ньютон принадлежал к беднейшим студентам, которые были освобождены от платы за 1 правоученне, однако вынуждены были обслуживать преподавателей и богатых студентов.
      В университете Ныотон изучал богословие, древние языки, однако с особым интересом он занимается геометрией, арифметикой и астрономией.
      Будущий ученый проявил выдающиеся успехи и за 7 лет учебы прошел все научные ступени — от бакалавра и магистра до руководителя кафедры. Именно в это время он и собирает материал почти для всех своих замечательных научных открытий.
      Еще будучи студентом, он вывел формулу для произвольноположительной степени суммы двух слагаемых через их степени (бином Ньютона). В это же время он разрабатывает метод вычисления бесконечно малых величин (тогда он назывался методом флюсий)1.
      В это же время Ньютон много работает над вопросами оптики. В 24-летпем возрасте он впервые экспериментально исследует явления дисперсии света, выясняет происхождение разных цветов и конструирует первый зеркальный телескоп.
      Одновременно с Ньютоном этот метод разработал немецкий ученый Лейбниц.
      Изобретение зеркального телескопа привлекает внимание Королевского общества (Английской академии наук), которое избирает Ньютона своим членом в начале 1672 года. Через месяц после избрания он докладывает обществу о своей работе «Новая теория о свете и цветах» (О дисперсии света).
      Ньютон продолжает свои исследования в области оптики, производит опыты по интерференции света и высказывает гипотезу о природе света, согласно которой свет состоит из мельчайших частиц — корпускул.
      Начиная с 1679 года он систематически работает над вопросами небесной механики и, в частности, тяготения. Распространен рассказ о том, что мысль о тяготении возникла у Ньютона еще в 1666 году, когда он обратил внимание на падение яблока с дерева.
      Один из друзей великого ученого Стекелей оставил следующие воспоминания о своем посещении Ньютона: «После обеда, — пишет он, — погода была жаркая; мы перешли в сад и пили чай под тенью нескольких яблонь; были мы только вдвоем. Между прочим, сэр Исаак сказал мне, что точно в такой же обстановке он находился, когда впервые ему пришла в голову мысль о тяготении. Она была вызвана падением яблока, когда он сидел, погрузившись в думы. Почему яблоко всегда падает отвесно, подумал он про себя, почему не в сторону, а всегда к центру Земли. Если материя так тянет другую материю, то должна существовать пропорциональность ее количеству. Поэтому яблоко притягивает Землю так же, как Земля яблоко. Должна, следовательно, существовать сила, подобная той, которую мы называем тяжестью, простирающаяся по всей Вселенной»1.
      Ньютон стремился установить для явлений тяготения такие же количественные соотношения, как и для оптических явлений. Ньютону было известно, что действие источника света убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от него. По аналогии у него возник вопрос, не убывает ли и сила тяготения в такой же пропорциональности.
      Не сразу Ньютон сделал правильно выводы. Он производил многочисленные расчеты, но они не давали удовлетворительных результатов, так как в те времена длина радиуса Земли еще не была точно определена. Позднее Пикар точно определил радиус Земли. Это дало Ньютону возможность определить действие силы тяготения Земли на Дуну: «падения» Луны на Землю.
      Он установил, что сила тяготения между Землей и Луной уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.
      Затем ученый распространил закономерности, установленные по отношению к Земле и Луне, на все планеты, образующие солнечную систему. Позднее он сформулировал закон всемирного тяготения. Гипотеза о всемирном тяготении была окончательно подтверждена экспериментальными исследованиями ученых различных стран.
      Вершиной научного творчества Ньютона является работа «Математические начала натуральной философии», которая вышла из печати в 1687 году. Эта книга является настоящей энциклопедией физико-математических знаний того времени. В этом произведении ученый впервые сформулировал известные законы движения:
      «I Закон. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
      II Закон. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
      III Закон. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга равны и направлены в противоположные стороны».
      Кроме законов механики, в книге изложены математические труды Ньютона, его исследования по небесной механике и гидромеханике.
      Несмотря на выдающиеся заслуги в области науки, Ньютон был плохо обеспечен материально. Отказавшись принять духовный сан, он был лишен возможности пользоваться всеми льготами, установленными для членов Королевского общества.
      В 1696 г. для упрочения буржуазного строя в Англии возникла необходимость проведения денежной реформы. Проведение реформы было поручено Ньютону, приглашенному для работы в Монетный двор. В течение двух лет под руководством Ньютона была перечеканена вся монета Англии. Выдающаяся организаторская деятельность послужила основанием для назначения его директором Монетного двора.
      В эти годы творческая научная деятельность ученого значительно ослабла. В начале 90-х годов XVII столетия Ньютон тяжело заболел. Во время пожара сгорели рукописи его научных работ. Ученый пережил тяжелое нервное потрясение.
      После выздоровления он мало занимаете!! научной работой и посвящает себя делам Монетного двора.
      В 1703 г. Ныотопа избирают президентом Королевскою общества.
      В эти годы Ньютон в основном подводил итоги своей огромной творческой деятельности. Он напечатал многие свои работы прежних лет, остававшиеся ранее неизвестными.
      На 80-м году жизни великий ученый заболел каменной болезнью, от которой умер в мочь с 20 на 21 марта 1727 года 84 лет от роду. Ньютон похоронен в Лондоне, с большими почестями в английском национальном пантеоне — Вестминстерском аббатстве.
      На надгробье высечена надпись, закапчивающаяся словами: «Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение человеческого рода».
      Гениальные открытия Ньютона составляют славу и гордость мировой науки. Изучая тернистый, но славный путь познания человеком законов природы, путь борьбы с невежеством, мы отдаем должное великому ученому.
      В 1943 году мировая общественность отметила 300-летие со дня рождения Ньютона. Эта дата совпала с тяжелыми годами второй мировой войны. В нашей стране, несмотря на напряженность исторических дней Сталинградской битвы, была широко отмечена эта дата. В это трудное время в СССР была издана превосходная биография Ньютона, написанная бывшим президентом Академии наук СССР покойным академиком С. И. Вавиловым.
     
      ИНЕРЦИЯ
     
      Прыгать на ходу с подножки трамвая или из кузова машины никогда не следует. Попытки нарушить это правило нередко приводят к неприятным последствиям. Объясняется это очень просто. В первый момент после прыжка человек продолжает еще двигаться вперед, в направлении движения машины. Он как бы «продолжает ехать» и, коснувшись ногами земли, не может сразу остановиться. Чтобы не упасть, он должен пробежать несколько метров, а это не всем и не всегда удается сделать.
      Машинист паровоза еще задолго до станции выключает пар. Он уже знает, что и без работы машины поезд доедет до платформы, что даже необходимо будет включить тормоз, чтобы остановить состав в намеченном железнодорожными правилами месте. Показателем искусства машиниста считается умение так рассчитать, чтобы поставить паровоз, например, под колонку для набора воды, не отцепляя его от поезда и не подтягивая или не осаживая назад состав после остановки.
      Шофер автомашины не все время заставляет работать мотор, а, набрав скорость, он его отключает, и много еще метров катится автомобиль по ровной, гладкой дороге.
      Если велосипедист налетает на камень или придорожный столбик, то нередко он перелетает через руль, продолжая свое движение в том же направлении, но теперь уже без велосипеда.
      Такие случаи знакомы и конькобежцу, и всаднику, и каждому человеку, если он с помощью каких-либо средств перемещается с более или менее значительной скоростью и при этом встречается с препятствиями, нарушающими равномерность его движения.
      Мяч от ноги футболиста движется по полю прямо, пока не остановится или пока его не ударит другой игрок и не изменит направления его движения. Биллиардный шар после удара кием движется строго по прямой линии, пока не столкнется с другим шаром или бортом биллиарда, и только после этого он меняет направление своего движения.
      Древнегреческий ученый Аристотель считал, что движение тела, вызванное каким-либо другим телом, должно само собой прекратиться, так как телам, по его мнению, свойственно стремление к покою. Он поражался, почему движение брошенного камня продолжается и после того, как камень отделился от руки. Ответ на этот вопрос частично был дан спустя 2000 лет после Аристотеля итальянским ученым Галилеем, а позднее, в 1687 году, был точно сформулирован Ньютоном и назван_законом Ньютона, или законом инерции.
      Закон инерции читается так: «Всякое тело неограничено долго сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если воздействие со стороны других тел не изменяет этого состояния».
      Под инерцией надо понимать не просто самый факт покоя или равномерного движения, а присущее всякому телу свойство сохранять величину и направление скорости своего движения.
      Рассмотрим еще несколько примеров, в которых также ярко обнаруживается инерция тел.
      Вагоновожатый трамвая включил ток большой силы, и вагон сразу получил значительное ускорение. Пассажиры вследствие инерции продолжают в течение некоторого времени сохранять свое состояние покоя, которое они имели на остановке. В результате они как бы отстают от движения вагона и в момент рывка вагона вперед откачнутся в направлении, обратном движению. При резком торможении вагона благодаря той же инерции пассажиры будут двигаться некоторое время вперед с прежней скоростью, тогда как скорость вагона уже снизилась. В результате они как бы опережают вагон в своем движении и теперь качнутся в сторону передней площадки. Аналогичное явление наблюдается при резком торможении поезда: с полок падают чемоданы, соскальзывает со стола посуда; все эти предметы движутся вперед по ходу поезда. Какой-нибудь предмет, выброшенный из окна движущегося поезда, падает не отвесно вниз, а благодаря своей инерции летит еще вперед по направлению движущего поезда.
      Инерцию мы используем, когда желаем насадить топор на новое топорище или изменить положение ножа в рубанке. Рисунки 27а и 276 наглядно показывают это.
      Многие наши действия в повседневной жизни часто основываются на использовании закона инерции, хотя мы не всегда обращаем внимание на объяснение этих явлений. Например, нужно выбить пыль из ковра, одеяла, одежды. Чтобы выбить пыль из ковра, мы вешаем ковер на веревку, берем палку и ударяем по ковру. Что же при этом происходит? Резким ударом мы сообщаем части ковра быстрое движение. Волокна ковровой ткани, в которых, как в ячейках, находятся пылинки, совершают хотя небольшое, но быстрое движение. Пылинки, сохраняя состояние покоя выходят из ячеек ткани и уносятся ветром, подобно тому, как вылетает горошина, положенная в рюмку, при быстром движении рюмки вниз.
      Рис. 27а. Насаживание топора на топорище
      Рис. 276. Изменение положения ножа в рубанке
      Примеров, подтверждающих первый закон механики — закон инерции, можно привести бесчисленное множество. Нет таких тел, которые были бы лишены свойства инерции. Ничтожно малый по размерам электрон, точно так же как и земной шар, обладает свойством инерции.
     
      ДЕЙСТВИЕ И ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ
     
      Желая открыть дверь, вы тянете ее за ручку к себе. Мышца вашей руки, сокращается: она с одинаковой силой влечет дверь и ваше туловище одно к другому. В этом случае совершенно ясно, что между вашим телом и дверью действуют две силы, приложенные одна к двери, другая — к вашему телу. То же самое, разумеется, происходит и в случае, когда дверь открывается не на вас, а от вас: силы расталкивают дверь и ваше тело.
      То, что мы наблюдаем здесь для силы мускульной, верно для всякой силы вообще, независимо от того, какой она природы. Каждое усилие действует в две противоположные стороны; оно имеет, выражаясь образно, два конца (две силы): один приложен к телу, на которое, как мы говорим, сила действует, другой приложен к телу, которое мы называем действующим. Сказанное принято выражать в механике коротко — слишком коротко для ясного понимания — так: «действие равно противодействию».
      Смысл этого закона состоит в том, что в каждом случае проявление действия силы вы должны представлять себе, что где-то в ином месте имеется другая сила, равная этой, но направленная в противоположную сторону. Эти две силы действуют непременно между двумя точками, стремясь их сблизить или растолкнуть.
      1 По книге Я. И. Перельмана «Занимательная механика«.
      Пусть вы рассматриваете (рис. 28) силы Я, (2 и Я, которые действуют на грузик, подвешенный к детскому воздушному шарику. Тяга Р шара, тяга 2 веревочки и вес Я грузика — силы как будто одиночные. Но это лишь отвлечение от действительности; на самом деле для каждой из трех сил имеется равная ей, но противоположная по направлению сила. А именно сила, противоположная Р, приложена к нити, через которую она передается воздушному шарику (рис. 29, сила Я,); сила, противоположная силе 2, действует на руку (2]); сила, противоположная силе Р, приложена к Земле (сила /?1, рис. 29), потому что грузик не только притягивается Землей, но и сам ее притягивает.
      Еще одно существенное замечание. Когда мы спрашиваем о величине натяжения веревки, которая растягивается двумя силами в 1 кГ, приложенными к концам веревки, мы спрашиваем в сущности о цене 10-копеечной почтовой марки. Ответ содержится в самом вопросе: веревка натянута с силой 1 кГ. Сказать «веревка растягивается двумя силами в 1 кГу или «веревка подвержена натяжению в 1 кГ» — значит выразить буквально одну и ту же мысль. Ведь другого натяжения в 1 кГбыть не может, кроме такого, которое состоит из двух сил, направленных в противоположные стороны. Забывая об этом, впадают нередко в грубые ошибки, примеры которых мы сейчас приведем.
      Задача о двух лошадях
      Две лошади растягивают пружинные весы с силой 100 кГкаждая. Что показывает стрелка весов? (рис. 30).
      Решение
      Многие отвечают: 100+100=200 кГ. Ответ неверен. Силы по 100 кГ, с которыми тянут лошади, вызывают, как мы только что видели, натяжение не в 200, а только в 100 кГ.
      Поэтому, между прочим, когда магдебургские полушария растягивались восемью лошадьми, которые тянули в одну сторону, и восемью — в противоположную, то не следует думать, что они растягивались силой шестнадцати лошадей. При отсутствии противодействующих восьми лошадей остальные восемь не произвели бы на полушария ровно никакого действия. Одну восьмерку лошадей можно было бы заменить просто достаточно устойчивой стеной.
      Задача о двух лодках
      К пристани на озере приближаются две одинаковые лодки (рис. 31). Оба лодочника подтягиваются с помощью веревки. Противоположный конец веревки первой лодки привязан к тумбе на пристани; противоположный конец веревки второй лодки находится в руках матроса на пристани, который также тянет веревку к себе.
      Все трое прилагают одинаковые усилия.
      Какая лодка причалит раньше?
      На первый взгляд может показаться, что причалит раньше та лодка, которую тянут двое: двойная сила порождает большую скорость.
      Но верно ли, что на эту лодку действует двойная сила?
      Если и лодочник и матрос оба тянут к себе веревку, то натяжение веревки равно силе только одного из них, иначе говоря, оно такое же, как и для первой лодки. Обе лодки подтягиваются с равной силой и причалят одновременно1.
      1 С таким решением не согласился один из читателей, высказавший соображение, которое, возможно, возникнет и у других при чтении этой книги:
      «Чтобы лодки причалили, — писал он, — надо, чтобы люди выбирали веревки. А двое, конечно, за то же время выберут веревки больше и потому правая лодка причалит скорее». Этот простой довод, кажущийся на первый взгляд бесспорным, на самом деле ошибочен. Чтобы сообщить лодке двойную скорость (иначе лодка не пристанет вдвое скорее), каждый из двоих тянущих должен тянуть лодку с надлежащим образом увеличенной силой. Только при таком условии удается им выбрать вдвое больше веревки, чем одному (в противном случае — откуда возьмется у них для этого свободная веревка?). Но в условии задачи оговорено, что «все трое прилагают одинаковые усилия». Сколько бы двое ни старались, им не выбрать веревки больше, чем одинокому, раз сила натяжения веревок одинакова.
     
      Загадка пешехода и паровоза
      В практике бывают нередко случаи, когда как действующая, так и противодействующая силы приложены в разных местах одного и того же тела. Мускульное напряжение или давление пара в цилиндре паровоза представляет примеры таких сил, называемых «внутренними».
      Особенность их та, что они могут изменять взаимное расположение частей тела, насколько это допускает связь частей, но никак не могут сообщить всем частям тела одно общее движение. При выстреле из ружья пороховые газы, действуя в одну сторону, выбрасывают пулю вперед. В то же время давление пороховых газов, направленное в противоположную сторону, сообщает ружью движение назад.
      Но если внутренние силы неспособны перемещать все тело, то как же движется пешеход? Как движется паровоз? Сказать, что пешеходу помогает трение ног о землю, а паровозу трение колес о рельсы, — не значит еще разрешить загадку. Трение, конечно, совершенно необходимо для движения пешехода и паровоза: известно, что нельзя ходить по очень скользкому льду («как корова на льду», — говорит распространенная поговорка) и что паровоз, находясь на скользких рельсах (например, при обледенении), «буксует»; это значит, что колеса паровоза вертятся, но паровоз с места не двигается. Каким же образом трение может помочь пешеходу или паровозу сдвинуться с места?
      Загадка разрешается довольно просто. Две внутренние силы, действуя одновременно, не могут сообщить телу движения, так как эти силы лишь сближают или раздвигают отдельные части тела. Но что будет, если некоторая третья сила уравновесит или ослабит действие одной из двух внутренних сил? Тогда ничто не помешает другой внутренней силе двигать тело. Трение и есть та третья сила, которая ослабляет действие одной из внутренних сил и тем дает возможность другой силе двигать тело.
      Представьте себе, что вы стоите на очень гладкой поверхности, например на льду, и хотите сдвинуться с места. Вы делаете усилие, чтобы занести правую ногу вперед. Между отдельными частями вашего тела начинают действовать внутренние силы, подчиняющиеся закону равенства действия и противодействия. Этих сил много, но действие их будет приблизительно такое же, как если бы на ваши ноги действовали только две силы, из которых одна Р1 толкает правую ногу вперед, а другая Р2, равная и противоположная первой, толкает левую ногу назад (рис. 32). Результатом действия этих сил будет только то, что обе ваши ноги подвинутся: одна вперед, другая назад, ваше же тело или, лучше сказать, его центр тяжести останется на месте. Иначе будет обстоять дело, если левая нога опирается на шероховатую поверхность (лед под ногой посыпан песком). Тогда сила К2, действующая на левую ногу, уравновесится (полностью или частично) силой трения Р3, действующей на подошву левой ноги, а сила Р1, приложенная к правой ноге, подвинет ее вперед, и центр тяжести всего тела также переместится вперед. Практически при ходьбе мы, занося одну ногу вперед, приподнимаем ее и тем устраняем трение между этой ногой и полом, в то время как на вторую ногу действует сила трения, которая препятствует скольжению этой ноги назад.
      С паровозом дело обстоит несколько сложнее, но и тут вопрос сводится к тому, что сила трения, приложенная к ведущим колесам паровоза, уравновешивает одну из внутренних сил, давая тем самым возможность другой силе двигать паровоз.
     
      СИЛЫ ВОКРУГНАС
     
      Вы работаете ножом, пилой, молотком; строгаете, сверлите и обтачиваете на станках детали. В таких работах участвуют малые силы: числа, выражающие эти силы, казалось бы, ничтожны по сравнению с огромными величинами, которые встречаются в технике.
      Пример — самолет. Его грузоподъемность составляет иногда 78 Т. Сам он весит 39 Т. Четыре мотора на 3 тысячи лошадиных сил каждый поднимают в воздухе десятки тонн и несут их высоко над землей на тысячи километров вдаль. Усилия наших рук как будто теряются в мире таких величин.
      Другой пример. Ново-Краматорский ордена Ленина машиностроительный завод изготовляет турбины мощностью в 100 тысяч киловатт. Это 136 тысяч лошадиных сил. Нелегко представить себе даже в десятки раз меньшую мощность. Вот наш замечательный паровоз «ИС». Движением руки машинист этого паровоза приводит в действие механизм мощностью в 2360 лошадиных сил.
      Вообразите впереди поезда вместо паровоза 2360 запряженных попарно лошадей. Подобная «упряжка» растянулась бы на 2,5 км.
      А упряжка из 136 тысяч лошадей — на 150 км.
      С огромной силой пар давит на стенки котлов: в паровых котлах некоторых типов развивается давление в 120 атмосфер. «Атмосфера» в технике — это давление в 1 кГна 1 кв. см. Таким образом, н котлах мощных паровозов давление пара превосходит 120 кГна квадратный сантиметр. Величина, что и говорить, — внушительная! Можно подумать, как ничтожно по сравнению с ней давление, которое мы в состоянии произвести вручную!
      Однако, когда вы вонзаете в картон булавку, ее острие давит с силой в тысячи килограммов на квадратный сантиметр.
      Это кажется невероятным... Но самый простой расчет не оставляет сомнения. В самом деле: ведь вы давите на булавку с силой не меньше килограмма. А площадь острия булавки равна примерно 0,1 х0,1 =0,01 кв. мм, или 0,0001 кв. см. Давление же 1 кГи на такую площадь равносильно давлению 10 тыс. кГна квадратный сантиметр, то есть 10 тысячам атмосфер.
      Отсюда видно, кстати, почему острые нож и игла хорошо режут и колют, а тупые — плохо: чем меньше поверхность, на которую мы давим, тем большая сила приходится на одну и ту же площадь, острые же игла и нож давят на меньшие площади, чем тупые.
      Еще сильнее, чем острые булавки, давит кончик гвоздя, по шляпке которого вы бьете молотком. Это показывает простое рассуждение. Спокойно лежащий молоток весом в 1 кГдавит с силою 1 кГ. Но вот вы подняли молоток, скажем, на четверть метра и дали ему свободно, без приложения силы руки, упасть на шляпку гвоздя. Расчет показывает, что в этом случае давление увеличивается раз в сто. Значит, в момент удара наш килограммовый молоток как бы превращается в стокилограммовый. Иначе говоря, ударить килограммовым молотком по гвоздю — это то же, что спокойно положить на гвоздь груз весом в сто килограммов. А если поднять молоток выше да еще приложить к нему силу руки? Тогда молоток ударит уже с силой не в сто, а в несколько сот килограммов.
      Предположим теперь, что площадь острия гвоздя равна 0,1 кв. мм, то есть 0,001 кв. см. Следовательно, в момент удара острие гвоздя передает давление в сотни тысяч килограммов на квадратный сантиметр, то есть в сотни тысяч атмосфер. Это во много раз больше давления пороховых газов в артиллерийском орудии.
      Конечно, когда мы вбиваем обыкновенный гвоздь в стену, давление его острия в действительности на много меньше расчетного: значительная часть удара затрачивается на расплющивание шляпки, сжатие и трение гвоздя в стене и на нагревание. Если же взять гвоздь из очень твердого материала, упереть его в стальную плиту и ударить по нему молотком, то в этом случае острие гвоздя действительно надавит с силой в сотни тысяч килограммов на квадратный сантиметр. Вот почему молотком и острым, твердым инструментом возможно делать вручную насечки даже на стали.
      Теперь вы понимаете, какими огромными силами управляют ваши руки при работе даже на самых малых станках. Так, нажимая при сверлении с помощью рычага сверлом на деталь, вы создаете давление в тысячи атмосфер. Неудивительно, что сверло впивается в металл, словно шило в доску, и во все стороны летят стружки, как при очинке карандаша из мягкого дерева.
      Подобными же силами вы повелеваете, работая и на токарном, строгальном, фрезерном станках: кроша металл и снимая с него стружку, резцы и фрезы производят своими остриями давление в тысячи и десятки тысяч атмосфер.
     
      ТРЕНИЕ ПОКОЯ
     
      В ясный солнечный день по лесу мчался поезд. Машинист стоял у окна и внимательно смотрел на дорогу. Поезд шел на максимальной скорости. Вдруг в густой тени деревьев машинист заметил какую-то темную полосу, пересекавшую железнодорожное полотно. Через несколько мгновений машинист рассмотрел, что это упавшее на путь дерево.
      До дерева оставались считанные сотни метров. Машинист быстро включил тормоза. Поезд замедлил ход, однако расстояние до дерева становилось все меньше и меньше. «Давай задний ход!» — закричал кочегар. Но машинист не послушался. Поезд шел все тише и тише и, наконец, остановился.
      Правильно ли поступил машинист, не дав паровозу обратный ход?
      Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить, какие именно силы вызывают торможение поезда.
      Конечно, каждый ответит, что это силы трения. Действительно при торможении поезда тормозные колодки при помощи сжатого воздуха прижимаются к колесам, замедляя их вращение. Чем сильнее прижимаются к колесу колодки, тем быстрее замедляется вращение колес и тем быстрее останавливается поезд. Однако как только колесо начнет проскальзывать по рельсу, сила трения между ними, наоборот, сразу уменьшается. Максимальная сила трения между колесом и рельсом будет тогда, когда оно еще не проскальзывает по рельсу, но малейшее увеличение тормозного момента уже вызовет проскальзывание. Это максимальное трение и называют «трением покоя».
      Если у поезда, идущего со скоростью 80 км!час, мгновенно остановить вращение колес, то поезд начнет скользить по рельсам, как скользят санки по снегу. При этом тормозной путь поезда окажется равным примерно 150 м. Но если тормозить поезд таким образом., чтобы не было проскальзывания колес по рельсам, поезд остановится примерно через 125 м.
      Таким образом, машинист, не дав колесам паровоза обратного вращения, уменьшил путь поезда до остановки.
     
      СИЛЫ ТРЕНИЯ
     
      Трение!
      Это слово знакомо каждому, не ним обычно связано представление о чем-то замедляющем, тормозящем движение.
      Это связь подсказана нам повседневным опытом. Мы знаем, что без трения действительно не обходится никакое движение.
      Мы знаем еще, где возникают силы трения: там, где поверхности тел соприкасаются друг с другом или с окружающей средой — водой или воздухом.
      Мы знаем также, что трение зависит от свойств этих поверхностей и от свойств среды.
      Можно, например, сколько угодно шлифовать, полировать, смазывать соприкасающиеся поверхности, трение между ними уменьшится в пять, в двадцать, в сто раз, но полностью избавиться нам от него никогда не удастся.
      Но рассуждая таким образом, мы обнаруживаем свое слишком поверхностное знакомство с этим распространенным и сложным явлением.
      Разберем же повнимательнее, не совершаем ли мы серьезной ошибки, стремясь к полному уничтожению трепня.
      Сражение с вещами
      Представим себе на минуту, что невозможное стало возможным и трение исчезло. Исчезло сразу и целиком. Нет больше сил, которые мешают любому движению, где бы и в каких бы условиях оно ни происходило. Поверхности всех тел сделались очень скользкими, еще более скользкими, чем поверхность чистого льда, и совершенно не тормозятся друг о друга при взаимном соприкосновении.
      Воздух и вода потеряли вязкость и как будто сами расступаются перед движущимся предметом, не оказывая никакого сопротивления.
      1 По книге Л. Лисовского и А. Соломоновича «Силы трения».
      Трения нет; казалось бы, о нем вообще можно забыть и широко пользоваться теми выгодами, которые теперь с его исчезновением появились. А этих выгод немало: увеличилась экономичность машин и механизмов, возросли скорости всех видов движения, прекратился износ отдельных деталей.
      Но посмотрим, однако, сумеем ли мы так быстро забыть о трении, не напомнит ли оно чем-нибудь о себе.
      Предположим, что сейчас утро того дня, когда исчезло трение, и что вы, читатель, только что проснулись.
      ...Чудесное летнее утро. Лучи восходящего солнца золотят крыши домов и проникают в окно вашей комнаты. Но разбудило вас не солнечное тепло, а холод. Ваше одеяло лежит на полу. Оно сползло, наверное, в ту самую минуту, когда исчезло трение.
      Вы окончательно просыпаетесь и оглядываете комнату. Но ваша ли это комната? Дверь и окна находятся на своих обычных местах. Вы узнаете обои на стенах, мрамор на подоконниках. Сомнения нет, вы в своей комнате, но почему она так странно изменилась? Почему стол стоит совсем не в том углу, где он простоял столько лет? И почему рядом с ним стоит шкаф? Кто передвинул его от двери? Почему вся мебель сгрудилась у одной стены и туда же переехала ваша кровать, застряв между столом и шкафом? Даже ботинки, стоявшие под кроватью, переехали вместе с ней на новое место.
      Невидимый шутник, наделавший в комнате такой беспорядок, — это сила тяжести. Пол в комнате никогда не был вполне горизонтальным, но прежде вы этого не замечали: силы трения удерживали все предметы в комнате на отведенных им местах и сопротивлялись силе тяжести, которая постоянно стремилась сдвинуть их в сторону еле заметного уклона пола.
      Но вот трение исчезло — безраздельным хозяином вещей сделался их собственный вес, и он тотчас же передвинул все предметы в самое низкое место вашей комнаты.
      Однако эти мелочи не слишком портят ваше хорошее настроение. Весело насвистывая, вы соскакиваете с кровати и становитесь на ноги и в тот же момент беспомощно валитесь на скользкий, будто покрытый льдом-, пол. Ноги разъезжаются в разные стороны. Нет больше трения между подошвами ваших ног и полом, и малейшего толчка достаточно, чтобы нарушить устойчивость.
      С трудом поднявшись и опираясь на скользящие под руками стулья, вы одеваетесь. Это тоже теперь стало нелегким делом. Скользит одежда, скользят шнурки на ботинках, они потеряли всякую способность связываться: узлы, не сдерживаемые более силой трения, расползаются при малейшем натяжении. После нескольких попыток завязать шнурки вы убеждаетесь в том, что это совершенно безнадежно. К счастью, вам приходит в голову мысль заменить шнурки жесткой проволокой. Теперь дело идет на лад. Ботинки крепко зашнурованы проволокой, а концы проволоки скручены.
      Здесь вместо трения сдерживающей силой служит упругость проволоки. Ксе-как справившись с одеванием, вы, осторожно передвигая ноги, медленно идете умываться. Поминутно скользя и хватаясь за стены, вы, наконец, добираетесь до умывальника.
      Тут вас снова ждут неожиданности. Крап открыт, и из пего полной струей хлещет вода: напор воды вывернул кран, ведьего не удерживает больше сила трения. Струя воды, бьющая из крана, совсем не похожа на обычную спокойную струйку. Ее и струей-то нельзя назвать.
      Это какой-то бешеный, неукротимый поток воды. Он вырывается из крана, как из пожарного брандспойта.
      Ведь то большое давление, под которым гонит воду насосная станция, не умеряется более силами трения, тормозившими раньше воду в трубах водопровода.
      Устремляясь в раковину, этот поток образует бурлящий водоворот — умываться нет никакой возможности. Вы пытаетесь завернуть крап потуже, но тщетно. Стоит вам отпять руку, кран тотчас же развертывается. Наученные печальным опытом со шнурками, вы не пытаетесь теперь затянуть кран бечевкой — вы знаете, что в мире без трения не завязать узла. Вместо бечевки на помощь снова проходит проволока. Кран завернут, и бушующий поток заперт в трубе. Теперь, наконец, можно будет умыться.
      Здесь мы прервем наш фантастический рассказ. Мы видим, что в мире без трения окружающие предметы потеряли бы устойчивость и перестали бы спокойно стоять на отведенных им местах. Многие вещи приобрели бы совсем несвойственные им и неожиданные качества, а человек в этом необычном для него мире превратился бы в существо неловкое и беспомощное.
      Это, однако, еще не Есе. Исчезновение трения повлекле бы за собой целый ряд других, еще более серьезных последствии.
      Могут ли работать машины, когда нет трения?
      Попробуйте выдернуть вбитый в доску гвоздь. Без клещей вам вряд ли удастся это сделать (рис. 33 и рис. 34).
      Что же держит так крепко гвоздь в дереве? Ведь поверхность гвоздя гладкая, сам он прямой, зацепиться ему за дерево как будто нечем? Держит гвоздь сила трения.
      Когда его забивали, то заостренный конец с силой раздвигал древесные волокна, проделывая отверстие, по которому проходило тело гвоздя. Раздвинутые волокна, стремясь под влиянием сил упругости снова сдвинуться, со всех сторон нажимают на гвоздь. Благодаря этому нажиму между поверхностью гвоздя и деревом возникает большая сила трения. Гвоздь оказывается зажатым, будто в тисках.
      Теперь понятно, почему гвоздь, вбитый второй раз в то же самое место, сидит в нем непрочно. Когда гвоздь вытаскивают и забивают снова, волокна дерева сильно повреждаются и оказывают более
      слабое давление. Поэтому сила трения между гвоздем и деревом тоже ослабевает и гвоздь держится хуже.
      Если бы сила трения исчезла, то с какой бы силой волокна дерева ни давили на гладкую поверхность гвоздя, трения не возникло бы, и гвоздь скользил бы совершенно свободно. Ничто не мешало бы движению гвоздя в отверстии, и малейшего усилия было бы достаточно для того, чтобы его вытащить. Так было бы не только с гвоздями, но и с деревянными шпильками, которыми столяр скрепляет куски дерева, с металлическими шпильками и шпонками,
      которыми слесарь скрепляет части машин. Подобно гвоздям, шпильки и шпонки удерживаются в своих пазах и канавках силой! трения, а если ее не будет, они окажутся бесполезными. Нам могут сказать, что скреплять детали можно и другими способами, например деревянные части можно свинчивать шурупами, а металлические — винтами; и те и другие можно стянуть болтами и гайками. Ну, а шурупы, винты и болты, снабженные нарезкой, не так-то просто выдернуть. Они будут держаться и без силы трения! Так по крайней мере кажется на первый взгляд.
      Но это только на первый взгляд! Такое представление неверно, и в этом легко убедиться. Попробуйте навинтить гайку на сухой! болт, а затем проделайте то же самое, смазав болт машинным маслом. Во втором случае гайка пойдет значительно легче. Чем вызвана разница? Уменьшением трения благодаря смазке. Но смазка только уменьшает трение, а не уничтожает его полностью, поэтому, чтобы навинтить гайку, все же необходимо приложить некоторое усилие. А если бы трение исчезло совсем, то для завинчивания (а значит, и для вывинчивания) гайки, винта или шурупа не потребовалось бы никакого усилия. Скрепленные винтами части машины моментально разбалтывались бы и разлетались под действием тряски и случайных толчков. Все наши станки, моторы и машины оказались бы совершенно непригодными, — они рассыпались бы при первой попытке привести их в действие.
      Все ткани расползались бы на отдельные нитки, а нитки распускались бы на мельчайшие волокна.
      Все витое, плетеное, сшитое и сколоченное разваливалось бы на составные части, и наш герой в мире без трения имел бы еще более плачевный вид, чем описано выше.
      Нo и это еще не все. Допустим, что каким-нибудь путем удалось бы скрепить между собой части автомобильного мотора таким образом, чтобы он даже при отсутствии трения мог работать и вращать колеса автомобиля. Спрашивается, поедет ли автомобиль?
      Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что происходит зимой, в гололедицу. Шофер включает мотор, колеса быстро вертятся, проскальзывая по льду, а автомобиль стоит неподвижно. Чтобы стронуть его с места, шоферу приходится увеличивать трение — насыпать под колеса песок, бросать хворост и т. д.
      Такое же проскальзывание, только в еще большей степени, будет при полном отсутствии трения. Автомобиль, стоящий на ровном месте, вообще не сможет двинуться, и уж тут ему не помогут ни песок, ни хворост, ни куртка, ибо без трения все это будет таким жескольз-кнм, как сама дорога.
      А как происходит торможение? На обычной дороге шофер может затормозить автомобиль на протяжении нескольких метров. В гололедицу трение колес о дорогу невелико, поэтому автомобиль с заторможенными колесами может проехать большое расстояние, прежде чем остановится. Если бы трение совсем отсутствовало, то даже с неподвижными колесами автомобиль мог бы двигаться по дороге юзом до тех пор, пока наткнулся бы на какое-нибудь препятствие.
      Что же получается в итоге? Без трения автомобиль не может ни поехать, ни остановиться.
      И это справедливо не только в отношении автомобиля, но и любого другого самодвижущегося колесного экипажа — паровоза, трамвая, велосипеда. Значит, трение, которое мы считали столь вредным именно для транспорта, оказывается в то же время совершенно необходимым для него.
      Как же быть в конце концов с трением? Полезно ли оно или вредно?
      С одной стороны, без него невозможно обойтись, с другой — оно причиняет нам много вреда.
      Ответ очень прост: в природе нет «абсолютно вредных» и «абсолютно полезных» явлений. Природными явлениями человек должен уметь пользоваться в своих интересах. Когда трение нам необходимо н мы заставляем его служить нам, — оно полезно. Когда трение мешает, — оно вредпо, и его нужно всячески уменьшить.
      Несколько цифр
      Автомобиль несется по ровной дороге со скоростью 70 км/час. Чтобы сообщить эту скорость автомобилю, его мотор должен развивать мощность, равную 33 лошадиным силам. В соответствии
      с этой мощностью происходит и потребление горючего. На что же расходуется развиваемая мотором мощность? Вся она расходуется на борьбу с силами трения разных видов (рис. 35).
      Если автомобиль едет по ровной дороге без уклона с постоянной скоростью, то ни о поднятии груза, ни об увеличении скорости говорить не приходится. При этом не происходит также сжатия какой-либо пружины, — короче, не совершается ровным счетом никакой полезной работы. .Между тем мотор автомобиля работает и тратит горючее. Получается, неожиданный вывод: самая распро-
      на преодоление трения колес о землю или винта о воздух или воду и, наконец, на преодоление сопротивления среды, которое тоже вызвано трением.
      Какой же общий вывод мы можем сделать?
      К сожалению, не очень приятный: вся механическая энергия, создаваемая двигателями всех средств транспорта, начисто, без остатка расходуется на преодоление всевозможных видов трения.
      Во всех странах мира в эксплуатации находится более пятидесяти миллионов автомашин, общей мощностью около двух миллиардов лошадиных сил. За час работы они сжигают свыше 100тысяч тонн бензина. Вместе с самолетами автомобили потребляют почти полностью весь производимый на земле бензин. Со своей стороны, паровозы и пароходы потребляют большую долю мировой добычи угля и нефти. Из остальной части горючего, потребляемого на фабриках, заводах и в сельском хозяйстве, значительная часть расходуется на трение во всевозможных станках и машинах.
      . Если мы подсчитаем все это, то поймем, во что обходится нам трение. Поймем, почему оно является нашим злейшим врагом, с которым нужно вести борьбу. Речь идет не о ничтожной потере, а о неслыханной по своему масштабу растрате ценностей, производимых людьми.
      Издавна было известно, что по мокрому скользить легче, чем по сухому.
      страненная машина — автомобиль — оказывается полностью «бесполезной». То же самое относится и к пароходу, и к паровозу, и к самолету, и ко всем другим видам транспорта.
      На что же в таком случае расходуется энергия горючего во всех этих машинах? Очевидно, на преодоление трении. Прежде всего на преодоление трения в разного рода подшипниках, в коробке передач,
      Как уменьшить трение
      Вы, наверное, знаете, что корабли строят не на воде, а на берегу. Когда готовый корабль нужно спустить на воду, поставить, как говорят моряки, «на плав», строят специальные наклонные полозья, по которым корабль сползает вводу. Если бы эти полозья оставляли сухими, сдвинуть огромную махину весом в сотни (а иногда и тысячи) тонн было бы нелегко, и при этом от трения пострадали бы как полозья, так и судно. Но так никто не поступает. Полозья обильно смазываются салом, и корабль сам плавно скользит вниз — «идет как по маслу» (рис. 36). В этой поговорке опыт многих веков. Люди давно убедились, что смазанные поверхности скользят гораздо свободнее сухих и не «заедают».
      Колеса экипажей катятся только своими ободьями по дороге, а по оси они скользят. Чтобы это скольжение сделать более легким, втулки мажут дегтем, тавотом или другой вязкой жидкостью. В подшипники заливают масло, набивают солидол.
      Почему же смазанные поверхности скользят легче, чем сухие, несмазанные?
      Смысл всякой смазки заключается в замене трения скольжения внутренним трением жидкости. В среднем эта замена уменьшает трение в 8 — 10 раз. Но это еще не все. Если поверхности твердых предметов сухие, они заедают. Чтобы сдвинуть с места ваш стол,
      нужно нажать на него довольно сильно, чтобы преодолеть заедание или, как говорят, застой.
      Замена «сухого» трения «жидким» при смазке не только уменьшает трение, но и почти уничтожает застой. Застой при смазке бывает только при пуске после длительной остановки.
      Жидкое трение тем сильнее, чем больше вязкость жидкости. Казалось бы, выгоднее в подшипники заливать не масло, а воду. Но чтобы смазка оказывала свое действие, нужно, чтобы она постоянно находилась между трущимися поверхностями, например между валом и подшипником, прилипала бы к ним, не выдавливалась бы.
      Вода же сразу вытечет из зазора между валом и подшипником и оставит соприкасающиеся поверхности сухими. Вязкая маслянистая смазка прилипает к трущимся поверхностям, застревает в зазоре и хорошо смазывает.
      Существует целая наука о жидкостной смазке; она позволяет рассчитать, в каких случаях выгоднее применять ту или иную смазку. Создателем этой науки является русский ученый Н. П. Петров, опубликовавший в 1889 году свою первую работу по теории жидкостной смазки.
      Впоследствии эту теорию развивали такие выдающиеся русские ученые, как Н. Е. Жуковский, С. Л. Чаплыгин и др.
      Чем сильнее давление между трущимися поверхностями, тем более густую смазку приходится применять. Тяжелые валы турбин смазывают густым тавотом, а движущиеся части часов — жидким, почти как вода, костяным маслом.
      Антифрикционные сплавы
      В начале прошлого века инженеры повели решительную атаку на трение.
      При работе на ручных тихоходных станках и при тихой езде не приходилось особенно ломать голову над тем, как бы уменьшить трение в ходовых частях. Достаточно было вовремя подливать подходящую смазку — говяжий жир, свиное сало, деготь и т. д. Машин было мало, смазки хватало, скорости были невелики, и поэтому вредное действие трения сказывалось не очень сильно.
      Другое дело, когда появились паровозы, с большой по тем временам скоростью тащившие за собой по рельсам целые составы, когда новые паровые машины завертели на фабриках сотни и тысячи быстроходных станков.
      Пришлось всерьез заняться уменьшением трения. Это был вопрос экономии топлива, машин и смазочных материалов.
      В первую очередь нужно было решить задачу о подшипнике. Вращающиеся части всех машин — от гигантского колеса турбины до маятника карманных часов — имеют оси. Концы этих осей, так называемые цапфы или шипы, опираются на подшипники и вращаются в них. Как сделать так, чтобы трение цапфы о непосредствечно прилегающую к ней часть подшипника — вкладыш — было как можно меньше (рис. 37)?
      Эту задачу решали сразу двумя путями. Искали подходящие сорта смазок и подходящие сорта материалов, из которых можно было бы делать вкладыши и цапфы. От выбора материала цапфы и вкладыша зависит величина трения в подшипнике нетолько в первый момент, но и при длительной работе. Материалом цапфы распоряжаться было нельзя. Здесь благодаря своей прочности, твердости и упругости безоговорочно обосновалась сталь. Осталось подобрать к ней в пару материал с минимальным трением, создать так называемую «антифрикционную пару».
      Было известно, что если стальную цапфу вращать в оловянном подшипнике, то трение оказывается очень малым. Но олово — мягкий металл. Вкладыш, сделанный из олова, не выдержит нагрузки вала н расплющится под его тяжестью.
      Л подшипник для того и делают, чтобы поддержать вращающуюся часть машины. Его хорошо бы сделать, например, из бронзы — прочного и твердого металла. Но стальная цапфа в бронзовом подшипнике испытывает сильное трение, подшипник быстро нагревается, истирается и скоро изнашивается.
      Тогда решили делать вкладыши для подшипников из твердого и прочного металла (например, бронзы), но их внутреннюю рабочую поверхность заливать мягким, пластичным сплавом, состоящим на 710 из олова, а на 1/10 из меди и сурьмы.
      Задача была решена, твердые частицы меди передавали всю нагрузку вала бронзовой подкладке, а тонкий слой мягкого олова, заполнявшего промежутки между твердыми частицами, обеспечивал малое трение.
      Кроме того, из-за своей мягкости оловянный слой «прирабатывался» и принимал точную форму вала. Вал давил на всю поверхность вкладыша равномерно, и пленка смазочного масла лучше удерживалась в зазоре. С поверхности вкладыша исчезали всякие неровности и выступающие части, которые могли бы продавить слой смазки.
      Вслед за этим составом были предложены и другие сплавы для подшипников. Все они получили название «баббитов», а также «белых металлов». Изобретение баббитов сыграло очень важную роль в развитии железнодорожного транспорта и всей машинной техники.
      Особенно много новых сплавов для подшипников разработали советские инженеры за последние годы.
      Изобретение, совершившее переворот в технике благодаря баббитам скорости вращения валов и колес намного повысились, расход смазки уменьшился, а нагрузку на подшипники можно было увеличить в несколько раз. Но все-таки во многих случаях даже и в баббитовых подшипниках трение оказывалось слишком большим. Это стало особенно заметно тогда, когда трение в других частях машин благодаря усовершенствованиям становилось все меньше и меньше, а скорости вращения возросли.
      Например, легкая повозка на мощеной городской улице катилась так легко, что ее можно было вести одному человеку. Уличные торговцы так и поступали — развозили свои товары в ручных тележках, толкая их перед собой. Еще лучше было сидеть самому в тележке и отталкиваться от мостовой ногами. В музеях сохранились такие «самокаты». От них был один шаг до велосипеда, который и изобрели в конце прошлого века. Но у первого велосипеда трение в подшипниках было очень велико, и крутить ногами педали такого велосипеда не доставляло никакого удовольствия.
      И вот, стремясь уменьшить это трение, инженеры натолкнулись на нечто гораздо более важное, чем все антифрикционные сплавы.
      В 1896 году было сделано изобретение, совершившее настоящий переворот в технике: придумали совершенно новый тип подшипника — подшипник качения, или, как мы его теперь называем, шариковый подшипник.
      Впрочем, назвать этот подшипник совершенно новым было бы не совсем правильно. Идея подшипника качения родилась много сотен лет тому назад, когда под сани начали подкладывать катки. Ведь в катках совсем не было трения скольжения: они катились и по дороге и по полозьям. Но когда катки превратились в колеса, скользившие на оси, они потеряли часть своих преимуществ, и потребовались века развития техники, чтобы стало возможным вернуться к полузабытой идее полного качения.
      Что же представляет собой шариковый подшипник? Он состоит из двух колец, одно из которых (внутреннее) так плотно насажено на цапфу, что вращается вместе с ней (рис. 38). Другое (наружное) кольцо остается неподвижным. Оно зажато между основанием и крышкой подшипника. Кольца имеют обращенные друг к другу, выточенные по кругу канавки, а в этих канавках лежат гладкие стальные шарики одинакового размера.
      Когда ось начинает вращаться, внутреннее кольцо вращается вместе с ней и катится по шарикам, а они в свою очередь катятся по наружному кольцу. Так что здесь вместо трения скольжения остается только трение качения, и потери на трение в таком подшипнике в 20 — 30 раз меньше, чем в подшипниках скольжения.
      Все шарики в подшипнике должны быть строго одинаковыми. Если один из шариков окажется больше других, вся нагрузка ляжет на него, и он будет раздавлен. Шарики, кроме того, должны быть все одинаково твердыми, упругими и прочными. Эго нужно для того, чтобы шарики не портили, не перетирали ни друг друга, ни канавок. Иначе вращение шариков может прекратиться, они будут заклиниваться и начнут скользить, и тогда вся выгода шарикового подшипника пропадет.
      Позднее подшипники качения стали делать пе только с шариками, но и с роликами разной формы — цилиндрическими или коническими.
      В настоящее время автомобильные, тракторные, авиационные моторы, динамо-машины и электродвигатели, громадное большинство станков и машин снабжаются шариковыми и роликовыми подшипниками самых разных размеров (рис. 39).
      Без подшипников качения не были бы возможны современная техника, современная поомышленность и транспорт.
      Трудно представить себе, какое количество подшипников необходимо современной промышленности.
      Ведь каждый автомобиль, каждый вагон, каждый трактор — это десятки подшипников больших и малых.
      Вот и попробуйте подсчитать, сколько миллионов подшипников требуется ежегодно!
      Понятно, что даже небольшое улучшение качества подшипников — уменьшение трения и износа в них при таком их количестве — приводит к значительной экономии в народном хозяйстве.
      Как видите, борьба с трением — проблема огромной хозяйственной важности.
     
      ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ
     
      Без вращающихся частей нет машин. Трение этих частей в точках опор уменьшают подшипниками. Без них коэффициент полезного действия машины, ее мощность резко снижается. Много пара и электричества поглощается непроизводительно на преодоление силы трення в самой машине, увеличивается расход топлива, машина становится менее экономичной. Вот почему сейчас нет ни одной машины, не имеющей подшипников.
      | Почти все машины переведены на подшипники качения — шариковые и роликовые. Их преимущества очевидны. В самом деле, чтобы сдвинуть одну тонну груза на подшипниках скольжения, требуется приложить силу до 60 кГ, а на шарикоподшипниках только 4 кГ.
      Силу надо в пятнадцать раз меньшую, потому что шарикоподшипники почти уничтожают трение, приближают его к нулю; исключительное значение шарикоподшипники имеют для сверхскоростных машин, где число оборотов выше 120 тысяч в минуту. Только шарикоподшипники могут работать в таких машинах. Другие подшипники при сверхскоростях плавятся.
      Наступит время, и в карманных часах камни уступят место шарикоподшипникам. Лауреат Сталинской премии Я. В. Марусов сконструировал шарикоподшипник-лилипут. В наперстке их помещается около тысячи штук.
      Рис. 40
      Однорядный радиальный подшипник. Внутренние и наружные кольца имеют желоба — дорожки для качения шариков. Сепаратор разделяет шарики один от другого, уменьшает трение в подшипнике н износ шариков
      Рис. 41
      Перекосы вала не страшны сферическому двухрядному шарикоподшипнику, потому что желоб в наружном кольце более просторен, чем в однорядном радиальном, и шарики могут отклоняться в нем вправо и влево. Применяется в вибрирующих валах, трансмиссиях и т. д.
      В машинах-гигантах уже давно работают подшипники качения, выдерживая нагрузки до 300 Т. Существует уже много типов подшипников качения: шариковые (рис. 40, 41), роликовые — цилиндрические (рис. 42), конические (рис. 43), игольчатые (рис. 44),
      Рис. 42.
      Нагрузки С иыше средних — до 10 тонн — выдерживает цилиндрический роликоподшипник, потому что давление в нем не сосредоточено в точках опоры шариков, а распределено по всей линии соприкосновения ролика с кольцом. Не ато этот роликоподшипник ПОЧТ! не терпит боковых нагрузок. Ставится на трамваях, вагонах метро, электромоторах
      Рис 43
      Давление сверху до 200 тонн и, сбоку до 50 тонн выдержив ет четырехрядный конический роликоподшипник. Большие боковые нагрузки он терпит потому, что ролики при этом упираются в конические поверхности. Используется в прокатных станах
      Рис. 44.
      Пульсирующие давления до 200 тонн хорошо переносит игольчатый подшипник. Он похож на тонкое кольцо. Ставится на шатунах дизелей авиамоторов, тяжелых станках. Не выдерживает перекосов вала — заклинивается
      Рис. 45.
      Сильные ударные нагрузки сверху сплошной ролик не выдерживает и растрескивается, поэтому в танках, рольгангах и т. д. ставят подшипники с витыми, как толстая пружина, роликами, смягчающими удары, как рессоры
      витые (рис. 45). Каждый подшипник предназначен для особых условий работы, так, например, существуют упорные подшипники для вертикальных валов (рис. 46).
      Советское подшипникостроение только за восемь лет — с 1932 по 1940 год — увеличилось в 20 раз. За время Отечественной войны у нас введено в строй несколько крупных шарикоподшипниковых заводов. Сейчас в СССР производятся все типы подшипников качения. Как самые большие, так и самые маленькие шариковые и роликовые подшипники выпускают наши заводы.
      Самолеты, станки, велосипеды, мотоциклы, автомобили и прочие машины в нашей стране работают на отечественных подшипниках качения.
     
      СИЛЫ ПРИ ТОЧЕНИИ МЕТАЛЛОВ
     
      Точение — самый распространенный способ обработки металлов резанием. Станки, на которых производится точение, настолько распространены, что ни одно машиностроительное предприятие и ни одна ремонтная мастерская не могут обходиться без них.
      Валы, оси, втулки, диски, кольца, шестерни, фланцы, барабаны и множество других деталей обрабатываются точением.
      Геометрическая форма деталей, образуемых точением, может быть цилиндрической, конической, плоской, сложной, фасонной, сферической и даже квадратной при использовании специальных приспособлений.
      На многих машиностроительных заводах до половины и даже более половины станков предназначены для обработки деталей точением. Это различные типы токарных, карусельных, револьверных и расточных станков.
      Если вы будете наблюдать работу цеха, оснащенного токарными, карусельными и другими станками для точения, то можете сразу же отметить большое разнообразие работ, выполняемых точением. На многих станках вы увидите, как производится обработка наружных поверхностей, когда резец, закрепленный в суппорте станка, с определенной подачей перемещается вдоль наружной поверхности вращающейся детали. Это — обточка детали (рис. 47,а).
      Рис. 46.
      Упорные подшипники, шариковые до Ю тонн и конические роликовые до 300 тонн предназначены для вертикальных валов, осевых нагрузок. Применяются в подъемных кранах, вертлюгах и даже каруселях
      На других станках будет видно, как рабочий, направляя резец с помощью суппорта поперек детали, обрабатывает ее торец. Это — подрезание торца (рис. 47,6). На третьем станке можно будет увидеть, как резец с фигурной режущей кромкой образует такую же сложную фигурную поверхность на детали. Это — фасонное точение (рис. 47,в).
      Рис. 47. Работы, выполняемые точением:
      а — обтачивание; б — подрезание торца; в — фасонное точение; г — растачивание; д — обработка радиусов; е — отрезание; ж — нарезание резьбы
      г На других станках вы увидите растачивание (рис. 47,г), отрезание, прорезание канавок (рис. 47,е), выборку радиусов (рис. 47,(3), нарезание резьбы (рис. 47, ж) и много других работ. Все эти работы выполняются резцами.
      Известно, что металлы с огромной силой сопротивляются резанию, т. е. проникновению режущей части резца и любого инструмента в срезаемый слой. При точении обрабатываемый металл, сопротивляясь резанию, изгибает резец, отталкивает его от обрабатываемой детали и противодействует движению суппорта с закрепленным в нем резцом (рис. 48).
      Сопротивление металла резанию точнее всего характеризуется силой резания. Чем больше сила резания, тем сильнее обрабатываемый металл сопротивляется резанию.
      Первое знакомство с силами, действующими на резец, человек получил еще на заре машиностроения, работая на первых примитивных токарных станках. В то время токарь держал резец в руках, а резцы поэтому делались с длинными рукоятками. С помощью таких резцов-рычагов обрабатывались различные изделии
      Рис, 43. Силы, возникающие при точении, и схема гидравлического динамометра:
      P — сила резания — изгибает резец; Рх — сила подачи — противодействует вижемие суппорта; Ру — радикатьная сила — отталкивает резец от детали
      из дерева, кости, бронзы и железа. Особенно трудно было обрабатывать изделия из металлов. Недаром первый суппорт, изобретенный Л. К. Нартовым, освободивший руки рабочего, в то время называли «железной рукой». Вращая обрабатываемый предмет и держа резец в руках, первые токари ощущали величину силы резания, и поэтому уже в то время было известно, что разные металлы по-разному, т. е. с разной силой, сопротивляются точению, что с увеличением стружки сила резания возрастает, что с увеличением переднего угла резца она уменьшается и т. п.
      Однако эти знания были крайне примитивными, так как основывались только на личных ощущениях токаря.
      В настоящее время мы имеем много различных специальных приборов для измерения сил, действующих на резец.
      Исследуя точение металлов с помощью таких совершенных приборов, наши ученые узнали, как изменяются все силы, действующие на резец в зависимости от свойств обрабатываемого металла, размеров срезаемой стружки, геометрии резца и т. п. Эти приборы называются динамометрами.
      При этих исследованиях ученые установили, что сила резания давит на резец сверху вниз и старается его изогнуть. Эта сила является самой большой из трех сил: она примерно в 4 раза больше силы подачи и в 2,5 раза больше радиальной силы. Сила резания прежде всего зависит от свойств обрабатываемого металла.
      Чем прочнее металл, тем больше он сопротивляется разрыву; тем больше нужна сила, чтобы довести металл до разрушения.
      При работе на токарных станках сила резания изменяется от нескольких килограммов до десяти и более тонн. На обычных токарных станках, широко применяемых на всех машиностроительных заводах, сила резания редко бывает больше 500 — 600 кГ. На больших же станках с расстоянием между центрами до 20 м, где снимается стружка глубиной до 40 мм, возникает сила резания до 20 Т. Таким образом, сила резания очень сильно зависит от размеров срезаемой стружки. Она увеличивается прямо пропорционально глубине срезаемого слоя.
      Меняется сила резания и при изменении подачи. При увеличении подачи она растет, а при уменьшении — снижается.
      Проведенные опыты показали, что сила резания зависит и от скорости резания. Например, при обработке стали с увеличением скорости резания от 1 до 20 м/мин сила резания непрерывно уменьшается; начиная с 20 м/мин до 40 — 50 м/мин сила резания возрастает, а затем при дальнейшем увеличении скорости резания до 250 — 300 м/мин сила резания заметно уменьшается. Таким образом, при скоростном резании сопротивляемость стали срезанию значительно меньше, чем при резании на малых скоростях.
     
      ДИНАМОМЕТРЫ
     
      Ковш экскаватора легко и быстро взметнулся в небо. Под действием невидимой силы огромная масса земли была поднята на большую высоту.
      Медленно вращается ворот над колодцем, по веревке поднимается ведро с водой. Очевидно, и здесь действует какая-то сила. Совершенно ясно, что она гораздо меньше той своей сестры, которая поднимает ввысь ковш экскаватора, наполненный землей.
      По во сколько раз она меньше?
      Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо установить величину обеих сил и сравнить их, надо измерить обе силы. Измерение сил производят при помощи специальных приборов — динамометров. Это название происходит от двух греческих слов: «динамис» — сила и «метрон» — мера.
      Для устройства динамометров люди использовали свойство упругости металлов. Наиболее простой динамометр — это спиральная пружина, один конец которой неподвижен, а второй — подвижный снабжен указателем, скользящим по шкале. Чем больше сила, приложенная к подвижному концу такого динамометра, тем больше растяжение пружины и тем дальше от нулевого значения шкалы уйдет указатель (рис. 49).
      Чаще всего такими динамометрами измеряют силу веса. Но этим же динамометром можно измерить любую другую силу. Зацепив динамометром за кирпич, потянем его по плоскости. Динамометр покажет нам силу трения кирпича о плоскость.
      Для измерения силы сжатия руки человека используют динамометр другой конструкции — из двух пружинящих дугообразных стальных пластин, соединенных между собой своими концами (рис. 50).
      Все пружинные динамометры обладают одним недостатком: их пружина через определенное время вытягивается и указатель динамометра при разгрузке не возвращается на нуль шкалы. Поэтому при пользовании пружинным динамометром не рекомендуется долго держать его нагруженным и растягивать его силой большей, чем та, на которую они расчитаны.
      В настоящее время в технике для измерения больших сил начали широко применяться более совершенные гидравлические и электрические динамометры.
      Так, для измерения сил, действующих на резец при точении, применяют гидравлические динамометры (см. рис. 48).
      У каждого из динамометров имеется небольшой металлический цилиндрик с одной подвижной стенкой-диафрагмой.
      Измеряемая сила давит на диафрагму, сжимает глицерин, име ющийся в цилиндре. Давление глицерина передается по трубке на специальный указатель с манометрической пружиной и стрелкой.
      При увеличении давления пружина выпрямляется и поворачивает стрелку, которая указывает по шкале величину действующей силы.
      Электрические динамометры бывают различных конструкций. В одних измеряемая сила давит на кристаллик кварца, отчего на его концах появляется разность потенциалов. В других Динамометрах сжимается угольный цилиндрик. При этом меняется его сопро тивленне и величина тока в цепи. По изменению тока судят о дей ствующей силе. Имеются также динамометры с конденсаторами электроиндукционные и другие.
      Применение всех этих динамометров дало возможность инженс рам, конструкторам, техникам и ученым измерить различные силы и изучить законы их действия.
     
      РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ
     
      Среди великих научно-технических достижений XX столетия одно из первых мест, несомненно, принадлежит реактивным двигателям. Годы второй мировой войны (1941 — 1945) привели к не обычайно быстрому усовершенствованию реактивных аппаратов во многих странах мира. На полях сражений появились реактивные минометы, самолеты с реактивными двигателями, реактивные сна ряды. Реактивная техника становится важной отраслью промыт ленности.
      Какие же причины заставляют нас отказываться от привычных бензиновых двигателей в пользу реактивных? Почему военных специалистов перестали удовлетворять нарезные орудия, стреляющие с большой точностью и дальностью? Чем не хороши современные скоростные истребители с пропеллерами и почему для получения больших скоростей полета пропеллер становится неэкономичным и плохим двигателем?
      На все эти вопросы можно получить вполне удовлетворительный ответ, если внимательно проследить за усовершенствованием реактивных аппаратов, прошедших в своем развитии очень интересный и поучительный путь.
      Реактивное движение известно очень давно. Еще во время завоевания Индии англичанами им пришлось встретиться с полками обученных воннов-ракетчиков. Индийская ракета представляла собой стрелу с бамбуковой трубкой, наполненной горючим веществом. Воины-индусы поджигали горючее, поднимали стрелы-ракеты над головой и бросали их в неприятеля. Реактивная сила, возникающая от выбрасывания горящих газов из бамбуковой трубки, значительно увеличивала дальность полета стрелы. «Эффект применения таких примитивных реактивных снарядов был потрясающий», — писал английский генерал Конгрев, участник этого военного похода. 11о возвращению в Англию Конгрев устроил пиротехническую лабораторию, и в 1807 г. англичане уже применяли реактивные снаряды при бомбардировке Копенгагена. В середине XIX столетия ракетная артиллерия получила большое развитие в России благодаря ‘ выдающимся исследованиям генерала К- И- Константинова. Кго работа «О боевых ракетах», изданная в 1850 году, приобрела широкую известность в нашей стране и за границей. Константинов организовал два пиротех нических завода в Петербурге и Пи
      применялись при обороне Севастополя в 1854 — 1855 годах, а реактивная артиллерия состояла на вооружении среднеазиатских частей русской армии до 80-х годов прошлого столетия. Изобретение нарезных артиллерийских орудий, стреляющих продолговатыми вращающимися снарядами, сильно затормозило развитие реактивной артиллерии. Новые орудия, сконструированные генералом Маевским, показали превосходные качества: большую дальность стрельбы, великолепную точность попаданий и значительную скорострельность. Нарезные орудия вытеснили реактивные, и на долгие годы это величайшее изобретение человеческого ума было забыто.
      А между тем оно таило в себе большие возможности. Принцип работы реактивного двигателя несложен. Представьте себе запаянную с одного конца трубку, наполненную взрывчатым веществом. Г.сли содержимое трубки поджечь, то продукты горения — нагретые газы — будут с большой скоростью выбрасываться через открытый конец трубки. Возникает отдача, как при выстреле из ружья. Эта отдача и есть реактивная сила, заставляющая трубку двигаться в сторону, противоположную направлению струи газа, выбрасываемого из трубки (рис. 51). Чем больше (по весу) газов выбрасывается из трубки и чем выше скорость их движения, тем больше реактивная сила. Реактивная сила и движение, которое она вызывает, очень наглядно проявляются в следующем опыте. Если поставить на стол маленькую тележку и положить на нее наполненную воздухом камеру от футбольного мяча, а затем направить струю вытекающего из камеры воздуха вдоль главной оси тележки, то тележка поедет в сторону, противоположную этой струе...
      В некоторых случаях для сжигания горючего в камере реактивного двигателя приходится забирать воздух из атмосферы. Тогда в процессе движения реактивного аппарата происходит присоединение частиц воздуха и выбрасывание нагретых газов. Мы получаем так называемый воздушно-реактивный двигатель. Простейший пример воздушно-реактивного двигателя — обыкновенная трубка, открытая с обоих концов, внутри которой помещен вентилятор. Если в пространство за вентилятором впрыснуть бензин и поджечь его, то скорости выходящих газов будут больше, чем входящих, и трубка получит тягу в сторону, противоположную струе выбрасываемых из нее газов. Изменяя радиус трубки по ее длине, можно достигнуть больших скоростей газов. Струю текущих по трубке газов можно использовать для вращения вентилятора.
      Простейшая схема воздушно-реактивного двигателя, предложенная в 1913 году, была значительно усовершенствована в годы второй мировой войны. Энергия движения воздушно-реактивного двигателя получается, так же как и в пространстве, за счет сжигания горючего.
      Таким образом, источником движения любого реактивного аппарата является запасенная в этом аппарате энергия, которую можно преобразовать в механическое движение выбрасываемых из аппарата частиц вещества.
      Разработку научных основ реактивного движения возобновили в конце XIX столетия два великих русских ученых: профессор Петербургского университета Иван Всеволодович Мещерский и калужский учитель Константин Эдуардович Циолковский.
      Мещерский установил основные уравнения движения тел, вес которых изменяется во время движения. Эти уравнения обобщают хорошо известные в механике и физике законы Ньютона. Благодаря работам Мещерского стало возможным изучение реактивных движений в самых разнообразных случаях...
      К. Э. Циолковский сосредоточил свои научные изыскания на исследовании ракет. Первая статья Циолковского, напечатанная в 1903 году в журнале «Научное обозрение», называлась «Исследование мировых пространств реактивными приборами». За свою многолетнюю научную деятельность Циолковский разработал большое количество различных типов ракет. Из них особенный интерес представляет «Составная пассажирская ракета 2017 года», предназначен- . пая для путешествия на другие планеты. Создание новых и оригинальных конструкций ракет шло у Циолковского параллельно научным исследованиям по изучению движения тел переменной массы. Не приводя здесь математических формул, мы отметим только самые важные достижения К. Э. Циолковского в области этой теории. Циолковский исследовал движение ракеты в пространстве без тяжести и без оказывающей сопротивление воздушной среды. Он нашел формулу, из которой следует, что ракета может приобрести космические скорости, если только запас горючего (вес его) достаточно велик по сравнению с весом корпуса ракеты. Эта формула получила широкую известность и называется формулой Циолковского.
      Впервые в истории науки Циолковский вычислил коэффициент полезного действия ракеты, указав на выгодность реактивных двигателей при больших скоростях движения. Циолковский исследовал и получил расчетные формулы для полета ракеты под влиянием силы тяжести в вертикальном и наклонном направлениях. Были подробно изучены условия взлета ракет с различных планет и астероидов и решен вопрос о запасе горючего, необходимом для возвращения ракеты на Землю. Циолковский много занимался изучением сил сопротивления воздуха. Он первый определил запас горючего, нужный ракете для того, чтобы пробить слой земной атмосферы, первый выдвинул идею составных ракет и ракетных поездов для получения очень больших скоростей движения.
      Многие исследования Циолковского стали сейчас классическими. Современная теория ракет и реактивных аппаратов в значительной степени опирается на формулы и законы, данные Циолковским.
      В наши дни реактивный способ движения получил необычайно широкое распространение. Как говорилось выше, реактивные снаря ды в больших масштабах применялись во время второй мировой вой ны. Реактивные самолеты уже вышли из стадии лабораторных опытов
      Реактивные двигатели оказываются гораздо более экономичными при больших скоростях движения, чем другие известные двигатели. Для современных самолетов получение скоростей, превышаю щих 1000 км в час, с помощью пропеллера едва ли возможно. В то же время реактивные двигатели повышают свой коэффициент полез ного действия с увеличением скорости и становятся особенно выгодными при этих колоссальных скоростях. Объясняется это тем, что при вращении пропеллер развивает не только нужную для движе ния силу тяги, но и преодолевает вредное сопротивление окружающего воздуха. Современная аэродинамика точно установила, что при скоростях, приближающихся к скорости звука (1200 км в час), сопротивление вращению винта возрастает так быстро, что почти вся полезная работа двигателя затрачивается на преодоление этого сопротивления. Коэффициент полезного действия оказывается в де сятки раз меньше, чем при относительно небольшой скорости движения. Таким образом, для того чтобы лететь со скоростями, превышающими 1000 км в час, необходимы реактивные двигатели. Будущее авиации — реактивные самолеты. Следует указать, что самолеты с пропеллером не могут летать на больших высотах, так как мощности двигателей внутреннего сгорания (авиационных моторов) уменьшаются с подъемом на высоту благодаря сильному уменьшению плотности воздуха, а потребные для поддержания веса скорости горизонтального полета быстро растут, достигая 1000 км в час и больше. Поэтому наибольший экономический высотный полет недо ступен аэроплану, снабженному воздушным винтом. Реактивный принцип создания движения оказывается наиболее выгодным в безвоздушном пространстве.
      Реактивный способ сообщения скорости снаряду оказался в ряде случаев более рациональным, чем простой выстрел из пушки или гаубицы. Обстрел на дистанцию больше 100 км из пушек современного типа будет совершенно невыгодным. Орудийные стволы тогда надо делать чрезвычайно тяжелыми, и они быстро выходят из строя вследствие колоссального давления при взрыве больших количеств пороха (через несколько выстрелов, как показывают опыты) Снаряды дальнобойных орудий должны обладать повышенной проч ностью стенок, чтобы не взорваться в канале ствола; силы сопротивления воздуха при начальных скоростях вылета снаряда становятся чрезмерными. Энергия взрывчатых веществ уходит не на получение большой дальности полета, а на преодоление сопротивления воздуха, наибольшая плотность которого будет у поверхности земли.
      Реактивные снаряды могут быть заброшены на любую дистанцию. Современные успехи радиолокационных устройств дают возможность получить удовлетворительную точность попадания в заданную цель. Более плотные слои атмосферного воздуха реактивный снаряд может пройти с небольшими скоростями и затратить на преодоление сил сопротивления меньшую энергию... Будущее дальнобойной артиллерии, несомненно, принадлежит ракетным снарядам (рис. 52).
      Конструирование и постройка более современных аппаратов, пригодных для перемещения людей, выдвигает перед современными исследователями ряд актуальных научных проблем. Прежде всего необходимо систематическое и всестороннее исследование строения и состава атмосферы на больших высотах. Современной метеорологии известно состояние верхних слоев атмосферы только до высоты 35 — 40 км. Реактивные снаряды уже в 1944 году достигали высоты 100 — 120 км поэтому изучение плотности, температуры, давления воздуха необходимо теперь провести до 300 — 400 км над поверхностью земли. Без этих исследований все расчеты движений реактивных аппаратов будут носить приблизительный характер.
      Скорости истечения газов из камеры сгорания реактивного двигателя очень сильно зависят от теплотворной способности применяемого топлива, то есть от того количества энергии, которую может развить 1 кг горючего. Изыскание высококалорийных веществ, которые можно применять для реактивных двигателей, останется до наших дней важной задачей исследователей-химиков.
      При движении реактивных приборов развивается ускорение (перегрузка), превышающее земное ускорение в несколько раз. Мы привыкли переносить увеличение или уменьшение ускорений только в течение очень малых промежутков времени (долей секунды, или максимум секунды), поэтому изучение влияния длительных перегрузок (или разгрузок) на организм животных и человека крайне важно для дальнейшего прогресса реактивного движения.
      Все эти примеры показывают, что реактивное движение, как всякая прогрессивная научная проблема, затрагивает очень широкий круг вопросов и привлекает внимание исследователей различных специальностей.
      Развивающиеся технические потребности страны социализма последовательно выдвигают все новые и новые неотложные проблемы. Настойчивая исследовательская работа больших коллективов советских ученых поможет внедрить реактивные двигатели в промышленность и смежные области человеческой практики, сделав их орудием великих технических преобразований.
     
      КОНСТАНТИН ЭДУАРДОВИЧ ЦИОЛКОВСКИЙ
     
      Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 года в с. Ижевском, бывш. Рязанской губернии, в семье лесничего. Когда ему было 9 лет, он заболел скарлатиной и почти совсем оглох. Вследствие глухоты он не мог заниматься в школе.
      С четырнадцати лет Циолковский начал учиться сам, пользуясь небольшой библиотекой своего отца, в которой находились книги по естественным наукам и по математике. Тогда у него и пробуждается страсть к изобретательству. Он строит аэростат из тонкой папиросной бумаги, изготовляет небольшой токарный станок и конструирует тележку так, чтобы она двигалась с помощью ветра; его привлекают измерения расстояний до недоступных предметов при помощи астролябии.
      В шестнадцатилетнем возрасте Циолковский приехал в Москву, чтобы усовершенствоваться в технических науках и ознакомиться с промышленностью. От родных он получал 10—15 рублей в месяц, но почти все деньги тратил на покупку книг, реторт, химических реактивов и других вещей, необходимых для различных опытов и изготовления самодельных аппаратов. «Я помню, — пишет он в автобиографии, — что, кроме воды и черного хлеба, у меня ничего не было. Каждые три дня я ходил в булочную и покупал там на девять копеек хлеба. Так я проживал в месяц 90 копеек... Все же я был счастлив своими идеями, и черный хлеб меня совсем не смущал».
      Кроме опытов по физике и химии, Циолковский много читал, старательно изучал курсы начальной и высшей математики, аналитической геометрии. Часто разбирая какую-нибудь теорему, он старался самостоятельно доказать ее. Уже в эти годы у него зарождается мысль о завоевании человеком мировых просторов.
      Три года прожил Циолковский в Москве, а потом, возвратившись домой, давал частные уроки гимназистам.
      И 1879 году Константин Эдуардович сдал экстерном экзамены на звание народного учителя и вскоре был назначен учителем арифметики и геометрии в Боровское уездное училище (недалеко от Москвы).
      В своей квартире в Боровске Циолковский создал маленькую лабораторию, в которой не только занимался сам, но и демонстрировал интересные опыты своим учащимся. Здесь у него вспыхивали электрические молнии, гремел гром, звонили электрические звонки, вращались колеса различных механизмов, блистали иллюминации. Учащиеся очень любили Константина Эдуардовича.
      В 1881 году, когда Циолковскому было 24 года, он самостоятельно разработал основы кинетической теории газов. Эту работу он послал в Петербургское физико-химическое общество, которое было создано гениальным русским ученым Д. И. Менделеевым. Работа получила одобрение выдающихся членов общества. Но важные выводы, сделанные Циолковским в глухом провинциальном городке, не были новостью для науки — аналогические открытия были уже известны в науке. За другую научную работу «механика животного организма», на которую хороший отзыв дал знаменитый физиолог Сеченов, Циолковского единогласно избирают членом Физикохимического общества. Константин Эдуардович всегда с благодарностью вспоминал об этой моральной поддержке своих первых научных исследований.
      С 1885 года Циолковский начал усиленно работать над вопросами воздухоплавания. Он обратил внимание на существенные недостатки дирижаблей с баллонами из прорезиненной ткани. Такие оболочки быстро срабатывались, были непрочными и газ постепенно выходил через оболочку. В результате исследовательской работы Циолковский написал большой труд «Теория и опыт аэростата». В этом груде он дал теоретическое обоснование конструкции дирижабля с металлической оболочкой (из жести или латуни); к работе были приложены рисунки, поясняющие детали конструкции. Дирижабль Циолковского имел свои характерные особенности, в частности металлическая оболочка имела особую стягивающую систему с гофрированными стенками и могла изменять объем дирижабля.
      Результаты своих научных исследований цельнометаллического дирижабля Циолковский с помощью друзей издает в 1882 году за свой счет. Ни научные общества, ни правительственные организации не помогли тогда выдающемуся ученому. Печатный труд «Аэростат металлический, управляемый» получил несколько благожелательных отзывов, и на этом дело окончилось.
      Еще в зимние каникулы 1880/81 года он написал работу «К вопросу о летании с помощью крыльев». Выдержки из этой рукописи были напечатаны в трудах Общества любителей естествознания в 1891 году при содействии знаменитого физика Л. Г. Столетова. Это была первая печатная работа Циолковского, в которой он, первый в международной научной литературе, указал на значение удлиненности крыла, дал математическое обоснование явления и экспериментальное подтверждение его. В 1897 году, чтобы точно измерить сопротивление воздуха при обтекании тел различной формы, в Калуге Циолковский конструирует первую в России аэродинамическую трубу и уже в следующем году публикует описание ее и результаты произведенных опытов на ней Этот свой труд он посылает в Академию наук, которая признала ценность произведенных опытов и для проведения дальнейших опытов по изучению сопротивления воздуха выделила Циолковскому 470 рублей. Это была первая и единственная материальная помощь, которую получил Циолковский до революции от правительственной организации.
      Циолковскому принадлежит выдающаяся идея постройки самолета с металлическим каркасом. В статье 1895 года «Аэроплан, или птицеобразная (авиационная) летательная машина» дано подробное описание и рисунки самолета. Он своим внешним видом напоминал моноплан конструктора Блерио (1909 год), но в главных деталях был значительно совершеннее его. В аэроплане Циолковского фюзеляж имел обтекаемую форму, а крылья — толстый профиль. В этой же работе Циолковский особенно подчеркивает необходимость улучшения обтекаемости аэроплана для достижения больших скоростей Над разработкой идеи цельнометаллического дирижабля и новой теории полета аппарата, тяжелее воздуха (теория самолета!, ученый работал почти беспрерывно с 1885 по 1898 год. В отрасли дирижаблестроения он выдвинул ряд совсем новых идей. По сути говоря, он был зачинателем металлических управляемых аэростатов.
      Целесообразность своих предложений Циолковский обосновал подробными расчетами и схемами. Осуществление цельнометаллического воздушного корабля, как и всякая большая и новая техническая проблема, затрагивала много неразработанных в науке и технике задач. Решить их силами одного человека было, конечно, невозможно. Ведь тут возникали проблемы аэродинамики, и вопросы стойкости гофрированных оболочек, прочности, газонепроникаемс-стн и герметического паяния металлических листов и т. д. Можно только удивляться, как далеко удалось разработать Циолковскому, кроме общей идеи, и отдельные технические и научные вопросы.
      Циолковский разделил долю многих дореволюционных русских изобретателей. Его идеи подхватили на Западе, где их, несколько изменив, применили на практике.
      В 1903 году в журнале «Научное обозрение» была напечатана статья Константина Эдуардовича «Исследование мировых пространств реактивными приборами.
      В этом труде на основе простейших законов теоретической механики была разработана теория полета ракеты и обоснована возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений.
      Идея применения ракеты для решения научных проблем, использование реактивного принципа для приведения в движение межпланетных кораблей целиком принадлежит Циолковскому. Он является родоначальником современных жидкостных ракет далекого дей ствия, одним из творцов нового раздела теоретической механики.
      Бурный рост ракетной техники и основные направления ее прогресса в значительной мере предвидены в многочисленных статьях Циолковского. Его научный метод явился плодотворным в применении к теории ракет. Циолковский был пионером в разработке теории реактивного движения. Величие таланта ученого, его творческая самобытность и оригинальность обнаружились во всем блеске именно здесь — в исследовании полета ракет. Расширить границы познания, проложить новые пути исследований мог только человек необычайных способностей.
      Циолковский работал сам, не имея учеников и помощников почти до Октябрьской революции, то есть до 60-летнего возраста. После Великой Октябрьской социалистической революции условия жизни и работы Константина Эдуардовича радикально изменились. Правительственные и общественные организации стали оказывать помощь Циолковскому в издании его трудов. В период с 1917 по 1935 год трудов Циолковского было издано в четыре раза больше, нежели за весь предыдущий период его деятельности. За 7 лет, с 1925 по 1932 год, было опубликовано около 60 трудов Циолковского, посвященных физике, астрономии, механике и философии. Его имя стало известно всему миру.
      Только в нашей социалистической стране деятельности человеческого разума открыты необъятные просторы, созданы благоприятные условия для обнаруживания гениальных самородков, для развития и усовершенствования открытий и изобретений. Великая Октябрьская социалистическая революция принесла признание научным трудам Циолковского и в корне изменила материальные
      условия его жизни. За 6 дней до своей смерти, 13 сентября 1935 года, Константин Эдуардович писал: «Всю свою жизнь я мечтал своими трудами хотя немного продвинуть человечество вперед. До революции моя мечта не могла осуществиться. Лишь Октябрь принес признание трудам самоучки, лишь Советская власть и партия Ленина-Сталина оказали мне действенную помощь. Я чувствовал любовь народных масс, и это давало мне силы продолжать работу.
      ...Все свои труды по авиации, ракетоплаванию и межпланетным полетам передаю партии большевиков и Советской власти — настоящим руководителям прогресса человеческой культуры. Уверен, что они успешно завершат мои труды».
      Эти слова великого ученого оказались пророческими. Прошло меньше четверти века, и советские ученые, развивая идеи К. Э. Циолковского, воплотили в жизнь дерзновенную мечту человечества — создали искусственные спутники Земли.
      Запуск искусственных спутников — это величайшая в мире победа стала возможной благодаря бурному развитию в нашей стране ракетной техники, созданию межконтинентальных баллистических многоступенчатых ракет, при помощи которых и был произведен вывод искусственных спутников Земли на орбиту.
      О достижениях ученых нашей страны — учеников К. Э. Циолковского — с огромным уважением и признанием говорят сейчас все простые люди земного шара.
      Несомненно, что уже в ближайшее время люди советской науки одержат еще более славные победы в области межпланетных сообщений, претворят в жизнь смелые идеи верного сына нашей родины К- Э. Циолковского. Это будет лучшим памятником его неутомимой творческой деятельности.
     
      ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ТЯГОТЕНИЯ
     
      В 1610 г. случилось весьма важное событие в истории астрономии: итальянский профессор Галилео Галилей при помощи устроенного им самим небольшого телескопа открыл четырех больших спутников Юпитера. Эти спутники, или луны, заменяют нашу единственную Луну на ночном небе Юпитера. В настоящее время известно уже всего девять спутников Юпитера, но пять из них столь малы и слабы, что не всех их можно видеть даже в самые мощные телескопы нашего времени. Возможно, что у Юпитера имеются еще более слабые спутники, но пока известны только девять его спутников.
      Четыре спутника Юпитера, открытые Галилеем, — самые большие и яркие: их можно наблюдать, например, в хороший современный призматический бинокль. Они довольно быстро обращаются вокруг Юпитера и представляют удивительную «микроскопическую» модель всей нашей солнечной системы: они обходят вокруг Юпитера подобно тому, как планеты по своим путям (орбитам) обходят вокруг Солнца.
      Уже после смерти Галилея, в 1666 году, появилась в некоторых отношениях весьма замечательная книга итальянского ученого Бо-релли. В этой книге Борелли высказывает мысли прямо гениальные. Согласно Борелли, четыре спутника Юпитера обращаются около этой планеты благодаря тому, что она постоянно притягивает их к себе. Более того, Борелли полагает, что не только Юпитер притягивает к себе всех четырех спутников, но и сами они друг друга притягивают.
      Действительно, только притяжением или тяготением к Юпитеру можно пытаться объяснить их замечательное обращение вокруг планеты по почти круговым орбитам (путям). Движения четырех Юпитеровых спутников внушили впервые мысль о притяжении, действующем в том космическом (мировом) пространстве, где совершается движение планет и их спутников, а также и Луны.
      Ни один Борелли раздумывал о силе, заставляющей планеты обращаться около Солнца, а спутников — около их центральных планет. Французский астроном Булльо, а до него знаменитый Кеплер, современник Галилея, тоже искали силы, «движущей планеты». Во время Галилея и Кеплера ученые мало-помалу выходили из-под опеки богословия и искали естественной причины, которая обусловила и направила движения планет около Солнца. Булльо видел эту причину в притяжении всех планет Солнцем. Кеплер уподоблял Солнце магниту и воображал, что планетные движения направляются магнитным действием Солнца.
      К счастью, с такими нелепыми сверхестественными объяснениями планетных движений не считались уже ни Коперник, ни Галилей, ни Кеплер. Тем менее думал о таких нелепостях молодой ученый Ньютон, который очень быстро перешел к размышлениям о действии земной тяжести на Луну. Свои рассуждения Ньютон строил на том основном законе механики, который нашел Галилей, на так называемом законе инерции.
      С достаточной точностью движение Луны вокруг Земли можно считать круговым и равномерным, то есть равномерно совершающимся по круговой орбите, радиус которой равен шестидесяти земным радиусам. В общем круговое движение Луны вокруг Земли похоже на вращательное движение камня на веревке, которую мы держим в руке. Если камень во время подобного круговращательного движения оторвется, то он, как показывают наблюдения, полетит по прямой, касательной к тому кругу, который он описывал, будучи привязан к веревке.
      Подобно тому, как веревочка удерживает камень на определенном расстоянии от центра описываемого им кругового пути, сила земного притяжения, по предположению Ньютона, постоянно удерживает Луну на ее орбите. Сделать такое предположение Ньютон мог, хотя бы вдохновясь мыслями Борелли о притяжении планетой Юпитером его четырех спутников. Далее Ньютон, размышляя о падении тел на Землю, мог и сам дойти до предположения, что обычная земная тяжесть действует не только на все земные тела, но и на Луну.
      Если Земля действительно притягивает к себе Луну, то Луна должна «падать» по направлению к Земле.
      Но согласно закону инерции всякое тело, а в том числе и Луна, раз оно когда-то было приведено в движение и затем предоставлено самому себе, имеет стремление двигаться равномерно и прямолинейно. Такое тело по закону инерции должно было бы вечно двигаться равномерно по некоторой прямой линии, если бы на него никакая сила не действовала и оно никакого сопротивления своему движению не встречало бы. Отедовательно, и Луна, находясь, например, в точке А своей круговой орбиты (рис. 53), в каждую секунду времени по инерции имеет стремление двигаться не по кругу, а по прямой АС, касательной к этому кругу, в центре которого Т находится Земля, все время притягивающая к себе Луну. Если бы сила притяжения Земли на время прекратила свое действие, то Луна немедленно бы «умчалась» прочь от нее, двигаясь по прямой АС, причем в равные промежутки времени проходила бы одинаковые пути АВ, ВС и т. д. Так происходило бы все время, пока притяжение Земли не действовало бы на Луну так же, как и другие какие-нибудь притягательные силы, например сила солнечного притяжения.
      На самом же деле Луна по прямой АС не движется, так как земное притяжение ни на одно мгновение не прекращает своего действия. Что же происходит? Это понять легко: очевидно, земное притяжение в каждое мгновение искривляет путь Луны, вследствие чего лунная орбита и имеет вид круга, т. е. кривой линии. Если на рисунке 53 АВ есть тот путь, который Луна прошла бы в одну секунду времени, двигаясь по инерции прямолинейно и равномерно, то в действительности по истечении одной секунды времени Луна будет находиться в точке М своей орбиты (см. снова рис. 53). Следовательно, благодаря действию земного притяжения Луна из точки В должна в течение ровно одной секунды как бы «упасть» к Земле на отрезок ВМ, ибо по истечении в точности одной секунды она проходит очень малую дугу своей орбиты А VI. Угол АТВ, как описанный за время только одной секунды, будет, ясное дело, в действительности углом весьма малым (на рис. 53 для ясности этот угол взят большим, чем следует).
      Опустим на рисунке 53 из точки М перпендикуляр ММ и проведем хорду МА. Очевидно, по малости отрезков АМ и ВМ мы можем принять эти отрезки равными: по сути дела ведь так и выходит. В самом деле, отрезок ВМ изображает на нашем рисунке расстояние, проходимое Луной в 1 секунду при ее воображаемом «падении» к Земле.
      По сделанным вычислениям оказалось, что ВМ составляет всего 1,36 мм\ АМ несколько менее ВМ, но отличается от нее очень мало. Этой малой разницей между АМ и ВМ мы можем, конечно, с полным правом пренебречь и положить АМ — ВМ. Это первое наше допущение для упрощения вычислений. Далее, как часто делают при такого рода подсчетах в механике и физике, мы положим также, что малая дуга АМ, описанная за одну секунду Луной, равна малой же хорде, стягивающей эту дугу. Это будет второе наше допущение для облегчения числового подсчета. Пользуясь теперь известной всякому школьнику теоремой о квадрате катета прямоугольного треугольника, мы можем сравнительно легко вычислить длину малого отрезка ДА/.
      Однако не желая затруднять читателей такого рода длительным вычислением, мы приведем только окончательный результат: АМ —
      — 0,00135 т. е. 1,35 мм. Следовательно, АМ и ВМ действительно оказываются почти равными, как и надо было ожидать.
      Принимая, что под действием земного тяготения Луна как бы «падает» к Земле, мы сумели высчитать, на сколько в таком случае Луна «упала» бы к Земле в первую секунду своего падения. У нас получилась малая длина: 1,35 — 1,36 мм. Таким образом, на основании наших подсчетов мы можем уже сделать такое вполне логически правильное заключение: сила земного притяжения действует и на Луну, т. е. земное тяготение «простирается» и на шестьдесят радиусов; иначе говоря, Луна «тяготеет» к Земле, причем это тяготение по своей величине находится в обратной пропорциональности к квадрату расстояния Луны от центра Земли. Таков вывод из двух наших подсчетов, вывод весьма важный.
      Такие же подсчеты сделал в 1666 году и молодой, 23-летний, Ньютон. Ему было известно (из результатов опытов Гюйгенса), что падающее тело вблизи земной поверхности проходит в первую секунду 15 (парижских) футов, а в первую минуту целых 54 000 футов. Пользуясь совершенно теми же соображениями, какими пользовались и мы, Ньютон легко вычислил, что тело, свободно падающее на Землю с расстояния, равного расстоянию Луны от центра Земли, должно было бы пройти в первую минуту своего падения гораздо меньшее расстояние, равное 15 футам. Мы без труда проверим результаты Ныотона, разделив 54 000 футов на 3600. Далее Ньютон, естественно, захотел свой результат проверить, для чегск ему надо было, как и нам, подсчитать, на какое расстояние «стягивает» Луну сила земного притяжения с ее прямолинейного пути (по инерции). И тут произошла неприятная заминка. Для вычисления искомого расстояния Ньютону необходимо было знать величину окружности Земли; мы теперь достаточно точно ее знаем, но Ньютон вычислил ее так: градус в то время (в 1666 году) принимался равным 60 английским милям; в полной земной окружности 360 градусов, следовательно, в земной окружности 60x360 английских миль, откуда уже нетрудно определить радиус Земли, нужный для вычисления.
      щ С найденной им таким путем величиной земного радиуса Ньютон продолжал свои вычисления и в конце концов получил, что Луна, «оттягиваемая» Землей, проходит в первую секунду своего падения не 15 футов, а только 12 футов. Очевидно, либо произошла ошибка в вычислениях, либо тяготение Луны к Земле не обратно пропорционально квадрату расстояния Луны от центра Земли. Проверить вычисления нетрудно, и ошибки в них не оказалось. С горечью отложил молодой ученый надолго свои размышления о тяготении и занялся другими исследованиями.
      В 1669 году Ньютон занял в Кембридже кафедру математики, заместив довольно известного математика Барроу. К 1672 году Ньютон был хорошо известен за пределами Кэмбриджа не только как глубокий и замечательный математик, но и как тонкий экспериментатор, ибо он к тому времени успел проделать целый ряд замечательных опытов по свету.
      В 1672 году Ньютон был избран в члены Королевского Общества, и в том же году на одном из заседаний Общества был прочитан доклад о более точном измерении длины градуса земного меридиана французским астрономом Пикаром. Из достаточно точных измерений Пикара длина радиуса выходила равной уже не 60 английским милям, а почти 70.
      Увы, эту новость, столь для него приятную, Ньютон узнал только в 1682 году. Значит, уже пятнадцать лет он держал под спудом вычисления, относящиеся к тяготению Луны к Земле. Узнав о новом измерении земного градуса, произведенном Пикаром, Ньютон, конечно, вынул из-под спуда свои старые вычисления и переделал их заново. «Вновь добытые данные, — говорит известный английский физик Оливер Лодж, — изменяют вычисления; в необычайном возбуждении пробегает он глазами работу, перо не поспевает следить за мыслью, и, наконец, вычисления приводят его к желанному результату: бесконечно великое значение и глубина его открытия настолько ослепляют его ум своим сиянием, что отуманенные глаза не различают рукописи. В изнеможении он бросает перо, тайна мироздания, наконец, открылась ему, единому в мире».
      Так, в 1682 году было уже окончательно установлено, что земное тяготение простирается и до Луны и что оно изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния Луны от центра Земли. Тяготение как мировая космическая сила было открыто еще в 1682 году, но только в 1686 году ученый мир узнал об этом.
      В 1682 году гений Ньютона уже в сущности окончательно установил закон тяготения. Но ведь от Луны надо было перейти к планетам и к Солнцу. И движение Луны, как мы увидим дальше, в высшей степени сложное. К нему тоже надо было приложить только что открытый закон тяготения.
      И вот Ньютон целых два года посвящает все силы своего гения исключительно разработке механики и приложению своего закона тяготения к объяснению различных явлений в Солнечной системе и на Земле; как справедливо замечает Оливер Лодж, «эти два года он жил единственно вычислением и размышлением». Неудивительно, что он в то время был очень невнимателен к обычным житейским нуждам и потребностям. Так, его биографы рассказывают, что, например, проснувшись утром, он очень часто неодетый просиживал на кровати до самого обеда, по нескольку дней не выходил из дому, забывал обедать, ел что попало и т. д. О его рассеянности в это время рассказывают ряд анекдотов. Удивительно, как этими непрерывными занятиями он не расстроил своего здоровья. Зато в два года было сделано невообразимо много, — между прочим, была почти заново создана вся теперешняя теоретическая, да отчасти и прикладная механика, были заложены прочные основы теоретической астрономии и небесной механики.
      Ньютон недаром так много потрудился весь 1682 год и часть 1683 года; за это время он успел установить строго математически закон тяготения и даже написать вчерне целое сочинение по механике с приложениями к теоретической астрономии и небесной механике. Этот трактат в виде объемистой рукописной опять положил «под спуд» и, по-видимому, не имел никакого желания напечатать это замечательное произведение.
      За указанное время Ньютон, между прочим, строго доказал, что тела сферической (т. е. шаровой) формы, а также тела, близкие по своей форме к сферической, — а именно таковы Солнце и планеты, — притягивают друг друга, и все внешние тела совершенно так же, как «материальные точки», т. е. так, как будто вся их масса была сосредоточена в их геометрических центрах. Очевидно, никаких «материальных точек» в природе не существует, но математику для вычисления сил притяжения после доказательств Ньютона можно уже воображать себе все сферические тела и тела, по форме близкие к сферам, «материальными точками», что очень облегчает вычисления, как убедительно доказал Ньютон. К началу 1685 года у Ньютона не оставалось уже никаких сомнений в приложимости закона тяготения к объяснению целого ряда явлений, совершающихся не только у нас на Земле, но и вне последней в пределах нашей планетной системы. Ему удалось доказать, что притяжение планет к Солнцу заставляет их описывать эллипсы различных размеров вокруг него и что притяжение их к Солнцу непременно должно быть обратно пропорционально квадратам расстояний их от последнего. Подобные результаты были получены молодым кэмбриджским профессором, несомненно, уже в 1685 году, и полное установление закона тяготения и приложение его к объяснению движений планет и их спутников, а также и комет следует отнести именно к этому году.
     
     
      Раздел третий
      МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ. РАБОТА МАШИН И МЕХАНИЗМОВ
     
      О РАБОТЕ, МОЩНОСТИ, ЭНЕРГИИ
     
      Чего многие не знают об единице работы?
      — Что такое килограммометр?
      — Работа поднятия одного килограмма на высоту одного метра, — отвечают обычно.
      Такое определение единицы работы многие считают исчерпывающим, особенно если прибавить к нему, что поднятие происходит на земной поверхности. Если и вы удовлетворяетесь приведенным определением, то вам полезно будет разобраться в следующей задаче, лет тридцать назад предложенной знаменитым физиком проф. О. Д. Хвольсоном в одном математическом журнале.
      «Из вертикально поставленной пушки длиной 1 м вылетает ядро весом 1 кГ. Пороховые газы действуют всего на расстоянии-1 м. Так как на всем остальном пути ядра давление газов равно нулю, то они, следовательно, подняли 1 кГ на высоту одного метра, т. е. совершили работу всего в 1 килограммометр. Неужели их работа столь мала?»
      Будь это так, можно было бы обходиться без пороха, метая ядра силой человеческих рук. Очевидно, при подобном расчете делается грубая ошибка.
      Какая?
      Ошибка та, что, учитывая выполненную работу, мы приняли во внимание лишь небольшую долю ее и пренебрегли самой главной частью. Мы не учли того, что в конце своего пути по каналу пушки снаряд обладает скоростью, которой у него на было до выстрела. Работа пороховых газов состояла, значит, не в одном лишь поднятии ядра на высоту 1 м, но и в сообщении ему значительной скорости. Эту неучтенную долю работы легко определить, зная скорость ядра. Если она равна 600 м сек, т. е. 60 000 см сек, то при массе ядра 1 кг (1000 г) кинетическая его энергия составляет:
     
      Эрг — это диносантиметр (работа дины на пути в 1 см). Так как I килограммометр содержит приблизительно 1 000 000-100= 108 диноса нти метров, то запас энергии движения ядра равен:
     
      Вот какая значительная часть работы осталась неучтенной только из-за неточности определения килограммометра!
      Теперь становится очевидным, как надо это определение пополнить: килограммометр есть работа поднятия на земной поверхности неподвижного груза в 1 высоту 1м при условии, конце поднятия скорость равна нулю.
     
      Как произвести килограммометр работы
      Никаких трудностей, казалось бы, тут нет: взять гирю в 1 кГ и поднять на 1 м. Однако с какой силой надо поднимать гирю? Силой в 1 кГ ее не поднять. Нужна сила больше килограмма: избыток этой силы над весом гири и явится движущим усилием. Но непрерывно действующая сила должна сообщить поднимаемому грузу ускорение, поэтому гиря наша к концу поднятия будет обладать некоторой скоростью, не равной нулю, а это значит, что выполнена работа не в 1 кГ м, а больше.
      Как же поступить, чтобы поднятием килограммовой гири на 1 м выполнить ровно килограммометр работы? Поднимать гирю можно таким образом. В начале поднятия надо давить на гирю снизу с силой больше 1 кГ. Сообщив этим гире некоторую скорость по направлению вверх, следует уменьшить или вовсе прекратить давление руки и предоставить гире двигаться замедленно. При этом момент, когда рука прекращает давление на гирю, нужно выбрать так, чтобы, двигаясь далее замедленно, гиря закончила свой путь в 1 м в тот момент, когда скорость ее сделается равной нулю.
      Действуя таким образом, т. е. прилагая к гире не постоянную силу в 1 кГ, а переменную, меняющуюся от величины, большей 1 кГ, до величины, меньшей 1 кГ, мы можем совершить работу ровно в 1 кГм (рис. 54).
      Сейчас мы видели, как сложно выполнить килограммометр работы поднятием 1 кГ на 1 м. Лучше поэтому вовсе не пользоваться этим обманчиво простым, в действительности же очень запутывающим определением килограммометра.
      Гораздо удобнее другое определение, не порождающее никаких недоразумений: килограммометр есть работа силы в 1 кГ на пути в 1 м, если направление силы совпадает с направлением пути1.
      Последнее условие — совпадение направлений — совершенно необходимо. Если им пренебречь, расчет работы может привести к чудовищным ошибкам.
      Чтобы сравнивать между собой двигатели по их работоспособности, нужно сравнивать работы, произведенные ими за одно и то же время. Удобнее всего за единицу времени принять одну секунду. Таким образом, в механике вводится особая мера работоспособности, называемая мощностью. Под мощностью понимают работу, произведенную двигателем в одну секунду. В технике единицами мощности являются один килограммометр в секунду (1 кГм/сек) и лошадиная сила, равная 75 кГм/сек.
      Решим для примера следующую задачу.
      Автомобиль весом 850 кГдвижется со скоростью 72 км в час по прямой и горизонтальной дороге.
      Определить его мощность, если сопротивление движению составляет 20% его веса.
      (…)
      Сто зайцев и один слон
      Сопоставляя живые и механические двигатели, необходимо, однако, иметь в виду и другое важное обстоятельство. Усилия нескольких лошадей не соединяются вместе по правилам арифметического сложения. Две лошади тянут с силой, которая меньше двойной силы одной лошади, три лошади — с силой, меньшей тройной силы одной лошади, и т. д. Происходит это оттого, что несколько лошадей, запряженных вместе, не согласуют своих усилий и отчасти мешают одна другой. Практика показала, что мощность лошадей при различном числе их в упряжке такова:
      Число лошадей в упряжке Мощность каждой Общая мощность (…)
      Итак, 8 лошадей развивают усилие, лишь в 3,8 раза превышающее усилие одной лошади, а дальнейшее увеличение числа совместно работающих лошадей дает еще худшие результаты.
      Отсюда следует, что тягу, например, трактора в 10 л. с. практически нельзя заменить тягой 15 рабочих лошадей.
      Никакое вообще число лошадей не может заменить одного трактора, даже сравнительно малосильного.
      У французов есть поговорка: «Сто зайцев не делают одного слона». С не меньшим правом можем мы сказать: «Сто лошадей не заменят одного трактора».
      Машинные рабы человечества
      Окруженные со всех сторон механическими двигателями, мы не всегда отдаем себе ясный отчет в могуществе этих наших «машинных рабов», как метко назвал их В. И. Ленин. Что всего более отличает механический двигатель от живого — это сосредоточенность огромной мощности в небольшом объеме. Самая мощная «машина», какую знал древний мир, — сильная лошадь или слон. Увеличение мощности достигалось в те времена лишь увеличением числа животных. Но соединить работоспособность многих лошадей в одном двигателе — задача, разрешенная лишь техникой нового времени.
      Сто лет назад самой мощной машиной был паровой двигатель в 20 лошадиных сил, весивший 2 Т. На одну лошадиную силу приходилось 100 кГ веса машины. Отождествим для простоты мощность в одну лошадиную силу с мощностью одной лошади. Тогда будем иметь в лошади одну лошадиную силу на 500 кГ веса (средний вес лошади), в механическом же двигателе — одну лошадиную силу на 100 кГ веса. Паровая машина словно соединила мощность пяти лошадей в одном организме.
      Лучшее соотношение мощности и веса мы имеем в современном 2000-сильном паровозе, весящем 100 7\ А в электровозе мощностью 4500 л. с. при весе 120 Т, мы имеем уже одну лошадиную силу на 27 кГ веса.
     
      Огромный прогресс в этом отношении представляют авиационные двигатели. Двигатель в 550 л. с. весит всего 500 кГ; здесь одна лошадиная сила приходится круглым счетом на 1 кГвеса1. На рисунке 57 эти соотношения представлены наглядным образом:
      Рис. 57
      1 В некоторых современных авиамоторах вес на одну лошадиную силу уменьшается до 1/2 кГ, (и даже еще меньше).
      зачерненная часть контура лошади показывает, на какой вес прит ходится одна лошадиная сила в соответствующем механическом двигателе.
      Еще красноречивее рисунок 58: здесь маленькая и большая лошади изображают, какой ничтожный вес стальных мускулов соперничает с огромной массой мышц живых.
      Наконец, рисунок 59 дает наглядное представление об отно: сительной мощности небольшого авиационного двигателя: 162 лошадиные силы при объеме цилиндра всего 2 л.
      Последнее слово в этом состязании еще не сказано современной техникой1. Мы не извлекаем из топлива всей той энергии, которая в нем содержится. Уясним себе, какой запас работы скрывает в себе одна калория теплоты — количество, затрачиваемое для нагревания литра воды на 1 градус. Превращенная в механическую энергию полностью — на 100%, она доставила бы нам 427 кГработы, т. е. могла бы, например, поднять груз в 427 кГна высоту 1 м. Полезное же действие современных тепловых двигателей исчисляется только 10 — 30%: из каждой калории, получающейся в топке, они извлекают около сотни килограммометров вместо теоретических 427.
      Какой же из всех источников механической энергии, созданных человеческой изобретательностью, является особенно мощным? Огнестрельное оружие.
      Современное ружье при весе около 4 кГ(из которых на действующие части оружия приходится примерно лишь половина) развивает при выстреле 400 кГм работы. Это кажется не особенно значительным, но не забудем, что пуля находится под действием пороховых газов только тот ничтожный промежуток времени, пока она скользит по каналу ружья, т. е. примерно 800-ю долю секунды. Так как мощность двигателей измеряется количеством работы, выполняемой в 1 сек, то, отнеся работу пороховых газов к полной секунде, получим для мощности ружейного выстрела огромное число 400-800 = 320 000 кГм/сек, или 4300 л. с. Наконец, разделив эту мощность на вес действующих частей ружейной конструкции (2 кГ), узнаем, что одна лошадиная сила приходится здесь на ничтожный вес механизма — в полграмма! Представьте себе миниатюрную лошадь в полграмма весом: этот пигмей размером с жука соперничает в мощности с настоящей лошадью! Если же брать не относительные числа, а поставить вопрос об абсолютной мощности, то все рекорды побивает артиллерийское орудие. Пушка бросает снаряды в 900 кГсо скоростью 500 м/сек (и это не является последним словом техники), совершая в сотую долю секунды около 11 миллионов килограммометров работы. Она равнозначна работе поднятия груза в 75 Т (75-тонного парохода) на вершину пирамиды Хеопса (150 м). Работа эта совершается в 0,01 долю секунды; следовательно, мы имеем здесь дело с мощностью в 1100 миллионов кГмсек, или с 15 миллионами лошадиных сил.
     
      НЕОСУЩЕСТВИМАЯ МЕЧТА
     
      Ученый секретарь одного из наших технических научно-исследовательских институтов, потрясая убористо исписанными листами небольшой рукописи, горестно восклицал: «Опять привалило1 Еще один проект вечного двигателя, снова придется тратить время и силы, чтобы доказать изобретателю бесполезность его работы!»
      Раздавались голоса: надо бы вместо огорчительных для авторов этих проектов заключений на каждое такое «изобретение» написать популярную книгу о невозможности осуществления вечного движения. Но им возражали. Разве мало книг написано на эту тему? Разве не развенчана идея вечного движения в учебниках физики?
      Изобретатели машин вечного движения, зачастую способные и даже талантливые люди, нетвердо, не до конца уяснили себе сущность закона сохранения энергии, из которого следует неосуществимость вечного движения. Главное, они недостаточно оценивают роль трения — самого сильного врага движения в машине.
      Мечта о машинах вечного движения манила воображение механиков уже более шестисот лет назад. Еще в XII! столетни были известны проекты таких машин. Особенно увеличилось число их в XVI — XVII веках, когда появилась потребность в замене ручного труда машинным.
      Так заманчиво было получить безотказного, никогда не устающего механического работника, что механики десятки лет не прекращали попыток создать вечный двигатель. Каждому из них казалось, что именно ему вот-вот удастся изобрести машину, которая будет работать сама, без воздействия извне, без затраты энергии, будет сама преодолевать трение и даже выполнять полезную работу.
      Такую «вечную» машину предложил, например, в 1575 году очень известный в то время механик Якоб Страда. Из бака, помещенного в верхней части устройства, струя воды падала на лопасти водяного колеса и заставляла его вращаться. Через цепь передаточных механизмов вал этого колеса заставлял вращаться водоподъемный вннт, нижний конец которого был опущен в бассейн с водой. По винтовым ступеням пода поднималась из бассейна в бак (рис. 59а).
      Так, по мысли изобретателя, должен был восполняться расход воды из бака и сохраняться сила водяной струн, падающей на лопасти водяного колеса.
      Механик считал, что первоначальная порция энергии, полученная водяным колесом от падения водяной струи, будет воэобно-
      вляться сама собой, без притока воды в бак извне. А водяное колесо будет вращаться вечно.
      В самом переливании воды из бака в бассейн и обратно не было никакого практического смысла. Поэтому изобретатель насадил на второй конец вала круглый точильный камень для заточки инструментов.
      Все как будто было правильно в этом устройстве. Изобретатель считал, что ему удалось построить машину вечного движения.
      Когда ее пустили в ход, она действительно начала работать. Вращались водяное колесо и вал, поднималась вода из бассейна в бак, можно было точить инструменты.
      Но все меньше оставалось воды в баке, все ниже спускался ее уровень, все слабее становилась падающая из бака струя, все медленнее вращались колесо, его вал и точило.
      В конце концов машина и вовсе остановилась. Ослабевшая струя воды уже больше не вращала водяное колесо.
      Изобретатель решил, что это просто неполадка. Проверили машину и снова пустили ее — и опять она остановилась.
      Так повторялось много раз, и никак не удавалось заставить машину работать не только вечно, но даже сколько-нибудь долго.
      Как ни старался Якоб Страда, он не мог найти в устройстве машины порока, из-за которого она останавливалась. Может быть, ей не под силу работа? Он пустил машину вхолостую, без точила. Через некоторое время машина опять остановилась.
      На этот раз изобретатель вспомнил о трении. Может быть, оно слишком велико между валом и втулкой колеса и между другими трущимися деталями?
      Механик и его помощники принялись за «выглаживание» вращающихся частей. Ход машины сделался легче, машина работала дольше, но и теперь постепенно замедлялось ее движение, и в конце концов она остановилась. Еще много раз улучшал Страда отделку трущихся частей своей машины. Немного увеличивалось время ее работы, но вечного движения не получалось.
      Стало ясно, что первоначальной силы двигателя — водяного колеса, которая затрачивалась на переливание воды из бассейна, не хватило на то, чтобы возвратить в бак всю израсходованную воду и восстановить ее уровень.
      Значит, на кольцевом передаточном мосту (бак — вал — червяк — червячное колесо — водоподъемный винт — бак) постоянно съедалась сначала какая-то часть первоначальной энергии движения, затем часть уменьшившегося ее количества, далее еще какая-то доля и так еще и еще. Потери энергии повторялись в каждом кругообороте движения, пока не истощался весь ее первоначальный запас, и тогда машина останавливалась.
      Как ни остроумны были и другие проекты вечных двигателей, стоило их построить и пустить в ход, как тут же выяснялось, что они или вовсе не действуют или, немного поработав, останавливаются.
      Сами изобретатели всякий раз объясняли причину неудач случайными неполадками, недоделками в машинах. А ученые люди понимали, что это не так: ведь неудачи стали правилом, из которого не было ни одного исключения. Значит, полагали они, должен существовать закон, в силу которого не может быть вечного движения без вечного же притока энергии.
      В работающей машине возникали какие-то враждебные ее движению силы. И как бы хорошо ни был задуман любой вечный двигатель, эти силы рано или поздно останавливали его.
      Уже в те времена ученые и опытные механики подозревали, что в ряду этих враждебных сил главную роль играет трение, возникающее между движущимися частями машины. Его могущество оказывалось настолько велико, что изобретатели постоянно терпели поражение в борьбе с ним. Им не удавалось ни уничтожить, ни победить своего врага. Уразумев эту истину, некоторые из них вступили на путь обмана с целью нажиться на мечте человечества о вечном двигателе. Все свое мастерство они направляли на обман — на то, чтобы как можно надежнее скрыть в устройстве машин источник постоянного притока энергии, который и побеждал трение.
      Был единственный в истории техники случай, когда ученым не удалось раскрыть такого обмана и машина вечного движения была признана наукой и властями как реально осуществленное изобретение.
      Произошло это в Германии, в княжестве Гессен-Кассельском. Около 1715 года некто Орфиреус, искусный механик и ловкий авантюрист, объявил о решении задачи вечного движения, о том, что у него в доме, в городе Мерзенбурге, работает чудо-машина.
      Тогда же он написал и издал книгу под трескучим названием «Торжествующий перпетуум мобиле Орфиреуса» («перпетуум мобиле» на латинском языке означает вечное движение). В книге он очень подробно и нарочито путано описал свою машину так, чтобы никому не удалось составить себе точное представление, как она работает. Многие подозревали «изобретателя» в ловко подстроенном обмане, но большинство людей верило ему и разносило по всей Европе весть о сенсации в Мерзенбурге.
      От любопытных посетителей в доме механика Орфиреуса не было отбоя. Все желали увидеть в работе чудесную машину. Орфиреус не упустил благоприятного момента и поставил у машины кружку, в которую алчущие механического чуда должны были опускать немалую плату за удовлетворение своей любознательности.
      И вдруг особенная удача! К домику «изобретателя» подъехало несколько карет. Сам ландграф в сопровождении свиты прибыл специально для ознакомлении с чудо-машиной. С важным видом знатока механики походил он вокруг вращающегося колеса, потрогал части машины и выразил на своем лице удивление и восторг. Немедленно эти чувства отразились на лицах придворных, которые стали осыпать «изобретателя» похвалами.
      Орфиреус и тут не растерялся. Он стал жаловаться ландграфу на обиды и притеснения.
      Враги и завистники из числа механиков-неудачников всячески порочат великое изобретение, сеют недоверие к его научным достижениям и добились даже успеха. Некоторые ученые объявили, что, по всей вероятности, в машине кроется какой-то обман. Но ведь его высочество прекрасно разбирается в механике и сам видит, что здесь нет никакого обмана. Было бы хорошо, если бы свидетельства самого ландграфа и его ученых подтвердило, что действительно им, Орфиреусом, сделано то, что до сих пор никому не удавалось и считалось неосуществимым.
      Ландграф исполнил просьбу Орфиреуса. Он приказал перевезти машину в свой замок. Там ее установили в одной из комнат, пустили в ход, после этого комнату запечатали на шесть недель, и поставили у дверей стражу. На этот срок, на случай возможного повреждения машины, поселили Орфиреуса в замке. Через шесть недель должны были комнату распечатать в присутствии самого ландграфа и приглашенных ученых.
      Настал торжественный день испытания. Его высочество прибыл с министрами и виднейшими учеными. Орфиреус струсил, когда увидел среди них знаменитого голландского физика Гравезанда.
      В торжественном молчании собралось высокопоставленное общество перед запечатанной дверью. По знаку ландграфа дежурный офицер охраны сорвал печати и распахнул тяжелые двери. Сразу же все услышали негромкий ровный шум работающей машины. Широким жестом Орфиреус предложил посетителям войти.
      Огромное колесо диаметром в 12 футов с толщиной обода в 14 дюймов вращалось легко и быстро. Рядом с ним наклонно установленная труба непрерывно подавала воду, которая выливалась в другую, отводящую трубу. А на свободном конце оси колеса было подвешено на веревке ведро с грузом.
      Гравезанд остановился неподалеку от машины и растерянно смотрел на нее. Ландграф торжествующе улыбался, иронически и испытующе поглядывая на ученого. Остальные напряженно следили за выражением лица своего повелителя, чтобы вовремя поддакнуть ему.
      Ученый молчал, внимательно наблюдая работу машины. Затем приблизился, стал рассматривать колесо и спросил у Орфиреуса, из чего оно изготовлено. Оказалось — из легких деревянных реек, обтянутых клеенкой. Гравезанду ясно: клеенка предназначена для того, чтобы любопытным посетителям не были видны детали устройства привода колеса.
      Все же ученый пытается рассмотреть стойку колеса в том месте, где вращается его ось. Выразив- на лице сдержанное волнение, Орфиреус очень вежливо протестует.
      Как? Пытаются проникнуть в тайну изобретения? Ведь это плод трудов всей его жизни, секрет будет продан за большие деньги. Как же он может позволить до конца разобраться в устройстве машины? Пусть будущий хозяин ее поступит, как захочет. А он, Орфиреус, всегда хранит около машины тяжелый молот, чтобы разбить свое творение в тот момент, когда насильно захотят раскрыть его тайну.
      Гравезанд остановился в нерешительности и взглянул на ландграфа. Тот грозно нахмурил брови, косясь на ученого, и нетерпеливо переступал с ноги на ногу. Всем своим видом он осуждал поведение ученого.
      Гравезанд отступил от колеса и, приблизившись к ландграфу, спросил: как его светлость оценивает машину? Если положительно, то авторитетного свидетельства такого знатока механики достаточно, чтобы провозгласить достоверность изобретения.
      Польщенный ландграф гут же заявил, что не допускает возможности какого бы то ни было обмана. Тогда ученый в изысканных выражениях поздравил Орфиреуса с величайшим достижением в области механики.
      Так наступил триумф Орфиреуса. Ландграф объявил, что жалует ему дом с угодьями в своей столице, в городе Касселе. Пусть перевезет туда машину и установит ее в одной из комнат для всеобщего обозрения.
      Слух о чудесной машине быстро разнесся по европейским странам. Почти каждый день уже с утра у домика механика появлялись приезжие люди, платили деньги и в нетерпеливом ожидании входили в помещение, где работала машина.
      В один из дней у колеса собралось особенно много любопытных. Их удивлению и восхищению не было границ, и они громко выражали это. Вдруг из другой комнаты донесся шум, резкие выкрики и брань. Потом что-то тяжелое с металлическим звоном прогрохотало по полу. Раздался женский визг, и неожиданно колесо машины замедлило бег и, сделав несколько оборотов, остановилось.
      В помещение вбежала молодая женщина. Размахивая тяжелыми портняжными ножницами, она показывала посетителям обрывки тонкой бечевки, и тогда раскрылся «секрет изобретения» вечного двигателя. Оказалось, тонкая бечевка была искусно продета через втулку колеса, протянута внутри стойки и незаметно уходила через пол в другую комнату. Здесь она обвивалась вокруг другого, малого, колеса, которое по очереди вращали служанка, жена Орфиреуса и ее брат. Все было сделано настолько мастерски, что даже на близком расстоянии очень опытные люди не замечали обмана.
      В те шесть недель, когда машина была установлена и работала в замке ландграфа, второе, приводное, колесо Орфиреус поместил в отведенной ему спальне, искусно протянув к нему бечевку под полом через все промежуточные комнаты.
      Впоследствии работа по вращению колеса превратилась в очень тяжелый труд. Ведь всегда посетителей было много. Приходилось безостановочно вращать колесо по две-три недели. За эту работу Орфиреус платил очень мало — всего два пфеннига в час.
      Первым не выдержал брат жены Орфиреуса: он просто сбежал из города. Тогда на служанку навалили двойную нагрузку. И хотя Орфиреус взял с нее в письменном виде страшную клятву, что она никогда не выдаст тайны, служанка не выдержала изнурительной работы и раскрыла правду.
      Не оставалось никаких сомнений в том, что в течение многих лет власти Гессен-Касселя, официально признавшие истинность вечного двигателя и подтвердившие это ученые и многие посетители, оказались жертвами ловкого обмана.
      Так бесславно кончилась история единственного вечного двигателя, получившего чуть ли не мировое признание. Могущество трения, возникающего в машинах, так и осталось непобежденным.
      В 1756 году великий русский ученый Ломоносов открыл закон сохранения вещества и провозгласил: «Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силой другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает». В этих словах содержалось объяснение невозможности вечного двигателя. Стало ясно, что вечный двигатель — неосуществимая мечта, задача, не имеющая положительного решения.
     
      УДАР
     
      Удар, обладая кратчайшей, почти мгновенной жизнью, внезапно производит в противолежащем предмете свое великое и быстрое Действие.
      Леонардо да Винчи. «О мощи математики и о количественном изучении явлений», 1508 год.
      Удар штампа превращает бесформенный кусок металла в изделие. Ударом водяной струи прорезают горные массивы, добывают полезные ископаемые. Ударами мельчайших ядерных частиц человек перестраивает атомы, вызывает новые виды излучений. В многочисленных машинах и аппаратах современной техники используется явление удара. Удар — это стремительный, резкий переход энергии из одного вида в другой.
      Почему топор рубит?
      За десятки тысяч лет до нашей эры первобытный человек дробил орехи и кости ударами камня. Камень, зажатый в кулаке, — это бесспорно первый трансформатор энергии, примененный человеком. Значительно позже появились рычаги, клин, наклонная плоскость, блоки — словом, те устройства, которые позволяют изменять соотношения между силой и путем. Такие устройства мы теперь называем «трансформаторами сил и путей».
      Действие рычагов было объяснено еще Архимедом. Но никто из ученых античного мира не смог правильно истолковать физические закономерности удара. Аристотель в своем сочинении «Механические проблемы» ставил следующий вопрос:
      «Почему, если к дереву приложить топор, обременный тяжелым грузом, то дерево будет повреждено весьма незначительно. Но если поднять топор без груза и ударить по дереву, то оно расколется? Между тем падающий груз в этом случае гораздо меньше давящего».
      Прошло две тысячи лет, прежде чем был дан правильный ответ на этот вопрос. В знаменитой книге Галилео Галилея «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению», изданной в 1638 году, заложены основы динамики и учения о сопротивлении материалов и, в частности, впервые найден правильный подход к явлению механического удара.
      В настоящее время мы умеем точно рассчитывать явления, происходящие при ударе, пользуясь понятием о мощности, о запасе энергии положения (потенциальной энергии) и запасе энергии движения (кинетической энергии).
      Подымая молот, рука может совершить работу порядка нескольких десятков ватгсекунд. Мощность при подъеме молота может быть, скажем, около сотни ватт.
      В момент удара происходит преобразование запасенной в молоте энергии. Средняя мощность в момент удара равна запасенной энергии, деленной на время соударения. Чем короче время соударения, тем больше мощность, развиваемая при ударе. Время соударения определяется податливостью соударяющихся тел, их деформацией. Чем больше податливость, тем дольше длится соударение.
      При ударе стального молота о стальную же наковальню время соударения может быть около одной десятитысячной секунды,, то есть в несколько тысяч раз короче времени подъема молота. Следовательно, средняя мощность во время соударения — сотни киловатт.
      Путь, проходимый молотом во время соударения о прочный неподатливый объект, может быть в тысячи раз меньше высоты подъема. Поэтому сила давления молота в момент удара может быть в тысячи раз больше его веса. Топор во время соударения создает не только большое общее давление, но благодаря своему заостренному лезвию — большое удельное давление, то есть большое давление на единицу поверхности.
      Замечательное свойство трансформатора-молота заключается в том, что его коэффициент трансформации, то есть отношение времен запасания и расходования энергии или, соответственно, отношение мощностей при расходовании и запасании, непостоянная величина: она автоматически приспособляется к разным «сопротивлениям нагрузки». При ударе молота или топора мощность и время действия всегда получаются такими, что выделяется вся запасенная в ударяющем теле энергия. Если молот встречает меньшее сопротивление, то он соответственно развивает меньшую силу, но проходимый им путь увеличивается.
      В современной технике применяются самые разнообразные типы трансформаторов. Рычаги, гидравлические прессы, рупоры — все это трансформаторы путей и сил. А мощность эти трансформаторы оставляют неизменной. Во многих же случаях целесообразнее преобразовать не путь и силу, а мощность и время действия. Раздавить орех можно и молотом и щипцами, но вбить гвоздь обычно удобнее молотком, а не каким-либо приспособлением, которое действует плавным давлением.
      Молот является родоначальником многочисленных механических, гидравлических, а в последнее время и электрических преобразователей мощности и времени действия, которые работают сначала накапливая медленно энергию на каком-то «промежуточном складе», а затем уже быстро расходуя эту энергию.
     
      Гидравлический таран
      Гидравлический таран является устройством, которое довольно широко применялось и еще применяется в сельском хозяйстве для подъема воды. В этом аппарате многоводный, но текущий под низким напором поток преобразуется в маловодную, но с высоким давлением струю. Это преобразование происходит вследствие периодических резких остановок водяного потока.
      Резкая остановка водяного потока вызывает явление гидравлического удара: проявляется инерция водяного потока, стремление его сохранить свое движение. Часто гидравлические удары вызывают нежелательные, вредные последствия. Полное объяснение процессов, происходящих при гидравлическом ударе, было дано великим русским ученым Н. Е. Жуковским.
      В 1897 году строители нового московского водопровода столкнулись с частыми разрывами труб. Чтобы объяснить это явление, был приглашен профессор Московского высшего технического училища Н. Е. Жуковский. Он провел опыты над ударами воды в водопроводных трубах.
      «Эти опыты дали интересные результаты, — писал Жуковский, — которые, насколько мне известно, до сих пор еще не указаны в технической литературе; оказалось, что явления при гидравлическом ударе объясняются возникновением и распространением в трубах ударной волны, происходящей от сжатия воды и от расширения стенок. Инженеры, которые занимались этой задачей, не обратили внимания на то, что при весьма быстром закрытии задвижки вода останавливается, давление повышается, и это состояние воды передается по трубе по закону распространения волнообразного движения».
      Теперь в водопроводных системах делают винтовые краны, которые закрываются не резко, а постепенно. Это предотвращает возникновение гидравлических ударов.
      Когда выпускной клапан гидравлического тарана открыт, водяной поток в подводящей трубе движется с нарастающей скоростью и накапливает энергию. Закрытие клапана вызывает резкую остановку водяного потока. В подводящей трубе происходит гидр авли-ческий удар. Давление воды резко повышается. Под действием этого давления открывается впускной клапан, и вода поднимается в приемный резервуар.
      Избыточное давление существует в подводящей трубе только короткое время, пока не израсходуется запасенная водяным потоком энергия движения. Затем давление спадает, выпускной клапан захлопывается, а впускной клапан под действием пружины открывается. Водяной поток в подводящей трубе снова нач инает набирать скорость и накапливать энергию движения. А когда скорость нарастет до предельного значения, произойдет новый гидравлический удар и т. д.
     
      ДЕТАЛИ МАШИН
     
      Все машины и механизмы состоят из деталей. Если внимательно изучить строение этих деталей, то можно заметить, что во многих машинах встречаются одинаковые детали, выполняющие одни и те же функции. Так, например, почти нет машин, в которых не применялись бы болты, гайки, валики, зубчатые передачи и ряд других деталей.
      Несмотря на огромное множество деталей машин, их можно разделить на несколько однородных групп. Наиболее часто встречаются детали, создающие различные передачи (рис. 60) и образующие всевозможные соединения (рис. 61).
      Рассмотрим подробней эти две группы деталей.
     
      Передачи
      Зубчатая передача — одна из наиболее распространенных. Она компактна, проста в обслуживании, надежна и долговечна в работе. Зубчатую передачу можно встретить в самых различных машинах, начиная от миниатюрных часов и кончая огромными станками. Только с ее помощью удается передавать мощности в несколько десятков тысяч лошадиных сил.
      Семья зубчатых передач очень велика. Если валы размещены параллельно друг другу, например в коробке скоростей станка, то для передачи используют цилиндрические шестерни с прямым зубом (рис. 60).
      Бесшумно и плавно скользят по улицам города легковые автомобили. Шестерни их зубчатых передач имеют косые зубья (рис. 60, 2), которые входят в зацепление друг с другом не сразу по всей своей длине, а постепенно. Эта постепенность зацепления и обеспечивает плавную работу передач.
      На валках прокатных станов обрабатываются крупные стальные слитки. Для этого валки должны получить от моторов очень большую силу. Передачу ее с успехом осуществляют огромные шестерни, диаметр которых иногда достигает человеческого роста. Шестерни таких гигантских передач имеют особо прочные шевронные зубья (рис. 60, 3).
      Если оси валов пересекаются друг с другом, то вращение с одного вала на другой передается коническими шестернями (рис. 60, 4).
      Обычно валы электрических моторов делают не менее 1000 оборотов в минуту. Чтобы значительно уменьшить скорость вращения при передаче движения к рабочим органам машин непосредственно, без помощи шестерен, используют червячную передачу — соединение винта (червяка) с шестерней (рис. 60, 5).
      Червяк, соединенный с валом электродвигателя, совершив полный оборот, повернет сцепленную с ним шестерню всего лишь на один зуб. А чтобы шестерня могла сделать полный оборот, червяк должен сделать столько оборотов, сколько зубьев имеет шестерня.
      Червячная передача занимает мало места, заменяя собой сложную систему шестерен.
      Соединяя прямую линейку, на которой нарезаны зубья (рейку) с шестерней, мы можем преобразовать вращательное движение в поступательное, и наоборот (рис. 60, 6).
      На использовании силы трения основана работа фрикционных передач. По сравнению с передачами других типов фрикционные механизмы наиболее просты, и поэтому они очень широко используются в технике. Едем ли мы в трамвае, автомобиле или поезде, работаем ли на огромном металлургическом заводе или в швейной мастерской — везде и всюду мы встречаем фрикционную передачу (рис. 60, 7). Ведь только с ее помощью вращательное движение колес всех видов транспорта преобразуется в поступательное, осуществляется надежное управление станком, быстрое и плавное изменение скоростей работы машины, подачи огромных стальных слитков в валки прокатного стана.
      Один из распространенных видов фрикционных передач — ременная передача (рис. 60, 8) — при всех своих недостатках (громоздкость, недолговечность) обладает рядом свойств, делающих ее незаменимой во многих современных машинах. Плавно и бесшумно передавая вращение от одного механизма к другому, она способна нести большие нагрузки и не разрушаться при этом. Механизмы, которым передает движение ременная передача, могут быть удалены от мотора на большие расстояния.
      Ременная передача — неизменный спутник быстроходных сверлильных токарных, точных шлифовальных станков. Здесь зубчатые передачи неприменимы, ибо малейшая неточность в их изготовлении — и при больших скоростях в машине появится шум п опасные колебания. Ременная же передача лишена этого недостатка. Правда, можно изготовить очень точно и зубчатую передачу, заставив ее тем самым работать плавно. Но это требует исключительно тщательной обработки каждой шестерни, а следовательно, и больших затрат средств.
      Простое перекрещивание ремня — и можно передавать вращение, изменив его направление. Без больших затруднений осуществляется передача в тех случаях, когда оси валов непараллельны друг другу: эластичность ремня позволяет установить его почти в любом положении.
      Винт и гайка известны всем как детали для соединения отдельных частей машин. Но, кроме этого, они широко используются для передачи движений почти во всех машинах и механизмах, начиная от точнейшего прибора до громадного морского корабля (рис. 60, 9).
      Прочная и долговечная в работе цепная передача (рис. 60, 10), передавая движение на значительные расстояния, позволяет нам быстро и легко передвигаться на велосипедах, поднимать тяжелые грузы.
      Шатунно-кривошипные передачи — механизмы, с помощью которых поступательное движение преобразуется во вращательное, и наоборот (рис. 60, 11). Они почти всегда первыми начинают передачу движения от двигателя к другим частям. Передача движения от двигателей автомобилей, паровозов, самолетов (если самолеты не реактивные) основана на применении шатунно-кривошипных механизмов.
      Нас всегда поражает сложность и точность работы машин-автоматов. Большую роль в них играют кулачковые механизмы (рис. 60, 12). Придавая разнообразную форму кулачкам, мы преоб-разовывазм вращение в различные виды поступательного движения: равномерное, ускоренное, прерывистое.
     
      Соединения
      В арсенале конструкторов много способов соединения деталей. Все они разделяются на две большие группы: разъемные и неразъемные. Разъемные соединения позволяют в любой момент разобрать машину, не повреждая ее при этом. Эго очень удобно, например, при ремонте машины. Но такие соединения нужны далеко не всегда: большой котел или мост можно отремонтировать, не разбирая на части. В таких случаях применяют неразъемные соединения, «намертво» соединяя детали друг с другом.
      Многие виды соединений изобретены человеком еще в глубокой древности и непрерывно совершенствовались с развитием общества. Всем знакомое резьбовое соединение русские кузнецы очень остроумно применяли еще около тысячи лет назад. Они перекручивали четырехгранный стержень и ввертывали его в дерево.
      Болт, винт, гайку — представителей резьбовых соединений, сейчас можно встретить повсюду: и в миниатюрном приборе, и в громадном океанском корабле.
      Подчас нас удивляет разнообразие конструкций этих как будто бы простых деталей. Но это разнообразие продиктовано требованиями современной техники. То, что хорошо в одном случае, не подходит в другом. Вот болт с шестигранной головкой (рис. 61, У). Он допускает большую силу затяжки и удобен для завертывания. Винт с внутренним шестигранником (рис. 61, 2) менее прочен, но занимает меньше места, экономнее в изготовлении и завертывается простым шестигранным стержнем. Небольшие винты с цилиндрической (рис. 61, 3) и «потайной» (рис. 61, 4) головками легко прячутся даже в тонких деталях. Придать машине красивый внешний вид помогают винты с полукруглой головкой (рис. 61, 5).
      Различны конструкции и гаек. Одни удобны для монтажа со всех сторон (рис. 61, 6), другие приспособлены для завертывания с торца (рис. 61, 7). Третьи, отличаясь большой высотой (рис. 61, 8) меньше изнашиваются за счет увеличенной поверхности соприкосновения с ключом.
      Издавна применяют и другой вид разъемного соединения — шпоночное. Оно удобно для соединения вала с насаженными на него деталями (например, зубчатыми колесами или втулками) (рис. 61, 9). Входя одновременно в пазы вала и втулки, шпонка как бы соединяет их в единое целое. При вращении вала вращаются и насаженные на нем детали; в то же время в случае надобности эти детали можно передвигать вдоль вала.
      Шпоночное соединение непрерывно совершенствуется. Чтобы сделать его более прочным, на валу вырезается несколько зубьев, которые входят в прорези втулки. Такое многошпоночное соединение (рис. 61, 10) успешно работает в современных машинах — станках, экскаваторах, автомобилях, самолетах и т. д.
      Быстрота сборки и разборки характерна для соединения деталей клином (рис. 61, 11). Клин часто можно видеть в сверлильных станках, где с его помощью соединяются шпиндель и сверло, встречается он и в других машинах.
      Мы часто любуемся красотой и грандиозностью мостов. Отдельные части этих сооружений соединяются заклепками (рис. 61, 12). Эго — одна из разновидностей неразъемных соединений. Заклепки можно увидеть не только в мостах. Они соединяют стальные листы в стенках котлов, листы металлической обшивки самолетов и т. д.
      В настоящее время заклепочные соединения все чаще и чаще уступают место сварным. Электрическая сварка — русское изобретение. В нашей стране, гдераньше другихнаучилисьсвариватьметалл, применение сварки расширяется с каждым днем. Мы уже сумели внедрить сварочные соединения в такую важную область техники, как котлостроение и мостостроение.
      Прочно соединить детали можно, не прибегая к сварке или заклепке. Если диаметр отверстия сделать несколько меньше диаметра вала, то с помощью пресса деталь можно насадить на вал, и она очень прочно соединится с ним (рис. 61, 13), Во многих случаях вместо пресса применяют нагрев насаживаемой детали или же охлаждение вала. В первом случае металл расширяется, во втором — сжимается, и это позволяет осуществить соединение, не прибегая к прессу. Этот способ называют соединением с гарантированным натягом. Его часто используют для соединения осей с колесами, втулок с корпусами, отдельных частей зубчатых колес.
      Для того чтобы научиться ремонтировать даже самые простые механизмы, надо изучить эти основные виды деталей машины, знать, как они работают, и уметь производить их сборку и разборку.
     
      ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ МАШИНЫ
     
      Самолет готовится к вылету. Он стоит на старте, в него погружают различные грузы. Самолет — сложная машина, ему предстоит пролететь много тысяч километров над морями и над горами, чтобы доставить к месту назначения ценный груз.
      Но эта сложная машина состоит из многочисленных простых машин, хорошо известных каждому (рис. 62).
      Вот опустилась крышка грузового люка и превратилась в наклонную плоскость. Чтобы втащить по ней груз на самолет, нужно приложить силу, гораздо меньшую, чем вес груза; наклонная плоскость — это одна из простейших машин, издавна используемая человеком. А вот другая простая машина — рычаг. С его помощью мы тоже можем выиграть в силе. Мы часто используем рычаг в нашей жизни, употребляя ножницы, клещи, гвоздодеры, гаечные ключи и т. д. Летчику рычаг помогает управлять самолетом. Подчиняясь движениям его руки, он движет руль высоты, а подчиняясь движению ноги, отклоняет руль поворота.
      Груз, который мы втащили по наклонной плоскости, надо перемещать по самолету, в этом поможет полиспаст, дающий значительный выигрыш в силе.
      Когда самолет подымется в воздух, летчик уберет его ноги — шасси. Это он сделает с помощью специального пневматического или гидравлического устройства. Но если это устройство почему-либо откажет, то на помощь придет простая машина — лебедка.
      Среди простых машин широко известен винт: он служит для самых различных целей. На самолете винт служит для того, чтобы превратить мощность двигателя в силу тяги, необходимую для перемещения самолета.
      То, что мы рассказали о самолете, справедливо для любой другой сложной машины. Многим из вас приходится сталкиваться в своей работе с этими машинами, многим хочется усовершенствовать их, используя различные приспособления. Выполнить эти желания вам помогут простые машины, если вы хорошо изучите их работу.
     
      РЫЧАГИ
      С давних времен люди научились пользоваться рычагами. Обычная палка, которой древний человек выворачивал из земли камень, была простейшим рычагом, дающим значительный выигрыш в силе. Рычаги широко использовались на строительствах, например при постройке египетских пирамид.
      Издавна чудесными свойствами рычагов и других простых механизмов умело пользовались русские мастера, когда им приходилось поднимать тяжелые грузы. В. В. Данилевский в книге «Русская техника» рассказывает о подъеме «царь-колокола» на колокольню.
      В 1654 году русские мастера-литейщики вылили невиданный в мире «царь-колокол» весом 8 тыс. пудов. Никто не решался поднять гигантский колокол на колокольню. Простой русский человек — царский вратарь, даже имя которого не сохранилось, вызвался поднять этот колокол (рис. 63).
      Последовательно подкладывали под край колокола громадную колоду как рычаг первого рода. С помощью полиспаста и деревянного ворота тянули вниз длинный конец колоды-рычага. Под поднятый конец колокола подкладывали в сруб новую колоду, после чего поднимали другую сторону колокола и, снова наклоняя его, закладывали в сруб новую колоду. То же самое делали с третьей и четвертой стороны сруба. Наклоняя по очереди колокол с каждой стороны, беспрерывно под.ним наращивали сруб, стоя на котором все выше и выше подымался тяжелый колокол. Чтобы облегчить подъем, к колоколу прикрепили цепи, которые наматывались на вороты. К свободным концам цепи подвесили деревянные платформы, которые нагружались камнями и тем самым частично уравновешивали колокол. Основная часть давления колокола приходилась на сруб, на котором стоял колокол. Подъем продолжался девять месяцев.
      Как известно, закон рычага еще в древнее время установил греческий ученый Архимед, который использовал рычаги при строительстве различных оборонных машин и сооружений.
      Рычаги широко используются в современной технике и в быту. Мы встречаем их везде, как составные части самых сложных машин. Рычаги используются в рычажных весах, в десятичных и вагонных весах. Для выигрыша в силе рычаги используются в органах управления различных машин. Нажимая или поворачивая рычаг (рукой или ногой), рабочий включает или переключает различные части машины, прилагая при этом незначительные усилия. Так, шофер автомобиля с помощью ручных и педальных рычагов управления приводит в действие тормоза (рис. 64). Педалью он разъединяет диски сцепления при переключении скоростей, преодолевая сопротивление сильных пружин, которые сжимают диски; усилие ноги передается целой системой рычагов.
      Часто рычаги применяют в передающих механизмах, особенно когда нет нужды в беспрерывном движении, а можно ограничиться небольшими и кратковременными перемещениями на незначительное расстояние.
      Так, в токарных и иных автоматических станках специальные рычаги передают движение от кулачковых механизмов, периодически перемещая на небольшие расстояния рабочие части машины. Небольшие рычаги по очереди открывают и закрывают клапаны двигателя внутреннего сгорания.
      В современной технике часто применяются рычаги не для выигрыша в силе, а для выигрыша в скорости или пути, например в поворотных подъемных кранах. Здесь проигрываем в силе, и необходимая подъемная сила создается с помощью мощного двигателя, соединенного с полиспастом и лебедкой.
      Часто встречаются рычаги и в живой природе: руки и ноги человека (рис. 65), лапы животных, ножки насекомых, крылья птиц и т. д. работают как рычаги первого и второго рода.
     
      ЛЕБЕДКИ
      Основным недостатком рычагов являются их короткие возвратно-поступательные движения (качания) — невозможность получения непрерывного движения. Поэтому в историческом развитии техники большим шагом вперед был переход от рычагов к колесным механизмам — сперва к вороту, а затем к лебедке и другим с их непрерывным вращательным движением.
      Лебедки применяются с целью выигрыша в силе в тех случаях, когда надо получить большое усилие на канате, в частности для подъема грузов. Моторная лебедка состоит из двигателя, передающего механизма и барабана, на который наматывается канат или цепь (рис. 66). Применяются как небольшие ручные лебедки, так и мощные механические с тепловыми или (чаще) электрическими двигателями. Передающий механизм состоит из нескольких (обычно 2 — 3) пар зубчатых колес или из червячной передачи. Последняя отличается большим передаточным отношением (в несколько десятков раз) и поэтому очень компактна, заменяя несколько пар зубчатых машинах и в рудничном транспорте применяются сложные канатные системы, приводимые в действие лебедками; последние имеют два барабана (с переключением передачи на тот или другой), например для намотки канатов прямого и обратного движения вагонеток; в лифтах — для канатов кабины и противовеса.
      На наших новых грузовых автомобилях и на военных тракторах применяются небольшие лебедки для самовытаскивания в случае, если машина завязнет на плохой дороге. Канат, наматываемый на барабан лебедки, другим концом укреплен на якоре, зацепляемом за местные предметы (деревья, пни) или грунт; лебедка вращается мотором автомашины.
     
      МЕХАНИЧЕСКАЯ РУКА
      Монотонно стучит обыкновенная ручная швейная машина. Ее хозяйка правой рукой вертит рукоятку, левой — направляет сшиваемую ткань. Картина эта хорошо знакома каждому, но вряд ли, наблюдая ее, люди отдают себе отчет в том, что на их глазах происходят удивительные превращения движений.
      Мерно и однообразно движется правая рука швеи. Ее плечо совершает качательные движения вокруг плечевого сустава: вперед-назад, вперед-назад. Благодаря этому локтевая часть руки перемещается вперед, вниз, назад и вверх.
      Этот цикл движений непрерывно повторяется. В результате рукоятка маховичка машины, а с нею и маховичок и его вал приводятся во вращательное движение. Здесь, в правой части машины, больше ничего не видно, все последующие процессы происходят в ее «рукаве», под платформой и в левой части, там, где машина выполняет заданную ей работу.
      На очень малом по длине мосту между источником движения — рукой — и сшиваемой тканью происходит много чудесных превращений: качателыюе движение плеча швеи превращается в прямолинейное, затем во вращательное, далее — снова в разнообразные прямолинейные (вертикальное, горизонтальное) и качательные. И все эти движения осуществляются каждый раз с другой, заранее рассчитанной и обеспеченной скоростью.
      Для чего приведен такой устаревший пример, в котором мышцы человека служат двигателем рабочей машины, а его рука частью передаточного механизма? Ведь мы уже знаем: в наши дни валы производственных машин, в том числе и швейных, вращаются непосредственно от электродвигателей.
      Но и в этих машинах вращение вала очень часто превращается в качательные, прямолинейные (и всякие другие) движения исполнительных органов. А механики научились осуществлять эти превращения еще в те времена, когда решали обратнуюзадачу — как с помощью качательного и прямолинейного движения руки получить вращение вала. Картина работы на ручной швейной машине дает полное представление о решении такой задачи. Но оно было найдено, конечно, не в швейной машине, которая появилась лишь в XIX столетии, а за тысячелетия до наших дней.
      Веревка или цепь с ведром намотана на вал ворота с отходящей от него изогнутой рукояткой. Вот человек зажал рукоятку и совершает те же движения, что и хозяйка швейной машины. Цепь сматывается с вала ворота, ведро уходит вниз (двигается прямолинейно), зачерпывается вода. Теперь человек изменил движение своей руки, делает те же движения, но в противоположном направлении, — цепь наматывается на вал, ведро поднимается.
      Такое устройство применялось и в древние времена для подъема небольших грузов. Правда, оно очень долго совершенствовалось. Для вращения вала ворота древние механики сначала приспособили не рукоятку, а сплошное колесо и приделали к нему у самого края перпендикулярно к боковой поверхности «палец». Человек нажимал на этот палец и приводил колесо во вращение. Впоследствии для облегчения работы стали изготовлять колесо не сплошным, а на спицах. Еще позднее сообразили, что во многих случаях вовсе нет нужды в целом колесе, достаточно оставить одну спицу, скрепленную с валом, а на конце ее укрепить палец. Так получилась изогнутая рукоятка, которая и в наши дни служит в колодезных воротах и в ручных швейных машинах.
      Коловорот — приспособление для сверления отверстий в дереве или в тонком листовом металле — существует много веков. Он представляет собой изогнутый в виде колена стержень с закрепленным на конце сверлом. Нажимая рукой на излучину колена, приводят коловорот во вращательное движение, и сверло врезается в материал. И в этом случае «механизм», составленный из человеческой руки и коленообразной рукоятки, служит для превращения качательного и прямолинейного движения во вращательное.
      Так с незапамятных времен рука человека, ее сочленения сделались важнейшей частью механизма, чудесно превращавшего одно движение в другое.
      Как ни поразительны достижения современной машинной техники, все же нет-нет, а встречается в наше время и стародавний переносный ножной точильный станочек для точки ножей и ножниц.
      В этом устройстве рабочий вал изогнут коленом, как и в коловороте.
      Но колено-рукоятка приводится во вращение не рукой, а металлической тягой и педалью, на которую нажимает нога точильщика (рис. 66а).
      Это устройство так же, как и ворот и коловорот, появилось очень давно. Точильщику понадобились для работы обе руки. Он не мог уделить одну из них для вращения вала своего станка. Не всегда он мог располагать подручным, который делал бы это за него. Возникла потребность в замене человеческой руки механическим приспособлением для вращения вала. Древние механики, осуществляя эту замену, изобрели механическое подобие человеческой руки в виде педали, сочлененной с тягой, которая в свою очередь охватывала излучину колена вала. Педаль совершала качательное движение и заменяла плечо, тяга выполняла работу локтевой части руки, а тот ее конец, который охватывал излучину колена, играл роль кисти, зажавшей коленообразную рукоятку.
      Точно такое же устройство, такая же механическая рука выручает в наши дни хозяйку ножной швейной машины. Качающаяся подножка (педаль) заставляет работать тягу, которая сочленена с рукояткой приводного колеса и вращает его. С помощью круглого бесконечного ремня вращение колеса передается маховичку и валу машины.
      Благодаря этому машиностроителям во второй половине XVIII столетия удалось решить две трудные задачи: первую — от штока поршня парового двигателя передать движение валу рабочей машины и заставить его вращаться; вторую — передать движение от вала машины к ее исполнительным органам и превратить его в прямолинейное или качательное.
      Они воспользовались простой истиной: если работающая механическая рука приводит в движение вал машины и заставляет его вращаться, значит эту же систему можно использовать и в обратном порядке — сделать так, чтобы вращающийся вал приводил в движение механическую руку и заставлял ее совершать качательное и прямолинейное движения.
      Получился основной передаточный механизм, который распространен в современных машинах. Он состоит из четырех звеньев. Первое — известная нам изогнутая рукоятка, или единственная спица, и перпендикулярный к ней палец. Второе и третье — локтевая и плечевая части механической руки. Четвертое звено — стойка — неподвижная часть машины, на которой установлен и работает весь механизм.
      Все эти четыре звена сочленены между собой. Обычно на одном конце — очко, а на другом шип. Очко свободно охватывает шип так, что оба звена могут поворачиваться относительно друг друга, как на шарнире. Поэтому и весь механизм получил название шарнирного четырехзвенника. Каждое звено имеет свое название. Плечо механической руки в своем движении покачивается вокруг точки опоры, как обыкновенное коромысло, его так и назвали коромыслом. Локтевая часть механической руки как бы шатает коромысло, ее так и назвали шатуном. Изогнутая рукоятка имеет вид коленчатого шипа, ее и назвали кривошипом.
      Когда механическая рука работает, кривошип описывает вокруг своего вала полную окружность. Коромысло, наоборот, не может совершить полный обороч и качается в обе стороны. А шатун отличается от кривошипа и коромысла не только формой своего движения, но и тем, что он связан не со стойкой механизма, а лишь со своими соседями и во многих случаях служит для осуществления рабочего движения машины.
      Если, к примеру, присоединить к шатуну длинный рычаг да еще придать этому рычагу ответвление, различные точки этих придатков будут совершать движения по самым различным замкнутым кривым линиям.
      Теперь, когда мы узнали, как появились и устроены механические руки машин, приведем один из наиболее простых и в то же время ярких примеров их действия.
      На хлебозаводах работают тестомесильные машины. Их месильные «лапы» точно и быстро совершают рабочее движение по очень замысловатой замкнутой кривой линии, напоминающей треугольник с закругленными вершинами (рис. 666).
      От вращающегося вала машины работает кривошип, связанный шарниром с шатуном и коромыслом. Но шатун удлинен, его продолжение, криволинейный рычаг, заканчивается тестомесильной лапой. Соотношение размеров кривошипа и сочленений механической руки подобраны так, что лапа осуществляет движения, подобные тем, что совершает рука пекаря-месильщика.
      Закончив обработку одного куска теста, пекарь-месильщик придвигает к себе другой очередной кусок. А как это делается в машине? Оказывается, другой ее исполнительный орган — зубчатый механизм — во время работы механической руки вращаете равномерной скоростью сосуд-дежу, в котором находится масса теста, и, таким образом, подает ее на месильную лапу.
      Работа одного месильщика в машине поделена между двумя ее исполнительными органами, а каждое их движение видоизменено, сделано более точным, совершенным и ускоренным.
      Механическая рука не во всех случаях одинаково устроена. Всегда в нее входит шатун, но не всегда в ней есть коромысло или кривошип. Бывает, вместо коромысла ставят второй кривошип, который, как и первый, поворачивается на полный оборот вокруг своей оси. Может быть, что оба кривошипа, неравные или равные по длине, вращаются в одном направлении или противоположном друг другу.
      Бывает и так: вместо кривошипа ставят второе коромысло. Тогда ни одно звено механизма не будет поворачиваться на полный Оборот - оба коромысла будут качаться около своих опорных точек.
      Такой механизм со скрещенными коромыслами и с рассчитанным соотношением величин его звеньев был предложен академиком П. Л. Чебышевым для осуществления прямолинейного движения точки, расположенной на шатуне.
      Кривошип не всегда выглядит одинаково. Мы уже знаем, что в одних случаях он похож на рукоятку, а в других — на колено. Иногда он выглядит совсем по-другому (рис. 66в).
      Возьмем обыкновенный кривошип в виде рукоятки с пальцем и вообразим, что из точки, с которой скреплен его палец, описана окружность радиусом немного побольше длины рукоятки. По размерам этой окружности изготовлен диск и краем своим насажен на тот шип, который связан с валом. Получился тот же кривошип, но в виде круглого диска, центр которого с помощью пальца может вращаться вокруг оси вала.
      В некоторых механизмах только такая форма кривошипа (диска-эксцентрика) помогает конструктору лучше всего решить задачу передачи движения от вращающегося вала.
      И другие изменения механической руки позволяют получать самые различные перемещения шатуна и коромысла и связанных с ним исполнительных органов машины.
      Одно из этих изменений встречается особенно часто — оно служит для превращения вращательного движения в прямолинейное, и наоборот, поэтому и рассказать о нем следует подробнее.
      Представим себе, что в обычной механической руке исчезло коромысло и заменено оно не вторым кривошипом, а простой колодочкой. На теле колодочки — шип, на него надето очко конца шатуна. Колодочка не закреплена на месте, она прямолинейно перемещается, скользит.
      Рис. 67. Так и паровой машине прямолинейное движение превращается во вращательное
      Теперь стоит кривошипу сделать пол-оборота, и колодочка более или менее быстро поползет на расстояние, равное его двойной длине. За вторую половину оборота колодочка проползет то же расстояние, но в обратном направлении.
      Так за каждый следующий оборот кривошипа колодочка будет совершать свой рейс в оба конца определенной дистанции.
      Наоборот, если работа механической руки начинается движением колодочки, то за каждый ее двойной рейс кривошип делает полный оборот. По характеру своего движения колодочка и была очень образно названа ползуном.
      Именно такую механическую руку применили машиностроители для преобразования прямолинейного движения поршня парового двигателя во вращение вала (рис. 67). Впоследствии она же пригодилась и в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Поршень в таких случаях служит ползуном, и через шатун и кривошип его движение преобразуется во вращение вала.
      Этот механизм вытеснил и параллелограмм Уатта и все последующие его видоизменения и прочно утвердился в двигателях. Он же сделался самым распространенным и надежным преобразователем вращения рабочего вала производственных машин в строго прямолинейное движение их исполнительных органов.
     
      ПЕРЕВОЗКА «ГРОМ-КАМНЯ»
     
      Шарикоподшипники в XVIII столетии
      Почти двести лет назад Екатерина II решила поставить в Петербурге памятник Петру I.
      По идее скульптора Фальконета, этот памятник должен был состоять из бронзовой конной статуи Петра, установленной на большом куске скалы.
      После долгих поисков в шести с половиной километрах от малой Невы, на Лахте, был найден подходящий камень. Весил он более тысячи тонн.
      В те времена перевозка такого тяжелого камня была делом чрезвычайно сложным, и способ выполнения этой работы представляет значительный интерес.
      При этом применялись различные приспособления, позволявшие с небольшим количеством рабочих передвинуть огромный груз. Организация работы была тщательно продумана во всех мелочах.
      Работа началась с того, что вокруг камня был выкопан большой котлован. С одной стороны котлована соорудили искусственное свайное основание, на которое должен был лечь камень после его поворота в вертикальной плоскости на 90 градусов.
      С противоположной стороны котлована было также устроено свайное основание, на которое установили брусчатые клетки и брусчатую стену. Эти приспособления явились опорой для рычагов, которые должны были поднимать камень. Сами рычаги представляли собой обыкновенные длинные бревна, прочно связанные канатом. Толстые концы бревен подкладывались под выступающий край камня, а тонкие концы спускались вниз при помощи двенадцати грузоподъемных приспособлений, состоящих из системы подвижных и неподвижных блоков и обыкновенных лебедок. Приподняв и установив камень вертикально, приступили к его горизонтальному повороту. Для этой цели было изготовлено специальное приспособление, представляющее собой поворотный круг. Он состоял из двух деревянных брусчатых кругов диаметром 3,66 м. На внутренней стороне этих кругов были сделаны канавки, выложенные медными обкладками. В эти канавки-желобки укладывались 15 шаров из желтой меди диаметром около 13 см каждый. Таким образом, этот круг явился прототипом шарикового подшипника. После того как камень подняли при помощи четырех винтовых домкратов, его опустили на поворотный круг и повернули с помощью двух лебедок.
      Почти весь путь камня лежал через болото, поэтому работу перенесли на зимние месяцы, предварительно устроив специальную ледяную дорогу. Там же, где болото оказалось слишком глубоким и не промерзало, забивали сваи и по ним укладывали лежни. Лежни делались также с желобками, обитыми медными пластинками, по которым на шарах передвигали камень.
      32 рабочих с помощью лебедок и блочных приспособлений передвигали камень со скоростью от 150 до 360 м в день. Весь путь был пройден в 6 недель.
      Весьма любопытна примененная при этом организация работ. На передней части камня помещалась кузница для исправления инструментов. Сзади камня на полозьях двигалась привязанная к нему будка с инструментами и запасными частями. По обеим сторонам на салазках, привязанных толстыми веревками, ехали рабочие: одни из них подправляли шары, а другие во время передвижения камня подтесовывалн его снизу. На верху камня стоял барабанщик и по указанию распорядителя работ давал сигналы для выполнения всех движений в строгом порядке.
      Затем камень надо было перевезти по реке. Для этого построили специальную баржу. Чтобы баржа не опрокинулась в момент установки на нее камня, ее решили сперва затопить с тем, чтобы днище ее стало на дно реки. У затопленной баржи разобрали верхнюю часть борта и тогда с помощью лебедок камень втащили на баржу по тем же лежням, на которых тащили его всю дорогу.
      Когда стали откачивать воду, чтобы поднять баржу на поверхность, то нос и корма баржи подымались, и средняя часть баржи, на которой был сосредоточен вес камня, оставалась на дне. Это грозило поломкой баржи. Тогда камень подняли на винтовых домкратах и укрепили на многочисленных подпорках, которые упирались в разные точки днища баржи. Таким образом, вся тяжесть камня распределилась на баржу равномерно. С помощью двух парусных кораблей доставили баржу по реке к набережной Сенатской площади.
      Здесь, чтобы баржа не опрокинулась при выгрузке, ее установили на шесть рядов свай, укрепили между берегом и специальным кораблем. Затем баржу слегка наклонили в сторону берега, чтобы камню было легче с нее сходить. После всего этого камень стащили на берег (по специальному помосту) толстыми канатами, наворачивая их на четыре лебедки.
      Так был доставлен огромный камень для исторического памятника. Работа эта отняла целых два года.
     
      ПЛУГ
      Основным орудием для вспашки почвы является плуг. В зависимости от применения тяги плуги разделяются на конные и тракторные, а тракторные в свою очередь — на прицепные и навесные. У каждого плуга можно выделить основные части, действующие на почву, и вспомогательные, которые соединяют между собой основные части и регулируют их действие. Теперь в большинстве применяют плуги с предплужниками.
      На рисунке 68 изображен в общем виде тракторный прицепной пятикорпусный плуг П-5-35М, а на рисунке 69 — передковый конный плуг ПП-28.
      Тракторный плуг П-5-35М (рис. 68) имеет такие рабочие части: предплужник 3, лемех 4, нож 7 и отвал 5. Каждая из этих частей имеет определенное назначение и выполняет определенную работу.
      Предплужник, который представляет собой небольшой плужок, срезает верхний слой почвы и переворачивает его на дно борозды.
      Лемех подрезывает нижнюю часть слоя почвы и, как по клину, немного поднимает его на отвал. По отвалу почва поднимается еще выше, переворачивается в борозду и размельчается при этом на небольшие куски. Лемех и отвал укреплены на раме 13 с помощью стояка. Кроме лемеха и отвала, к стояку (с другой стороны) укреплена полевая доска, которой плуг опирается в дно и стенку борозды.
      Стояк с прикрепленными к нему лемехом, отвалом и полевой доской называется корпусом плуга. По числу корпусов плуги разделяются на однокорпусные и многокорпусные. В многокорпусных плугах перед последним корпусом укреплен дисковый нож 7. Он подрезывает слой почвы слева вдоль стенки борозды, предохраняя его от осыпания. В однокорпусных и малокорпусных плугах между предплужником и плугом укреплен черенковый нож 1 (рис. 69). К вспомогательным частям плуга относятся: рама, на которой и крепятся остальные части плуга, колеса, на которых двигается плуг и штурвалы, — устройство для регулирования глубины и ширины захвата и для подъема плугов во время холостого хода (при транспортировании); наконец, есть прицеп, который соединяет плуг с трактором.
      Плуг является примером применения в одной машине ряда различных простых механизмов. Так, устройство управления (штурвалы бороздного и полевого колес) является своеобразным воротом, соединенным с винтом. В рабочих частях (предплужнике, лемехе, отвале и черенковом ноже) применяются принципы клина, наклонной плоскости и частично винта.
      Рассмотрим немного подробнее работу главных частей плуга. Прежде всего плуг должен отрезать слой земли определенных размеров. Эгу работу выполняют нож и лемех, изготовленные из специальной стали.
      Плужный нож — это клин, грани (щеки) которого поставлены под углом 12 — 15 градусов одна к другой. Нож входит в почву под углом около 45 градусов к горизонту. Реактивная сила частей почвы (рис. 70), которая действует на лезвие ножа, разлагается на силу Р которая действует противоположно движению ножа, и силу Р. которая прижимает нож ко дну борозды.
      Лемех подрезает слой почвы в горизонтальном направлении и частично поднимает его в верх. Подрезывая слой почвы, лезвие лемеха, которое также является клином с углом заострения до 15 градусов.
      Лемех поставлен под углом 32 — 45 градусов к направлению движения плуга.
      Сила реакции почвы 7? (рис. 71) раскладывается на силу Р, которая заставляет плуг срезать борозду, и силу Р, которая противодействует движению плуга вперед.
      Слой почвы, отрезанный лемехом, поднимается вверх на наклонно поставленный и выгнутый отвал плуга, который переворачивает этот слой и размельчает его. Такой отвал можно рассматривать как несколько клинов, поставленных друг на друга (рис. 72).Первый клин отрезает слой и немного поднимает его, а каждый следующий клин (2, 3-й и т. д.) поднимает почву еще выше (тут мы имеем дело с подъемом тела на подвижном клине). Верхняя часть отвала несколько изогнута в правую сторону по ходу плуга и представляет часть винтовой поверхности, вследствие чего слой не только поднимается по отвалу, а и переворачивается с его помощью, разрушается и размельчается. Чтобы уменьшить сопротивление почвы, режущие лезвия ножа и лемеха хорошо заострены, а поверхности их тщательно отшлифованы.
      В зависимости от свойств почвы и условий вспашки отвалы плугов делают различной формы. По форме отвалы плугов разделяются на такие типы: цилиндрические (рис. 73,а), культурные (рис. 73,6), полувинтовые (рис. 73,в) и винтовые (рис. 73,г). Цилиндрические отвалы хорошо разрушают и размельчают почву, но плохо переворачивают ее, и поэтому их применяют на культурных рыхлых почвах. Винтовые отвалы хорошо переворачивают почву, но плохо разрыхляют ее; их применяют на прочных дерновых и залежных почвах. Культурные и полувинтовые отвалы занимают промежуточное место между вышеупомянутыми, а поэтому их шире используют на старопахотных не очень задернелых почвах. В соединении с предплужником они хорошо обрабатывают задернелые и залежные почвы.
      Своим устройством предплужник напоминает плуг. С помощью предплужника можно осуществлять двухъярусную, так называемую культурную вспашку, которая является наиболее совершенной формой обработки почвы особенно на целинных и залежных землях.
      Корпус предплужника (рис. 74) также состоит из лемеха 1, отвала 2 и стояка 3. Предплужник устанавливают так, чтобы его лезвие шло ниже от главной массы корней дерна (на глубине не меньше 8 — 10 см). Идя впереди главного корпуса, предплужник срезает травянистый слой почвы (первый ярус) и переворачивает ее на дно борозды. Почва, освобожденная от верхнего слоя (второй ярус), хорошо размельчается на главном корпусе и засыпает травянистый слой.
      В верхнем слое почвы есть личинки различных вредителей и проросшие семена сорняков.
      Засыпанные на дне борозды верхним слоем почвы, эти вредители в значительной степени погибают.
      Ширина захвата слоя почвы и глубина вспашки регулируются специальными устройствами.
      СТР. 142-149 ОТСУТСТВУЮТ
      делают этот велосипед весьма проходящим, а небольшое передаточное число облегчает его ход.
      Женский дорожный велосипед (рис. 80) отличается от мужского формой трубы рамы, которая в этом случае изогнута книзу. Верхняя часть заднего колеса затянута сеткой, чтобы платье не касалось вращающегося колеса.
      Для юношей и девушек выпускают велосипеды меньших габаритов и облегченной конструкции.
      Для спортсменов велосипеды выпускают специальной конструкции. Для шоссейно-гоночных соревнований выпускают специаль-
      ные гоночные велосипеды (рис. 81) легкого веса (9 — 12 кГ), с металлическими педалями и однотрубными шинами. Эти велосипеды снабжаются тормозами на переднее и заднее колеса.
      Кроме того, выпускают еще трековые велосипеды (для гонок на велодромах), легкодорожные, детские и пр.
      Чтобы облегчить езду велосипедистов, теперь выпускают легкие велосипедные двигатели внутреннего сгорания; это дает возможность использовать во время езды как ножной, так и механический привод.
     
      ПОРТАЛЬНЫЙ КРАН
      Портальные краны появились в технике сравнительно недавно. Основное применение они нашли в морских и крупных речных портах. Но название свое они получили не от слова порт, а от слова «портал»: широко расставленные опоры кранов напоминают торжественный вход, арку, портал. Под этой аркой, прямо под ногами портального крана, обычно бывает проложена железная или шоссейная дорога, по которой ездят разгружаемые и нагружаемые составы и автомашины. Портальный кран высится над ними подобно Гулливеру, забавляющемуся детьми; его могучая рука сразу разгружает целую железнодорожную платформу, которая кажется по сравнению с ним игрушечной, или может поднять трехтонный самосвал со всем грузом. Сразу трудно даже поверить, глядя со стороны, что эта машина управляется одним человеком из кабинки, которая почти не заметна на огромном теле гиганта.
      С обслуживания портовых причалов портальные краны пришли помочь советскому человеку на грандиозную стройку — Волго-Донской судоходный канал. Эта первая в истории техники попытка применить*их в условиях крупного строительства оказалась очень удачной — портальные краны проявили себя замечательными строителями, они сразу же заняли свое совершенно особое, почетное место среди других строительных машин и механизмов.
      Как устроены портальные краны?
      Под четырьмя металлическими колоннами его (рис. 82) громадного портала 1 стоят ходовые тележки 2 с двухребордными колесами, приводимыми в движение через червячный редуктор электромоторами 3. Все моторы включаются одновременно поворотом рычага в кабине управления. Чтобы кран, имеющий очень значительную парусность, не сделался «игрушкой ветров», он имеет специальные рельсовые захваты 4 — большие клещи, челюсти которых крепко схватывают головку рельса, когда кран стоит на месте. При включении моторов передвижения электрический ток сначала поступает в мотор 5, который размыкает стиснутые челюсти рельсовых захватов. Только после этого ток начинает поступать в моторы передвижения.
      Сверху на портале установлен цевочный венец 6, предназначенный для осуществления поворота крана. Здесь же находится кольцевой токоприемник, назначение которого принимать и передавать электрический ток в поворотную часть крана и обратно — к моторам, установленным на портале.
      На поворотной платформе 7 смонтированы основные механизмы крана. Здесь находится машинное отделение 8 и кабина управления.
      В передней части машинного отделения со стороны стрелы установлен 100-сильный электромотор. Этот электромотор через редуктор приводит в движение барабан подъемной лебедки. Подъемный трос 9 одним концом наглухо прикреплен через ограничитель грузоподъемности к каркасу машинного отделения. Второй конец обегает направляющие ролики стрелы и хобота, опускается к блоку крюка 10 и возвращается через головной блок к барабану подъема, где и крепится наглухо. Скорость подъема груза 36,5 м в минуту. На валу электромотора установлен электромагнитный тормоз, который в момент включения оттормаживает мотор, а в момент выключения затормаживает его, не давая возможности самопроизвольного спуска груза. В случае, если вес поднимаемого груза будет превышать 10 Т или если при подъеме обойма блока крюка приблизится к головной части хобота, электромотор подъема груза автоматически выключается.
      В задней части машинного отделения установлен 30-киловаттный мотор поворота крана. Этот мотор через червячный редуктор передает движение малой шестерне, находящейся в зацеплении с цевочным венцом. При включении мотора поворота малая шестерня обегает по кругу цевочный венец, увлекая за собой всю поворотную часть крана. Так осуществляется поворот крана со скоростью один оборот в минуту.
      Наиболее интересным и характерным для портальных кранов ленинградского завода имени Кирова является механизм изменения вылета стрелы.
      В машинном отделении установлен 11-киловаттный мотор, от которого через редуктор приводятся в движение специальные кривошипы 11, связанные двумя тягами 12 с коромыслами 13, свободно качающимися на неподвижной оси 14. К задним концам коромысел подвешен противовес 15, а передние их концы соединены тягами 16 шарнирно со стрелой 17. Хобот 18, свободно посаженный на неподвижной оси 19 на конце стрелы, оттягивается двумя оттяжками 20, концы которых заделаны шарнирно на оси коромысла.
      Такая система подвески называется уравновешенной и применена на портальных кранах впервые в истории краностроения. Эта система дает возможность при изменении вылета стрелы перемещать поднимаемый груз горизонтально, иметь для изменения вылета мотор малой мощности, а также иметь постоянную грузоподъемность при всех вылетах стрелы.
      Все это дает портальным кранам огромные преимущества перед другими типами подъемных кранов.
      В машинном отделении смонтированы также электрические панели управления и другие приборы.
      Справа от машинного отделения несколько выдвинута вперед кабина управления.
      Нижняя и боковая части кабины остеклены, что обеспечивает машинисту крана достаточную видимость.
      Машинист, сидя в этой кабине, несколько похожей на штурманскую кабину большого воздушного корабля, поворотами ручек управляет всеми механизмами, осуществляющими многообразные движения груза.
      Портальный кран — одна из крупнейших машин нашего времени.
     
      МЕХАНИКА АВТОМОБИЛЯ
      Автомобиль. Кому незнакома эта быстроходная транспортная машина? Кто не пользовался этим средством передвижения?
      Автомобиль широко используется не только во всех без исключения отраслях народного хозяйства СССР, но прочно входит в быт советских людей. Трудно представить себе теперь без автомобилей наши города и села, колхозы и совхозы, войсковые части и спортивные клубы.
      Они перевозят пассажиров, грузы, почту. Оснащенные специальным оборудованием, автомобили несут самую разнообразную службу С каждым годом все шире развивается в нашей стране автомобильный спорт. Советские спортсмены-автомобилисты добиваются все новых и новых успехов. Непрерывно увеличивается количество автомобилей индивидуального пользования.
      Автомобилизация Советского Союза развивается небывало быстрыми темпами. А давно ли человек начал пользоваться автомобилем?
      Оглянемся в прошлое, на два столетия назад. Перелистаем архивные документы...
      Первый паровой автомобиль был построен в 1860 году уральским техником Аммосом Черепановым. Автомобиль этот, названный изобретателем «паровым слоном», обслуживал в качестве тягача по перевозке руды нижнетагильские металлургические заводы.
      Большую роль в развитии автомобиля сыграла замена прежних железных шин резиновыми — сначала сплошными, а с 1890 года пневматическими. Преимущества автомобильного транспорта перед гужевым стали неоспоримыми.
      Автомобильная промышленность в СССР зародилась в первые же годы создания советской власти и начала быстро развиваться. Уже в 1937 г. эта промышленность дала стране более 200 тысяч автомобилей.
      В послевоенные годы автомобильная промышленность Советского Союза находится на новом мощном подъеме. Коммунистическая партия и Советское правительство неустанно заботятся об автомобилизации страны.
      В 1960 году согласно Директивам XX съезда КПСС по пятилетнему плану будет выпущено 650 тысяч автомобилей различных марок — на 46% больше, чем в 1955 году.
      Автомобили новых моделей, построенные на базе современной советской техники, обладают красивыми формами, большой скоростью, повышенной грузоподъемностью, экономичностью и износоустойчивостью. На рисунках 83 — 88 вы видите изображение этих автомобилей.
      Начался выпуск новой марки автомобиля «Москвич», налажено серийное производство легкового автомобиля «Волга».
      Научиться управлять автомобилем может каждый человек, если он не страдает особыми физическими недостатками. Овладение автомобильной техникой для нашей советской молодежи, энергичной, пытливой, настойчивой, умеющей преодолевать все трудности и добиваться поставленной цели, не представляет больших затруднений.
      Автомобиль должен с большой скоростью перевозить людей или грузы, хорошо преодолевать подъемы, плавно трогаться с места, легко и послушно изменять направление движения и останавливаться. Эти основные и некоторые другие требования не могут быть
      выполнены одним универсальным механизмом. Для этого нужен комплекс механизмов, причем устройство каждого механизма должно соответствовать определенному назначению.
      Постараемся разобраться в общем устройстве автомобиля, выяснить назначение, расположение каждого механизма и принципы его работы.
      В автомобиле принято различать кузов с кабиной и механизмы, установленные на раме или прикрепленные к кузову.
      Кузов, предназначенный для удобного размещения пассажиров и груза, определяет назначение автомобиля: легковой, грузовой, автобус и т. д. Чтобы современный быстроходный автомобиль был удобным, комфортабельным и красивым, кузову придают удобнообтекаемую форму, его оборудуют мягкими сидениями, освещают, устанавливают в нем радиоприемник, электроприкуриватели, электрические и другие отопительные приборы. В некоторых легковых автомобилях («Москвич», «Победа») кузов одновременно является рамой.
      Механизмы автомобиля принято подразделять на следующие группы:
      1) двигатель;
      2) механизмы силовой передачи;
      3) ходовая часть автомобиля;
      4) системы управления автомобилем.
      Двигатель является как бы сердцем автомобиля. В нем при сгорании бензина образуется энергия, необходимая для движения автомобиля.
      Между двигателем и ведущими (задними) колесамй расположены механизмы силовой передачи, которые являются передатчиками усилий и выполняют еще и дополнительные задачи, возникающие в процессе движения автомобиля.
      Из всей цепи механизмов силовой передачи первым передает усилия двигателя механизм сцепления (рис. 89). Несколько гладких дисков, составляющих основу этого механизма, сжаты пружинами так, что они не могут проворачиваться относительно друг друга (буксовать), и силой трения передают усилия двигателя.
      Рис. 89. Механика автомобиля:
      1 — двигатель; 2 — сцепление; 3 — коробка передач; 4 — карданная передача; 5 — глаа пая передача; 6 — дифференциал; 7 — валы, передающие усилия на колеса
      Водитель, нажимая левой ногой на педаль сцепления, отодвигает диски один от другого. Трение между ними исчезает, и передача усилий на все последующие механизмы силовой передачи и на колеса прекращается. Таким образом, при помощи механизма сцепления происходит соединение (сцепление) или разъединение двигателя с механизмами силовой передачи автомобиля. Кроме того, отпуская медленно педаль и заставляя диски сцепления плавно приближаться друг к другу, можно при значительных оборотах двигателя обеспечить постепенное нарастание передаваемых от него усилий, необходимое для плавного трогания автомобиля.
      Вслед за механизмом сцепления расположена коробка передач. Она служит для того, чтобы изменять усилия, передаваемые двигателем на ведущие колеса, и изменять направление вращения ведущих колес (задний ход). При трогании с места усилия на колесах должны быть максимальными. Когда автомобиль уже приобретает скорость и движется по ровной дороге, для вращения колес потребуется усилий во много раз меньше.
      Коробка передач дает возможность путем сцепления шестерен разных диаметров при неизменном числе оборотов вала двигателя увеличить усилия на колесах, уменьшив скорость их вращения, и наоборот (см. статью «Коробка передач»).
      Следующим механизмом силовой передачи является карданная передача. Она передает усилия от коробки передач на главную передачу.
      Дело в том, что коробка передач вместе с двигателем укреплена в раме автомобиля и самостоятельного перемещения относительно рамы не имеет. Задний же мост подвешен к раме на рессорах и при каждом прогибе рессор приближается к раме или удаляется от нее. Поэтому карданная передача должна быть подвижной, а это достигается установкой шарнирных соединений (карданов), позволяющих карданному валу отклоняться от оси ведомого вала коробки передач без нарушения передачи усилий.
      Следующее звено в цепи механизмов силовой передачи — главная передача. Она расположена в картере заднего моста. Две конические шестерни — ведущая и ведомая — составляют ее устройство. Первая — малого размера — соединена с карданной передачей, а вторая — большая шестерня — укреплена на коробке дифференциала.
      Автомобильные двигатели развивают большое число оборотов в минуту (3000 — 4000 об/мин), но дают столь малые усилия за каждый оборот, что даже при наличии коробки передач эти усилия могут быть недостаточными не только для трогания автомобиля, но и для поддержания его движения. Поэтому необходим механизм, который повышал бы в требуемой мере усилия, передаваемые колесам. Этим механизмом и является главная передача, которая выполняет свое назначение благодаря сочетанию в ней двух шестерен различных размеров. Очень часто двигатели грузовых и легковых автомобилей имеют одинаковые мощности, и только различные размеры шестерен главных передач создают необходимые усилия: в одном случае для работы грузового, а в другом — для работы легкового автомобиля.
      Наличие конических шестерен позволяет изменять и направление передаваемых усилий. От карданного вала, расположенного вдоль автомобиля, движение при помощи главной передачи передается на приводные валы колес, которые расположены поперек автомобиля, под прямым углом к карданному валу.
      Последним механизмом силовой передачи является дифференциал, объединенный с главной передачей. Этот механизм позволяет колесам ведущей оси вращаться с разным числом оборотов и проходить различные по величине отрезки пути в одинаковое время. При поворотах, когда одному из колес приходится проходить больший путь, чем другому, дифференциал автоматически обеспечивает различную скорость вращения колеса. Благодаря этому предотвращается скольжение колес, уменьшается износ шин и облегчается поворот автомобиля (см. статью «Поворот автомобиля»).
      Ходовая часть (рис. 90) составляет основу автомобиля как ловозки. Главным элементом ходовой части является рама /. Она установлена при помощи рессор 2 на передней оси и задней оси. Оси, или мосты (как их принято называть), опираются на колеса 3--4. Обычно передние колеса — направляющие, а задние — ведущие.
      Рис. 90. Ходовая часть автомобиля
      Наличие двигателя, механизмов, силовой передачи и ходовой части обеспечивает возможность движения автомобиля, но автомобилем нужно и управлять — управлять его скоростью, направлением движения, выбирая наиболее удобное положение на дороге, совершая повороты, маневрируя при разворотах и т. д. Для этих целей автомобиль имеет системы рулевого управления и тормозов.
      Рис. 91. Система рулевого управления
      Система рулевого управления (рис. 91). Рулевой механизм 1, управляемый из кабины водителя при помощи штурвала 2, поворачивает передние колеса 4 посредством системы тяг и рычагов 3. Штурвал рулевого механизма располагается обычно с левой стороны в кабине водителя. Это дает возможность водителю лучше видеть встречные автомобили (они идут слева от водителя), а пассажиру, сидящему рядом с водителем, предоставляется удобный выход (справа — на тротуар).
      Тормозная система. Если на автомобиле, двигающемся со скоростью примерно 60 км/час, прекратить передачу усилий
      на ведущие колеса, то остановка произойдет нескоро. Автомобиль пройдет до остановки около 300 м.
      Тормозы обеспечивают более быструю остановку автомобиля. Замедляя скорость вращения колес и увеличивая их трение с дорогой, тормозная система при указанной выше скорости движения останавливает автомобиль на протяжении 20 — 40 м.
      Автомобиль снабжается двумя самостоятельными системами тормозов. Ножной тормоз (рис. 92 — 93), действующий на все колеса, является рабочим тормозом, применяется при всех условиях движения. Ручной тормоз, действующий на задние колеса (на легковых автомобилях), обеспечивает затормаживание автомобиля на стоянке1.
      Таково в весьма общих чертах устройство автомобиля.
     
      МЕХАНИКА ТРАКТОРА
      Кто из нас не знает трактора — этой чудесной машины, верного помощника человека во многих его делах! Ведь современный высокий уровень сельского хозяйства в значительной степени определяется широким использованием различных почвообрабатывающих, сеющих и уборочных машин, большинство которых приводится в движение при помощи трактора. Кроме того, тракторы широко используются и для других работ: в строительстве дорог и гидросооружений применяются скреперы, бульдозеры и другие машины, на лесоразработках работают трелёвочные тракторы. Мощные гусеничные тракторы-тягачи используются для транспортировки больших грузов по труднопроходимым дорогам; немаловажна роль тракторов в замечательных героических делах нашей молодежи на целинных землях; в далекой Антарктиде и сейчас трудятся неутомимые гусеничные тягачи, перевозя по бескрайним снежным равнинам целые поселки со всем необходимым оборудованием.
      Важно значение тракторов в развитии народного хозяйства нашей страны. Именно поэтому почти в самом начале создания советской России В. И. Ленин придавал огромное значение вопросам тракторостроения, мечтал посадить всех крестьян на трактор. Сооружение таких мощных заводов, как Харьковский тракторный, Сталинградский тракторный, во многом решило проблему выпуска тракторов в СССР.
      Рост выпуска этих машин непрерывно растет, увеличиваясь из года в год. Наша высокоразвитая машиностроительная промышленность обеспечивает нужды народного хозяйства в этих маши-нах-тружениках. Увеличение производства тракторов предусмотрено и в последующие годы. Так, согласно Директивам XX съезда КПСС по шестому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР в 1960 году будет выпущено 322 тысячи тракторов — почти вдвое больше, чем в 1955 году. Такой грандиозный размах в строительстве этих машин еще больше усилит техническую оснащенность нашего социалистического сельского хозяйства, строительства, лесной промышленности и др.
      Многие из вас, молодых читателей этой книги, в будущем станут мастерами в перечисленных отраслях нашего народного хозяйства. Уже сейчас — в школе — надо готовиться к будущей практической деятельности. Поэтому совсем неплохо познакомиться с устройством и работой трактора — этой чудесной машины.
      Рассмотрим вкратце общее устройство современного трактора, обратив основное внимание на его механическую часть.
      Всякий трактор состоит из четырех основных частей: двигателя, приводящего трактор в движение; трансмиссии, передающей усилие от двигателя к передвигающим механизмам;
      ходовой части, обеспечивающей перемещение трактора; дополнительного оборудования для использования мощности трактора.
      Следует отметить, что каждая из этих частей состоит в свою очередь из нескольких механизмов. Так, например, ходовая часть гусеничного трактора состоит из системы колес и гусениц, двигатель — из неподвижного блока цилиндров и нескольких подвижных поршней, соединенных с коленчатым валом.
      Как известно, тракторы бывают колесные и гусеничные — в зависимости от устройства его ходовой части (рис. 94 и 95).
      В зависимости от местных условий и потребностей применяют либо тот, либо другой вид трактора. Так, гусеничный трактор обладает лучшим сцеплением с почвой, он легче проходит по мягкому грунту, чем колесный. Однако для обработки растений на поле он непригоден, так как своими широкими гусеницами может повредить их. В последнем случае применяются колесные тракторы.
      В зависимости от вида применяемого топлива различают тракторы:
      1)с карбюраторными двигателями, работающими на легких сортах топлива (лигроин, керосин);
      2) дизельные, на которых установлены двигатели, работающие на более тяжелых сортах топлива (дизельное топливо).
      Основное преимущество трактора, на котором установлен дизель, по сравнениюс тракторомс карбюраторным двигателем, заключается в том, что он работает на более дешевом топливе и меньше расходует его на единицу работы.
      Познакомимся с сфойством, работой и назначением основных механизмов современного трактора.
      Схема расположения механизмов гусеничного трактора показана на рисунке, а сами механизмы на рисунке 7.
      Двигатель является источником энергии движения трактора. Он преобразует тепло, получающееся при сгорании в нем топлива, и механическую энергию (работу), необходимою дли движения трактора.
      Интересным яатяется криношипно-шагунный мехами м двигателя. при помощи которого поступательное движение его поршней преобразуется во вращательное движение вала двигателя. Такие механизмы широко используются и в других машинах.
      Транс м неси я служит для передачи вращения от коленчатого вала двигателя к ведущим колесам. Трансмиссия состоит из муфты сцепления, карданного вала (устанавливается не на всех тракторах), коробки передач, главной передачи, бортовых фрикционов, бортовых передач (рис. 98).
      Муфта сцепления предназначена для разъединения двигателя с трансмиссией при переключении передач и для плавного соединения двигателя с трансмиссией при троганин трактора с места.
      Благодаря коробке передач трактор может двигаться с различной скоростью, развивая при этом разные усилия, а также двигаться еадним ходом.
      Кроме того, коробка передач позволяет двигателю работать, когда трактор неподвижен, что необходимо во время работы для того, чтобы не останавливать каждый раз двигатель при остановках трактора; в это время двигатель работает на холостом ходу, а иногда используется для приведения в движение различных сельскохозяйственных машин — молотилок, соломорезок и пр.
      Рис. 98. Трансмиссия гусеничного трактора
      Главна я передача служит для уменьшения числа оборотов, передаваемых от коленчатого вала Дшиагеля на ведущие колеса трактора, а также для передачи вращения от вторичного вала коробки передач, расположенного вдоль продольной оси трактора, к ведущим колесам, ось вращения которых расположена поперечно трактору. Эта передача осуществляется при помощи конических шестерен, оси которых расположены под углом друг к другу.
      Бортовые фрикционы необходимы для плавного поворота трактора. Они дают возможность путем выключения одного из фрикционов постепенно остановить одну из гусениц и за счет движения другой гусеницы изменить на правление движения трактора.
      Бортовые передачи представляют собой шестеренчатые передачи, посредством которых передается вращение от бортовых фрикционов к ведущим зубчатым колесам гусениц.
      Ходовая часть служит для приведения трактора в движение, смягчения ударов, возникающих при движении, и передачи веса трактора на почву.
      Ведущие колеса, вращаясь от трансмиссии и, зацепляясь за гусеничные ленты, стремятся выдернуть их сзади из-под задних опорных катков. Но гусеничные ленты прижаты весом трактора к грунту, а их звенья упираются в почву. Если сдвинуть корпус трактора легче, чем выдернуть гусеничные лечты, то ведущие колеса, отталкиваясь от неподвижно лежащих на грунте гусеничных лент, будут толкать по ним вперед корпус трактора. Так как гусеницы представляют собой бесконечные ленты, то трактор может двигаться непрерывно.
      Оборудование для использования мощности трактора состоит из приспособлений, предназначенных для использования трактора на различных видах работ. К этому оборудованию относятся:
      а) прицепное устройство для присоединения к трактору буксируемых машин и прицепов;
      б) вал отбора мощности, посредством которого приводятся в действие рабочие органы сельскохозяйственных машин (сенокосилки, сноповязалки и др.) при одновременном перемещении их;
      в) приводной шкив, дающий возможность использовать двигатель трактора для приведения в действие молотилок, силосорезок и других машин, когда трактор устанавливается неподвижно возле них.
     
      Мы остановились лишь на устройстве и назначении основных узлов трактора. Для того чтобы полностью овладеть этой довольно сложной машиной, надо более подробно изучить устройство всех деталей каждого узла и механизма, их взаимодействие, назначение и работу. Кроме того, надо научиться управлять трактором, уметь пускать в ход и останавливать его двигатель. Тогда эта умная машина станет послушна твоей воле.
     
      ТОКАРНЫЙ СТАНОК
      Быстро сходит с резца блестящая металлическая стружка, извиваясь и падая вниз. Поверхность вращающейся детали постепенно становится чистой, в ней отражаются лучи света, падающие из окна. А резец движется все дальше и дальше, уверенно снимая с детали стружку.
      ... Все мы наблюдали этот интересный процесс обтачивания металлических деталей на токарных станках. Теперь такие станки можно увидеть не только в цехах предприятий, но и в мастерской МТС или колхоза. Токарные станки пришли теперь и в наши школы. И головы пытливых, любознательных ребят склонились над ними, станки начинают повиноваться им, по их воле начинают работать.
      Но для того чтобы овладеть специальностью токаря, надо хорошенько изучить устройство токарного станка, знать, как работают
      его механизмы и для чего они установлены на станке. Тому, кто это все узнает, станок послушно подчинится. А мог с тем, кто не знает его устройства, станок может обойтись плохо: испортит деталь, сломает резец, а то и сам сломается.
      Поэтому, читатель, если хочешь овладеть «секретом» токарного дела, прежде всего изучи устройство токарного станка. Оно описано ниже.
     
      На токарных станках производятся самые разнообразные операции по обработке металлов: точение, сверление, обработка конусов, нарезание резьбы и т. д.
      Все токарные станки при огромном количестве их типов и конструктивных особенностей имеют общие чает и детали, выполняющие одинаковые функции.
      На рисунке 99 изображен современный токарный станок и указаны его основные узлы и детали.
      Рассмотрим вкратце их устройство н назначение.
      Станина 1 предназначена для крепления всех узлов станка и перемещения по ней суппорта и задней бабки. Она состоит из двух продольных стенок, соединенных поперечными ребрами.
      На верхней плоскости продольных стенок станины имеются направляющие, по которым вдоль станины можно перемещать заднюю бабку и каретку.
      Управляющие станины должны быть строго параллельны н точно обработаны путем шабровки.
      Передняя бабка 2 имеет главный вал-шпиндель 3, который передает вращение патрону. В кулачках патрона зажата деталь.
      Для передачи вращения от электродвигателя к шпинделю, а также для изменения числа его оборотов в передней бабке помещается коробка скоростей (рис. 100). Она представляет собой набор валиков, зубчатых колес и соединительных муфт. При помощи рукояток, выведенных на переднюю стенку коробки, можно вводить в зацепление различные комбинации зубчатых колес и этим изменять скорость вращения шпинделя. Таким образом, от двигателя, имеющего одно и то же число оборотов, можно вращать шпиндель с разными числами оборотов.
      Из коробки скоростей вращение через гитарный механизм передается также на коробку подач. Она вращает ходовой винт и осуществляет автоматическое перемещение суппорта станка 4 с резцом 7 (рис. 99), т. е. производит продольную подачу резца.
      Задняя б а б к а 5 своим центром поддерживает другой конец обрабатываемой детали. Она используется также для установки сверла или развертки.
      Как уже указывалось, задняя бабка перемещается по направляющим вдоль станины. Это дает возможность обрабатывать детали различной длины. После перемещения бабки ее закрепляют на станине эксцентриковым валиком с рукояткой. Поворачивая валик, затягивают или отпускают скобу, удерживающую бабку.
      Суппорт (рис. 101) служит для укрепления резца и перемещения его в продольном и поперечном направлениях. Он состоит из продольных салазок 1, перемещающихся по направляющим станины вручную или механически, поперечных салазок 2, которые перемещаются перпендикулярно оси шпинделя. На поперечных салазках расположена поворотная часть 3 суппорта, при помощи которой резец можно поставить под любым углом к шпинделю. На поворотной части имеются еще одни салазки — верхние салазки 4 — для короткой ручной подачи резца в любом направлении.
      На верхних салазках установлен резцедержатель 5, в котором при помощи зажимных винтов укрепляется резец.
      Рис. 101. Суппорт токарного станка
      В резцедержателе можно закрепить с помощью рукоятки б, четыре резца, которые легко сменяют друг друга при повороте резцедержателя. Это даст возможность производить несколько токарных операций без частой смены резцов.
      Перемещение суппорта вдоль направляющих станины производится вращением маховика 7, а перемещение поперечных салазок — вращением рукоятки 8.
      Вращая рукоятку 9, перемещают верхние салазки суппорта.
      Нижняя часть суппорта 6 называется фартуком (см. рис. 99). Фартук служит для преобразования вращательного движения ходового вала в продольное или поперечное перемещение суппорта.
      Поперечные салазки перемещаются механически благодаря системе конических и цилиндрических зубчатых колес, приводящихся во вращение ходовым валом.
      При нарезании резьбы подача суппорта осуществляется не ходовым валом, а ходовым винтом (рис. 101,/0), который сцепляется с фартуком суппорта при помощи маточной гайки (на рис. 101 показана ее рукоятка /У).
      Для передачи вращения ходовому валу и винту, а также для изменения направления и числа их оборотов служит механизм подачи. Он состоит из гитары (см. рис. 100) и коробки подач (рис. 99,9).
      Для изменения направления вращения ходового вала и винта служит трензель.
      Коробка подач служит для передачи различных скоростей вращения ходовому винту и ходовому валику.
      Она имеет комплект из десяти зубчатых колес с различным числом зубьев и пар накидных шестерен, которые входят в зацепление с любым из зубчатых колес.
      Ходовой вал и винт, соединенные с подвижными шестернями, получают вследствие этого различные скорости вращения.
      Для того чтобы при включении механизма продольной подачи от ходового вала нельзя было одновременно замкнуть маточную гайку на ходовом винте (так как вследствие разных скоростей вращения вала и винта, соединенных с одним фартуком, могла бы произойти поломка фартука), в станке имеется специальный блокировочный механизм. Он исключает возможность одновременного включения обеих продольных подач от ходового вала и от ходового винта.
      Как видно, токарный станок — довольно сложная машина, которая представляет собой комбинацию механизмов передач и преобразования движения деталей и их узлов. Зная принцип действия зубчатой передачи, нетрудно понять устройство и работу коробки скоростей станка. Познакомившись с действием наклонной плоскости, легко понять принцип работы любого винта и т. д.
      Поэтому значительно облегчить изучение станка поможет знание физики, изучаемой в восьмом классе.
     
      ЗЕМЛЕКОП
      В самом слове «землекоп», состоящем из двух слов — «земля» и «копать», заключено существо этой профессии.
      Производственным орудием землекопа много веков и даже тысячелетий была лопата. Лопате в твердых, каменистых п мерзлых грунтах сопутствовали два помощника: лом и кирка.
      Без землекопа не обходилось ни одно строительство, ни одно наземное и тем более подземное сооружение. Котлованы для фундаментов зданий, ямы для столбов, канавы, валы и рвы для ограждения крепостных стен, овощехранилища, пруды, каналы издавна создавались тяжелым физическим трудом землекопа.
      Труд землекопа заключался не только в том, чтобы вынуть грунт» но и в перемещении или транспортировке этого грунта. Землекоп нажимом ноги на лопату копал грунт, и он же его транспортировал броском рук. Чем дальше мог выбросить землю землекоп, тем он производительнее работал.
      Не всегда транспортировка вынутого грунта могла производиться в один прием. Сплошь и рядом вынутый грунт перекидывали с места на место в два, три н более приемов.
      В тех случаях, когда перемещать грунт нужно было на большое расстояние, к лопате присоединялись транспортные средства. Древнейшими из них были волокуша, носилки и тачка. Все они требовали мускульной энергии человека.
      Первым помощником землекопа стало тягловое животное: бык, конь, осел. Телега как бы продолжила и удлинила собой лопату. Труд землекопа стал более производительным, но остался таким же тяжелым.
      Большим достижением в профессии землекопа было применение грабарки, или тягловой лопаты-совка, запряженной животным. При перемещении грунта грабарками главная затрата сил падала на животное; труд человека стал несколько легче.
      Такой профессия землекопа оставалась в течение долгих веков. Ничто не изменялось в ней. Ничто не изменилось в труде землекопа в капиталистических странах и сейчас.
      Особенно это относится к колониям и полуколониям.
      Подобно тому как первая ласточка не делает весны, единичные механизмы для перемещения грунта, применяемые в капиталистических странах, не означают какого-то качественного изменения профессии землекопа.
      Основные объемы земляных работ падают на изможденные непосильным трудом плечи рабочих.
      Настоящая, большая революция в области всех профессий, и особенно трудоемких, в число которых входит, конечно, профессия землекопа, началась с первой пятилетки.
      С расцветом техники в нашей стране землекоп как бы потерял свои внешние профессиональные признаки. Глядя на скрепер, трудно сказать, что это и есть усовершенствованная конная лопата-грабарка, а управляет ею не кто иной, как тот же землекоп.
      Применение для перемещения грунта взрывных работ показывает, что эго нововведение не является заменителем лопаты и кирки. На самом деле это великий труженик — землекоп, стараясь освободиться от непосильного труда, пригласил к себе в помощники порох, аммонал, динамит и другие взрывчатые вещества.
      Одновременно с профессией землекопа развивались и видоизменялись профессии и его ближайших родственников.
      Молодая советская промышленность на смену чуть ли не египетскому способу бурения дала мощные буровые машины, позволившие мастерам бурения не бурить в прежнем смысле этого слова, а управлять бурильной машиной.
      И горняк — кровный брат землекопа, отпочковавшийся от него в незапамятные времена, — свой обушок, свою кирку сменил в годы первых пятилеток на отбойный молоток, а позднее — на врубовую машину и угольный комбайн. Если, продолжая этот обзор семьи, считать примитивное сверло-бур и кирку братьями лопаты, то буровая машина, отбойный молоток, врубовая машина стали братьями второго и третьего поколений — братьями экскаватора. Конная грабарка была предком бульдозера и скрепера.
      Бульдозер — этот тот же конь, только стальной. Основа его — трактор. Он так же двигает лопату-совок, как и конь, с той лишь разницей, что конь движет ее позади себя, а бульдозер перед собой.
      Широко известна теперь дорожная машина — грейдер. Это струг, профилирующий дорожное полотно, это и канавокопатель. Конный он или тракторный, его во всех случаях можно также назвать родным братом скрепера. У грейдериста — профессия, смеж- ная с профессией скрепериста.
      Какую бы форму лопата ни принимала — совка, или ковша, или струга, или сверла — ее назначение оставалось тем же: брать и перемещать грунт.
      Экскаватор наиболее походит своими внешними чертами на своего прадеда-землекопа, работающего лопатой. Правда, у экскаватора в отличие от землекопа-человека одна рука, зато громадная и неутомимая. Это рука одновременно является и черенком лопаты, на которую шарнирно насажен ковш.
      Первые наши экскаваторы были предметом всеобщего восхищения. Любо было видеть, как за один раз экскаватор переносил столько грунта, сколько человек, вооруженный лопатой, мог перекинуть только за тысячу и более «копков». Поэтому экскаватор сразу же стал любимой народом машиной. Но экскаватор — паровой, а позднее — электрический — не мог переносить грунт на произвольно большое расстояние. При руке или точнее стреле в 7 — 10 м длиной экскаватор мог перемещать грунт только на 15 — 20 м. Такое перемещение даже при рытье средних котлованов недостаточно. Поэтому, подобно тому как землекопу требовались транспортные средства — носилки, тачки, тележки, транспортирующие вынутый им грунт, так и электрическому землекопу-правнуку потребовались соответствующие его производительности землевозы.
      Телега явно оказалась бы непригодной для лопаты-ковша, черпающего сразу от 1 до 3 куб. м грунта, так как столько грунта могут одновременно перевезти 5 — 10 телег. Поэтому транспортным помощником экскаватора стал специальный саморазгружающийся автомобиль, в просторечии именуемый самосвалом.
      Маша промышленность выпустила большую коллекцию самосвалов: от обычного — грузоподъемностью в 2 — 3 Т, среднего — в 5 — 6 Г и до громадного «МАЗ-525», берущего на себя груз 25 Т.
      Теперь уже ни один машинист экскаватора не назовет себя землекопом, а водитель автомобиля — преемником возчика грабарки. А между тем это так.
      Так землекоп вооружился десятками современных машин, сделавших труд его легким.
      Новаторство, безостановочное движение вперед во всех областях, и в области техники особенно, является не только главной чертой советского человека, но и законом развития нашего общества.
      Наши величайшие стройки, ставящие задачи по изменению целых областей нашей планеты, потребовали от профессии землекопа нового качественного скачка. Волго-Донской канал или Главный Туркменский канал уже нерационально рыть при помощи обычных одно-трехкубовых экскаваторов. Экскаваторы этого типа оказались малютками перед объемами земляных работ, измеряющимися миллионами кубических метров. Их руки-стрелы оказались слишком коротки для того, чтобы без перекидки или транспортировки автомашинами перемещать грунт.
      Осуществлять великие строительства только с их помощью — это все равно, что вычерпывать пруд чайными ложками.
      Перед советской техникой была поставлена задача создать землекопы гигантского «копка» и далекого «броска». И советская техника с честью справилась с этой задачей.
      Построенный советскими инженерами шагающий экскаватор, по сути дела, уже не механизм, а целый землекопательный завод. Это подлинное чудо в арсенале орудий землекопа.
      Но главное отличие шагающего гиганта не в том, что, вооруженный стрелой длиной 65 м и ковшом емкостью 14 куб. м, он может больше чем на 120 м перебрасывать за один «копок» целые горы земли, а в том, что он, наконец, стер грань между физическим трудом землекопа и трудом интеллектуальным. Человек, управляющий им из остекленной кабинки, похожей на комнату начальника цеха крупного машиностроительного завода, носит в кармане пиджака диплом инженера.
      Этот землекоп должен иметь высшее образование.
      Но и эта машина, как оказывается, не является уже в настоящее время последним словом техники. Конструкторы землекопа-гиганта уже удваивают емкость его ковша и, не закончив еще сборку этой новой машины, берущей вдвое больше земли, готовят «учетверенную» машину. Таковы темпы стремительного развития советской техники.
      Но как бы ни был величествен шагающий экскаватор-гигант, и он имеет конкурента. И этот конкурент рожден также, конечно, советской техникой и тоже применяется на великих стройках.
      Шагающий экскаватор-гигант способен брать и перемещать грунт на значительные расстояния. И чем длиннее будет его рука-стрсла, тем эти расстояния станут длиннее. Но нельзя предположить, что эта рука-стрела удлинится до километра. А это было бы очень полезно. Ведь часто на километр и более приходится перемещать грунт.
      Землекопами, способными делать бросок грунта на километр, два, три и более, являются земснаряды.
      Редко изобретательский гений! поднимался до такой величественной простоты, какая воплощена в этой машине. Земснаряд прост настолько, что принцип его действия можно рассказать в трех строках. Лопата землекопа здесь превратилась и лопасти фрезы, разрыхляющей подводой грунт («копок»), и в колесо центробежного насоса, который засасывает вместе с водой груш и транспортирует его по трубам на дальние расстояния («бросок»), Н нужных местах вода вместе с грунтом выходит в отверстия грубы. Грунт оседает, вода уходит. Так намываются плотины, заравниваются овраги, выбираются каналы и водохранилища. Словом, производятся те земляные работы, которые не под силу сотням тысяч землекопов, вооруженных лопатами.
      Хорошо быть советским землекопом, в профессии которого уже стирается грань между физическим и умственным трудом.
      И интересно попробовать представить себе, каким будет землекоп ближайших десятилетий!. Если он за 20-25 лет так неузнаваемо изменился, то, может быть, за очередную четверть века у него не останется даже отдаленного сходства ни с машинистом шагающего экскаватора, ни с командиром земснаряда.
     
      ШАГАЮЩИЙ ЭКСКАВАТОР ЭШ-14 65
      Когда нужно вести разработку выемок, копание каналов и при этом перемещать грунт на значительное расстояние без использования транспорта, применяется экскаватор с волокущимся ковшом (рис. 102). У этой машины отсутствует рукоятка, к которой прикрепляется ковш и под давлением которой он врезается в грунт. Ковш экскаватора подвешивается на стальных канатах к длинной стреле. При работе машина поворачивается стрелой к месту набора грунта, и ковш экскаватора опускается, падает на землю. Затем канаты подтягивают ковш к экскаватору, волоча его по земле. Передний заостренный край движущегося ковша углубляется в грунт и срезает слой земли (рис. 103), затем ковш поднимается тросами вверх и переносится поворотом стрелы к месту разгрузки.
      Описанный тип экскаваторов с волокущимся ковшом позволяет копать землю при расположении выемки ниже уровня стоянки машины. Такие экскаваторы перемещаются или на гусеничных тележках, или оборудуются особым устройством, с помощью которого машина может перемещаться, делая своеобразные «шаги». Экскаваторы с шагающим устройством получили название «шагающих экскаваторов».
      Как же устроены эти гигантские экскаваторы — гордость советской техники?
      «Фундаментом», основанием шагающего экскаватора ЭШ-14/65 служит круглая металлическая плита диаметром 14 м, высотой 1,1 м и весом около 120 Т. Эта опорная плита, покоящаяся на земле, воспринимает нагрузку от всех частей шагающего гиганта. На опорной плите расположена металлическая прямоугольная поворотная платформа длиной около 20 и шириной около 11 м.
      Между платформой и плитой помещается 96 роликовых подшипников, свободно сидящих на осях обоймицы.
      Поворотная платформа накрыта металлическим кузовом, внутри которого находится машинный зал. Платформа — весьма ответственная часть экскаватора, на нее опирается кузов, надстройка и стрела экскаватора — длинная металлическая труба. Со всеми этими массивными сооружениями платформа должна легко поворачиваться вокруг вертикальной оси экскаватора. Для этого и предназначены ролики, на которых лежит платформа: они перекатываются между двумя кольцевыми рельсами, укрепленными на опорной плите (нижний кольцевой рельс) и на поворотной платформе (верхний рельс). Для поворота платформы служат специальные электродвигатели.
      Рис. 103. Заполнение чемлей ковша шагающего экскаватора ЭШ-14/65
      В кузове высотой 11,5 лт (высота 3-этажного дома) расположены электромоторы, лебедки, насосные установки и другие механизмы экскаватора. Машинный зал шагающего экскаватора (рис. 104) площадью более 200 кв. м напоминает собой цех завода: экскаватор обслуживают 48 электромоторов различной мощности. Чтобы питать эти моторы электрическим током, нужна электростанция мощностью около 7 тыс. кет.
      11а металлической надстройке экскаватора, поднимающейся над кузовом (ее высота 25 м от уровня земли), расположены блоки, управляющие движениями тросов, поддерживающих ковш и стрелу экскаватора.
      Гигантский ковш, внутри которого свободно помещается автомобиль «Победа» (рис. 105), захватывает сразу 14 куб. м земли. При повороте платформы стрела экскаватора переносит наполненный грунтом ковш к месту разгрузки. Так как длина стрелы экскаватора ЭШ-14/6.5 — 65 м, то вынутая земля может быть перемещена на расстояние до 130 м от места выемки грунта (при повороте плат-
      Рис. 105 Ковш экскакатора ЭШ-М/С5
      формы на 180 градусов). Таким образом, шагающий экскаватор не только может отрывать широкий канал, но и перемещать и укладывать вынутую землю в нужное место (например, на берег канала) без помощи транспорта. При этом максимальная глубина копания для экскаватора ЭШ-14/65 достигает 45 м, а высота выгрузки — 28 ж.
      Стрела шагающего экскаватора, эта механическая «рука», легко поднимающая и перемещающая двадцатитонный ковш, в котором находится до 25 т грунта, имеет совершенно новую, оригинальную конструкцию. Стрелы у аналогичных машин до сих пор выполнялись в виде решетчатых ферм. Стрела шагающих экскаваторов II ЭШ-14/65 изготовляется из высококачественной стали в виде трубы диаметром 1 м. Это дает значительный выигрыш и в прочности и в весе по сравнению с решетчатыми стрелами. Вес стрелы экскаватора ЭШ-14/65 составляет немногим более 50 Т, что на 30 Т меньше веса стрелы других известных конструкций.
      Верхний конец стрелы поднят на высоту до 36 м над землей, на нем укреплены 2 блока диаметром по 180 см. Эти блоки огибают два подъемных стальных каната диаметром каждый 56 мм. На канатах подвешен двадцатитопный ковш экскаватора.
      На процесс набора грунта в ковш, на перемещение его к месту разгрузки, на разгрузку и на возвращение пустого ковша к месту копания уходит около 1 мин. За одну смену сверхмощный экскаватор может вынуть и переместить 5000 куб. м грунта.
      Годовая производительность машины достигает громадной цифры — 3 млн. куб. м два таких экскаватора в течение года смогли бы выполнить весь объем земляных работ, который был осуществлен на строительстве Днепрогэса (6 млн. куб. м).
      Шагающий гигант — эта огромнейшая машина — поражает плавностью и бесшумностью при работе. Тишина не нарушается грохотом и лязгом металлических частей, с чем обычно связывается в нашем представлении работа большой машины. Лишь непрерывно гудят многочисленные электрические моторы экскаватора. И только в момент разгрузки ковша, когда с высоты более двух десятков метров сыплются свежевырытые глыбы, содрогается вокруг земля и слышится глухой звук от падения очередной «порции» грунта.
      По мере разработки грунта гигантский экскаватор самостоятельно передвигается, «шагает» на новое место. Его шагающее устройство состоит из двух главных и двух вспомогательных подъемников и двух огромных башмаков-лыж, расположенных по бокам экскаватора. Каждый подъемник представляет собой цилиндр большого диаметра1, внутри которого находится поршень, соединенный со штоком. Для приведения в действие подъемных цилиндров служит масло, которое специальными насосами нагнетается в цилиндры под большим давлением: на каждый квадратный сантиметр площади поршня действует сила в 175 кГ. Благодаря этому поршни перемещаются и выдвигают (или втягивают) штоки. Каждый подъемник штоком опирается на лыжу, а другим концом прочно соединен с корпусом экскаватора. Рисунок 106 показывает последовательность работы механизма шагания при перемещении экскаватора.
      Во время копания земли лыжи подняты над землей и поворачиваются вместе с кузовом (рис. 106,«). В начале шагания приводятся в действие поршни вспомогательных цилиндров, лыжи выдвигаются вперед и опускаются на землю (рис. 106,6). Затем включаются в действие главные цилиндры. Выдвигая штоки, они слегка приподнимают заднюю часть опорной плиты экскаватора над землей (рис. 106,в). Одновременно во вспомогательные цилиндры начиннют втягиваться поршни, благодаря чему экскаватор начинает перемешаться к вынесенным вперед лыжам (рис. 106,г). Опираясь на башмаки и скользя по грунту, опорная плита экскаватора продвигается на длину шага1. После этого опорная рама экскаватора опускается на землю (рис. 106,5), а главные цилиндры поднимают башмаки-лыжи (рис. 106,а). Для того чтобы совершить очередной шаг, процесс повторяется снова — лыжи выдвигаются вперед, опускаются на землю и т. д. Так, шаг за шагом, экскаватор постепенно перемещается, двигаясь в сторону, противоположную стреле, и «проходя» до 200 м в час.
      Так как во время шагания экскаватор всей своей массой опирается на башмаки-лыжи, чтобы они не врезались в землю, площадь опоры башмаков делается достаточно большой: длина каждого башмака составляет 16,3 м, ширина 2,5 м. Поэтому, несмотря на огромный вес (1150 Г), экскаватор ЭШ-14/65 при шагании оказывает на почву сравнительно небольшое давление (1,2 кГ на 1 кв. см) и проходя по рыхлой почве, не увязает в ней. При работе же экскаватора, когда он опирается на землю опорной плитой, давление еще меньше и составляет около 0,8 кГна кв. см грунта1.
      Все управление экскаватором сосредоточено в специальной просторной застекленной кабине, расположенной в передней части кузова. Из нее хорошо видны стрела и ковш экскаватора. Перед машинистом, сидящим в удобном мягком кресле, расположены небольшие рычаги -2 ручных и 2 ножных. Переводя эти рычаги, машинист командует сложнейшей машиной. Правый рычаг управляет работой подъемной лебедки. Переводя рычаг к себе, машинист заставляет ковш подниматься, двигая рычаг от себя, — опускаться. Левый рычаг управляет движением тяговой лебедки: нажимая на него, можно подтянуть или забросить ковш. Ножные рычаги — педали — служат для управления поворотом экскаватора: нажимая левую педаль, машинист заставляет экскаватор поворачиваться влево, нажимая правую, — вправо.
      На левой стенке кабины укреплен щит, на котором смонтированы сигнальные лампы, электроизмерительные приборы, кнопки для пуска и управления вспомогательными механизмами экскаватора. Кнопки, расположенные на пульте управления шагающим ходом, служат для управления работой насосных установок.
      Так при помощи рычагов и кнопок один человек управляет огромной машиной, заменяющей более 7 тыс. землекопов вместе с транспортными средствами.
      Машинист, сидящий за пультом управления, избавлен от тяжелого, изнурительного физического труда. Мускульное усилие в значительной мере уступает здесь место напряженной мыслительной деятельности человека. Для того чтобы великан-экскаватор послушно выполнял волю машиниста, последний должен обладать высокой общей и технической культурой, он должен много знать и многое уметь. Успешная работа сверхмощного шагающего экскаватора на Волго-Доне в большей мере обеспечивалась тем, что экипаж машины детально и в совершенстве изучил этот сложный агрегат, постоянно улучшал работу экскаватора, внося усовершенствования в конструкцию его отдельных узлов и механизмов.
      Экипаж огромной машины составляют высококвалифицированные работники. Из 17 человек, входящих в его состав, — 5 инженеров. В смену машину обслуживает 5—6 человек.
      Первый сверхмощный шагающий экскаватор успешно работал в водораздельном строительном районе Волго-Донского судоходного канала имени В. И. Ленина. Замечательная машина вынула из русла канала около 3 млн. куб. м земли, прорыв капал длиной около 5 км на самом тяжелом участке, где глубина выемки превышала 23 м. «Если бы экипаж экскаватора, состоящий из 17 человек,- говорит начальник экскаватора Д. П. Усков, —
      Укажем для сравнения, что при движении человека его давление на землю равно около 0,5 кГна ке. см, при движении гусеничного трактора давление составляет 0,4 — 0,8, а при движении лошади — 2,4 кГна кв. см.
      принялся перебрасывать эти 3 миллиона кубометров вручную, то ему потребовалось бы на это 500 лет». Могучая машина во мною тысяч раз увеличила силы человека.
      Указом Президиума Верховного Совета СССР за самоотверженную работу по строительству Волго-Донского судоходного канала имени В. И. Ленина инженеру Л. П. Ускову было присвоено высокое звание Героя Социалистического Труда.
      После окончания работы на Волго-Доие сверхмощный экскаватор был разобран и перевезен на строительство Сталинградской гидроэлектростанции. Более ста вагонов заняли при этой перевозке огромные детали 14-кубового шагающего гиганта.
      В 1952 году уральский завод тяжелого машиностроения имени С. Орджоникидзе начал строить новые шагающие 14-кубовые экскаваторы с еще более длинной стрелой. Новые экскаваторы, «не сходя с места», могут перебрасывать грунт на расстояние 150 м — длина стрелы экскаватора равна 75 м. На этом же заводе летом 1053 года изготовлен шагающий гигант с ковшом емкостью 20 куб. м, в ковше такого экскаватора может поместиться 35 т грунта! Новый экскаватор ЭШ-20/65 в течение суток выбрасывает до 15 000 куб. м грунта.
     
     
      Раздел четвёртый
      СТАТИКА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
     
      ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ГИДРОАЭРОСТАТИКИ
     
      Начальные сведения по гидростатике были получены в глубокой древности. Развитие этой отрасли физики протекало в тесной связи с развитием практики. Вначале ученые конструировали простейшие машины и изучали плавание тел, и таким образом, подготовили почву для решения более сложных вопросов, связанных со строительством водопроводов, использованием энергии ветра и воды.
      Работа Архимеда — одного из величайших ученых древнего мира — были посвящены изучению подъемной силы, поддерживающей плавающее тело. Ему удалось установить известный закон, названный ею именем.
      Выдающийся инженер античного мира Герцн Александрийский, проявил необычайный талант при изобретении разнообразных гидротехнических машин и аппаратов. Мы находим в его сочинениях описание «двойного» и «плавающего» сифона, некоторых автоматов, пожарного насоса и т. д.
      Древние римляне достигли замечательных результатов в строительстве гидротехнических сооружений, в частности водопровода.
      Последующий ход исторических событий задержал развитие гидроаэростатики. Лишь Леонардо да Винчи на рубеже XV и XVI веков по-новому подошел к решению ряда важных вопросов. Так же как и Архимед, он изучал взаимодействие между средой и движущимся в ней телом и, пожалуй, впервые рассматривал среду как источник сопротивления и подъемной силы. У Леонардо мы находим дальнейшее развитие основных принципов гидростатики. Так, в одной из его работ мы встречаем изображение сосуда с жидкостью, в стенке которого сделано несколько отверстий на разной высоте. Чем выше отверстие, тем слабее бьет вытекающая струя. Из этого и ряда других примеров можно уверенно заключить, что Леонардо ясно представлял себе зависимость между скоростью истечения жидкости и давлением.
      В другой рукописи Леонардо да Винчи был обнаружен рисунок трубки, изогнутой в виде латинской буквы I), причем диаметр сечения колен трубки различен. Трубка заполнена жидкостью, которая показана на рисунке стоящей на одинаковой высоте. В той же рукописи изображен сосуд такой же формы, наполненный водой и маслом, из которого отчетливо видно, что уровень масла выше уровня воды. Текст под рисунком гласит: «если масло вдвое легче воды, то уровень воды будет стоять против центра тяжести объема масла».
      Таким образом, Леонардо да Винчи совершенно правильно понимает равновесие жидкости в сообщающихся сосудах.
      Этому замечательному ученому принадлежат и первые исследования полета птиц.
      Значительные научные открытия по гидроаэростатике были осуществлены в XVI — XVIII веках. Голландский ученый Стевин был крупнейшим исследователем в области статики твердого тела и, кроме того, объяснил закон равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах. Он смело применял к решению задач гидростатики методы статики твердого тела и достиг значительных результатов. В частности, Стевин замечательно просто доказал невозможность вечного движения шаров-грузов, связанных между собой нитью и расположенных на наклонной плоскости, а затем и при рассмотрении
      явлений в жидкостях исходил из невозможности вечного движения.
      Так, доказательство равновесия любого объема, погруженного в воду, Стевин дает «от противного» путем следующих рассуждений: допустим, что этот объем воды не остался бы в равновесии, а опустился бы. Тогда его место заняла бы окружающая вода, которая при этом оказалась бы точно в таком положении, как первоначальный объем, а также должна была бы опуститься. Таким образом, вода пришла бы в непрерывное вечное движение, что невозможно.
      Исследования Стевина всегда носили прикладной характер, что вполне соответствовало характеру его практической деятельности в качестве инспектора водяных и сухопутных сооружений Голландии. Ему принадлежит ряд изобретений в области практической гидростатики.
      Великий итальянский ученый Галилео Галилей известен не только гениальными работами в области механики и астрономии, но он многое сделал и в области гидроаэростатики. Галилей, в частности, теоретически обосновал закон Архимеда и разработал в 1632 году интересный метод определения удельного веса воздуха, убедительно опровергнув попытки наделить воздух какими-то особыми свойствами.
      Приведем некоторые утверждения Галилея, заимствованные из величайшего труда его жизни: «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (1638 г.), и разбор этих утверждений, сделанных проф. Е. М/Анцелиовичем.
     
      Утверждения Галилея
      «а) То, что воздух обладает положительной тяжестью, а вовсе не легкостью, как полагают некоторые, каковым свойством, по моему мнению, не обладает ни одно вещество, в достаточной мере доказывается опытом Аристотеля с надутым мехом.
      б) Поэтому, если мы сможем прибавить к этому телу столько воздуха, сколько его содержится в объеме этого тела, и притом не увеличивая объем последнего, то при взвешивании этого тела мы получим его абсолютный вес, т. е. такой, какой оно имеет в пустоте; действительно, мы прибавляем тот вес, который был отнят у тела окружающей воздушной средой, не увеличивая его объема.
      в) Второй способ проще и может быть применен при пользовании одним лишь сосудом, снабженным указанным ранее приспособлением1.
      В сосуде будет содержаться лишь такое количество воздуха, которое находится в нем в естественном состоянии; постараемся теперь накачать в сосуд воды так, чтобы одновременно с этим не дать выхода воздуху, который должен уплотниться, будучи сжат водой. Итак, нагнетем в сосуд воды сколько возможно; без применения особенно большой силы ею можно будет наполнить три четверти объема бутылки; затем положим последнюю на весы и тщательно взвесим. Сделав это и держа бутыль горлышком вверх, прокалываем перепонку и даем тем выход воздуху, которого выходит ровно столько, сколько места заняла в бутыли вода. После того, как воздух вышел, ставим бутыль на весы и находим, что вес ее стал меньше от потери части воздуха.
      Найдя разницу между весами, определяем этим, сколько весит воздух в том объеме, который занимает в бутыли вода».
      1 Речь идет о приспособлении для введения в сосуд воды без опасности выпуска из него воздуха, сжимаемого водой.
     
      Разбор утверждений
      Во времена Галилея еще использовалось учение о чудесных свойствах воздуха, являющегося «абсолютно легким» веществом, наделенным какими-то чудесными свойствами и не подчиняющимся законам, которые применимы лишь к обычным «тяжелым» телам.
      Поэтому Галилею приходилось начинать свое изложение о характере движения тела в воздухе с доказательства того, что воздух — такое же тяжелое вещество, как и все остальные, и отличается от них лишь своим удельным весом. В пункте «а» он утверждает это, опираясь на один из опытов Аристотеля.
      Это очень характерно для того времени. Авторитет Аристотеля был еще настолько велик, что даже, борясь с его идеями, Галилей считал целесообразным хитро использовать этот авторитет против него же самого.
      Придание воздуху каких-то чудесных свойств было настолько общепризнано, что в течение многих веков мешало распространить законы Архимеда для жидкости на воздух и другие газы. Поэтому, несмотря на широкое применение в то время закона Архимеда (медицина, например, уже более тысячелетия пользовалась для смешивания лекарств ареометром), кажущееся сейчас очевидным применение этого закона для воздуха носило характер нового и очень прогрессивного открытия. Утверждение, приведенное в пункте «б», требовало поэтому доказательств, что воздух действительно имеет вес.
      Для опытной проверки этого Галилей разработал такой способ Он брал бутыль с воздухом при нормальном давлении, далее он вводил в бутыль воду так, что воздух не мог при этом выйти из бутыли и оставался в ней в сжатом состоянии. Взвесив бутыль в таком состоянии, Галилей после этого выпускал излишек воздуха и снова взвешивал бутыль. Уменьшение веса бутыли показало, сколько весит вышедшая часть воздуха, и, следовательно, доказывало, что воздух имеет определенную, хотя и малую тяжесть.
      Отсюда совершенно естественно стремление Галилея определить величину этой тяжести и, отнеся ее к единице объема, найти удельный вес воздуха. Для этого Галилей приводит Влез Паскаль (1623 — 1662) в своих трудах два возможных способа.
      Галилей наглядным путем показал, что воздух имеет вес и в этом схож со всеми другими веществами. Он разработал очень остроумную для своего времени методику измерения удельного веса воздуха.
      Порядок величины удельного веса воздуха определен Галилеем правильно, несмотря на то, что взвешивание при этом нужно было производить с точностью до одной тысячной процента от общего веса.
      В трудах выдающегося французского математика, физика и писателя Блеза Паскаля (1623 — 1662) было завершено развитие основных принципов гидростатики.
      Паскаль обобщил экспериментальные исследования Архимеда, Стевина, Галилея и других ученых.
      Именем Паскаля назван известный закон распределения давления жидкости на стенки сосуда или поверхность погруженного в нее тела. Об установлении этого закона Паскаль сообщает в своем «Трактате о равновесии жидкостей», написанном в 1653 году и опубликованном посмертно, в 1663 году
      Приведем отрывки из этого сочинения Паскаля. Будем сопровождать их весьма короткими пояснениями, так как текст «трактата» отличается такой ясностью, популярностью и доступностью изложения, что почти не нуждается в комментариях.
      «О том, что жидкости имеют вес, соответствующий высоте их стояния»
      «Если прикрепить к стене несколько сосудов, один такой как на фигуре первой, другой наклонный, как на второй, затем более широкий, как на третьей, потом узкий, как на четвертой затем такой, который представляет собой не что иное, как узкую трубку, примыкающую внизу к широкому, по не имеющему почти высоты сосуду, как на фигуре пятой, наполнить все их водой до одинаковой высоты, сделать у всех внизу одинаковые отверстия, каковые закрыть пробками, чтобы удержать воду, то опыт покажет, что нужна одинаковая сила для того, чтобы воспрепятствовать этим пробкам выпасть, хотя вода в этих различных сосудах находится в весьма различных количествах. Происходит это потому, что вода имеет одинаковую высоту во всех сосудах, и мерой указанной силы является вес воды, содержащийся в лервом сосуде, однородном по своей форме. И если это количество воды весит сто фунтов, то нужна сила в сто фунтов, чтобы удержать каждую из пробок, даже и у пятого сосуда, хотя вода, заключенная в нем, не весит и одной унции.
      Чтобы проверить это точно, надо закрыть отверстие пятого сосуда круглым куском дерева, обернутым прядью, как поршень насоса, каковой кусок должен входить в отверстие и проходить через него с такой точностью, чтобы не застревать и в то же время препятствовать выходу воды, затем прикрепить к середине этого поршня нитку, которая проходила бы через эту тонкую трубку, привязать ее к одному плечу коромысла весов, а на другое плечо повесить груз в сто фунтов; тогда мы увидим полное равновесие этого груза в сто фунтов с водой в тонкой трубке, каковая вода весит одну унцию; если же хотя немного уменьшить груз в сто фунтов, то вес воды опустит поршень, а следовательно, и то плечо коромысла весов, к которому он прикреплен, и поднимет то, на котором висит груз, немного менее ста фунтов.
      Если эта вода замерзнет, и лед, как то в действительности обычно бывает, не пристанет к сосуду, то, чтобы удержать его в равновесии, достаточно будет иметь на другом плече коромысла весов всего лишь одну унцию; если же приблизить к сосуду огонь, от которого лед растает, то понадобятся уже сто фунтов, чтобы удержать в равновесии тяжесть этого льда, расправленного в воду, хотя мы располагаем всего только одной унцией ее».
      Таким образом, Паскаль констатирует, что при одинаковой высоте воды давление жидкости на дно сосудов какой угодно формы будет совершенно одинаковым, несмотря на то, что вес жидкости может быть совершенно различным. Это положение может показаться на первый взгляд неожиданным и потому называется гидростатическим парадоксом1.
      1 Парадокс — положение, расходящееся с общепринятым, противоречащее (часто только с первого взгляда) здравому смыслу.
      Однако на самом деле мысль Паскаля вполне правильна.
      Действительно, сила, с которой жидкость давит на дно сосуда, всегда должна быть равна произведению давления в жидкости на уровне дна на площадь дна: Е — рБ. В цилиндрическом сосуде сила, с которою жидкость давит на дно сосуда, равна ее весу. Если сечение расширяется кверху, то жидкость давит на дно сосуда с силой, меньшей ее веса, так как часть жидкости давит по вертикали на боковые стенки сосуда. В сосуде, сечение которого расширяется книзу, жидкость давит на дно с силой, которая превышает вес жидкости, налитой в сосуд, так как дно находится под действием двух давлений: давления веса жидкости и давления наклонной стенки.
      «То же произойдет, если отверстия, которые закрываются пробками, будут сбоку или же в Еерхней части сосудов; проверить это будет еще легче, именно, следующим образом:
      Надо взять сосуд, закрытый со всех сторон, сделать в верхней части его два отверстия, одно очень узкое, а другое более широкое, и укрепить над тем и другим трубки такого же размера, как и отверстия; если вставить теперь в широкую трубку поршень, а в тон-- кую налить воды, то легко видеть, что на поршень надо будет положить большой груз, чтобы вес воды в тонкой трубке не вытолкнул его вверх, подобно тому как в первых опытах нужна была сила в сто фунтов, чтобы воспрепятствовать выталкиванию поршня вниз, когда и отверстие находилось внизу. Если бы отверстие находилось сбоку, то нужна была бы такая же сила, чтобы вес воды не вытолкнул поршень в сторону (рис. 107, I//)».
      И если бы трубка, заполненная водой, была во сто раз шире или во сто раз уже, но вода стояла бы во всех случаях на одной высоте, то всегда понадобился бы один и тот же груз, чтобы уравновесить воду; как только груз этот будет уменьшен, вода опустится и поднимет уменьшенный груз.
      «Правило о силе, необходимой для удержания воды»
      «Если же налить воду в трубку на двойную высоту, то для уравновешивания воды понадобится действие на поршень двойного груза; точно так же, если сделать отверстие, в которое вставлен поршень, вдвое большего размера, то надо будет удвоить и силу, необходимую для удержания удвоенного поршня. Отсюда видно, что сила, нужная для того, чтобы воспрепятствовать воде вытекать из отверстия, пропорциональна высоте стояния воды, а не ширине сосуда, и что мерой этой силы всегда является вес воды, заключающейся в колонне ее, с высотой, равной высоте стояния воды, и основанием, равным величине отверстия.
      То, что я сказал о воде, относится и ко всем другим видам жидкостей.
      Если сосуд, наполненный водой и закрытый со всех сторон, имеет два отверстия, одно во сто раз больше другого, которые прикрыты точно пригнанными к ним поршнями, то один человек, надавливающий на малый поршень, уравновесит силу ста человек, надавливающих на поршень, во сто раз больший, и преодолеет силу девяносто девяти (рис. 107, VII).
      И каково бы ни было отношение этих отверстий, всегда, когда силы, приложенные к поршням, относятся друг к другу, как отверстия, то силы эти будут в равновесии».
      Последняя фраза и является формулировкой закона Паскаля. Ученый экспериментально доказывает, что если площадь одного поршня в сто раз меньше площади другого, то усилие одного человека, приложенное к малому поршню, уравновесит усилия ста человек, приложенные к большому поршню. Отсюда следует вывод, что усилие, приходящееся на единицу поверхности поршня, т. е. давление, есть величина постоянная. Иными словами: давление в жидкости передается равномерно во все стороны.
      Паскаль не останавливается на этом теоретическом выводе. Он тут же высказывает мысль о возможности практического применения этого открытия для конструирования машины, которая увеличивает силу, а именно — идею гидравлического пресса. Ученый продолжает: «Отсюда следует, что сосуд, наполненный водой, является новым принципом механики и новой машиной для увеличения сил в желаемой степени, потому что при помощи этого средства человек сможет поднять любую предложенную ему тяжесть».
      Далее Паскаль связывает принцип действия предлагаемой им гидравлической машины с уже известными в то время машинами и механизмами.
      «Надо признать, что в этой новой машине проявляется тот же постоянный закон, который наблюдается и во всех прежних, как-то: рычаге, блоке, бесконечном винте и т. д., и который заключается в том, что путь увеличивается в тон же пропорции, как и сила. Ибо очевидно, что если одно из этих отверстий во сто раз больше другого, то человек, который давит на малый поршень и опускает его на дюйм, вытолкнет другой поршень лишь на одну сотую часть дюйма. В самом деле, этот толчок происходит вследствие непрерывности воды, соединяющей один поршень с другим и обусловливающей то, что один поршень не может двигаться, не толкая другого; поэтому, когда малый поршень продвинется на один дюйм, то вода, которую он вытеснил, встретит, толкая другой поршень, отверстие, во сто раз большее, и займет по высоте лишь сотую часть дюйма. Таким образом, путь относится к пути, как сила к силе. Это можно даже принять за истинную причину указанного явления, так как ясно, что совершенно безразлично, заставит ли сто фунтов воды пройти путь в один дюйм или один фунт воды — путь в сто дюймов; и если фунт воды так связан со ста фунтами ее, что сто фунтов не могут сдвинуться на один дюйм без того, чтобы не передвинуть один фунт на сто дюймов, то они необходимо должны находиться в равновесии, ибо один фунт имеет столько же силы, чтобы заставить сто фунтов сделать путь в один дюйм, сколько сто фунтов для того, чтобы заставить один фунт сделать путь в сто дюймов».
      Наряду с изучением физики жидкостей в начале XVII века начались работы по развитию физики газов. Это была совершенно новая отрасль физики, так как исследования свойств газов не проводились античными учеными и в средние века.
      Учение об атмосферном давлении создали Галилей, Паскаль, а также ученик и преемник Галилея итальянский физик Еванже-листа Торичелли (1698 — 1617). Последний провел ряд замечательных опытов по атмосферному давлению и фактически создал прибор для измерения давления атмосферы — барометр. Правда, термин «барометр» не использовался еще Торичелли. Он был введен позднее английским физиком Бойлем. В отечественной научной литературе мы впервые встречаем этот термин в работах великого русского ученого М. В. Ломоносова.
      Ниже мы приводим выдержку из письма Торичелли, в котором изложены проведенные им опыты. Письмо относится к 1644 году.
      «...Многие утверждают, что пустоты вообще не существует; другие же говорят, что получение ее достижимо лишь преодолением сопротивления природы и при том с большим трудом. Я полагаю, что во всех случаях, когда при получении пустоты явно обнаруживается противодействие, нет надобности приписывать пустоте то, что, очевидно, обусловлено совсем иной причиной. Говорю так потому, что некоторые ученые, видя невозможность отрицать факт противодействия, проявляющегося вследствие тяжести воздуха при образовании пустоты, не приписывают этого сопротивления давлению воздуха, а упорно утверждают, что сама природа препятствует образованию пустоты. Мы живем на дне воздушного океана, и опыты с несомненностью доказывают, что воздух имеет вес.
      ...Нами было изготовлено много стеклянных пузырьков с трубкой длиной в 2 локтя; мы наполняли их ртутью, придерживая отверстие пальцем; когда затем трубки опрокидывали в чашку с ртутью, они опоражнивались, но лишь отчасти: каждая трубка оставалась наполненной ртутью до высоты локтя и одного пальца. Желая доказать, что пузырек (в верхней части трубки) совершенно пуст, подставленную чашку доливали водой, и тогда, при постепенном поднимании трубки, можно было видеть, что, как только ее отверстие оказывалось в воде, из трубки выливалась ртуть, и весь пузырек, до самого верху, стремительно наполнялся водой. Итак, пузырек пуст, ртуть же держится в трубке. До сих пор принимали, что сила, удерживающая ртуть от естественного стремления опускаться, находится внутри разреженной материи. Я же утверждаю, что причина лежит вне сосуда: на поверхность жидкости в чашке давит воздушный столб высотой 50x3000 шагов1, — не удивительно, что жидкость входит внутрь стеклянной трубки (к которой она не имеет ни влечения, ни отталкивания) и поднимается до тех пор, пока не уравновесится внешним воздухом. Вода же поднимается в подобной, по гораздо более длинной трубке во столько раз выше, во сколько раз ртуть тяжелее воды...»
      Торичелли, таким образом, доказывает существование атмосферного давления. Трубка со ртутью, которую он применял в своих опытах, несомненно, является прообразом барометра.
      Выдающийся французский ученый Рене Декарт (1596 — 1650) высказал мысль о том, что атмосферное давление должно уменьшаться по мере подъема на гору. В 1647 году Блез Паскаль обратился к своему родственнику Перье с предложением провести экспериментальное исследование в этой области.
      Ниже мы приводим письмо Паскаля к Перье и ответ последнего, в котором изложены выполненные им опыты. Это письмо датировано 1648 годом.
      1 Торичелли считал высоту атмосферы равной 50 старинным милям (по 3000 «шагов» каждая).
      «Как вам известно, все философы признавали несомненным, что природа боится пустого пространства. В статье о пустоте я старался опровергнуть это мнение и надеюсь, что те данные опыта, которые я приводил для этого, достаточно ясно показывают, что природа допускает сколько угодно большие пустые пространства, что и наблюдается в действительности. Теперь я занят подысканием фактов, которыми можно было бы доказать, что те явления, которые объясняются теперь боязнью пустоты, могут быть согласованы с моим взглядом. Я придумал опыт, который, если его точно выполнить, один может дать решение этого вопроса. Опыт состоит в том, чтобы получить пустое пространство известным уже образом1 и затем исследовать, изменяется ли оно по величине, если несколько раз в сутки в одной и той же трубке и с тою же ртутью производить наблюдения на вершине горы, высота которой не меньше 500 — 600 таузов2, и у ее подошвы.
      Вы, конечно, поймете, что приведение в исполнение этого опыта решает вопрос. Если у подошвы горы ртуть в трубке будет стоять выше, чем на вершине, то из этого неизбежно следует вывод, что на высоту ртутного столбика исключительно и всецело влияет только давление воздуха, а никак не боязнь пустоты. Очевидно, у подножия горы давление воздуха должно быть больше, чем на вершине, так как нет никакого основания предполагать, что в ниже лежащих местах природа испытывает больший страх пустоты, чем в более высоких.
      Производство этого опыта сопряжено в настоящее время с некоторыми затруднениями. Для этой цели надо выбрать достаточно высокую гору, находящуюся недалеко от какого-нибудь города. Кроме того, там должно находиться лицо, могущее с достаточной точностью произвести наблюдение. Так как очень трудно подыскать вне Парижа подобное лицо, с другой стороны, не легче найти и подходящее для опыта место, то я считаю особенным счастьем, что в вас нашел это соединение благоприятных условий, так как город Клермон лежит у подножия горы Пюи-де-Дом, высота которой равна 974 метрам. Я надеюсь, что вы будете так любезны и не откажетесь лично произвести этот опыт».
      Ответ Перье Паскалю
      «Наконец я произвел опыт, которым вы так давно интересуетесь. Сообщаю вам полный и подробный отчет о его результатах. В последнюю субботу, 19 сентября, погода была очень переменчива.
      Так как в пять часов утра можно было ожидать, что день будет ясный, — были видны вершины горы Пюи-де-Дом, — то я решил
      1 То есть с помощью изобретенного Торичелли прибора, — Составители.
      г Туаз, или старинная французская сажень, равняется 6 французским футам, или 1,96 м.
      подняться на гору, чтобы там произвести опыт. Я сообщил об этом некоторым уважаемым жителям Клермона, которые просили меня, чтобы я уведомил их, когда именно я приведу в исполнение свое намерение.
      Прежде всего я налил в сосуд 16фунтов ртути; затем я взял две стеклянные трубки одинакового диаметра, четырех футов длины, открытые с одного конца и герметически закрытые с другого. Опустив их в один и тот же сосуд, я приготовил в них по известному способу пустое пространство. Затем я поставил обе трубки рядом, не вынимая их из ртути, причем оказалось, что ртуть, оставшаяся в трубках, была на одном уровне, и высота столбов ее, считая от уровня ртути в сосуде, равнялась 26 дюймам 3,5 линиям1.
      1 Старинный французский дюйм равняется 27 мм, линия — 2,25 мм.
      Я повторил этот опыт еще два раза в том же месте, с теми же трубками, ртутью и сосудом, каждый раз оказывалось, что высота ртути одинакова в обеих трубках и равна высоте, полученной при первом опыте.
      Затем я оставил одну из трубок в сосуде в том же положении, в каком она была во время опыта; я отметил на стекле высоту ртутного столбика и попросил его преподобие отца Шастена тщательно и непрерывно следить за высотой ртути в продолжение всего дня и отмечать каждое ее изменение. С другой трубкой и частью той же самой ртути я отправился в сопровождении многих лиц на вершину Пюи-де-Дом и произвел там тот же опыт на высоте 500 туазов. Оказалось, что здесь в трубке ртуть поднимается только до 23 дюймов 2 линий, в то время как в Клермоне она в той же трубке стояла на высоте 26 дюймов 3 1/2 линии, так что разница высоты подъема ртути в обоих случаях измеряется 3 дюймами и 1 1/2 линиями. Это изумило и поразило нас до такой степени, что мы еще пять раз, чтобы убедиться в верности наблюдения, очень тщательно повторяли опыт в различных местах вершины; и под крышей выстроенной здесь маленькой капеллы, и под открытым небом, на ветру и в закрытом месте, в ясную погоду, и во время дождя. Каждый раз получался тот же результат: ртуть оставалась на высоте 23дюймов 2 линий.
      Возвратившись в Клермон, я нашел прибор в том же виде, в каком он былоставлен: ртуть, как и при моем отправлении, стояла на высоте 26 дюймов 3 1/2 линии.
      Я повторил опыт с трубкой, которую я употреблял на Пюи-де-Дом, и в том сосуде, в котором еще находилась первая трубка. В результате оказалось, что высота ртути в обеих трубках одинакова, именно равняется 26 дюймам З/а линиям, как это наблюдалось утром в одной из трубок и в продолжение всего дня в той, которая оставалась на месте.
      Па другой день мне предложили повторить тот же опыт внизу и на вершине самой высокой клермонскон колокольни, чтобы отметить различие при таких условиях опыта. Чтобы удовлетворить любознательность лиц, предлагавших повторение опыта, я в тот же день произвел его в доме, находящемся около башни, и нашел, что здесь высота ртути равна почти 26 дюймам 3 линиям; затем я повторил его на вершине башни, на 20 туазов выше уровня земли; там высота ртути достигала 26 дюймов 1 линии, т. е. была на 2 линии меньше».
      Свойства воздуха продолжали использовать Герике и Бойль, которые и изготовили первые образцы воздушных насосов.
      Однако идею существования атмосферного давления отрицали многие ученые того времени, которые и в дальнейшем высказывали мысль о том, что столбик ртути в барометре удерживается особыми невидимыми нитями. Лишь значительно позже наука отказалась от этих предрассудков.
     
      ШЛЮЗЫ
      Наличие плотины, перегораживающей реку и создающей разницу в уровнях воды в реке, делает необходимым постройку специальных судопропускных устройств, предназначенных для перевода судов из одного бьефа в другой. Эти устройства называются шлюзами. Шлюз представляет собой тяжелую железобетонную прямоугольную камеру с массивными стенками, воротами и бетонным основанием (рис. 108).
      Уровень воды с одной стороны шлюза (у его верхней головы) выше, чем с другой (с нижней головы шлюза); эта разность уровней получила название высоты ступени шлюза.
      Рис. 109. Схема, поясняющая работу шлюза: 1 — затворы водоводных галерей
      Камера шлюза соединена водоводными трубами большого сечения (так называемыми галереями) с бьефами, благодаря чему можно менять уровень воды в камере; наполнение камеры водой производится с верхней головы шлюза, а спуск — с нижней. При шлюзовании судно поднимается из нижнего бьефа в верхний или опускается с верхнего бьефа в нижний. Пропуск судов через шлюз происходит следующим образом (рассмотрим случай, когда судно идет сверху вниз, т. е. пропускается из верхнего бьефа в нижний). Когда]пароход подходит к шлюзу, открываются затворы галерей, соединяющих камеру с водохранилищем (рис. 109,а). По закону сообщающихся сосудов, вода будет поступать в камеру до тех пор, пока ее уровень не поднимется до уровня воды в верхнем бьефе. Затем при помощи мощных электромоторов открываются верхние ворота шлюза, и судно входит в камеру (рис. 109,6). После этого ворота и затворы галерей верхней головы закрываются, и открываются затворы труб, соединяющих камеру шлюза с нижним бье()юм (рис. 109,в). Уровень воды в камере постепенно понижается — вода уходит из камеры в нижний бьеф — и одновременно с этим опускается находящееся в шлюзе судно. Когда уровни воды в камере и нижнем бьефе сравняются, открываются нижние ворота, и судно выходит на реку, продолжая свой путь (рис. 109, г).
      Для подъема судна из нижнего бьефа в верхний все операции проделываются в обратном порядке. В зависимости от того, на какую высоту нужно опустить (или поднять) суда, строят однокамерные, двухкамерные и многокамерные шлюзы. Днепровский шлюз, например, состоит из 3 камер, и в каждой из них судно опускается или поднимается примерно на 12 м.
      Чтобы ворота камеры не открывались под напором воды, стоящей перед воротами на разных уровнях, они устроены так, что могут открываться лишь в ту сторону, где вода стоит на более высоком уровне.
      Для увеличения пропускной способности шлюзов они строятся на крупных гидроузлах в виде двух параллельных линий («двух ниток»). Длина камеры шлюза достигает нескольких сотен метров, ширина — нескольких десятков метров, а высота — высоты 3 — 4-этажного дома. В камере шлюза могут одновременно поместиться несколько судов.
      Для спокойного входа кораблей из водохранилища в шлюз на гидроузлах перед шлюзом строится тиховод — аванпорт, защищенный от волн двумя огромными дамбами — волногасителями, одетыми в бетон и камень.
      Шлюзы могут служить не только для пропуска судов из одного бьефа реки в другой, но и для преодоления судами водораздела, лежащего между двумя реками. На Волго-Донском судоходном канале имени В. И. Ленина и на Цимлянском гидроузле построено 15 шлюзов. Два из них служат для прохода судов из Цимлянского моря в Нижний Дон и обратно. При помощи остальных тринадцати шлюзов суда преодолевают высокий Ергенинский водораздел между Доном и Волгой. Сооруженные на Волго-Доне шлюзы представляют собой выдающееся достижение современной техники.
      В устройстве однокамерных шлюзов Волго-Донского судоходного канала имени В. И. Ленина вместо верхних створчатых ворот применены огромные ворота в виде вертикального щита, перегораживающего всю ширину шлюза и отделяющего шлюз от верхнего бьефа. Для пропуска судов в камеру и из камеры верхние ворота опускаются в специальное углубление, построенное в бетонном днище шлюза. Весь процесс шлюзования — открытие и закрытие водоводных галерей, открытие и закрытие верхних и нижних ворот и т. п. — производится автоматически. Человек, сидящий у пульта управления шлюзом, лишь переводит небольшие рычаги и нажимает кнопки, а всю остальную работу выполняют механизмы. Электрические приборы следят за действиями дежурного и, если он ошибается, поправят его. Они не позволят, например, одновременно открыть ворота в верхней голове шлюза и нижние ворота; все операции шлюзования могут производиться только в строго установленном порядке. Пульт управления пропуском судов располагается в башне шлюза так, чтобы дежурный мог непосредственно наблюдать за процессом шлюзования. Но дежурный может наблюдать этот процесс и на особом щите пульта, где изображена схема шлюза. Световые сигналы на этом щите и специальные экраны полю
      называют все моменты шлюзования — открытие затворов водоводных галерей, открытие и закрытие ворот, уровень воды в камере, выравнивание этого уровня с уровнем воды в верхнем или нижнем бьефе и т. п.
      Бот, например, как руководит процессом шлюзования судна дежурный на одном из шлюзов Волго-Донского судоходного канала имени В. И. Ленина.
      Дежурный поворачивает на пульте управления один из рычажков, и в машинном зале шлюза приходят в движение мощные тяговые лебедки, приподнимающие массивные ворота верхней головы шлюза. Одновременно на одном из небольших экранов, расположенных на пульте перед дежурным, начинает медленно подниматься черная металлическая стрелка, изображающая верхние ворота, а одна из лампочек- -красная — начинает «мигать». Проходит немного времени, и стрелка перестает ползти вверх, а лампочка загорается ровным светом. Это значит — подъем ворот окончился, они остановились, открыв дорогу в камеру шлюза пенистым потокам воды. На пульте оживает второй экран — стрелка на нем показывает разность уровней воды в канале и шлюзе. Стрелка, стоявшая ранее у цифры 10, начинает двигаться вниз, отсчитывая метры. Она показывает 9,8,7,...,2,1 и, наконец, останавливается на нуле. В тот же момент зажигается зеленая лампочка, докладывая дежурному, что уровни воды в верхнем бьефе канала и в камере сравнялись и можно открывать верхние ворота для пропуска судна в шлюз. Новый поворот рычажка, и на белом фоне экрана видно, как стрелка — «ворота» — начинает опускаться, — ворота погружаются в воду, красная лампочка снова мигает, предупреждая, что ворота в «пути». Как только ворота опустились в предназначенную для них нишу, останавливается и стрелка, а лампочка снова загорается ровным светом. Путь судну с верхнего бьефа участка канала в камеру шлюза открыт.
      Перед шлюзом вспыхивает зеленый светофор, и судно входит в камеру шлюза. Поворачивая затем рычажки и отдавая тем самым через электрические приборы новые «команды» соответствующим механизмам, дежурный последовательно закрывает (поднимает) верхние ворота, опорожняет камеру, открывает стотонные створки нижних ворот шлюза, выпуская судно из камеры в канал. Следует очередной поворот рычажка, и на экране, имеющем две стрелки, в точности повторяющих движения створок нижних ворот, стрелки постепенно сошлись — ворота нижней головы шлюза сомкнулись. Дежурный перекрывает затворы галерей, соединяющих камеру шлюза с нижним бьефом, и шлюзование окончено. Шлюз готов к приему очередного судна.
      Управляет всей работой шлюза и всех его механизмов лишь один человек.
      Так достижения современной советской техники позволили полностью автоматизировать и механизировать процесс шлюзования.
     
      СОЗДАНИЕ ТЕОРИИ НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ КОРАБЛЯ
      Непотопляемостью корабля называют его способность оставаться на плаву и сохранять мореходные качества при затоплении части внутрикорабельных помещений. Этой способностью обладают все корабли, но степень ее у различных судов различна. Грузовые суда, например, обладают меньшей непотопляемостью, чем пассажирские, а пассажирские уступают в этом отношении военным.
      За границей пытались обеспечить непотопляемость корабля путем деления корпуса водонепроницаемыми переборками на сотни отсеков, снабженных мощной системой водоотливных труб. Однако эта мера не дала нужных результатов, так как практически невозможно было поставить такое количество насосов, которые могли бы выкачать в короткий срок тысячи тонн воды. (Через пробоину площадью в 0,1 кв.м, если она находится ниже поверхности воды на5дг, в час вливается 2000 т воды. Такую массу воды не может удалить даже самый мощный насос.) Никому в голову не приходило, что для спасения корабля, получившего повреждение, нужно не выкачивать воду из затопленных отсеков, а наоборот, затоплять неповрежденные отсеки с таким расчетом, чтобы выровнять корабль, увеличить его остойчивость и тем самым устранить опасность гибели. Идеи этого изобретения по тому времени были новы и необычны.
      Честь этого открытия принадлежит русскому адмиралу С. О. Макарову, исследования которого были потом дополнены экспериментальными работами крупного русского ученого А. Н. Крылова.
      Степан Осипович Макаров неоднократно привлекал Крылова к чтению лекций по различным вопросам теории корабля. Приезжая в Петербург, Макаров всегда заходил к Крылову, работавшему в опытовом бассейне. Их беседы касались вопросов непотопляемости корабля и мер ее обеспечения. Макаров сумел пробудить у Крылова желание продолжить и развить начатое им исследование по вопросу непотопляемости корабля. По предложению Степана Осиповича Крылов построил модель броненосца «Петропавловск» и производил опыты по ее опрокидыванию.
      В марте 1902 года Макаров готовил доклад о непотопляемости военных судов. В одно из посещений опытового бассейна Степан Осипович ознакомил Крылова с содержанием доклада и предложил ему выступить с кратким послесловием, основанным на математических доказательствах правильности выводов докладчика.
      Крылов составил краткий конспект своего выступления и спешно отправил его Макарову в Кронштадт. Но, опасаясь, что письмо задержится, Крылов послал вдогонку телеграмму.
      После своего доклада, продолжавшегося около часа, адмирал Макаров сказал:
      «Капитан Крылов сформулировал все мною изложенное с краткостью и точностью математической. Прошу вас, Алексей Николаевич, прочесть ту телеграмму, которую вы мне послали». Крылов зачитал текст телеграммы:
      «Кронштадт, адмиралу Макарову. Боюсь, что письмо опоздает, посылаю телеграммой формулировку положений.
      1. Непотопляемость корабля обеспечивается его запасом плавучести, т. е. объемом надводной части до верхней из водонепроницаемых палуб. Подразделение трюма служит для использования запаса плавучести.
      2. Остойчивость при повреждениях обеспечивается соответствием подразделения надводной части подразделению трюма и системой затопления отделения для выравнивания. Подразделение на отсеки должно определяться расчетом, коего принцип, чтобы корабль тонул, не опрокидываясь.
      3. Всякое повреждение надводного борта уменьшает запас плавучести и остойчивости, желание обеспечить его вызвало изменение бронирования.
      4. Прежнее бронирование — защита жизненных частей толстой броней малой площади.
      5. Новое бронирование — защита большой площади борта тонкой броней.
      6. Практика соединяет иногда обе системы: средняя часть и ватерлиния защищены толстой броней, борт и оконечности — топкой.
      7. Всякая броня пробиваема сообразно калибру, дальности, углу падения, отсюда уравновешивание шансов противников, разно бронированных п разно вооруженных. Выбор брони или артиллерии сводится к числовой оценке шансов получить или нанести повреждение. Расчет, подобно как страхового предприятия, по математическому ожиданию.
      8. Бронирование должно соответствовать подразделению трюма, которое само определяется радиусом разрушения, производимого миной.
      9. До сих пор при проектировании судов живучесть не включена в число основных требований, ее не рассчитывают, отсюда ряд ошибок и примеры их.
      Капитан Крылов».
      Доклад Макарова и добавление Крылова произвели на слушателей потрясающее впечатление. Выступление двух крупнейших ученых нанесло серьезный удар по всем тем, кто противодействовал проведению в жизнь предложений Макарова и Крылова, направленных на улучшение дела отечественного кораблестроения.
      В октябре 1902 года А. Н. Крылов составил расчеты и таблицы, показывающие, как влияет затопление того или иного отсека на крен, дифферент и остойчивость.
      Если в результате попадания снаряда или торпеды судно получит пробоину в носовой части и внутрь корпуса вольется вода, корабль накренится и нос его погрузится в воду. Выкачать воду, заделать пробоину в условиях боя практически невозможно. Чтобы спасти корабль, нужно прежде всего уберечь его от опрокидывания, т. е. выровнять его, уничтожив крен и дифферент. А для этого надо не откачивать воду, как предлагали иностранныегинженеры, а, наоборот, затопить соответствующие отсеки в противоположной части корпуса. Если вода влилась в районе носовой конечности корабля с правого борта, нужно затопить отсеки левого борта в кормовой части корабля. Тогда корабль выпрямится и опасность опрокидывания будет исключена. Осадка при этом увеличится.
      На рисунке 110 приведена схема выравнивания корабля, получившего крен и дифферент в результате повреждения.
      Таблицы Крылова давали точный ответ на вопрос, что произойдет с кораблем, если будет затоплен тот или иной отсек, и какой отсек надо затопить в каждом отдельном случае, чтобы выпрямить корабль. Расчеты по таблицам Крылова требовали простых арифметических действий, они были вполне доступны для каждого трюмного механика.
      А. Н. Крылов подал обстоятельную докладную записку о своих таблицах председателю Морского технического комитета, который поручил кораблестроительному отделу Комитета спешно рассмотреть эти таблицы. Но этого сделано не было. Доклад Крылова был положен под сукно. Корабли продолжали строить без учета предложений Крылова по обеспечению непотопляемости. Таблицы непотопляемости для кораблей не составлялись.
      В марте 1903 года в Кронштадтском морском собрании в присутствии высших чипов флота Крылов прочитал лекцию «О непотопляемости судов и ее обеспечении», в которой развил и дополнил положения С. О. Макарова. В своей лекции он подробно остановился на недостатках, имевшихся на построенных и строившихся кораблях, и мерах их устранения. А. Н. Крылов обвинил главного инспектора кораблестроения генерал-лейтенанта Кутейникова в нежелании принять меры к исправлению конструктивных ошибок, допущенных в кораблях и проектах. В заключение доклада А. Н. Крылов заявил:
      «Все, что я вам здесь изложил, принадлежит не мне, а целиком взято из ряда статей «Морского сборника», охватывающихтридцать лет; эти статьи подписаны так: мичман Степан Макаров, лейтенант Степан Макаров, флигель-адъютант Степан Макаров, контр-адмирал Макаров и, наконец, недавно вышедшая носит подпись вицеадмирал Макаров. Его превосходительство Степан Осипович — вот кто истинный основатель учения о непотопляемости судов».
      В январе 1904 года Япония вероломно напала на русскую эскадру, стоявшую на внешнем рейде Порт-Артура.
      Началась русско-японская война, вызванная столкновением на Дальнем Востоке интересов двух империалистических держав — Японии и царской России.
      Однако Россия не была готова к войне, ее армия и флот, плохо обученные и слабо вооруженные, руководимые бездарными царскими генералами, терпели одно поражение за другим. Значительная часть боевых кораблей была выведена из строя. Многие передовые люди флота понимали, что если бы руководители русского кораблестроения прислушались к предложениям Макарова и Крылова, потери были бы гораздо меньше. Но равнодушные к судьбе русского флота косные чиновники Морского технического комитета продолжали по-прежнему оттягивать рассмотрение таблиц непотопляемости.
      31 марта 1904 года русский флот понес тяжелую утрату — на мине заграждения подорвался броненосец «Петропавловск», на котором находился командующий Тихоокеанским флотом вице-адмирал Макаров. Броненосец опрокинулся и затонул. Макаров погиб.
      Царские чиновники всполошились. Распространился слух, что меры обеспечения непотопляемости, предложенные профессором Крыловым задолго до катастрофы и не принятые чиновниками Комитета, могли бы предотвратить гибель «Петропавловска».
      7 апреля 1904 года состоялось заседание Морского технического комитета, на котором, кроме членов Комитета, присутствовало более 40 человек, представлявших высший командный состав флота. Крылов прочитал доклад «О снабжении судов флота таблицами, показывающими влияние затопления отделений на креп, дифферент и остойчивость корабля, и общих мерах к обеспечению непотопляемости судов при повреждениях». Заседание превратилось по существу в суд над теми, кто во главе с генералом Кутейниковым руководил строительством флота.
      Выступление А. Н. Крылова было чрезвычайно резким. Обвиняя руководителей флота в пренебрежительном отношении к вопросу обеспечения непотопляемости кораблей, он как бы возлагал на них ответственность за безвременную гибель его друга, замечательного деятеля русского флота С. О. Макарова.
      А. Н. Крылов бросил в лицо главному инспектору кораблестроения генерал-лейтенанту Кутейникову обвинение в том, что он упорно и сознательно тормозит снабжение кораблей таблицей непотопляемости.
      Свою речь А. Н. Крылов закончил следующими словами: «Я решил бороться по мере своих сил, ибо считаю непотопляемость корабля первейшим его качеством». Крылов призвал присутствующих поддержать его в той борьбе, которую он начал против рутины в кораблестроении. Однако ни Технический комитет, ни Морское министерство, ни представители высшего командного состава флота не поддержали талантливого ученого-патриота. Через несколько дней Крылову был объявлен выговор в приказе по флоту «за резкий тон и недопустимые в служебном докладе выражения по отношению к главному инспектору кораблестроения генерал-лейтенанту Кутейникову».
      Но Крылова это не остановило. Несмотря ни на что, он продолжал упорную борьбу за обеспечение непотопляемости судов. Он неоднократно выступал в печати, обвиняя в нерадивости правительственных чиновников, ведавших строительством флота.
      Царские чиновники продолжали бездействовать, и результаты этой преступной бездеятельности царского правительства и его представителей не замедлили сказаться. Во время Цусимского сражения из-за того, что таблицы непотопляемости не были своевременно применены в бою, многие русские корабли затонули от сравнительно небольших повреждений.
      Зато на тех кораблях русского флота, где молодые инженеры поняли значение таблиц Крылова и научились пользоваться ими, применение этих таблиц дало блестящие результаты. Так, корабль «Орел», получивший в Цусимском бою большие пробоины, благодаря своевременному применению командиром корабля таблиц непотопляемости не потерял остойчивости.
      Впоследствии, в предисловии к книге одного их своих учеников С. Т. Яковлева «Кораблеустройство и трюмное дело», вышедшей в 1928 году, Алексей Николаевич писал:
      «Теперь все суда снабжаются и таблицами непотопляемости и средствами для затопления отделений, но трюмный механик должен помнить, что ему придется прибегнуть к использованию этих средств при самой грозной обстановке. Он должен заранее изучить свой корабль, он должен заранее проделать ряд примеров воображаемых его повреждений и рассмотреть, какие меры надо принять для выравнивания корабля при каждом из них, он должен сродниться с таблицей непотопляемости своего корабля, а не путаться в ней, как в лесу».
      Интересно отметить, что в передовом по тому времени английском флоте таблицы непотопляемости начали применять на военных кораблях лишь в 1926 году, т. е. почти через 25 лет после того, как они были предложены А. Н. Крыловым. Таким образом, приоритет в области исследования проблемы непотопляемости судов и разработки мер ее обеспечения принадлежит нашей стране. Замечательные труды С. О. Макарова и А. Н. Крылова, работы профессора И. Г. Бубнова, корабельных инженеров Р. А. Матросова, Э. Е. Гуляева, лейтенанта Нехаева и других талантливых русских ученых и инженеров, дополнивших исследования и труды основоположников этой идеи Макарова и Крылова, завоевали нашей родине бесспорное первенство в этой важнейшей области кораблестроения.
     
      ПОДВОДНЫЕ ЛОДКИ
      «Подводная лодка начинает маневрирование. Корабли врага, выйдя из узкости, поворачивают на восток, к фронту, и на ходу начинают строиться в походный ордер. Один сторожевик заходит вперед. За ним следует транспорт. В кильватер транспорту заходит тральщик. Второй сторожевик, очевидно, выдвинется в сторону моря. Скорей, пока он не мешает, ударить по врагу! Послушная воле командира лодка ложится на боевой курс. Торпедист Василий Немов, обычно ребячливый, а сейчас весь собранный, стоит между изготовленными торпедными аппаратами. Перед ним чуть побледневшее монгольское лицо старшины Серегина; его руки на рукоятках пистолетов. Сейчас в переговорной трубке прозвучит напряженно ожидаемое «пли», и навстречу врагу понесет смерть грозное, мощное, стремительное существо. Немову ясно представляются все процессы, которые произойдут в торпеде, как только старшина рванет рукоятку.
      — На палубе транспорта пушки и лошади... Сильно шуруют, торопятся проскочить, — говорит командир, глядя в перископ, — узлов 10 — 12 идут.
      От торпедного выстрела содрогается лодка. Через минуту в отсеки доносится звук взрыва.
      Напряженные лица расплываются в счастливые, гордые улыбки.
      Командир поднимает перископ — транспорта уже на воде нет. Тральщик и сторожевики растерянно вертятся среди плавающих обломков. Второй сторожевик полным ходом идет на лодку.
      Лодка уходит на глубину и меняет курс. Мощный гидравлический удар потрясает лодку. Жуткий лязг до боли бьет по барабанным перепонкам. Близко за кормой разорвалась глубинная бомба.
      — Приготовиться, это первая, — кричит командир.
      Прямо за кормой один за другим раздаются три удаляющихся взрыва.
      — Заметил нас не плохо, а курс не угадал...
      — Теперь будем знать, что такое глубинные бомбы, никакой другой звук не обманет...»
      Так описывает командир подводной лодки М-172 Герой Советского Союза И. И. Фисанович один из обычных боевых походов своего судна. Подводные лодки активно участвовали в военных действиях второй мировой войны и показали свои способности в нарушении морских перевозок противника, а также в уничтожении его боевых кораблей. Что же собой представляет подводная лодка?
      Современная подводная лодка — боевой военный корабль, способный нанести скрытые торпедные удары по кораблям противника, а также вести морскую разведку или установить мины на широких морских просторах.
      На рисунке мы видим разрез подводной лодки. Она представляет собой стальной сигарообразный корабль,способный выдерживать давление на больших глубинах. Обычно подводная лодка имеет два корпуса: внутренни й — прочный, в котором находится вся полезная нагрузка лодки, и наружны й — легкий. Между этими корпусами находятся цистерны для приема водяного балласта. Для погружения лодки последние наполняются водой, что увеличивает вес лодки. По мере наполнения цистерн лодка теряет плавучесть и все глубже погружается в воду. В подводном положении дальнейшее изменение глубины погружения обеспечивается во время движения горизонтальными рулями.
      Под водой лодка перемещается с помощью двигателей внутреннего сгорания, а в надводном положении — с помощью электриче-( ских моторов, получающих энергию от батарей аккумуляторов. Последние заряжаются во время пребывания лодки в надводном положении, когда электродвигатели, приводимые в движение рабочими двигателями внутреннего сгорания, работают в качестве генераторов тока.
      Всплытие лодки достигается освобождением лодки от водяного балласта, когда вода вытесняется из цистерн при помощи сжатого воздуха, содержащегося в специальных баллонах внутри лодки. Помимо этого, всплытию способствует и управление лодкой с помощью горизонтальных рулей.
      Многие лодки могут находиться под водой довольно продолжительное время и проходить в таком положении путь, исчисляемый десятками тысяч километров.
      Подводная лодка обеспечивается перископом (для наблюдения за обстановкой и для установления связи), помещениями для машинного отделения, кают-компании, для команды, для размещения поста управления и т. д., соответствующим вооружением (скорострельные орудия, торпедные аппараты) и радиоаппаратурой.
      Теперь уже приступлено к изготовлению подводных лодок с атомными двигателями.
      Много веков понадобилось для того, чтобы от простого ведра, применявшегося в древнем Китае и Египте, прийти к современным чудесным насосам, подающим в секунду тысячи литров воды.
      Медленно, шаг за шагом усовершенствовалось ведро.
      Первым шагом в этом направлении, вероятно, был так называемый чигирь — вертикальное колесо с подвешенными к нему ведерками — черпаками. Ходит вокруг столба меланхоличный верблюд, вертится колесо с черпаками, и драгоценная вода без перебоев подается из водоема для хозяйственных нужд, для орошения полей.
      Невелика высота, на которую чигирь может поднять воду, она ограничена величиной колеса. Стали делать вместо одного колеса два, натянув на них непрерывную ленту с черпаками, получилась нория (рис. 112). Такая машина поднимает воду на большую высоту при меньших размерах колес.
     
      НАСОСЫ
      Винтовой, или шнековый, насос (рис. 24), по преданию, изобрел Архимед. Поэтому его и называют «архимедовым винтом». Применяется он чаще всего для перемещения полужидких и сыпучих тел.
      Не установлено, кем изобретен поршневой насос, однако принцип действия всасывающего насоса был известен еще Аристотелю, жившему в IV веке до нашей эры рис. 113).
      В цилиндре вверх и вниз движется поршень. При движении поршня вверх (ход всасывания) под ним образуется разреженное пространство, и давление наружного воздуха вгоняет воду по всасывающей трубе в приемную камеру, открыв всасывающий клапан. Нагнетательный клапан в это время плотно закрыт. При опускании поршня (ход нагнетания) вода закрывает всасывающий клапан и вытесняется поршнем из приемной камеры в напорную трубу, подняв на своем пути нагнетательный клапан, расположенный в поршне.
      Однако равномерную подачу воды такой насос дать не может. Поэтому, чтобы смягчить толчки, обеспечить более равномерную подачу, в насосах ставяттак называемые воздушные колпаки (рис. 114). Воздушные подушки в колпаках сглаживают неравномерности движения жидкости в трубе.
      Очень много конструкций поршневых насосов, но принцип действия у всех одинаков.
      Как в древности: зачерпнули ведром воду, подняли ее на большую высоту и там вылили. Только делается это все наоборот. Ведро-цилиндр стоит на месте, а в нем дно ходит вверх и вниз, подает воду определенными порциями-объемами.
      Поэтому поршневые насосы и называют еще насосами объемного действия.
      В научных институтах применяются очень интересные насосы. Вот, например, один из них изображен на рисунке 115. Жидкость, которую он перекачивает, нигде не прикасается к металлическим частям, что при исследованиях бывает очень важно.
      Рис. 115. Поршневой насос электромагнитного действия
      Стеклянная трубочка набита опилками железа и запаяна с обоих концов — это поршень. Другая стеклянная трубка служит в качестве цилиндра. Поршень в цилиндре движется соленоидом. Производительность такого насоса, конечно, невелика. Да ь лабораторных условиях и не требуется большей.
      А вот на строительствах гидросооружений работают насосы-гиганты. И перекачивают они не воду, а бетон.
      Один мощный бетононасос двойного действия укладывает за сутки до 600 кубометров бетона! Нужен целый завод, чтобы напитать такой прожорливый насос.
      Диафрагменные насосы — одна из разновидностей поршневого насоса (рис. 116). Вместо поршня у него имеется подвижная диафрагма. Обыкновенная масленка — простейший диафрагменный насос.
      Очень просты по устройству струпные насосы — пульверизаторы (рис. 117); ни одна часть их не двигается и не вращается. По трубке 1 подводится рабочая жидкость. В смесительной камере 2 подводящая труба сильно суживается, образуя сопло 3. Скорость жидкости ч в сопле растет, а давление сильно падает. Жидкость, имеющая большую скорость, проскакивает в насадку 4, которая плавно переходит в диффузор 5, а затем в напорную трубу 6. Благодаря падению давления в камере 2 туда из водоема через всасывающую трубку 7 засасывается некоторое количество жидкости, которая продолжит свой путь вместе с рабочей жидкостью.
      Плоховато работают такие насосы: коэффициент полезного действия их очень мал — всего 14 — 18%. Все преимущество их в простоте. Применяются они, например, в небольших котельных установках для накачивания воды в паровой котел. Рабочей жидкостью в этом случае служит горячий пар. Коэффициент полезного действия здесь не имеет особого значения, так как пар, перегоняя воду в котел, одновременно и подогревает ее, так что часть энергии восстанавливается затем в виде тепла. Ведь на горячую воду меньше придется потратить топлива, чтобы нагреть ее до температуры парообразования.
      Рис. 116. Диафрагменный насос Рис. 117. Струйный насос
      У ворот цеха остановилась семитонная грузовая машина Ярославского автозавода. Подъемный кран бережно опустил в ее кузов что-то большое металлическое, похожее на огромную улитку. Казалось даже, что изнутри вот-вот вылезет слизняк и зашевелит своими рогами. Но никто, конечно, не вылез, да и не мог вылезти. Это с завода отправляли новую партию центробежных насосов. Посмотрите на рисунок 118. Всасывающая труба подводит жидкость к центральной части рабочего колеса. Попадая на вращающееся колесо, жидкость, подобно людям на «колесе смеха», движется с возрастающей скоростью к периферии по криволинейным каналам, образованным изогнутыми рабочими лопатками колеса. Из рабочего колеса она вытекает в корпус насоса, который называют улиткой. Таким образом, в центральной части колеса создается разрежение, и жидкость засасывается из подводящей трубы.
      В улитке кинетическая энергия жидкости, приобретенная в колесе, преобразуется в энергию давления для создания необходимого напора в нагнетательной линии.
      Центробежный насос подает жидкость равномерно, без толчков, поэтому воздушные колпаки, какие ставились в поршневых насосах, здесь не нужны.
      О том, что можно построить насос с вращающимся колесом, знали очень давно. Еще около 1500 года Леонардо да Винчи описал конструкцию подобного насоса, сходную с современной. Но широкое применение центробежных насосов стало возможным лишь во второй половине XIX века, когда были изобретены электродвигатель и паровая турбина, потому что центробежный насос — насос быстроходный, число оборотов его в минуту от 700 и выше.
      Теперь центробежными насосами перекачивают не только воду, но и вязкие жидкости: патоку, сиропы. На многих стройках сейчас широко применяют землесосные установки и земснаряды. Обязательной составной частью их является центробежный насос для перекачивания пульпы — смеси воды и грунта.
      Таким насосам не страшны даже тридцатисантиметровые камни, попадающиеся в грунте.
      В химической промышленности центробежные насосы применяют для перекачивания едких жидкостей. В этом случае детали этих насосов выполняются из материалов, которые не подвержены разрушающему действию кислот или щелочей, — специальных чугунов с прибавкой кремния, спецсталей, пластмасс и даже фарфора.
      Видоизменением центробежного насоса является пропеллерный насос (рис. 119). Такой насос весь помещается во всасывающей трубе и занимает мало места. Пропеллерные насосы широко применяются у нас в оросительных установках. Такие же насосы большой мощности работают на канале имени Москвы на Яхромской водонапорной станции. Один такой насос способен подавать 25 кубометров воды в секунду на высоту 8,5 м.
      Для передачи вращения часто применяется зубчатая передача. Она известна с давних времен. А вот использовать зубчатое колесо для насосов додумались лишь через много сотен лет.
      Но зато как просто и красиво устроен и работает шестеренчатый насос (рис. 120).
      При вращении шестеренок поступившая жидкость отсекается зубьями,заполняет впадины и перемещается в напорную полость, как показано на рисунке. Деталей в этой конструкции насоса мало, а это большое преимущество. Да к тому же шестеренчатые насосы имеют равномерную подачу и надежны в работе; в них просто регулируется подача либо изменением числа оборотов, либо устройством перепускного канала из напорной во всасывающую полость.
      Учитывая все это, такие насосы охотно применяют для ответственной работы. С их помощью подается масло для смазки в самых различных типах двигателей: в автомобильных моторах, в паровых и газовых турбинах, в самолетных и судовых двигателях и т. д.
      Ни керосин, ни масло, ни вода не портятся от соприкосновения с металлическими частями насоса. А как быть, если перекачиваемые жидкости требуют особой чистоты и могут портиться от соприкосновения с металлом?
      В этих случаях применяют приборы, называемые сокоподъемниками.
      Поступает, например, виноградный сок в цилиндр самотеком, а затем сверху вводят пар определенного давления, и сок паровым поршнем в нагнетательную трубку и следующей обработки. А потом люди пьют виноградный сок и похваливают. Ах, какой чудесный аромат! А все потому, что в простой и оригинальной конструкции насоса нет металлических частей.
      А вот интересный способ подъема из-под земли некоторых жидкостей, например нефти (рис. 121).
      Сжатый воздух подают по внутренней трубе в нижний конец основной трубы, которая открыта н сверху и снизу. Нефть пенится, и эта пена начинает подниматься вверх по трубе. Несли количество подаваемого воздуха будет достаточно велико, пена дойдет до верхнего конца трубы и будет вытекать наружу в смеси с воздухом. Тут уже ее только лови, заключай в трубу и направляй куда следует. Плохо только, что такой способ добычи нефти мало экономичен, потому что в полезную работу превращается всего 20 —
      30% всей затраченной энергии.
      Этот насос, называемый эрлифтом, широко применяется для подъема глинистого раствора при бурении скважин.
      Даже такое вредное явление, как гидравлический удар, можно заставить работать с пользой для человека. На рисунке 122 изображен гидравлический таран. В нем моторов нет, а насос сам по себе работает. Выходит, что вода сама себя поднимает? Да, именно так и получается. Если клапан 2 открыт, а клапан 1 закрыт, то вода, выливаясь через клапан 2, движется с возрастающей скоростью, увеличивая свою скорость до тех пор, пока не будет способна захлопнуть клапан 2. Как только это произойдет, воде не останется иного пути, как ударом открыть клапан 1, поскольку она при двц. женин накопила энергию, и прорваться в воздушный колпак и далее по трубе. Через некоторое время, когда вода израсходует свою энергию на создание давления в напорной трубе, клапан 2откроется под влиянием собственного веса, и все начнется сначала. Такое устройство часто применяется в сельском хозяйстве для подачи воды из быстротекущих речек.
      В 1897 году Н. Е. Жуковский изобрел капиллярный элеватор — особый вид насоса (рис. 123). Вода, попадающая внутрь спирали, не успевает вылиться и доходит до верха, где и сбрасывается центробежной силой инерции.
      Здесь мы рассказали о насосах для таких жидкостей, которые можно перелить из стакана в стакан, так сказать, «жидких жидкостей». Но существуют насосы и для «газообразных жидкостей» — дымососы, воздуходувки. Вентиляторы и компрессоры тоже по существу являются своеобразными насосами. Вспомните, как умелая рука доктора осторожно впрыскивала вам под кожу раствор предохранительной сыворотки, сберегшей ваше здоровье. Эго было сделано при помощи шприца — маленького поршневого насоса.
      Кстати сказать, эта статья была написана автоматической ручкой с поршневым насосом.
     
     
      Раздел пятый
      ДИНАМИКА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
     
      ПЛОТИНА ГИДРОУЗЛА
     
      За годы советской власти в нашей стране были сооружены крупные гидроузлы — Волховский, Днепровский, Щербаковский, Иваньковский, Цимлянский, Каховский, Куйбышевский и другие. Крупнейшие гидроузлы создаются сейчас на строительстве Сталинградской, Новосибирской, Саратовской гидроэлектростанций и на многих других гидротехнических стройках.
      Что же называется гидроузлом?
      Для осуществления задач мелиорации (осушение, орошение и обводнение)2 гидроэнергетики (использование энергии воды), водного транспорта (судоходство) и других возводятся инженерные сооружения, называемые гидротехническими. Группа гидротехнических сооружений, расположенных на одном участке реки (или канала) и связанных между собой по назначению и работе, называется узлом гидротехнических сооружений, или просто гидроузлом.
      В состав гидроузла входят те искусственные сооружения, которые осуществляют задачи хозяйственного использования водных ресурсов. Важнейшими из этих сооружений являются плотины, гидроэлектростанции, судоходные шлюзы, насосные станции и др. С их помощью человек осуществляет сознательное вмешательство в естественные условия рек с целью регулирования и использования их водных ресурсов. В качестве примера расположения гидротехнических объектов на гидроузле равнинной реки приведена схема Днепровского гидроузла (рис. 124).
      1 По книге Л. Еноховича «О технике строек пятилетки».
      Орошением называют подачу воды для растений на земельные массивы в течение всего вегетационного периода, т. е. в течение всего периода развития той или иной сельскохозяйственной культуры.
      Обводнением местности называют подачу воды для удовлетворения потребности в воде людей, промышленных и транспортных предприятий, оздоровление территории и т. п. При обводнении больших земельных массивов на I га площади расходуется воды значительно меньше, чем при орошении. За летний период на орошение 1 га земли идет от 2 до 6000 куб. м воды.
      Рассмотрим подробнее назначение и устройство каждого из названных основных сооружений, входящих в состав гидроузла.
      Главной и наиболее ответственной частью гидроузла является плотина. Плотиной называется гидротехническое сооружение, перегораживающее русло водного потока и удерживающее воду с одной стороны его на более высоком уровне, чем с другой.
      Часть реки перед плотиной с более высоким уровнем воды называется верхним бьефом; часть реки ниже плотины с менее высоким уровнем воды называется нижним бьефом. Разность между уровнями воды в верхнем и нижнем бьефах реки получило название напора. Плотины, создающие напор до 10 м, называются низконапорными, при напоре 10 — 30 м — с р ед-не напорными и при напоре выше 30 м — высоконапорными.
      Плотины, возводимые на гидроузле, выполняют различные функции. Они прежде всего создают возможность использования энергии равнинной реки.
      Каждая река от истока к устью имеет уклон дна, благодаря которому происходит течение воды, т. е. непрерывное перемещение огромных масс воды с более высоких мест земли на более низкие. Разность уровней воды в начале и конце одного участка называется падением воды на этом участке.
      Перемещаясь («падая») под действием собственного веса с одного места земли, имеющего более высокий уровень воды, в другое, где ее уровень ниже, вода приобретает определенный запас кинетической энергии. Величина этой энергии тем больше, чем больше падение уровня воды на этом участке и чем большее количество воды перемещается на участке в единицу времени. На равнинных реках уклон дна весьма незначителен1 и течение медленное, поэтому использование движущегося потока как источника энергии на равнинной реке в его естественном состоянии весьма затруднено — падение реки оказывается рассредоточенным на очень большой длине.
      В целях рационального и полного использования энергии, развиваемой текущей водой для получения электрической! энергии, нужно строить плотины, позволяющие сосредоточить энергию потока того или иного участка реки в одном месте, искусственно создать в этом месте напор, падение воды в реке.
      Напор воды, создаваемый! плотиной!, таким образом, обеспечивает одно из необходимых условий для работы электростанций.
      Повышая уровень воды в верхнем бьефе плотины, кроме того, улучшают естественные условия судоходства: исчезают мелкие порожистые места, скорость течения реки уменьшается, зеркало реки увеличивается.
      Однако назначение плотин состоит не только в том, чтобы создать напор воды или улучшить условия судоходства.
      Сток реки в течение года подвержен сильным колебаниям.
      В период весеннего половодья и сильных ливней реки несут огромные массы воды, а летом и зимой, в периоды наименьшего стока, количество воды в реках намного уменьшается2.
      Если в период половодья значительная часть воды протекает бесполезно и не может быть использована, например, для приведения в движение турбин, то после паводка расход воды в реке может стать недостаточным для тою, чтобы обеспечить бесперебойную работу гидроэлектростанции. Следовательно, для равномерной работы ГЭС необходимо регулировать сток реки так, чтобы турбины станции всегда могли получать нужное им количество воды. сЬю можно осуществить путем создания искусственных водоемов перед плотиной (водохранилищ), имеющих достаточную по расчету емкость. На Волге, например, уже созданы огромные водохранилища; одно из них — Щербаковское (Рыбинское море) — имеет емкость более 25 куб. км. Еще большей емкостью будут обладать водохранилища Куйбышевской и Сталинградской гидроэлектростанций.
      Так, например, длина водохранилища Куйбышевской! гидроэлектростанции достигнет 500 км, а ширина местами дойдет до 40 км. Общая площадь нового искусственного моря составит более 5000 кв. км: это почти в два раза больше площади такой страны,
      1 Например, уклон Волги на участке от Куйбышева до Сталинграда 0,00004. Это значит, что на каждый километр длины этого участка падение реки составляет в среднем 4 см.
      2 Расходы воды Волги у Куйбышева в половодье могут превышать расходы реки летом более чем в 100 раз. Подсчеты показывают, что за короткий срок весеннего паводка (за 1,5 месяца) по этой реке примерно проходит 50 — 60%, а за всю зиму — 13% всего годового се стока.
      как Люксембург. В «Куйбышевском море» будет собрано около 42 млрд. куб. м воды. Сталинградское и Куйбышевское водохранилища будут самыми крупными в мире искусственными водоемами.
      Вовремя половодья чаша водохранилища заполняется до максимального уровня. Это позволяет использовать запасенную в нем воду по мере необходимости.
      Таким образом, плотины, создавая водохранилища, позволяют искусственно регулировать сток, расходы воды реки и тем самым обеспечивают равномерную, бесперебойную работу гидроэлектростанции в течение круглого года1.
      Плотина мощной гидростанции состоит обычно из двух частей — бетонной (водосливной) и земляной (глухой). Так как плотина преграждает fie только русло, но и пойму, т. е. всю длину реки, то общая длина водоудерживающих сооружений на больших равнинных реках достигает при широкой пойме нескольких километров. Так, например, общая длина бетонной и земляной плотимы Цимлянского гидроузла составляет более 13 км.
      Водосливная часть плотины, как показывает само название, служит для пропуска воды (льда) из верхнего бьефа реки в нижний (разрез плотины показан на рис. 125). Со стороны верхнего бьефа плотина имеет вертикальную грань, а со стороны нижнего бьефа — изогнутую, криволинейную, соответствующую форме ниспадающего потока воды. Такая криволинейная форма придается низовой грани плотины для того, чтобы поток воды плавно переливался через плотину и не отрывался от ее поверхности. В противном случае между потоком и поверхностью плотины образуется пустота (вакуум); в этом месте от бетонного массива начнут отрываться мелкие кусочки бетона, и плотина будет подвергаться постепенно разрушению.
      Верхняя часть плотины — гребень — оборудуется водосбросными устройствами — металлическими щитами (затворами). Опуская и поднимая щиты, можно регулировать расход пропускаемой через плотину воды, поддерживая в верхнем бьефе необходимый ее уровень. Водосливная часть (водослив) Днепровской плотины разделена на 47 равных водосливных пролетов при помощи 48 быков, возвышающихся над массивом плотины. Каждый из этих пролетов, образуемый двумя соседними быками, перекрывается плоским массивным щитом высотой 9,7 м и шириной 13,6 м. Быки дают опору щитам: при подъеме и опускании щит своим правым и левым краем скользит в особых вертикальных пазах, сделанных в теле быков.
      1 В качестве примера, иллюстрирующего роль водохранилища в регулировании стока реки, можно указать на изменение водного режима Волги, связанного с созданием Рыбинского моря, [.ели весенний подъем Волги у г. Ярославля достигал до постройки водохранилища 8 — 10 м. то теперь этот подъем не превышает 2 — 3 м. Зато летние уровни в настоящее время на 1,5 — 2 м выше, чем это было до регулирования Благодаря такому изменению режима реки обеспечивается высокая и в значительной степени равномерная отдача электроэнергии на Щербаковской ГЭС, а также улучшаются условия судоходства на Волге.
      Закрытые щиты воспринимают давление воды со стороны водохранилища и передают его быкам. Чтобы щиты-затворы легче было поднимать и опускать, их опорные части оборудуются тележками с колесами, которые при перемещениях щита катятся по уложенным в пазах рельсам.
      Рис. 125. Схема водосливном бетонной плотины:
      I — верхний бьеф (водохранилище); 2 — нижний бьеф; 3 — тело плотины («порл»); 4 — плоские циты-энтиоры (закрыты); 5 — быки;
      С — понур; 7 — водобой; 8 — рисберма; 0 — шпунтовая стенка; 10 — бетонный зуб; 11 — мосты: 12 — передвижной кран; 13 — земляная
      глухая плотина; 14 — берег; 15 — щит-затвор (открыт), вода переливается через гребень плотины, в кругу — схема конструкции плоского затвора; 10 — паз в быке; 17 — тяга, с помощью которой поднимается эаюор.
      По верху быков прокладывается специальный («служебный») мост. Рельсовый путь, проходящий по этому мосту, служит для перемещения мощных подъемных крапов, с помощью которых поднимаются и опускаются щиты. Передвижные подъемные краны могут открывать по мере надобности один, несколько, либо все щиты (что требуется, например, во время пропуска весеннего паводка). Большую часть года (лето, осень п зиму) щиты-затворы опущены, и вода из верхнего бьефа реки в нижний поступает через работающие турбины.
      Протяженность водосливной части плотины зависит от величины паводкового расхода воды и геологических условий того места, в котором возводится плотина. Водослив плотины, например, Волховской ГЭС — 213 м, Цимлянской ГЭС — 495,5 м, Днепровской ГЭС — 611 м, а водослив Куйбышевской ГЭС будет иметь в длину более 1000 м. Через плотину Куйбышевской гидроэлектростанции в многоводные годы во время весенних паводков будет сбрасываться в нижний бьеф до 70 тыс. куб. м воды в одну секунду!
      Чтобы выдержать огромное давление со стороны подпертой воды, плотина гидростанции должна быть достаточно устойчивой, прочной, поэтому ее делают массивной, тяжелой, с широким основанием. Такая тяжелая плотина благодаря большому трению между основанием и грунтом дна реки хорошо сопротивляется усилиям воды сдвинуть тело плотины с места, опрокинуть ее.
      Поднятая перед плотиной вода стремится найти пути, по которым она может просочиться из верхнего бьефа в нижний. Так как грунт, на котором располагается плотина, обычно водопроницаем, то под плотиной возникает медленное движение воды вниз по течению. Движение воды из водохранилища в нижний бьеф реки через поры и трещины грунта, лежащего под основанием плотины, называется фильтрацией, а движущийся при этом поток воды — ф и л ь-трационным. Если не предпринять соответствующих мер, то фильтрационный поток может вызвать вынос мелких частиц грунта из-под плотины, в результате чего ее устойчивость уменьшится, и с течением времени плотина может осесть.
      Советские ученые и инженеры, гидротехники и строители успешно решили важную задачу борьбы с опасными действиями фильтрации воды, разработали надежные меры защиты оснований плотин от этих действий.
      К числу мер, предпринимаемых в целях борьбы с фильтрацией воды через основание плотины, относится устройство понура. Пону р — это непроницаемое для воды железобетонное1 покрытие, создаваемое на дне реки перед плотиной и значительно уменьшающее возможность просачивания воды под плотину2.
      Борьба с фильтрацией ведется и путем создания в грунте перед плотиной водонепроницаемой металлической завесы.
      Эта завеса состоит из вбитых в дно реки плоских ш п у н т и н — длинных и широких балок из нержавеющей в воде стали
      Вдоль каждого ребра шпунтин сверху донизу тянется особый паз, называемый замком. Он устроен таким образом, что при погру-
      * Бетоном называется строительный материал, представляющий собой искусственный камень. Он получается в результате затвердевания смеси вяжущего вещества — цемента, смешенного с песком, мелким камнем — щебнем, и водой. Бетон, в котором заложены железные стержни (арматура), получает повышенную прочность и называется железобетоном.
      * Понур, скрепленный с плотиной, служит также и для увеличения устойчивости плотины. Благодаря собственному весу и прижатию понура слоем воды, лежащим над ним, к грунту возникает трение между понуром и грунтом, что увеличивает сопротивление всей плотины сдвигу.
      жении шпунтин в грунт выступ одной шпунтины входит в соответствующее углубление другой шпунтины, так что их ряд образует сплошной металлический заслон (рис. 126).
      Такая шпунтовая стенка, состоящая из большого числа шпунтин, погруженных в грунт на глубину до 20 м, а иногда и более, преграждает путь фильтрационным потокам. Наконец, с той же целью — борьбы с фильтрацией — устраивают зуб — бетонную завесу, опускаемую в грунт перед плотиной.
      Существуют и другие меры борьбы с фильтрационными потоками. Интересно, что фильтрация (хотя и незначительная) идет и через само тело плотины. Из галерей вода отводится в нижний бьеф.
      Речной поток, переливающийся с очень большой скоростью через гребень плотины, обладает огромной энергией. Эту энергию необходимо «погасить», ибо вода, низвергаясь со значительной высоты, может размыть, разрушить дно реки. Чтобы погасить эту энергию, на дне реки, в нижнем бьефе, строится так называемый водобой.
      Водобой представляет собой сплошную массивную бетонную плиту и является продолжением тела водосливной плотины. Толщина этой бетонной плиты на крупных гидроэлектростанциях достигает нескольких метров2. В водобое часто устраиваются специальные бетонные выступы (гасители). Стремительные струи потока, встречая на пути эти гасители и ударяясь о них, теряют свою энергию, уменьшают скорость до 3—6 м в секунду. Однако поток, двигающийся и с такой скоростью, все еще обладает заметным размывающим действием: энергия потока после его падения не может быть целиком погашена в водобое, поэтому за водобоем дно реки также укрепляется или бетонными плитами (но уже менее толстыми), или каменными набросками3. На этом, втором, участке крепления русла реки, называемом рисбермой, движение воды становится все более и более спокойным. Длина рисбермы рассчитывается так, чтобы, пройдя ее, поток воды приобрел ту скорость, которую имела река до постройки плотины, и, следовательно, не размывал русла.
      При постройке бетонной плотины гашению энергии в нижнем бьефе придается очень серьезное значение, особенно если плотина возводится на песчаном грунте. На сооружение водобоя и рисбермы идет порой почти столько же бетона, сколько и на самую плотину: длина водобоя и рисбермы достигает иногда значительной величины (до 150 — 200 м и более). Длина, например, одной лишь рисбермы Цимлянской плотины — 180м. Естественно, что в прочных, скалистых грунтах донные крепления реки делаются более короткими.
      Второй частью плотины мощной ГЭС служит земляная плотина. Она обычно является глухой, т. е. без перелива через ее гребень воды. Для этого земляная плотина делается на несколько метров выше того максимального уровня воды, на который рассчитывается водохранилище. Длина современных земляных плотин на равнинных реках во много раз больше длины бетонных водосливных плотин. на Цимлянском гидроузле, например, длина земляной плотины составляет 12,75 км. Понятно, что земляная плотина, выдерживающая напор воды на очень большом фронте, также должна быть тяжелой, массивной, поэтому в нее укладывают десятки миллионов кубических метров земли. В плотину Цимлянской ГЭС было уложено, например, 28 млн. кубометров грунта. Неоценимым способом строительства подобных огромных плотин является гидромеханизация. Эгот способ возведения плотин широко применяется на гидротехнических стройках страны и позволяет быстро и высококачественно сооружать («намывать») такие грандиозные земляные плотины, как уже упоминавшаяся плотина Цимлянского гидроузла. Плотины, намытые водой, являются самыми прочными, плотными, а также и самыми дешевыми из всех земляных плотин.
      В поперечном сечении насыпь земляной плотины имеет форму трапеции. 11о ее верхней части — гребню — прокладывают автомобильную и железную дороги. Для этого ширина гребня земляной плотины делается достаточно большой. Еще большей ширины делается «подошва», основание плотины. Гак, ширина основания земляной плотины Цимлянской ГЭч достигает 350 м.
      Естественно, что н при постройке земляных плотин приходится предпринимать соответствующие меры борьбы с фильтрационными потоками. Как и при сооружении бетонных водосливных плотин, и основание земляной плотины забивается шпунт, устраивается зуб Кроме топ), для борьбы с фильтрацией в теле плотины по всей ее длине иногда укладывают особую водонепроницаемую перегородку (из бетона, железобетона и др.).
      Таково н кратких словах назначение и устройство плотин на гидроузлах.
      Как же использует гидроэлектростанция поднятую плотиной воду?
      Из курса начальной физики известно, что любое поднятое тело обладает энергией и что при падении оно может совершить работу. Собранная перед плотиной вода также обладает запасом энергии, которую можно использовать, направив поток падающей воды на лопасти колеса турбины. Чем больше будет падать воды, чем с большей высоты она будет падать, тем большую работу сможет произвести падающий поток за 1 сек., тем большая мощность будет развиваться турбинами гидростанции. Расчеты показывают, что приближенно мощность ГЭС(Л) можно подсчитать но формуле.
      (…)
     
      ВОДЯНАЯ ТУРБИНА
     
      I. Создание водяной турбины
      Уже в XVIII веке стало ясно, что древнейший двигатель, имеющий тысячелетнюю историю, — водяное колесо, оказался явно непригодным для растущей и развивающейся промышленности.
      Для обслуживания рудников, металлургических и оружейных заводов приходилось строить сложные гидротехнические сооружения с тяжелыми громоздкими тихоходными колесами. Дальнейшие усовершенствования этого двигателя вряд ли могли решить задачу. Нужны были принципиально новые идеи, новый подход к созданию двигателя, новые машины.
      По мере того как изучение гидромеханики раскрывало законы движения жидкости и давало возможность понять и научно объяснить основы действия водяных машин, начались поиски нового принципа, новой конструктивной формы водяных двигателей.
      В 1750 году венгерским ученым Сегнером был изобретен прибор, действующий силой реакции струи. Эгот простой прибор представлял собой сосуд, снабженный внизу трубками для вытекания жидкости.
      Если сосуд не имеет отверстий, через которые могла бы вытекать жидкость, то давление в сосуде зависит только от высоты уровня жидкости в нем, и сосуд с жидкостью находится в равновесии. Но если сосуд снабдить отверстием в стенке, то равновесие нарушится. Струя, вытекая из отверстия, как бы отталкивается от стенки, противоположной отверстию, а так как согласно известному закону механики действие вызывает равное противодействие, то возникает так называемая реактивная сила, толкающая сосуд в сторону, противоположную отверстию. Таким образом, если сосуд не будет закреплен, то он обязательно начнет двигаться в сторону, противоположную вытекающей струе.
      По идее Сегнера, в сосуд непрерывно подавалась вода, которая затем, вытекая через симметрично расположенные изогнутые трубки, приводила сосуд во вращение.
      Принципиально новым здесь было то, что движение возникало не от удара струи о лопатку, как это до сих пор было во всех типах водяных колес, а вследствие реакции струи.
      Прибором Сегнера очень заинтересовался Эйлер. В том же году он написал исследование «О действии машины гидравлической, предложенной Сегнером», годом позже, в 1751 году, появилось новое его исследование «Применение машины г. Сегнера», а в 1754 году — «Теория, более полная, машин, приводимых в движение действием воды», где дано глубокое теоретическое истолкование принципа действия колеса Сегнера, сохранившегося и до нашего времени в физике как демонстрационный прибор, показывающий явление реакции струи.
      Исследования Эйлера по реактивному действию вытекающей струи жидкости положили основание теории гидротурбин и имеют большое значение для теории реактивного движения.
      Впоследствии в эту область науки ценнейший вклад внес знаменитый русский ученый Константин Эдуардович Циолковский. Его идеи были развиты советскими учеными, обогатившими теорию и практику реактивного движения выдающимися трудами.
     
      2. Устройство современных водяных турбин
      В водяных колесах вода действует или своим весом, или ударом струи о лопатку колеса. Ударное действие струи используется также и в активных, или свободностоуйных ковшевых турбинах. Действие же так называемых реактивных турбин основано на принципе, предложенном Сегнером и развитом Эйлером в стройную теорию. Эга теория легла в основу всех дальнейших конструктивных усовершенствований турбин, использующих реактивное действие потока воды, протекающей по каналам между лопатками рабочего колеса турбины.
      В основе классификации водяных турбин лежит деление их по способу, которым вода действует на лопатки турбины.
      Активные ковшевые турбины (рис. 127) применяются на гидростанциях с высокими напорами — порядка 200 м и выше — и малыми расходами воды, пропускаемыми через турбину (не свыше 12—15 м3/сек).
      Рабочее колесо ковшевой турбины снабжено ковшами, равномерно распределенными по окружности колеса и поочередно воспринимающими действие ударяющей струи.
      Число ковшей выбирается таким образом, чтобы струя, попадающая на колесо, использовалась непрерывно. Для этого ковши должны быть размещены таким образом, чтобы, когда один ковш начинает выходить из зоны действия струи, другой уже подходил на его место. С этой же целью ковши снабжены на концах специальными вырезами, дающими путь струе.
      Как же создается направленная струя и как она подводится к колесу?
      Рабочее колесо
      Рис. 127. Схема активной (ковшевой) турбины
      На трубопроводе, подводящем воду к турбине, устанавливается сходящийся конический насадок, так называемое сопло, играющий роль направляющего аппарата. Размеры сопла выбираются такими, чтобы они были достаточны для пропуска заданного расхода. Сила, с которой струя действует на колесо, зависит от ее скорости. Чем больше расход и скорость воды в струе, тем сильнее
      будет струя ударять о находящееся на ее пути тело. Скорость же, которая может быть получена на выходе из сопла, зависит от напора, под которым происходит истечение из сопла. Чем выше напор, тем соответственно выше скорость. Следовательно, для высоких напоров целесообразно применять свободноструйные турбины.
      На высоконапорных станциях, использующих энергию горных рек, расходы, пропускаемые через турбину, обычно невелики.
      Но даже при небольших расходах приходится иногда выполнять турбину с двумя соплами, для того чтобы не увеличивать чрезмерно диаметры трубопроводов и сопел, а также зависящие от них и определяемые диаметром струи размеры колеса и ковшей.
      Ковши активной турбины снабжаются в середине заостренным ребром (так называемый нож), разделяющим ковш на две части эллиптической формы (рис. 128).
      Чем же определяется форма ковшей, почему нельзя сделать лопатки колеса плоскими? Оказывается, если поставить на рабочее колесо турбины лопатки в виде плоских пластинок, то колесо будет иметь коэффициент полезного действия меньше 50%, так как струя, ударяя о лопатки, будет сразу стекать с них, не успевая отдать свою энергию. Значит, дело совсем не в том, чтобы просто ударить струей о лопатку и толкнуть ее, заставив вращаться колесо, как это может показаться с первого взгляда, а в том, чтобы правильно подвести и отвести струю от лопатки, чтобы струя отдала колесу турбины всю свою энергию.
      Для этого и устраивается нож, служащий направляющим ребром, который делит струю на две части, симметрично расходящиеся по ковшу.
      Ковшу придается такая форма, при которой струя уходит с ковша почти параллельно направлению входа так, чтобы частицы, действуя на ковш, совершили максимальную работу. При этом нужно обеспечить, чтобы уходящая струя не ударяла в тыльную сторону соседнего ковша.
      Очевидно, режимы, на которых работает турбина, могут меняться, а значит, может потребоваться изменение расхода воды, поступающей на рабочее колесо турбины.
      Для изменения расхода воды, поступающей на колесо, сопло турбины снабжено иглой, которая может вдвигаться и выдвигаться внутри сопла, тем самым увеличивая или уменьшая его выходное отверстие.
      В средних и крупных ковшевых турбинах устанавливается специальный отклонитель струи, который в том случае, если доступ воды к турбине должен быть быстро прекращен (например, при аварии), резко отклоняет струю от ее рабочего направления и дает возможность после этого постепенно закрыть сечение сопла при помощи иглы.
      Если бы доступ воды и турбине приходилось прекращать, быстро выдвигая иглу, это приводило бы к явлению гидравлического удара (о котором будет сказано ниже) и вредно отражалось бы на работе турбины и подводящих трубопроводов.
      Ковшевая турбина заключается обычно в литой чугунный кожух, из которого через шахту турбины вода попадает непосредственно в канал, отводящий воду в нижний бьеф.
      Ковшевые турбины выполняются с вертикальным и с горизонтальным расположением вала рабочего колеса.
      В широком диапазоне напоров, от 25 до 350 м, применяются реактивные радиально-осевые турбины (рис. 129 — 130). Это наиболее распространенный вид турбин. Такими турбинами оборудовано большинство гидростанций как в Советском Союзе, так и во всем мире. Наибольший напор, на который установлена радпальноосевая турбина, составляет 330 м.
      Одними из крупнейших в мире являются радиально-осевые турбины для Днепровской ГЭС; они имеют диаметр 5,45 м и развивают мощность 75 тыс. кет (102 тыс. л. с.) при расчетном напоре 36,3 м. Эти турбины пропускают максимальный для турбин этого типа расход, равный 240 м:/сек. Паивысший коэффициент полезного действия радиально-осевых турбин крупных размеров равен 94,4%.
      В прежних конструкциях турбин вода подавалась в турбину в центре и протекала через лопатки рабочего колеса от центра к периферии (центробежное движение). По оказывается, что движение от периферии к центру (центростремительноедвижение) выгоднее и дает возможность уменьшить размеры турбины и получить более высокий коэффициент полезного действия. Поэтому в современных реактивных турбинах вода подается в радиальном направлении и, пройдя через направляющий аппарат, меняет постепенно в рабочем колесе свое направление и уходит из него уже в осевом направлении. Отсюда и название: радиально-осевая турбина.
      Рабочее колесо радиально-осевой турбины выполняется в виде стальной отливки, состоящей из рабочих лопаток числом 12—14 и более, соединенных между собой верхним и нижним ободами.
      Иногда при больших размерах турбины колесо выполняется не цельным, а разъемным.
      Мы уже знаем, что для подвода воды к турбине с нужной скоростью и в нужном направлении, т. е. для обеспечения безударного входа на рабочее колесо, служит направляющий аппарат. Лопатки направляющего аппарата радиально-осевой турбины имеют обтекаемый профиль и своими цапфами входят в верхнее и нижнее кольца направляющего аппарата. Направляющий аппарат выполняет одновременно и задачу регулирующего органа турбины. Для этой цели имеется специальное регулирующее кольцо, соединенное как с регулятором турбины, так и с цапфами направляющих лопаток и поворачивающее одновременно все лопатки направляющего аппарата. Лопатки могут быть поставлены в любое положение — от полного открытия до полного закрытия направляющего аппарата, что позволяет регулировать расход воды, протекающей через турбину, от максимального значения до нуля.
      Для подвода воды к рабочему колесу и направляющему аппарату служит спиральная камера. Камера эта имеет в плане спиральную форму, т. е. сечения постепенно уменьшаются от входа к концу. Почему камере, подводящей воду к турбине, придается такая форма? Очевидно, для нормальной работы турбины необходимо при подводе воды обеспечить по возможности полную равномерность питания, т. е. подводить воду во всех точках по окружности колеса с одинаковыми скоростями по величине и направлению. Для того чтобы выполнить это условие, как показывает расчет, нужно придать подводящей камере спиральную форму.
      Спиральная камера может быть выполнена из листового железа путем сварки или клепки либо отлита из чугуна или стали. Низконапорные турбины обычно устанавливаются в бетонных спиральных камерах.
      Помимо правильного подвода воды к рабочему колесу, нужно обеспечить также правильный ее отвод. Для этой цели все реактивные турбины снабжаются всасывающей трубой, которую правильнее было бы назвать отводящей, или отсасывающей, так как она предназначается для того, чтобы отвести от турбины воду с минимальными потерями.
      Всасывающая труба позволяет устанавливать турбину выше уровня воды в отводящем канале без потери напора от рабочего колеса до нижнего бьефа.
      В области сравнительно малых напоров — до 35 м — применяются реактивные поворотно-лопастные и жестколопастные (пропеллерные) турбины. При малых напорах они могут пропускать через рабочее колесо огромные расходы воды, достигающие 500 мя/сек и больше, развивая за счет этого очень большую мощность.
      В последние годы наблюдается тенденция к повышению предельных напоров, на которые строятся поворотно-лопастные турбины, и сейчас предельным является напор, равный 36 м.
      Поворотно-лопастные турбины предельной мощности, достигнутой до сих пор для турбин этого типа, построены в Советском Союзе. Их мощность достигает 65 000 кет (88 400 л. с.). Диаметр рабочего колеса этих турбин равен 9 м.
      Поворотно-лопастные и жестко-лопастные турбины по существу отличаются от радиально-осевых турбин только конструкцией рабочего колеса (рис. 131).
      В поворотно-лопастных и жестко-лопастных турбинах вода поступает сначала в радиальном направлении в направляющий аппарат турбины, а оттуда, попадая в безлопаточное пространство между направляющим аппаратом и рабочим колесом, меняет в нем свое направление на осевое и уже в осевом направлении проходит через рабочее колесо во всасывающую трубу.
      Рабочее колесо жестко-лопастной турбины состоит из втулки и неподвижно закрепленных в ней четырех-шести профилированных лопастей, напоминая по своей конструкции гребной винт.
      Каждая из лопастей колеса жестко-лопастной или поворотнолопастной турбины представляет собой как бы крыло, а если мысленно разрезать колесо цилиндрическим сечением и развернуть его на плоскость, то мы получим решетку крыльев, каждое из которых, как нам известно, создает некоторую подьемную силу. Благодаря малому числу лопастей, что позволяет пропускать через колесо большие расходы воды, при правильном выборе их профиля легко удается получить значительно большие мощности в турбинах эгого типа по сравнению с мощностью, которую могут развить при тех же условиях радиально-осевые турбины.
      Поворотно-лопастные турбины отличаются от жестко-лопастных, как это ясно из самого названия, тем, что лопасти рабочего колеса выполняются поворотными.
      В чем же смысл и преимущества такой конструкции?
      Дело в том, что направляющий аппарат создает скорость, обеспечивающую безударный вход из лопасти рабочего колеса только втом случае, когда он установлен в положении, соответствующем расчетному режиму.
      Если мы будем менять открытие направляющего аппарата, т. е. работать на режимах, отличных от расчетного, то безударный вход не будет обеспечен, при входе на колесо будут иметь место потери мощности на удар, и к.п.д. турбины понизится.
      Маслонапорная установка и колонка управления
      Рис. 131 Разрез по агрегату с поворотно-лопастной турбиной
      Если же мы имеем возможность менять положение рабочих лопастей таким образом, чтобы в широком диапазоне изменения открытий направляющего аппарата условия входа воды на лопасти рабочего колеса оставались нанвыгоднейшнмн, то, очевидно, мы сможем при работе турбины на режимах, значительно отличающихся от расчетного, также работать с достаточно высоким коэффициентом полезного действия.
      Поворот лопастей рабочего колеса производится с помощью механизма с рычагами, помещенного во втулке рабочего колеса и приводимого в действие регулятором турбины.
      Регулятор поворотно-лопастной турбины осуществляет одновременный поворот лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса.
      В тех случаях, когда напоры на гидростанции меняются в небольших пределах и турбина должна работать на режимах, близких к расчетному, устанавливают жестко-лопастные турбины, более простые по конструкции и более дешевые. Однако область применения этих турбин весьма ограничена.
     
      ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
      Запасы энергии ветра на земном шаре в 3 — 4 раза превосходят мощность имеющихся тепловых электростанций и более чем в 2 раза — запасы гидроэнергии. Потенциальная мощность рек составляет в среднем 3 — 5 л. с. на 1 кв. км поверхности земли. Потенциальная ветровая мощность на территории нашей страны — около 33 л. с. на 1 кв. км.
      Если дореволюционная Россия располагала 250 тыс. ветродвигателей в виде крестьянских ветряных мельниц общей мощностью около 1 млн. л. с., то в настоящее время сельское хозяйство и некоторые отрасли промышленности нуждаются в ветровых двигателях общей мощностью около 20 млн. кет и более с выработкой электроэнергии до 20 млрд. квт-ч.
      Направление и сила ветров. Воздушные течения, или ветры, возникают от неравномерного нагрева солнечными лучами земной поверхности.
      Днем суша нагревается сильнее, чем море. Нагретый воздух поднимается вверх, и с моря появляется течение более холодного воздуха. Вечером суша охлаждается быстрее, чем море. Вследствие этого воздух над морем поднимается вверх, а с суши возникает течение более холодного воздуха. Такие ветры называются бризами. На рисунке 132 показана схема воздушных течений у берега моря днем.
      Существует несколько поясов, характеризующихся силой и направлением ветров.
      1. Зона экватора. Нагретый воздух поднимается вверх и направляется к полюсам. Это зона покоя, где нет ветров.
      2. Зоны северного и южного тропических поясов. Воздух тропических поясов направляется к экватору и создает ветры, называемые пассатами. Пассаты отличаются постоянством направления и силы.
      3. Средние широты и полярные зоны. Это зоны переменных по направлению и силе ветров, так как рельеф местности, местные температуры и другие факторы нарушают и искажают стройные течения воздушных масс, наблюдаемые у тропических поясов.
      Если на географическую карту любой страны нанести среднегодовые значения силы ветра (изовенты), то мы заметим, что эти линии дают замкнутые или разорванные контуры, напоминающие линии горизонталей на топографической карте.
      По изовентам (линиям равных сил ветров) по среднегодовым наблюдениям можно определить возможные ветровые мощности в различных районах страны.
      Рис. 132. Схема воздушного течения у берега моря днем (бриз)
      В средних широтах Советского Союза на высоте 200 — 500 м скорость ветра обычно не превышает 8 — 9 м/сек. Над Японией в зимние месяцы на высоте 5000 м скорость ветра достигает 75 м/сек.
      На западном и южном побережье Англии среднегодовая скорость ветра составляет 8 м/сек, а в центральной части островов — около 5 м/сек.
      Сколько же часов в году ветродвигатель может работать с полной мощностью? Это зависит от выбранной расчетной скорости ветра и среднегодовой скорости ветра для данной местности. Например, при расчетной скорости ветра 20 м/сек ветродвигатель может работать с полной мощностью в северных широтах от 3000 до 4500 часов в год.
      Расчеты показывают, что современный ветродвигатель может вырабатывать электроэнергию с достаточно низкой себестоимостью уже в том случае, если он будет работать с полной нагрузкой около 2500 час в год.
     
      Типы конструкций ветродвигателя
      Ветряные мельницы являются представителями крыльчатых ветродвигателей. Ось вращения у этих двигателей горизонтальная; вращение колеса происходит в вертикальной плоскости. Мельница на одной вертикальной опоре называется козловой. Для установки ветряного колеса по направлению ветра приходится поворачивать весь ветряк, что требует большого усилия. Шатровая мельница является с этой точки зрения более удобной. Для установки ее ветряного колеса по ветру приходится поворачивать только верхнюю часть мельницы — шатер. Второй распространенный тип ветряного двигателя — карусельный. Ось вращения колеса этого двигателя вертикальная, одно из ребер колеса параллельно оси вращения. Применяются также барабанные ветряные двигатели, принцип действия которых аналогичен принципу действия водяного колеса.
      На рисунке 133 изображен карусельный ветродвигатель, используемый для привода водяного насоса. Ротор этого двигателя состоит из двух полых полуцилиндров, расположенных эксцентрично. Коэффициент использования энергии ветра в таком двигателе 24% против 15% в крыльчатых двигателях ветряных мельниц.
      Современные ветродвигатели устанавливаются по ветру автоматически. Существует несколько систем автоматической установки колеса по ветру.
      На рисунке 134 изображен современный крыльчатый ветродвигатель с автоматической установкой колеса с помощью вспомогательного многолопастного ветряка 5. Ветряк 5 неподвижен, пока находится в плоскости, перпендикулярной к направлению ветра и совпадающей в этот момент с плоскостью вращения главного ветряного колеса. Как только направление ветра изменяется, ветряк 5 начинает вращаться и приводит в движение каток хвостовой тележки 6, перемещающейся по кольцевому рельсовому пути. Вращение ветряка 5 и движение тележки 6 прекращаются в тот момент, когда главное ветряное колесо снова установится по направлению ветра.
      Ветряное колесо состоит из нескольких лопастей 2, сидящих на трубчатых махах.
      Вращение ветряного колеса передается через коническую передачу 7 на вертикальный вал 8\ с помощью лебедки 9 вращение вертикального вала передается рабочей машине.
      Рис. 133. Карусельный ветряной двигатель для привода водяного колеса
      На лопастях 2 с помощью стоек 3 закреплены рули-стабилизаторы 4. Поворотом стабилизаторов производится регулирование оборотов и мощности двигателя. Действие этого регулятора напоминает действие центробежных регуляторов паровых двигателей или двигателей внутреннего сгорания.
      При увеличении силы ветра число оборотов ветрового колеса возрастает. За счет увеличения центробежной силы инерции помещенные в лопастях грузы регулятора расходятся, вызывая поворот стабилизатора. При повороте стабилизатора лопасть частично выводится из-под ветра давлением встречного воздушного потока, что уменьшает мощность и обороты двигателя, т. е. приводит в равновесие мощность колеса и нагрузку рабочей машины.
      Коэффициент использования энергии ветра в современных быстроходных ветродвигателях достигает 35% при теоретически возможном — 59%.
      Ветродвигатель ЦАГИ (рис. 135), установленный в Крыму, при диаметре ветрового колеса 30 м развивал мощность от 22 до 177 л. с. при скорости ветра от 5 до 10 м/сек. Электрогенератор этого ветродвигателя размещен в закрытой гондоле.
      Недостаток быстроходных ветряных двигателей — трудность пуска. Даже при отключенной нагрузке очень быстроходные ветродвигатели не могут преодолеть потерь холостого хода в механизмах и набрать обороты.
      Подшипники скольжения заменяются в настоящее время подшипниками качения (шариковыми и роликовыми), что в 10 раз уменьшает потери от трения, но все же при большом весе ротора двигателя трудно добиться, чтобы ветродвигатель приходил во вращение при скоростях ветра менее 3 — 3,5 м/сек.
      Одним из самых сложных узлов конструкции ветродвигателя является редуктор. Для двигателя мощностью 1000 кет с диаметром ротора 50 м диаметр главной шестерни редуктора достигает 3 м при ширине 750 мм. Для двигателя мощностью 4000 кет при 15 — 18 об/мин с диаметром ротора 80 м осуществление редуктора было связано с большими техническими трудностями.
      Одной из основных трудностей при осуществлении ветроэлектрических установок является неравномерность хода ветродвигателя. В лучших двигателях она составляет 1,5 — 2,5%.
      По мере накопления опыта производства и эксплуатации ветродвигателей удастся, несомненно, преодолеть указанные трудности конструирования этих двигателей, и они займут должное место в энергетическом хозяйстве Советского Союза.
      Говоря о будущем ветродвигателей, необходимо рассмотреть еще одну проблему — аккумулирование энергии ветра.
      Ветроэлектрическая установка проектируется на определенную среднегодовую скорость ветра. Если скорость ветра превышает расчетную, то получается избыток электрической мощности.
      Если бы все электрические станции работали на общее кольцо электропередачи, то в системе могла бы поддерживаться какая-то средняя мощность, поскольку в различных географических пунктах скорость ветра меняется неодинаково.
      С другой стороны, недостаток мощности ветровых станций мог бы покрываться гидростанциями или тепловыми станциями. Но ветроэлектрические станции малой и средней мощности будут, по-видимому, большей частью работать автономно.
      Как же в таком случае регулировать мощность ветроустановки в течение суток и посезонно?
      Для автономных ветроэлектрических станций приходится прибегать к аккумулированию энергии. Самой простой схемой аккумулирования была бы схема с электроаккумуляторами, однако их высокая стоимость и громоздкость не позволяют осуществить такую схему для больших мощностей.
      Технически более совершенной схемой является комбинирование ветроэлектрических установок с гидроэлектрическими или гидроаккумулирование ветровой энергии. При избытке мощности ветродвигателя часть вырабатываемой электроэнергии расходуется на работу насосов, подающих воду в водохранилище гидроэлектростанции. При отсутствии ветра или его малой скорости электроснабжение осуществляется гидроэлектростанцией.
      Рис. 136. Схема ветряного двигателя с аэродинамической передачей
     
      ВОЗДУХ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ
      Ежедневный опыт убеждает нас в том, что воздух оказывает ощутительное сопротивление продвижению в нем тел. Мы знаем также из повседневной практики, что это сопротивление возникает и в том случае, когда тело неподвижно, а воздух набегает на него. Наблюдения показывают, что воздействие движущегося воздуха на тело зависит от скорости движения воздуха. Так, легкий ветер лишь колышет ветви деревьев, а сильный ветер пригибает деревья к земле, ломает их или вырывает с корнем.
      Силы, возникающие при набегании воздушного потока на тело или при продвижении тел в воздухе, называются аэродинамическими силами. На использовании этих сил и основан полет летательных машин, тяжелее воздуха.
     
      Связь между скоростью струи и давлением в ней
      Скорость струи воздуха и давление в ней связаны определенным взаимоотношением.
      (…)
      Таким образом, как показывает опыт, при течении жидкости (а также и воздуха), кроме статического давления, характеризуемого высотой уровней в мерных трубках а, и а2, возникает дополнительное скоростное давление, характеризуемое разницами уровней к1 и Л2. Это дополнительное давление испытывают тела, находящиеся в потоке жидкости или воздуха и оказывающие ему сопротивление. В то же время в любом сечении струи жидкости или воздуха полное давление, представляющее собой сумму статического давления и скоростного давления, есть величина постоянная.
      Описанное выше соотношение между скоростью струи и давлением в ней впервые сформулировал известный ученый Д. Бернулли (1700 — 1782 гг.), член Петербургской академии наук. Установленная им связь между скоростью и давлением, известная под названием «закона Бернулли», позволяет вычислять сопротивление газа или жидкости продвижению тела. Законом Бернулли широко пользуются при аэродинамических расчетах.
      Симметричное обтекание тела воздухом.
     
      Возникновение сил сопротивления
      Длительные наблюдения и теоретические исследования позволили установить, из каких элементов складывается воздействие тела на обтекающий его поток воздуха и от каких причин зависит величина этого воздействия (сопротивления тела).
      Во-первых, поток воздуха тормозится телом, т. е. скорость его у тела уменьшается из-за того, что он раздвигается телом, т. е.
      отдельные струйки воздуха, обтекающие тело, отклоняются от их первоначального прямолинейного направления.
      Во-вторых, воздух трется о тело, причем непосредственно примыкающие к телу частицы воздуха прилипают к нему и останавливаются, а соседние с ними частицы сильно затормаживаются, т. е. скорость их значительно уменьшается.
      Наконец, обойдя тело, струйки воздуха смыкаются за ним, но смыкаются не сейчас же за хвостовой частью тела, а на некотором расстоянии за ней. При этом между задней оконечностью тела и точкой смыкания струй образуется зона пониженного давления,! е. зона, в которой давление воздуха меньше, чем вдали от тела. В этой зоне струйки воздуха завихрены, и даже на некоторых участках образуется течение воздуха, направленное против основного потока. У передней же части тела, там, где струйки воздуха набегают на тело, создается повышенное давлен ие воздуха.
      На торможение и раздвигание телом воздушного потока (расталкивание в стороны струек воздуха) и на преодоление трения воздуха о тело приходится затрачивать энергию. Вихри, т. е. вращательные движения воздуха, в зоне хвостовой части тела и за телом возникают также за счет энергии, затраченной на продвижение тела в воздухе. Мы видим, что для преодоления воздействия потока на тело или тела на поток, т. е. для удержания тела на месте в движущемся потоке или для продвигания тела в спокойном воздухе, необходимо затрачивать энергию. Все воздействие потока на тело (или, что то же самое, — тела на поток) принято называть сопротивлением данного тела. Величина сопротивления зависит от скорости, с которой движется тело в воздухе (или воздух набегает на тело), от размеров тела, его формы и состояния его поверхности, а также от плотности воздуха.
      Влияние скорости, с которой движется тело в воздухе, на сопротивление очень велико. Пусть, например, одно и то же тело помещено сначала в поток воздуха со скоростью 10 м/сек, а затем в поток воздуха со скоростью 20 м/сек. Измерив сопротивление, мы обнаружим, что во втором случае оно вчетверо больше, чем в первом. Мы видим, что увеличение скорости в два раза вызвало увеличение сопротивления в четыре раза. Если бы мы увеличили скорость в три раза, то сопротивление увеличилось бы в девять раз. Таким образом, сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости (22 = 4; 32 = 9).
      Сравнив сопротивление в одном и том же потоке двух геометрически подобных тел, например шаров с различным поперечным сечением, мы легко установим, что сопротивление шара, имеющего вдвое большее поперечное сечение, будет вдвое больше. Таким образом, мы можем заключить, что сопротивление прямо пропорционально площади поперечного сечения тела. Отсюда становится понятным, почему конструкторы стремятся всячески уменьшить размеры фюзеляжа и крыла самолета. Они добиваются этим снижения сопротивления самолета. Ведь чем меньше сопротивление самолета, тем большую скорость он развивает при той же мощности двигателя.
      Очень сильно влияет на сопротивление форма тела. На рисунке 138 показаны сравнительные значения сопротивлений нескольких тел различной формы, но с одной и той же площадью поперечного сечения. Видно, что сопротивление короткого цилиндра уменьшилось в 25 раз после того, как его снабдили спереди и сзади насадками, придавшими ему плавную, так называемую обтекаемую форму. Поэтому-то всем частям самолета, выступающим во встречный поток воздуха, придают обтекаемые формы — это сильно снижает их сопротивление, т. е. облегчает продвижение самолета в воздухе. Если бы части самолета не были удобообтекаемы, пришлось бы во много раз увеличить мощность двигателя для того, чтобы самолет мог лететь с той же скоростью.
      На рисунке 139 показана картина обтекания одним и тем же потоком воздуха плоской пластинки, шара и продолговатого тела вращения обтекаемой формы (ступой, закругленной передней частью и с удлиненной, плавно утончающейся к концу задней частью). Видно, что наибольшее вихреобразование возникает при обтекании пластинки, а наименьшее возмущение потока — при обтекании удобообтекаемого тела вращения. Именно в изменении характера обтекания заключается влияние формы тела на его сопротивление. Чем меньше возмущение вызывает тело в воздухе, тем меньше сопротивление.
      Значительно влияет на сопротивление тела состояние его поверхности. Чем глаже поверхность, тем меньшесопротивление. Это вполне понятно. Ведь мы отмечали уже, что трение тела о воздух составляет часть общего сопротивления, а чем глаже поверхность тела, тем меньше трение. Вот почему все наружные поверхности самолетов покрыты лаком и шероховатость их минимальна.
      Наконец, повторно заметим, что сопротивление прямо пропорционально плотности воздуха, т. е. при изменении, например, вдвое плотности воздуха изменяется вдвое в ту же сторону и сопротивление.
      Сопротивление при продвижении тела в воздухе пропорционально квадрату скорости, прямо пропорционально площади поперечного сечения тела и плотности воздуха и сильно зависит от формы тела и состояния его поверхности.
     
      Несимметричное обтекание. Возникновение подъемной силы
      До сих пор мы рассматривали обтекание потоком воздуха симметричных тел, симметрично установленных относительно потока, и выяснили, что при этом поток воздуха стремится лишь сдвинуть тело и увлечь его в направлении своего движения.
      Иная картина будет при несимметричном обтекании тел воздухом. Такое обтекание может быть либо в том случае, когда само тело несимметрично, либо в том случае, когда хотя тело и симметрично, но стоит под углом к направлению набегающего потока воздуха.
      В обоих этих случаях суммарное воздействие потока воздуха на тело будет проявляться в стремлении увлечь тело не в направлении движения потока, но под некоторым углом к нему. Говоря другими словами, суммарная аэродинамическая сила в этом случае не совпадаете направлением потока, а отклонена в сторону (рис. 140).
      Разложим полную аэродинамическую силу I (рис. 141) несимметричного тела по правилу параллелограмма так, чтобы одна составляющая 2 совпадала с направлением воздушного потока, а вторая составляющая 3 была перпендикулярна к направлению потока. Направленная по потоку сила 2 называется лобовым сопротивлением. Направленная же перпендикулярно к потоку сила 3 называется подъемной силой.
      Как сказано выше, сила, направленная под некоторым углом к потоку, возникает при несимметричном обтекании. Следовательно, подъемную силу может создавать почти любое тело, только у большинства тел она невелика по сравнению с лобовым сопротивлением. Но можно создать тело такой формы, при которой его подъемная сила во много раз больше лобового сопротивления. Таким телом и является крыло самолета.
      Причиной возникновения подъемной силы является разность давлений из верхней и нижней поверхностей крыла при несимметричном обтекании его потоком встречного воздуха.
      Рассмотрим картину обтекания несимметричного крылового профиля (рис. 142). Частицы воздуха, обтекая такой профиль, движутся по верхней его части быстрее, чем по нижней, так как выпуклость верхней части такого профиля больше, чем выпуклость нижней его части. Из-за этого путь верхних частиц воздуха больше искривлен и, следовательно, длиннее, чем путь частиц воздуха, обтекающих менее искривленный нижний контур профиля. Обойти же профиль крыла сверху и снизу частицами воздуха приходится за одно и то же время, так как иначе образовался бы разрыв потока, которого никогда не наблюдается. Поэтому скорость струек воздуха сверху крыла должна быть больше, чем снизу крыла.
      В соответствии же с законом Бернулли при этом статическое давление над крылом меньше, чем под крылом. Разность этих статических давлений и создает подъемную силу.
      Рис. 142. Обтекание несимметричного тела: а — течение струек воздуха; б — распределение статических давлений по крылу
      Таким образом, в результате обтекания потоком воздуха несимметричного тела нарушается симметрия самого потока, и скорость потока по одну сторону тела уже отличается от скорости потока по другую сторону тела. Разность скоростей влечет за собой разность статических давлений, которая и является причиной возникновения аэродинамической силы, всегда направленной из области большего статического давления в область меньшего статического давления1.
      Поток воздуха около тела будет несимметричным и в том случае, когда симметричный крыловой профиль стоит под углом по отношению к направлению потока (рис. 143). И в этом случае скорости над
      1 На рисунках 142 и 143 в схемах распределения статических давлений стрелками показано лишь подъемное действие аэродинамических сил. Возникновение лобового сопротивления не показано.
      крылом и под крылом будут различны, а следовательно, различны будут и статические давления, в результате чего возникнет аэродинамическая сила, направленная под уг лом к направлению скорости потока воздуха.
      Природа полной аэродинамической силы и составляющих ее сил — подъемной силы и лобового сопротивления (см. рис. 141) — та же, что и природа уже рассмотренной нами раньше силы сопротивления. Поэтому величина и этих сил зависит от скорости потока, плотности воздуха, формы тела, состояния его поверхности и так называемой характеристической площади. В случае симметричного обтекания симметричного тела сопротивление прямо пропорционально площади наибольшего поперечного сечения тела, т. е. за характеристическую площадь примята площадь наибольшего поперечного сечения тела. Это весьма удобно для случаев симметричного обтекания тел, когда возникнет лишь лобовое сопротивление. Для случаев же несимметричного обтекания и в особенности при обтекании крыла, когда возникает большая подъемная сила и лишь незначительное лобовое сопротивление, за характеристическую площадь принимают площадь крыла.
      Чем больше площадь крыла, тем больше будет его подъемная сила при прочих одинаковых условиях.
      Форма крыла и состояние его поверхности сильно влияют на отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению крыла (так называемое аэродинамическое качество крыла). На протяжение всей истории авиации ученые и конструкторы стремились увеличить это отношение, и в этом направлении достигнуты большие успехи.
      Наибольшую подъемную силу дают крылья выпукло-вогнутого профиля, но зато и лобовое сопротивление их велико. Крылья с двояковыпуклым профилем дают несколько меньшую подъемную силу, чем крылья с выпукло-вогнутым профилем, но зато и лобовое сопротивление их меньше. Крылья с плоско-выпуклыми профилями занимают промежуточное место, т. е. их подъемная сила и лобовое сопротивление несколько меньше, чем у крыльев с выпукло-вогнутыми профилями, но больше, чем у крыльев с двояковыпуклыми профилями.
      Наименьшее лобовое сопротивление дают симметричные двояковыпуклые профили. Такие профили применяют для оперения всех самолетов, а также для крыльев скоростных самолетов.
      Величина полной аэродинамической силы крыла и отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению зависят от того, под каким углом крыло встречает воздух. Угол встречи (его обычно называют углом атаки) отсчитывают между направлением полета (или направлением набегающего потока) и хордой крыла, за которую принимают отрезок прямой, соединяющей наиболее удаленные точки профиля крыла.
      При некотором угле атаки подъемная сила равна нулю. С ростом угла атаки при постоянной скорости подъемная сила увеличивается пропорционально величине угла атаки, достигает при угле атаки
      14 — 20 градусов наибольшего значения и затем начинает снова уменьшаться, причем это уменьшение может быть весьма резким. Вызывается это падение подъемной силы нарушением плавного обтекания крыла — поток срывается с крыла, образуются многочисленные вихри (рис. 144, а).
      Самолет при достижении такого «критического» угла атаки начинает проваливаться в воздухе и может сорваться в штопор.
      При наличии предкрылка поток воздуха, проходящий через щель между предкрылком и крылом, выравнивает поток, обтекающий верхнюю поверхность крыла, вследствие чего отрыв потока от крыла и нарушение плавного обтекания происходят при значительно больших углах атаки (рис. 144, б).
      Лобовое сопротивление изменяется при постоянной скорости Рис. 144. Обтекание крыла
      с увеличением угла атаки со- на больших углах атаки
      всем по другому закону. Во-первых, оно не может быть равно нулю. Во-вторых, при некотором значении угла атаки оно минимально, а с ростом угла атаки возрастает вплоть до угла атаки 90 градусов, когда лобовое сопротивление достигает наибольшего значения (крыло стоит своей поверхностью поперек потока).
     
      АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА
      Воздействие воздуха на движущиеся в нем тела удобно изучать при помощи аэродинамических труб. Имеются сравнительно небольшие трубы, в которых испытывают модели крыльев и частей самолетов или в натуральную величину мелкие части самолетов. Для испытания же самолетов в натуральную величину строят очень большие аэродинамические трубы. Такие трубы оснащены электромоторами в десятки тысяч лошадиных сил, многочисленными приборами и устройствами.
      На рисунке 145 показана схема простейшей аэродинамической трубы. Воздух в эту трубу всасывается из помещения через приемник. Через спрямляющую поток решетку (соты) воздух проходит в рабочую часть трубы, где на особой подвеске укрепляют испытуемую модель крыла, корпуса самолета и т. п. Затем воздух идет по расширяющейся части трубы к вентилятору, огражденному предохранительной сеткой, и выбрасывается обратно в помещение где установлена аэродинамическая труба.
      Рис. 145. Схема простейшей аэродинамической трубы:
      I — приемник воздуха; 2 — решетка, спрямляющая поток воздуха; 3 — рабочая часть трубы; 4 — расширяющаяся часть трубы; 5 — вентилятор;
      6 — электромотор
      Рис. 146. Схема простейших аэродинамических весов:
      1 — испытуемая модель крыла; 2 — стержень подвески моделей с шарнирно заделанными концами; 3 — трос; 4 — ролики; 5 — шалька — чашка весов
      Для изучения сил, возникающих в полете с большими скоростями, имеются специальные аэродинамические трубы. Сечения таких труб невелики (диаметр 0,2 — 0,4 м), но в них можно получать скорости, приближающиеся к скорости звука и даже превышающие ее.
      Основной прибор аэродинамической трубы — аэродинамические весы — позволяет измерять силы, возникающие при обтекании самолетов воздухом.
      На рисунке 146 показана схема простейших аэродинамических весов, на которых можно измерять лишь лобовое сопротивление.
      В неработающей трубе модель 1 прикрепляется шарнирно к стержням 2 так, чтобы она стояла под определенным углом к набегающему на нее потоку. Затем включают мотор; вентилятор создает поток воздуха, который стремится сдвинуть стержни с моделью по направлению потока. Тросом 3, перекинутым через ролики 4, модель связана с чашкой 5 весов. По весу груза, необходимого для удержания модели на месте, т. е. для предотвращения отклонения модели по потоку, можно судить о лобовом сопротивлении модели. Конечно, предварительно определяют лобовое сопротивление стержней и тросов, удерживающих модель в крыле, с тем чтобы можно было точно измерить сопротивление самой модели.
      Для одновременного измерения силы лобового сопротивления и подъемной силы, а также характера их воздействия на испытуемую модель современные аэродинамические лаборатории располагают весьма совершенным оборудованием, позволяющим автоматически измерять и записывать несколько величин.
     
      ПЫЛЕСОС
      Хозяйка без всякого усилия водит щеткой, прикрепленной к концу шланга, по полу, по коврам, по мебели. И соринки стремительно подхватываются с пола какой-то невидимой силой и увлекаются внутрь шланга, соединенного с аппаратом, напоминающим чашу с куполообразной крышкой. Это работает пылесос «Москва».
      Механический метельщик-пылесос убирает комнату, не оставляя на полу ни мусора, ни пылинки. Какая же сила подхватывает и уносит сор?
      Наверное, не раз приходилось вам видеть, как порыв ветра поднимает с мостовой клочки бумаги и прочий мусор, унося их далекодалеко. В пылесосе тоже работает ветер. Соринки подхватываются воздушными потоками. Только ветер здесь создается искусственно. Скорость воздуха в пылесосе достигает скорости сокрушительного урагана, такого, который срывает крыши с домов, вырывает с корнем деревья. Укрощенный комнатный ураган начисто выметает любую пыль из всех щелей и углублений, вытягивает их из ворса ковров и складок одежды.
      Как же рождается этот послушный ураган, пришедший на помощь человеку?
      Внутри пылесоса установлен быстроходный коллекторный электродвигатель. Якорь его вращается с огромной скоростью — 16 тысяч оборотов в минуту. Двигатель приводит в действие двухступенчатый центробежный насос-вентилятор. Воздух внутри резервуара сильно разрежается. Разница по сравнению с внешним давлением получается значительная — примерно на 90 мм ртутного столба. Поэтому внешний воздух через шланг всасывается с огромной силой в разреженное пространство. Внутри металлической! чаши против всасывающего патрубка установлен щиток. Воздушные потоки, ударяясь о него, приобретают вихревое движение, и в чаше возникают настоящие вихри, переходящие в ураган. Под действием вихревого движения воздуха частицы пыли и мусора отбрасываются к стенкам и дну резервуара. Тяжелые частицы здесь и оседают, а легкие уносятся воздушным потоком. Насос гонит воздух из резервуара снова наружу. Но выпустить загрязненный пылинками воздух из насоса — это значит свести почти на нет результаты уборки. Воздух надо очистить от мелких пылинок. Для этого в пылесосе по пути воздушного потока установлены фильтры.
      Часть пылинок оседает на первом бумажном фильтре. Проскочившие сквозь него более мелкие пылинки задерживаются вторым фильтром — из ткани. А когда поток воздуха через вентилятор попадает в выдувной патрубок, он проходит еще один микрофильтр, где осаждаются мельчайшие частицы пыли.
      Весь сор и пыль, захваченные пылесосом, остаются внутри него. А очищенный от примесей воздух выходит через окна ребристого кольца, опоясывающего крышку резервуара. Пока работает двигатель, ни на секунду не прекращается вихрь воздуха в пылесосе, не затихает в нем ураган. За одну секунду эта небольшая машина прогоняет сквозь себя около 26 л воздуха.
      Каждые две-три недели резервуар пылесоса очищают от скопившегося мусора и пыли. Бумажный фильтр при этом заменяют новым, а матерчатый вытряхивают. Пылесос снова готов к работе.
      Пылесос «Москва», выпускаемый одним из столичных заводов, может не только убирать помещения и очищать от пыли мебель, ковры, одежду. С помощью пылесоса можно опрыскивать водой цветы, увлажнять воздух в комнате, распылить нафталин в шкафу, где хранится одежда, и даже покрасить стены и потолок.
      Для этого в резервуаре пылесоса сделан специальный выдувной патрубок, закрытый во время обычной уборки. Стоит открыть этот патрубок, присоединить к нему шланг, а на другом конце его укрепить стеклянную банку с жидкостью — пульверизатор, и пылесос превращается в нагнетающий аппарат. Снабжен он и распылителем, который представляет собой стакан из пластмассы с крышкой. Отверстия в распылителе расположены по винтовым линиям. Под давлением воздуха распыливаемое вещество веером разлетается во все стороны.
      Пылесос «Москва» мощностью 600 вт выпускается отдельно на 127 и 220 вольт и может быть включен в сеть переменного или постоянного тока. Аппарат без принадлежностей весит около 9 кГ. Его можно переносить при помощи ручки, находящейся наверху крышки.
      К пылесосу прилагается комплект различных принадлежностей. Здесь имеются щетки и наконечники нескольких размеров. При чистке ковров, например, используется одна щетка, а при подметании пола — другая. Для удаления пыли из щелей и углов есть специальный наконечник. Б комплекте имеются удлинительные трубы, распылитель, пульверизатор и другие принадлежности.
      Наша промышленность выпускает электропылесосы разных конструкций. Но все они имеют в качестве основного механизма электрический двигатель и центробежный вентилятор.
      Рис. 147. Пылесос «Чайка» с принадлежностями
      В последнее время начали выпускать и другие пылесосы: «Днепр» и «Урал-ПР».
      Пылесос «Чайка» (рис. 147) состоит из металлического корпуса, расположенного горизонтально. Чтобы удобно было перемещать пылесос с места на место, он смонтирован на двух полозьях. Для переноски пылесоса на корпусе имеется ручка. Внутри корпуса с одной стороны вмонтирован электродвигатель, приводящий в действие двухступенчатый центробежный вентилятор. С другой стороны на корпус надета съемная крышка с штуцером для присоединения гибкого шланга. С этой стороны внутри корпуса помещен сборник пыли, представляющий собой парусиновый мешок. Мусор и пыль собираются в пылесборник, но вместе с воздухом, проходящим через пылесборник, могут проскочить и мелкие частички пыли. Чтобы этого не получилось, между сборником пыли и электродвигателем имеется плоский фильтр в виде двух решетчатых дисков с фланелевой прокладкой. Пылесос «Днепр» выпускается с электродвигателями, рассчитанными на 127 вольт и отдельно — на 220 вольт.
      Мощность двигателя 230 вт.
      Пылесос «Урал ПР-1» кажется совсем маленьким. Он весит немного больше 3 кГ. Электродвигатель с двухступенчатым вентилятором турбинного типа вмонтирован в корпус пылесоса. На выступающую часть электродвигателя со стороны коллектора надевается фильтр из ткани. Поверх фильтра надевается цилиндрический металлический или пластмассовый пылесборник, который
      прикрепляется к корпусу пылесоса. Соединение кожуха пылесоса с пылесборником для воздухонепроницаемости имеет резиновую прокладку. В торцах корпуса и пылесборника сделаны отверстия для всасывания загрязненного пылью воздуха и отвода отфильтрованного воздуха. На крышке пылесоса есть ручка. В нем вмонтирован выключатель. В этом пылесосе поставлен коллекторный электродвигатель мощностью 200 вт. Ручные пылесосы «Урал ПР-Ь выпускаются отдельно на напряжение в 127 и 220 вольт.
     
      САМОЛЕТ
      Сухопутные самолеты состоят из следующих основных частей: крыла, силовой (винтомоторной или реактивной) установки, фюзеляжа (корпуса), органов управления и устойчивости (оперения) и шасси (рис. 149). В разных самолетах количество названных частей может быть различным. Имеются, например, самолеты с двумя фюзеляжами или с несколькими силовыми установками. Но в любом обычном самолете мы можем различить и указать эти пять основных частей.
      Крыло самолета создает подъемную силу. Это его основное назначение. Вместе с тем обычно в крыле размещается часть нагрузки и оборудования самолета, например топливные баки, вооружение и т. д. Кроме того, крыло при помощи имеющихся на нем элеронов участвует в обеспечении поперечной (боковой) управляемости самолета, т. е. в выправлении кренов или, наоборот, в создании нужного крена, например при крутых поворотах (виражах).
      Силовая установка наиболее распространенных в наше время самолетов состоит или из поршневого двигателя (мотора) и воздушного винта, или из реактивного двигателя. Она создает силу тяги, необходимую для поступательного движения самолета.
      Фюзеляж (корпус) — это та часть самолета, в которой размещается экипаж, пассажиры и грузы. К фюзеляжу крепится крыло, силовая установка и оперение.
      Оперение обеспечивает самолету устойчивость и управляемость. Оперением самолета называют стабилизирующие и рулевые поверхности. Оно состоит из стабилизатора, киля, руля высоты, руля поворота и элеронов.
      Стабилизатор и киль представляют собой неподвижные, т. е. наглухо прикрепленные к фюзеляжу поверхности. Рули — это поверхности, шарнирно прикрепленные к стабилизатору и килю так, что они служат их продолжением и в то же время могут отклоняться летчиком на определенный угол. Элеронами называют шарнирно подвешенные к крылу рулевые поверхности.
      Стабилизатор предназначен для сохранения продольной устойчивости самолета, т. е. способности его самостоятельно, без вмешательства летчика сохранять заданный режим полета в горизонтальной плоскости. Киль обеспечивает самолету устойчивость пути, т. е. сохранение заданного направления. Назначение рулей высоты и поворота ясно из их названий. Элероны, как уже указывалось, предназначены для создания или устранения кренов самолета.
      Ш а с с и, состоящее из стоек с колесами, служит для передвижения самолета по земле и, в частности, обеспечивает самолету возможность разбега перед взлетом и пробега после посадки.
      Гидросамолеты бывают поплавковые и лодочные. Поплавковые гидросамолеты отличаются от сухопутных самолетов тем, что вместо колесного шасси у них имеются один или два поплавка, которые системой стержней прикреплены к корпусу. Основные части поплавковых гидросамолетов обычно те же, что и у сухопутных самолетов.
      У лодочных гидросамолетов, или, как их еще называют, летаю щих лодок, крылья крепятся к лодке, которая выполняет функции фюзеляжа и шасси.
      Самолеты-амфибии, так же как гидросамолеты, бывают поплавковые и лодочные. У амфибий поплавки и лодки снабжены колесами, которые летчик может выпускать и убирать при помощи особого механизма.
      Планеры в отличие от моторных самолетов не имеют силовой установки. Кроме того, у большинства легких планеров колесное шасси заменено изогнутым деревянным брусом, расположенным под фюзеляжем планера.
      Вследствие отсутствия силовой установки планер не может взлететь без посторонней помощи. Его необходимо запускать или при помощи предварительно растянутого резинового шнура (амортизатора), или при помощи неподвижной лебедки, на барабан которой наматывается буксировочный трос, или буксировать его по земле лошадьми, автомобилем или самолетом. Набрав при запуске нужную скорость, планер взлетает или поднимается на буксире самолета на нужную высоту, после чего отцепляется и продолжает полет самостоятельно.
      Прицепляя к самолету-буксировщику не один,а несколько планеров, получают планерные поезда, которые могут перевозить по воздуху значительные грузы.
      Конструктивные схемы самолетов. Взаимное расположение и число основных частей определяют так называемую конструктивную схему самолета.
      В зависимости от числа крыльев различают монопланы (монос — по-гречески «один») — самолеты с одним крылом и б ипла-ны («би» от «бис» — по-латински «дважды», «двойной») — самолеты с двумя крыльями, расположенными одно над другим. Бипланы, у которых нижнее крыло значительно короче верхнего или верхнее крыло значительно короче нижнего, называют полутора-планами.
      Бипланы до 30-х годов были наиболее распространенным типом самолетов, хотя монопланы аэродинамически выгоднее бипланов. Но при сравнительно незначительных скоростях, с которыми летали самолеты примерно до 1930 г., преимущества монопланов мало давали себе доступ. Вместе с тем конструкторам было проще осуществить легкие, достаточно жесткие и в то же время весьма прочные несущие поверхности в виде биплановой коробки сравнительно небольшого размаха.
      На рисунке 150 показан самолет-биплан и обозначены основные элементы так называемой бипланной коробки крыльев.
      С ростом скоростей полета аэродинамические преимущества монопланов начали сказываться ощутительнее, и все большее число самолетов стали строить по схеме монопланов, чему способствовали разработка новых методов расчета самолета на прочность и появление новых высокопрочных материалов.
      Первый в мире самолет, построенный А. Ф. Можайским, был монопланом.
      Первоначально монопланы были снабжены расчалками или подкосами, несколько нагружавшими крылья. Но стоявшие в потоке воздуха подкосы и расчалки создавали значительное лобовое сопротивление. Поэтому по мере совершенствования методов расчетов прочности и накопления опыта в конструнровании перешли к постройке свободнонесущих монопланов, крыло которых не имеет наружных подкреплений (рис. 151). По такой схеме строится большинство современных самолетов.
      На общую схему самолета существенно влияет также число и расположение силовых установок. Типичной схемой одномоторного самолета является схема с расположением мотора в носовой части фюзеляжа. Винт в этом случае тянет самолет за собой и поэтому называется тянущим.
      У двухмоторных самолетов моторы расположены в особых гондолах в крыле по обе стороны фюзеляжа.
      У четырехмоторных самолетов силовые установки расположены на крыле в ряд, по две с каждой стороны фюзеляжа. Самолеты с числом двигателей более четырех строятся редко.
      На рисунке 152 показаны различные виды хвостового оперения. У подавляющего большинства самолетов горизонтальное и вертикальное хвостовое оперение монопланного типа. Бипланное оперение применяется довольно редко, так как мешает обзору и обстрелу назад при расположении оружия (огневого поста) в фюзеляже самолета. Такое оперение можно применять на больших военных самолетах, у которых задний огневой пост помещен на самом конце фюзеляжа — за оперением.
      Самолеты-бесхвостки не имеют горизонтального стабилизатора, а рулями высоты у них служат закрылки (они же элероны), расположенные вдоль задней части крыла и могущие отклоняться вверх и вниз. Преимуществами бесхвостых самолетов являются меньшее лобовое сопротивление, лучший обзор и обстрел задней полусферы. Эта схема самолета еще не получила распространения.
      Большинство современных самолетов имеет один фюзеляж, но имеются самолеты с двумя фюзеляжами.
      Стремление снизить лобовое сопротивление самолетов, значительную долю которого составляет лобовое сопротивление фюзеляжа, давно побудило конструкторов работать над созданием бесфюзе-ляжных самолетов, у которых лобовое сопротивление минимально Хотя в чистом виде эта идея еще не реализована, но имеются самолеты, в конструкции которых уже наметился близкий подход к типу «летающего крыла». Таковы уже упомянутые самолеты-бесхвостки
      В малых бесхвостках нормальный фюзеляж заменен гондолой, расположенной в крыле или поверх крыла. У крупных бесхвостой крыло настолько толсто, что в нем свободно размещаются двигатели, экипаж (пассажиры и грузы). Так как именно у крупных самолетов лобовое сопротивление фюзеляжа очень велико, представляется особенно выгодной постройка больших самолетов по схеме «летающего крыла».
      Многие бесфюзеляжные самолеты (бесхвостки) удачно летали, но широкого развития эта схема еще не получила из-за того, что эти мсамолетам свойственны и довольно существенные недостатки, которые до сих по не преодолены конструкторами. Так, например, для самолетов-бесхвосток до сих пор не разработаны устройства, увеличивающие подъемную силу крыла при посадке, в то время как у обычных самолетов с этой задачей успешно справились путем установки на крыле щитков или закрылков. Кроме того, отклонение рулей высоты вверх при посадке вызывает резкое проваливание самолета-бесхвостки из-за значительного и быстрого падения подъемной силы крыла. Наконец, разбег перед взлетом и пробег после приземления у самолетов-бесхвосток больше, чем у самолетов обычной схемы, а маневренность бесхвосток в воздухе значительно хуже, чем у обычных самолетов.
     
      ВИНТ САМОЛЕТА
      Коленчатый вал авиационного поршневого двигателя вращает воздушный винт, который создает силу тяги.
      Воздушный винт (рис. 153) состоит из нескольких (2 — 4) лопастей, укрепленных во втулке под некоторым углом к плоскости вращения винта. Этот угол называется углом установки лопастей. От величины угла установки лопастей зависит шаг винта, которым называют расстояние, на какое винт продвинулся бы вперед за один оборот, если бы вращался не в воздухе, а в жесткой гайке. Имеются винты фиксированного шага и изменяемого в полете шага.
      Винты, у которых лопасти закреплены во втулке неподвижно (угол установки постоянен), называют винтами фиксированного шага (ВФШ). Винты, у которых лопасти могут особым механизмом поворачиваться во втулке во время полета (угол установки переменный), называют винтами изменяемого шага (ВИШ).
      Поперечное сечение лопасти имеет вид профиля крыла (рис. 154). Однако в отличие от крыла лопасть пинта совершает относительно встречного воздуха не одно, а одновременно два движения: движение вместе с самолетом — со скоростью полета и вращается вместе с коленчатым валом двигателя — с некоторой окружной скоростью. В результате сложения этих двух движений лопасть перемещается по винтовой линии. При этом возникает аэродинамическая сила 1 (рис. 154), которую можно по правилу параллелограмма разложить на силу тяги 3, действующую по направлению полета, и на силу сопротивления вращению 2, которая преодолевается двигателем.
      Винты фиксированного шага, несмотря на их простоту и малый вес, в настоящее время ставятся только на маломощные самолеты, имеющие незначительные скорости полета. На самолеты же, имеющие большие скорости полета, устанавливаются винты изменяемого шага. Чем можно объяснить, что ВФШ устанавливают только на самолеты с малой скоростью полета? Объясняется это тем, что винт фиксированного шага работает с максимальной эффективностью (т. е. создает хорошую тягу) только на одном режиме полета. На всех других режимах полета он работает менее эффективно (т. е. создает значительно меньшую тягу). В самом деле, если мы установим лопасти во втулке так, что винт будет давать хорошую тягу при небольшой скорости полета, то при большой скорости полета этот же винт будет давать меньшую тягу.
      Если же установить лопасти во втулке так, чтобы винт давал хорошую тягу при большой скорости полета, то на малой скорости полета угол атаки лопасти станет чрезмерно большим (15 — 18 градусов), полная аэродинамическая сила уменьшится из-за срыва потока с лопасти винта и винт, следовательно, будет работать недостаточно эффективно.
      Следовательно, ВФШ пригоден для самолетов, летающих со сравнительно малыми скоростями. У скоростного же самолета такой винт будет хорошо работать только на малых или только на больших скоростях, т. е. на тех скоростях, для которых будет подобран угол установки лопастей во втулке.
      Для того чтобы винт хорошо работал на всех скоростях полета, необходимо поворачивать лопасти во втулке во время полета, выбирая для каждого режима полета нужное положение лопастей, т. е. необходимо ставить на самолет винт изменяемого шага (ВИШ). У такого винта сила тяги также уменьшается по мере увеличения скорости полета, но в значительно меньшей степени ввиду поворота лопастей во втулке. Современные ВИШ снабжены автоматом, поддерживающим число оборотов винта постоянным — таким, какое задает летчик для данного режима полета. При этом мощность двигателя используется наиболее целесообразно и летные качества самолета повышаются.
      На больших скоростях полета к.п.д. винта падает, и поэтому винт развивает недостаточную тягу.
      Поэтому для дальнейшего повышен и я с коростн полета н ужно было искать иные способы создания силы тяги — не с помощью воздушного винта, а с использованием иных устройств.
      Таким является реактивный двигатель.
     
      ОТЕЦ РУССКОЙ АВИАЦИИ
      «Человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов в 72 раза слабее птицы... Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума».
      Эти слова сказаны были в 1898 году Николаем Егоровичем Жуковским. Прошло немного времени, и сила разума человека подняла его высоко в небо, и он так же безраздельно господствует теперь в воздухе, как и на земле. Оправдались пророческие слова ученого «отца русской авиации», как назвал П. Е. Жуковского великий Ленин за его бессмертные труды в деле развития авиации.
      «Когда человек прошел уже большую часть своего жизненного пути, тогда перед его умственным взором невольно встает то, что составляло главное содержание его жизни. Для меня главный жизненный интерес сосредоточен на излюбленной мною науке — механике», — так охарактеризовал себя Николай! Егорович Жуковский в речи 16 января 1911 года, посвященной обзору научной деятельности механиков Московского университета.
      Профессор Московского университета и Московского высшего технического училища Н. Е. Жуковский был основателем теоретической, технической и экспериментальной аэродинамики. Его научные изыскания привели к созданию плодотворных направлений исследовательской работы, открыли творческие пути и оставили неизгладимый след на всем последующем развитии механики и аэромеханики.
      Главное, что характерно для научных исследований Н. Е. Жуковского, это ясное сознание задач технического прогресса, широта научного кругозора и глубокое понимание устремлений своего времени. «Решение определенных реальных задач механики» — вот руководящий девиз научной школы 11. Е. Жуковского.
      Николай Егорович Жуковский родился 17 января 1847 года в деревне Орехово, Владимирской губернии. Отец его работал инженером на строительстве Московско-Нижегородской железной дороги. Неподкупная честность создала ему авторитет среди рабочих, но мало способствовала его служебной карьере. После того как инженер Жуковский отказался признать годными недоброкачественные строительные материалы, начальство предложило ему подать в отставку.,. Государственная служба Е. И. Жуковского на этом закончилась, и всю свою дальнейшую жизнь он работал управляющим имениями богатых помещиков Зубовых и Оболенских, недалеко от деревни Орехово.
      Николай Егорович рос здоровым мальчиком. Он очень рано научился читать и читал много; увлекался произведениями Диккенса, Вальтер-Скотта, Жюль-Верна. Интересно заметить, что роман Жюль-Верна «Воздушный корабль» и впоследствии был на видном месте в библиотеке Н. Е. Жуковского среди научных книг. Детские годы, проведенные Николаем Егоровичем в Орехове, создали у него привязанность к этой маленькой деревушке среднерусской равнины. С величайшим удовольствием проводил он там свое каникулярное время, купался в пруду, бродил с ружьем по глухим окрестным лесам. Первые опыты по определению подъемной силы крыла были задуманы и проведены Н. Е. Жуковским на велосипеде за околицей Орехова; многие научные работы зародились в этой русской деревушке.
      В 1858 году Н. Е. Жуковский поступил в 4-ю московскую гимназию, где начиная с третьего класса он выделился как лучший ученик по алгебре, геометрии и естественным наукам. Окончив гимназию, Н. Е. Жуковский поступил на физико-математический факультет Л4осковского университета. Выбрав своей специальностью прикладную математику, он с увлечением слушал лекции по механике профессоров Ф. А. Слудского и В. Я. Цингера. «Я с благодарностью вспоминаю теперь двух моих учителей, из которых один разъяснил нам широкое значение общих аналитических методов, а другой указал силу геометрических толкований рассматриваемых явлений», — говорил впоследствии Николай Егорович.
      Пребывание в университете, который он окончил в 1868 году, определило область научных интересов Н. Е. Жуковского. Они сосредоточились на механике.
      В 1870 году Н. Е. Жуковский поступает преподавателем физики 2-й московской женской гимназии, с 1872 года зачисляется преподавателем математики в Московское высшее техническое училище, а в 1874 году утверждается там доцентом кафедры аналитической механики.
      В 1876 году вышла в свет первая научная работа Н. Е. Жуковского, посвященная исследованию кинематики жидкости. Эту работу Николай Егорович представил физико-математическому факультету университета для соискания магистерской степени. Защита прошла успешно, и Николай Егорович получил степень магистра прикладной математики. После защиты диссертации, в 1877 году, Н. Е. Жуковский получил командировку за границу, где пробыл три месяца. В 1882 году Н. Е. Ж/ковский защитил диссертацию на степень доктора прикладной математики, представив работу «О прочности движения». С 1886 года он — профессор Московского университета по кафедре механики, а с 1887 года занимает одновременно должность профессора по кафедре аналитической механики в Московском высшем техническом училище. С этими двумя крупнейшими высшими учебными заведениями нашей страны была тесно связана вся дальнейшая педагогическая и научная деятельность H. Е. Жуковского. Здесь он развернул широкую экспериментальную работу, сплотил вокруг себя большой коллектив учеников и исследователей. Спокойный, ровный характер Николая Егоровича, его мягкость и добродушие привлекали к нему всех окружающих. Он умел объединить в общей работе людей разных темпераментов, различного таланта и способностей. Непрерывно занятый научной работой, он создавал вокруг себя атмосферу напряженного труда и здорового оптимизма.
      При рассмотрении научного наследия H. Е. Жуковского поражает необыкновенное разнообразие тем. Здесь и исследование хвостов комет, и общая теория устойчивости движения, и теория регулирования машин, и распределение давления на нарезках винта и гайки, и прочность велосипедного колеса, и множество других вопросов. Как будто все многообразие развивающейся техники России имело в лице Николая Егоровича своего научного выразителя и выдающегося представителя. Но особенно настойчиво проводились им изыскания в областях гидромеханики и аэромеханики. Первой из этих областей H. Е. Жуковский подарил ряд выдающихся сочинений, которые сделали его имя известным всему миру. Аэромеханику Николай Егорович основал как самостоятельную науку.
      Выдающимся сочинением по гидромеханике была работа «О движении твердого тела, имеющего полости, наполненные капельной жидкостью», удостоенная Московским университетом премии проф. Брашмана. Эта работа H. Е. Жуковского имеет громадное принципиальное значение для гидромеханики. Профессор Ф. А.Слуд-ский в отзыве на эту работу писал: «Если бы сочинение H. Е. Жуковского состояло только из шести последних страниц, то и тогда оно было бы вполне достойно премии». Этой работой H. Е. Жуковский поставил свое имя в один ряд с крупнейшими гидромеханиками XIX столетия.
      В 1897 — 1898 годах H. Е. Жуковский был привлечен к работам по постройке нового московского водопровода, где на него было возложено руководство опытами над ударами воды в водопроводных трубах.
      «Эти опыты дали интересные результаты, — писал H. Е. Жуковский, — которые, насколько мне известно, до сих пор не указаны в технической литературе; оказалось, что все явления при гидравлическом ударе объясняются возникновением и распространением в трубах ударной волны, происходящей от сжатия воды и от расширения стенок трубы... Инженеры, которые занимались этой задачей, не обратили внимания на то, что при весьма быстром закрытии задвижки вода останавливается и давление повышается только при задвижке, и это состояние воды передается по трубам по закону распространения волнообразного движения». Выяснив основные физические факторы явления, Н. Е. Жуковский составляет уравнения, описывающие это явление. Строгое математическое решение полученных уравнений привело его к весьма важным практическим результатам. Так, например, оказалось, что гидравлический удар распространяется но водопроводной трубе с постоянной скоростью и для обыкновенных чугунных труб среднего диаметра сила ударного давления составляет около 4 атмосфер на каждые 30 см потерянной скорости. Если ударная волна достигает тупиков, то сила ударного явления удваивается. Лучшим способом предохранения труб от гидравлических ударов являются приспособления для медленного закрытия кранов.
      Эти выводы, вытекающие из уравнений Н. Е. Жуковского, были подтверждены опытами на специальной установке при московском водопроводе. Теоретические и экспериментальные исследования Н. Е. Жуковского вполне разъяснили сложное явление гидравлического удара в трубах. Формулы Н. Е. Жуковского вот уже более 40 лет являются основными при расчетах такого рода. Работа Николая Егоровича была переведена на французский, английский и немецкий языки н доставила автору мировую известность.
      Найденное Н. Е. Жуковским решение задачи о гидравлическом ударе дало возможность определить место аварии водопровода, не выходя из помещения насосной станции и не дожидаясь, когда на месте разрушения трубы вода выступит на поверхность мостовой.
      Научные заслуги Николая Егоровича отмечены были в 1894 году избранием его в члены-корреспонденты Академии наук. В 1900 году Н. Е. Жуковский был выдвинут кандидатом в действительные члены Академии. По условиям того времени, выборы в действительные члены Академии требовали переезда в Петербург. Не желая покидать Москву, где он был научным руководителем и признанным главой школы механиков, Николай Егорович снял свою кандидатуру. К 1900 году он опубликовал в различных изданиях 86 научных работ по самым разнообразным вопросам теоретической и прикладной механики. Эти работы получили всеобщее признание в научных кругах и создали ему уважение и авторитет у многочисленных учеников. Позднее Николай Егорович ведет необычайно напряженную работу по созданию русской авиации, деятельно участвует во всех воздухоплавательных съездах и выставках, а также в организации воздухоплавательного общества в Москве.
      С наибольшей силой гений Н. Е. Жуковского проявился в совершенно новой для его времени области человеческого знания — теоретической и экспериментальной аэродинамике. В этой науке он является родоначальником самых основных, самых драгоценных идей, которыми до сих пор руководствуются и ученые и инженеры.
      И. Е. Жуковский начал интересоваться теорией авиации с 90-х годов прошлого столетия. При кабинете прикладной механики Московского университета уже с 1889 года производились исследования по различным вопросам воздухоплавания, испытывались различные модели летательных машин и строились небольшие аэродинамические аппараты. В первой работе Н. Е. Жуковского по аэродинамике, опубликованной им в 1892 году, исследуется вопросо планирующем полете (парении) птиц, т. е. таком полете, когда птица не машет крыльями. Н. Е. Жуковский разбирает два случая планирующего полета: планирование с потерей высоты, или скольжение птицы по воздуху, и планирование с сохранением или даже набором высоты. Планирующий полет птицы можно приближенно истолковать как движение пластинки под постоянным углом атаки. Подъемную силу пластинки и ее сопротивление Н. Е. Жуковский заимствует из экспериментов. Составив уравнения движения центра тяжести птицы, он находит его траектории при различных условиях движения воздуха. Среди возможных траекторий им была найдена траектория в виде «мертвой петли». Таким образом, Н. Е. Жуковский теоретически предсказал возможность осуществления «мертвой петли» за 11 лет до того, как первый самолет братьев Райт поднялся в воздух. Этой работой Н. Е. Жуковский заложил основание для исследований так называемых фугоидальных движений самолета.
      В 1906 году появилась работа М. Е. Жуковского, позволяющая теоретически определять подъемную силу крыла аэроплана.
      Формула Н. Е. Жуковского для определения подъемной силы является основой всех аэродинамических расчетов самолетов; она — основа современного учения о подъемной силе.
      Еще в 1895 году Н. Е. Жуковский ознакомился с формой профиля крыла планера Лилиенталя и из опытов, проведенных Лилиенталем, узнал, что изогнутая пластинка дает большую подъемную силу, нежели плоская. Этот экспериментальный факт весьма заинтересовал Н. Е. Жуковского. В 1911 году появилась новая аэродинамическая работа Н. Е. Жуковского, в которой он установил два класса теоретических профилей и доказал, почему изогнутая форма профиля более целесообразна по сравнению с плоской пластинкой. Теоретические профили, открытые Н. Е. Жуковским, называются сейчас «профилями НЕЖ».
      Метод получения и исследования теоретических профилей, указанный Н. Е. Жуковским, оказался весьма плодотворным, и в наши дни многочисленные практические профили крыльев обычно сравниваются с крыльями Жуковского.
      С 1912 года начинают появляться статьи М. Е. Жуковского по вихревой теории гребного винта — пропеллера. Сечение каждой лопасти винта плоскостью, перпендикулярной к радиусу на любом расстоянии от оси винта, имеет форму профиля крыла, Естественно, что при вращении винта каждый элемент винта испытывает со стороны воздуха подъемную силу и лобовое сопротивление. Подробный анализ вихревой схемы винта, проведенный в статьях Н. Е. Жуковского, позволил не только найти подъемную силу и лобовое сопротивление элементов лопастей этого винта, по и указать наивыгоднейшую геометрическую форму лопасти винта. Винты, спроектированные по указаниям Николая Егоровича, получили название «винтов НЕЖ»-Опыты с винтами НЕЖ подтвердили основные теоретические выводы Н. Е. Жуковского. Винты НЕЖ во время мировой войны 19141918 годов с успехом ставились на различные самолеты и показали вполне удовлетворительные качества. Вихревая теория гребною винта, данная Н. Е. Жуковским, является наиболее совершенной теорией. На основе этой теории проектируются и строятся пропеллеры современных самолетов.
      Н. Е. Жуковский был основателем экспериментальной аэродинамики в России. В 1902 году при механическом кабинете Московского университета была построена первая в России и вторая в мире аэродинамическая труба. В этой трубе проводились многочисленные испытания, из которых особенного внимания заслуживают исследования лобового сопротивления шара и плоской пластины. По указаниям 11. Е. Жуковского был спроектирован и построен прибор для испытания пропеллеров, работающих на месте. На этом приборе испытывались пропеллеры для самолетов и геликоптеров до 5 м в диаметре. В 1909 году в университете была построена новая (круглая) аэродинамическая труба, имеющая 1,6 .ч в диаметре и длину 10 м. Скорость ветра достигала 20 м в секунду, а при применении специальных приспособлений была значительно больше.
      С 1904 по 1906 год Н. Е. Жуковский руководит организацией новой аэролабораторин в поселке Кучино под Москвой. Весной 1909 года воздухоплавательный кружок Высшего технического училища организует при непосредственном участии Николая Егоровича, еще одну аэродинамическую лабораторию в России. В докладах и статьях II. Е. Жуковский многократно подчеркивает важность эксперимента в аэромеханике. «Приближается то время, когда направляемая твердым опытом теоретическая мысль сделается хозяином в решении вопросов о сопротивлении жидкостей, когда аэропланы и дирижабли будут строиться с таким же верным расчетом, с каким теперь строятся пароходы и автомобили. Я думаю, что проблема авиации и сопротивления воздуха, несмотря на блестяще достигнутые успехи в се разрешении, заключает в себе еще много неизведанного. У нас в России есть теоретические силы, есть молодые люди, готовые беззаветно отдаться спортивным и научным изучениям способа летания. Но для этих изучений нужны материальные средства... Позвольте высказать пожелание, чтобы средства наших аэродинамических лабораторий стали в соответствие с могуществом и творческими силами пашей родины».
      Мечтам 11. Е, Жуковского суждено было осуществиться после Великой Октябрьской социалистической революции. 15 декабря 1918 года был создан Центральный аэрогндродинамический институт (ЦАРИ), носящий теперь имя И. Е. Жуковского. Первым председателем научной коллегии института был Н. Е. Жуковский.
      Еще в 1913 г. Николай Егорович читал лекции на курсах офицеров-летчиков. Позднее из этих курсов организовалась Военновоздушная академия имели Жуковского.
      Научные заслуги Николая Егоровича нашли высокую оценку в специальном декрете Совета Народных Комиссаров в августе 1920 года. Декрет был подписан В. И. Лениным и учреждал «в ознаменование пятидесятилетия научной деятельности профессора Н. Е. Жуковского и огромных заслуг его как «отца русской авиации»... годичную премию Н. Е. Жуковского за наилучшие труды по математике и механике», а также устанавливал ряд персональных льгот для самого Николая Егоровича.
      Но в феврале 1920 года Н. Е. Жуковский заболел воспалением легких, в июне случился удар, в конце года он заболел брюшным тифом, под новый год удар повторился; 17 марта 1921 года Николай Егорович Жуковский скончался.
      Тяжела была эта утрата для всей русской науки. Особенно остро она ощущалась его современниками, работавшими с ним рука об руку. Мощная фигура Николая Егоровича, его необычайное спокойствие, живой взгляд, интерес, который он неизменно проявлял ко всяким научным начинаниям, его поразительная скромность и вместе с тем уверенность в себе и чувство собственного достоинства создавали в их памяти образ ученого и мудреца.
      В своей речи над могилой Николая Егоровича С. А. Чаплыгин, один из первых учеников Жуковского, создавший вместе с ним теоретические основы современной авиации, очень ярко охарактеризовал облик своего учителя.
      «Он своей светлой и могучей личностью объединял в себе и высшие математические знания, и инжеперннге науки. Он был лучшим соединением науки и техники, он был почти университетом. Не отвлекаясь ничем преходящим, лишь в меру неизбежной необходимости отдавая дань потребностям жизни, он все свои гигантские силы посвятил научной работе... При своем ясном, удивительно прозрачном уме он умел иногда двумя-тремя словами, одним росчерком пера разрешить и внести такой свет в темные, казалось бы, прямо безнадежные вопросы, что после его слова все становилось выпуклым и ясным. Для всех тех, кто шел с ним, были ясны новые пролагаемые им пути. Это огромная сила особенно пленяла своей скромностью... Бывало, что начинающий на ученом поприще ученик обращался за советом, предполагая посвятить некоторую долю своего внимания задаче, которая его очень интересовала. Иногда задача была слишком трудной и, может быть, даже недоступной. Николай Егорович никогда не позволял себе сказать, что задача неисполнима, он говорил: «Я пробовал заниматься этим вопросом, но у меня ничего не вышло; попробуйте вы, может быть, у вас выйдет». Он глубоко верил, что среди его учеников могут быть и такие, которые окажутся в силах решить вопросы, им не решенные. Эта вера в окружающих его учеников создала ему трогательный образ, который останется всегда незабываемым...»
      Вся научная деятельность Н. Е. Жуковского показывает, что он удивительно полно и отчетливо сознавал технические нужды развивающегося человеческого общества и был одарен такой силой разума, что умел эти скрытые в буднях мелочей неотложные задачи не только формулировать, но и разрешать. Чутко прислушиваясь к голосу инженеров-практиков, Н. Е. Жуковский никогда не забывал своей великой цели: создание новых методов исследования и расширение применения этих методов в новой отрасли механики — аэродинамике. II. Е. Жуковский велик не тем, что он решил много труднейших задач известными математическими методами, а потому, что он создал новые методы, основанные на глубоком проникновении в суть физических явлений, и сделал широкие области человеческой практики поддающимися строгому анализу и расчету. «Аэроплан не машина, — говорили на заре авиации многие изобретатели и инженеры, — его рассчитать нельзя». Как бы в ответ на это Н. Е. Жуковский дает авиационной технике теорему о подъемной силе, создает теорию воздушного винта, изобретает серии теоретических профилей, читает лекции по аэродинамическому расчету, и создание новых аэропланов становится доступным строгому научному расчету и анализу.
     
      ВЕРТОЛЕТ
     
      Из истории вертолета
      Идея вертолета — едва ли не самая древняя в истории полетов на аппаратах тяжелее воздуха. Об этом свидетельствуют, например, относящиеся к концу XV века рисунки гениального итальянского ученого Леонардо да Винчи, изображайте летательный аппарат тяжелее воздуха с винтом, вращающимся в горизонтальной плоскости. Первая реальная, теоретически обоснованная попытка создания винтокрылого летательного аппарата принадлежит великому ученому М. В. Ломоносову. Ломоносов уделял большое внимание изучению атмосферы. Это побудило ученого создать аппарат для поднятия в воздух изобретенных им самопишущих метеорологических2 приборов.
      В то время (в 50-х годах XVIII столетня) ппкто, кроме птиц и насекомых, не поднимался в воздух. Ломоносов решительно отказывался от слепого подражания полету птиц. Он пошел другим путем, оказавшимся единственно правильным. Ученый изобрел простейшее по конструкции устройство, в котором для создания подъемной силы было использовано вращение.
      4 февраля 1754 года на заседании Петербургской Академии наук М. В. Ломоносов выступил с сообщением об изобретенной им машине, предназначенной для подъема метеорологических приборов в верхние слои атмосферы. Архивариус Академии записал об этом событии следующее:
      «Г-н сов. и проф. Ломоносов собранию представил о машине маленькой, которая бы вверх подымала термометры и другие малые инструменты метеорологические, и предложил оной же машины рисунок; того ради г-да заседающие оное его представление опробовали и положили канцелярию Академии наук рапортом просить, чтоб соблаговолено было приказать речеиную машину по приложенному коему рисунку для опыта сего изобретения сделать под его г-на автора смотрением...»
      Вскоре по чертежам М. В. Ломоносова была построена действующая модель машины. 1 июля 1754 года ученый уже демонстрировал свое изобретение членам Академии.
      «Высокопочтенный советник Ломоносов показал изобретенную им машину, называемую им аэродинамическою (то есть воздухобеж-ной), — было записано в протоколе. — Машина подвешивалась на шнуре, протянутом по двум блокам, и удерживалась в равновесии грузиками, подвешенными с противоположного конца. Как только пружина заводилась, машина поднималась на высоту и поэтому обещала достижение желаемого действия. Но это действие, по суждению изобретателя, еще более увеличится, если будет увеличена сила пружины и если увеличить расстояние между той и другой парой крыльев, а коробка, в которой заложена пружина, будет сделана для уменьшения веса из дерева. Об этом он (Ломоносов) обещал позаботиться».
      В ту пору винт как устройство, пригодное для приведения в движение транспортной машины, вообще не был известен. Этот движитель1 не использовался тогда и в водном транспорте. Ломоносов первый в истории предпринял попытку применить винт для обеспечения поступательного движения в воздухе летательного аппарата тяжелее воздуха. Описание аппарата говорит о том, что он, глубоко понимая законы сопротивления воздуха, научно обос-позал принцип работы вертолета с несущим винтом. Так, М. В. Ломоносов подчеркивал, что несущий винт изобретенного им вертолета должен «нажимать», т. е. нагнетать воздух, отбрасывать его вниз, вследствие чего и возникает тяга несущего винта.
      Таким образом, еще 200 лет назад гениальный сын русского парода дал принципиально правильное решение идеи вертолета. Модель летательного аппарата М. В. Ломоносова — это первый прообраз современных вертолетов. Смелые идеи Ломоносова на многие десятилетия опередили его эпоху. Лишь впоследствии, с развитием науки
      1 Движителем называют специальное устройство, предназначенное для преобразования работы двигателя в поступательное движение транспортных машин по суше, воде, в воздухе и в безвоздушном пространстве. Движителем для самолета, вертолета, дирижабля, глиссера, аэросаней служит воздушный винт, для судов — гребной винт, для автомобиля, локомотива и т. п. — колесо, для ракеты, летящей в безвоздушном пространстве, — струя газов, выбрасываемых е сопла реактивного двигателя.
      и техники, изобретатели, разрабатывавшие идею вертолета, смогли построить машину, способную поднять человека в воздух.
      Конец прошлого века ознаменовался большим количеством теоретических и экспериментальных исследований в области аэродинамики1, в частности по воздушным винтам, проведенных знаменитыми отечественными учеными: Н. Е. Жуковским, К. Э. Циолковским, С. А. Чаплыгиным, А. Ф. Можайским и др.
      В первое десятилетие XX века были разработаны и построены легкие бензиновые двигатели, способные развивать достаточную для осуществления полета мощность.
      Появление самолетов оказало серьезную помощь ученым, изобретателям и конструкторам, занятым разрешением проблемы вертолета.
      Большое значение для развития конструкции вертолета имели исследования одного из ближайших учеников Н. Е. Жуковского, ныне академика Б. Н. Юрьева.
      В 1908 году Б. Н. Юрьев, тогда еще студент Московского высшего технического училища, начал разрабатывать проект одновинтового вертолета с рулевым винтом. Для своего вертолета молодой исследователь предполагал использовать двигатель мощностью 70л. с. К концу 1909 года Б. Н. Юрьев под руководством Н. Е. Жуковского разработал другой проект вертолета несколько меньших размеров с двигателем мощностью 50 л. с. Третий проект вертолета Б. Н. Юрьеву удалось осуществить в 1912 году. Этот вертолет имел двигатель мощностью 25 — 30 л. с. Общий вес машины без пилота составлял 202,5 кГ. Этот вертолет, построенный под руководством Б. 11. Юрьева студентами, членами воздухоплавательного кружка при Московском высшем техническом училище, демонстрировался на Второй международной воздухоплавательной выставке в Москве весной 1912 года.
      Б. Юрьев получил на выставке золотую медаль за прекрасную теоретическую разработку проекта и его конструктивное осуществление. Вскоре состоялись первые испытания вертолета. К сожалению, после случайной поломки важной детали — главного вала винта — экспериментальные исследования этого аппарата не были продолжены из-за недостатка средств у изобретателя, а царское правительство на такие дела денег не отпускало.
     
      Применение вертолета
      Безопасность полета — одно из пажпейших требований, предъявляемых ко всем типам летательных машин. Одномоторный самолет в случае поломки двигателя должен немедленно планировать и приземлиться. Но для безаварийной посадки даже легкого самолета требуется достаточно ровная, расчищенная площадка шириной в несколько десятков и длиной в несколько сот метров. Иное дело — вертолет. Внезапная остановка двигателя не страшна этой машине. Вертолет может спланировать или спуститься вертикально и совершить вынужденную посадку на любую площадку: небольшую лужайку, шоссе, проселочную дорогу или прямо на пашню.
      У вертолета нет опасного свойства самолета «терять скорость», которое иногда может стать причиной авиационной катастрофы.
      В случае необходимости вертолет способен сопровождать, не обгоняя и не отставая, идущий поезд, автомашину, пароход, глиссер, лодку, пловца.
      Можно добиться, чтобы полет вертолета был почти бесшумным. Дело в том, что несущий винт вертолета вращается в несколько раз медленнее, чем самолетный винт, и поэтому создает сравнительно мало шума. А от гула работающего двигателя можно легко избавиться, поставив глушитель.
      Свойства и особенности вертолета определяют области его применения в народном хозяйстве.
      Юркая двухместная машина — незаменимое средство сообщения и связи в труднодоступных местах. Связь между геологическими партиями, работающими в горных и таежных районах, перевозка почты и срочных грузов в населенный пункты, расположенные в лесисто-болотистой местности, доставка врачей и медикаментов туда, где не может приземлиться самолет, быстрая транспортировка больных, нуждающихся в неотложной помощи, — все это может делать вертолет.
      Вертолет прочно входит в нашу жизнь. Ранней весной 1954 года в районы Заволжья на вертолетах в исключительно сложных метеорологических условиях был переброшен корм для скота. Сейчас каждое утро в некоторые районы Московской области прибывает вертолет, доставляя свежие столичные газеты и почту.
      Можно ожидать, что основным типом вертолета завтрашнего дня будет тяжелая многомоторная, многоместная машина с несколькими несущими винтами. Уже сейчас проектируются, строятся и испытываются вертолеты, рассчитанные на перевозку крупных грузов или большого количества людей. Такие аппараты способны обслуживать пассажирские линии, причем отпадает необходимость в специально оборудованных аэродромах; для взлета и посадки может быть использовано шоссе, даже достаточно широкая улица, пустырь или спортивная площадка — вообще любой участок в несколько десятков квадратных метров.
      Интересны попытки создания вертолета-автомобиля. Это по существу обычная легковая автомашина со складывающимся на земле несущим винтом. Она окажется пригодной и для деловых целей и для загородных семейных прогулок. Один из вертолетов-автомобилей рассчитан на двух человек. На этой машине имеется обычный автомобильный штурвал для управления при езде по дороге и в горизонтальном полете. Управление при подъеме, спуске и «висе-
      нии» производится с помощью рукоятки на потолке кабины. Два соосных несущих винта вращаются в противоположные стороны двигателем мощностью в 90 л. с. Максимальная скорость горизонтального полета этого вертолета-автомобиля — до 150 км в час, а скорость движения по дороге — до 90 км в час.
      Таким образом, можно предполагать, что в ближайшие годы пассажирские вертолеты будут широко применяться как средства городского и пригородного транспорта коллективного и индивидуального пользования. Уже сейчас имеется опыт применения четырехместных вертолетов в качестве «воздушного такси».
      В случае нужды вертолет может совершить посадку на плоскую крышу дома. Даже там, где нет места для приземления, например на крутых горных перевалах и в непроходимых топях, нас выручит эта замечательная машина: с вертолета, «повисшего» в нескольких метрах над землей, можно сбросить веревочную лестницу. Эти примеры показывают, что в ряде случаев вертолет незаменим.
      Вертолет будет широко использоваться для систематического наблюдения за нефте- и газопроводами (например, на трассе Саратов — Москва) и высоковольтными линиями электропередач.
      Эта машина найдет применение для несения патрульной службы по борьбе с лесными пожарами и для ледовой разведки в северных районах.
      Вертолет пригоден для проведения геологических разведок, поисков лежбищ морского зверя и косяков рыб в открытом море. В морских условиях вертолет может стартовать и садиться прямо на палубу даже небольшого судна.
      Вертолет окажет неоценимую помощь в борьбе с сельскохозяйственными вредителями, особенно в горных районах наших субтропиков, где самолет совершенно непригоден. Значительную пользу принесет вертолет при опрыскивании с воздуха небольших садов и огородов, при подкормке посевов и т. п.
      С вертолета удобнее, чем с самолета, производить аэрофотосъемку.
      Таким образом, вертолеты могут оказать большую помощь при составлении карт местности. После окончания строительства ВолгоДонского судоходного канала имени В. И. Ленина это замечательное сооружение было сфотографировано с вертолета.
     
      Винт вместо крыла
      Известно, что крыло должно быстро перемещаться в воздушной среде — без этого не появится необходимая подъемная сила. Вот почему самолет, потеряв скорость, пе может остановиться в воздухе.
      Крылья самолета неподвижно скреплены с его корпусом. А нельзя ли сделать так, чтобы крылья перемещались независимо от корпуса? Вспомним, как летают птицы и насекомые. Машущие крылья птиц, периодически колеблющиеся крылышки насекомых были образцами, которым следовали конструкторы орнитоптеров — летательных аппаратов тяжелее воздуха с подвижными крыльями.
      Такое подражание природе успехом не увенчалось. За всю историю науки и техники не удалось создать ни одной более или менее надежной конструкции орнитоптера. И все-таки летательный аппарат с движущимися крыльями создан.
      Есть забавная детская игрушка «муха» — летающий пропеллер. Это — вырезанный из дерева небольшой двухлопастный воздушный винт с круглой палочкой, продетой сквозь просверленное в центре него отверстие. Быстро раскрутив палочку между ладонями, придают винту вращение и отпускают его. Он мгновенно взлетает к потолку.
      Л вот и другой вид подобной игрушки. Четырехлопастный винт сделан из пластмассы. У него короткая ось с двумя шпильками, которые вставляются в пазы специального заводного приспособления. Закрутим пружинку, повернем несколько раз винт, вставленный в это устройство, и нажмем кнопку в нижней части приспособления. Отпущенная пружинка, разворачиваясь, сообщит быстрое вращение винту, и он, выскользнув из пазов, взлетит на высоту нескольких метров.
      Эта игрушка — действующая модель винтокрылой летательной машины. Опыты с такой игрушкой весьма поучительны. Присмотревшись к ней, мы заметим, что лопасти винта расположены не в одной плоскости, а несколько отогнуты. Нетрудно понять, что, вращаясь, винт своими лопастями отбрасывает воздух вниз. При этом каждая лопасть работает как крыло самолета. Подобно крылу, оно отталкивает воздух от себя. Воздух тоже стремится оттолкнуть лопасти, отбрасывая винт вверх. Иными словами, к каждой лопасти вращающегося винта, как и к крылу летящего самолета, приложена подъемная сила. Она значительно больше веса самого винта и поэтому заставляет его взмывать к потолку.
      Таким образом, если заставить крыло двигаться, когда сам летательный аппарат находится в покое, то появится полная аэродинамическая сила, а следовательно, и подъемная сила. Этот принцип создания подъемной силы и осуществлен в вертолете. Это достигается с помощью несущего винта, заменяющего крылья самолета.
      Лопасть воздушного винта вертолета в разрезе почти не отличается от профиля крыла самолета. Таким образом, винт (движитель) вертолета представляет собой два или три (а то и четыре, смотря по числу лопастей) «крыла». Эти «крылья» вращаются вокруг оси в горизонтальной плоскости (рис. 155).
      Мы знаем, что воздушный винт самолета, вращаясь в вертикальной плоскости, создает тягу. Сила тяги направлена в сторону движения машины (вперед) и при равномерном горизонтальном полете с постоянной скоростью уравновешивает силу лобового сопротивления.
      Но силе тяги воздушного винта можно придать и другое направление. Если заставить винт вращаться в горизонтальной плоскости, то его тяга будет направлена по вертикали. Именно так и сделано в вертолете. Его несущий винт, вращаясь в горизонтальной плоскости, развивает тягу, которая уравновешивает полетный вес всей машины. Совершая вращательное движение, несущий винт создает подъемную силу, которая удерживает вертолет в воздухе независимо от того, перемещается ли он поступательно или же «висит» на одном месте.
      Несущий воздушный винт вертолета состоит из нескольких лопастей и втулки. Число лопастей винта обычно равно трем-четырем. Встречаются также двухлопастные винты. Но несущие винты отличаются не только числом лопастей; они характеризуются также диаметром, шириной лопастей и углом их установки.
      Рис. 155. Трехлопастный несущий винт вертолета
      Если мы разрежем лопасть винта поперек, то увидим, что форма его сечения такая же, как и у крыла самолета (рис. 155, слева). Угол между хордой сечения лопасти и плоскостью вращения винта называется углом установки сечении лопасти.
      Чтобы попять, как образуется тяга несущего винта, представим себе, что каждая его лопасть — это небольшое крыло. При вращении винта лопасти будут двигаться в воздухе, и на них возникнут полные аэродинамические силы. Их проекции на ось вращения винта дадут нам величину силы тяги винта. Проектируя полные аэродинамические силы на плоскость вращения винта, мы получим силу сопротивления вращению несущего винта (рис. 156). На преодоление этой силы и расходуется мощность двигателя.
      Чем же определяется величина тяги несущего винта?
      Напомним, что полная аэродинамическая сила крыла тем больше, чем больше площадь крыла, угол атаки и скорость полета. Равным образом полная аэродинамическая сила несущего винта тем значительнее, чем больше площадь лопастей, угол их установки и скорость вращения. Поэтому на крупных вертолетах применяются винты большого диаметра, с большими по площади лопастями.
      Пока подъемная сила несущего винта полностью уравновешивает полетный вес вертолета, он «висит» в воздухе, не снижаясь
      и не поднимаясь. Как только уменьшится подъемная сила винта, вертолет начнет снижаться, так как его полетный вес превысит тягу винта. Наоборот, если подъемная сила несущего винта возрастет, то вертолет станет подниматься, так как сила тяги несущего винта будет превышать полетный вес машины. Изменяя обороты несущего винта или угол установки лопастей, летчик управляет движением вертолета по вертикали. Увеличивается скорость вращения винта или угол установки лопастей — возрастает подъемная сила и машина поднимается. Падают обороты винта или уменьшается угол установки — убывает подъемная сила и вертолет снижается.
      Несущий винт вертолета должен создавать большую подъемную силу, особенно на взлете и при наборе высоты. Поэтому диаметр несущих винтов, применяемых на вертолетах, достигает иногда 10 — 15 м и более. Эти винты в несколько раз больше воздушных винтов самолетов, но скорость их вращения в несколько раз меньше.
      Мы уже отмечали, что лопасть несущего винта вертолета напоминает крыло самолета. На рисунке 155 показано сечение лопасти несущего винта. Здесь есть все элементы профиля крыла. При вращении винта лопасть движется своей передней кромкой в направлении, указанном на рисунке стрелкой. При этом возникает действующая на лопасть полная аэродинамическая сила, подобно тому как это происходит при обтекании крыла летящего самолета.
      Полную аэродинамическую силу создают все элементы лопасти несущего винта. Сложив все силы, распределенные вдоль размаха лопасти, мы получим полную аэродинамическую силу, действующую на всю лопасть.
     
      Вертолет в воздухе
      Медленно и величаво пролетает, словно плывет по воздуху, вертолет. Вот он, не спеша, разворачивается, останавливается и неподвижно «повисает» в нескольких десятках метров над землей.
      Рис. 156. Силы, препятствующие вращению несущего винта
      Вдруг слегка качнувшись, он начинает подниматься по отвесной линии, как будто его подтягивают вверх на невидимом троссе. Забравшись на высоту 200 — 300 м, вертолет снова «замирает» на несколько секунд, а затем медленно спускается. Сначала он движется вертикально вниз, потом меняет направление и, продолжая спуск, как бы скользит по наклонной плоскости...
      Рассмотрим поведение вертолета в воздухе с точки зрения механики. Вспомним, как силы приложены к летящему самолету. Это — полная аэродинамическая сила, которая может быть разложена на подъемную силу и силу лобового сопротивления, а также сила тяги и полетный вес самолета.
      Тяга рулевого винта
      Рис. 157. Силы, приложенные к вертолету, «висящему» в воздухе
      Рис. 158. Несущий винт стремится повернуть вертолет в сторону, противоположную направлению своего вращения
      Предположим, что те же силы действуют и на вертолет. Посмотрим, насколько верно это допущение.
      Несомненно, сохранится сила тяжести — полетный вес вертолета. Эта сила будет действовать в том же направлении — к центру земли. А как с другими силами?
      Вот вертолет «повис» в воздухе. Работает двигатель, вращается несущий винт. Вертолет неподвижен. Значит, все силы взаимно уравновешены: несущий винт развивает тягу, равную полетному весу машины (рис. 157).
      Но достаточно ли одного несущего винта, чтобы вертолет «повисал» неподвижно в воздухе?
      Многие, вероятно, помнят забавную детскую игрушку — бабочку, которая летает с помощью несущего винта, приводимого в движение закрученными резиновыми жгутами. При вращении винта сама бабочка вращается в противоположную сторону.
      Примерно то же самое происходит и с вертолетом. Несущий винт, вращаясь, не только создает подъемную силу, преодолевающую силу тяжести. Он, кроме того, стремится повернуть всю машину в сторону, противоположную вращению винта (рис. 158).
      Как же помешать вертолету поворачиваться в направлении, противоположном вращению несущего винта?
      На одновинтовом вертолете для этой цели чаще всего применяется специальный рулевой винт. Обычно он расположен на конце
      хвостовой балки вертолета. Рулевой винт, приводимый во вращение двигателем, порождает тягу. Как показано на рисунке 158, она направлена в сторону, противоположную той, куда несущий винт поворачивает машину. Таким образом, оба эти усилия, стремящиеся повернуть вертолет в противоположных направлениях, взаимно уравновешиваются. Не будь рулевого винта, вертолет все время крутился бы с некоторой скоростью в направлении, противоположном вращению несущего винта.
      Вместе с тем рулевой винт позволяет управлять вертолетом в горизонтальной плоскости. Для этого летчик изменяет тягу рулевого винта, и вертолет поворачивается в ту сторону, в которую действует больший крутящий момент, создаваемый несущим винтом, или противоположно направленный компенсирующий момент, возникающий в результате работы рулевого винта.
      Но вертолет способен не только «висеть» в воздухе, подниматься и опускаться по отвесной линии и поворачиваться на одном месте. Он может перемещаться и по горизонтали и под любым углом к горизонту, может совершить подъем и спуск по любой траектории.
      Что движет, толкает вертолет по горизонтали? Самолет движется поступательно под действием тяги воздушного винта. У вертолета не один, а два винта — несущий и рулевой. Какой же из них является движителем, создает горизонтальную тягу?
      Рулевой винт вертолета, подобно воздушному винту самолета, вращается в вертикальной плоскости. Значит, его тяга направлена по горизонтали. Но эта сила не может сообщать вертолету поступательное движение в воздухе. Она не проходит через центр тяжести машины и поэтому может только повернуть вертолет, о чем уже говорилось.
      Рис. 159. Силы, действующие на горизонтально летящий вертолет
      Остается несущий винт — движитель вертолета. Он и создает тягу, направленную не только по вертикали, но и по горизонтали.
      Прежде чем перейти из положения «висения» в воздухе в положение горизонтального полета, вертолет должен слегка накрениться. Когда вертолет получит некоторый крен, тяга несущего винта отклонится на такой же угол. Этот момент и изображен на рисунке 159, где схематично показаны силы, действующие на вертолет при горизонтальном полете.
      Как показано на рисунке, полная сила тяги несущего винта может быть разложена на две взаимно перпендикулярные силы, из которых одна (подъемная сила) направлена по вертикали, а другая (горизонтальная тяга)-- по горизонтали. Вертикальная составляющая полной силы тяги (подъемная сила) уравновешивает силу тяжести — полетный вес вертолета. А горизонтальная составляющая (горизонтальная тяга) создает поступательное движение вертолета. При полете с постоянной скоростью она уравновешивает силу лобового сопротивления вертолета.
      Подобным же образом можно построить параллелограмм сил, действующих на вертолет при подъеме и спуске по наклонной линии, при полете по любой траектории.
     
      Устройство вертолета
      Современные вертолеты обычно состоят из следующих основных частей: фюзеляжа, несущего винта, двигателя, трансмиссий, системы управления вертолетом, шасси и рулевого винта.
      Назначение фюзеляжа вертолета — то же, что у самолета. Фюзеляж связывает между собой все составные элементы вертолета в одно целое. В нем размещены силовая установка, механизмы трансмиссии, система управления, различное специальное оборудование (рис. 160); в фюзеляже имеются кабина для пилота и пассажиров (если машина многоместная) и особое помещение для грузов.
      Современные вертолеты, кик и самолеты, н большинстве случаев бывают одпофюзеляжные. Передняя часть фюзеляжа застеклена (рис. 161). Фонарь (колпак из иебыощегося органического стекла) защищает экипаж от встречного потока воздуха и от непогоды.
      Кабина оборудована окошками, а также плотно закрывающимися дверцами. В кабине прямо перед пилотом укреплена приборная доска. Здесь же размещены ручки и педали управления. От следующего отсека, где находится двигатель, кабина может быть отделена невоспламеняющейся противопожарной перегородкой.
      Корпус вертолета имеет несколько иную форму, чем у самолета. Задняя часть его оканчивается продолговатой хвостовой балкой, конец которой у машин некоторых типов загнут кверху. Под фюзеляжем находится трехколесмое шасси: одно колесо — спереди, под кабиной, два других — по бокам фюзеляжа, ближе к его хвостовой части.
      Фюзеляжи бывают металлические, деревянные и смешанные, в которых применены части, сделанные как из металла, так и из дерева. Дерево, идущее на изготовление деталей фюзеляжа, тщателыю отбирается и проходит специальную предварительную обработку: прессуется (облагораживается), сушится, а затем пропиты-ваотся особыми огнестойкими растворами.
      Для обшивки фюзеляжа чаще всего используют либо ткань (специальное полотно), либо многослойные сорта фанеры. Фанера прочно приклеивается к каркасу фюзеляжа казеиновым или смоляным клеем, отличающимся высокой влагоустоичивостью, и, кроме того, прибивается к деталям каркаса мелкими гвоздями. Сверху она покрывается густым слоем лака.
      В некоторых типах и конструкциях вертолетов каркас фюзеляжа обшивается тонким листовым металлом, чаще всего дюралюминием. Этот замечательный по своим качествам алюминиевый сплав, куда входят медь, магний, марганец и другие элементы, очень легкий и чрезвычайно прочный, зарекомендовал себя в авиастроении как незаменимый в ряде случаев материал.
      В средней части фюзеляжа, на специальной раме, установлен двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение несущий и рулевой винты. Вращение от двигателя передается посредством особого передаточного механизма — трансмиссии.
      Место установки двигателя в значительной мере зависит от конструкции и типа вертолета. В одновинтовых вертолетах в целях обеспечения надежности работы трансмиссии и уменьшения ее веса мотор располагают обычно в непосредственной близости от несущего винта — под ним. При этом двигатель может быть установлен так, что ось его коленчатого вала совпадает с направлением оси основного потребителя мощности — несущего винта. Этим значительно упрощается компоновка машины.
      Но коленчатый вал двигателя нельзя соединить непосредственно с валом несущего винта. Современные авиадвигатели развивают 2000 — 2500 оборотов в минуту, тогда как несущий винт должен вращаться в несколько раз медленнее. Следовательно, прежде чем передать крутящий момент двигателя несущему винту, обороты коленчатого вала необходимо редуцировать, т. е. изменить их, уменьшить в несколько раз. Для этой цели служит редуктор — специальный механизм, состоящий из зубчатых колес, подобранных определенным образом. Отношение числа зубьев ведущей шестерни, сидящей на коленчатом валу двигателя, к числу зубьев ведомой шестерни, закрепленной на валу несущего винта, определяет степень редукции или величину изменении количества оборотов (рис. 162).
      Трансмиссия вертолета — промежуточный механизм, обеспечивающий передачу мощности от двигателя к несущему винту, — состоит не только из редуктора несущего винта. В нес входят также муфта сцепления, муфта свободного хода, соединительные валы и карданные сочленения. Если же двигатель на вертолете установлен так, что его коленчатый пал расположен горизонтально, то обязательно должен быть еще один редуктор — центральный, который изменяет направление передачи мощности с горизонтального на вертикальное.
      Рассмотрим, как с помощью трансмиссии вращение вала двигателя передается несущему винту вертолета.
      Двигатель запущен и работает, но его коленчатый вал вращается пока вхолостую. Между ним и центральным редуктором находится муфта сцепления или муфта включения. Чтобы передать мощность от двигателя к несущему винту, надо плавно включить муфту сцепления (обычно фрикционного типа, как и автомобильная). Посредством специального устройства пилот освобождает пружину, и она с силой прижимает один диск муфты сцепления к другому. Между соприкасающимися поверхностями дисков возникает трение, и оба диска начинают вращаться вместе. Вращение вала двигателя переходит от ведущего диска к ведомому, сидящему на валу центрального редуктора, а через этот редуктор передается на соединительный вал. На его концах имеются карданные сочленения. Эго — специальные шарниры, устроенные по такому же принципу, как и подвеска компаса на корабле.
      Морской компас должен оставаться в горизонтальном положении при любом наклоне палубы во время качки. Для этого его подвешивают на двух шарнирах в кольце, которое в свою очередь вставляют внутрь другого кольца и соединяют с ним подвижно на таких же шарнирах. Снизу к компасу прикрепляют груз. При любом крене корабля, как бы ни наклонялись кольца, связанные шарнирами друге другом и с компасом, последний всегда сохраняет горизонтальное положение.
      Подобным образом сочленяются валы силовой передачи автомобиля. Это же устройство применяется и в трансмиссии вертолета. Если соосность (геометрическое совпадение осей) соединительных валов и нарушается, то вращение через промежуточный вал, на концах которого имеется по карданному шарниру, все равно передается. За соединительным валом расположена муфта свободного хода. Она автоматически отъединяет несущий винт от двигателя,
      если последний во время полета вышел из строя. Несущий винт перейдет на режим самовращения, а благодаря муфте свободного хода ему не надо будет вращать остановившийся двигатель. И вертолет не упадет. Он медленно спланирует и совершит посадку, так как несущий винт, продолжая вращение, создаст силу, препятствующую быстрому снижению, подобно тому как это происходит при спуске с парашютом.
      Через муфту свободного хода вращение вала двигатели передается редуктору несущего винта. Здесь, как мы уже знаем, цилиндрические шестерни, взаимодействуя друг с другом, уменьшают число оборотов двигателя в несколько раз. А на валу этого редуктора закреплена втулка несущего винта, который, вращаясь, создает подъемную силу, удерживающую вертолет в воздухе.
     
      СВЕРХЗВУКОВЫЕ СКОРОСТИ В АВИАЦИИ
      Переход от винтовых самолетов к реактивным — резкий скачок в развитии авиации. Новые самолеты отличаются от своих предшественников не только двигателями. Околозвуковые скорости, которые могут развивать эти машины, сделали качественно иным и взаимодействие их с воздухом.
      Первыми в авиации встретились со сверхзвуковыми скоростями воздушные винты.
      Лет десять-двенадцать назад при полете быстроходных самолетов стали наблюдаться совершенно непонятные, казавшиеся таинственными, явления: на скоростях порядка 600 — 700 км/час пропеллер тянул машину все слабее и слабее — коэффициент полезноного действия воздушного винта начинал резко падать.
      Причина этого заключалась в следующем: лопасти винта одновременно вращаются с большой скоростью и перемещаются вперед вместе с самолетом. Уже при скорости полета 900 км, час их концы будут развивать суммарную скорость, значительно превышающую звуковую! А именно, скорость звука и была тем рубежом, за которым начинались непонятные явления.
      Скоростные истребители и специальные рекордные гоночные машины, соединявшие в себе все новейшие достижения авиационной техники, при полете со скоростями 700 — 800 км!час начали сталкиваться и с иными явлениями, также мало попятными вначале. На таких скоростях самолет нередко почти полностью терял управляемость, а при пикирующем полете, когда скорость летящею самолета вплотную приближалась к 1000 км!час, часто начиналась вибрация крыльев и хвостового оперения.
      Слово «вибрация» означает колебание. Крылья и оперение начинали дрожать, колебаться и зачастую ломались.
      1 Из книги Л. К. Баева и И. А. Меркулова1 «Самолёт-ракета».
      Лишь тщательная теоретическая и экспериментальная работа позволила разгадать эти явления, доставлявшие много неприятностей летчикам и конструкторам.
      Оказалось, что картина обтекания воздухом тела, движущегося со звуковой скоростью, резко меняется, приобретая новые особенности. Их разгадка впервые была найдена в нашей стране.
      ...В 1902 году один из лучших учеников гениального русского ученого профессора Николая Егоровича Жуковского — приват-доцент Московского университета Сергей Алексеевич Чаплыгин защищал свою докторскую диссертацию «О газовых струях». Эта классическая работа заложила прочный теоретический фундамент нового отдела физических наук — науки о движении тел с околозвуковыми скоростями — газовой динамики. Многочисленные работы зарубежных ученых значительно отстали как по времени, так и по качеству отфундаментального, не превзойденного до сих пор труда замечательного русского ученого, обогатившего отечественную и мировую авиационную науку. Выдающаяся теоретическая работа Чаплыгина оказала впоследствии неоценимую услугу конструкторам и инженерам, проектировавшим скоростные самолеты, высотные ракеты, реактивные двигатели невиданных мощностей, а также гигантские аэродинамические трубы для исследования газового потока сверхзвуковых скоростей.
      Всякое тело при своем движении в воздухе испытывает его сопротивление. Изучением сил, возникающих при движении различных тел в воздухе, занимается наука, называемая аэродинамикой. Она говорит нам, что сила сопротивления воздуха растет пропорционально квадрату скорости полета. Значит, всякое тело при увеличении скорости вдвое будет испытывать вчетверо большее сопротивление. Этот закон справедлив, если предположить, что воздух является совершенно несжимаемым. Однако практически такое предположение приемлемо лишь для скорости полета, не превышающей 700 км/час. При дальнейшем увеличении скорости воздух начинает сжиматься, правда, сначала еще не очень значительно.
      Вследствие сжимаемости воздуха сопротивление на больших скоростях резко возрастает. Например, если при изменении скорости самолета от 300 до 600 км/час сопротивление воздуха увеличивается вчетверо, то повышение скорости этого же самолета от 600 до 1200 км/час вызовет рост сопротивления воздуха примерно в 30 раз, или пропорционально пятой степени скорости.
      Артиллеристам задолго до авиаторов пришлось столкнуться с резким скачкообразным увеличением сопротивления воздуха на околозвуковых скоростях. Это вынудило их изыскивать и изобретать новые, более совершенные очертания снарядов и пуль, увеличивать их длину, заострять носовую часть. Большие скорости снарядов и пуль заключали в себе тайну сверхдальней и меткой стрельбы и легко решали в их пользу задачу вековой борьбы между ними и броней.
      Исследования артиллеристов показали, что при полете пуль и снарядов впереди их заостренной части движется «подушка» уплотненного воздуха («скачок уплотнения»), увлекающая за собой конус сгущенного воздуха (рис. 163). Это-то и создает добавочное сопротивление, во много раз превышающее то, которое возникает на обычных дозвуковых скоростях.
      Чем же объяснить принципиальное различие в движении тел с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями? Почему при звуковых и сверхзвуковых скоростях возникает скачок уплотнения?
      Любой толчок, любое колебание, любое, самое слабое изменение давления, за исключением взрывных волн, распространяются в воздухе со скоростью звука. Вот движется тело. Своим передним окончанием оно толкает находящиеся впереди него частицы воздуха. Эти толчки передаются вперед от одних частиц к другим со скоростью звука. Частицы воздуха, находящиеся на некотором расстоянии впереди тела, получают как бы сигнал в виде звуковых, или, что то же, волновых колебаний. Предупрежденные «взвуковым сигналом» воздушные частицы расступаются и, давая телу дорогу, плавно обтекают его по сторонам. И тело продвигается вперед, преодолевая сравнительно небольшое сопротивление. Такова картина перемещения тела в воздухе с дозвуковой скоростью.
      Что же произойдет, если скорость движения сравняется со звуковой?
      Скорость распространения этих колебаний, порожденных движущимся телом, будет по-прежнему равна скорости звука относительно окружающего тело воздуха. Следовательно, в каждый данный момент тело будет догонять вызываемые нм же самим колебания воздушных частиц.
      Таким образом, тело, перемещающееся со скоростью звука, будет приходить на новое место одновременно с создаваемыми им волновыми колебаниями. Иначе говоря, и тело и порождаемые нм воздушные волны будут двигаться вместе, наравне друг с другом.
      В этом случае колебания воздушных частиц, возникающие при движении тела, уже не смогут «известить» о его приближении находящиеся впереди в состоянии покоя частицы воздуха. Не получив волнового сигнала, еще не возмущенные частицы воздуха не успеют расступиться перед набегающим на них телом, и оно врежется в них, заставив их сжаться, уплотниться.
      Рис. 163. Картина обтекания снаряда воздухом
      Так как тело неотступно движется за порождаемыми им самим колебаниями воздуха, оно будет окружено летящими вместе с ним упругими звуковыми волнами. Накладываясь друг на друга, эти волны образуют перед телом «барьер» сильно уплотненного воздуха.
      Этот-то барьер и будет препятствовать движению тела, вызывая резкие возмущения, а следовательно, и большое сопротивление окружающей невозмущенпон воздушной среды.
      Разберем случай, когда тело движется со сверхзвуковой скоростью. Теперь оно уже будет обгонять вызываемые его движением звуковые волны. Позади него останется вереница сферических звуковых волн.
      В каждый данный момент носок тела возбуждает все новые и новые звуковые волны. А ранее возникшие волны уже успели расшириться. вырасти. Их радиус тем больше, чем раньше они появились, чем дальше ушло от них тело. Слагаясь, эти бесчисленные сферические волны звука образуют за телом конус возмущений, в вершине которого и находится само тело. Этот конус тем острее, чем скорость движения больше скорости звука.
      «Кружевной узор» воздушных волн, порожденных телом, движется вместе с ним со сверхзвуковой скоростью. Эти волны возмущают окружающую воздушную среду и вызывают дополнительное сопротивление, а в головной части конуса возникает скачок уплотнения-область уплотненного воздуха, которая перемещается вместе с телом впереди него. Этот-то скачок уплотнения и является главной причиной добавочного сопротивления на звуковых скоростях полета (рис. 164).
      Многие читатели не раз любовались «падающими звездами». Небесные пришельцы — крохотные космические тела из недр мирового пространства — врезаются в земную атмосферу со скоростями в десятки километров в секунду. При этом перед метеорным телом образуется сильно сжатая воздушная «подушка» — скачок уплотнения. Газ в скачке уплотнения накаляется до нескольких тысяч градусов и испускает яркий свет — его-то мы обычно и видим, когда наблюдаем «падающую звезду».
      Итак, при движении тела со скоростью звука каждая последующая сферическая воздушная волна, порожденная им, будет догонять предыдущую. В результате все волновые сферы сомкнутся, множество уплотнений и разрежений воздуха (из которых и состоят звуковые волны) сольются друг с другом воедино, и перед телом возникнет как бы сидящий на его носовой части один общий слой уплотненного воздуха, который будет перемещаться вместе с самим телом.
      Такой слой сжатого воздуха в несколько раз увеличит общее сопротивление движению тела. Происходит как бы удар воздушной струи о тело. В месте этого удара возникает ударная волна — скачок уплотнения; давление и температура внутри него возрастают очень резко — скачкообразно. Именно в этой зоне уплотненного воздуха энергия движения тела переходит в повышение давления и в тепло, которое затем рассеивается. Таким образом, дополнительное сопротивление в этом случае — непосредственный результат превращения механической энергии (движение тела) в теплоту (сжатие и нагрев воздуха, в зоне скачка). Энергия самолета, летящего со звуковыми скоростями, и расходуется в конечном счете на нагревание возмущенного им воздуха.
      Вследствие того, что причиной рис. 164а. Возможная форма подобных «сюрпризов» являются скоростного самолета волны, возникающее при этом
      дополнительное сопротивление называют волновым, а само явление получило название «волнового кризиса».
      Опыт, накопленный артиллерией, а также теоретические исследования советских ученых в области газовой динамики пришли на помощь авиации. Краям лопастей воздушных винтов скоростных самолетов стали придавать заимствованную у сверхдальнобойных артиллерийских снарядов заостренную форму. Теперь лопасти пропеллеров уже не походили больше на тупые с краев лопасти лодочных весел, а напоминали скорее заостренные лезвия кривых сабель или изогнутые клинки обоюдоострых мечей. И результаты не замедлили тотчас же сказаться: новые винты позволили повысить скорость самолетов.
      Пытливая мысль наших ученых и инженеров, чье творческое дерзание неустанно двигает технику вперед, успешно изыскивает пути преодоления «звукового барьера». И в первую очередь эта работа сказывается в изменении формы современного самолета.
      Внешний вид сверхзвукового самолета весьма необычен. Фюзеляж имеет более острую, чем у обыкновенного самолета, переднюю часть, крыло обязательно должно быть очень тонким, с острыми передней и задней кромками. Такое крыло, как и сильно заостренный артиллерийский снаряд, испытывает значительно меньшее сопротивление на сверхзвуковых скоростях полета по сравнению с крылом обычного профиля.
      Но этого мало: современные крылья для сверхскоростных самолетов имеют характерные очертания и в плане. Им придают так называемую стреловидную форму. Такое крыло, если посмотрв на него сверху или снизу, несколько напоминает наконечник сц лы. (рис. 164а). Интересно отметить, что сверхскоростной самод может иметь стреловидные крылья, обращенные острием как вперёд так и назад (рис. 165). Это относив и к хвостовому оперению самолета.
      Стреловидные крыло и оперение & дуваются набегающим воздухом косе под углом. Это несколько отодвигает, 01 тягивает возникновение всех тех неприятных явлений, которые связаны
      появлением и развитием «волнового кризиса» на околозвуковых скоростях полета. Стреловидные очертания несущих плоскостей сверхскоростного ракетного самолета как бы смягчают эффект сжимаемости воздуха при приближении к скорости звука.
      Но и этого, оказывается, все еще недостаточно. Важную роль играет чрезвычайная тщательность отделки всех внешних омываемых воздухом поверхностей сверхскоростного самолета. На них не должно быть никаких выступающих швов ипи заклепок. Ведь всякий ловидными крыльями выступ на поверхности самолета увеличивает путь обтекающих его поверхность частиц воздуха и им, чтобы догнать дру гие частицы, у которых дорога короче, надо двигаться намного быстрее. А это значит, что даже на высоких дозвуковых скоростях отдельные части самолета могут обтекаться с около- и зазвуковой скоростью. Вот почему каждый подобный выступ становится своеобразным маленьким участком «волнового сопротивления» — на такой выступ «садится» скачок уплотнения. Все поверхности крыльев и оперения самолетов сверхзвуковых скоростей необходимо самым тщательным образом сглаживать и полировать, чтобы не осталось ни одной, даже малейшей, не заметной на глаз шероховатости.
      Следует помнить, что преодоление звуковой преграды легче всего осуществить не у земли, а на больших высотах. Поэтому самолет больших зазвуковых скоростей будет, по-видимому, сверхвысотной машиной.
     
      САМОЛЕТ, УДИВИВШИЙ МИР
      В З часа 12 минут дня 22 марта 1956 года новый советский реактивный пассажирский самолет ТУ-104, пробив дождевые облака.
      Рис. 166. Новый советский реактивный пассажирский самолет ТУ-104 впервые показался над лондонским аэродромом. В ушах встречавших еще не смолк равномерный н спокойный рокот его двигателей, а вечерние газеты уже пестрели броскими заголовками, сенсационными сообщениями о необыкновенном воздушном корабле. .Многочисленные фотографии воспроизводили длинную серебристую машину, четкие, изящные и легкие ее очертания (рис. 1G6).
      «Советские самолеты превосходят все!» — крупными буквами возвещала «Дейли экспресс». «Запад не видел ничего подобного», — делился своими впечатлениями английский маршал авиации Жубср де ла Ферт. «Это — самолет, который предоставляет России ведущее место в области гражданской авиации», — констатировал авиационный обозреватель Томпсон. «Что касается нас, то здесь реактивные пассажирские самолеты не появятся ранее 1959 года, а у американцев. вероятно, — ранее I9G0 года или даже позже», — публиковала та же «Дейли мейл».
      Чем же замечательна эта машина, так удивившая европейцев? Не секрет, что уже существуют реактивные скоростные военные машины большой грузопоД1.емностн. И на первый взгляд может показаться, что переход от них к пассажирским машинам не так уже сложен.
      Однако, когда перед конструкторами поставили задание: создать пассажирский скоростной высотный самолет, то, пожалуй, именно прилагательное «пассажирский», диктовавшее в первую очередь безопасность полетов, комфорт, вместимость, в сочетании со словами «скоростной» и «высотный» и выдвинуло те трудности, преодолеть которые на Западе так еще и не удалось.
      Задание усложнялось еще и тем, что самолет должен был быть новейшим по конструкции, но отнюдь не уникальным, а пригодным для серийного производства, для массового применения на дальних пассажирских магистралях.
      Когда впервые осматриваешь самолет ТУ-104, созданный конструкторским коллективом под руководством Героя Социалистического Труда А. Н. Туполева, прежде всего пленяешься его строгой красотой. Очертания машины необычно динамичны. Длинный серебристый сигарообразный корпус, тонкие, откинутые назад крылья, скошенное, своеобразной формы оперение - все выдает в ней машину больших скоростей. Внутренние же помещения, их отделка и те удобства, которыми пассажир будет пользоваться в полете, дают основание назвать ТУ-104 «домом на крыльях». В особенности в салонах забываешь, что находишь на самолете: вместо кресел удобные мягкие диваны, между ними столики, покрытые салфетками тонкой ручной работы. Стены обиты мягкими, красивыми тканями нежных тонов. На полу дорожки и ковры. Кресла в кабинах поразительно удобны: в них меняется не только наклон спинки, но и соответственно самого сидения, как в шезлонге.
      Во время полета в самолете тепло, хотя стужа снаружи, как правило, достигает 60 градусов. Полет происходит плавно, без болтанки — ведь самолет идет много выше облаков. Со скоростью 800 км в час пронизывает он разреженный воздух, а пассажир едва ли заметит, что он движется.
      Без посадки ТУ-104 может лететь, например, от Москвы до Новосибирска (3000 — 3200 км). При работе самолета на линии Москва — Хабаровск на весь полет между этими пунктами уйдет девять-десять часов. Пассажиры, вылетев из Хабаровска в шесть часов утра по местному времени, уже в восемь часов утра по московскому времени прибудут в Москву. Иначе говоря, при полете с востока на запад на всем своем пути они будут видеть восход солнца. День на таком самолете, если бы совершать на нем многочасовой перелет, длился бы несравненно дольше, чем на земле.
      ТУ-104 — плод огромного и напряженного труда. Но его не оценить, пока не познакомишься с конструкцией машины, не постигнешь предельную простоту и целесообразность всех ее частей.
      Приближаясь к машине, еще издали замечаешь два круглых отверстия, зияющие словно огромные пасти по обеим сторонам фюзеляжа. Это — заборники воздуха для реактивных двигателей.
      Вопрос о выборе двигателя был первым, который предстояло решить при проектировании новой машины. Он во многом определяет летные качества будущего самолета, его скорость и высотность, конструкцию и форму.
      Советские конструкторы предпочли реактивный двигатель. И как только выбор был сделан, он тотчас же повлек за собой новую вереницу вопросов.
      Для двигателя далеко не безразлично, на какой высоте летать. Каждый из них «любит» воздух определенной плотности и температуры. Выбранный двигатель, например, наиболее экономичен при полете на 10 000 м и выше. В этих условиях он расходует наименьшее количество горючего. Однако стоит самолету снизиться до 5000 м, как «аппетит» двигателя резко возрастает. Он начинает потреблять вдвое больше топлива.
      Имеется и второе обстоятельство, заставляющее самолет летать повыше. Плотность воздуха падает с высотой, и самолету там легче пробираться сквозь разреженный строй молекул.
      Но это преимущество для самолета влечет неудобство для пассажиров. Жизнь на больших высотах невозможна. На военных машинах выручают индивидуальные кислородные приборы. Но длительное пользование ими с непривычки утомительно. А ведь перед конструкторами стояла цель, чтобы пассажир в самолете чувствовал себя совершенно так же, как на земле. Это потребовало создания герметического фюзеляжа, в котором на высоте все время поддерживался бы земной климат.
      Трудно поверить, чтобы эта длинная сигара, по объему равная четырем большим комнатам, обладала герметичностью. Сразу бросается в глаза множество окон, большая застекленная кабина пилотов, расположенный на самом носу фонарь штурмана, двери, люки. Но, оказывается, все эти вырезы в фюзеляже — не единственные лазейки для воздуха. Едва заметные заклепки — вот еще многочисленные враги герметичности, а на корпусе их более 500 тысяч.
      Тщательно ведется сборка фюзеляжа. Под все заклепки прокладывают текстильную ленту, пропитанную специальной смолой. Спрессованная заклепками, она преграждает путь воздуху.
      В фюзеляже тщетно искать каких-то особых приспособлений и запоров, которые наглухо закупоривали бы окна и дверн. Их нет. На высоте находящийся в фюзеляже воздух, стремясь пробиться наружу, оказывается, сам себя запирает.
      Чем выше поднимается самолет, тем больше перепад давления. Постепенно нарастая, он достигает пол-атмосферы на высоте 4500 м. А это значит, что на дверь площадью в один квадратный метр действует сила в 5 Т. Она-то и прижимает ее к резиновому шлангу, который уложен по окантовке двери. Совершенно так же обеспечивается герметичность окон и люков.
      В полете в фюзеляж необходимо непрерывно подкачивать воздух. Это не только пополняет его запасы, но поддерживает его чистоту и постоянство температуры. Ведь самолет летом меньше чем за 15 минут перенесет пассажиров из тридцатиградусной жары на земле в шестидесятиградусный мороз в поднебесье. И снова поражает та простота, с которой решен вопрос кондиционирования воздуха.
      Оказывается, реактивный двигатель обеспечивает не только скорость. Воздух, прежде чем подать в камеры сгорания двигателя, необходимо сильно сжать. Для этого служат компрессоры. Но в них воздух не только сжимается, а и нагревается до нескольких сотен градусов. Отсюда его отводят по особому трубопроводу. Часть воздуха, пройдя зону орошения, увлажняется и поступает в кабину через специальные «грибки» на полу, нагретой до 70 градусов. Другая же часть проходит через холодильник и подается в кабину сверху, уже охлажденной до 10 градусов. Здесь горячий и холодный воздух незаметно перемешивается, поддерживая постоянную «комнатную» температуру.
      Любопытно, что вся эта система почти не потребовала никаких дополнительных устройств.
      Низкую температуру в холодильнике обеспечивает холодный наружный воздух.
      Создание герметического фюзеляжа — это не только технологическая трудность. Герметичность предъявила и особые требования к прочности конструкции.
      В течение каждого полета детали и обшивка фюзеляжа за счет разницы давления внутри и снаружи подвергаются нагружению и разгружению. При подъеме нагрузка возрастает от нуля до 5 Т на каждый квадратный метр, постепенно убывая при спуске. Как показал опыт, металл при малых запасах прочности плохо их переносит. Он «устает». Прочность металла резко падает. В результате на фюзеляже могут появиться микроскопические трещины.
      Чтобы избежать этого явления, конструкторы ТУ-104 в наиболее ответственных местах увеличили запас прочности в 5 — 6 раз. Это, конечно, утяжелило машину, зато гарантировало безопасность.
      Перед пилотами расположены органы управления, штурвалы, рукоятки, приборные доски...
      ТУ-104 может летать в любых широтах, днем и ночью, вслепую совершать посадку. Для этого пилоты и штурман располагают многочисленными приборами и сложным оборудованием. На самолете только одних компасов — семь штук.
      Радиоприемники и приборы сигнализируют о расположении невидимого аэродрома, корректируют глиссаду самолета — направление линии снижения — и безошибочно выводят его на беговую дорожку. Плавно, почти незаметно приземляется 70-тонный самолет. Длина пробега у него несколько больше, чем у обычных пассажирских машин. Но пробег можно сократить на одну треть, если из хвостового отсека выпустить два тормозных парашюта.
      Вес тяжелой машины воспринимается в основном двумя мощными «ногами». Каждая из них заканчивается тележкой на четырех колесах. Это сделано не только потому, что тележку с колесами меньшего диаметра легче скрыть в тонком крыле, чем одно колесо значительных размеров, но и для сохранности бетонной дорожки.
      ТУ-104 способен летать в любую погоду. Для этого он достаточно защищен. Машина не боится обледенения. Резкий переход из влажной атмосферы в холод ей не страшен. Передние кромки крыльев обогреваются горячим воздухом, который опять-таки поставляет двигатель.
      Конструкторы «утеплили» и хвостовое оперение, расположив в нем мощный электроподогрев.
      Можно было бы еще много рассказывать о конструкционных и технологических находках, улучшающих ТУ-104. О том, как укротили шумы, как избежали неприятных вибраций, установив перегородки и иолы на резиновых амортизаторах, прокладывая специальные звукоизоляционные материалы.
      Новый самолет выполнен полностью из отечественных материалов. Его двигатели и оборудование целиком изготовлены на наших заводах. Эта великолепная машина — свидетельство творческой зрелости ее создателей, глубокого конструкторского предвидения, высокого уровня нашей техники.
      Не случайно поэтому и утверждение английских газет: «Россия удивила западный мир, показав ТУ-104 — превосходный, обтекаемый, рассчитанный на 50 мест, реактивный пассажирский самолет, более совершенный, чем все самолеты, которые мы видели за последние три года в Англии и Америке».
      Чаще всего в природе и технике встречаются криволинейные и в частности, вращательные движения.
      Если направление силы, действующей на тело, совпадает с направлением движения этого тела, мы говорим, что тело двигается прямолинейно. Криволинейные движения возникают тогда, когда на движущееся тело одна из приложенных сил действует под углом к направлению движения. Следовательно, каждое криволинейное движение является сложным и состоит не меньше чем из двух движений. Криволинейными являются движения брошенных тел: спортивного диска, или копья, снаряда, гранат и т. д. В этих случаях на брошенное тело, котороедвигается по инерции, действует сила тяжести под углом к направлению движения. На вагон поезда или трамвая на повороте давит внешний рельс, который к тому же ставится несколько выше внутреннего. На поворотах дороги и на велотреках делают виражи, а поэтому автомобиль или велосипед наклоняется в сторону поворота, вследствие чего сила, обусловливающая поворот, создается за счет части веса движущегося тела, именно поэтому и на ровной дороге велосипедист, чтобы сделать поворот, наклоняется в сторону поворота и может поворачивать, даже не трогая руля.
      Примерами вращательного движения в природе является вращение Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, движение планет вокруг Солнца. Особенное значение вращательное движение имеет в технике. С давних времен люди научились для транспортирования тяжелых грузов применять катки. Примитивный каток постепенно превратился в колеса повозки. Одним из первых механических двигателей были ветряные и водяные двигатели, в которых широко использовались различные колеса и применялись вращательные движения. Именно на примере водяных мельниц, а позже часов, разрабатывалась и теория равномерных движений и начал автоматики.
      Да итеперьтрудно найти машину, в которой бы не было частей или деталей, движущихся вращательными движениями. Так движутся на заводах различные валы, шкивы и зубчатые колеса машин, яко-ри электродвигателей и динамо-машин, роторы турбин и т. д.
      За примерами недалеко ходить: у себя в комнате мы заметим вращательное движение стрелок часов, движение частей швейной машины, лопастей вентилятора, ручек настройки радиоприемника, движения лампочки, которую вкручиваем в патрон...
      Почему же так распространены вращательные движения в технике?
      Передавать механическую энергию от одной части машины (или механизма) к другой очень удобно именно с помощью вращательных движений. Вращающееся колесо является наиболее удобным устройством для передачи энергии, потому что вращательное движение может проходить равномерно и непрерывно.
      Во многих станках и других механизмах часто приходится вращательные движения вала двигателя преобразовывать в прямолинейное возвратно-поступательное движение, как, например, движение резцов на строгальном верстаке.
      Часто в технике вращательные движения соединяются с поступательными, как, например, движение колес экипажей, движение сверла на сверлильном станке, движение винта моторной лодки или пропеллера самолета. Такие движения еще сложнее, нежели простые вращательные.
      Вот почему с давних времен мысль человека работала над изобретением и усовершенствованием различных устройств для передачи и различного преобразования вращательных движении, начиная с простого катка, потом колеса, различных зубчатых колес, пассо-вой, фрикционной и гидравлической передач и т. Д.
      В этом разделе мы покажем несколько характерных примеров применения криволинейных и вращательных движений и наиболее часто употребляемые устройства для передачи таких движений.
     
      ТРАЕКТОРИЯ СНАРЯДОВ
      Траекторию снарядов изучает баллистика. Слово «баллистика» происходит от греческого глагола бросать.
      Траекторию снарядов начали исследовать очень давно, но к правильным результатам пришли не сразу. Аристотель, например, считал, что брошенное тело летит по прямой до тех нор, пока не «израсходуется сила толчка». Потеряв силу толчка, тело падает по вертикальной линии. Несмотря на явную абсурдность этого утверждения, оно существовало много лет, и только в 1537 году Тарталья в своем труде «Новая наука» доказал, что в самом деле снаряд движется по кривой и что дальность полета зависит от угла бросания. Трудами Тарталья было положено начало научной баллистике. Они были продолжены Галилеем, установившим законы свободного падения тел и рассчитавшим путь снаряда. Но заключение Галилея о движении снарядов не были полностью правильными, ибо он недостаточно учел значение сопротивления воздуха.
      Влияние сопротивления среды на полет снарядов можно видеть из такого примера. Если снаряд летит в безвоздушное пространство с начальной скоростью 580 м/сек, то дальность его полета при угле вылета 70 или 20 градусов равна 19,5 км. Если бы под этими самыми углами и с такой же начальной скоростью бросить снаряд массой 6,9 кг в воздушное пространство, то при угле вылета 20 градусов его дальность составила бы 6,9 км, а при угле 70 градусов она была бы 5,2 км. Снаряд массой 82 кг при этих условиях достиг бы при угле 20 градусов дальности 8,1 км. Эти траектории показаны на рисунке 167, причем пунктирной линией обозначены траектории для безвоздушного пространства, а сплошной — с учетом сопротивления воздуха.
      Влияние сопротивления воздуха на дальность полета пули винтовки образца 1891/1930 года можно видеть из такой таблицы
      Дальность (в ж) Начальная скорость (а м/сек) Угол бросания (в градусах) в безвоздушном пространстве в воздухе
     
      На траектории снаряда надо выделить три точки: а) точку вылета снаряда (рис. 168) — центр дульного среза ствола (0);б) вершину Б — самую высокую точку траектории и в) точку, в которой траектория пересекается с горизонтом пушки — точку падения (С).
      Расстояние от вершины траектории к горизонту называется высотой траектории. Расстояние но прямой от точки пушки до цели или места разрывания называется дальностью.
      Как видно из рисунка, траектория снаряда в воздухе значительно отличается от траектории в безвоздушном пространстве. Сопротивление воздуха изменяет траекторию, причем сила сопротивления может значительно превышать вес снаряда
      Чтобы уменьшить сопротивление воздуха, улучшают форму снаряда. Для этого его делают более длинным, что уменьшает поперечную нагрузку и придают ему обтекаемую форму. Форму снаряда можно удлинять только до определенной границы, так как длинные снаряды теряют свою стойкость.
      Начальную скорость полета пули экспериментально можно определить разными способами. Приводим описание некоторых из них.
      К концам круглого стержня длиной 0,75 — ] м из тонкого картона прикрепляют два диска (рис. 109). На каждом из этих дисков
      делают градусную шкалу с делениями по 5 градусов. Стержень кладут на подставку горизонтально. При помощи шкива, пристроенного к середине стержня и соединенного трансмиссией (небольшим ремнем) с электродвигателем, дискам можно сообщать вращательное движение. На расстоянии нескольких сантиметров от диска горизонтально устанавливают пистолет с удлиненным стволом или малокалиберную винтовку1.
      1 Опыты по определению скорости полета пули можно проводить в спс кпальном помещении и только в присутствии инструктора по стрельбе.
      Не вращая дисков, делаем выстрел с таким расчетом, чтобы пуля пробила оба диска. Замечаем, что при этом ствол пистолета и отверстия, сделанные пулей в дисках, будут лежать на одной прямой.
      Потом включаем двигатель, который приводит диски во вращение, и делаем второй выстрел. Выключив двигатель, устанавливаем, что отверстия на втором диске теперь будут находиться не против соответствующего отверстия на первом диске, а отклонится на несколько градусов. Объясняется это тем, что за время, пока пуля противление воздуха тоже не очень повлияло на величину скорости пули, можем считать ее постоянной на протяжении этого времени. Для определения скорости надо знать длину пути и величину соответствующего промежутка времени. Длина пути определяется длиной стержня, а для определения времени надо знать скорость вращения диска. Если скорость вращения диска равна скорости вращения двигателя, значит, ее можно определить при помощи счетчика оборотов.
      Второй способ определения скорости пули может быть проведен в большом просторном помещении. Еще лучше провести этот опыт на школьном дворе. Этот способ следующий: подвешивают вертикально доску. На расстоянии 15—20 м от нее закрепляют на штативе огнестрельное оружие А (рис. 170). На доске надо точно обозначить точку, лежащую на прямой ОВ, которая соединяет ось ствола с доской. После выстрела замечаем, что пуля попала ниже от обозначенной точки. При выстреле из винтовки, находившейся на расстоянии 5=20 м от доски, отклонение от обозначенной точки составляло ¿=2,1 см. Это дает возможность вычислить время по формуле:
      (…)
     
      РАБОЧИЕ ДВИЖЕНИЯ СВЕРЛА
      Чтобы просверлить отверстие в сплошном материале, надо удалить из него весь металл, который под действием режущих лезвий должен превратиться в стружку.
      Движение сверла во время работы слагается из вращательного движения вокруг его оси, которое является главным движением, и поступательного — вдоль его оси, которое называется движением подачи.
      Оба эти движения необходимы, чтобы режущие лезвия сверла шхватывали при врезании все новые слои металла. Оба движения происходят непрерывно и одновременно, поэтому режущее лезвие и любая точка на сверле совершают сложное винтовое движение.
      Поверхность резания, или поверхность, образуемая режущим лезвием при срезании металла, имеет в процессе сверления вид винтовой поверхности, напоминающей витки винтовой нарезки. Пинтовую поверхность резания можно легко увидеть в случае работы с большой подачей на дне отверстия, если отвести сверло.
      Па рисунке 178 показана такая пинтовая поверхность как след движения режущего лезвия. Очевидно, что чем больше будет подача, т. е. чем быстрее будет перемещаться сверло в направлении своей оси, тем больше будет шаг винтовой поверхности.
      Благодаря наличию двух движений режущие лезвия сверла непрерывно срезают тонкие слои металла, которые скользят по канавкам сверла и превращаются в стружку.
      Чем быстрее будет вращаться сверло и чем быстрее будет оно перемещаться вдоль своей оси, тем скорее весь высверливаемый металл превратится в стружку и будет закончена операция сверления.
      Вращательное движение сверла, так же как и вращательное движение изделия, при сверлении измеряется скоростью перемещения наиболее удаленной от оси сверла точки режущей кромки или скоростью резания.
      Скоростью резания называется путь, проходимый в минуту точкой режущей кромки, наиболее удаленной от оси сверла.
      Скорость резания обозначается латинской буквой V и измеряется в метрах в минуту.
      Если известно число оборотов сверла и его диаметр, нетрудно определить скорость резания. Она подсчитывается по формуле:
     
      Когда сверло применяют на токарном или револьверном станке, вращательное движение совершает изделие. Подсчет скорости резания от этого не изменяется.
      Скорость резания, подсчитанная по нашей формуле, будет скоростью лишь одной точки на режущем лезвии, расположенной на наружной окружности сверла. Если говорят: скорость резания v=30 м/мин, — это означает, что указанная точка за одну минуту прошла путь в 30 м, а за час она пройдет путь в 60 раз больше — 1800 ж, или около 2 км.
      Все остальные точки режущего лезвия, расположенные ближе к центру сверла, двигаются с меньшей скоростью; в одну минуту они совершают меньший путь.
      Скорости резания обычно выбирают по таблицам, они указываются также в технологических картах. Если известен диаметр сверла, то чтобы получить заданную скорость резания, необходимо выбрать число оборотов шпинделя.
      Как уже было сказано, от величины скорости резания зависит производительность обработки, т. е. время, которое затратит рабочий на сверление отверстия, а также время, в течение которого будет занят этой операцией станок. Поэтому выгоднее работать с возможно более высокой скоростью резания.
      Однако, с другой стороны, чем больше будет скорость резания, тем быстрее будет нагреваться сверло, тем больше стружки будет скопляться в отверстии, т. е. тем быстрее будет изнашиваться сверло, тем меньше будет его стойкость или время непрерывной работы. Увеличится расход сверл и возрастут потери времени на смену сверла, в течение которого станок не работает.
      Вот почему скорость резания выбирают в зависимости от условий резания такую, чтобы период стойкости был достаточно большим, а производительность обработки возможно выше.
      Поступательное перемещение сверла вдоль его оси принято называть движением подачи. Величина поступательного перемещения сверла за один его оборот называется «подачей». Это — общепринятое в технологии машиностроения условное название перемещения режущей кромки за один оборот инструмента или изделия. «Подачей» режущий инструмент как бы отбирает себе «порцию» металла для срезания за каждый оборот.
      Можно взять большую подачу, следовательно, большую порцию металла для срезания.
      Обозначается подача буквой 5. Например, как прочесть такое обозначение: 5=0,25 мм /об?
      Это значит: подача 0,25 мм на каждый оборот сверла, или за каждый оборот сверло опускается в металл на 0,25 мм.
      Величина подачи определяет толщину срезаемого слоя или стружки. Нем больше подача, тем толще срезаемый слой. Выгоднее работать с большой подачей, так как чем больше подача, тем скорее будет обработано отверстие. Однако рост подачи увеличивает сопротивление металла срезанию. Следовательно, увеличивается и усилие, прилагаемое к сверлу, которое необходимо для внедрения сверла в обрабатываемый металл.
      При чрезмерно больших подачах сверло будет прогибаться и даже может поломаться. Это чаще всего случается со сверлами малого диаметра. Прогиб сверла можно сравнить с прогибом трости. Вели трость упереть нижним концом на твердую опору и давить на нее сверху, она прогнется, а если давление усилить, она сломается. Такое же явление происходит и при увеличении подачи. Нижний конец сверла упирается в металл, а на верхний давит шпиндель станка. При большом давлении сверло прогибается, или, как говорят, получает «продольный изгиб».
      Сопротивление металла резанию не только прогибает сверло, но и скручивает его. Величина скручивания также зависит от подачи и растет с ростом подачи.
      Разрушающее действие прогиба и скручивания увеличивается от переменной нагрузки сверла. Когда сверло врезается в металл, оно прогибается и закручивается, а когда кончает резать, — распрямляется и раскручивается. Известно, что если хотят скорее сломать стержень, его или многократно изгибают или скручивают.
      Вращательное движение сверлу передается от шпинделя станка, в котором оно закрепляется. Шпиндель сверлильного станка получает в свою очередь вращательное движение от мотора станка через «цепочку» шестерен, позволяющих изменять число оборотов. Последняя из этих шестерен — шестерня 1 показана на рисунке 179. Этот механизм (цепочка шестерен) называется механизмом главного (вращательного) движения.
      Движение подачи передается сверлу также через шпиндель, который получает поступательное движение через механизм, представляющий собой шестерню и рейку. Шестерня 2 закреплена в корпусе станка и получает вращение от того же механизма, что и шпиндель станка, т. е. от механизма главного движения. Вращаясь, она заставляет перемещаться рейку 3 и соединенную с ней втулку 4, в которой на шарикоподшипниках вращается шпин дель 5, с закрепленным на нем сверлом 6. Весь этот механизм с шестер-с механизмом главного движения, называется механизмом подачи.
      Механизм устроен так, что позволяет изменять величину подачи. Связью механизма подачи с механизмом главного движения достигается вполне определенная подача на каждый оборот шпинделя.
      Механизм имеет устройство для ручной подачи. Однако современные станки могут быстро подводить и отводить сверла, по этому необходимость в ручной подаче постепенно отпадает.
      Ни один режущий инструмент так легко не отказывает в работе, когда его неправильно используют, как сверло.
      Посмотрим, какие силы на него действуют.
      Сверло имеет, как мы уже знаем, два движения: поступательное перемещение (или иначе — движение подачи) и вращательное. Металл срезается вращением сверла. Если хотят заставить сверло резать непрерывно, нужно, чтобы оно захватывало новые порции металла; необходимо, стало быть, также и осевое перемещение.
      В соответствиис этими двумя движениями на сверло действуют две силы: сила подачи и сила резания.
      Сила подачи действует по оси сверла снизу вверх (если сверло находится в вертикальном положении), сила резания — в направлении, перпендикулярном к режущей кромке.
      Теория и опыт говорят, что сила подачи прямо пропорциональна диаметру сверла: от изменения скорости она изменяется меньше. Если диаметр сверла увеличивается в два раза, то и сила подачи увеличивается вдвое.
      Но изменять силу подачи размером сверла не приходится, так как диаметр отверстия задан. Можно изменять величину подачи.
      Силу подачи можно уменьшить почти вдвое подточкой перемычки сверла (рис. 180). Чем больше диаметр сверла, тем больше мы выиграем, применяя подточку. Можно поступить также иначе. Прежде чем сверлить крупным сверлом, просверлить отверстие малым сверлом. Этим будет устранено вредное влияние перемычки при работе сверлом большого диаметра. П практике машиностроительных заводов такой способ принят обычно для сверл, диаметр которых равен 50—75 мм.
      Осевое усилие действует вертикально на сверло и создает продольный изгиб. От продольного изгиба сверло может сломаться.
      Сила резания зависит от площади поперечного сечения срезаемой стружки. Ориентировочно на каждый квадратный миллиметр срезаемой стружки для углеродистой стали средней твердости прикладывается сила 200 кГ.
      Силу резания Р называют обычно окружным усилием, так как эта сила развивается при вращении сверла. Для вращения сверла нужно определить крутящий момент Чтобы уяснить понятие о крутящем моменте, обратимся к простому примеру. На вороте с радиусом 200 мм подвешена бадья весом 30 кГ(рис. 181). Чтобы бадья не ушла вниз, следует приложить к плечу 400 мм силу 15 к!. Бадья повиснет в воздухе, так как получится равновесие двух моментов, которое можно написать:
      30 кГх200 мм=\5 кГх X 400 мм.
      Этот же случай можно представить в виде балансира: на одной стороне доски на расстоянии от опоры 200мм стоит бадья весом 30 кГи на другой — на расстоянии400мм от опоры находится гиря 15 кГ.
      Ось ворота можно мысленно продлить, поместив в ней сверло. Радиус сверла будет плечом действующей силы Р.
      Если произведение силы на плечо Р будет больше, чем на противоположном конце ворота, где сила 15 кГи плечо 400 мм, то сверло не удается повернуть. Получилось бы то же самое, если бы бадья весила, например, 40кЛ Произведение силы на плечо называется моментом. Обратимся опять к балансиру. Возьмем и сдвинем бадью вправо к краю доски. Доска в этом случае наклонится вправо, так как с правой стороны увеличится момент. Чтобы вращать сверло, нужно приложить момент, по крайней мере равный моменту сверла.
      Момент принято в технике обозначать буквой М. В этом случае можно было бы написать момент для сверла: (…)
     
      КОЛЕСО КАК СРЕДСТВО ПЕРЕДАЧИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
      Потребность в передаче вращательного движения возникла уже в древнейшие времена. С развитием машин возрастали роль и задачи передаточного механизма.
      Если в повозках колесо должно было облегчить движение, а в двигателях являлось главной частью всего устройства, то уже в рабочих машинах колесо, вернее набор колес предназначен для передачи вращательного движения и изменения числа оборотов осей.
      Первой машиной, потребовавшей решения сложной задачи применения числа оборотов в широких пределах, были механические часы, изобретенные в XI веке.
      Передачу движения и регулирование числа оборотов с помощью колеса мы можем видеть в любой машине.
      Увеличение числа оборотов ведомой оси наблюдается в ручной дрели или в наматывающем механизме швейной машины. Наоборот, в лебедке, в катке для выравнивания асфальта, в землечерпалке ведущая (соединенная с двигателем) ось делает больше оборотов, чем ведомая.
      Иногда с регулированием числа оборотов совмещается и другое назначение колес: изменение направления оси вращения, когда, например, требуется передать вращение от горизонтальной ведущей оси к вертикальной ведомой.
      Примеры этому можно видеть в старых конструкциях швейных машин, в ручном сверлильном станке и в дрели, в ветряной мельнице. В ветряной мельнице ветер приводит во вращение горизонтальную ось, которая в свою очередь вращает вертикальные валы, на которых укреплены жернова. В конном приводе происходит обратное явление: вертикальное вращение ведущей оси преобразовывается во вращение горизонтального вала, приводящего в движение молотилку или какую-либо другую машину. В автомобиле вращение вала, идущего вдоль корпуса, преобразуется во вращение полуосей, несущих колеса и расположенных поперек.
      Рассмотрим теперь, как же происходит передача вращения от одной оси к другой.
      В простейшем случае два колеса с параллельными осями вращения плотно соприкасаются своими ободами. Если теперь одно из колес начнет вращаться (ведущее колесо), то благодаря трению между ободами начнет вращаться и второе (ведомое).
      При отсутствии скольжения колеса перекатываются одно по другому, т. е. пути, проходимые точками, лежащими на их ободах, равны. Стало быть, большее колесо будет делать по сравнению со связанным с ним меньшим во столько же раз меньше оборотов во сколько раз его размеры превышают размеры последнего.
      В простейшем виде такая передача трением, или, как ее иногда называют, фрикционная (от латинского — «фрикцио» — трение), встречается сравнительно редко, главным образом там, где передаваемые усилия не очень велики, где, подчеркнем, не требуется вполне точного соотношения между числами оборотов зацепленных осей.
      Так сцеплен с ободом велосипедного колеса вал маленькой динамо-машины, питающей фонарь. Так соединяется ведущее колесо швейной машины и колесо приспособления, с помощью которого наматывается нитка на шпульку.
      Иногда передачей трением пользуются в небольших сверлильных станках.
      Соединение двух колес ремнем во многих случаях удобнее непосредственного их соприкосновения. Во-первых, при этом можно благодаря упругости ремня не выдерживать с большой точностью расстояния между осями. Во-вторых, на каждую из осей можно насадить ряд колес различного диаметра и накидывать ремень на различные пары. Если диаметр колеса на одной оси большой, а на второй малый, то вторая ось будет делать больше оборотов, чем первая, и наоборот. Таким образом, легко менять соотношение чисел оборотов осей.
      В этом случае колеса, насаженные на оси, называются «ступенчатыми шкивами, а сцепленная пара осей — трансмиссией (от латинского слова «трансмиттере» — передавать, пересылать).
      Диаметры шкивов подбираются таким образом, чтобы один и тот же ремень можно было с одинаковым натяжением накидывать на любую пару шкивов.
      Рассмотрим теперь другой вид сцепления колес, осуществляемый с помощью зубцов. Зубчатые колеса возникли, гю-видимому, более двух тысячелетий тому назад. Но широкое применение получили они лишь в течение последних шести-семи веков.
      Характерная особенность зубчатого зацепления заключается в том, что числа зубцов большого и малого колес должны выражаться целыми числами.
      Для того чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, зубцам необходимо придать особое очертание, при котором движение колес совершилось бы так, как будто они перекатываются одно по другому без скольжения, тогда зубцы одного колеса будут входить во впадины другого. При этом они должны располагаться свободно, но по возможности с малыми зазорами, иначе колеса нельзя будет повернуть, либо же они будут иметь «мертвый ход» и при перемене направления вращения или при изменении нагрузки станут отходить одно от другого, в результате чего колеса будут ударяться и вследствие этого быстро изнашиваться.
      Рассмотрим несколько наиболее употребительных зубчатых зацеплений. Для преобразования вращения в одной плоскости во вращение в другой плоскости при малых скоростях уже в древности была изобретена червячная передача (сочетание винта и зубчатого колеса), широко применяемая и в наше время (см. рис. 60, 5).
      В стенных часах применяются зацепления, в которых большое колесо является зубчатым в Рис. 182. Схема цевочного обычном смысле этого слова, зацепления т. е. по его окружности нарезаны зубцы, тогда как соединенное с ним малое колесо состоит из ряда стержней, закрепленных концами в обоймах. Такое зацепление носит название цевочного зацепления (рис. 182).
      При правильном зацеплении зубчатых колес между собой, прежде чем закончится зацепление одной пары зубчатых колес, должно начаться зацепление следующей пары, иначе движение прекратится. В обычных зубчатых колесах это условие может быть выполнено в том случае, если малое колесо имеет не меньше шести зубцов. Поэтому очень часто и применяется такое колесо, оно даже в свое время получило название «шестерни». Однако сейчас под шестерней обычно понимают любое зубчатое колесо.
      Цевочное зацепление, хотя и просто в изготовлении и расчете, имеет ряд крупных недостатков и прежде всего — неравномерность хода. Однако там, где движение колес происходит непрерывно, неравномерность хода влечет за собой колебание нагрузки на механизм, а вследствие этого и дополнительный износ колес. Кроме того, из-за неравномерности работы механизма возникают периодические изменения напряжений в зубцах, что сопровождается сильным шумом. Если же колеса не изношены, очертания зубьев правильны и они расположены на должном расстоянии, то колеса работают бесшумно. Иногда для уменьшения шума одно из колес изготовляют из пластического материала: фибры, текстолита, кожи, иногда делают вставные деревянные зубья.
      Если оси зубчатых колес параллельны друг другу, то передача осуществляется цилиндрическими зубчатыми колесами. Если оси колес пересекают друг друга под углом, то передача производится с помощью конических зубчатых колес. Для зацепления колес необходимо, чтобы одновременно в зацеплении была хотя бы одна пара зубцов. Однако на практике предпочтительнее, чтобы одновременно в зацеплении было несколько пар смежных зубцов. Дело в том, что при зацеплении одним зубом всегда будут такие мгновения, когда одно колесо касается другого лишь самым концом зубца. В этих случаях, при наличии значительных усилий, легко может быть «срезан» зубец.
      Для того чтобы избежать этой опасности, необходимо либо изготовлять очень маленькие зубцы, либо делать зубчатые колеса ступенчатыми. Каждое ступенчатое колесо представляет собой как бы стопку одинаковых колес, насаженных на одну ось и несколько смещенных по отношению друг к другу под небольшим углом.
      Дальнейшим шагом развития являются толстые цилиндрические колеса, на которых прорезаны косые зубцы. Колеса с косыми зубцами можно видеть, например, в приспособлении для наводки на фокус в фотоаппарате «Фотокор», где они обеспечивают плавную наводку.
      Однако такое сцепление имеет и свои недостатки: при косых зубцах появляются усилия, направленные вдоль осей, которые, следовательно, сдвигают колеса вдоль оси. Чаще всего это устраняется тем, что ставят на одну ось два колеса с косыми зубцами, направленными взаимно противоположно, тогда нарезка зубцов принимает вид «елки» и называется «шевронной» (рис. 60, 3).
      Колеса с такими зубцами часто применяются в механизмах, передающих значительно меняющиеся по величине усилия, например в лебедках.
      С помощью зубчатого колеса и зубчатой рейки производится также преобразование поступательного движения во вращательное, и наоборот (рис. 60, 6).
      Таковы вкратце пути применения зубчатых колес, используемых в сложнейших современных механизмах.
      Окинув взглядом историю развития колеса, можно проследить, как из обрубков стволов возникли катки, как из примитивных катков родились простейшие колеса, как появились гребные колеса судов и роторы турбин, как колеса различных видов превратились в орудия производства в гончарном круге, в ткацких и прочих станках и машинах, как из отдельных колес стали собираться сложнейшие механизмы, как окружности колес обросли фигурными зубцами, взаимное зацепление которых позволило осуществить передачу вращательного движения и регулировку числа оборотов, а также преобразование вращательного движения в поступательное и обратно.
     
      КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
      Коробка передач автомобиля является важнейшим промежуточным механизмом, расположенным между сцеплением и карданным валом. В коробке передач изменяются усилия, передаваемые двигателем. Напомним, что неодинаковые усилия требуются при трога-нии с места, преодолении крутых подъемов и при движении автомо биля по хорошей, ровной дороге. В первом случае требуются большие тяговые усилия на колесах при меньшей скорости их вращения.
      Во втором случае, наоборот, необходимо увеличить скорость вращения колес за счет уменьшения тяговых усилий.
      Эта задача решается в автомобиле при помощи соответствующего сочетания шестерен. Возьмем для примера две шестерни: одна из них — ведущая, т. е. отдающая усилия, а другая — ведомая, т. е. принимающая усилия.
      Ведущая шестерня, вращаясь под действием сил, полученных от двигателя, передает усилия при помощи зубцов на шестерню ведомую. Если ведущая и ведомая шестерни имеют одинаковый размер, то и число оборотов у них будет одинаковое. Если же ведущая шестерня имеет вдвое меньший размер, чем ведомая, то число оборотов ведомой будет также вдвое меньше, т. е. за то время как ведущая шестерня сделает два оборота, ведомая шестерня успеет сделать только один оборот. Зато вал ведомой шестерни будет вращаться с усилиями, вдвое большими. Сила на зубцах обеих шестерен, правда, будет одинаковая, но при вдвое большем радиусе ведомой шестерни она создаст вращающие усилия вала вдвое больше. Здесь шестерни разных размеров являются как бы рычагами разной длины.
      Этот принцип и положен в основу устройства коробки передач. Ведущая шестерня соединяется по желанию шофера попеременно с ведомыми шестернями различных размеров и создает те тяговые усилия, которые необходимы в том или ином случае.
      Однако коробка передач в современном автомобиле значительно отличается от этой общей схемы. Так, чтобы уменьшить детали шестереночной передачи, усилие передается не одной, а двумя парами шестерен. В результате коробка передач получается компактной (малогабаритной).
      В коробке передач установлены три вала (рис. 183 — 184; 185): ведущий 1, ведомый 10 и промежуточный 5. Ведущий и ведомый валы расположены один за другим, и ведомый вал является как бы продолжением ведущего, но жестко с ним не соединен. Ведомый вал своим передним концом лишь входит в выточку 4 ведущего вала и опирается там на роликовый подшипник. Противоположный конец ведомого вала соединяется с карданной передачей. Промежуточный вал расположен параллельно ведомому валу. Называется же он промежуточным по своей роли — через него идет передача усилий от ведущего вала к ведомому.
      Ведущий вал имеет одну шестерню 2 с зубчатым венцом 3. По всей длине ведомого вала имеются шлицы (продольные вырезы).
      Рис. 183 — 184. Схема работы коробки передач:
      А — нейтральное положение; Б — первая передача; В — вторая передача; Г— третья передача; Д — задний ход
      По шлицам скользят шестерни или каретки 11 и 12. Каретки вра щаются вместе с валом, имея в то же время возможность перемещаться вдоль его оси.
      Иное положение можно наблюдать на промежуточном валу. Шестерни промежуточного вала и промежуточный вал или изготовляют-
      ся из одной заготовки или шестерни укрепляются на нем жестко (например, на шпонках). Таких шестерен на промежуточном валу четыре: шестерня постоянного зацепления 9, шестерня второй передачи 8, шестерня первой передачи 7 и шестерня заднего хода 6. Шестерня постоянного зацепления 9 всегда соединена с шестерней 2 ведущего вала.
      Каково же взаимодействие всех этих валов и шестерен? Наиболее, если можно так выразиться, оперативной частью коробки передач являются каретки, установленные на ведомом валу. Перемещаясь по желанию шофера вдоль вала, они соединяют ведомый вал с различными шестернями промежуточного вала, образуя несколько передач, начиная от самой сильной и кончая слабой, но быстроходной прямой передачей.
      Посмотрим, как это происходит в коробке передач.
      Первая передача (рис.183 — 184, Б) дает наибольшее тяговое усилие. Она применяется при трогании автомобиля с места и для преодоления очень трудных участков пути. Осуществляется эта передача сцеплением каретки 11 с шестерней первой передачи 7. Усилия от ведущего вала передаются на ведомый вал через промежуточный вал двумя парами шестерен — 2 и 9, 7 и 11. Ведущие шестерни каждой пары 2 и 7 имеют меньший размер, чем ведомые 9 и 11. Поэтому число оборотов на ведомый вал уменьшается, а тяговое усилие 1 соответственно повышается.
      Вторая передача (рис. 183 — 184, В) используется для разгона автомобиля и для преодоления сопротивлений средней трудности. Каретка ведомого вала 12 соединяется с шестерней второй передачи 8. Передача усилий на ведомый вал осуществляется в той же последовательности, что и на первой передаче, но ведущая шестерня 8 второй пары имеет несколько больший размер, и тяговое усилие в данном случае будет меньше, чем на первой передаче.
      Третья передача (рис. 183 — 184, Г) используется во всех случаях движения автомобиля, когда не требуется преодолевать повышенных сопротивлений. Каретка второй передачи 12 со стороны ведущего вала имеет внутренние зубцы 13. Соединение этих зубцов с зубчатым венцом 3 и дает третью — прямую передачу. Усилия при этом передаются непосредственно от ведущего на ведомый вал, и скорость вращения карданного вала здесь равна скорости вращения коленчатого вала двигателя.
      Задний ход необходим для маневрирования автомобиля (разворота на ограниченных по ширине площадках, при въезде в тупик, движении назад и др.).
      Но, как известно, коленчатый вал автомобильного двигателя всегда вращается только в одну сторону и не может изменять этого направления. Поэтому в одном из механизмов силовой передачи, а именно в коробке передач, имеется устройство, которое заставляет ведомый вал в необходимых случаях вращаться в обратную сторону. Для этой цели на отдельном валике установлена шестерня 14, постоянно сцепленная с шестерней 6 промежуточного вала. Когда каретка 11 (рис. 183 — 184, Д) отодвигается назад и сцепляется с шестерней 14, ведомый вал изменяет направление вращения.
      Нередко приходится пользоваться и так называемым нейтральным положением (рис. 183 — 184, Л). Если обе каретки 11 и 12 установить между шестернями промежуточного вала (т. е. вывести их из зацепления), то усилия на карданный вал через коробку передаваться не будут. Нейтральное положение используется при запуске двигателя, на остановках и вообще во всех тех случаях, когда надо прекратить на длительный срок передачу усилий ведущим колесам.
      Рассмотренная нами схема трехступенчатой коробки передач является типовой для всех легковых автомобилей. На грузовых автомобилях ставятся четырех- и пятиступенчатые коробки передач. Увеличенное число передач дает возможность более точно подбирать их в соответствии с условиями пути.
      Чем отличается коробка передач М-20 от рассмотренной нами типовой коробки? Основными и притом существенными особенностями этой коробки надо считать применение в ней косозубчатых шестерен и так называемой муфты легкого включения второй и третьей передач.
      Работающим шестерням приходится выдерживать огромную нагрузку. Усилия на их зубцах достигают 300 — 400 кГ. Косозубчатые же шестерни имеют весьма ценное свойство — в зацеплении всегда участвует большее количество зубцов и нагрузка на каждый зуб тем самым уменьшается. Соответственно уменьшается и износ зубьев. Кроме того, косозубые шестерни работают с меньшим шумом.
      Муфта легкого включения обеспечивает бесшумное включение второй и третьей передач.
      Общий вид коробки передач М-20 изображен на рисунке 185.
      Ознакомившись с деталями коробки передач, которые передают усилия и составляют так называемый силовой механизм, рассмотрим теперь тот механизм, который перемещает каретки и осуществляет переключение передач.
      Этот механизм расположен в крышке коробки передач. Перемещение кареток и переключение передач осуществляется с помощью рычага 13 управления коробкой, качающегося на шаровой опоре 15. При поперечном качании рычага нижний его конец входит в выемку головки одного из ползунов (16 или 17). Дальнейшее качание рычага вперед или назад влечет за собой продольное перемещение ползуна. Ползуны скользят в гнездах, имеющихся в приливах крышки коробки передач. Ползуны при помощи вилок 18 и 19соединены в свою очередь с каретками, находящимися на ведомом валу. Верхними концами вилки переключения крепятся на ползунах, а нижними концами обхватывают выточки соответствующих кареток.
      Между ползунами расположены фиксаторы-замки, которые приостанавливают дальнейшее передвижение ползунов в тот момент, когда шестерни включены на полную длину зубьев. Это же приспособление не позволяет одновременно перемещать оба ползуна и включать сразу две передачи.
     
      ПОВОРОТ АВТОМОБИЛЯ
     
      Кто дал команду?
      Стройной колонной марширует по улице города воинская часть. Движущиеся шеренги достигли перекрестка. Раздается команда о повороте колонны направо по пересекающей улице. И в первой шеренге, подошедшей к месту поворота, правофланговый, не переставая шагать, резко уменьшает величину шага, замедляя этим скорость движения; ближайший сосед по шеренге передвигается также, но шаги его правой ноги уже больше, а левой еще немного больше, значит, и скорость марша этого солдата на повороте больше, чем у правофлангового, и при этом он также как бы описывает окружность вокруг «центра» — точки поворота. И каждый следующий солдат в шеренге на повороте двигается точно так же, но со все более усиливающейся длиной шага — со все большей скоростью.
      Если бы эта скорость была точно измерена, оказалось бы, что от правофлангового примерно до центра шеренги величина ее, постепенно возрастая, все же остается меньше той, с которой колонна двигалась до поворота, а от центра шеренги до левофлангового скорость движения каждого солдата, по-прежнему нарастая, становится больше той, которая была на прямом пути. И в результате этого вся шеренга выполняет поворот единой прямой линией, словно радиус окружности, поворачиваемый на 90 градусов. Теперь наша шеренга, а вслед за ней и все остальные вытянулись фронтом в новом направлении и движутся вперед с одинаковой скоростью в каждой своей точке.
      По той же улице мчится автомобиль. Вот он поравнялся с регулировщиком на перекрестке, шофер повернул руль направо, машина послушно выполнила поворот. Внимательный наблюдатель заметит, что ведущая задняя ось и ее два колеса повели себя точно так же, как шеренга солдат. Скорость правого колеса на повороте резко замедлилась, а левого — возросла. Если бы наблюдатель мог на ходу измерить величины этих скоростей, он убедился бы, что во время поворота что-то отняло часть скорости движения у заднего правого колеса автомобиля и прибавило скорости левому колесу. Только благодаря этому и выполняется поворот машины под углом к ее первоначальному направлению.
      Как это произошло в автомобиле, каким образом его задние колеса выполнили требуемый поворот?
     
      Автомобиль и телега
      Для начала разберемся в том, что происходит при повороте автомобиля; для простоты будем считать, что угол поворота — 90 градусов, а радиус — 6,5 м (рис. 186). Тогда внутренние колеса машины (обращенные к оси поворота) должны пройти путь, равный длине четверти окружности с радиусом 6,5 ле, — не трудно подсчитать, что этот путь составит немногим больше 10 м.
      Ширина колеи автомобиля около 1,4 м. Это значит, что внешние колеса машин за тот же промежуток времени пройдут путь, равный длине четверти окружности с радиусом 7,9 м — приблизительно Рис. 186. Схема движения внешнего и вну- 12,5 м. Выходит, что на треннего колес при повороте автомобиля повороте внешние колеса должны двигаться с большей скоростью, чем внутренние; так оно и получается. Внешнее и внутреннее колеса в один и тот же промежуток времени проходят разные по величине пути.
      Но у автомобиля задняя ось — ведущая; она вращается, увлекая за собой жестко насаженные на нее колеса. А если так, задние колеса не могут вращаться с различной скоростью — один оборот их оси всегда даст не больше и не меньше, чем один оборот каждого из обоих задних колес.
      Вот почему перед конструкторами автомобиля в свое время встала очень важная и трудная задача — добиться, чтобы оба колеса автомобиля, жестко закрепленные на задней оси, во время поворота вращались с разными числами оборотов.
      Решить эту задачу можно было только одним способом: устроить так, чтобы единая задняя ось автомобиля на повороте разъединялась на две половины, которые вращались бы с разными скоростями: внешняя — с большей, а внутренняя — с меньшей. В автомобиле появился особый механизм — дифференциал.
     
      Механический «мозг»
      Дифференциал — это есть тот самый механический «мозг», который как бы воспринимает «команду» поворачивать, автоматически отнимает скорость у одного колеса, наращивает ее у другого и этим позволяет выполнить поворот.
      Механический «мозг»? В воображении возникает какой-то сложный, запутанный механизм, состоящий из множества разнообразных деталей, электропроводов, чувствительных электроприборов — реле. На самом же деле дифференциал и его удивительная работа — это результат сопряжения всего лишь нескольких (4 — 6) вращающихся зубчатых кол с — шестерен (рис. 187).
      Именно эти шестерни, когда автомобиль движется прямо, воспринимают скорость от двигателя и делят ее на две равные части между обоими задними колесами, а когда машина поворачивает, делят ту же скорость на две неравные части: отнимают часть этой скорости у колеса на внутренней дуге поворота и передают ее колесу на внешней дуге поворота.
      Чтобы убедиться в этом, достаточно познакомиться с устройством и схемой действия дифференциала.
      Задняя ось автомобиля разъединена, состоит из двух половин — «полуосей» 7. На их внешние концы жестко насажены ходовые колеса, а на внутренние, встречающиеся друг с другом, также жестко, насажено по одной шестерне Б и В. С этими шестернями для улучшения работы механизма сцеплены две-четыре промежуточные шестерни А, которые действуют как одна шестерня.
      Когда автомобиль движется прямо, промежуточная шестерня А дифференциала неподвижна относительно собственной оси, но ее вал вращается вокруг задней оси автомобиля и увлекает за собой обе полуосевые шестерни Б и В и ходовые колеса: их скорость будет одинакова.
      Допустим теперь, что водитель начал поворот направо. Правое заднее колесо (по ходу автомобиля), замедлив ход, заставило шестерню Б своей полуоси «упереться», увеличить сопротивление промежуточной шестерне и этим вызвало собственное ее вращение. Это вращение направлено по часовой стрелке и противоположно направлению движения правой (внутренней) полуосевой шестерни. Получается, что от величины скорости правого ходового колеса автомобиля во время поворота отнимается величина скорости собственного вращения промежуточных шестерен.
      Рис. 187. Основные части дифференциала:
      1 — ведущая шестерня главной передачи; 2 — ведомая шестерня; 3 — коробка дифференциала; 4 — оси сателлитов (крестовина): А — сателлиты; Б н в полуосевые шестерни; 7 — полуоси; 8 — п дшипник; 9 — картер моста; 10 — подшипники ведущей шестерни
      Благодаря этому и получается необходимое замедление хода внутреннего (в данном случае правого) колеса на повороте.
      Вращаясь по часовой стрелке и замедляя движение внутренней полуоси, промежуточные шестерни в то же время как бы «подгоняют» движение внешней шестерни В (направление их вращения совпадает с направлением вращения внешней шестерни).
      Поэтому получается ускорение вращения внешней шестерни, а вместе с ней и полуоси с насаженным на нее левым ходовым колесом.
      Так простой механизм из 4 — 6-зубчатых колес выполняет роль механического «разума» ведущей оси автомобиля и автоматически управляет его поворотом.
     
      ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ
      Рассмотрим полезные применения центробежной силы. Принцип центробежного регулятора, демонстрируемый школьной моделью, подвергся дальнейшему усовершенствованию и получил широкое применение. В регуляторах, осевого типа (рис. 188,а) грузы часто бывают укреплены в противоположных углах шарнирного параллелограмма. В двух других углах его находятся втулки, одна из которых свободно перемещается вдоль оси вращения. При увеличении числа оборотов грузы расходятся, растягивая шарнирный параллелограмм, отчего его подвижная втулка перемещается вдоль оси и передвигает тягу клапана. В другом типе радиальных или плоских центробежных регуляторов (рис. 188,6) грузы находятся на свободных концах двух рычагов, другие концы которых шарнирно закреплены. При увеличении скорости грузы удаляются от центра к краям диска, растягивая противодействующие пружины, которые при уменьшении скорости возвращают их обратно по направлению к оси вращения. Регуляторы достигают большой точности и могут устанавливаться для различных заданных скоростей (натяжением пружины или другими способами). Регулирование скорости машины может осуществляться нажатием раздвигающихся шаров на тормозные колодки, которые автоматически уменьшают скорость.
      Рис. 189. Центробежный регулятор тракторного двигателя
      В зависимости от условий применения регуляторы имеют ту или иную систему привода к управляющим органам. На рисунке 189 приведена схема регулирования числа оборотов тракторного двигателя. Регулятор получает вращение от коленчатого вала. С валом регулятора шарнирно связаны грузы Т, которые при увеличении скорости (уменьшении нагрузки) расходятся и своими ножками отодвигают вправо муфту М, подвижно сидящую на конце вала. Муфта через ролик Р поворачивает поводок Я, тяга которого несколько прикрывает дроссель Д. При увеличении нагрузки и уменьшении оборотов грузы сближаются противодействующей пружиной, а пружина провода Пр поворачивает его в другую сторону и заставляет шире открыть дроссель. Натяжение пружины Пр отрегулировано на определенное число оборотов и соответствующее открытие дросселя.
      На рисунке 190 показано действие центробежного регулятора патефона. С увеличением скорости грузы удаляются от оси вращения и вызывают перемещение вправо скользящей втулки С и связанного с ней тормозного диска ТД, вращающегося на валу регулятора В. Диск ТД смещается вправо до соприкосновения с подушкой Я, отчего начинается торможение и скорость вращения уменьшается. Пружины Пр оттягивают грузы обратно. Переводя
      стрелку но шкале регулятора Ш для установления нужной скорости, перемещают подушку П вправо или влево. Это дает возможность большего или меньшего смещения тормозного диска ТД, а следовательно, и большего или меньшего расхождения грузов Г, чему соответствует скорость вращения.
      В современной автоматике применяются электрифицированные центробежные регулятора. При увеличении скорости удаляющиеся от оси грузы вместо действия на механические приводные устройства замыкают контакты электрических цепей (реле) и через них приводят в действие органы управления. Регулируя положение контактов, можно получить автоматическое сохранение заданной скорости. С помощью двух пар контактов можно получить регулятор, действующий как при максимальной, так и при минимальной скорости при удалении или при приближении грузов к оси. Это может служить примером электрификации механических средств автоматики и перевода механических воздействий в электрические.
     
      ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
      Современная техника все чаще использует центробежную силу в различных механизмах и технологических процессах. С ее помощью в быстро вращающихся объектах создаются быстрые и интенсивные процессы, происходящие в радиальном направлении и дающие нужный технический эффект. Центростремительная сила оказалась весьма продуктивной для воздействия на жидкие тела. В различных отраслях производства применяются центрифуги.
      служащие или для выделения жидкостейАиз твердых тел, или для разделения жидкостей по различной Дплотйости (сепараторы). В текстильной промышленности и в прачечных они применяются
      для удаления воды [(центробежная сушка). Этот же принцип применяется для удаления меда из сот; в дрожжевой промышленности, для удаления дрожжей из сусла; в крах мало-паточном производстве — для выделения крахмала из крахмального молока.
      В качестве примера рассмотрим сепараторы для отделения сливок от молока, имеющие большое зна чение в молочном хозяйстве (аналогичный принцип применяется и в других случаях сепарирования жидкостей). Цельное молоко представляет собой смесь двух жидкостей различной плотности: снятого молока (плотность 1,04) и сливок (плотность 0,93). При быстром вращении сепаратора (несколько тысяч оборотов в минуту) частицы жидкости по инерции отбрасываются к периферии сосуда (по направлению касательной). Ввиду большей инерции частиц большей плотности они в ограниченном объеме, занимаемой смесью, вытесняют частицы меньшей плотности к оси сосуда. Жидкость распределяется от оси к периферии как бы в виде концентрических слоев различной плотности.
      Цельное молоко поступает по вертикальному каналу в центральную часть вращающегося сосуда (рис. 191). Отверстие отводной трубки для снятого молока находится ближе к стенкам сосуда, а для сливок — ближе к его оси. Особые вставки внутри сосуда направляют течение жидкости. Процесс отделения сливок происходит быстро; советские сепараторы имеют высокую производительность.
      В современной технике использование центробежной силы становится одним из широко применяемых методов.
      Интересно также центробежное литье (рис. 192). Расплавленный металл вводится внутрь быстровращающейся металлической формы (изложницы) и при ее быстром вращении отбрасывается и плотно прижимается к ее внутренним стенкам, а затем, остывая и затвердевая, принимает их конфигурацию. Изложница вращается электродвигателем со скоростью от 600 до 1600 об/мин. Метод применяется для отливки труб и других полых изделий. В основе его лежит способность жидкостей прижиматься к внутренним стенкам быстровращающихся сосудов. Это происходит с такой силой, что образуется уплотненный, высококачественный слой металла.
      Рис. 192. Центробежное литье
      В сравнении со старыми способами центробежное литье имеет ряд ценных преимуществ. Оно отличается большой скоростью процесса — отливка длится Я минуты, высокой производительностью (20 — 30 отливок в час), простотой операций. Отпадает потребность в сложных процессах земляной формовки и разливки ковшами. В годы Отечественной войны на фронте для ремонта боевых машин применялись компактные перевозные установки на двух автомашинах с разборной вагранкой и оборудованием для центробежного литья. Улучшается и качество отливок благодаря уплотнению структуры и быстрому охлаждению (в сером чугуне графит значительно размельчается); стенки труб отличаются плотностью и меньшей толщиной при той же прочности. Так как действие центростремительной силы вызывает расслаивание веществ по удельному весу, то содержащиеся в металле газы как более легкие выделяются во внутреннюю полость; это делает отливку свободной от вредных газовых раковин.
      В строительном деле изготовляются центрифугированные полые железобетонные колонны, отличающиеся высокой прочностью и выгодным облегчением веса (в сравнении с обычными сплошными колоннами). Во вращающейся форме (опалубке), ближе к ее стейкам, предварительно собирается и натягивается арматура, а затем изнутри производится заливка разжиженной бетонной массы.
      Центробежные (ротационные) насосы все более вытесняют поршневые с их возвратно-поступательным движением. Лопасти насоса приводят воду в быстрое вращение, она отбрасывается от оси к периферии и в виде мощного потока отводится по нагнетательной трубе, отходящей по касательной (отбрасывание по инерции); от этого в центральной части образуется разрежение и туда одновременно по всасывающей трубе поступают новые количества воды. Высота нагнетания зависит от диаметра рабочего колеса, числа его оборотов в минуту, формы лопаток и числа последовательно работающих колес (которых бывает несколько). Производительность мощных насосов — до 8000 м3/час, создаваемый напор — до 1000 м водяного столба и больше, число оборотов в минуту порядка 1000.
      Небольшие центробежные насосы (помпы) применяются на автомобилях и тракторах для принудительной циркуляции воды всистеме охлаждения двигателя.
      В лабораторной практике применяются центробежные устройства, развивающие громадные скорости, например в аппаратах для исследования белковых соединений (около 75 000 об/мин), или вентиляторы, делающие более 150 000 об/мин, в последнем случае создается центробежное поле с ускорением, в 1 200 000 раз большим, чем в поле земного тяготения.
      Центробежной силой умело пользуются физкультурники в самых различных видах спорта.
      Влияние центробежной силы испытывают на себе все виды транспорта при быстром движении. Поэтому железнодорожное полотно, треки и т. д. на закруглениях делаются наклонными.
     
      ВЕЯЛКА
      Веялка-сортировка (рис. 193) предназначается для очистки зерна, полученного после обмолота молотилкой или комбайном, и бывает разных типов.
      Работа машины протекает следующим образом. Из засыпного ковша / через регулируемое заслонкой отверстие ворох ворошилкой подается вниз на первое решето 14. В этот момент оно подвергается действию полученного от вентилятора 3 воздушного потока, уносящего из машины легковесные и объемистые примеси. Для того чтобы задержать ворох в подвешенном состоянии и подвергнуть его более продолжительному воздействию воздушного потока, веялка в верхнем решетном стане имеет два решета, совершающие колебательное движение, благодаря чему ворох распределяется более равномерно и более тонким слоем по всему решету. Этим самым облегчается обработка вороха воздушным потоком, который направляется под некоторым углом к плоскости решета снизу. Верхние решета имеют отверстия таких размеров, что основная масса зерна проваливается сквозь них и поступает на решето 10 нижнего решетного стана. При этом воздушный поток и решета выделяют пыль, мякину, солому, колос, комки земли и прочее.
      1 По книге Б. Турбина и др. «Механизация и электрификация сельского хозяйства».
      Легкие примеси (пыль, мякина) выдуваются из машины; круп-вые же примеси (колос, солома, комки земли и пр.) сходят с решет 14 и 13 и направляются в колосовой желоб, из которого выходят по обе стороны машины. Оба решета 14 и 13 вставляются в пазы гофрированных направляющих планок, чем и регулируется их наклон. Наклон устанавливают таким, чтобы обрабатываемый материал распределялся по всей площади решета и чтобы все зерно прошло сквозь решето, не доходя немного до заднего его края.
      Решета 14 и 13 продуваются снизу воздушным потоком, сила которого может регулироваться изменением размеров входных окон вентилятора, что достигается перестановкой заслонок.
      Решето 10 нижнего решетного стана имеет мелкие отверстия, размеры которых подбирают так, что мелкие примеси проваливаются через него, а зерно остается на решете. Зерно с решета 10 скатывается и попадает на решето 7. Оно может иметь пробивные отверстия продолговатой формы и такого размера, что позволяет разделить зерно на два сорта. Первый сорт остается на решете и сходит с него, а второй проваливается сквозь него подмашину. Можно поставить решето 7 с мелкими отверстиями, тогда оно будет пропускать через себя мелкие примеси, т. е. дополнять работу решета 10, и машина будет работать как веялка.
      Нижний решетчатый стан совершает также колебательное движение. Для очистки отверстий решет 10 и 7 от забивания зерном под ними поставлено по два подбивалыцика 6 и 9 из стальной проволоки диаметром 5 мм. Подбивалыцики шарнирно крепятся на решетном стане. При качании стана подбивалыцики своими короткими концами 5 и И ударяются в неподвижную доску, поворачиваются вокруг оси и ударяют длинным концом снизу по решету и очищают решета от застрявших в отверстиях зерен.
      Машина приводится в движение вручную рукояткой или же от механического привода посредством шкива, закрепленного на валу вентилятора.
      Веялка-сортировка ВС-2 снабжена комплектом решет. Меняя набор решет, можно очищать и сортировать различные культуры.
      Производительность машины на очистке зерновых от 2 до 3 Т в час, а на травах 0,3 — 0,5 Т в час. Приводится в движение двумя рабочими.
     
      КОМБАЙН
      Для комплексной уборки зерновых культур, сводящейся к одновременному срезу, обмолоту и очистке, применяются комбайны. Они значительно сокращают затраты труда и времени при уборке по сравнению с машинами раздельной уборки и обмолота хлебов. Кроме того, при уборке хлебов комбайнами потери зерна сводятся до минимума, а такие потери, как, например, при связывании снопов, при их переноске и т. д., совершенно исключаются.
      Впервые машина для комплексной уборки зерновых культур появилась в России. Ее создателем был Андрей Романович Власенко. Эта машина, прототип современного комбайна,состояла из жатвенной части и молотилки. Обмолоченное зерно вместе с мякиной в машине Власенко собиралось в большом деревянном ларе, находившемся сзади молотилки, а солома оставалась на поле на корню. Испытание этой машины, проведенное в 1868 году, показало удовлетворительную работу как на уборке зерновых, так и трав (клевер, тимофеевка).
      Современные машины для комплексной уборки в своей основе построены поэтому же типу, они имеют более совершенную конструкцию и поэтому дают более высокого качества работу. Так, большинство современных комбайнов дает чистое зерно, полому собирают в кучи и т. д.
      На полях колхозов и совхозов получили распространение следующие комбайны отечественного производства: прицепные С-6, (рис. 194), РСМ-8, ПК-2 и самоходные С-4, С-4.М и СК-3.
     
      КОМБАЙН С-4М
      Этот комбайн является самоходной машиной. Он перемещается без трактора. Комбайн (рис. 195) состоит из жатки, молотилки и двигателя. Двигатель приводит в движение все рабочие органы комбайна и ходовую часть его. Комбайн опирается на четыре колеса: два передних являются ходовыми колесами, а задние служат для управления комбайном.
      Жатка комбайна расположена впереди молотилки, а поэтому при работе этим комбайном отпадает необходимость производить прокосы хлебов. Жатка имеет режущий аппарат длиной 4 м, нож приводится в движение от коромыслового устройства. Подъем и опускание жатки при регулировании высоты среза и при переводе в транспортное положение производятся гидравлическим устройством. Над режущим аппаратом 2 расположено мотовило (рис. 196).
      Срезанный хлеб с концов платформы жатки к середине передвигается шнеком 3, хлеб попадает на наклонный цепочно-планчатый элеватор 4, работающий нижней ветвью.
      Поднятый элеватором в молотилку и подведенный к барабану хлеб приемным битером 5 передается в барабан 6. Барабан комбайна — бильный. Подбарабанье решетчатое и состоит из трех секций с раздельным регулированием каждой из них. За барабаном расположен отбойный битер 7. Он задерживает хлеб, выходящий из-под барабана, и направляет его на клавишный соломотряс 8. Солома соломотрясом выводится из молотилки на поле. Ворох, пройдя сквозь решетку подбарабанья и соломотряс, поступает на очистку. Она состоит из двух жалюзийных решет 10 и 11 и вентилятора 9. Зерно, прошедшее через решета, поступает на скатную доску, а затем в шнек 12 и зерновой элеватор, а последним поднимается
      в бункер. Мякина и сбоина вентилятором выдуваются из машины. Необмолоченный колос, пройдя сквозь решетку в конце верхнего решета, попадает в колосовой шнек 13 и оттуда колосовым элеватором поднимается в молотильный барабан для последующего обмолота. Бункер разгружают от зерна по спускному лотку.
      Управляет комбайном один водитель. На площадке управления находятся: 1) рулевое управление, 2) педаль муфты сцепления ходовой части, 3) рычаг переключения скоростей, 4) рукоятка гидравлического управления подъемом жатки, 5) педали тормозов левого н правого колес, 6) рычаг муфты сцепления для передачи на рабочие органы машины, 7) рычаг выключения редуктора, 8) кнопка стартера, 9) замок зажигания и переключатель света, 10) приборный щиток.
      На комбайне С-4М установлен двигатель ЗИС-5 мощностью 53 л. с. с регулятором оборотов и усиленным охлаждением воды и масла. Самоходный комбайн С-4М имеет в ширину захвата хедера 4 м (С — самоходный, 4 — захват хедера, М — модернизированный), а ширину молотилки — около метра. В нем предусмотрена повышенная пропускная способность в расчете на уборку высокоурожайных соломистых хлебов при низком срезе и повышенной влажности.
      Производительность комбайна при средних условиях 2 га в час. Рабочая скорость — от 2 до 8 км в час. Вес комбайна около 3,5 Т.
     
      Комбайн — сложная машина
      На примере комбайна можно наглядно убедиться, как в отдельной машине используются во взаимодействии различные простые механизмы и применяются отдельные законы физики. Приведем несколько таких примеров, которые, кстати, лучше помогут понять работу комбайна.
      В комбайне, как и во многих машинах, отдельные детали имеют возвратно-поступательное движение, причем эти детали периодически изменяют свою скорость и ускорение. Так, при каждом изменении направления движения нож жатки комбайна уменьшает свою скорость до полной остановки, после чего ускоряет движение в противоположном направлении, потом опять уменьшает скорость и т. д. При этом движение режущих пожен комбайна является сложным движением, потому что ножи движутся возвратно-поступательным движением, перпендикулярным движению комбайна, и в то же время равномерно движутся вместе с комбайном. Вследствие сложения этих двух движений каждая точка ножа движется относительно поля по синусоиде.
      Движение ножей комбайна, которые к тому же являются своеобразными клипами, немного напоминает движение ножей парикмахерской машинки. Только для лучшего срезывания собираемых хлебов стебли растений прижимаются к ножам вращающимся мотовилом. Срезанный хлеб подается вверх в молотилку с помощью шнеков, которые похожи на архимедов винт, а потом через транспортер и элеватор, которые двигаются равномерно и представляют собой наклонные подъемные плоскости. При этом полотно элеватора движется противоположно движению комбайна, и тут мы имеем пример сложения двух прямолинейных, противоположно направленных движений.
      В молотилке комбайна применяется вращательное движение барабана, который зубцами бьет по соломе и колоскам скошенного хлеба, выбивая зерно. Зерно держится в оболочках колосков йот резких ударов зубьев бильного аппарата выбивается и по инерции выбрасывается.
      Потом на грохотах и на клавишном аппарате соломотряса и станах (в которых вращательное движение превращается в возвратнопоступательное с помощью коленчатых валов) также используется инерция. В этих устройствах обмолоченная масса резко встряхивается, и обмолоченное зерно отделяется от соломы, половы и различных примесей.
      Барабан молотильного аппарата делает больше тысячи оборотов в минуту. Значит, тут, как и в других механизмах, необходимо хорошо сцентрировать его, чтобы центр тяжести совпадал с осью вращения. Если не обеспечить это, то неуравновешенное действие центробежной силы будет расшатывать машину и даже может ее поломать. Поэтому тяжелый молотильный аппарат тщательно центрируют. Если центр тяжести барабана переместить только на 1 мм от оси вращения, то при ста оборотах в минуту и массе барабана в 100 кг неуравновешенная центробежная сила будет равна приблизительно 111 кГ. Во время вращения барабана эта сила беспрерывно меняет свое направление и расшатывает подшипники.
      Но инерция при вращательном движении используется в воздушном вентиляторе веялки комбайна (как в молотилках, сортировках, веялках). Воздух выбрасывается движущимися лопастями к периферии барабана веялки и подается в напорную трубу, которая выдувает полову и легкие частички соломы — сбоины.
      В центре вентилятора образуется разрежение, а поэтому через окно в центре вентилятора засасывается воздух.
      Провеянное и очищенное зерно с помощью винтового шпека и элеватора подается в приемный бункер.
      Так на примере комбайна мы можем видеть, как в одной только машине применяются различные виды сложных движений: сам комбайн, элеватор, транспортеры движутся поступательными движениями; колеса, мотовила, шнеки, молотильный барабан, вентилятор, оси вращаются; ножи, соломотряс, решета движутся возвратно-поступательно и колебательно. Зерно, которое вылетает из веялки, движется по баллистической кривой (летит по инерции и одновременно падает под действием собственного веса).
      Также можно видеть и применение значительного количества простых механизмов. Мы уже приводили примеры клипов (ножи), наклонной плоскости (элеваторы и транспортеры), винтов (шнеки). Широко используются различные рычаги, как это видно из опи-
      сания приборов управления. Для передачи движений и сил широ ко применяются различные зубчатые колеса и пассовая передача
      При детальном разборе и изучении комбайна таких примеров можно привести значительно больше. Итак, на примере комбайна мы видим, что всякая машина состоит из отдельных простых механизмов, которые во взаимодействии выполняют определенную работу: одни передают движение от одной части машины к другой, другие — преобразовывают их из одних в другие, либо изменяют величину и направление силы, и, наконец, есть рабочие механизмы.
     
      ГИРОСКОП
      Свойство вращающегося волчка устойчиво сохранять равновесие и энергично сопротивляться всяким попыткам повалить его были известны уже в глубокой древности. Однако в течение многих веков волчок не нашел себе практического применения и оставался лишь любопытной игрушкой. Только в современной технике его замечательные свойства были оценены и использованы. Волчок специальной конструкции, или, как его называют иначе, гироскоп, стал важнейшей частью различных приборов, употребляемых в авиации, флоте, артиллерии и т. д.
      Исключительно важную роль в разработке теории и практического применения гироскопа сыграли ученые нашей страны — Ковалевская, Жуковский, Крылов, Чаплыгин и их ученики и последователи .
      Несложные опыты с обыкновенным велосипедным колесом могут достаточно ясно показать основные свойства вращающегося волчка. Возьмите колесо обеими руками за концы оси, сильно раскрутите его и попробуйте опустить или поднять один из концов оси. Вы почувствуете, что колесо сопротивляется этому и как бы стремится вырваться из рук. Если вращающееся велосипедное колесо привязать за один конец оси и повесить на веревке, то, хотя второй конец оси ни на что не опирается, он не опустится под действием силы тяжести, и ось будет вращаться в горизонтальной плоскости вокруг веревки до тех пор, пока колесо вертится с достаточной скоростью.
      Этот опыт (рис. 197) наглядно показывает действие так называемого правила прецессии: если какая-либо сила, приложенная к оси вращающегося тела, старается изменить ее направление в пространстве, то ось будет поворачиваться не по направлению действия этой силы, а под прямым углом к ней.
      Правило прецессии помогает разобраться во всех гироскопических явлениях.
      Применяющийся сейчас в технике гироскоп — быстро вращающийся массивный диск на стальной оси, подвешенный на одной или двух поворачивающихся рамках.
      Замечательные свойства гироскопа прежде всего были использованы в морском деле. Он стал основной частью гирокомпаса. Гирокомпас, устанавливая картушку по географическому меридиану, имеет то преимущество перед магнитным, что он не чувствителен к изменению земного и корабельного магнетизма.
      Многотонный гироскоп диаметром в несколько метров применяется на кораблях, как «успокоитель качки» — его ставят в трюм и он значительно уменьшает раскачивание судна в бурную погоду.
      Совершенно незаменим гироскоп в авиации, где он — важная часть таких авиационных приборов, как указатель поворотов, авиагоризонт, гирополукомпас, автопилот и др.
      В гирополукомпасе гироскоп удерживает картушку прибора в нужном направлении, помогая летчику точно вести самолет по заданному курсу. В указателе поворота гироскоп отклоняет стрелку прибора в сторону разворота самолета. По отклонению стрелки и по показанию уровня на шкале прибора летчик может судить о разворотах и кренах самолета.
      Авиагоризонт показывает летчику положение самолета относительно горизонта.
      Эти приборы дают возможность совершать слепые полеты.
      Гироскопы автопилота, управляя машинами, действующими на соответствующие рули, обеспечивают автоматическое вождение самолета (на рисунке эти приборы изображены схематически).
      Гироскопические свойства обнаруживает всякое вращающееся тело: Земля, планеты, звезды, их спутники и т. д., артиллерийский снаряд, летящий всегда головной частью вперед, колеса гоночных автомобилей, приобретающие на большой скорости такую устойчивость, что управление перестает действовать, кольца, которые подбрасывает жонглер, и даже катящийся детский обруч, поворачивающийся в ту сторону, куда его наклоняет палочка ребенка.
     
     
      Раздел седьмой
      КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. ЗВУК
     
      РОЛЬ КОЛЕБАНИЙ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ
     
      Знаменитый русский кораблестроитель и математик академик А. Н. Крылов так начинает свою книгу «Вибрация судов»2.
      «Триста пятьдесят лет тому назад Галилей в Флорентийском кафедральном соборе, видимо, с гораздо большим вниманием следил за качаниями паникадила, нежели слушал мессу3 и проповедь архирея. Паникадило, висевшее из высокого купола собора, совершало размахи медленно, примерно в 7 секунд, справа налево так, что Галилею было легко вести двойной счет числа размахов и биений своего пульса. Месса была длинная: размахи паникадила становились все меньше и меньше, а между тем продолжительность каждого размаха оставалась неизменной. Это явление, подмеченное Галилеем, было затем проверено опытами над маятниками и было первым явлением, легшим в основу учения о колебательном движении, получившего за эти 350 лет громадное развитие и самые разнообразные применения».
      Интерес, проявляемый в настоящее время к колебательным процессам, весьма широк и далеко выходит за пределы изучения качаний маятника.
      Знакомясь с разнообразными отраслями знаний, наблюдая явления природы, нетрудно убедиться в том, что колебания представляют собой один из наиболее распространенных видов движения материи.
      В повседневной жизни, в природе и в технике мы наблюдаем часто колебательные движения. Маятник стенных часов совершает периодические качания около отвесного положения, фундамент быстроходной турбины колеблется в такт с оборотами главного вала, кузов железнодорожного вагона качается на рессорах при переходе через каждый стык рельсов и т. д.
      Месса — римско-католическая обедня.
      Во всех этих случаях колеблющееся тело совершает периодические (повторно-возвратные) движения между двумя крайними положениями, проходя в одинаковые промежутки времени через одно и то же положение то в одном, то в противоположном направлениях.
      Академик Н. Д. Папалекси, выдающийся советский ученый в области изучения колебаний, в докладе на юбилейной сессии Академии наук СССР в 1945 году указал:
      «Не будет, вероятно, преувеличением сказать, что среди процессов, как свободно протекающих в природе, так и используемых в технике, колебания, принимаемые в широком смысле этого слова, занимают во многих отношениях выдающееся и часто первенствующее место. С периодическими и почти периодическими движениями имеет дело астрономия при рассмотрении движения Земли и небесных тел, с колебаниями земной коры — сейсмология. Колебания лежат в основе оптических явлений и процессов в атомном ядре».
      По современным воззрениям все звуковые, тепловые, световые, электрические и магнитные явления, т. е. важнейшие физические процессы окружающего нас мира, сводятся к различным формам колебаний материи.
      Речь, являющаяся могущественным средством общения людей, музыка, способная вызывать у людей самые сложные эмоции (переживания, ощущения), — физически определяются так же, как и другие звуковые явления, колебаниями воздуха, струн, пластин и других упругих тел.
      Колебания играют исключительно важную роль в таких ведущих отраслях техники, как электричество и радио. Выработка, передача и потребление электрической энергии, телефония, телеграфия, радиовещание, телевидение, радиолокация — все эти важные и сложные отрасли техники основаны на использовании электрических и электромагнитных колебаний.
      С колебаниями мы встречаемся и в живом организме. Биение сердца, сокращение желудка, деятельность кишечника имеют колебательный характер.
      Строителям и механикам приходится иметь дело с колебаниями сооружений и машин; кораблестроителям — с качкой и вибрацией (колебаниями) корабля; транспортникам — с колебаниями экипажей, вагонов, паровозов, мостов; летчикам — с колебаниями самолетов.
      Трудно назвать такую отрасль техники, где колебания не играли бы существенной роли. Разнообразие и богатство форм колебательных процессов очень велико.
      Чем опасны колебания?
      Паровые машины, газовые и паровые турбины, электрические машины и двигатели из-за несбалансированности (неуравновешенности) вращающихся частей — дисков, барабанов, роторов — становятся источниками колебаний. При колебаниях часть энергии.
      сообщаемой машине, уходит на вибрацию фундамента и здания. Коэффициент полезного действия машины или двигателя заметно снижается. Сама машина и фундамент или перекрытие, на котором она установлена, сильно изнашиваются.
      Дополнительные деформации вследствие колебаний могут достигать величины, при которой они становятся опасными для целости сооружения. Наконец, такие колебания часто сопровождаются шумом, раздражающе действующим на обслуживающий персонал.
      Аналогичные колебания с вредными последствиями возникают часто при работе паровых машин, двигателей внутреннего сгорания, различных станков и механизмов из-за наличия возвратнопоступательных движений поршней, шатунов и других деталей.
      Причиной таких колебаний могут быть также неравномерное давление пара, выхлоп газа и другие периодические (повторно меняющиеся) воздействия.
      Следует, однако, иметь в виду, что колебания могут совершать не только двигатель, машина или станок, т. е. агрегат в целом, но, что более опасно, отдельные их части: коленчатые валы двигателей, диски и лопатки турбин, колеса редукторов, лопасти винтов парохода, клапаны, регуляторы и др.
      Подобного рода колебания могут достигать больших размахов, и тогда они становятся причиной расстройства работы механизма, его поломки, а иногда — опасных аварий, если не будут приняты надлежащие меры предупреждения.
      Статистика показывает, что около 80% поломок и аварий в машиностроении являются результатом недопустимых колебаний.
      Значение колебаний в технике особенно возросло в связи с увеличением скорости и мощности современных машин и двигателей.
      С вредным влиянием колебаний приходится также иметь дело при обработке металлов и других материалов. При некоторых режимах резания на станках возбуждаются колебания, одинаково вредные как для самих станков, так и для обрабатываемых изделий. Если не устранить причины, обусловливающие возникновение этих колебаний, то ухудшается качество обрабатываемой поверхности и ограничивается скорость резания.
      Много внимания приходится уделять колебаниям и в строительном деле. Фундаменты и перекрытия, на которых установлены быстроходные машины, двигатели и станки, здания, в которых они находятся, должны быть надлежащим образом построены, чтобы предупредить возможность возникновения колебаний, опасных для нормальной работы механизмов и сооружений.
      Нежелательные колебания могут возникнуть под действием воздушных потоков и завихрений в высотных зданиях, маяках, башнях, мачтах, линиях электропередач, фабричных трубах и т. д.
      В районах, подверженных землетрясением, приходится сооружать сейсмостойкие здания, могущие противостоять без заметных
      повреждений колебаниям, происходящим во время землетрясения. При проектировании и эксплуатации всех видов современного транспорта проблема колебаний имеет важное значение.
      Движение автомобилей и трамваев, паровозов и электровозов, судов и самолетов сопровождается различного рода колебаниями как всего движущегося агрегата в целом (колебания всего паровоза, качка судна и самолета), так и отдельных его частей: колебания рессор и надрессориой части паровоза, вибрация корпуса корабля, колебания крыла, оперения и других частей самолета.
      Источниками колебаний являются периодические (повторя-
      ющиеся) воздействия, производимые противовесами ведущих колес паровоза: удары из-за неровности пути, из-за наличия стыков в рельсах и неравномерного износа бандажей колес. В кораблях такие колебания могут происходить вследствие несбалансированности судовых двигателей, набегания еолн, неравномерного давления воды на гребные винты. В авиации колебания возбуждаются аэродинамическими силами, возникающими вследствие завихрения воздуха.
      Развитие современного транспорта характеризуется ростом скоростей, поэтому рассматриваемые нами колебания влияют существенным образом как на прочность конструкций, так и на характер движения.
      Пути и мосты, по которым движутся экипажи и составы, вследствие периодических ударов колес приходят в колебательное движение, опасное для мостов и железнодорожного полотна.
      В гидравлике и гидротехнике с явлениями колебаний мы встречаемся при движении жидкости в трубах, в гидравлических машинах, центробежных насосах, водяных турбинах при подъеме затворов плотин и т. д.
      В горном деле приходится обращать внимание на колебания шахтных подъемников, горнорудных машин, вентиляторов и др.
      Как используются колебания в технике?
      Приведенные выше примеры вредного влияния колебаний не снижают, однако, той громадной положительной роли, которую играют колебательные процессы в природе и технике. Мы уже обращали внимание на то, что основные физические явления — тепло, звук, свет, электричество по самой своей природе представляют собой проявления различных форм колебаний материи.
      Здесь мы остановимся на некоторых свойствах механических колебаний, которые широко используются в машиностроении, строительном деле и в других областях для разнообразных технических целей.
      Устройство большинства современных машин, двигателей, станков, автоматов основано на преобразовании одних видов движения, вызываемых источником энергии, в другие виды, сообщаемые рабочим органам. Именно в этой области колебательные движения играют весьма важную роль.
      Все поршневые двигатели: паровые машины, двигатели внутреннего сгорания построены так, что в них пар или газ, попадающие в цилиндр, приводят сперва в возвратно-поступательное движение (своего рода колебания) поршень, а уже последний вызывает посредством шатунно-кривошипных механизмов вращательное движение вала. Преобразование колебательного движения и другие виды полезных движений широко распространено почти во всех отраслях машиностроения и станкостроения.
      Столь же часто встречаются обратные процессы, когда вращательные и другие виды движения преобразуются в машинах в колебательные движения, сообщаемые рабочим органам. Это мы наблюдаем в ротационных печатных машинах, в веялках, в грохотах, сортировочных машинах для сыпучих материалов и т. п.
      Благодаря трудам советских ученых механические колебания широко используются при производстве трудоемких и сложных работ в строительном деле.
      Бетон является самым распространенным материалом в гражданском, промышленном, дорожном и гидротехническом строительстве. В настоящее время широко используют вибрирование (колебания) свежеуложенного бетона для придания ему однородности и для повышения его прочности и надежности.
      Вибрирование используют и в таких областях, как устройство оснований сооружений, где оно вытесняет старинные методы-забивку и выдергивание свай и шпунтов, уплотнение грунтов и погружение опускных колодцев. Применение вибраторов для указанных целей ускоряет сроки производства работ, удешевляет их стоимость и упрощает весь процесс работы.
      В горном и подземном строительстве вибрирование применяют для проходки шахт (в плывунах); в гидротехнике и дорожном деле — для уплотнения песчаных насыпей и дорожного покрытия.
      В транспортном деле сложные колебания пружин, пневматиков (воздушных камер) с успехом используются для смягчения ударов, резких сотрясений кузовов и для создания удобной и плавной езды.
      Широко используются механические колебания в приборостроении. Создано большое количество разнообразных приборов, служащих для измерения величин, характеризующих переменные процессы. Таковы индикаторы для измерения давления пара и газов в двигателях; сейсмографы, служащие для измерения колебаний земной коры при землетрясениях; вибрографы — для измерения качки пароходов, вибрации самолетов и машин.
      Колебания натянутой струны используются для создания простого прибора, позволяющего по звучанию струны, укрепленной на детали, находящейся под нагрузкой, судить о величине усилия, возникающего в детали.
      Изучение законов качаний маятника дало возможность еще несколько сот лет тому назад создать механизм часов, позволяющий весьма точно измерять время.
      Некоторые свойства колебаний маятника позволили установить шарообразную форму Земли, убедиться в том, что Земля вращается вокруг своей оси, определить места в толще Земли, где находятся скопления тяжелых пород полезных ископаемых.
      Таков далеко не полный перечень тех отраслей техники, где механические колебания служат человеку.
     
      ЗЕМЛЯ И МАЯТНИК
     
      Маятник — обязательный спутник геофизика, отправляющегося в далекое путешествие. И когда впервые человек совершит полет на Луну или Марс, одним из важнейших приборов межпланетного путешественника будет маятник.
      Ученым маятник служит не только для отсчитывания секунд и минут. С помощью маятника они узнали многие свойства Земли.
      Земля обладает твердостью, упругостью и другими физическими свойствами, подобно любому твердому телу.
      На земной шар действуют притяжение Луны и Солнца, центробежные силы инерции, возникающие вследствие ее вращения вокруг оси и вокруг общего центра тяжести с Луной.
      Эти силы несколько изменяют форму огромной Земли.
      У Земли сильно проявляется свойство, незаметное у небольших тел: способность притягивать к себе все тела.
      Как же изучить свойства Земли?
      Это можно сделать, наблюдая с помощью чрезвычайно чувствительных приборов некоторые явления на ее поверхности. Приборы, позволяющие делать такие наблюдения, очень остроумны.
      Прибор, оказавший огромные услуги науке о Земле, — это обыкновенный маятник. Он хорошо известен всем как регулятор хода стенных часов. Колеблющийся маятник отзывается на изменение силы тяжести, подобно термометру, показывающему температуру. С его помощью изучают, как меняется сила тяжести на земной поверхности в зависимости от близости к полюсу или экватору,
      Маятник позволил заметить и изменение формы Земли под действием притяжения ее Луной и Солнцем.
      Маятник
      Самый простой маятник — это тяжелый шарик на тонкой нити. Именно он наиболее удобен для опытов, а не тот, который всем хорошо известен по стенным часам.
      Первый из них почти подобен так называемому математическому маятнику — тяжелой точке на нити, второй называют физическим маятником.
      Длина маятника — расстояние от точки подвеса до особой точки-центра качаний. Она легко определяется у простого маятника.
      Отведенная в сторону и отпущенная гирька должна падать вертикально. Но нить отклоняет ее и направляет по дуге. Гирька движется под действием тяжести по дуге круга, подобно тому, как скатывается шарик по наклонной плоскости. В момент когда она достигает самой нижней точки своего пути, нить маятника становится вертикальной. Теперь тяжесть уже не заставляет гирьку двигаться. Но гирька не останавливается. В тот момент скорость ее движения достигает наибольшей величины, и она продолжает двигаться, поднимаясь вверх по дуге круга. По окончании одного размаха движение гирьки происходит в обратном направлении.
      Удлиняя нить маятника, нетрудно видеть, что колебания его замедляются. Если маятник стал в четыре раза длиннее, период его размаха становится в два раза продолжительней. При укорачивании же маятника период его колебаний делается короче.
      Вес маятника не влияет на период его колебаний: свинцовая пуля и легкая пробка на нитях равной длины движутся не отставая друг от друга.
      Поднявшись с секундным маятником на высокую гору, мы могли бы заметить, что он замедлил свои колебания. Если сосчитать, сколько сделает секундный маятник колебаний на высокой горе в течение нескольких часов, то окажется, что число их меньше, чем у подошвы горы.
      Что же замедлило колебания маятника? Ослабление силы тяжести на горе по сравнению с равниной.
      Как известно, сила тяжести изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли.
      На горе маятник находится дальше от него, чем на равнине. Сила тяжести уменьшилась, а поэтому замедлились колебания маятника.
      Изменение силы тяжести на Земле
      Переезжая с маятниковыми часами, ученые давно заметили, что при переезде с севера на юг часы начинают отставать. Это продолжается до самого экватора. Очевидно, маятник часов замедляет свои колебания. Так как длина его при переезде не меняется, значит следует сделать вывод, что чем ближе к экватору, тем меньше весит его груз.
      В чем же причина этого явления?
      Ученые уже давно разгадали ее: она заключается в центробежной силе, возникающей на земной поверхности вследствие вращения Земли, а также в сжатии земного шара.
      Посмотрим, как возникает и действует на Земле центробежная сила. Всем хорошо известно, что, вращая на шнурке вокруг руки гирьку, мы чувствуем силу, натягивающую шнурок. Это и есть центробежная сила, которая стремится оторвать гирьку от шнурка.
      Нечто подобное происходит и с вращающейся Землей: каждое тело на земной поверхности стремится удалиться от оси Земли. Поэтому оно становится немного легче.
      Чем дальше от полюса, тем описываемый телом круг становится все шире. Скорость движения тела делается все больше и больше, а вместе с ней растет и центробежная сила. Наибольшей величины центробежная сила достигает на экваторе. Там она уменьшает вес тела на Угао часть его веса на полюсе. В местах на север и на юг от экватора потеря веса менее заметна, но все-таки есть. Вот почему и маятник при переезде к экватору колеблется медленней: ведь масса маятника остается прежней, а сила притяжения становится меньше.
      Но одной центробежной силы не вполне достаточно, чтобы объяснить замедление колебаний маятника при переезде к экватору.
      Как оказалось, сила тяжести вблизи экватора уменьшается не на Уг89, а на У29П веса тела на полюсе, т. е. уменьшается немного больше, чем за счет только центробежной силы.
      Чем же объяснить эту разницу? Значит, есть еще какая-то причина, уменьшающая силу тяжести на экваторе по сравнению с полюсом. Ее нашел Ньютон, открывший закон всемирного тяготения. Он указал, что это «дополнительное» ослабление силы тяжести происходит вследствие некоторого сжатия Земли. Земля приплюснута у полюсов (рис. 198) — тела у полюса находятся ближе к ее центру, чем на экваторе. Поэтому и сила тяжести на полюсе больше, чем на экваторе.
      Так удалось, наконец, полностью объяснить отставание часов, перевезенных к экватору.
      Вопрос об изменениях силы тяжести на земной поверхности имеет очень важное значение для науки.
      Рис. 198. Прибор, поясняющий, почему Земля сплюснута у полюсов. Когда прибор приводят во вращение, изменяется его форма
     
      Внутреннее состояние Земли
      Маятник позволил узнать, какова Земля внутри, что долго не удавалось ученым. Ведь шахты и буровые скважины пока еще не глубоко проникают в земную кору — всего только на 5—6 км. А какова Земля на глубине, скажем, 1000—3000 км?
      Об этом можно узнать, наблюдая при землетрясениях колебания земной коры, прошедшие через глубины Земли.
      Слабые колебания далеких землетрясений регистрируются с помощью очень чувствительных маятников, отличающихся от обычных. Эти приборы должны удовлетворять условию, чтобы сам маятник вследствие своей инерции не выходил из состояния покоя.
      Маятник должен только показывать отклонения под ним почвы.
      Такому условию удовлетворяет так называемый горизонтальный маятник (рис. 199, а).
      Эго горизонтальный стержень с грузом на свободном конце. Та середину он подвешен к верхушке стойки, а за другой конец прикреплен нитью к ее основанию. Так, стержень висит горизонтально, поддерживаемый в пространстве двумя нитями.
      Стержень колеблется в горизонтальной плоскости. Регулируя длину нити, на которой он подвешен за середину, можно добиться, что его собственные колебания будут в несколько раз медленней, чем колебания почвы. Такой маятник сам не выйдет из состояния покоя и будет показывать только отклонения почвы.
      Не забудьте, однако, как ничтожны отмечаемые этим прибором отклонения — десятые и сотые доли миллиметра!
      Как же их измерить? Очевидно, нужно увеличить их в сотни н тысячи раз. Самый простой способ увеличения — соединить с маятником маленькое зеркальце, которое отбрасывает свет лампы — «зайчик» — на довольно далекий экран. При малейшем повороте зеркальца «зайчик» передвигается.
      Маятник остается неподвижным, а почва со стоящей на ней лампой п экраном движется из стороны в сторону, и «зайчик» пере-
      двигается по экрану. Если отраженный свет падает на фотографическую пленку, то движение «зайчика» запечатлевается на ней. Светочувствительная лента движется, и светлое пятнышко чертит на нем зигзаги сейсмограммы.
      Первые чувствительные приборы — сейсмографы, отмечавшие приход волн землетрясений, были построены в начале нынешнего века русским ученым Б. Б. Голицыным. Советские ученые изо брели еще более совершенные приборы, чем построенные Голицыным. С помощью таких приборов регистрируют как горизонтальные, так и вертикальные колебания почвы (рис. 199, б, е).
      Для регистрации вертикальных колебаний применяется такое устройство. Стержень, один конец которого с помощью шарнира вращается на вертикальной стойке, подвешен за середину на спиральной пружине. На другом конце стержня укреплен груз с пером, которое касается ленты на вращающемся барабане (рис. 199, в).
      При вертикальном колебании почвы груз остается в покое, а стойки и барабан перемещаются то вверх, то вниз. Наблюдателю же кажется, что колеблется перо и чертит на движущейся ленте зигзагообразную линию.
      С этими приборами советские ученые и наблюдают распространение упругих колебаний земной коры при землетрясениях.
      Волны колебаний — настоящие вестники из глубин Земли. Скорость упругого колебания зависит от плотности и от сопротивления тела сдвигу его частиц. Значит, по скорости распространения колебаний можно судить о свойствах тела.
      Вы, наверное, замечали, как колеблется задетая пальцем струна: частицы ее движутся то в одну, то в другую сторону в поперечном направлении, а колебание распространяется вдоль струны.
      Такие колебания могут происходить только в твердом телеметалле, камне и тому подобных телах, частицы которых сопротивляются сдвигу. В воде, масле и других жидкостях их не может быть, потому что сдвигаемая в сторону частица жидкости не сопротивляется и не возвращается в прежнее положение.
      Это важное свойство поперечных колебаний. Если они проходят через толщу Земли, значит на этой глубине Земля — твердое тело.
     
      «Твердый» прилив
      Морские приливы и отливы известны с давних пор. Это поднятая вода в океане «бугром» прямо под Луной. По мере суточного движе ния Луны перемещается и бугор прилива.
      Не нужно, однако, думать, что бугор прилива «движется» вслед за видимым движением Луны. Вода только поднимается под Луной, одновременно опускаясь на том месте, где находился бугор прилива. Это «движение» вполне сходно с «расхождением» волн от упавшего в воду камня: и в этом случае частицы воды только поднимаются и опускаются, а колебания их распространяются в виде волн.
      Силы, движущие частицы воды, действуют и на маятник. Под влиянием лунного притяжения маятник отклоняется от вертикального направления.
      Так как относительное положение маятника и Луны вследствие суточного вращения Земли постоянно меняется, то его конец в тече ние суток чертит петлеобразную фигуру.
      Измеряя эти отклонения маятника под действием лунного при тяжения, можно вычислить, насколько и сама земная кора поддается силам, поднимающим бугор прилива в океане.
      Наблюдения над горизонтальным маятником, проведенные в конце прошлого века русским астрономом А. Я. Орловым, открыли замечательное явление. В твердой земной коре под влиянием притяжения Луны поднимается, как и в океане, бугор прилива. Он не высок, всего 20 — 25 см, и без опоздания следует за Луной.
      По «высоте «твердого» прилива можно рассчитать твердость Земли. Земля в целом сопротивляется силам, поднимающим «твердый» прилив как тело, более твердое, чем сталь.
     
      Маятник и поиски полезных ископаемых
      Притяжение тяжелых масс увеличивает силу тяжести. Поэтому маятник, находящийся на земной поверхности над скоплением тяжелых руд, колеблется быстрее, чем в других местах. О быстроте колебаний судят по числу их в течение определенного промежутка времени (рис. 200).
      Открыв этим способом скопление руд, выбирают место для заложения разведочной скважины.
      Притяжение тяжелых масс можно обнаружить с помощью и другого прибора — гравитационного вариометра. Главная часть его — крутильные весы: тонкий стержень (коромысло) с двумя маленькими свинцовыми шариками, подвешенный за середину на кварцевой нити Один из шариков укреплен непосредственно на конце стержня, а другой висит на нити.
      При приближении к месту, где под землей залегают тяжелые массы, шарик на нити притягивается к ним и стержень закручивает кварцевую нить. Это значит, что на этом месте, где стоит прибор, находится скопление тяжелых руд.
      Этот прибор так чувствителен, что во время наблюдения возле него нельзя стоять, так как притяжение тела человека может исказить показания вариометра. За движением коромысла крутильных весов следят по отражению света в маленьком зеркальце, прикрепленном на конце коромысла.
      С помощью маятника и гравитационного вариометра можно открывать также и легкие массы, например скопления каменной соли. Над такими скоплениями сила тяжести будет уменьшенной.
      Видную роль при поисках полезных ископаемых играют и сейсмографы. Сейсмические методы основаны на том, что скорость прохождения упругих колебаний зависит от свойств горных пород.
      Предположим, что в районе исследования есть соляные купола.
      Разведчики производят искусственно колебания в земной коре с помощью взрыва заряда. На станциях, снабженных сейсмографами, наблюдатели регистрируют приход этих колебаний.
      Можно наперед рассчитать, когда они достигнут каждой из этих станций. Но если по пути волны встретится соляной купол, волна придет скорее, чем по расчету.
      Это объясняется большой упругостью каменной соли, в которой упругие колебания распространяются быстрее.
      Перечисленными геофизическими способами было открыто множество соляных куполов в Урало-Эмбинском нефтеносном районе. Геофизические методы применялись при исследовании Курской магнитной аномалии и других месторождений на территории Советского Союза.
      Советские геологи достигли огромных успехов в поисках полезных ископаемых в нашей стране и в широких масштабах применяют геофизические методы разведок.
     
      МАЯТНИК ПОШЕХОНОВА
      В Ленинграде, в Исаакиевском соборе, в котором находится сейчас музей, есть простой, но очень интересный прибор. Высоко под куполом собора на длинной нити подвешен груз. А на полу под ним — большой круг, расчерченный на градусы.
      Маятник в Исаакиевском соборе демонстрируется уже больше тридцати лет.
      Каждый день приходит сюда много посетителей. С помощью этого простого маятника они могут наглядно убедиться в том, что Земля вращается вокруг своей оси.
      Такой маятник впервые построил в 1861 году известный французский ученый Фуко. По его имени он и назван маятником Фуко. Для доказательства вращения Земли французский ученый использовал замечательное свойство маятника сохранять неизменной плоскость своего качания.
      Чтобы убедиться в этом свойстве, сделаем небольшой опыт. Возьмем штатив с подставкой и подвесим к нему маятник — грузик на нитке. Запустим его и заметим направление его качания.Теперь начнем медленно вращать штатив. Несмотря на это, маятник не изменит плоскости своего движения.
      Если подвесить очень длинный маятник, — чем длиннее он будет, тем лучше — запустить его и заметить направление его движения, то можно вскоре увидеть кажущееся отклонение его от заданного ему направления. Так как любой маятник всегда стремится сохранить плоскость своего качания, то можно сделать вывод: вращается сама Земля.
      Для того чтобы получить с маятником Фуко заметный эффект, нить его должна быть очень длинной, а груз достаточно тяжелым. Так, длина нити в Исаакиевском соборе 98 м, а вес груза — 60 кГ. Кроме того, поворот плоскости качаний маятника заметен лишь через 15 — 20 минут после запуска маятника. Это еще один недостаток маятника Фуко.
      Все это побудило советских ученых- Рис. 201. Устройство астрономов искать другие, более доступ- маятника Пошехонова ные способы для наглядного доказательства вращения Земли. Ярославский ученый Г. В. Пошехонов предложил оригинальную конструкцию удобного прибора для этой цели. В разработке прибора принял участие коллектив научных сотрудников Московского планетария, и прибор был построен. По аналогии с маятником Фуко он назван маятником Пошехонова. Прибор очень прост по устройству (рис. 201). Его можно сделать даже в хорошо оборудованном школьном физическом кабинете.
      В отличие от маятника Фуко маятник Пошехонова не нуждается для своей установки в высоком помещении.
      Принцип, на котором основано действие маятника Пошехонова, можно уяснить на такой модели. На круглом основании помещается прямоугольная рама. Рама может свободно вращаться вокруг своей вертикальной оси. На горизонтальной оси рамы подвешена штанга, на концах которой находятся неуравновешенные грузы. Разница в весах этих грузов невелика. Она нужна для того, чтобы штанга двигалась не по кругу, вращаясь, а маятникообразно.
      Когда основание неподвижно, запущенный маятник свободно качается в одной плоскости. Теперь заставим основание вращаться и опять качнем маятник. Рама, опирающаяся на основание, тоже начинает вращаться вслед за ним. Нов то время, когда грузы маятника в своем движении проходят через вертикальную ось рамы, маятник рывками стремится опередить движение основания, увлекая за собой раму.
      Почему это происходит? Чтобы уяснить себе причину этого явления, вспомним несколько аналогичных примеров из жизни. Когда фигурист на катке или балерина на сцене хотят достичь наибольшей скорости вращения, они принимают руки как можно ближе к туловищу, или, говоря языком техники, концентрируют свою массу ближе к оси вращения.
      Точно такое же явление происходит и в маятнике Пошехонова. Когда грузы проходят через ось вращения рамы, масса прибора концентрируется, скопляется на оси, и маятник стремится опередить движение основания.
      Именно этот факт и послужил Пошехонову исходным пунктом в работе над маятником. Выводы, полученные в результате наблюдений над моделью, явились своего рода «доказательством от противного». Если в модели вращающееся основание было условием опыта, то и в приборе оно должно было явиться следствием, выводом. Основанием в приборе служит пол здания, т. е. сама Земля.
      Маятник Пошехонова вышиной около трех метров был установлен недавно в одном из залов Московского планетария. И вот когда запустили маятник, то буквально через 3 — 4 минуты он значительно отклонился от первоначальной плоскости своего движения по направлению вращения Земли — с запада на восток. А так как подобного рода маятник может изменять плоскость своего качания лишь в том случае, если ему задано какое-то вращательное движение, то бесспорно сказать, что вращается основание маятника — пол, на котором он стоит, т. е. сама Земля.
      Маятник Пошехонова — это крупное достижение советской астрономической науки.
     
      СЕЙСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ
      Наблюдения с помощью современных чувствительных инструментов показывают, что земная кора почти непрерывно колеблется. Большую часть таких колебаний мы не замечаем, и они не производят заметных перемен на поверхности Земли. Но многие из них — катастрофические явления — надолго оставляют по себе память.
      Это явление природы изучает наука сейсмология (от греческих слов: «сейсмос» — удар, «логос» — речь).
      Сильные землетрясения принадлежат к числу наиболее грозных явлений природы. Например, в ночь на 10 ноября 1940 года большая часть Румынии была охвачена катастрофическим землетрясением. Это землетрясение ощущалось во многих уголках земного шара, в том числе и в Москве, отстоящей на расстоянии 1320 км от центра землетрясения.
      Для наблюдения за землетрясениями и изучения причин, вызывающих их, созданы особые наблюдательные пункты — сейсмические станции. Такие станции имеются в нашей стране во многих городах.
      Вот как устроены эти станции.
      В темном помещении, на особом основании, отделенном от фундамента и пола здания, стоит, главная аппаратура — сейсмограф
      Сейсмограф — стеклянный ящичек, внутри которого на специальном кронштейне подвешен на вольфрамовом волоске особой конструкции маятник. Это — как бы необыкновенно чуткое ухо. Самые незначительные и отдаленнейшие колебания земной коры приводят маятник в движение. За его качаниями зорко наблюдает электрический глаз прожектора и запечатлевает их на движущейся полосе фотобумаги. По ним судят о характере происшедших землетрясений.
      Сначала прибегают самые быстрые волны по наиболее короткому пути. Несколькими зигзагами они отметятся на фотобумаге. Потом несколько минут тишины — и снова световой луч зарисует зигзаги.
      Эго прибежала вторая волна. Она отстала потому, что шла ломаным путем — вынырнув из глубины до самой поверхности Земли, отразилась от нее и побежала дальше. Потом опять тишина — и вновь новые зигзаги. Это следующие волны. Они отстали еще больше, потому что пробежали длинный путь, не раз отражаясь от внутренних слоев Земли.
      Если волны прибегают растянутым, длинным рядом — одни впереди, другие позади, — значит, землетрясение было за многие тысячи километров. По записям — сейсмограмме (рис. 203), определяют расстояние и направление, а потом, перенеся данные на карту, точно находят то место, где было землетрясение. Если же волны прибегают кучно, значит, землетрясение было совсем близко.
      Рис. 203. Сейсмограмма
      Изучая записи колебаний, можно сказать, какова структура глубин Земли. Ученые заметили, что те волны, которые проходят сквозь сердцевину Земли, сильно запаздывают по сравнению с теми, которые идут сквозь ее наружную оболочку. Ученые проследили путь волны через сердцевину Земли, вычислили ее скорость и сделали такой вывод: в середине земного шара расположено плотное, тяжелое ядро из железа и никеля.
      Сильнейшие землетрясения возникают в результате передвижек земной коры. Это происходит потому, что ядро Земли, охлаждаясь, сжимается. Земная кора, плотно облегавшая ядро, начинает как бы провисать и вынуждена сжаться, чтобы вновь плотно обнять ядро.
      Землетрясения, вызванные сдвигом земной коры, распространяются на большие расстояния. Но бывают землетрясения, связанные с вулканическими извержениями. Область их распространения
      сравнительно невелика. Самые слабые землетрясения возникают от подземных обвалов в пустотах земной коры.
      В среднем в год на Земном шаре бывает свыше десяти тысяч землетрясений. Они случаются обычно в определенных районах. В нашей стране такие районы занимают 4.5% всей территории. К ним относятся: Крым, Кавказ, Дальний Восток (особенно Камчатка), Закавказье и Средняя Азия.
      Советские ученые собрали сведения о землетрясениях и составили карту землетрясений на территории нашей страны.
      Для уменьшения катастрофических последствий землетрясений разработаны способы строительства сооружений, не разрушающихся от подземных толчков.
      Советские ученые создали совершенные сейсмографы, которыми оборудованы не только сейсмические станции Советского Союза, но и целый ряд сейсмических станций в других странах. Сейчас советские ученые Харин и Кирнос изобрели новые, ещеболее чувствительные сейсмографы.
      Впервые в мире у нас, в городе Алма-Ате, создана наклонномерная станция, где пытаются по изменению наклона поверхности земной коры предсказывать землетрясения.
     
      ЧАСЫ
      Часы... Можно ли назвать какое-нибудь устройство, которое было бы так распространено, как часы? Можно ли представить себе развитие народного хозяйства, культуры, науки без часов? Смогли бы капитаны морских кораблей определять свое местонахождение без часов? Можно было бы регулировать движение поездов, проводить астрономические исследования, организовывать работу учебных заведений без часов? Отсутствие часов могло бы парализовать жизнь теперешнего города. Оно таило бы в себе бесчисленное количество неприятностей, которые мы чувствовали бы в нашем быту.
      Современные часы бывают разнообразной формы. Люди пользуются ручными и карманными часами разной формы и величины. Во многих учреждениях есть электрические часы с централизованным управлением. Специальные часы используют астрономы для очень точного определения времени: маятники таких часов должны совершать 86 636,5 колебания за сутки, и наименьшая неточность в колебаниях может стать причиной огромнейших ошибок в астрономических исследованиях. Все происходит во времени и время нужно точно определять и измерять.
      Всегда ли люди имели такие точные способы измерения времени? Часы имеют свою длинную и интересную историю.
      Уже в старинные времена человек начинает измерять время. Это особенно было нужно в борьбе человека за существование. Для охоты время имеет важное значение: именно, в определенное
      время дня и ночи существуют соответствующие благоприятные условия для охоты на того или иного зверя. Для этого человек уже на первых порах за основной ориентир принимает Солнце.
      Периодические восход и заход Солнца становятся главным фактором для измерения времени. Часы дня определяют по высоте Солнца над горизонтом; так возникли солнечные часы.
      Наблюдая изменение тени, которую отбрасывает какой-нибудь предмет, например длинная палка, люди заметили, что наиболее длинной будет тень во время восхода и захода Солнца, а самой короткой — в полдень. Это изменение тени использовывали в древнем Китае для создания часов с круглым циферблатом, который потом начали делить на определенные промежутки. Сначала делили время от восхода до захода Солнца на 12 равных промежутков-часов.
      Такое деление объясняется тем, что по наблюдениям древних ученых, видимый путь Солнца проходит по небу через 12 созвездий, которые впоследствии получили название «пояс зодиака».
      В соответствии с этим дневной час летом был длиннее, чем зимой, т. е. длительность часа была переменной и изменялась в течение года. Потом Птолемей в Египте внес усовершенствование в измерении времени, разделив сутки на 24 равных части, что уже в некоторой мере стабилизировало среднюю длительность часа.
      На рисунке 204 показаны переносные солнечные часы — посох, в которых время определяли по длине тени, которую отбрасывал колышек, вставленный в отверстие держателя. Эти часы применялись в древней Индии.
      Солнечные часы можно было использовать только в малооблачную погоду и притом только днем.
      Затем изобрели водяные часы — клепсидр1, которые были очень распространены в древней Греции и Риме.
      Клепсидр состоял из сосуда, наполненного водой, на дне которого было небольшое отверстие. Действие клепсидра основывалось на том, что одинаковые количества жидкости при одинаковом уровне ее в сосуде вытекают за одинаковое время. Это дает возможность, собирая и измеряя количество воды, вытекающей из сосуда, измерять время. Время действия клепсидра можно было рассчитать на сутки, часы и минуты, в зависимости от емкости сосуда и диаметра отверстия.
      Для равномерного размещения делений, которые обозначают одинаковые отрезки времени, нужно было помнить,что давление жидкости на дно зависит от высоты ее столба и что по мере снижения уровня жидкости уменьшается интенсивность ее вытекания. Поэтому сосуду придавали лейкоподобную форму, благодаря чему деления, которые отсчитывали время, можно было размещать на одинаковом расстоянии.
      На рисунке 205 изображен усовершенствованный клепсидр с циферблатом, стрелкам которого сообщал движение такой механизм: на поверхность воды В сосуд пускался по- Рис. 205. Усовершенствован-плавок, который в меру ее вытекания вый клепсидр
      понижался и тянул за собой нитку, укрепленную на оси стрелки, вращающейся вокруг оси циферблата.
      С течением времени клепсидры еще более усовершенствовались и струнка воды, которая вытекала из отверстия посудины, падала на лопасти водяного колеса; колесо, вращаясь, через систему зубчатых передач приводило в движение стрелки циферблата. Именно из практики применения клепсидра и взято выражение «как с того времени много воды убежало»; это выражение и теперь применяется, когда речь идет о давних событиях. Разновидностью клепсидра
      1 Клепсидр (греч.) от слов «клепсо» — притаи., модор» — вола.
      являются песочные часы (рис. 206), которые еще и теперь используются в больницах.
      За первые десять-двенадцать столетий нашей эры ничего особенного не было внесено в устройство часов. Только в двенадцатом веке были изобретены колесные часы с гирями.
      Позднее эти часы усовершенствовали, применив маятник. В 1582 году Галилей открыл явление изохронности в колебании маятника, т. е. свойство маятника сохранять постоянство периода коле баний.
      Позднее он высказал мысль о воз можности применения маятника в ча сах, но осуществить это удалось только в середине XVII столетня голланд скому ученому Гюйгенсу.
      Чтобы обеспечить равномерный ход часов, Гюйгенс создал специальный анкерный (якорный) спуск — регулятор. К оси маятника был пристроен согнутый равноплечий рычаг — анкер, имевший два зубца, которыми он сцеплялся с ходовым (храповым) колесом (рис. 207). Последнее приводилось в движение гирей, которая была подвешена к цепи, переброшенной через зубчатое колесо; это колесо сидело на одной оси с ходовым (храповым) колесом. При колебании маятника зубцы якоря, то правый, то левый, попадали в выемки между зубцами храпового колеса (по очереди). Получая таким способом периодические толчки от зубцов храповика, маятник совершал незатухающие колебания и, не останавливаясь, преодолевал трение в точке подвеса, а также и сопротивления воздуха. Так маятник стал механизмом для обеспечения равномерного хода часов.
      На основании этого открытия Гюйгенса начали изготовлять колесные часы с гирями. В таких часах на горизонтально укрепленный вал наматывалась веревка, к концу которой прикреплялась тяжелая гиря. Гиря тянула веревку вниз, веревка разматывалас и вращала вал (рис. 208). По следний вращал на себе зубча тое колесо, которое в свою очередь было сцеплено с рядом других зубчатых колес, застав лявшнх двигаться стрелки на циферблате. Если бы не было анкерно-якорного спуска, такая система вращалась бы неравномерно, так как гиря опускалась бы с ускорением. Введение анкерного механизма обеспечило равномерный ход часов. Такими и были часы, установленные на Спасской башне Московского Кремля в 1624 году.
      Колесные часы потом заменили на часы с пружинным заводом. У таких часов есть пру жнна в виде тонкой лентоподоб ной спирально-скрученной пластинкн (рис. 209). Внутренний конец пружины соединяется с пра щак.щейся осью, а наружный — закреплен неподвижно. Если пружину накручивают, т. е. начинают вращать ось при помощи ключа, кольца спирали сужаются и сближаются между собой Пружина, стремясь вернутыгя в свое начальное положение, начнет постепенно раскручиваться и действием своей упругости будет прашать ось, а вместе с ней и систему зубчатых колес и снизанные с ними стрелки.
      После применения пружинного механизма начали изготовлять переносные часы.
      В часовом деле впервые, вероятно, начали применять принцип автоматизма. Еще задолго до XVIII столетия в часах автоматическим способом уже демонстрируются различные театральные
      представления, или, как тогда называли, «репети ции».
      Конструкция часов очень заинтересовала известного русского изобретателя XVIII столетия И. П. Кулибина (1735 — 1818), который, кроме других изобретений, изготовляет из разных деталей и часы. В истории часового дела можно рядом с известными Страсбургскими башенными часами поставить кулибинские часы, изготовленные для царицы Екатерины.
      Часы имели форму утиного яйца, побыли немножко больше его (рис. 210). Часы заводились раз в сутки и отбивали четверти, половины и полные часы. В конце каждого часа в верхней части часов открывались дверцы и перед глазами зрителя показывался золоченый чертог.
      Рис. 310 Часи И П. Км..г.„,. В ™Уб;,не чеРТ0Га был
      «гроб господний» с приваленным к его дверям камнем. По бокам дверей стояли два воина с копьями. Потом двери чертога открывались и появлялся ангел. Камень от дверей отваливался, а двери чертога открывались, и воины падали ниц. Через полминуты появлялись женщины-мироносицы, и часы под авон трижды исполняли церковный стих. После этого двери чертога закрывались.
      Все фигуры были сделаны из чистого золота и серебра. В полдень часы исполняли музыку, которую написал Кулибин.
      Часы Кулибина справедливо считают одним из механических чудес XVIII столетия. Они и теперь сохраняются в Эрмитаже (Ленинград).
      Интересные часы XVIII столетия также изготовил русский химик и мастер Терентий Волосков. Он начал свою конструкторскую работу с изготовления глиняных и деревянных часов и посте пенно перешел к более сложным; наконец, он смастерил уни версальные астрономические часы. Наружная доска часов была покрыта циферблатами, которые показывали положение Солнца, Луны, год, месяц, дату и час. Кроме того, добавочные циферблаты показывали данные церковного календаря.
      Большое удивление у зрителей вызывал автоматический переход стрелки с последнего числа прошлого месяца на первое число нового и определение високосного и обычного годов.
      Изобретение спиральной пружины, заменившей силой своей упругости действие двигателя с грузами, создало возможность значительного уменьшения размера часое и изготовления карманных часов.
      Для регулирования хода карманных часов применяется специальное устройство — б алане со спиралью (рис. 211) Это устройство состоит из небольшого ма хового колеса — баланса, насаженного на вертикальную ось, и подвижной спиральной пружины. Внутренний конец спирали прикрепляется к оси колеса, а наружный — к одному из кружочков, покрываю щпх часы.
      При накручивании спиральной пружн ны начинает вращаться и баланс, и форма пружины изменяется. Но вследствие своей упругости она старается вернуться к своей прежней форме и тянет за собой баланс. По инерции баланс продолжает вращаться и после возвращения пружины в начальное положение, отчего спиралг растягивается в противоположном направ ленин, стремясь своим сопротивлением остановить баланс. Последний и в этом случае (по инерции! переходит через состояние равновесия и тянет ее за собой. Так и происходят колебания баланса (движение в противоположных направлениях), а этим самым — регулирование движения часов, подобно тому, как маятник регулирует ход переносных часов Баланс (регулятор) соединен системой зубчатых колес так, чтобы связанные с ним стрелки показывали часы, минуты н секунды.
      Особая система регулирования хода применяется в электриче ских часах. Электрические часы бывают первичные и вторичные.
      Рассмотрим схему действия первичных электрических часов. На рисунке 212 мы видим общую схем у устройства часов, где к маятнику 1 присоединен якорь 2, который может притягиваться электромагнитом 3. Последний включается в электрическую цепь с батареей 7, контактными пружинами 6\ к нижней пружине свободно подвешен выступ 5; на стержне маятника закрепляется палец 4.
      Последовательные этапы действия электрических часов приведены на рисунке 213. Для упрощения слева мы показываем взаимодействия деталей 4, 5 и 6 предыдущей схемы, а справа — положение маятника, которое соответствует каждому этапу.
      На рисунке показано 6 положений маятника, принадлежащих одной половине полного периода его колебаний. В положении 1 маятник выходит из состояния равновесия и начинает двигаться влево. Палец маятника еще не касается выступа 5. Положение 2 показывает, что маятник отклонился дальше, палец коснулся выступа и отклонил его. Положение 3 показывает, что маятник достиг крайнего левого отклонения, а выступ заскочил в вырез пальца. В положении 4 маятник, а вместе с ним и палец, начинает двигаться вправо. При этом повора чивается и выступ, который давит . на контактную пружину и замы О кает электрическую цепь. Вследствие этого включается и электро-магнит, начинающий притягивать якорь маятника. Именно при этом маятник получает импульс, необходимый для его колебаний. Положение 5 показывает, что маятник и палец удаляются вправо. Выступ наклоняется, контактные пружины размыкаются; этим самым выключается и электромагнит. В положении 6 вся система возвращается в начальное положение 1.
      Когда маятник возвратится в положение 4, он снова будет получать толчок для выполнения незатухающих колебаний.
     
      КРЕМЛЕВСКИЕ ЧАСЫ
     
      При постройке новых стен Московского Кремля, сохранившихся до наших дней, главные ворота были возведены в 1491 году в виде квадратной крепостной стрельницы с навесными бойницами и двумя рядами отверстий для огненного боя. Фроловская стрельница, как тогда именовалась Спасская башня, не имела еще над собой высокого шатра. Верх ее состоял из маленькой открытой вышки, где висел часовой колокол. На башне были установлены большие часы: чтобы время было ведомо «торговым людям и городским жителям», чтобы оно было единым для всей великой столицы.
      Часы эти не были первыми в Москве. В 1404 году летописец упоминал о «часах с боем и перечасьем», установленных на Фролов-ских воротах Кремля Дмитрием Донским. Но более подробных документальных сведений о них не сохранилось. Когда красивый каменный верх был в 1624 — 1625 годах установлен на Спасской башне, старые часы, пришедшие в ветхость, были проданы на вес (всего 60 пудов), а над воротами были поставлены новые часы с музыкой или, как тогда говорили, с «перечасьем». Для этой музыки колокольный мастер Кирилла Самойлов слил в 1625 году 30 колоколов.
      В те годы еще не были изобретены часы с маятником. Башенные часы того времени представляли собой сложный механизм, приводимый в движение тяжелым грузом, подвешенным на канате, навернутом на барабан. Вращение цилиндра системой зубчатых колес передавалось горизонтальному колесу в виде короны, которое было сцеплено с тормозящим механизмом, состоящим из двух пластин, поставленных под углом друг к другу.
      Но новые часы просуществовали только 30 лет. В 1654 году башня сгорела и часы погибли в огне. Иноземец Павел Алеппский так рассказал об этом событии, которое москвичи рассматривали как беду всего Московского государства.
      «На праздниках нынешнего рождества по зависти диавола загорелись деревянные брусья, что внутри часов, и вся башня охвачена была пламенем вместе с часами, колоколами и всеми их принадлежностями, которые при падении разрушили своею тяжестью два свода из кирпича и камня, и эта удивительно редкостная вещь, восстановление которой в прежний вид потребовало бы расхода более чем на 25 000 динаров на одних рабочих, была испорчена».
      Но русские мастера очень скоро восстановили и прекрасную башню и чудесные часы, которые иноземцы именовали «дивом мира», и снова время Московского Кремля стало законом для всего великого города.
      Эти часы были мало похожи на современные. В них вращались не стрелки, а сам циферблат, проводя цифры мимо неподвижного луча Солнца, пригвожденного к стене выше циферблата. Славян ские цифры, мерою в аршин, были вызолочены, середина круга, изображавшая небесный свод, была покрыта лазоревой крас кой и усеяна золотыми и серебряными звездами, с Луной и Солнцем.
      По-иному считали время в старой Москве. День начинался с рассветом и кончался с заходом Солнца. И с началом нового дня часы начинали свой первый час. Зимой и летом они шли по-разному: летом день делился на 17 часов, зимой был гораздо короче. И с концом дня «часовник», смотрящий за механизмом, возвращал циферблат в исходное положение, чтобы сначала вести счет времени.
      Старые часы помещались не там, где теперь, а на главной башне, этажом выше. На верхнем же ярусе были расположены знаки зодиака; их остатки до сих пор сохраняются под циферблатом современных часов.
      ...Сейчас, когда уже отпразднован восьмисотлетний юбилей великого города, часы на Спасской башне разносят московское время по всей стране (рис. 214). Каждую полночь, когда над Кремлем звучит Гимн Советского Союза, торжественный бой часов слышен во всех концах нашей страны и во всем обширном мире.
     
      РЕЗОНАНС В ТЕХНИКЕ
      Особую опасность для сооружений и машин представляют вибрационные нагрузки. Для конструкции они более пагубны, чем статические и даже ударные нагрузки. Действие удара может быть приближенно определено, если известна скорость ударяющего гела и его масса, с одной стороны, и жесткость конструкции, воспринимающей удар, с другой.
      Воздействие удара воспринимается тем меньшей частью сооружений, чем больше скорость удара. Пуля, ударяя по стеклу, производит местное повреждение стекла, не образуя больших трещин вокруг отверстия. Действие удара не распространяется дальше воздействия статической нагрузки, приложенной в этом месте. Поэтому удар можно учесть и предусмотреть его последствия.
      Что касается колебаний, то здесь картина возникающих усилий в элементах конструкции более сложна. Действие колебаний может проявиться и не там, где его можно ожидать, — в непосредственной близости от нагрузки, а часто в местах, удаленных от места действия нагрузки, и даже в системе, непосредственно не связанной с конструкцией, которая подвержена воздействию нагрузки.
      Действие колебаний может проявиться в таких частях сооружения, которые не испытывают усилия от статической нагрузки, приложенной в месте действия вибрационной нагрузки. Более того, вибрационная нагрузка может привести к разрушению других сооружений, удаленных от здания, где эта нагрузка действует.
      Причиной этих своеобразных явлений служит свойство всякого сооружения совершать упругие колебания. Здесь мы наблюдаем некоторое сходство со звуком. Всякое сооружение подобно музыкальному инструменту, способному издавать звуки определенной высоты. С другой стороны, каждый инструмент способен отзываться на эти же звуки, если они раздаются извне. При действии на сооружения вибрационной нагрузки определенного тона, характеризующегося частотой колебаний в секунду, особенно значительные колебания будут возникать в той части сооружения, которая имеет собственную частоту, близкую к частоте периодической нагрузки, и будет ей резонировать, хотя бы эта часть конструкции была удалена от места приложения нагрузки.
      Такие случаи передачи от одной конструкции к другой в технике встречаются часто. Так, например, работа машины вызывает колеба-
      1 По книге ГПисаренко и Д. Вайнберга «Механические колебания».
      ния как здания, в котором машина помещается, так и здания, расположенного рядом; работа дизеля водокачки вызывает колебание близко расположенного железнодорожного моста и т. п.
      Особенность периодически повторяющихся нагрузок состоит в том, что прочность конструкции при таких переменных вибрационных нагрузках не обусловливается прочностью конструкции при постоянных нагрузках. Это связано с тем, что колебания зависят не только от прочности материала конструкции, но и от распределения ее массы.
      Кроме указанной особенности вибрационных нагрузок, следует указать еще на одну особенность, состоящую в том, что малая нагрузка может вызвать сильное и опасное воздействие. Это явление объясняется способностью конструкции резонировать. Периодически действующие на сооружение или машину нагрузки вызывают вынужденные колебания. Если частота свободных колебаний системы одинакова с частотой колебания силы или кратна ей, то наступает резонанс, возникают весьма большие колебания, опасные для конструкции.
      Кроме сил повторяющихся (периодических), в практике приходится часто иметь дело с силами, которые действуют в течение небольшого промежутка времени, сначала быстро нарастая, затем несколько медленнее убывая, подобно тому, как действует давление пара в цилиндре паровой машины, давление газа в двигателе внутреннего сгорания и т. д.
      Здесь также может возникнуть явление резонанса, которое наступает не только тогда, когда период последовательных силовых воздействий равен периоду свободных колебаний системы, но и в том случае, когда эти воздействия следуют через промежутки времени, равные целому числу, кратному величине указанного периода. Это составляет важную особенность повторного действия сил весьма малой продолжительности, т. е. имеющих характер удара.
      Подобное явление происходит в железнодорожном вагоне, который иногда начинает совершать заметные вертикальные колебания на своих рессорах. В данном случае колебания возникают вследствие ударов колес о стыки рельсов.
     
      Колебания мостов, случаи обрушений
      Мосты являются ответственными сооружениями, обеспечивающими нормальную работу путей сообщения.
      Учитывая большие пролеты современных стальных и железо бетонных мостов, а также большой вес проходящих по ним составов, движущихся с большими скоростями, приходится считаться с опасностью возникновения колебаний таких строений.
      Известно, что быстро проходящий по мосту состав вызывает прогибы и усилия в фермах, которые больше усилий, возникающих при неподвижном расположении того же состава на мосту. Это динамическое воздействие зависит от частоты собственных колебаний пролетного строения моста, а также от соотношений весов поезда и моста. Увеличение прогиба по сравнению с его статическим значением будет тем больше, чем больше скорость поезда и чем выше собственная частота колебания моста. При скорости поезда 120 км в час увеличение прогиба моста с пролетом в 18 м при частоте колебаний 9 герц достигает 12% по сравнению со статическим прогибом. При той же скорости поезда мост с пролетом в 36 м при частоте собственных колебаний 5 герц получает увеличение прогиба по сравнению со статическим его значением на 10%. Более существенное влияние оказывает на мост ударное воздействие перемещающихся по мосту грузов, особенно в случае, когда частота таких воздействий близка к частоте собственных колебаний моста. Практически, однако, для мостов средней длины, порядка 30 м, появление резонанса мало вероятно, так как частота собственных колебаний мостов значительно выше частоты возмущающих импульсов, зависящих от числа оборотов ведущих колес паровоза, несущих неуравновешенные массы противовесов.
      Для мостов больших пролетов опасность резонансных явлений становится уже реальной. При этом увеличение прогиба по сравнению со статическим здесь может превысить 60 — 70%.
      Говоря об ударном действии колес вследствие неровности пути (стыков и т. п.) и износа бандажей, необходимо отметить, что эти причины являются более существенными для мостов малых проле тов, где они могут вызвать значительные ударные воздействия Величина последних пропорциональна ударяющей массе, т. е. массе колесных скатов, и массе, непосредственно с ними связанной (без учета надрессорной части).
      Вынужденные колебания пролетных строений мостов могут быть вызваны колонной людей, шагающих в ногу по мосту. При этом не исключены также и явления резонанса. Так, например, в 1750 году близ города Анжера во Франции через мост длиной 102з( шел отряд солдат (487 человек) в ногу. Мост был цепной. Частота отбиваемого шага как раз совпала с частотой собственных колебаний моста. Размахи колебаний моста увеличились настолько, что цепи оборвались и мост вместе с колонной солдат обрушился в реку; погибло 226 человек. После этого случая во всех армиях придерживаются правила — при переходе через мост не идти «в йогу», и «шаг не отбивать».
      Дет пятьдесят тому назад в Петербурге по цепному мосту через Фонтанку шел эскадрон гвардейской кавалерии. Лошади, хорошо обученные, шли в ногу, отбивая шаг, частота которого попала в такт с частотой колебаний моста; цепи лопнули, мост обрушился в воду и погибло около 40 человек.
     
      Использование вибрирования на строительстве
      Есть области техники, в которых механические колебания могут оказать человеку большую пользу. В частности, около 20 лет тому
      назад вибрацию стали применять при изготовлении бетонной смеси. Это дало возможность облегчить труд укладчиков, повысить их производительность, уменьшить стоимость и улучшить качество бетона. Бетон — один из наиболее распространенных строительных материалов. Он является искусственным камнем, который изготовляется из смеси щебня (мелкого камня), песка, цемента и воды, причем связывающим веществом (клеем) служит цемент.
      Для удобства укладки бетонная смесь должна быть достаточно подвижной. С другой стороны, чтобы получить наиболее плотный и прочный бетон, требуется применение жесткой смеси (с малым содержанием воды). Эта важная техническая задача разрешена благодаря применению вибраторов. Вибратором называют механизм, совершающий частые колебания небольшого размаха, которые сообщаются частицам бетонной смеси. Частицы колеблются так, что центр колебаний непрерывно смещается в направлении большого уплотнения. Сначала энергия колебаний вибратора тратится на преодоление трения и сцепления между частицами бетонной смеси. Затем преодолев трение и сцепление между частицами, вибратор сообщает бетонной смеси свойства повышенной подвижности. Подвижная бетонная смесь становится плотной, затекает во все углы формы и хорошо ее заполняет.
      Ведущую роль в деле применения вибрирования бетонной массы занимает у нас гидротехническое строительство. На крупнейшей гидротехнической стройке — Волгострое (1936 — 1940 годы) — весь объем бетона (более 4 млн. куб. м) уложен с применением вибрирования. В настоящее время укладка бетона вибрированием в громадных масштабах производится на других крупных гидротехнических строительствах.
      Устройство оснований под промышленные и гражданские здания, гидротехнические и мостовые сооружения связано с производством весьма трудоемких и ответственных работ по погружению свай, шпунтов и опускных колодцев, по уплотнению грунта.
      Распространенные методы устройства оснований имеют большую давность. Забивка свай, шпунта и труб производилась до недавнего времени главным образом ударом, т. е. способом, применявшимся на протяжении столетий. Впервые в мировой строительной практике на стройках Советского Союза начали применять вибрационный метод при устройстве оснований.
      Погружение в грунт свай, шпунта и т. п. под действием вибраций происходит вследствие снижения прочности грунта, вызываемого уменьшением сил внутреннего трения, действующих между частицами. Частицы грунта во время вибрирования приобретают большую подвижность, и грунт по своим механическим свойствам становится похожим на вязкую среду. Сопротивление грунта погружению инородных тел резко снижается.
      Виброметод применяют также для погружения шахтных крепей. При этом скорость опускания крепей увеличивается в 5 — 10 раз по сравнению со скоростью при обычных способах их погружения.
      Уплотнение грунта имеет весьма важное значение в дорожном строительстве, особенно при возведении насыпей. Применяя для глубинного уплотнения грунта вибраторы, используемые при вибрировании бетона, можно значительно повысить прочность и устойчивость насыпей. Такое уплотнение сопровождается увлажнением с помощью трубок, укладываемых вдоль вибратора. В последнее время все более широкое распространение на строительстве дорог получили поверхностные вибраторы. Уплотнение грунтов с помощью последних имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами уплотнения, например укаткой. Приводим сравнительные данные о производительности вибратора и катка: производитель ность вибратора — 45 куб. м в час на I л. с., производительность катка — 3,6 куб. м на 1 л. с. Применяются мощные поверхностные вибраторы, глубина уплотнения которых достигает 3 — 5 м.
      В настоящее время существует несколько типов поверхностных вибраторов. Для создания колебаний и передвижения машины служит двигатель мощностью 100 л. с. От двигателя вращение передается через коробку передач на гусеничный ход и вал неуравновешенных вращающихся масс вибратора. Последние смонтированы натяжелой плите, вертикальным вибрированием которой и производится уплотнение грунта. Для увеличения давления на грунт плита загружена балластом. Число колебаний плиты составляет 800 — 1200 в минуту. Глубина уплотнения около 3 м. Вибратор за одну смену уплотняет 7000 — 9000 куб. м грунта.
      Подобные вибраторы применяются не только в дорожном строительстве, но и при возведении гидротехнических сооружений, а также для уплотнения оснований под фундаменты тяжелых машин.
      Для уплотнения бетонных покрытий и бетонных оснований под асфальтобетонное покрытие дороги применяют специальные поверхностные вибраторы, а также бстоноотделочные машины с трамбующим и вибрирующим брусом.
     
      Использование вибрирования в производственных процессах
      В самых различных отраслях народного хозяйства применяют транспортеры, трубы и другие каналы для подачи сыпучих и вязких материалов.
      Тредности, возникающие при этом методе транспорта (закупорка каналов, прилипание), могут быть значительно устранены, если применять вибрирование. В качестве примера приведем описание внброхобота. Виброхобот служит для подачи бетона на глубину до 15 м в места, недоступные для обычных способов подачи. Он состоит из приемного бункера, к выходному патрубку которого подвешиваются на шарнирных серьгах трубчатые секции. Нижняя
      труба снабжена затвором для выпуска бетона. Для устранения зависания бетона в бункере и в трубах к ним прикреплены вибраторы. По виброхоботу можно транспортировать как пластичный, так и жесткий бетон.
      Для получения чугунного литья высокого качества иногда бывает целесообразно применять вибрирование расплавленного чугуна с целью удаления вредных газов и шлака. Ковш с расплавленным чугуном помещают на специальную виброплатформу, приводимую в колебательное движение с помощью специальных вибраторов.
      Вибрация ковша, а следовательно, и находящ гося в нем жидкого чугуна способствует выделению имеющихся в чугуне газов, а также всплытию более легких веществ, представляющих собой шлаковые включения, которые затем могут быть удалены с поверхности ковша. Отлитые детали с очищенного таким образом чугуна обычно получаются высокого качества как с точки зрения меньшего ослабления газовыми пузырями, так и с точки зрения уменьшения шлаковых включений, которые сильно ухудшают качество чугунного литья.
      Говоря о положительной роли колебаний в технике, следует отметить широкое применение сортировочных машин и устройств, основанных на использовании колебательных движений. Большая группа сельскохозяйственных машин, применяемых для сортировки
      зерна с использованием сит, в основе своего действия имеет колебательный принцип. Сита веялок и молотилок, на которые попадает зерно, подлежащее сортировке, совершают вынужденные боковые или продольные колебания. Эти колебания, как правило, вызываются системой кривошипно-шатунных механизмов.
     
      Использование вибраций при литье
      Колебания используются широко в угольной промышленности, в частности на угольных обогатительных фабриках, где применяются грохоты.
      Не останавливаясь на различных типах грохотов, опишем более детально конструкцию универсальных подвесных грохотов типа ГУП-1 и ГУГ1-2, получивших широкое распространение на наших угольных предприятиях.
      Грохоты ГУП-1 (рис. 215) предназначены для грохочения средних и мелких классов каменных углей, антрацитов и сланцев. Основным назначением грохотов ГУП-2 является обезвоживание каменных углей.
      Грохоты ГУП-1 и ГУП-2 состоят из следующих основных частей: вибратора, короба, двух сит, четырех подвесок, привода, двух сменных шкивов и клиновых ремней. Вибраторы грохотов прикреплены к стенкам короба. Их валы получают вращение от электродвигателей через клиновые ремни. Грохот подушен к специальной раме на четырех подвесках под углом 15 градусов к горизонту.
      Вибратор является наиболее ответственным узлом грохота, назначение которого — сообщать коробу вибрации. Он состоит из вала с эксцентричными грузами.
      При вращении эксцентрикового вала короб вместе с установленными на нем ситами совершает круговые движения. Принцип работы грохота, так же как и принцип работы очистительных и сортировочных машин, применяемых в сельском хозяйстве, основан на использовании вынужденных колебаний.
     
      Пневматические инструменты и приборы
      Во многих отраслях техники, в металлообрабатывающей промышленности, в горнорудном деле, в металлургии, на строительстве и т. д. широко применяются инструменты ударного действия1.
      Преимущество ударных инструментов состоит в том, что в них при использовании малых масс благодаря большим ускорениям движения этих масс удается развить значительные усилия, передаваемые на обрабатываемые предметы.
      Большое распространение в промышленности получил пневматический инструмент ударного действия, принцип работы которого основан на использовании колебательных движений.
      Пневматическими инструментами и приборами называются как переносные, так и неподвижные машины, приводимые в движение сжатым воздухом. Заключенная в сжатом до 5 — 7 атмосфер воздухе энергия преобразовывается в пневматических инструментах и приборах в механическую движущую силу для производства той или иной работы.
      1 Э. Ф Герильман и др., Пневматическое дело, Гостехиздат, 1932.
      В одной группе инструментов, например в молотках, сжатый воздух придает ударнику колебательные движения, т. е. передвигает ударник вперед и назад. При этом наносится ряд быстрых ударов — до 2000 — 4000 в минуту — либо инструменту, обрабатывающему изделие, либо непосредственно обрабатываемому изделию. Любой пневматический молоток представляет собой двигатель с автоматически действующим распределением воздуха и прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня.
      В пневматических сверлильных машинах поступательно-возвратное колебательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение рабочего органа.
      К пневматическим инструментам следует отнести рубильноклепальные молотки, отбойные молотки (рис. 216), бурильные молотки, молотки для отбивки накипи и краски, пневматические трамбовки с прямолинейным возвратно-поступательным колебательным движением рабочих органов.
      Боек молотка наносит ряд быстрых ударов по особому инструменту — зубилу, чеканке, штампу. Часто конец самого поршня представляет собой инструмент. Подводимый посредством гибкого шланга сжатый воздух поступает при нажатии курка через впускной вентиль в рукоятке молотка в цилиндр. Распределение воздуха по обе стороны поршня в большинстве случаев осуществляется золотниками.
      Беззолотниковые молотки в металлообрабатывающем деле применяются главным образом для отбивки краски на судах и мостах, т. е. там, где при коротком ходе поршня требуются не особенно сильные удары, быстро следующие один за другим с числом ударов до 4000 — 6000 в минуту. Более распространены в настоящее время молотки с золотниковым распределением воздуха. Золотник приводится в движение протекающим сжатым воздухом, а само распределение воздуха по одну или другую сторону золотника производится поршнем.
      Основным преимуществом золотникового распределения является то, что оно позволяет осуществлять значительно больший ход бойка, чем в беззолотниковых молотках.
      Молотки с золотниковым распределением, в зависимости от длины хода ударника, разделяются на молотки с коротким и с длинным ходами. Первый тип молотков применяется в тех случаях, когда требуются частые, но не особенно сильные удары, например для обрубки или долбежки. Второй тип молотков находит применение там, где есть потребность в сильных ударах, например для клепальных работ, трамбования и т. п.
      Все встречающиеся на практике конструкции молотков различаются между собой внешним видом, формой, характером движения золотника, а также взаимодействием золотника и ударника.
      Наряду с пневматическими молотками различного типа в технике получили широкое распространение работающие сжатым воздухом сверлильные машины. Пневматические сверла, мощность которых может доходить до 2 — 5 л. с., состоят из собственно сверлильного прибора и из соединенного с ним зубчатой передачей пневматического четырехцилиндрового двигателя с золотниковым распределением воздуха.
      Кроме указанных пневматических снарядов, существуют другие разновидности пневматических инструментов, применяемых в горном деле. К числу таких весьма распространенных инструментов относятся бурильные молотки. Они предназначаются для бурения шпуров в породах средней и высокой крепости преимущественно при прохождении шахтных стволов горизонтальных и наклонных выработок, а также для других горных работ.
      Бурильные молотки типа ОМ-506 представляют собой пневматическую машину, в которой помещенный в цилиндр поршень-ударник совершает поступательно-возвратное движение. При движении вниз (рабочий ход) поршень-ударник наносит удар по хвостовику штанги бура, вставленного в бурильный молоток. При движении вверх (обратный ход) поршень-ударник, а вместе с ним и бур с помощью храпового механизма поворачивается на некоторый угол через поворотную буксу, в верхнюю часть которой входит своими пазами поршень, а в нижнюю — хвостовик бура. Эта конструкция обеспечивает такую работу инструмента, при которой после каждого удара буровая коронка вместе с буром поворачивается на некоторый угол вокруг своей оси и, таким образом, удар за ударом образует в породе круглое отверстие — шпур.
      Из краткого обзора некоторых типов пневматических инструментов мы видим весьма существенную роль колебательных процессов в этих инструментах при использовании в качестве рабочего тела сжатого воздуха.
     
      ВОЛНЫ
     
      Когда мы впервые попадаем на берег моря и видим, как бегут вереницей волна за волной, как раскачивают они стальные громады кораблей, слышим, как с рокотом бьются волны о берег, сотрясая бетонные плотины, нам может показаться, что нет в природе более красивого и редкого и в то же время более бесполезного и даже вредного явления, чем волны. И было время, когда действительно так и думали. Это было на заре современной науки. Тогда еще не знали, что ни будь волн — и мы не могли бы слышать, потому что звук — это волны, не могли бы видеть, потому что свет это волны, не могли бы еще очень многого, потому что волны — одно из самых распространенных и важных явлений природы.
      Включите радиоприемник. Вы услышите:
      «Внимание, говорит Москва, радиостанция на волне 1734 метра...»
      О каких волнах толкует диктор?
      Очевидно, о радиоволнах.
      Эти волны совсем уж для нас незаметны: ни на слух, ни на зрение они не действуют. Без радиоприемника мы никак не могли бы их обнаружить, хотя их сколько угодно вокруг.
      И это еще не все.
      Вы греете руки у яркого пламени печки. Наверное, вы не думаете, что тепло — тоже особого рода волны. Их нельзя видеть, нельзя слышать, но их можно ощущать.
      Повсюду волны!
      Одни из них можно видеть, как волны на воде. Другие — только слышать, как звук. Третьи — видеть, как свет. Четвертые — ощущать, как тепло. О пятых же нам дают знать только особые приборы.
      Что же такое вообще волновое движение?
     
      На морском берегу
      Сядем повыше, чтобы лучше видеть, как бегут друг за другом на берег круглые зеленые волны. Кажется, что каждая волна — это бегущая вперед масса воды. Но странно: если каждая волна действительно несет с собой на берег столько воды, то куда же девается вся эта вода и почему она не зальет берег? Здесь что-то не так.
      Бросим в море щепку и посмотрим, куда она поплывет. Взгляните — щепка остается на месте. Но, не покидая своего места, она не остается в покое. Она все время приподнимается и опускается вместе с водой, на которой она лежит.
      А вот другая щепочка, рядом с первой, но чуть поближе к берегу. Она тоже колеблется вверх и вниз, но отстает от своей соседки. Когда та уже на самом низу, другая еще наверху. Вниз она будет опускаться только тогда, когда первая начнет двигаться кверху.
      Теперь ясно, что вода не переносится вместе с волнами к берегу, как это кажется с первого взгляда, а остается на месте. Но каждая частичка воды, оставаясь на месте, все время движется вверх и вниз, вверх и вниз. Так колеблются все частички воды — не одновременно, конечно, все вверх или все вниз, иначе вся вода в море сразу поднималась бы и опускалась. Они колеблются, поднимаясь и опускаясь друг за другом. Начавшееся в одном месте
      колебание воды передается постепенно, от частички к частичке, пока не дойдет до берега. Скорость, с которой передается это колебание, есть скорость волны.
     
      Волны-гиганты и волны-малютки
      Самые быстрые морские волны возникают во время больших бурь; они движутся почти со скоростью пассажирского поезда — 50 — 60/си в час. Огромны такие волны (рис. 217). Высота их от гребня до впадины достигает 12 — 15 м. Это высота трехэтажного дома!
      Рис. 217. Высота морских волн от гребня до впадины достигает 12 — 15 м
      Такая волна не только высока, но и очень длинна. Расстояние между двумя соседними ее гребнями, называемое длиной волны, доходит до 200 м. Наши маленькие, мирные волны на морском берегу гораздо короче: у них расстояние от гребня до гребня всего лишь метра два-три.
      Есть еще более короткие волны. И, оказывается, мы сами можем получить их без всякой помощи ветра и моря. Протянем по земле длинную веревку или пастуший кнут и резко встряхнем за один конец. От руки по кнуту побежит небольшой горб и, шевельнув лежащий на земле конец, пропадает. Если посильнее взмахнуть рукой, хвостик кнута звонко щелкнет.
      Колебание, созданное рукой, передалось постепенно всем частям веревки. Чтобы получить постоянное волновое движение всей веревки, нужно все время, не переставая, двигать рукой, посылать все новые и новые колебания. Так можно получить и короткие и длинные волны. Для этого надо взмахнуть рукой — колебать веревку быстрее или медленнее.
      На улице после дождя можно увидеть волны еще короче, в 2 — 3 см. Подойдите для этого к краю лужи и бросьте в нее камешек. Тогда от камешка кругами пойдут по воде совсем уже коротенькие волны. Еще короче волны расходятся по луже от капель дождя.
      Ветер, падающие камни или капли дождя — все это источник волн на воде. А звук, как давно уже догадались люди, — это волны в воздухе. Как же вызывают источники звука волновое движение воздуха? И похоже ли это движение на водяные волны?
     
      Два рода волн
      Волны бегут по пастушьему бичу, вдоль него. А частички веревки, из которой сделан бич, колеблются поперек той линии, В которую он вытянут, когда лежит на земле. Волны на море бегут к берегу. А частички воды колеблются поперек этого движения: вверх и вниз. Вот почему такие волны называются поперечными.
      Но есть и другой сорт волн. Это продольные волны. В них движение частичек направлено вдоль движения волн, а не поперек. В природе сколько угодно продольных волн. Это звуковые волны.
      Я стреляю из винтовки. Что происходит с воздухом?
      Пороховые газы внезапно с силой ударили о воздух и сжали целый его слой. Но воздух ведь упругий: сжатый слой начинает расширяться, а потом снова сжимается, как пружина. Другими словами, частички воздуха начали в месте взрыва колебаться взад и вперед. Это колебание передается соседним частичкам, т. е. сжимается и расширяется второй, третий слой и т. д. Воздушная волна распространяется и доходит до нашего уха. Частички воздуха при этом колеблются вдоль движения воздушной волны.
      Звуковые волны куда быстрее самых быстрых морских волн: всего одну секунду нужно звуку, чтобы пролететь 340 м. Это больше чем 1200 км в час.
      Пуля винтовки не только может угнаться за звуком, но и далеко его перегонит: она за одну секунду пролетает целых 800 м. Вот почему никогда не услышит человек того выстрела, который убьет его наповал.
      Какова же длина звуковых волн, т. е. расстояние между двумя соседними сжатыми или разреженными слоями воздуха?
      Пронзительный свисток судьи на футбольном поле посылает волны сантиметра в три-четыре длиной. Обыкновенный человеческий разговор порождает волны длиной в метр-полтора. Автомобильный сигнал предупреждает зазевавшегося пешехода басистой четырех-пятиметровой волной.
      Наше ухо может ловить волны длиной от 1,5—2 см До 15—16 м. Есть воздушные волны короче и длиннее этих. Но мы их уже не слышим. И это не плохо: очень было бы шумно вокруг. Сотни предметов движутся, колеблются, и каждый из них, заставляя колебаться и воздух, рождает звуковую волну. Не отыщешь у нас на Земле абсолютной тишины.
      А где же можно ее найти?
      На Луне, например. Ведь там совсем нет воздуха. Значит, нет и звуков.
     
      Световые волны
      Бросим в озеро сразу два камня. По воде пойдут две группы кольцевых волн и пересекутся одна с другой (рис. 218). При этом можно заметить, что в некоторых местах поверхность воды не колеблется, а остается в покое. В других же местах наоборот: волнение гораздо сильнее, чем от одного только камня. Это понятно: там, где встретились одновременно две волны своими гребнями или своими впадинами, сложатся в одном направлении сразу два колебания. Значит, колебание частичек воды в этом месте будет в два раза больше. Там же, где гребень одной волны встретится со впадиной другой, колебание воды исчезнет: одна волна будет тянуть воду вверх, другая в это время вниз. В результате наступит покой.
      Такое сложение двух или нескольких волн называется интерференцией. И вот, когда удалось впервые наблюдать интерференцию света, то стало ясно, что свет — тоже волны.
      Вот как это сделали: между красной лампой и белым экраном поставили перегородку с двумя крохотными отверстиями. Через обе дырочки проходил совершенно одинаковый красный свет, но на экране получался ряд черных полос. Если же закрывали одну дырочку, то черные полосы пропадали, и экран становился повсюду одинаково красным.
      Почему появились черные полосы?
      От каждого отверстия расходится группа световых волн. На экране обе группы волн складываются друг с другом, и в тех местах, где гребень волны, идущий от первого отверстия, совпадает со впадиной волны, идущей от второго отверстия, никакого колебания не будет — свет исчезнет, и появится черная полоса. Если же закрыть одно из отверстий, останется только одна группа волн.
      Интерференции, конечно, не будет.
      Много еще было сделано других опытов, подтвердивших, что свет — это волны. И оказалось, что длина этих волн чрезвычайно мала: в среднем — это одна двухтысячная доля миллиметра.
      Зато скорость света очень велика: 300 000 км в секунду.
     
      От долей миллиметра до десятков километров
      Всякий может отличить свисток от гудка, пронзительный мальчишеский голос от густого баса. А в переводе на язык физики это означает: короткие и длинные волны.
      Когда мы смотрим на огни светофора, мы видим: красное, желтое, зеленое. А язык измерений нам говорит: длинные, короткие волны.
      Световые волны разной длины воспринимаются нашим глазом, как разные цвета. Самые длинные волны из тех, которые действуют на наш глаз, дают ощущение красного цвета. Есть световые волны еще длиннее, но глаз их не видит. Зато у таких волн остается их тепловое действие, и мы ощущаем их как тепло. Самые длинные из этих «тепловых» волн — в треть миллиметра.
      Дальше, за небольшим участком миллиметровых волн, полученных и изученных совсем недавно, идут радиоволны — от самых коротких сантиметровых, до самых длинных длиной в несколько десятков километров.
      Глаз не может также видеть волны, которые короче волн фиолетового цвета. Но тем не менее они существуют. Именно они вызывают загар. Их применяют в больницах как лечебное средство под названием «горное “ солнце». Эго ультрафиолетовые волны.
      Волны еще короче, до десятимиллионных долей миллиметра, тоже помогают врачам. Это рентгеновские лучи. Они свободно проникают сквозь тело. С их помощью можно «разглядеть» внутренние органы и кости.
      Все эти волны носят одно общее название электромагнитных волн.
     
      Носители энергии
      Что же есть общего между такими различными по своему действию волнами?
      Вернемся снова на морской берег. Как усилился ветер, пока нас не было здесь! Как выросли волны! С грозным шумом рвется прибой, и кажется, что вот-вот разобьет он вдребезги пристань, сметет все на своем пути.
      Так и бывает на самом деле. Коварные волны. Там, где им не удается покончить одним мощным приступом, они точат месяцами — вал за валом, удар за ударом. И бывает — тысячетонные молы из крепкого бетона внезапно обрушиваются в море. Много механической энергии несет с собой каждая морская волна и тратит ее бесцельно, разрушает берег или перекатывает с места на место прибрежные камни. Откуда же берется эта энергия? Очевидно, от источника волны. На море это ветер. Энергия ветра передается воде и распространяется по ней с помощью волн.
      Когда пастух щелкает своим кнутом, источник энергии — сам пастух. Энергия мускулов его руки бежит по веревке благодаря волновому ее движению.
      Там, где есть волны, есть и поток энергии. Волновое движение — это лишь способ перенесения энергии от ее источника, от источника волны, в другое место.
      И звуковые волны, конечно, тоже переносят энергию. Мощная пароходная сирена, которую слышно за 15 км, совершает немалую работу, производя такой звук. В одну секунду она тратит энергию, достаточную для подъема груза в 7,5 т на высоту в 1 м (правда, только часть этой энергии превращается в звуковую).
      Но особенно много энергии переносят с собой электромагнитные волны. Энергия волн этой семьи не механическая. Это особая — электромагнитная — энергия. Главный источник электромагнитных волн, которым мы пользуемся, — Солнце.
      На Земле эта электромагнитная энергия превращается во всевозможные другие виды энергии... Эта энергия, посылаемая нам Солнцем, обеспечивает жизнь на нашей планете. Беспрерывно льется она на города и леса, на животных и человека, на плодородные поля и бесконечный простор океана. И все это необозримое количество энергии переносится на Землю от Солнца при помощи волнового движения.
      Таково значение волн в природе.
     
      ПРОВОДНИКИ ЗВУКА
     
      Мы живем в мире звуков.
      Где бы мы ни находились, что бы ни делали — нас всюду сопровождают самые различные звуки. Каждое наше движение вызывает звук — шорох, шелест, скрип, стук. Правда, мы привыкаем к обычным звукам и часто не замечаем их. Так, порой человек не слышит, что рядом тикают часы, а при движении трамвая «пропускает мимо ушей» даже грохот вагона. Мы просто не сосредоточиваемся в этих привычных звуках, и часто бывает так, что только внезапно наступившая тишина обращает наше внимание на звуки, раньше ускользавшие от слуха.
      Для восприятия звуков человек имеет тончайший аппарат — ухо. Ухо может воспринимать самые различные звуки. Оно может выделять из многих доносящихся одновременно звуков только те, которые нас интересуют. Очень часто мы руководствуемся в своих действиях слуховыми ощущениями. По звукам человек часто узнает различные предметы и определяет, где они находятся. Слух помогает найти дорогу темной ночью или в густом тумане. Шофер по шуму мотора судит о его исправности. Рабочий на слух контролирует работу машины. Любой из нас по звуку определит, когда в чайнике закипит вода. По голосу можно не только узнать знакомого человека, но часто и определять его настроение, а ведь для этого ухо должно быть чутким к малейшим очтенкам звуков.
      Слух играет огромную роль в жизни животных. Он помогает зверям и птицам выслеживать свою добычу, предупреждает их о грозящей опасности.
      Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Так, орудийная стрельба слышна на 10 — 15 км, паровозный гудок — на 7 — 10, ржание лошадей и лай собак — на 2 — Зкм, а шепот — всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху.
      Но проводником звука может быть не только воздух.
      Приложите ухо к рельсам, и вы услышите шум приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии, чем этот шум донесется к вам по воздуху. Значит, металл проводит звук лучше и быстрее, чем воздух.
      В хорошей проводимости звука металлами нас убеждает еще один замечательный опыт. Если к роялю прикрепить один конец металлической проволоки, а другой ее конец провести в ту часть здания, куда по воздуху звук игры донестись не может, и соединить этот конец со скрипкой, то звук рояля будет хорошо слышен. При этом создается впечатление, что он исходит от скрипки.
      Давно замечено хорошее распространение звука и по земле. Известный русский писатель Карамзин в «Истории государства Российского» пишет, как перед Куликовской битвой князь Димитрий Донской сам выехал на разведку в поле и, приложив ухо к земле, услышал конский топот приближающихся татарских полчищ.
      Нередко можно видеть странную, на первый взгляд, картину: машинист или шофер, взяв деревянную палку, прикладывает один ее конец к различным частям мотора, а другой конец — к уху, а иногда берет эту палку даже в зубы. Пользуясь хорошей проводимостью звука деревом, он прислушивается к шуму отдельных движущихся деталей внутри машины и определяет, хорошо ли они работают.
      Вода также хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит перекатывающаяся во время прибоя галька, как работает машина парохода.
      Свойство воды — хорошо проводить звук — широко используется в наше время для звуковой разведки на море во время войны, а также для измерения морских глубин.
      Приведенные примеры говорят о том, что звуковая волна может передаваться не только по воздуху или вообще по газам, но и по жидкостям и твердым телам.
      Для звука есть только одна преграда, и ее легко обнаружить очень простым опытом. Если завести будильник и накрыть его стеклянным колпаком, звон будет хорошо слышен. Но если из-под колпака выкачать воздух, звук исчезнет. Почему? Потому что звук не может передаваться через пустоту. И это легко объяснимо. Ведь в пустоте нечему колебаться! Звуковая волна — чередование сгущений и разрежений, — встречая на своем пути пустоту, как бы обрывается.
     
      ШУМ И БОРЬБА С НИМ
      Мы охотно слушаем музыку, пение птиц, приятный человеческий голос. Напротив, тарахтенье телеги, визг пилы, мощные удары молота нам неприятны и нередко раздражают и утомляют.
      Таким образом, по действию, производимому на нас, все звуки делятся на две группы: музыкальные звуки и шумы. Чем отличаются они друг от друга?
      Чистый музыкальный звук всегда имеет определенную высоту. Это как бы организованная звуковая волна. Напротив, в шуме царит полный беспорядок. Прислушайтесь, например, к дневному шуму городской улицы. В нем вы услышите и краткие быстро исчезающие высокие звуки, и длительный низкий гул, и резкий лязг. Шум — это множество самых различных, одновременно несущихся звуков. Чем быстрее и резче изменяются их высота и сила, тем неприятнее на нас действует шум.
      Каждый из нас легко обнаружит разницу между звуком рояля и скрипом сапога. Но не всегда можно провести резкую границу между музыкальным звуком и шумом. В шуме очень часто можно уловить музыкальные звуки. В свою очередь и к музыкальным звукам всегда примешивается шум. От него не свободно даже самое искусное музыкальное исполнение. Попробуйте внимательно прислушаться к игре на рояле, и вы услышите, кроме звуков музыки, и стук клавишей, и удары пальцев по ним, и шелест переворачиваемых нотных листов. Точно так же и к пению всегда примешиваются шум дыхания певца. Но обычно мы сосредоточиваем свое внимание на звуках самой музыки и не замечаем этого шума.
      Получить чистый звук со строго определенной чистотой колебания, даже при полном отсутствии посторонних шумов, очень трудно, и вот почему. Любое колеблющееся тело издает не только один основной звук. Его постоянно сопровождают звуки других частот. Эти «спутники» всегда выше основного звука и называются поэтому обертонами, т. е. верхними тонами. Однако не стоит огорчаться существованием этих «спутников». Именно они-то и позволяют нам отличать звук одного инструмента от другого и голоса различных людей, если даже они равны по высоте. Каждому звуку обертоны придают своеобразную окраску или, как говорят, тембр. И если основной звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то сам звук кажется нам мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, мы говорим о неприятном «металлическом» голосе или звуке.
      Причина появления обертонов сложна. Она лежит в физической природе колебания тел, и мы не станем ее здесь рассматривать.
      Шум вредно отражается на здоровье и работоспособности людей. Человек может работать при шуме, привыкает к нему, но продолжительное действие шума вызывает утомление, часто приводит к понижению остроты слуха, а в отдельных случаях к глухоте. Поэтому борьба с шумом — очень важная задача.
      Развивая технику, человек старается свой мускульный труд заменить работой машины. А применение машин, как иногда представляют себе, влечет за собой увеличение шума. Неверно, однако, думать, что чем выше техника и чем больше механических средств применяет человек, тем больше он подвергает себя воздействию шума. История развития техники показывает, что улучшением действия отдельных механизмов снижается или совсем устраняется шум при их работе. Вместе с изобретением новых машин открываются и новые пути борьбы с шумом. Действительно, паровая машина уступает свое место бесшумной турбине, грохочущий локомотив старой конструкции — менее шумному современному паровозу и электровозу. На смену звуковым сигналам, гудкам, свисткам, звонкам, там, где это возможно, приходят световые сигналы. Моторы, машины, дающие много шума, закрываются поглощающими звук оболочками, ставятся на особые фундаменты и т. д. Чтобы ослабить шум внутри помещений, на стены вешают ковры, драпируют двери и окна. Телефонные будки обивают войлоком или прессованными пробковыми плитами.
      Но защититься полностью от внешнего шума очень трудно. Ведь звук проникает внутрь зданий не только по воздуху. Он пробирается и через стены, по водопроводным и канализационным трубам, через вентиляторы. Когда нужно полностью устранить всякий шум, например при граммофонной записи или записи звуковых кинофильмов, строят специальные здания с особым фундаментом. В этих зданиях отдельные комнаты как бы «плавают» на упругих подкладках или пружинах. Двойные стены, изолированные одна от другой, двойные или даже тройные окна и двери, полное отсутствие щелей — вот какие сложные меры приходится применять для полного ограждения от шума.
     
      КАК СЛЫШИТ УХО
      Для улавливания звука у человека и животных есть специальный орган — ухо. Это — необычайно тонкий аппарат. Мы не знаем другого такого механизма, который отзывался бы с такой поразительной точностью на ничтожно малые изменения давления в воздухе. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определенное ощущение, которое и воспринимается нашим сознанием как звук.
      С давних пор человека интересует устройство и работа этого удивительного органа. Однако и по настоящее время далеко еще не все в этой области выяснено.
      Строение человеческого уха показано на рисунке 219.
      Орган слуха делится на три части: наружное, среднее и внутреннее ухо.
      Наружное ухо, или ушная раковина, у разных животных бывает самой различной формы и величины. У большинства из них ушная раковина подвижна. У человека это свойство почти полностью потеряно. Встречаются, правда, люди, способные двигать ушами, но это — редкое исключение, напоминающее об общности всего живого на земле.
      От ушной раковины идет слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой. Она служит границей между наружным и средним ухом. Перепонка имеет овальную форму и немного вытянута внутрь. Площадь ее около 0.65 ко. см.
      Для свободного колебания барабанной перепонки необходимо, чтобы давление воздуха с обеих сторон ее было одинаковым. Тогда при малейших изменениях давления наружного воздуха перепонка, не встречая противодействия с другой стороны, легко при ходит в колебательное движение.
      Вероятно, каждый замечал, что после сильного сморкания мы некоторое время перестаем слышать слабые звуки. Это происходит потому, что в среднее ухо через так называемую евстахиеву трубу попадает из носоглотки воздух (Бартоломео Евстахий — итальянский врач, живший в XIV веке, — первый дал описание этой грубы). Конец трубы при этом часто закупоривается слизью, и тогда воздух изнутри давит на барабанную перепонку, и она теряет прежнюю свободу колебаний. Но достаточно, однако, проглотить слюну, чтобы евстахиева труба открылась, излишек воздуха вышел (в ухе при этом ощущается легкий треск) и давление с обеих сторон перепонки выравнялось. Нормальный слух вновь восстанавливается. Если почему-либо внезапно изменяется давление окружающего воздуха, то мы слышим в ушах шум, который прекращается опять-таки при глотании слюны.
      В среднем ухе находится ряд особых косточек: молоточек, наковальня и стремя. Свои названия эти косточки получили благодаря внешнему сходству с соответствующими предметами. Они очень малы по размерам и все вместе весят около 0,05 Г. Расположены эти косточки так, что образуют рычаг, который одновременно передает колебания барабанной перепонки во внутреннее ухе и преобразует эти колебания в колебания с меньшим размахом, но большим давлением. Молоточек, наковальня п стремя передают всю энергию колебаниям барабанной перепонки на очень маленькое овальное -окно внутреннего уха; таким образом, внутреннее ухо получает давление раз в 50 — 60 больше того, которое испытывает барабанная перепонка.
      Устройство внутреннего уха весьма сложно. Основное назначение этого уха — воспринимать только те колебания, которые посылает барабанная перепонка. Никакие другие сотрясения на него не должны действовать. Поэтому оно окружено очень крепкими костями. Во внутреннем ухе есть три полукружных канала (рис. 219), не имеющих никакого отношения к слуху. Это — органы равновесия. Головокружение, которое мы испытываем, если станем быстро вертеться, происходит из-за движения жидкости, наполняющей эти каналы. Орган же слухового восприятия заключен в особую оболочку. Взгляните на правую часть рисунка. Что она вам напоминает? Каждый тотчас же ответит, что она похожа на улитку. Улиткой она и называется. Улитка имеет приблизительно 2 3/4 оборота. Вдоль всей длины она разделена перегородкой и наполнена особой студенистой жидкостью. Внутри улитки расположены разветвления слухового нерва — 23,5 тысячи мельчайших проводников слухового раздражения, идущих затем по нервному стволу к коре головного мозга.
      Процессы, происходящие во внутреннем ухе, очень сложны, и некоторые из них до сих пор точно не изучены.
      Звуковые волны, проникая в слуховой канал, приводят в колебание барабанную перепонку. Через цепь косточек среднего уха колебательное движение перепонки передается жидкости улитки. Волнообразное движение этой жидкости влечет за собой раздражение окончаний слухового нерва. Таков главный путь звука от его источника до нашего сознания.
      Однако этот путь не единственный. Звуковые колебания могут передаваться и прямо во внутреннее ухо, минуя наружное и среднее. Каким же путем? Костями самого черепа! Они являются хорошими проводниками звука. Если камертон поднести к темени или к лежащему сзади уха сосцевидному отростку, или к зубам, то можно отчетливо слышать звук, хотя по воздуху слышимых колебаний не доносится. Это происходит потому, что кости черепа, получив колебания от камертона, передают их прямо внутреннему уху, в котором возникают те же самые процессы раздражения слуховых нервов, как и от колебаний, переданных барабанной перепонкой. Вот почему иногда «.слушают» работу отдельных частей машины, взяв один конец палки в зубы.
      Любопытно заметить также, что иногда люди, у которых оперативно удалены барабанная перепонка и косточки среднего уха, способны слышать — хотя и со значительным ослаблением. И в этом случае, по-видимому, колебания звуковой волны передаются непосредственно внутреннему уху.
      Если колебания барабанной перепонки медленные — когда число их меньше шестнадцати в одну секунду, то мы не слышим звука. Колебания с частотой больше двадцати тысяч также не воспринимаются нашим слуховым аппаратом как звук.
      Но не все люди, даже с нормальным слухом, одинаково чувствительны к звукам различной частоты. Так, дети обычно без напряжения воспринимают звуки частотой до 22000. У большинства взрослых чувствительность уха к высоким звукам уже понижена до 16 — 18 тысяч колебаний в секунду. Чувствительность же уха у стариков ограничена звуками с частотой в 10 — 12 тысяч. Они часто совершенно не слышат комариного пения, стрекотания кузнечика, сверчка и даже чириканья воробья.
      Многие животные особенно восприимчивы к высоким звукам. Собака, например, улавливает колебания с частотой до 38 000, т. е. звуки, для человека не слышимые.
      А как наше ухо умеет оценивать громкость звуков одной и той же высоты? Оказывается, наши способности в этом отношении почти равны математическому развитию ребенка или первобытного человека. Как ребенок может сосчитать только до двух, а если предметов больше, то он скажет, что их много, так и мы умеем оценивать изменение громкости звука лишь в 2 — 3 раза, а дальше ограничиваемся неопределенным «много громче» или «значительно тише».
      Несмотря на то, что наш слуховой аппарат улавливает чрезвычайно малые изменения давления воздуха, мы все же не в состоянии слышать очень слабые звуки. Но не нужно сожалеть об этом. Представьте себе, что получилось бы, если бы наше ухо оказалось более чувствительным, чем оно есть. Ведь воздух состоит из отдельных молекул, беспрерывно движущихся по всем направлениям. Благодаря такому движению в отдельных местах может создаться на мгновение увеличение или уменьшение давления. По величине
      эти изменения давления как раз очень близки к изменениям давления, возникающим в местах сгущения и разрежения самой слабой звуковой волны. И если бы ухо воспринимало такие малейшие изменения в давлении, то эти случайные колебания воздуха создавали бы ощущение постоянного шума и мы не были бы знакомы с тишиной! Природа как бы вовремя остановилась на определенном пороге чувствительности нашего слухового аппарата, оставив ему возможность отдыхать.
      В обычной жизни нас никогда не окружает совершенная тишина, и ухо по существу не имеет полного отдыха. Но мы часто создаем себе искусственную тишину — отодвигаем на время от своего сознания получаемые звуковые восприятия. Мы как бы пропускаем некоторые звуки «мимо ушей». Однако если мы и «не слышим» их, ухо все равно эти звуки отмечает. Точно так же, когда к звукам, которые мы «пропускаем мимо ушей», прибавляется звук, имеющий для нас какой-нибудь интерес, мы тотчас же его улавливаем, даже если он и тише остальных звуков. Мать часто может спать при большом шуме, но она сразу просыпается от первого крика ребенка. Пассажир может спокойно спать во время хода поезда, но при его остановке просыпается. Не все люди с нормальным слухом одинаково слышат. Одни способны различать близкие по высоте и громкости звуки и улавливать в музыке или шуме отдельные тона. Другие же этого сделать не могут. Для человека с тонким слухом существует больше звуков, чем для человека с неразвитым слухом.
      Но насколько вообще должна отличаться частота двух звуков, чтобы их можно было слышать как два разных тона? Можно ли, например, отличить друг от друга тона, если разница в частотах равна одному колебанию в секунду. Оказывается, что для некоторых тонов это возможно, а для других нет. Так, тон с частотой 435 можно отличить по высоте от тонов с частотами 434 и 436. Но если брать более высокие тона, то отличие сказывается уже при большей разности частот. Тона с числом колебаний 1000 и 1001 ухо воспринимает как одинаковые и улавливает разницу в звучании только между частотами 1000 и 1003. Для более высоких тонов эта разность в частотах еще больше. Например, для частот около 3000 она равна 9 колебаниям.
      Точно так же не одинакова наша способность отличать звуки, близкие по громкости. При частоте 32 можно расслышать только 3 звука разной громкости; при частоте 125 — уже 94 звука различной громкости, при 1000 колебаний — 374, при 8000 — снова меньше — и, наконец, при частоте 16 000 мы слышим только 16 звуков. Всего же звуков, различных по высоте и громкости, наше ухо может уловить более полумиллиона! Это только полмиллиона простых случаев. Прибавьте к этому бесчисленные сочетания из двух и более тонов — созвучия, и вы получите впечатление о многообразии того звукового мира, в котором мы живем и в котором наше ухо так свободно ориентируется. Вот почему ухо считается наряду с глазом самым чувствительным органом чувства.
      Ухо, как и всякий другой орган, подвержено различным заболеваниям. В зависимости от рода заболевания слух может быть ослаблен или потерян полностью. Есть болезни, при которых перепонки уха теряют гибкость и делаются мало подвижными; тогда человек перестает слышать звуки низкого тона. Наоборот, в начальный период заболевания внутреннего уха чаще всего теряется способность воспринимать высокие тона. А может быть и так, что человек слышит звуки одной высоты и не слышит звуков другой высоты. Это бывает при болезни слухового нерва.
      Человек считается слегка глуховатым, если для него требуется тысячекратное увеличение давления звуковой волны в сравнении с давлением, необходимым нормальному уху. Когда давление требуется в 10 тысяч раз больше, то человек относится к разряду «тугоухих», он с трудом слышит разговор. Если же для восприятия звука необходимо увеличение давления в 100 тысяч раз, то такое ухо нуждается уже в специальных усиливающих звук приборах.
      Человек является совершенно глухим, когда его ухо требует больше, чем в миллион раз увеличенного давления. Нормальное ухо при таком давлении звуковой волны ощущает уже не звук, а боль.
      Ослабленный, а тем более полностью потерянный слух — тяжелый недуг, и ученые давно работают над тем, чтобы облегчить страдания людей с недостатками слуха.
      В тех случаях, когда нельзя путем лечения возвратить слух, пытаются достичь этого путем усиления звуковой волны. С этой целью применяются усиливающие приборы — усилители. Раньше ограничивались употреблением специальных рупоров, воронок, рогов и разговорных трубок. Теперь нередко применяются электрические усилители. Часто эти приборы бывают настолько малых размеров, что они помещаются в самом ухе, перед барабанной перепонкой.
      В последнее время делаются попытки «научить» слышать совершенно глухих. А ногим из вас, вероятно, приходилось испытывать ощущение боли в ушах при очень сильных звуках. Такие звуки могут быть осязаемы поверхностью кожи, например, выставленными против волны пальцами. Ведь и наше ухо можно рассматривать как своего рода орган осязания, очень тонко построенный. Спрашивается, нельзя ли у глухих работу уха поручить органу осязания?
      Недавно были проведены подобные исследования. Обыкновенные звуки принимались микрофоном, усиливались и передавались в виде колебаний мембранам специальных телефонов. Прикасаясь к мембранам пальцами, глухие воспринимают осязанием ч а-стоту и силу колебания, т. е. другими словами, то, что определяет высоту и громкость звука.
      После соответствующего обучения глухие начинают понимать не только отдельные звуки, но и речь.
     
      О НЕСЛЫШИМЫХ ЗВУКАХ
      Мир колебаний и волн велик и многообразен.
      Колебания и волны самых разнообразных видов в газах, жидкостях и твердых телах широко встречаются в природе и технике. Мы знаем грозные волны землетрясений, бегущие по земной коре, и вибрации сооружений и машин, и волны на море, и мощные волны в воздухе, вызываемые выстрелами, взрывами или ударом.
      Одним из важнейших видов механических колебаний являются звуковые колебания. Мы живем, окруженные звуками. Звуки, воспринимаемые нашим слухом, дают нам сложный комплекс ощущений, составляющий один из основных элементов нашего восприятия внешнего мира.
      Характерная особенность звуковых колебаний заключается в том, что эти колебания — продольные. Частицы среды, являющейся носителем звуковых волн, колеблются вдоль той же прямой, по которой распространяются волны (рис. 220). Волны звука состоят из бегущих вперед слоев сгущения и разрежения, образующихся в результате колебания частиц среды. Расстояние между соседними участками сгущения среды называется длиной волны. Звуковые колебания могут распространяться не только в воздухе и других газах, но и в жидкостях, и в твердых телах. Однако в твердых телах звуковые волны могут быть и поперечными.
      Мир звуков, т. е. колебаний, которые слышит наше ухо, занимает область, простирающуюся от 16 колебаний в секунду (герц) до частоты в 20 тысяч герц. Колебания, совершающиеся с частотами, лежащими за этими границами, нам не слышны, однако поскольку физическая природа этих колебаний совершенно тождественна со слышимыми звуками, мы относим их к той же категории звука. Эти неслышимые нами звуки, между прочим, могут восприниматься слухом многих животных и насекомых.
      Колебания и волны, имеющие частоты ниже 16 — 20 колебаний в секунду, принято называть инфразвуками, а колебания и волны, имеющие частоты, лежащие выше верхней границы слухового восприятия — около 20 тысяч колебаний в секунду, называют ультразвуками (рис. 221).
      Следует заметить, что область слышимых звуков не имеет четко очерченных границ.
      Мы, например, можем услышать инфразвуки, лежащие близ нижней границы слуха. Дело в том, что инфразвуки, как правило, сопровождаются слышимыми призвуками (обертонами). Родство таких инфразвуков со звуком ухо еще способно ощущать.
      Более же низкие инфразвуки уже теряют для нас всякое сходство со звуком. Их изучение относится скорее не к области науки о звуке — акустике, а к другим областям науки, например к сейсмологии — науке о землетрясениях, к баллистике — теории артиллерийской стрельбы или к теории строительных сооружений.
      Нечетко очерчена и верхняя граница восприятия звука. Ультразвуки, лежащие выше 20 тысяч герц, часто могут быть еще слышимыми отдельными людьми с очень острым слухом (до 22 — 24 тысяч герц). Выше этого предела ультразвуки слышат многие животные и насекомые (например, летучие мыши слышат ультразвуки с частотой до 70 тысяч герц).
      Исследования области ультразвука простирается гораздо выше того предела, при котором живые существа уже перестают воспринимать ультразвуки своим органом слуха. Сейчас мы умеем возбуждать механические волны с частотами в миллионы и даже сотни миллионов герц и изучать их свойства.
      В этой статье мы расскажем о многих интересных свойствах и применениях колебаний и волн, лежащих за пределами слухового восприятия, — об инфразвуках и ультразвуках.
     
      Инфразвуки
      При постепенном понижении числа колебаний звук становится низким гудением и при равной силе воспринимается слухом как менее громкий. При понижении числа колебаний (меньше 16 — 20 колебаний в секунду) человек способен воспринимать толчки отдельных колебаний, но органом слуха он звука не воспринимает.
      Инфразвуковые колебания легко возникают в длинных трубах. Так, например, 10-метроваятрубаорганадает основной тон с частотой около 16 герц. Звук этой трубы подобен раскату грома. Однако слышим мы в данном случае не сам инфразвук, а лишь его более слабые обертоны, имеющие частоту в 2, 3, 4 и т. д. раза большую, чем основной тон, так как к ним ухо гораздо чувствительней. Инфразвуки возникают в печных и фабричных трубах при топке. Возникновение инфразвуковых колебаний часто становится заметным на глаз. Их легко заметить по дрожанию заслонки печки или по правильному чередованию клубов дыма, выходящего из трубы.
      Один из интереснейших видов инфразвуков — это «голос моря». При шторме на море ветер возбуждает вихри, периодически срывающиеся на гребнях волн. Получающиеся при этом колебания воздушной струи распространяются вдаль в форме инфразвука
      и могут быть обнаружены на расстоянии в сотни километров. Это явление открыто и объяснено советским физиком академиком В. В. Шулейкиным.
      Явления, весьма близкие к инфразвуку, представляют собой колебания, возникающие при выстрелах и взрывах. Газы, вылетающие из дула орудия, сперва расширяются, а затем вследствие охлаждения сжимаются. Возникает сильное колебательное движение, которое порождает мощную инфразвуковую волну — так называемую «дульную» волну. Основные исследования и технические разработки в этом важном деле проведены советскими физиками — А. И. Данилевским и В. Г. Тихоновым.
      Самым интересным свойством инфразвуков является их способность распространяться на очень далекое расстояние. Это объясняется тем, что коэффициент затухания звука пропорционален квадрату частоты. Это значит, что звук с частотой в 1000 герц затухает в 102= 100 раз быстрее, чем звук в 100 герц, и в 10 000 раз быстрее, чем звук в 10 герц.
      Мы перестаем слышать звук даже мощного громкоговорителя или духового оркестра на расстоянии 1 км, а инфразвук и низкочастотный звук орудийного выстрела можем заметить на расстоянии 15 — 20 км.
      Наблюдения показали, что звуки выстрелов и взрывов дальше чем на 20 — 30 км становятся неслышны. Однако на расстоянии около 100 км за этой «зоной молчания» появляется вновь зона «аномальной слышимости». Это любопытное явление объясняется преломлением звука, медленным загибанием звуковых лучей в сторону Земли в высоких слоях стратосферы на высоте 50 — 80 км, где образуется нагретый слой воздуха. Значит, инфразвук еще не ослабляется слишком сильно, даже пройдя огромные расстояния более 100 км.
      Инфразвуки могут возникать также и при взрывах под водой, причем они могут прослушиваться на огромных расстояниях. Команда корабля или самолета, потерпевшего аварию, может дать знать о себе береговым звукоулавливающим станциям, не имея никаких технических средств, кроме заряда взрывчатки.
      Разгадка сверхдальнего распространения подводных взрывов заключается в существовании в океане, на глубине около 1000 м, слоя минимума скорости звука. Этот слой образуется в результате действия двух факторов: уменьшения скорости звука по мере увеличения глубины за счет постепенного понижения температуры до 4°С и роста скорости звука по мере увеличения гидростатического давления, уплотняющего воду. Звук, проникший в этот слой или возникший в нем, не может покинуть его. На границах слоя с минимумом скорости звука звук претерпевает загибание внутр-ь слоя и вследствие этого распространяется вдаль, колеблясь между верхней и нижней границей этого слоя и не выходя за его пределы. Получается своеобразный «волноводный» канал, позволяющий передавать сигналы на огромное расстояние (рис. 222). Большая дальность распространения обусловлена также значительно меньшим затуханием звука в воде по сравнению с воздухом. Теория таких «волноводных» слоев была впервые дана советским физиком П. Е. Краснушкиным и затем развита Л. М. Бреховским.
      Инфразвуковые волны большой мощности с частотами 5 — 10 герц дают также винты всех кораблей.
     
      Ультразвуки
      Еще больше, чем инфразвуки, техническое применение находят ультразвуки.
      Ультразвуки небольшой силы легко могут быть получены при помощи свистков очень малой длины или при помощи ударов по небольшим металлическим кубикам или цилиндрам.
      Над получением мощных ультразвуков работал Неклепаев — ученик знаменитого московского физика П. И. Лебедева, французский физик Поль Ланжевен и другие.
      Открытие способов получения мощных ультразвуков привело к открытию ряда замечательных явлений.
      Весьма интересно явление «вскипания» жидкости при прохождении мощной ультразвуковой волны. Этот процесс происходит в результате чередующихся в каждом месте жидкости мощных сжатий и разрежений, порождаемых ультразвуком. В момент разрежения жидкость может оказаться под отрицательным давлением, и тогда она «разрывается». В ней образуются «каверны», наполняющиеся паром. В следующее за этим моментом сжатие полость сдавливается. При этом возникает гидравлический удар и в небольшом объеме развивается давление в десятки атмосфер. Гидравлические удары, вызываемые ультразвуками, могут отрывать кусочки от поверхности металла и производить раздробление твердых тел. С помощью ультразвуков две несмешивающиеся жидкости могут быть расщеплены на мельчайшие частицы и образовать эмульсию. Так приготавливаются, например, сейчас эмульсии лекарственных масел в воде. При действии ультразвуков происходит энергичное омыление жиров. На этом принципе можно построить прибор для
      стирки белья. Пересыщенный раствор гипосульфита или квасцов под воздействием ультразвука мгновенно кристаллизуется.
      Весьма интересны биологические эффекты ультразвука. Еще Ланжевен наблюдал, что мелкие водяные животные (рыбы, головастики) при воздействии ультразвуков погибали. В дальнейшем было показано, что ультразвуки вызывают разрывы клеточной ткани и вытекание протоплазмы. Ультразвуки сильно ослабляют жизнедеятельность бактерий. Облучение ультразвуками уменьшает рост численности колоний молочнокислых и туберкулезных бактерий, а в особенности дрожжевых грибков. Однако полной стерилизации с помощью ультразвуков добиться довольно трудно, и для практических применений этого метода требуются огромные мощности.
     
      Применение ультразвука в гидроакустике
      Широко используют ультразвук в гидроакустике.
      Ультразвуки не слишком большой частоты (не выше 40 тысяч герц) поглощаются в воде очень слабо и могут распространяться на десятки километров без заметного ослабления. Если они встречают на своем пути морское дно или какое-либо препятствие, например скалу, айсберг или корабль, то они отражаются и могут дать эхо достаточной силы. Принять отраженные ультразвуки может тот же аппарат, который излучает ультразвуки, например пьезокварцевый излучатель.
      Изменения давления на поверхность кварца породят на его обкладках электрическое напряжение, которое может быть усилено и записано на ленте. По времени запаздывания эха можно определить, на каком расстоянии находится встреченное ультразвуками препятствие. На этом принципе устроен ультразвуковой эхолот, служащий для измерения глубины моря (рис. 223). Направляя ультразвуковой луч горизонтально, мы получим устройство, называемое гидролокатором. Благодаря эхолоту и гидролокатору мы получаем возможность как бы «видеть» под водой, в полной темноте. Поскольку радиосвязь и радиолокация, а также оптическая сигнализация в воде неприменимы, то звуковые методы связи и гидролокации являются в этом случае единственно возможными. Эти методы получили в настоящее время широчайшее развитие во флотах всех стран. Ультразвуковой измеритель глубин — эхолот — представляет ценнейшее подспорье для навигации.
     
      Ультразвуки применяются на заводах
      Методы рентгеновского просвечивания дают возможность обнаружить изломы или раковины внутри куска металла толщиной лишь в несколько сантиметров. Ультразвук же распространяется в металле практически без поглощения. Применяя метод ультразвуковой локации, можно обнаружить мельчайшие дефекты внутри металлических деталей большой толщины, например в корабельных валах, «шариках» прокатных станов, имеющих диаметр 20 елц и т. п. (рис. 224). Для этих целей применяются ультразвуковые волны с частотами порядка 10 миллионов герц. Изобретателем ультразвуковой дефектоскопии является ленинградский инженер и физик С. Я. Соколов, предложивший этот метод в 1928 году. Современные ультразвуковые дефектоскопы, разработанные и внедренные в практику С. Я. Соколовым, могут обнаружить в металле трещину размером в I мм, находящуюся на глубине 1 м. Ультразвуковым методом можно определить и глубину закаленного слоя стали.
     
      Ультразвуки в природе
      После изобретения методов излучения и приема ультразвука ученым удалось выяснить, что ультразвуки в природе распространены значительно шире, чем мы это знали раньше. Выяснено, например, что огромное число насекомых, например из породы, близкой к кузнечикам и сверчкам, могут издавать ультразвуки и воспринимать их и ведут «разговоры» на ультразвуковом языке.
      Наиболее интересное открытие последних лет в этой области состоит в обнаружении приемов ультразвуковой локации у летучих мышей. Выяснено, что летучие мыши производят своей гортанью ультразвуковые колебания с частотами в несколько десятков тысяч герц. Слушая отражения этих ультразвуков от окружающих препятствий, летучие мыши способны определить расстояние до них с большой точностью и, таким образом, ориентироваться в пространстве при ночном полете.
      Рис. 224. Принцип действия ультразвукового дефектоскопа
      Перспективы развития области неслышимых зуков очень широки и заманчивы. Сейчас, например, ученые работают над созданием аппаратов ультразвуковой локации для слепых.
      Роль отечественных ученых в развитии теории и техники инфра- и ультразвуков весьма значительна. Мы можем по праву гордиться рядом крупнейших работ и открытий, принадлежащих нашим ученым, в этой области.
     
      УЛЬТРАЗВУКИ — ПОМОЩНИКИ ЧЕЛОВЕКА
     
      Дробящий звук
      Известно, что ультразвук может разламывать мельчайшие частицы вещества — молекулы. Естественно ожидать, что с помощью мощного ультразвука удастся измельчать также различные жидкие или твердые тела, состоящие из многих миллиардов молекул.
      Если в пробирку налить ртуть и воду, то более тяжелая ртуть расположится внизу, а вода сверху. Встряхнув пробирку, можно на мгновение заставить ртуть разбиться на мелкие капельки и перемешаться с водой. Но как только прекратим встряхивание, капельки ртути соберутся на дне и сольются в одну большую каплю. В пробирке вновь возникнут два слоя, разделенные резкой границей. Попробуем теперь пробирку опустить в мощный ультразвуковой фонтан. Пройдет всего несколько минут, и мы получим однородную серую массу, где уже нельзя различить отдельные слои. Капельки ртути здесь равномерно перемешаны с водой, как в молоке перемешаны с водой мельчайшие капельки жира.
      Тем не менее, это не истинный раствор, в котором растворенное вещество Измельчено до молекул. Хотя ультразвук дробит ртуть на мелкие частицы, им все же очень далеко до молекул. Воспользовавшись хорошим микроскопом, можно различить и измерить отдельные капельки ртути. Они имеют в поперечнике несколько стотысячных долей сантиметра. Подобные капельки содержат еще сотни тысяч молекул, но они уже настолько малы, что не падают мгновенно на дно пробирки, а лишь медленно, медленно оседают. Даже через сутки остается еще сравнительно много мелких неосевших частиц. Такое подобие раствора называют эмульсией, если раздробленное вещество жидкость, а сам процесс измельчения — диспергированием. Различные эмульсии находят самое разнообразное применение в технике, медицине, в быту.
      При постройке дорог широко используют так называемые битумные эмульсии. Чрезвычайно разнообразия эмульсии, встречающиеся в пищевой промышленности, — это различные соусы и кремы, начинки для конфет, а также маргарин, который представляет собой охлажденную эмульсию масла, жиров и кислого молока. Широко применяются эмульсии в фармацевтической, текстильной и кожевенной промышленностях, в сельском хозяйстве и т. д.
      1 Из книги Б. Кудрявцева «О неслышимых звуках»
      Промышленность заинтересована в получении эмульсий в возможно более короткий срок.
      Известным советским ученым Сергеем Николаевичем Ржевкиным приготовлено с помощью ультразвука большое количество разнообразных эмульсий. Легко диспергируются (измельчаются) в воде бензол, парафин, различные масла. Особенно легко и быстро образуются эмульсии масел. Они очень устойчивы и лишь незначительно изменяются со временем.
      При помощи ультразвука можно образовывать эмульсии масла в воде. Диспергируемое масло по трубке подается к ультразвуковому вибратору. Под действием ультразвука оно разбивается на мельчайшие капельки. Образующаяся эмульсия заметна в виде постепенно увеличивающегося облачка. По увеличению белого облачка мы убеждаемся, как быстро происходит образование эмульсии под действием ультразвука.
      Быстрота, с которой происходит ультразвуковое эмульгирование, может иметь большое практическое значение.
      При ультразвуковом измельчении основную роль играет кавитация.
      При распространении ультразвуковой волны возникают колебания стенок сосуда, содержащего измельчаемую жидкость. Эти колебания также способствуют образованию эмульсии.
      С помощью ультразвука можно измельчать и твердые тела, получая таким образом суспензии — смеси мелкораздробленного твердого вещества с жидкостью. Различные краски, некоторые лекарственные препараты, смазки для трущихся частей машин и другие широко применяемые вещества представляют собой суспензии. Тела, силы сцепления в которых невелики, такие, как гипс, слюда, сера, а также различные твердые органические соединения, как, например, нафталин.или камфора, измельчаются ультразвуком. Труднее измельчаются металлы.
      Советский физико-химик Л. Р. Соловьева сумела получить суспензии металлов в воде и масле.
      Причина измельчения и в этом случае коренится в кавитации. Огромные давления, возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков, действуют как микроскопические удары, дробящие твердое тело.
      Рис. 225. Прибор для ультразвукового дробления твердых тел
      Мы знаем, что кавитация возникает не только при распространении ультразвука. С ней мы сталкиваемся при движении корабельных винтов, лопаток гидротурбин. И здесь наблюдается возникновение быстро захлопывающихся кавитационных пузырьков, вызывающих разрушение поверхности винтов и лопаток. Это убеждает нас в том, что одну из причин дробящего действия ультразвука мы указали правильно.
      Следует заметить, что с помощью ультразвука можно добиться очень тонкого измельчения твердого тела, но количество раздробленного вещества бывает обычно ничтожно. В самом деле, для того чтобы измельчить всего 1 г никеля, пользуясь ультразвуковым генератором средней мощности, потребовалось бы непрерывно озвучивать пластинку размером 4 кв. см в продолжение месяца.
      Поэтому, когда хотят получить сравнительно большое количество измельченного вещества, прибегают к особым приемам.
      Так, например, измельчаемый кусок серебра помещают в ванну, наполненную раствором соответствующей соли металла, в нашем случае азотнокислого серебра (рис. 225). В ту же ванну опускают специальную металлическую пластинку. Серебро соединяют с положительным полюсом батареи, а пластинку с отрицательным. При протекании электрического тока кусок серебра растворяется, одновременно равное количество серебра из раствора выделяется в виде мельчайших кристалликов на металлическом электроде. Если расположить ванну над колеблющимися кварцевыми пластинками и пропустить через нее мощный ультразвуковой луч, то мельчайшие кристаллики серебра будут отрываться от электрода. Образуется чрезвычайно мелкозернистая суспензия.
      В этом приборе можно получать суспензии самых разнообразных металлов. Установка отличается простой конструкцией и большой производительностью.
      Таким же образом, совмещая химическую реакцию с действием ультразвука, можно получить сильно измельченный осадок самых различных веществ.
     
      Ультразвук спасает человеческую жизнь
      Особенно большое значение приобрело ультразвуковое измельчение в производстве некоторых лекарств. Имеются лекарственные средства, нерастворимые в воде, поэтому их приходится применять в виде эмульсий или суспензий. К таким веществам относится камфора. То, что камфора нерастворима в воде, не позволяет вводить ее непосредственно в кровь больного, с тем чтобы она скорее достигла сердца. Если ввести камфорное масло в вену, оно нарушит кровообращение и человек погибнет.
      С помощью ультразвука советские ученые раздробили камфорное масло в воде до столь мелких частиц, что подобную эмульсию оказалось возможным безболезненно вводить непосредственно в кровь больному.
      В последнее время большое значение приобрели лекарственные вещества, родственные сульфидину. Многие пользуются сульфамидными эмульсиями, но немногие знают, что они часто приготавливаются с помощью ультразвука. Как показал опыт, действие сульфамидных эмульсий эффективное.
      Ультразвук позволяет не только приготовлять лекарственные препараты с более высокими лечебными свойствами, но и открывает новые пути введения их в организм больного. С помощью ультразвука можно вводить различные вещества через кожу человека. Ультразвук как бы проталкивает вещество через поры кожи, не повреждая ее. Это свойство ультразвука может иметь большое значение в медицине.
     
      Наука и практика
      Ультразвуковое измельчение представляет несомненный интерес для многих областей техники, например для производства фотопластинок и фотопленки. Светочувствительный слой фотопластинки представляет собой желатин, в котором вкраплены мельчайшие частицы бромистого серебра. Под действием света частицы бромистого серебра разлагаются, благодаря чему и возникает фотографическое изображение.
      Качество фотопластинок зависит от того, насколько тонко измельчено бромистое серебро. Чем мельче зерна фотографической эмульсии, тем большее увеличение допускает фотография.
      Суспензия, полученная с помощью ультразвука, отличается мелкозернистостью и очень высокой однородностью. Применяя ультразвуковое измельчение, удалось получить высокочувствительные пластинки, обладающие замечательными фотографическими качествами.
      Рас. 226. Ультразвуко- Ультразвук с успехом применяли для вой гомогенизатор измельчения многих органических красителей. Такие суспензии длительное время сохраняют свои красящие (колористические) свойства. При приготовлении подобных суспензий добавляют еще специальные вещества, так называемые стабилизаторы, которые должны предохранить суспензию от оседания. С помощью ультразвука иногда удается получить устойчивую суспензию и без добавки стабилизатора.
      Ультразвуковое измельчение можно использовать в молочной промышленности. При приготовлении мороженого для измельчения жировых шариков и получения однородной массы, а иногда и при обработке молока применяют особую операцию, называемую гомогенизацией. Обычно гомогенизацию проводят под давлением 200 — 250 атмосфер. Для той же цели с успехом использовали ультразвук.
      Прибор, предназначенный для гомогенизации молока с помощью звуковых колебаний, изображен на рисунке 226.
      Низкокачественное жидкое топливо для двигателей в некоторых случаях можно значительно улучшить, раздробив в нем в виде мельчайших капелек небольшое количество воды. Для получения подобных эмульсий было предложено использовать ультразвук. Эмульсии топлива можно применять в доменном производстве, а также при изготовлении стали. С помощью ультразвука можно диспергировать в топливе водные растворы самых различных веществ.
      Это позволяет исследовать влияние различных добавок на процесс горения топлива, дает возможность изменять его свойства.
     
      Ультразвук моет шерсть
      Недавно было предложено новое использование дробящей способности ультразвуков. Ультразвуки были применены для отделения приставших к ткани посторонних частиц, или, попросту говоря, для стирки.
      Одна из опытных ультразвуковых стиральных машин представляла собой цилиндр приблизительно 40 см высоты, внутри которого находился магнитострикционный генератор, соединенный с диафрагмой.
      Загрязненное белье помещали в бак с горячей мыльной водой.
      В тот же бак опускали магнитострикционный вибратор и присоединяли его к электрической сети. Вибратор создавал мощные ультразвуковые колебания.
      Приставшие к ткани частицы грязи отрывались, и ткань очищалась. Стирка заканчивалась в очень короткий срок.
      Недавно советские ученые разработали метод ультразвуковой мойки шерсти. Обычно шерсть сильно загрязнена жиром и другими органическими веществами. Для удаления жира шерсть приходится мыть в мыльном растворе, содержащем большое количество щелочи. Технологические свойства волокна при этом ухудшаются. Используя ультразвуковые колебания, мойку можно производить в почти нейтральном растворе и тем самым сохранить качество волокна. Надо также сказать, что образующаяся при озвучивании перекись водорода действует как отбеливающее вещество и внешний вид шерсти улучшается. Чрезвычайно важно и то, что при ультразвуковой мойке уничтожаются различные микроорганизмы, в том числе спороносные бактерии, которые всегда присутствуют в немытой шерсти. Озвучиванием достигается и обезвреживание грязной воды, образующейся при мойке. Не следует забывать также, что при ультразвуковой мойке сокращается расход мыла и щелочи.
      Дробящее действие ультразвука может быть применено также для изготовления специальных паяльников, имеющих важное значение в промышленности.
      Использование алюминия и его сплавов связано с тем неудобством, что к алюминиевым деталям нельзя ничего припаять обычным способом. Сколько бы мы ни старались зачистить место для спая механическими способами или же при помощи химических
      очистителей, все же олово не сцепляется с поверхностью металла и спай оказывается непрочным. Объясняется это тем, что алюминий очень быстро окисляется и образующаяся тонкая пленка окисла препятствует проникновению олова к его поверхности. Правда, алюминиевые предметы можно припаивать с помощью специальных припоев, но пользоваться ими более сложно, чем оловом.
      Пайку алюминиевых предметов можно осуществить обычным способом, если в момент пайки подвергнуть спай действию мощных ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые колебания отрывают пленку окисла от поверхности, и олово прочно сцепляется с алюминием. Для разрушения пленки удобно пользоваться колебаниями, частота которых близка к частоте слышимых звуков.
      В ультразвуковом паяльнике (рис. 227) стержень А, которым осуществляется пайка, вместе с обогревателем Б приваривается к магнитострикционному вибратору В. Вибратор помещается внутри катушки Гиз изолированной проволоки, по которой проходит переменный ток высокой частоты. Высокочастотные колебания магнитострикционного стержня передаются рабочей части паяльника, а через нее припою. Эти-то ультразвуковые колебания и разрушают оксидную пленку. Специальные «крылья» Д предназначены для охлаждения нерабочей части паяльника, которая в результате магнитострикционных колебаний сильно нагревается.
      Пайку небольших предметов из алюминия можно производить с помощью ультразвукового паяльника без подогрева. Большие предметы приходится подогревать, так как благодаря высокой теплопроводности алюминия они быстро остывают и с помощью паяльника их прогреть трудно. Если поверхностная пленка непрочна, как это бывает, например, у железа, то пайку можно производить без предварительной зачистки. Ржавые железные предметы припаиваются таким способом вполне надежно.
      Рис. 227. Ультразвуковой паяльник
      Отрывая с помощью ультразвука пленку окисла, можно осуществить лужение алюминиевых листов или различных деталей.
      Сергей Яковлевич Соколов был первым, кто занялся изучением действия мощных ультразвуковых колебаний на затвердевающий расплав. Как оказалось, под действием ультразвука кристаллическая структура слитка делается чрезвычайно однородной, состоящей из очень мелких кристалликов.
      Дробящее действие мощных ультразвуковых колебаний было использовано для устройства своеобразного «ультразвукового долота». В этом приборе к концу вибратора, изготовленного из титаната бария и снабженного металлическим конусом, присоединялся наконечник из специального сплава. Подавая к наконечнику суспензию очень твердого вещества, например карбида бора, можно пробивать отверстия нужной формы и обрабатывать поверхность даже керамических изделий.
      На практике иногда приходится сталкиваться с необходимостью отыскать материал, отличающийся повышенной механической прочностью. Решить эту важную задачу помогает прибор, схематически изображенный на рисунке 228.
      К концу вибратора А, совершающего мощные ультразвуковые колебания, присоединяется короткая стальная проволочка 5.
      Исследуемый образец О помещают на подвижную скамеечку В, которая может вращаться около горизонтальной оси.
      Изменяя груз Г, можно слабее или сильнее прижимать образец к проволочке.
      При работе вибратора проволочка движется вперед и назад, перетирая образец. Если вибратор колеблется с частотой 50 тысяч колебаний в секунду, то образец за одну минуту подвергается действию трех миллионов перетирающих движений проволочки. С помощью такого прибора можно быстро исследовать механические свойства различных материалов и определить, какой из них удовлетворяет требуемым условиям.
      Как мы уже убедились, ультразвуки могут вызывать прямо противоположные эффекты; так, если в одних опытах они окисляют вещество, то в других восстанавливают, иногда ускоряют реакцию полимеризации, иногда вызывают деполимеризацию вещества и т. д. Поэтому не приходится удивляться и тому, что наряду с дробящим действием они могут ускорять противоположный процесс — процесс слипания мелких частиц, в результате которого возникают частицы более крупные.
      Рис. 228. Прибор для испытания прочности материалов
      Фабричный дым, как известно, состоит из мельчайших частичек твердого и жидкого вещества, перемешанных с воздухом. Под действием звука дым быстро оседает. Так же ведет себя и туман, состоящий из мельчайших капелек, взвешенных в воздухе. Отдельные частички при соударении слипаются вместе и, образуя более тяжелые частицы, опускаются вниз. Такое укрупнение частиц называю коагуляцией.
      Способность ультразвуков вызывать коагуляцию весьма велика: густой белый дым окиси магния осаждается при озвучивании почти мгновенно.
      Что такое ультразвуковая коагуляция?
      Как доказали советские ученые С. В. Горбачев и А. М. Северный, при распространении звуковой волны между частичками дыма или тумана возникают силы притяжения.
      Для того чтобы понять природу этих сил, можно напомнить опыт, часто демонстрируемый в школах на уроках физики. Если на ниточках повесить на некотором расстоянии друг от друга два легких шарика из пластмассы, а затем дунуть между ними, шарики сблизятся и ударятся друг о друга. Подобное явление наблюдается и в том случае, если воздух будет неподвижен, а двигаться будут шарики. Сходные силы, возникающие в ультразвуковой волне, и заставляют частицы дыма двигаться по направлению друг к другу, сталкиваться и, слипаясь, образовывать более крупные агрегаты.
      Кроме того, более крупные частички дыма или тумана в силу большей массы отстают в своих движениях от более мелких, и в результате возрастает число соударений, ведущих к образованию крупных частиц.
      Звуковая коагуляция уже используется в технике. Ультразвук применяют для улавливания мельчайших частичек сажи, в сернокислотной промышленности для осаждения тумана серной кислоты и т. п.
      Таким образом, можно очищать от дыма, выходящего из фабричных труб, воздух городов и заводских поселков. Этот способ, несомненно, приобретает большое значение, так как с его помощью можно улавливать частицы, свободно проходящие через обычные очистительные фильтры.
      Борьба с пылью и мельчайшими капельками различных химических соединений, поступающими в воздух из заводских труб, имеет огромное значение. Пыль приносит большой вред не только окружающему населению, но и животным и растениям. В Советском Союзе борьбе с производственной пылью уделяется исключительное внимание.
      В промышленных установках для осаждения мелких частиц пользуются мощными ультразвуковыми или звуковыми колебаниями, получаемыми при помощи специальных сирен.
      Мощная ультразвуковая сирена состоит из двух дисков: неподвижного — статора, и быстро вращающегося — ротора.
      Подвижный диск снабжен зубцами, которые приходятся против отверстий в неподвижном диске. При вращении ротора против отверстий в неподвижном диске оказываются попеременно то зубцы, то промежутки между ними. Если подвести сжатый воздух к зубцам ротора, то из отверстий статора вырвется прерывистая струя воздуха, которую рассекают зубцы вращающегося ротора. В воздухе, окружающем сирену, образуются чередующиеся сжатия и разрежения, т. е. возникнет звуковая волна. Ультразвуковая сирена с диском, имевшим 110 зубцов, совершала 250 оборотов в секунду и создавала волну с частотой, равной приблизительно 27 тысячам колебаний в секунду.
      С помощью сирен можно получить звуковые и ультразвуковые колебания мощностью в несколько киловатт. Эта мощность настолько велика, что расположенный на пути звуковой волны кусок ваты через несколько секунд вспыхивает в результате поглощения акустической энергии и превращения ее в теплоту.
      Предназначенные для очистки воздуха звуковые и ультразвуковые волны, полученные с помощью сирены, собираются в виде узкого луча специальными рефлекторами, напоминающими зеркала прожекторов.
      Схема установки для улавливания печной сажи изображена на рисунке 29. Смесь, в результате сгорания которой получается сажа, из подогревателя 1 направляется в реакционную камеру 2. Образовавшаяся сажа, пройдя холодильник 3, попадает в звуковую колонну 4, на вершине которой и находится сирена.
      Воздух с укрупненными частицами поступает в обычные пылеуловители (циклоны) 5, где и осаждается основное количество сажи.
      Звуковым осаждением выгодно пользоваться, если диаметр улавливаемых частиц меньше одной тысячной доли сантиметра, а содержание их не ниже 4 — 5 г на кубический метр.
      Недавно ультразвуковые сирены с успехом применили в технике для покрытия глазурью изделий из фарфора и керамики. Предполагают, что в этом случае действие сирен не ограничивается только распылением, играет роль также и то, что под влиянием ультразвуковых волн вещество нагревается.
      Можно быть уверенным, что ультразвуковое осаждение и улавливание мелко раздробленных частиц найдет широкое применение в различных отраслях техники. Вместе с биологическими и химическими действиями ультразвуков механическое воздействие их на вещество является одной из важных областей практического использования неслышимых звуков.