ТЕОРЕТИКИ ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК 2


Перу ученика Чебышева — Александра Михайловича Ляпунова, гениального математика и механика, принадлежит теория устойчивости движения, о которой мы уже упоминали в главе «Точные науки».

Всякая система, механическая или электрическая, во время работы испытывает ряд внешних и внутренних воздействий. Зачастую эти воздействия нарушают согласованность работы отдельных частей системы. Она при этом теряет устойчивость движения, «разлаживается». Возникают вредные вибрации, толчки, усилия.

Теория Ляпунова, рассматривающая условия устойчивости движения, стала основой научного проектирования самых разнообразных машин и устройств. Вся ценность этой теории выявилась лишь в наши дни, дни техники больших скоростей, реактивной авиации, автоматики, телемеханики, радиотехники.

Конструкторы сложнейших механических и электрических устройств обязательно проверяют методом, созданным Ляпуновым, будет ли устойчива, надежна в работе создаваемая ими система.

Новую теорию пространственных зубчатых механизмов создал другой ученик Чебышева — X. И. Гохман. Над теорией структуры плоских и пространственных механизмов успешно работал П. И. Сомов.

Во второй половине XIX века, когда в промышленности все шире и шире стали распространяться паровые двигатели, перед инженерами встал вопрос о создании надежно работающих регуляторов, способных точно и безотказно реагировать на малейшее изменение нагрузки на паровую машину.

Выдающийся русский механик Иван Алексеевич Вышнеградский (1831 — 1895) положил начало теории автоматического регулирования. Этот труд явился ответом русского ученого на настоятельные требования инженерной практики.

Как нужно регулировать работу паровых машин, было известно уже с давних пор. Их снабжали центробежным регулятором, известным чуть ли не со средних веков и применявшимся еще для регулирования ветряных мельниц. При уменьшении нагрузки на маховик машины этот регулятор сокращал доступ пара в цилиндр, уменьшая тем мощность машины. При возрастании нагрузки регулятор шире открывал паропровод. .

Принцип, лежащий в основе конструкции этого регулятора, был вполне удовлетворительным. Беда заключалась в том, что рассчитывать заранее центробежный регулятор инженеры не умели. При постройке паровой машины каждый раз приходилось кустарно, путем многочисленных проб, подбирать конструктивные размеры частей регулятора. От тщательности такого «регулирования самого регулятора» и зависела успешная работа новой машины. Неоднократные попытки создать методы предварительного расчета регулятора не давали результатов.

Вышнеградскому удалось решить эту важнейшую научную и техническую задачу.

В отличие от своих многочисленных предшественников он рассматривал движение регулятора не изолированно, а во взаимодействии с движением самой машины. Он вывел ряд математических уравнений и, блестяще их проанализировав, создал знаменитые «неравенства Вышнеградского».

Выводы русского ученого имели первостепенное значение для практики. «Неравенства» и построения на их основе «диаграммы Вышнеградского» стали основой расчета чувствительных, безотказно работающих регуляторов.

Работа Вышнеградского «О регуляторах прямого действия» была сразу же переведена на несколько иностранных языков.

С развитием техники значение работы Вышнеградского раскрывалось все шире и шире. Все позднейшие изыскания в области автоматического регулирования, как на незыблемый фундамент, опирались на эту работу русского ученого.

Теория, основу которой заложил Вышнеградский, приобрела особую значимость в наши дни. Она помогает инженерам создавать различные автоматические устройства.

❖ ❖ *

Крупные успехи были достигнуты русскими исследователями и в изучении трения — в одной из самых сложных и важных областей наук о машинах.

Борьба с трением, правильно разработанный режим смазки имеют огромное значение в технике.

В конце XIX века, когда промышленность развивалась особенно бурно, от правильного решения этих проблем зависел дальнейший прогресс техники, успех борьбы за высокие скорости и большие мощности. Русский ученый Николай Павлович Петров (1836 — 1920), впоследствии

В подшипнике, смазанном маслом, трение между твердыми телами заменяется трением между слоями жидкости.

почетный академик, опубликовал в 1883 году в «Инженерном журнале» работу о трении в машинах. Он осветил одно из самых «темных» мест механики. Большое внимание уделил ученый проблеме смазывания трущихся поверхностей.

Петров доказал, что правильно смазанные твердые поверхности не приходят в соприкосновение: их разделяет жидкая пленка. «Если же, — писал он, — жидкий слой, смазывающий два твердых тела, вполне отделяет их одно от другого, то непосредственного трения твердых тел уже, очевидно, не может быть». Таким образом, трение в смазанном подшипнике имеет иную природу, нежели трение «сухое»; оно складывается из трения между твердым телом и жидкостью и трением, возникающим при вращении в слоях самой жидкости.

Чтобы провести расчет действующих здесь сил, продолжал Петров, машинрстроители должны призвать на помощь гидродинамику — науку, изучающую движущиеся жидкости.

Труд Петрова «Трение в машинах» положил начало классической гидродинамической теории трения. Развитию и углублению этой теории ученый посвятил много работ, вошедших в золотой фонд современной механики.

Формула Петрова, позволяющая определить силу трения в зависимости от качеств смазочной жидкости, скорости движения и давления на единицу трущейся поверхности, — одна из важнейших инженерных формул. Механики пользуются ею в своей повседневной работе.

* * *

В последней четверти XIX века начал творческую деятельность Николай Егорович Жуковский (1847— 1921). Всем известны его бессмертные заслуги в создании авиационной науки. Однако авиацией далеко не исчерпывается круг вопросов механики, интересовавших Жуковского. Он написал исследования о турбинах, ткацких машинах, велосипедных колесах, речных судах, мукомольнях и т. д.

Крупной научной победой Жуковского является доказательство теоремы о так называемом жестком рычаге. Значение этого труда неизмеримо велико. Почти в каждом механическом устройстве мы найдем либо рычаги, либо их разновидности: ворот, шкивы, шестерни.

Кинематический метод силового расчета механизмов, разработанный Жуковским, служит любому инженеру-механику:

Этот метод только часть, только звено в той стройной теории механики, в которой Жуковский слил воедино кинематику, кинемостатику и динамику механизмов.

Немало замечательного дала механике и выдающаяся женщина-математик Софья Васильевна Ковалевская, за творчеством которой с живейшим интересом следил Чебышев. Она, как знает читатель, оставила блестящие исследования вращения твердого тела вокруг неподвижной точки.

Тело, вращающееся вокруг неподвижной точки, — это волчок. Много чудесных свойств возникает во вращающемся волчке. Он необыкновенно устойчив, несмотря на то, что кружится на острие. Он не упадет, если даже его толкнуть, а отклонится от удара, вывернется в сторону. Всеми силами противится волчок попыткам изменить первоначальное положение его оси.

В природе и технике мы часто можем встретить тела, обладающие свойствами волчка, хотя и не похожие на него внешне. Это солнце, планеты, снаряды, пули, колеса, маховики, шкивы — словом, все быстро вращающиеся тела. Ясно поэтому, какое огромное значение имеет проблема волчка и как важно ее решение для всевозможных вопросов практики.

Свойства волчка давно уже интересовали ученых. Исследовать движение волчка, описать его поведение языком математики стремились и Л. Эйлер, и Ж. Лагранж, и Л. Пуансо. Но и эти крупнейшие ученые смогли только частично решить проблему волчка, а после них долгое время никому из ученых не удалось достичь каких-либо заметных успехов в развитии механики вращающегося тела.

С. В. Ковалевская смело принялась за теорию волчка и своим трудом о «вращении твердого тела вокруг неподвижной точки» продвинула эту теорию далеко вперед.

^ ф $

Велики заслуги отечественных ученых в создании теоретических основ одного из важнейших производственных процессов — процесса резания.

Резание — это точение на токарных станках, это фрезерование, сверление, строжка, протягивание, шлифовка — все то, что принято называть «холодной обработкой металлов».

Резание — один из старейших способов придать изделию нужную форму. Многими тысячелетиями отделен от нас тот момент, когда впервые острие инструмента, зажатого в руке человека, сняло стружку с дерева или кости. Но до середины XIX века, когда на заводах всего мира работали уже десятки тысяч металлорежущих станков, сущность процесса резания оставалась неизвестной.

Производственники не имели правильного представления о том, что происходит с металлом в момент, когда лезвие резца впивается в него и отделяет от него слой стружки.

Токари подбирали режимы резания, углы заточки инструмента, основываясь на одном только опыте.

По-научному подошел к проблеме резания ученый Иван Тйме, опубликовавший в 1870 году труд «Сопротивление металлов и дерева резанию» — плод своих многолетних исследований.

Более трехсот опытов проделал он на станке, оснащенном специальным приспособлением, позволявшим изучать процесс резания во всех подробностях. Тиме резал сталь, чугун, железо, цветные металлы. Результаты этих исследований легли в основание первой теории резания.

Тиме установил главные законы резания. Ученый показал, что в момент снятия стружки под действием резца в металле происходит постепенное непрерывное разрушение частиц, а стружка отделяется в результате скалывания частиц. Русский ученый дал научно обоснованные таблицы резания и формулы, которые перешли затем во все руководства по металлообработке.

В 1893 году с теорией резания выступил профессор К- А. Зворыкин. Исходя из исследований, в которых применялся изобретенный им прибор для измерения сил резания, Зворыкин предложил формулу, позво-

Мир волчков — тел, вращающихся вокруг неподвижной оси, — велик и многообразен.

?

ляющую установить зависимость толщины снимаемой стружки-от силы, действующей на инструмент.

Три года спустя, в 1896 году, другой наш ученый, А. А. Брике, выпустил в свет книгу «Резание металлов», где дал научную разработку режимов резания, показал, какие углы резания, какие режимы следует применять при обработке металла той или иной твердости.

Большое значение для продвижения вперед науки о резании металла имели работы Я- Г. Усачева — талантливого техника мастерских Петербургского политехнического института.

Усачев начал исследования микроструктуры металлической стружки* стал фотографировать микрошлифы, полученные из металла стружек. Это позволило, ему в подробностях изучить процессы, происходящие в стружке в момент отделения ее от обрабатываемого изделия. Усачев положил начало исследованию одного из важнейших явлений, сопровождающих резание, — выделение тепла.

Огромное значение как для теории механики, так и для практики инженерного дела имели работы по научной классификации механизмов.

Нужда в такой классификации была необычайно велика. К началу XX века существовало уже огромное количество самых разнообразных механизмов, и с каждым днем их становилось все больше. Здесь были и простые механизмы, состоящие из какой-либо пары рычагов и колес, и сложнейшие сочленения множества шестерен, колес, рычагов и других деталей. Разобраться в многообразии машин и механизмов можно было, только установив единый принцип, который позволил бы разделить их на определенные группы.

Первые попытки создать классификацию машин относятся к XVIII веку: французский ученый Монж еще тогда попробовал навести порядок в мире механизмов. Однако классификация Монжа получалась столь громоздкой, что ученый, доведя составление ее до 21-го класса, прекратил свою работу.

Позднее за разработку классификации механизмов брались многие ученые — Гашет, Бетанкур, Виллис. Некоторые из них предлагали положить в основу классификации характер преобразования движения, производимого механизмом. В одну группу здесь зачислялись механизмы, преобразующие прямолинейное движение в круговое, в другую — круговое в криволинейное и т. д. Виллис предложил классифицировать механизмы по характеру превращения ими скоростей.

Но все эти системы оказались недостаточно жизненными. Явно однородные механизмы зачислялись этими классификациями в разные группы. Задача создания действительно научной систематики механизмов долгое время оставалась нерешенной.

Научную классификацию предложил и русский ученый Л. В. Ассур (1878— 1920).

Он пришел к выводу, что любой, даже самый сложный, механизм можно рассматривать как сочетание нескольких более простых элементов. Образование механизмов по Ассуру можно представить как своеобразное наслоение таких эле

Гусеничный пропаш-

ментов. Анализ этих-то составных частей механизма и положил ученый в основу своей классификации.

Тончайший вопрос теоретической механики нашел свое разрешение в трудах русского ученого И. В. Мещерского (1859—1935) — автора классического учебника и задачника по теоретической механике, по которым и сейчас учатся наши студенты.

Выдающийся теоретик Мещерский основал новый раздел науки — механику тела с переменной массой. Это, как казалось когда-то, далекое от практики исследование с развитием техники, особенно в наши дни, приобрело исключительное значение. К телам с переменной массой, главные законы движения которых установил Мещерский, принадлежит и ракета; во время полета масса ее по мере сгорания топлива резко меняется.

Сейчас, когда в авиации появились аппараты с реактивными двигателями, труды русского исследователя привлекают пристальное внимание инженеров и ученых. Уже недалек тот час, когда уравнения и формулы Мещерского будут использованы при расчетах конструкции .первого космического корабля.

Многим обогатил механику и «создатель кораблестроительной науки» Алексей Николаевич Крылов (1863—1945).

Разрабатывая метод подобия, основы которого столетие назад заложил Кулибин, он дал теорию моделирования кораблей. Крылов оставил замечательно глубокие исследования в труднейшей отрасли механики, изучающей жироскопы.

Труды Крылова по теории жироскопа, волчка стали настольными книгами конструкторов навигационных приборов. Теория Крылова помогает строить морские и авиационные жирокомпасы и автопилоты.

Новое слово в машиностроении сказал академик Василий Прохорович Горячкин (1868— 1935). С его именем связано рождение новой науки — науки о сельскохозяйственных машинах.

Хозяева заводов, изготовлявших земледельческие машины, принимали для производства те изобретения, которые обеспечивали им большие прибыли. Научными основами сельскохозяйственного машиностроения никто из заводчиков не интересовался.

И хотя возраст плуга, например, исчисляется многими тысячами лет, но и в конце XIX века это важнейшее сельскохозяйственное орудие конструировали, основываясь только на одном опыте, не вводя теоретических расчетов.

Так же обстояло дело и с машинами, появившимися позднее, — жатками, сеялками, молотилками.

Науки о сельскохозяйственных машинах не существовало. Тем более не делалось попыток установить зависимость конструкции земледельческих машин от свойства зерна, почвы и особенностей растений.

Василий Прохорович Горячкин.

Приняв приглашение Петровской сельскохозяйственной академии (ныне академии имени Тимирязева) вести курс сельскохозяйственных машин, В. П. Горячкин с интересом принялся за новую работу. Он тщательно изучал русскую и иностранную литературу по сельскохозяйственным машинам. Одновременно знакомился и-со всеми видами машин, выпускаемых на заводах России, Германии, Франции.

Не отбрасывая пока старого, чисто описательного курса машиноведения, Горячкин, приступив в 1896 году к преподавательской деятельности, начал упорно работать над теоретическими основами расчета и конструирования сельскохозяйственных машин.

Плуг был первой машиной, за разработку научных основ действия которой принялся Горячкин. В, практическом земледелии существовали к тому времени сотни разных конструкций плугов, а научного объяснения взаимодействия отвала (главной части плуга) с почвой не было. Не зная этого взаимодействия, нельзя было создать плуга, полностью отвечающего требованиям научной агротехники.

«Сельскохозяйственное машиностроение, — писал Горячкин, — находясь в руках практиков, не имеет под собой научной почвы. До сих пор не существовало ни одной книги ни на русском, ни на иностранном языках по изучению конструктивных форм и расчета сельскохозяйственных машин и орудий. Поэтому общий уровень сельскохозяйственного машиностроения очень низок и производит грустное впечатление».

В 1898 году выходит труд молодого ученого под названием «Отвал». Горячкин доказал, что отвал плуга действует подобно резцу при обработке металла. При движении он снимает перед собою почву, а потом отрезает ее, поднимая по плоскости отвала. Получается своеобразная земляная «стружка».

Характер этой «стружки» зависит от состояния почвы. Влажная почва дает «стружку», похожую на ту, которая получается при обработке меди или других мягких металлов. Сухая и твердая почва образует «стружку», сходную с получаемой при обработке чугуна, то есть металлов хрупких. И, наконец, почвы средней влажности и твердости дают «стружку», которую можно сравнить со стальной.

Горячкин создал теорию для сельскохозяйственного машиностроения — теорию построения плуга.

В 1897—1898 годах его лекции по курсу «Учение о сельскохозяйственных машинах и орудиях» изданы были литографским способом.

В 1900 году Горячкин печатает новые научные работы: «Бороны», «Веялки», «Сортировки», «Жатвенные машины». Он раскрывает законы механики, на которых основано действие машин, и впервые пытается теоретически решить, каким требованиям должно отвечать устройство земледельческой машины.

Этими трудами и ознаменовалось рождение новой науки — науки

о сельскохозяйственных машинах, названной Горячкиным «Земледельческая механика».

«...Среди опытных наук есть такая, — писал он, — как земледельческая механика, содержание которой для многих остается неясным; возможно даже ожидать вопроса о том, можно ли вообще считаться с земледельческой механикой как с наукой и не представляет ли она по своему содержанию, как некоторые думают, попросту соединенный каталог главнейших фирм. Многие склонны придерживаться взгляда на сельскохозяйственные машины и орудия, как на слишком мелкие, подобно, например, различным приспособлениям и орудиям для домашнего хозяйства».

Доказывая жизненность новой науки, ученый-новатор смело шел вперед.

Теоретические работы Горячкина требовали практической проверки, и в этом огромную помощь оказывал ему Василий Робертович Вильямс, руководивший в сельскохозяйственной академии кафедрой почвоведения и общего земледелия.

Вскоре ученые убедились в необходимости создания при кафедре сельскохозяйственного машиностроения научной машиноиспытательной станции. Но не так просто было добиться средств для осуществления этого проекта. В работах Горячкина не были заинтересованы ни заводчики, ни чиновники царских департаментов.

Только через шесть лет были получены средства на строительство станции. Не дожидаясь окончания строительства, Горячкин уже в 1911 году занялся созданием опытных образцов сельскохозяйственных машин в небольших мастерских. А когда начала свою деятельность машиностроительная станция, Горячкин привлек к работе много талантливой молодежи.

Великая Октябрьская социалистическая революция дала науке небывалые возможности для развития. Новыми замечательными достижениями обогатили механику ее ветераны — Жуковский, Чаплыгин, Крылов, Горячкин, Шухов, радостно встретившие советскую эпоху, нашедшие в ней неисчерпаемый источник творческого вдохновения. Выросла замечательная школа механиков. Ее представители решают сложнейшие задачи теории механизмов и машин. Вот несколько примеров.

А. П. Малышев усовершенствовал структурную формулу для пространственных механизмов, предложенную ранее П. И. Сомовым. Н. И. Мерцалов разработал методы анализа этих сложнейших механизмов.

Советские ученые И. А. Артоболевский, и В. В. Добровольский создали общую классификацию для плоских пространственных механизмов. Этот труд облегчает конструкторам исследование механизмов.

Плеяда советских механиков успешно решает труднейшие задачи расчета сложных автоматических систем, точных приборов и других

15 Рассказы

замечательных машин и механизмов, создаваемых советской техникой. Теоретические достижения советских ученых немедленно становятся в нашей стране достоянием широкой практики.

В нашей стране уделяется огромное внимание автоматизации производства и механизации трудоемких процессов. Широкое развитие получили автоматические станочные линии — самое совершенное достижение современной машиностроительной техники.

Одна из первых автоматических линий станков была создана на Сталинградском тракторном заводе. Сейчас уже на многих наших заводах работают такие линии. Советские конструкторы идут еще дальше по пути автоматизации производства.

Уже построены и действуют заводы, работа которых полностью автоматизирована, начиная от загрузки сырья и кончая упаковкой готовой продукции.

В нашей стране появились станки, «читающие» чертежи и изготовляющие по ним изделия, и станки с программным управлением. Область применения этих «грамотных станков» все время будет расширяться.

Советской стране принадлежит ведущая роль в создании и угольных комбайнов — машин, необычайно облегчающих труд горняков и многократно повышающих производительность.

Первые угольные комбайны были созданы уже в начале тридцатых годов. Ныне советская горная техника располагает комбайнами разнообразных типов для разработки пластов всевозможного строения: мощных, средних, тонких, пологих и крутопадающих.

Создан у нас станок для шлифовки точнейших измерительных плиток. Д. С. Семенову первому удалось механизировать такую сложную работу, которую раньше выполняли только высококвалифицированные мастера, медленной и кропотливой шлифовкой доводившие плитки до требуемого размера.

Изобретатель А. М. Игнатьев создал самозатачивающиеся инструменты. Резцы, ножи, топоры, пилы, зубья ковшей экскаваторов, сделанные по методу Игнатьева, не только не тупятся во время работы, но даже становятся острее.

К изобретению этих замечательных инструментов А. М. Игнатьев, по образованию биолог, пришел оригинальным путем. Он начал с разгадки удивительного факта: почему зубы грызунов и когтй хищников всегда остры, никогда не тупятся?

Изобретатель обнаружил, что зубы и когти затачиваются как раз во время работы. Причина, как установил Игнатьев, кроется в своеобразном слоистом строении этих природных инструментов. Внешние слои их самые мягкие, а чем ближе к середине, тем кость становится крепче и крепче.

Самая крепкая, твердая часть зуба или когтя — его сердцевина. Поэтому, чем дальше слой находится от сердцевины, тем он быстрее стирается во время работы. Сердцевина вследствие этого всегда возвышается над окружающими слоями, поэтому зуб или коготь всегда имеют заостренную форму. Угол резания такого природного инструмента неизменен. Разгадав секрет неизменной остроты зубов и когтей животных, Игнатьев положил этот принцип в основу своих самозатачивающихся инструментов. Он собрал их из отдельных листков стали, изобретя для этого и особый способ сварки по всей поверхности предмета. Листки были изготовлены из сталей самых разных твердостей: начиная от самых мягких, кончая самыми твердыми, из которых делались сердцевинные слои.

Сейчас советские инженеры создают для промышленности все новые самозатачивающиеся инструменты.

Ведется упорная работа и по внедрению другого изобретения Игнатьева — трубчатого вращающегося резца. При неподвижном резце половина, а порой и больше всей энергии, потребной для резания металла, непроизводительно тратится на преодоление трения между стружкой и резцом. Остроумным приемом Игнатьев сумел избежать этих потерь. Резец Игнатьева, похожий на чашку с заточенной кромкой, укрепляется в подшипнике. Стружка металла, ползущая с изделия, приводит резец во вращение.

Резец Игнатьева, изготовленный из обычной быстрорежущей стали, позволяет добиваться огромных скоростей резания, достижимых только с резцами из специальных твердых сплавов.

В нашей стране широкое развитие получила и скоростная обработка металлов. Советским изобретателям принадлежит честь создания новых инструментов и методов технологии обработки металла, позволивших в сотни раз увеличить скорость резания. Своим методом скоростного резания металлов прославились и многие новаторы промышленности.

Рядом с именем известного физика В. Д. Кузнецова и его учеников, разработавших теорию скоростного резания, стоят имена мастеров усовершенствованной обработки металлов: Г. Борткевича, П. Быкова,

Ю. Дикова, Н. Чикирева, В. Колесова и других. Токарь П. Рыжков сделал замечательный вклад в технику — он сконструировал устройство, гасящее вибрации резца.

В Советской стране получила быстрое развитие наука о сельскохозяйственных машинах. В дореволюционной России выпускалось 20 — 25 видов простых сельскохозяйственных машин, преимущественно на конной тяге. Мощная социалистическая тяжелая индустрия производит теперь тысячи разнообразнейших сельскохозяйственных машин, конструк-

Резец для скоростной обработки металла, снабженный пластинкой из твердого сплава.

ции которых разработаны в нашей стране, — миллионы механических помощников человека работают на советских полях.

Значительных успехов достигли в нашей стране зодчество, строительная механика.

Забота об удобствах жизни советского человека — вот цель наших зодчих. Яркий пример тому новые прекрасные жилые дома, лучшее в мире метро.

Советские архитекторы решают небывалые в истории зодчества задачи — планомерное строительство и реконструкцию городов.

Высокого уровня достигла в Советской стране строительная техника. Советские инженеры разработали методы скоростного строительства. Используя строительные детали, изготовленные на заводах, умело сочетая строительные и монтажные работы, советские архитекторы возводят сооружения в исключительно короткие сроки. Армия машин — подъемных кранов, бетономешалок, растворосмесителей и насосов, вакуумных установок для сушки бетона и штукатурки — работает на строительных площадках. Широко применяются новые строительные материалы.

В поисках архитектурных форм советские строители внимательно изучают и те богатства, которые накопило за всю свою историю зодчество нашей Родины и других стран.



Истории, рассказы о русской науке и технике, Болховиттинов В. 1957