Творения рук человеческих (Естественная история машин) - [47]

То же самое явление происходит и со всеми вращающимися частями всех машин. Особенно ярко оно проявляется в паровой машине и в других машинах, основой которых служит кривошипно-ползунный механизм. Ведь даже если не рассматривать шатун, ось вращения кривошипа отстоит на значительном расстоянии от оси, проходящей через его центр тяжести. Значит, «биения» тут неизбежны, и поэтому вопросами уравновешивания паровых машин ученые и инженеры вынуждены были заняться вплотную, когда нежелательные помехи в связи с повышением скоростей значительно увеличились. А поскольку нет ни единой машины, в которой не было бы вращающихся частей, то, очевидно, уравновешивание вращающихся масс оставалось очень важной проблемой механики машин (впрочем, в некоторых машинах, например в центрифугах, научились использовать и свойство неуравновешенности вращающихся масс).

Обратим внимание еще на одно свойство машин. Оно было замечено еще в конце прошлого века, когда русский ученый Иван Васильевич Мещерский начал изучать механику переменных масс. Сперва это учение в основном применялось к движению ракет, хотя и сам Мещерский обращал внимание на некоторые его Применения к машинам. Как показали исследования советских ученых, в очень многих машинах оказалось необходимым учитывать изменения массы в процессе движения, поскольку в практике машиностроения встречаются механизмы со звеньями, имеющими переменную.

Кроме того, существуют механизмы с переменной массой, вибрационные механизмы, важнейшим движением которых являются колебания. С колебаниями ученые познакомились давно, их изучал еще Галилео Галилей. Христиан Гюйгенс изучал колебания применительно к часовому механизму, а Роберг Гук вообще считал, что все явления в мире сводятся к колебательным процессам.

Колебания как явление начали изучать в XVIII в. В сущности, если не учитывать колебания маятника, то первыми исследовались колебания струны. Затем перешли к расчету колебаний пружин, и уже в XIX в., когда вопросы прочности зданий и сооружений породили учение о сопротивлении материалов, начали изучать и колебания строительных деталей опять-таки с точки зрения их прочности. Физиками были изучены колебания в акустике, оптике, элекротехнике и, наконец, в радиотехнике. Все они в какой-то степени раньше или позже нашли свое место и в учении о машинах. Однако механические колебания деталей машин начали изучать значительно позже и сперва в связи с неуравновешенностью отдельных деталей и агрегатов, о которой речь была выше. Уже в начале XX в. было установлено, что колебания в машинах могут быть вредными как для людей, так и для самой машины, а кроме того, для сооружений, расположенных вблизи нее. Но тогда же заметили, что колебательные процессы можно также использовать для исполнения определенных технологических операций. На колебательном принципе строились «соломотрясы», «грохоты» и другие подобные машины.

Механические колебания могут быть свободными и вынужденными. Так, если раскачивать маятник сначала медленно, а затем все быстрее, то при возрастании числа толчков маятник начнет раскачиваться с возрастающей амплитудой, и при совпадении числа толчков с числом свободных колебаний маятника амплитуда достигнет максимума: случай совпадения периодов свободных и вынужденных колебаний называется резонансом. Если же маятнику передаются слишком быстрые колебания, то он практически остается в покое. Подобное явление наблюдается и в живом организме. Примером может служить напряжение руки человека, стремящегося сдвинуть слишком большой груз. При этом, несмотря на то что груз не сдвинулся, мускулы очень быстро начинают уставать вследствие того, что они выполняют работу внутри организма. Такая работа стимулируется очень быстрыми импульсами, и это действие сравнимо с явлением вынужденных колебаний.

Вибрации как вид движения, используемый в механизмах, нашли новое применение во второй половине нашего века. По мнению ученых, машины, основанные яа вибрационном принципе действия, определят развитие технологии будущего. Машины этого типа имеют характерные особенности: в их структуру обязательно вводятся упругие элементы для предотвращения последствий больших перегрузок.

Таким образом, машины могут работать в условиях различного рода динамических воздействий. По разным причинам — при неравномерной подаче рабочего тела, снижении или, наоборот, увеличении рабочей нагрузки — им приходится постоянно переходить из одного рабочего режима в другой, а это чревато тяжелыми последствиями. Поэтому вопрос о регулировании их работы ставился издавна и решался различным образом.

Существуют два рода причин, нарушающих равномерность движения машин: внутренне конструктивные и внешние, зависящие от неравномерности подачи рабочего тела и от изменения рабочей нагрузки. Для регулирования хода машин в первом случае обычно ставят маховики. Изображения маховиков можно найти в различных руководствах, вышедших еще два века назад. Пожалуй, первую справку о маховике опубликовал в 1810 г. французский инженер А. Гениво.Поего словам, «к вращающимся машинам добавляют одно или два очень тяжелых колеса (из литой стали), которые называются маховиками». Они служат для увеличения массы машины, что обеспечивает сохранение равномерности движения, когда действие двигателя или сопротивления прерывается и создает противодействие резкому изменению скорости, которое могло бы привести к поломке машины. Маховики устанавливаются на всех машинах, движение которых должно быть равномерным, а скорость — постоянной. В описании содержался совет рассчитывать маховики, умножая каждую элементарную массу на квадрат ее расстояния до оси, и придавать маховикам возможно большие размеры.