Возвращение чародея - Келлер Владимир Романович (бесплатные версии книг txt) 📗
У равномерного вращательного движения есть одна существенная особенность. Хотя оно и равномерно, все же оно ускоренное движение. Любой элемент вращающегося предмета (кроме центра), следуя закону инерции, стремится оторваться и двигаться дальше по прямой линии, в данном случае по касательной. Но он не отрывается, на него действует постоянно направленная к центру вращения особая, центростремительная сила. А там, где сила, — там, согласно второму закону Ньютона, и ускорение. Оно, как и сила, — вектор и «смотрит» туда же, куда вектор силы: в центр вращения. И всегда, в отличие от прямолинейного движения, вектор скорости здесь перпендикулярен вектору ускорения.
В этом случае действует и третий закон Ньютона — закон действия и противодействия. Он проявляет себя в том, что наряду с центростремительной силой есть равная ей по величине, но противоположно направленная центробежная сила.
Как замечательно работает вектор центробежной силы, можно показать на примере устройства, основанного на использовании в наиболее чистом виде вращательного движения, — центрифуги.
Центрифуга, применяемая для отделения сливок от молока, называется сепаратором. Вероятно, всем известен принцип этого устройства: центробежная сила больше для более тяжелых частиц, и так как разница в поведении между сравнительно легкими частицами (в данном случае сливок) и более тяжелыми (в данном случае молока) становится при больших скоростях вращения значительной, то молоко, прижимаясь к стенке барабана, быстро отделяется от сливок, собирающихся вдоль оси.
Сегодня применение центрифуг в различных областях техники значительно расширилось.
Их применяют как быстрые и эффективные сушильные устройства. В барабан закладывают ткани или растительные продукты, вода при вращении выбрасывается из их пор, а затем и из барабана через специальные отверстия в его стенках. Медики пользуются центрифугами, чтобы выделять из плазмы крови кровяные тельца или вирусы и микробы. Химики во вращающихся барабанах очищают от твердых примесей самые различные смеси.
В последние годы появились центрифуги, делающие тысячи оборотов в секунду. В них развиваются центробежные силы, в сотни тысяч раз превышающие силу тяжести. В таких центрифугах можно отделять даже более тяжелые частицы воздуха — молекулы кислорода — от более легких молекул водорода.
Созданы и работают ультрацентрифуги, висящие просто в воздухе. Их удерживает от падения магнитное поле. Отсутствие потерь на трение в подшипниках позволяет им развивать совершенно бешеные скорости. Так, ультрацентрифуги, приводимые в движение струей воздуха или газа, делают в секунду 20 тысяч оборотов.
По существу, все современные механические устройства и машины — прежде всего материализация, воплощение законов Ньютона. Если с точки зрения конструктивной в основе большинства из них лежат все те же шесть простых машин, что применялись древними три тысячи лет назад (человек и тогда видел правильно природу): рычаг, блок, ворот, наклонная плоскость, клин, винт, — то в смысле принципиальном современные устройства не что иное, как более умелое и тонкое пользование векторами.
Что значит «более умелое пользование векторами», можно пояснить на примере транспортных конструкций.
О каком бы виде транспорта мы ни говорили (железнодорожном, воздушном, водном и т. д.), мы ясно представляем, что основной, интересующий всех вектор в этом случае — вектор скорости. Кажется, так просто «в лоб» и надо стремиться «удлинять» его, то есть увеличивать быстроту движения: все более совершенствуя старые конструкции двигателей, выбирая лучшие виды топлива, высокопрочные и жароустойчивые материалы, повышая коэффициент полезного действия двигателей, снижая всяческие потери, и т. п.
До некоторых пор это и происходит. В железнодорожном транспорте, например, замена паровозов тепловозами и электровозами позволила значительно ускорить движение поездов. Курьерский поезд Ленинград — Москва (на электровозной тяге) может двигаться со скоростью до 160 км/час. В Японии с 1963 года на некоторых участках железнодорожного пути движутся суперэкспрессы, развивающие скорость свыше 240 км/час.
В авиации применение реактивных и турбореактивных двигателей вместо поршневых дало возможность увеличить скорость самолетов до тысячи и больше километров в час, в то же время увеличив их грузоподъемность.
Мощные двигатели внутреннего сгорания на морских судах, вытесняя паровые турбины, поднимают быстроходность судов. Особенно в этом смысле много сулят турбины внутреннего сгорания, иначе говоря, газовые турбины, опыты с которыми пока не закончены. Усовершенствование двигателей, конструкции корпусов судов и др. привело к тому, что теперь даже грузовые суда мчатся по морским просторам со скоростями до 20 узлов (то есть 37 км/час) — почти вдвое быстрее, чем было 30–40 лет назад.
Все идет хорошо, вектор скорости транспортных установок «удлиняется». Но наступает день, и конструкторы вдруг убеждаются, что они выжали из старых идей, по которым создавались самолеты, корабли и т. д., почти все. Нужны какие-то новые идеи, такие, о которых говорят, что они несут с собой научную или техническую революцию. Дальнейшее увеличение вектора скорости производится уже иным, революционным путем.
Возьмем, например, авиацию. Та скорость, с которой сейчас летают реактивные пассажирские самолеты, близка к скорости звука, то есть приближается к 1200 км/час. Чтобы воздушные корабли летали вдвое, втрое, вчетверо быстрее этой скорости, нужно решить ряд новых задач, которые не возникали раньше. Например, преодолеть очень быстро возрастающее давление воздуха перед самолетом. При скорости полета, вдвое превышающей скорость звука, давление воздуха может увеличиться в 7 раз против атмосферного, при трехкратной скорости звука — в 36 раз, при четырехкратной — в 150 раз. Еще немного, и самолет сожмет воздух до плотности воды (вода плотнее приземной атмосферы в 770 раз).
В СССР создан сверхзвуковой пассажирский воздушный лайнер «ТУ-144», крейсерская скорость которого составляет 2500 км/час. Его создателям — отцу и сыну Туполевым, Андрею Николаевичу и Алексею Андреевичу, — пришлось ввести в конструкцию самолета ряд новшеств. Например, «ТУ-144» не имеет хвостового оперения, а в полете опирается на единственное крыло-треугольник, форма которого меняется в зависимости от режима полета.
Решение задачи создания самолетов с еще более высокими скоростями подсказывает инженеру блестящую идею: превратить плохое в хорошее, заставить высокое давление воздуха не мешать полету, а работать на него. Так появляется проект двигателя будущего гиперзвукового (то есть летящего намного быстрее скорости звука) самолета в виде так называемого прямоточного воздушно-реактивного двигателя, или, как иногда говорят, «летающей топки». В нем нет компрессора, сжимающего воздух в двигателях современных турбореактивных самолетов (воздух сжат и так!), нет и турбины, не отделимой от компрессора.
Это в буквальном смысле слова революционное конструктивное решение, особенно интересное и тем, что оно отражает еще одну тенденцию технического прогресса: сперва все усложняется, затем резко упрощается.
Конечно, возможны и другие, не менее революционные решения. Конструкторы, задумываясь над самолетами будущего со скоростями, превышающими в 6–8 раз звуковую, заимствуют идеи из самой природы.
Механика полета птиц намекает им на возможность применения шероховатой поверхности крыла: это благоприятствует созданию воздушной подушки вокруг крыла и тем самым уменьшает трение в полете. Разрезное крыло самолета, подобно крылу птицы, должно увеличить подъемную силу. Применение машущих крыльев позволит уменьшить лобовое сопротивление самолета, так как крылья можно уменьшать в сечении, перпендикулярном потоку воздуха.
Приведу небольшой пример революционной идеи, осуществляемой сейчас в речном и морском флоте.
С некоторых пор на советских реках появились комфортабельные суда на подводных крыльях — «Ракета», «Метеор» и др. Подводные крылья позволили значительно увеличить подъемную силу судна (как происходит на самолетах) и выводить его на поверхность воды. Это резко снижает сопротивление воды и при том же тяговом усилии соответственно увеличивает скорость судна.
