m_kalashnikov (m_kalashnikov) wrote,
m_kalashnikov
m_kalashnikov

Category:

Лев Бобров (1966) О двигателе Дина-3

Предыдущий текст –
http://m-kalashnikov.livejournal.com/2108535.html
Лев Бобров (1966) О двигателе Дина-1

«Четвёртый закон» — далеко не первый и, может быть, даже не четвёртый казус в ряду попыток ревизовать Ньютона.
Ещё французские математики XVIII века Клеро и Даламбер предлагали ввести в формулу закона всемирного тяготения добавочный член; им нужно было как-то объяснить загадочные смещения лунного перигея. Знаменитый естествоиспытатель Бюффон возражал против неоправданных посягательств на ньютоновскую формулу. Не прошло и четырёх лет, как сконфуженный Клеро сам же дал верное истолкование странностям нашей космической соседки на основе тех же законов Механики, в справедливости которых сомневался.
Лет через сто снова начались покушения на закон всемирного тяготения. На этот раз астрономов не устраивали расхождения между действительной орбитой Урана и вычисленной по ньютоновской формуле. Иначе подошли к делу Леверье и Адаме. Не вызваны ли возмущения орбиты Урана соседством другого массивного тела? Опираясь на законы механики, они предсказали существование ещё не открытой планеты и точно назвали место, где следовало ожидать её появления. Так в 1846 году был открыт Нептун. Посрамлённые скептики стали свидетелями нового триумфа классической механики.
Спустя почти сто лет, в 1933 году, учёные снова недоуменно развели руками: при бета-распаде, переходя из одного совершенно определённого энергетического состояния в другое, столь же определённое, атомное ядро выстреливало электроны с самыми различными значениями энергии. Опять «не клеилось» с законом сохранения энергии и количества движения (разумеется, с учётом поправок, внесённых теорией относительности и квантовой механикой). Учёным опять пришлось призадуматься. Ревизовать закон? Или последовать примеру Леверье и Адамса? Было высказано предположение: вместе с бета-частицей из ядра вылетают неведомые дотоле частицы — нейтрино. Имеющие ничтожнейшую массу, не несущие заряда, они долгое время оставались невидимками. И лишь в 1962 году их удалось обнаружить экспериментально.
— Значит, поправки к законам Ньютона всё-таки возможны! — не преминет читатель поймать автора на слове. — Разве принцип сохранения материи, установленный Ломоносовым и Лавуазье, не пересмотрен в специальной теории относительности Эйнштейна? Ведь в ядерных превращениях материя, как считали раньше, «исчезает», переходя в излучение! Дабы свести концы с концами, Эйнштейну пришлось сформулировать новый закон, по которому должна сохраняться не просто материя, а сумма масс и энергий. А квантовая механика — разве она не отметает фундаментальных понятий ньютоновской физики, как, например, строгая определённость траекторий? А полупроводники, а лазеры — разве перед ними не капитулирует классическая физика?
Так, может, и Дэвис подметил какие-то парадоксы, обещающие стать вестниками новых открытий? Вдруг «расширенный вариант» второго закона, объясняя и предсказывая какие-то незнакомые явления, сохраняет силу для ранее известных?
Что ж, пусть выскажутся учёные. Они специалисты, им, как говорится, и карты в руки.
Доктор физико-математических наук Г. Ю. Джанелидзе, профессор Ленинградского политехнического института имени М. И. Калинина:
— Не обращая внимания на то, что одних законов Ньютона недостаточно для описания явлений в деформируемых телах (здесь необходимо привлекать теорию упругости и пластичности), Дэвис ставит вопрос: как изменить аксиомы механики, чтобы они описывали поведение протяжённых тел, а не материальных точек? Это приводит к тому, что сложная картина, характерная для деформаций, подменяется формальным введением поправки в закон, описывающий движение материальных точек. Автор ломился в открытую дверь, пытаясь в обход уравнений упругости учесть хорошо известный факт, что скорость распространения упругих волн конечна. Если, исходя из «четвёртого закона», решить задачу о падении материальной точки в пустоте или о колебании груза на пружине, нетрудно прийти к выводу, что предлагаемая Дэвисом формула неизбежно, вступает в противоречие с законом сохранения энергии и допускает возможность построить вечный двигатель.
Академик Б. Константинов:
— Позвольте, отпарируют «горячие головы», машина Дина никакой не вечный двигатель! Она расходует энергию электромотора или, скажем, ядерного реактора. Мол, чтобы объяснить «эффект Дина», достаточно лишь уточнить второй закон Ньютона, приняв во внимание скорость изменения ускорения. Правда, при этом нарушается закон сохранения количества движения (произведение массы на скорость), но ведь не энергии? И ньютоновская и эйнштейновская механика даёт на это один и тот же ответ: несохранение количества движения одновременно означает и несохранение энергии.
А как же с запаздыванием гравитационного взаимодействия? А не будут ли в определённых условиях излучаться гравитационные волны? Возможно, и будут. Но это вовсе не нарушит фундаментальные законы сохранения.
Столь грубый прибор, как аппарат Дина, не может претендовать на уточнение с его помощью законов механики. Даже при распространении ультразвуковых и гиперзвуковых волн, когда ускорения и скорости изменения ускорений в миллиарды раз больше, чем в машине Дина, ничто не подаёт ни малейшего намёка на неточность второго закона движения.
Что же касается гравитационных волн, то их невозможно пока обнаружить даже самыми тонкими сверхчувствительными инструментами…
Да, приходится согласиться с академиком Б. Константиновым: не так-то просто стало делать большую науку теперь, когда её корни крепко сидят в прошлом, а буйно разросшиеся молодые ветви пронизаны тесными внутренними связями.
И тем не менее наука топталась бы на месте, она превратилась бы в вероучение, создай люди культ непогрешимых истин, выведись в один прекрасный день скептики, не оставляющие без внимания ни одного загадочного феномена, умеющие тысячекратно проверять и перепроверять свои и чужие гипотезы.
«Ни одно явление природы не может считаться окончательно изученным, хотя в каждом конкретном случае существует разумный предел, когда дальнейшие уточнения неоправданны», — так считает кандидат технических наук Е. Александров. Именно ему в начале 1963 года председатель Комитета по делам изобретений и открытий Ю. Е. Максарёв вручил диплом на крупное открытие в области механики.
— В чём состоят поправки к законам Ньютона, сделанные вами? — донимали Евгения Всеволодовича.
— Такой вывод могли сделать лишь очень впечатлительные натуры, — отшучивался учёный. Но дотошные журналисты не унимались, и рассказать о своих работах по теории удара ему всё-таки пришлось.
Если в вакууме, ну, к примеру, на Луне, где нет атмосферы, на твёрдый ровный пол уронить твёрдый же шар, как вы думаете, сколько раз он подпрыгнет? Пять? Десять? Сто? Не гадайте: он должен скакать… вечно!
— Дудки! — скажете вы. — Нас на мякине не провести, мы законы физики ещё в школе учили. Вечный двигатель невозможен!
И всё же, если строго следовать взглядам Ньютона на природу твёрдого состояния, придётся всё-таки согласиться, хотя вывод, безусловно, абсурдный, Что попишешь, если Ньютон считал все твёрдые тела абсолютно жёсткими, ибо признавал мгновенность распространения в них сил и напряжений!
Конечно, великий английский учёный не мог не подметить этого противоречия. Как же он вышел из положения?
Ньютон, надо сказать, специально теорией удара не занимался. Наибольший вклад в неё внёс голландский учёный Христиан Гюйгенс. Однако не кто иной, как Ньютон, ввёл понятие «коэффициент восстановления».
Если шар, стержень или иной предмет (назовём его ударником) падает на жёсткую подставку, он подскочит на высоту не большую той, с которой свалился. Отношение скорости тела непосредственно после удара к его скорости непосредственно перед ударом и есть коэффициент восстановления скорости. Если скорость восстанавливается полностью, то, следуя Ньютону, удар называют вполне упругим, если частично — не вполне упругим, а если ударник вообще не отскакивает — вполне неупругим. При оценке коэффициента восстановления Ньютон допускал наличие упругих и пластических свойств, хотя это и было несовместимо с представлениями об абсолютной жёсткости твёрдых тел. Таким образом, здесь создатель классической механики вопреки себе пошёл на компромисс.
Однако Ньютон полагал, что коэффициент восстановления зависит только от свойств вещества, из которого изготовлены соударяющиеся предметы. Это положение господствовало в физике на протяжении столетий.
Возьмите современный справочник. Там вы найдёте таблицы коэффициентов восстановления для самых разнообразных материалов — от слоновой кости до мамонтового дерева. И всюду подчёркивается, что этот коэффициент не зависит от других характеристик, причём таких, которые присущи не материалу, а именно самому телу: формы, размеров, скорости. Только вот беда — табличные данные в разных справочниках разнятся на недопустимую величину! Например, для стали, этого важнейшего конструкционного материала современной техники, в одних учебниках вы встретите цифры 0,55, в других 0,996 — почти вдвое больше! Казалось бы, разница невелика — меньше чем вдвое. Но если подставить эти величины в расчётные формулы для случая, когда в каком-то механизме происходят всего три последовательных соударения, то расхождение в результатах вычисления окажется уже не двукратным, а восьмикратным. Между тем в реальных машинах количество соударений зачастую составляет многие десятки. Можно себе представить, сколь чудовищными ошибками чреваты подобные расхождения в табличных данных! Именно по этой причине, а совсем не по вине инженеров, ещё в стадии проектирования отвергались вполне дееспособные конструкции.
Когда в лаборатории удара и вибрации Института горного дела имени А. Скочинского приступили к тщательной экспериментальной проверке табличных данных, результаты оказались ошеломляющими. Для одного и того же материала при одной и той же скорости сближения получалась не строго определённая, а какая угодно величина — от 0 до 1, по всему возможному диапазону. Мало того, одни и те же значения коэффициента были найдены для самых несхожих материалов: стали и плексигласа, стали и эбонита, стали и дюралюминия. Весь фокус в том, что в опытах с одним и тем же материалом варьировались формы и массы тел, причём, а это важно, удары во всех случаях оставались практически упругими — не было потерь на пластические деформации.
Так мы пришли к выводам, говорит Е. Александров, которые находятся в разительном противоречии с представлениями классической механики о коэффициенте восстановления скорости.
Читатель знает, как в таких случаях поступают «горячие головы». Ура, Ньютон ошибся! Сутками напролёт опровергатель, раздувая ноздри, спеша и задыхаясь, скрипит пером. И вот в один прекрасный день на редакционный стол ложится рукопись. Объёмом — страниц эдак за две сотни, на машинке через один интервал. Заголовок: «Четвёртый закон движения» (или что-нибудь в том же роде).
Шутки шутками, а редактору хоть плачь. И вот идёт он, умудрённый горьким опытом, рыться в библиотеку, в патентное бюро, отрывает от дел консультантов. Легко сказать: четвёртый закон! Это тебе не «Четвёртый позвонок». И вдруг — что такое? Из энциклопедии (должно быть, Брокгауза и Ефрона) он узнаёт, что наряду с классической механикой Ньютона существует теория упругости, возраст которой превышает столетие. Она рассматривает и явление удара, причём некоторые мысли, высказанные около века назад, каким-то чудесным путём, в обход всех законов сохранения, передались автору гипотезы и фигурируют у него в качестве откровений. Тут уж до удара недалеко. До апоплексического. Без коэффициента восстановления вообще…
Впрочем, шутки в сторону.
В противоположность классической механике теория упругости считает, что реальные тела обладают не абсолютной, а вполне определённой конечной жёсткостью. Напряжения при ударе распространяются по реальным телам не с бесконечно большой, а с какой-то конечной скоростью. Следовательно, удар представляет собой процесс, протекающий во времени, а не мгновенный, как принимается в классической механике.
— Исходя из этих положений, ещё задолго до нас, — подчёркивает Александров, — исследователи ставили под сомнение неизменность коэффициента восстановления.
Первым скептиком был Сен-Венан. Это он нашёл, что процесс соударения вопреки ньютоновской механике не мгновенен, а протекает во времени. И что коэффициент восстановления не обязательно равен единице, если даже соударение вполне упругое.
А в начале нашего века А. Ляв, отталкиваясь от результатов Сен-Венана, пришёл к убеждению, что коэффициент восстановления не обязательно равен единице, если даже удар вполне упругий. Учёный вывел формулу: изменяясь, этот показатель всегда должен быть равен отношению длин соударяющихся тел. Увы, несмотря на поддержку со стороны некоторых учёных, идеи Сен-Венана не получили признания «как не подтверждающиеся экспериментом» (слова, взятые в кавычки, заимствованы из книги академика А. Н. Динника, изданной в 1952 году).
Вскоре после Сен-Венана другой исследователь, Сире, уже не теоретически, а экспериментально получил прыгающие коэффициенты для вполне упругого соударения: от 1 до 0,449. И записал: «Этот результат, несомненно, очень удивителен». Но очередная попытка исправить Ньютона оказалась чересчур робкой и не была доведена до конца.
Что же сделали советские учёные?
Прежде всего доказали, что нападки верноподданных классической механики на теорию Сен-Венана, мягко выражаясь, несправедливы. Заключения Сен-Венана верны, правда, лишь для случая, когда сталкиваются стержни равного и постоянного сечения. Поверхности контакта должны быть идеально плоскими и идеально параллельными. Добиться такой сверхпрецизионной точности на практике невозможно. Вот почему вывод Сен-Венана был забракован, хотя блюстителям неприкосновенности классических принципов следовало бы помнить, что закон инерции опытом тоже не подтверждается. Ибо на практике нельзя полностью исключить трение. И в реальном мире тела, предоставленные самим себе, не сохраняют «равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку» и так далее, по Ньютону.
Проверяя формулу Сен-Венана, Е. Александров одновременно и подтвердил и опроверг её. Если торцы у стержней плоские, она верна. Но чем более округлы соударяющиеся поверхности, тем шире расхождение. Правда, опыты, над стержнями с закруглёнными концами ставил и Сире. Но, во-первых, стержни у него были одинаковой и всюду равной толщины. Во-вторых, кривизна контактных поверхностей варьировалась в узком масштабе. Ограниченность экспериментальных данных удержала учёного от смелых обобщений. Если же условия опыта изменить ещё сильнее — скажем, сталкивая стержни различных диаметров, — то и те скромные выводы, на которых остановились Сен-Венан и Сире, окажутся совершенно неприемлемыми.
Бесспорной заслугой советского учёного следует признать существенную теоретическую поправку к классическим представлениям, безраздельно господствовавшим три столетия, несмотря на неоднократные попытки поколебать их. Была окончательно выяснена — как теоретически, так и экспериментально — физическая сущность поведения соударяющихся тел. Что же касается злополучного коэффициента восстановления скорости, то он, по словам самого автора, при упругом ударе зависит от формы соударяющихся тел и соотношения их масс.
Всего три строчки! А за ними многолетний и многотрудный путь к открытию. К открытию, которое заставит конструкторов пересмотреть привычные схемы расчёта. Где? Да почти везде. В любой области техники приходится иметь дело с явлениями удара. Железнодорожные рельсы. Заклёпки мостов. Прессы. Кузнечные агрегаты. Паровые молоты. Шаровые мельницы. Вибростенды. Даже цимбалы! А упомянутый Дэвисом эффект отбойного молотка, помогающий снаряду пробивать толстую броню? А катапультирование? А гусеницы, грохочущие по брусчатке праздничной Красной площади? Наконец, смешные прыгающие тягачи — прообраз будущих луномобилей…
В одной из лабораторий Института горного дела имени А. А. Скочинского хранится обычный на вид отбойный молоток. Но загляните в его послужной список — он отработал уже несколько сроков сверх нормы, положенной среднему молотку. Между тем главный ударный механизм этого удивительно долговечного инструмента сделан из дерева! Никто не поверит, но я собственными глазами видел рубильный молоток, ударник которого изготовлен не из металла, а из… резины. И работает ничуть не хуже, если не лучше. Впрочем, вместо резины можно взять и недорогую пластмассу. И это далеко не единственное воплощение идей Е. Александрова.
До последнего времени бурильные установки ударного действия рассчитывали по законам классической механики, руководствуясь ошибочным положением, будто для достижения наивысшего кпд ударник и бурильный инструмент должны иметь одинаковый вес. На самом деле работами Е. В. Александрова окончательно доказано — как теоретически, так и экспериментально: коэффициент передачи энергии не зависит от соотношения масс соударяющихся тел; он определяется целиком и только их формой. Варьируя форму бурильного инструмента и ударника, легко добиться, чтобы бурильные установки, в основу которых положен этот принцип, стали легче, проще по конструкции, удобнее в эксплуатации, эффективнее.
Не будем облачать открытие в мундир приоритетного тщеславия: закон Сен-Венана — Сирса — Александрова. Но, отбросив ложную скромность, порадуемся ещё одному успеху нашей науки — такое случается не каждый день. Речь идёт не о предерзостном посягательстве, на «богов», посягательстве, столь милом сердцу фрондёров от науки. Речь идёт о хорошей творческой радости, неспешно и трудно приходящей к учёному.
И, словно отвечая на вопрос «горячих голов», жаждущих малейшего повода потешить свою душу развенчанием авторитетов, Евгений Всеволодович Александров так оценивает свою работу: «Наши усилия свелись скорее всего к упорядочению существующих противоречий в трактовке коэффициента восстановления, а также к вскрытию его физической сущности. Ни о какой ревизии основных законов Ньютона здесь не может быть и речи. Если уж говорить о ревизии, то надо из всех справочников и учебников устранить ошибки в таблицах коэффициента восстановления».
Что к этому добавить? Сказать, что старушка механика открыла ещё не все сундуки с кладами? Что на изъезженном тракте тоже порой попадаются перегоны, не меряные верстовыми столбами науки? Едва ли удастся переубедить пылких поклонников ядерной физики, радиоэлектроники, квантовой радиофизики — нынче мода на них установилась непреходящая. Однако ж и пора механиков не миновала! Механиков земных и небесных, Кулибиных и Циолковских, искусных умельцев, безудержных фантазёров и одержимых.
Механика ждёт рождённых летать!

Tags: Владимир Леонов, двигатель Дина, досье Максима Калашникова, инновации
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 3 comments