5 марта 2017 г.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ. Указатель физических эффектов и явлений Ю.В.Горина.

VI. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
VI-1. Движение тел под действием сил тяготения.

Вокруг любого электрического заряда существует электрическое поле. Аналогично, любая масса является источником гравитационного поля. Через гравитационное поле осуществляется взаимодействие масс. Гравитационные силы - самые слабые из всех сил, известных, науке, тем, не менее, при наличии больших масс /например, Земли/ эти силы во многом предопределяют поведение физических систем.
Количественно гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения. Сила тяготения пропорциональна массе. Подчеркнем, что эта сила в точности пропорциональна массе; во всяком случае, все эксперименты, проведенные до сих пор, не противоречат этому положению.
Такая пропорциональность приводит к тому, что ускорение, приобретаемое в данной точке гравитационного доля различными телами, для всех тел одинаково/конечно, если на эти тела не действуют никакие другие силы - сопротивление воздуха и т.п./.
Если рассматривать движение тел под действием силы тяжести Земли, то на малых высотах /малых по сравнению с радиусом Земли/, где гравитационное поле можно считать почти одинаковыми во всех точках, это движение будет равноускоренным - т.е, ускорение будет постоянно по величине и направлению / 9,8м/сек2, к центру Земли/. Все отклонения от постоянства ускорения имеют те или иные конкретные причины - вращение Земли, ее несферичность, несимметричное распределение масс внутри Земли, сопротивление воздуха или иной среды, наличие электрических или магнитных полей и т.д.
Постоянство ускорения - это возможность измерять массы посредством измерения веса, это часы, датчик времени, - это бесплатные силы гравитации, точно калиброванные.
Примеры. А.с. 189597 Устройство для установления заданных промежутков времени, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений при записи сейсмограммы, оно выполнено в виде стержня с расположенным на нем грузом, замыкающим во время свободного падения контакты, соединенные с электродетонаторами.
А.с. 334200: Способ получения пористого гранулированного гравия из глин путем расплавления сырья с одновременным вспениванием его из обогреваемом перфорированном днище, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии, расплавленное сырье пропускают в виде капель через отверстия в днище с последующим перемешиванием их в свободном падении.
Если падение происходит в вязкой среде /воздухе, жидкости/, то рано или поздно силы тяготения уравновешиваются сопротивление и среды, и движение становится равномерные. Падение с постоянной скоростью - это тоже часы, только с линейной шкалой, это возможность изучать и измерять характеристики среды /вязкость, силы сопротивления./
VI-2. ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ.

Движение по окружности - один из частных случаев криволинейного движения. При любом криволинейном движении ускорение тела отлично от нуля /скорость - вектор!/; если есть ускорение, то, следовательно, есть и сила, отклоняющая тело от прямолинейного пути, по которому ему положено двигаться в соответствии с первым законом Ньютона. Фактически это есть сила взаимодействия между телами - вращающимся телом и удерживающем его на окружности. В свою очередь, вращающееся тело также воздействует на удерживающее. По третьему закону Ньютона эти силы равны по величине и противоположны по направлению в каждый момент времени. Иногда эти силы называют центростремительной и центробежными силами. Взаимодействие двух тел осуществляется через какие-либо связи - нитку, стержень, электрическое и гравитационное поля и т.д. В случае разрыва связей, соединяющих взаимодействующие части системы, оторвавшаяся часть будет двигаться прямолинейно /по инерции/.
При равномерном вращении ускорение вращающегося тела, постоянно по величине и направлено к центру вращения. Отметим, что при вращении ускорение /следовательно, и сила/, и кинетическая энергия пропорциональны квадрату угловой скорости.
Теория вращательного движения излагается в общеизвестных курсах механики, см., например, Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., «Механика», М. «Наука, 1965г., Мак-Милан В. Динамика твердого тела, М, 1951г, Жуковский Н.Е., Теоретическая механика»,1952г.
Отметим здесь одну особенность вращающихся систем. Вращающееся твердое тело обладает гироскопическим эффектом - способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения.
При силовом воздействии с целью изменить направление оси вращения возникает процессия гироскопических систем; угловая скорость прецессии образно пропорциональна собственной угловой скорости гироскопа. Гироскопы широко применяются в технике; они являются одним из основных элементов современных автоматизированных систем управления судами, самолетами, планетоходами, космическими кораблями.
Гироскопы - основные элементы систем инерциальной навигации, гироскопические устройства уменьшают качку судов, используются в прицелах танковых пушек, применяются в качестве стабилизаторов биноклей, кино - и фотоаппаратов, торпед, самопишущих приборов и т.д. Громадным гироскопом является Земля, гироскопический эффект причастен к тому, что заблудившийся человек описывает круги при своих блужданиях, гироскопический эффект, обусловленный суточным вращением Земли, ответственен за то, что в южном полушарии левшей значительно больше, чем в северном.
Применение гироскопов в технике все расширяется. Наряду с применением общеизвестных типов подвески гироскопов /в кардановом подвесе, поплавковый гироскоп, гироскопы с газовым подвесом/ в последнее время ведутся интенсивные исследования по подвески гироскопов в электрическом и магнитном полях, разрабатываются вибрационные, криогенные, гидродинамические гироскопы. Популярное изложение проявлений и использования гироскопического эффекта можно найти в книге В.А. Павлова «Гироскопический эффект», Л, 1972г. в ней же приведен достаточно полный список литературы.
Приведен ряд авторских свидетельств и патентов, иллюстрирующих использование особенностей вращательного движения в технике.
Примеры: Патент ФРГ № 1229253: Способ изготовления листочков или чешуек из стекла отличается тем, что стекло размягченное при нагревании, наносят на стенку в форме круга, имеющего по окружности закраины. Стенка для образования пленки из стекла приводится во вращение. Пленка размягченного стекла выбрасывается под действием центробежных сил. Затем пленки затвердевает на некотором расстоянии от вращающейся стенки и разбивается на листочки.
Патент Японии 44-25189: При изготовлении спиральной нити накаливания исходной металлический провод наматывается винтообразно на несущий провод, который перемещается в продольном направлении. За счет центробежной силы, возникающей при намотке, образуется свободная петля провода, вращающаяся при намотке и имеющая центр, совпадающей с центром несущего провода.
Центробежная сила создает необходимое натяжение наматываемого провода; величина натяжения регулируется числом оборотов
Патент ФРГ 1284911: Устройство для разделения пусковых материалов различной упругости путем отскока отдельных кусков материала, падающих на твердую или слегка упругую поверхность, отличается тем, что отражающей поверхностью служит вращающийся диск.
А.с. 282450: Способ изготовления изделий с параболической поверхностью, основанный на использовании вращения резервуара с жидкостью, отличающийся тем, что, с целью снижения стоимости и повышения точности параболической поверхности, в качестве формовочного элемента используют жидкость с большим удельный весом, на которую наносят жидкость с меньшим удельным весом, затвердевающую при вращении резервуара.
А.с. 283885: Способ деаэрации порошкообразных веществ путем уплотнения, отличающийся тем, что с целью интенсификации процесса, деаэрацию производят под воздействием центробежных сил.
А.с. 255640: Способ определения реологических характеристик полимерных материалов путем продавливания их при постоянной температуре через установленный в обогреваемой загрузочной камере плавающий капилляр, соединенный с измерительной системой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения входовых эффектов, эффектов разбухания и полидисперсности полимеров, капилляр подвергают вращению.
А.с. 2600874: Способ отделения нитей корда от резины, например, в каркасе изношенных покрышек, включающий выдержку покрышки в углеводородах, обработку ее высоконапорными струями жидкости, механическое расчесывание нитей и их обрезку, отличающийся тем, что с целью повышения производительности труда, обработку полупокрышки ведут в процессе ее вращения со скоростью, ослабляющей связь между частицами резины.
Патент США 3559667: В регуляторе выходное давление текучей среды регулируется путем слива части этой среды через сливное отверстие в соответствии с изменением центробежной силы, зависящее от скорости транспортного средства.
A.с. 184513: Спосo6 оценки коэффициента нефтегазонасыщенности пород путем центрифугирования насыщенных жидкостью образцов пород, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности замеров, образец подвергают воздействию одновременно центробежных и капиллярных сил, для чего образец помещают в центрифуге на тонкозернистой подушке-посадке.
Патент США 3587330: Система определения вертикали выдает электрические сигналы, пропорциональные синусам углов отклонения объекта от вертикали в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Система содержит вертикальный гироскоп, ротор которого установлен во внутреннем и наружном подвесах на опоре, жестко соединенной с объектом, изменяющим положение относительно вертикали. На опоре гироскопа закреплены два акселерометра. Акселерометры расположены так, что каждый из них является датчиком угла поворота объекта в одной из указанных плоскостей. Акселерометры связаны с установленными на осях подвесов датчиками и сервoycтройствами поворота так, что поддерживают ось вращения гироскопа в вертикальном положении. Выходные сигналы, пропорциональные синусам углов отклонения объекта от вертикали, создаются датчиками, установленными на осях подвесов гироскопа•
Патент США 3589019: Прибор предназначен для индикации положения самолета по углам крена и тангажа. Гировертикаль с двумя степенями свободы подвешена в раме или корпусе и связана с указателем положения, который перемещается относительно рамы и самолетной приборной панели таким же образом, как самолет перемещается по углам тангажа и крена относительно земли.
Усовершенствованный механизм, установленный между гироскопом и индикатором, передает информацию о положении как по углу тангажа, так и по углу крена по одному и тому же пути с целью сведения к минимуму числа подвижных деталей в приборе. Благодаря этому снижается трение и другие погрешности, которые влияют на точность и надежность индикации положения.

VI-3. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ.

Колебаниями называются процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые промежутки времени. По своему характеру колебания подразделяются на:
1. Свободные /или собственные/ колебания, совершаемые системами, предоставленными самим себе, около своего положения равновесия. Для возбуждения собственных колебаний требуется определенное количество энергии. Частота собственных колебаний определяется целиком свойствами самой системы /масса, характер упругих или квазиупругих сил/. Свободные колебания из-за непрерывного расхода энергии всегда являются затухающими. Скорость затухания определяется характеристиками среды, в которой происходят колебания /расход энергии на преодоление сопротивления среды/ и процессами поглощения энергии в самом колеблющемся теле. Так, например, свободные колебания железнодорожного вагона можно возбудить, уронив в него какой-нибудь груз; энергия падающего груза и составит начальную энергию свободных колебаний вагона. Частота этих колебаний определится упругими свойствами его рессор /амортизаторов/ и массой вагона; для данного вагона частота собственных колебаний будет зависеть только от массы вагона /конечно, суммарной массы вагона и груза/. Время затухания колебаний определяется сопротивлением воздуха /или воды, если вагон грузят, предварительно затопив его/ и поглощением энергии /нагревом/ в упругих элементах вагона /или в грузе - смотря по тому, что нагружено/.
2. Вынужденные колебания, совершаемые под действием внешней периодической/или почти периодической/ силы - например, колебания мембраны микрофона, барабанной перепонки уха, ударного элемента отбойных молотков, пластины магнитострикционного преобразователя ультразвуковых агрегатов. Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы.
3. Автоколебания - незатухающие колебания, возникающие в нелинейных системах, содержащих источники энергии. Классический пример автоколебательной системы - маятниковые часы.
Как правило, автоколебательные системы склонны к самовозбуждению.
4. Параметрические колебания. При параметрических колебаниях происходит периодическое изменение какого-либо параметра системы, эти изменения могут происходить как за счет внешних воздействий, так и за счет внутренних сил колеблющейся системы.
Подробнее о колебательных процессах: Стрелков С.П. «Введение в теорию колебаний», Вайнберг Д.В., Писаренко Г.С. «Механические колебания и их роль в технике», М. 1958г.
Существенно отметить, что особую роль в колебательных процессах играет явление резонанса - резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, наступающего при приближении частот собственных и вынужденных колебаний системы.
Нелишне отметить также, что не только параметры колебаний зависят от свойств тела и среды, но и эти свойства могут существенно изменяться под действием колебаний из-за периодически меняющихся ускорений - в особенности это относится к «рыхлым» структурам.
Одним из широко известных колебательных движений является звук - продольные колебания частичек среды, в которых распространяется звуковая волна. О звуке можно прочесть в книге Горелика Г.С. «Колебания и волны», 1950г.
Примеры А.с. 261760: Способ импедансной дефектоскопии двухслойных изделий, например, клеевых, заключающийся в том, что возбуждают акустические колебания в изделии, принимают их и определяют дефектность по параметрам принятого сигнала, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции дефектоскопа и повышения точности, возбуждают акустические колебания посредством скользящего перемещения искателя дефектоскопа по поверхности изделия с постоянной скоростью и прижимом и по параметрам принятых искателям акустических колебаний судят о качестве контролируемого изделия.
А.с. 267993: Способ определения сроков схватывания бетонной смеси по изменению колебаний натянутой струны, помещенной в исследуемую смесь, отличающийся тем, что, с целью автоматизации процесса определения, возбуждают в струне электромагнитные колебания и измеряют интервал времени от момента затвердевания смеси до момента самовозбуждения струны.
Патент США 3557899: Устройство и способ предназначены для разгона животных. С этой целью мозг животных подвергается действию раздражающих колебаний со спектром, лежащим в звуковом диапазоне частот, представляющем собой совокупность многочисленных колебаний, успокаивающих мозг животных. Раздражающие колебания действуют на мозг животного одновременно с успокаивающими колебаниями. При этом осуществляется модуляция раздражающих колебаний успокаивающими.
Патент США 3592051: Способ определения степени удлинения металлических лент на предназначенной для этого установке заключается в создании вынужденных колебании металлической полосы с целью генерирования колебаний в виде стоячих волн заданной длины и в измерении амплитуды колебаний этих сточных волн. Степень удлинения металлической полосы определяется по амплитуде и длине волны стоячих волн.
А.с. 279214: Способ измерения ускорении путам определения изменения анодного тока в газоразрядной трубке с плазменным шнуром, отличающийся тем, что с целью получения частотного выходного сигнала, в газоразрядной трубке создают неоднородное электрическое поле, вызывающее изменений частоты автоколебаний плазменного шнура при его смещении под действием ускорения относительно электродов, и по частоте колебаний судят о контролируемой величине.
А.с. 257064: Способ определения расовой принадлежности пчёл отличающийся тем, что с целью определений расы на живых пчелах, сокращения затрат времени и труда и получения белее точных данных, расовую принадлежность определяют по спектральной характеристике издаваемых пчелами звуков, которую сравнивают со стандартными спектрами, полученными на пчелах заведомо чистых рас.
А.с. 246725: Способ контактной точечной электросварки, при котором усилие сжатия электродов создают за счет инерции подвижных частей привода, отличающийся тем, что, с целью увеличения усилия сжатия электродов без повышения статических усилий, осуществляют продольную вибрацию электрода с инфразвуковой или звуковой частотой.
Патент США 3567604: В устройства для электромеханической обработки инструмент совершает резонансные колебания, которые в необходимой последовательности через торец инструмента и рабочую жидкость передаются обрабатываемой заготовке.
Патент США 3558339: Применяемую для проявления электрографического изображения щетку делают конусообразной и придают ей колебательные движения в плоскости, проходящей через ее ось. Тем самым осуществляют изменение степени взаимодействия между щеткой и проявляемой поверхностью.
А.с. 288383: Способ измерения натяжения движущейся магнитной ленты в лентопротяжных механизмах по частоте ее колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, регистрируют крутильные колебания ленты вокруг ее продольной оси, и по частотному спектру колебаний определяют среднюю величину натяжения ленты.
А.с. 246101: Способ измерения массового расхода жидкостей и газов путем сообщения колебаний участку трубопровода со средой, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения участку трубопровода сообщают периодические колебания и измеряют время затухания свободных колебаний участка трубопровода между двумя фиксированными уровнями колебаний, обратно пропорциональное количеству прошедшей за это время среды.
А.с. 321687: Способ определения количества сыпучего материала в емкости путем измерения степени ее опорожнения, отличающийся тем, что, с целью ускорения измерений и повышения их точности в свободном от контролируемого вещества пространстве емкости возбуждают акустический импульс и по параметрам возникающих свободных колебаний находящегося над поверхностью материала воздуха судят о количестве содержащегося в емкости материала. БИ-1973г. № 35.
А.с. 215419: Способ определения главных центральных осей и моментов инерции геометрической фигуры, имеющей сложные очертания, путей измерения периода колебаний пластинки, вырезанной из листового материала и подобной по форме заданной фигуре, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в пластинке просверливают три отверстия, не лежащие на одной прямой, протягивают через два из них нить, натягивают ее горизонтально и измеряют период колебаний пластинки, затем протягивают нить через вторую пару отверстий и также измеряют период колебаний пластинки, и по измеренным периодам колебаний подсчитывают значения осевых и центробежного моментов инерции относительно центральных осей инерции фигуры.
Патент США 3446666: Эластичный стержень с большим количеством выступающей из него щетины вводят в трубу для ее очистки. При помощи виброгенератора в нем создают резонансные стоячие волновые колебания. Образующаяся при этом звуковая энергия высокого уровня разрыхляет и удаляет загрязнение и накипь с поверхности.
Патент США 3579721: Патентуется способ образования капель практически одинакового размера из жидкости в устройство для его осуществления. Жидкость пропускают через перфорированную стенку и используют вибрацию для разделения жидкости на капли. Особенности метода в том, что жидкость вытекает из отверстий в виде ламинарных струй, осуществляется вибрация плиты при одной из ее резонансных частот; стационарная стенка периодических возмущений установлена в одной из ее центральных зон так, что она непрерывно находится поверх ламинарного потока., разделяет струи на однородные капли. Среди возможных применений этого способа упоминается изготовление гранулированных химических удобрений /чистого или смешанного с мочевиной нитрата аммония, нитрата кальция, комплексных удобрений и т.д./, но с тем же успехом этот способ может применяться во всех случаях, где нужно получить твердые гранулированные продукты диспергированием жидкости, или продукт, который можно отверждать охлаждением или высушиванием капель жидкости /как, например, при изготовлении дроби/.
А.с. 271051: Способ измерения массы вещества в резервуаре, например, жидкого, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности измерения, возбуждают механические резонансные колебания системы резервуар – вещество, измеряют их частоту, по величине которой - судят о массе вещества.
А.с. 119132: Вибрационный транспортер, выполненный в виде желоба или трубы с размещенными вдоль них с определенным шагом вибраторами, отличающийся тем, что, с целью уменьшения количества вибраторов, приводящих транспортер, часть из них заменена подпружиненными реактивными массами, настроенными резонансно со всей колеблющейся системой транспортера.
А.с. 30789б: Способ безопилочного резания древесины при помощи изменяющего свои геометрические размеры режущего инструмента, отличающийся тем, что, с целью снижения усилия внедрения инструмента в древесину, резание древесины осуществляют инструментом, частота пульсации которого близка к собственной частоте колебаний перерезаемой древесины.
А.с. 274276: Способ измерения давления, воспринимаемого индикатором в виде кварцевой пластинки, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности и надежности измерения, указанную пластинку приводят в резонансное колебание и по изменениям ее импеданса и декремента затухания судят о воспринятых ею давлениях.
Патент США 3467331: Способ разматывания ленты и устройство для его осуществления. Участок ленты, сматывающейся с подающего рулона, приводится в колебание, под действием которого преодолевается сила сцепления между витками ленты подающего рулона.
А.с. 347141: Колебательная система ультразвукового станка, выполненная в виде последовательно соединенных через фланец преобразователя и концентратора с инструментом, отличающийся тем, что, с целью повышения к.п.д. и долговечности системы, общая длина фланца и концентратора с инструментом кратка длине полуволны продольных упругих колебаний преобразователя на резонансной частоте.
А.с. 251092: Способ коммутации, например, в жидкостных контакторах с двумя или более неподвижными контактами, отличающийся тем, что, с целью повышения частоты коммутации, каплю электропроводной жидкости, заключенную в германизированный баллон с контактами, помещают в поле электромагнитного источника колебательной энергии и настраивают этот источник на частоту собственных колебаний жидкости. БИ-19б9, 27, 80.
А.с. 2798622: Устройство для откачки газов, паров из закрытой емкости, содержащее подключенный к откачиваемому объему и системы предварительного разрежения корпус, в который помещен подвижный элемент, обличающееся тем, что, с целью повышения эффективности откачки, подвижный элемент выполнен в виде диска, связанного с источником упругих колебаний, например магнитострикционным или пьезоэлектрическим преобразователями, для сообщения с помощью диска молекулам газа, пара импульса движения в направлении откачки. БИ-70-27-85.
А.с. 310718: Способ деформирования заготовки путем воздействия на нее соевым усилием, отличающийся тем, что, с целью уменьшения усилий деформации, заготовке сообщают сложное колебательное движение.
А.с. 301551: Способ измерения массы, включающий определение параметров колебаний, отличающийся тем, что, с целью точного измерения и исключения влияния внешних механических помех, например, при контроле массы рыбы, загружаемой в консервную банку на плавучем рыбоконсервном заводе, на измеряемую упруго подвешенную массу периодически воздействуют возмущающей силой с частотой, отличающейся от частоты помех, и по амплитуде вынужденных колебаний, возникающих при этом, судят о величине массы.
А.с. 264829: Способ возбуждения пьезоэлектрического излучателя путем подвода к нему перепада электрического напряжений, отличающейся тем, что, с целью повышения крутизны переднего фронта
ультразвукового сигнала через интервал времени, равный нечетному количеству полупериодов резонансных колебаний излучателя, повторно возбуждают ого высококачественным быстрозатухающим электрическим импульсом с отрицательным первым полупериодом, амплитуду которого устанавливают превышающей перепад напряжения, а длительность - равной полупериоду резонансных колебаний излучателя.
А.с. 275514: Способ определения химической стойкости пористого материала к воздействию агрессивных сред, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, образец подвергают воздействию механических колебаний, замеряют резонансную частоту его собственных колебаний, затем помещают в агрессивную среду и выдерживают необходимое время, зависящее от материала образца, после чего извлекают, промывают, сушат, снова подвергают воздействию механических колебаний с замером резонансной частоты собственных колебаний, и по изменению упругих свойств, например модуля упругости, вычисленного на основании замеренных величин резонансной частоты собственных колебании образца, определяют его химическую стойкость.
А.с. 348945: Способ определений содержания в яйце плотной и жидкой фракции, отличающийся тем, что, с целью сохранения целостности яйца и сокращения продолжительности проведения процесса, содержание плотной и жидкой фракций в яйца определяют по числу колебаний его содержимого путём воздействия на яйцо маятниковых колебаний до заданной амплитуды затухания и последующего пересчета полученного числа колебаний по предварительно построенной калибровочной кривой на содержание плотной и жидкой фракции яйца.

VI-4. УЛЬТРАЗВУК.

Ультразвук - продольные колебания в газах, жидкостях и твердых телах в диапазоне частот 15.103-1013 герц. Применение ультразвука связано, в основном, с двумя его характерными особенностями:
1. Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн очень чувствительно к строению среды, в том числе к деталям на молекулярном уровне. Отсутствие дифракции на неоднородностях даже очень малых размеров обуславливает лучевое распространение ультразвуковых волн с сопровождающими эффектами: отражениями, фокусировками, образованием теней.
2. Большая частота ультразвука позволяет сравнительно легко создавать ультразвуковые пучки с большой плотностью энергии.
Генерация и прием ультразвуковых колебаний могут быть осуществлены как чисто механическими способами, так и их сочетанием с электромагнитными /потоки газа и жидкости, собственные колебания систем, электрические генераторы и приемники о пьезо- и магнитострикционными преобразователями. См. также разделы настоящего сборника, посвященные пьезоэлектричеству, кавитации, магнитострикции/. Область возможных применений ультразвука обширна и разнообразна. - Измерение вязких и упругих констант материалов, регистрация изменения параметров, влияющих на скорость или поглощение ультразвука - плотности, температуры, давления, измерение расходов по скорости потока; прямое использование энергии ультразвуковых волн для обработки материалов.
Ультразвук имеет в настоящее время не менее сотни «профессий», их многочисленность вынуждает вместо их описания ограничиться приведением списка литературы и некоторых конкретных примеров.
Литература.
Л. Бергман. Ультразвук и его применение в технике. ИИЛ, 1957г.
О.И. Бабиков. Ультразвук и его применение в промышленности. Физматгиз, 1958г.
Ю.Я. Борисов, Л.О. Макаров. Ультразвук в технике настоящего и будущего. Изд. АН СССр, 1960г.
Л.Д. Розенберг. Ультразвуковое резание. Изд. АН СССР, 1962.
Л.Л. Мясников. Неслышимый звук. Изд. «Судостроение», 1967.
И.Г. Хорбенко. В мире неслышимых звуков. Изд.2. «Машиностроение», 1971г.
И.Баулин. За барьером слышимости. Изд. «Знание», М., 1971г.

Изучение литературы лучше всего начинать с книг Баулина И., и Борисова Ю.
Ультразвук принесен для определения изменений прочности бетона во время пропаривания /по изменению скорости распространения ультразвука/; в Англии выпущен телефонный аппарат для переговоров под водой на модулированной ультразвуковой волне (круговой обзор, расстояния до 900м/; там же разработана ультразвуковая мойка автомобилей /в потоке моющего раствора возбуждаются ультразвуковые колебания/, значительно сокращается время мойки; в ФРГ сконструирован портативный ультразвуковой прибор, улавливающий ультразвуковые колебания, производимые движением газа или жидкости, утекающими из микротечей; в Японии появились «невидимые занавески» из ультразвука, не пропускающие пыль в помещение.
Патент США 3554030. Описан расходомер, используемый для измерения и регистрации величины объёмного расхода крови. Измерения производятся при помощи ультразвукового преобразователя, который применяется как для изучения, так и приема ультразвуковых волн. Отраженные сигналы, принимаемые преобразователем, позволяют определить размер поперечного сечения кровеносного сосуда, а также скорость движения крови в сосуде. Измеренные параметры дают возможность получить расчетным путем величину объёмного расхода крови.
Патент США 3587297: В устройстве для точного измерения напряженного состояния одновременно излучаются два ультразвуковых колебания в изотропное поликристаллическое тело в направлении, перпендикулярном к направлению приложенного к телу поля механических напряжений. Одно из колебаний поляризовано направлению поля механических напряжений, так что увеличение напряжений вызывает уменьшение скорости ультразвуковых волн в тело. Другое колебание поляризовано перпендикулярно к полю механических напряжений, так что увеличение напряжений вызывает повышение скорости ультразвуковых волн в теле. Скорости волн обоих сигналов дифференциально сравниваются, что обеспечивает получение точной величины приложенных механических напряжений независимо от колебаний температуры.
Патент США 3585851: Аппарат, предназначенный для ультразвуковой дефектоскопии, содержит угловые зондирующие устройства. На подвижных направляющих стержнях зондирующих устройств смонтированы датчики, которые можно перемещать либо в каком-нибудь одном направлении либо во всех трех направлениях. Перемещение датчиков определяется по выходному сигналу потенциометру и регистрируется на ленточном графике вместе с сигналами, отраженными от датчиков. Расположение мест, в которых обнаружены дефекты, определяется по отношению напряжений, соответствующих расстоянию между датчиком и координатной осью и расстоянию, проходимому ультразвуковым лучом.
А.с. 120613: Устройство для автоматической очистки деталей, например, сеток радиоламп, посредством промывочной жидкости, включающее промывочную ванну, транспортер, укладочное и разгрузочное приспособления, отличающиеся тем, что с целью повышения качества очистки, в промывочной ванне установлены ультразвуковые излучатели с концентраторами ультразвуковой энергии, служащие для создания фонтанов промывочной жидкости, омывающих сетки, перемещаемые над промывочной ванной.
А.с.183374: Способ газовой сварки и резки, заключающийся в использовании тепла пламени горючей смеси, отличающийся тем, что с целью повышения производительности процесса, в газовую горючую смесь вводят ультразвуковые колебания, фокусируемые в зоне сварного шва или реза.
А.с.188740: Ультразвуковой способ контроля качества, биметаллических изделий, основанный на возбуждении в контролируемом изделии ультразвуковых волн и последующей регистрации сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и качества контроля, в плакирующем слое контролируемого изделия возбуждают ультразвуковые волны интерференционного типа при угле падения поперечных волн на границу слоев больше угла внутреннего отражения.
А.с. 204314: Способ равномерного распределения жидких сред на стекло стеклонити или стекловолокна, отличающийся тем, что с целью повышения качества, смоченные жидкой средой нити или волокна подвергают ультразвуковому колебанию.
А.с. 242414: Устройство для измерения периметров цилиндрических изделий, содержащее эталонное кольцо, охватывающее контролируемое изделие, измерительные органы, расположенные на внутренней поверхности кольца, и отсчетную систему, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, измерительные органы выполнены в виде ультразвуковых приемно-передающих головок.
А.с. 243290: Способ измерения переменных механических величин /вибрации, перемещений, давлений/ с использованием изменения проводимости полупроводникового элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения регистрируют изменения проводимости полупроводникового элемента, размещенного в центре симметрии полого тела из пьезоэлектрика, в котором возбуждены радиальные ультразвуковые колебания.
А.с.252746: Способ определения поперечной составляющей скорости турбулентных пульсаций в потоке, жидкости путем излучения в исследуемый поток ультразвуковых колебаний и измерения фазового сдвига принятых колебаний, отличающийся тем, что с целью повышения точности, ультразвуковое излучение направляют поперек исследуемого потока, фокусируют в контролируемой зоне и по мгновенному значению фазового сдвига между посылаемым и принимаемым колебаниями определяют поперечную составляющую скорости.
А.с. 254289: Способ нанесения металлических покрытий на абразивные материалы, например алмаза или боразон, осаждением из растворов, отличающийся тем, что с целью увеличения толщины и однородности покрытий, процесс осаждения осуществляют с наложением ультразвуковых колебаний частотой 400-3000 кГц.
А.с. 270015: Способ сдвига электронного резонанса /ЭПР/ образцов парамагнитных кристаллов в ЭПР- спектрометрах путем создания в образцах механических напряжений, отличающийся тем, что с целью упрощения осуществления сдвига, исследуемый образец подвергают воздействию ультразвуковых колебаний.
А.с. 272098: Способ обработки поверхности древесины путем нанесения грунтовочной массы с последующей сушкой, отличающийся тем, что с целью повышения качества отделки и совмещения в ней процесса сушки, загрунтованную поверхность обрабатывают ультразвуком с помощью ультразвукового магнитострикционного преобразователя.
А.с. 272285: Способ определения кривизны фронта кристаллизации ври вытягивании из расплава монокристаллов за затравку, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, по затравка к фронту кристаллизации направляют ультразвуковые импульсы частотой 30-70 МГц, измеряют амплитуду отраженных импульсов ж время прохождения импульсом расстояния от источника ультразвука до фронта кристаллизации, определяют скорость распространения ультразвуковых колебаний в монокристалле и находят величину кривизны в зависимости от расстояния от источника ультразвука до фронта кристаллизации и отношения измеренной амплитуды к максимальной амплитуде, соответствующей плоскому фронту кристаллизации.
А.с. 272286: Способ определения скорости движения фронта кристаллизации в процессе вытягивания монокристалла из расплаве на затравку, отличающийся тем, что, с целью определения отклонений скорости в процессе выращивания от среднего значения и определения скорости при выращивании монокристалла с изменяющимся по длине диаметру, по затравке к фронту кристаллизации направляют импульсные ультразвуковые колебания частотой 50-30 МГц, наблюдают отраженные импульсы на экране электроннолучевого индикатора и измеряют время прохождения отраженным импульсом участка развертки, протяженность которого пропорциональна скорости распространения ультразвуковых колебаний в монокристалле и периоду развертки.
А.с. 274453: Поляризационно-оптический способ определения внутренних напряжений в твердых телах путем просвечивания исследуемого тела поляризованными электромагнитными волнами с частотой, для которой испытуемое тело прозрачно, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в исследуемое тело излучают продольную ультразвуковую стоячую волну и определяют внутренние напряжения по степени искривления полое интерференции, соответствующих узлам и пучностям ультразвуковой стоячей волны.
А.с. 279137: Способ стабилизации упругого чувствительного элемента путем приложения к нему при определенной температуре, не превышающей максимальной рабочей, предварительной нагрузки, превышающей максимальную рабочую, отличающийся тем, что, с целью уменьшения трудоемкости процесса стабилизации и повышения качества упругого элемента, предварительно нагруженному упругому элементу сообщают ультразвуковые колебания интенсивностью, обеспечивающей нагрев упомянутого элемента до температуры, превышающей максимальную рабочую.
А.с. 279268: Способ ввинчивания шпильки в резьбовое отверстие с обеспечением натяга по среднему диаметру, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности соединения, при вращении в шпильке прикладывают ультразвуковые колебания.
А.с. 280029: Способ визуализации дефектов при дефектоскопии немагнитных объектов, основанный на нанесении электрически заряженных частиц на поверхность контролируемого немагнитного объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности визуализации дефектов при дефектоскопии объектов сложной формы, на них одновременно с нанесением электрически заряженных частиц воздействуют ультразвуком.
А.с. 288334: Способ контроля физико-химических параметров исследуемых сред, например, их агрегатного состояния, основанный на анализе ультразвуковых колебаний, прошедших через среду между излучателем и приемником, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измеряют полосу пропускания резонансной характеристики колебательного контура, образованного исследуемой средой и однолинейным активным ультразвуковым датчиком, и по ширине полосы пропускания определяют параметры наследуемой среды.
А.с. 312439: Вакуум-кристаллизатор с принудительной циркуляцией по авт.св.№ 178354, отличающийся тем, что, с целью получения в ней кристаллического продукта заданного гранулометрического состава высокой степени чистоты с узким спектром крупности, сепаратор в своей нижней части снабжен магнитострикционным преобразователем ультразвуковых колебаний.
А.с. 345210: Способ вакуумирования жидкого металла методом циркуляции его через вакуумную камеру, отличающийся тем, что, с целью повышения степени рафинирования и дегазации, струю металла во всасывающей трубе подвергают обработке ультразвуковыми колебаниями. БИ - 72-22.
A.с. 348612: Способ охлаждения фурмы для продувки металла, включающий подачу воды в соответствующий тракт фурмы в поверхности теплообмена, отличающийся тем, что, с целью предотвращения образований накипи на поверхности теплообмена, на нее воздействуют импульсами ультразвуковых колебаний с частотой повторения 10-100 в секунду. БИ – 25-72.
Просмотрев эту серию авторских свидетельств /они расположены в хронологическом порядке/, можно заметить тенденцию к применению ультразвука во все более филигранных работах - от прямого «долбания» ультразвуком /а.с. 120613/ до весьма тонкого способа управления с помощью ультразвука процессом кристаллизации.

VI - КАВИТАЦИЯ.

Кавитацией называется образование разрывов сплошности жидкости в результате местного понижения давления. Если понижение давления происходит вследствие возникновения больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической, а если вследствие появления акустических волн, то акустической.
Гидродинамическая кавитация возникает в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретают способность к неограниченному росту. После перехода в зону повышенного давления рост прекращается, и пузырьки начинают уменьшаться. Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достижении ими минимального радиуса они восстанавливаются и совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырек схлопывается полностью в первом цикле.
Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается «кавитационная зона», заполненная движущимися пузырьками. Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Если степень развития кавитаций такова, что возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от нескольких сотен герц до сотен кГц. Спектр расширяется в область низких частот по мере увеличения максимального радиуса пузырьков.
Если бы жидкость была идеально однородной, а поверхность твердого тела, с которым она граничит, идеально смачиваемой, то разрыв происходил бы при давлении значительно более низком, чем давление насыщенного пара жидкости, при котором жидкость становится нестабильной. Теоретическая прочность воды на разрыв равна 1500 кг/см2. Реальные жидкости менее прочны. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10°С, составляет -280 кг/см2. Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них газ называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твердого тела, твердых частиц, частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органическими оболочками, ионных образований, возникающих под действием космических лучей.
Увеличение скорости потока после начала кавитации влечет за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков, вслед за чем происходит их объединение в общую навигационную каверну и течение переходит в струйное.
Для плохо обтекаемых тел, обладающих острыми кромками, формирование струйного вида кавитации происходит очень быстро. Наличие кавитации неблагоприятно сказывается на работе гидравлических машин, турбин, насосов, судовых гребных винтов и заставляет принимать меры к избежанию кавитации. Если это оказывается невозможным то в некоторых случаях полезно усилить развитие кавитации, создать так называемый режим «суперкавитации», отличающийся струйным характером обтекания, и, применив специальное профилирование лопастей, обеспечить благоприятные условия работы механизмов.
Замыкание кавитационных пузырьков вблизи поверхности обтекаемого тела часто приводит к разрушению поверхности, так называемой кавитационной эрозии.
Акустическая кавитация - это образование и захлопывание полостей в жидкости под воздействием звука. Полости образуются в результате разрыва жидкости во время полупериодов растяжения кавитационных зародышей, а захлопываются во время полупериодов сжатия. Полости заполнены в основном насыщенным паром данной жидкости, поэтому процесс иногда называют паровой кавитацией, в отличие от газовой кавитации - интенсивных нелинейных колебаний газовых /обычно воздушных/ пузырьков в звуковом поле, существовавших в жидкости до включения звука. Если газовая кавитация может протекать с большей или меньшей интенсивностью при любых значениях амплитуды давления звуковой волны, то паровая лишь при достижении некоторого критического значения амплитуды давления, так называемого кавитационного порога.
Величина порога - от величины давления насыщенного вара жидкости до нескольких десятков и даже сотен атмосфер, в зависимости от содержания в жидкости зародышей. Экспериментально установлено, что величина порога зависит от многих факторов. Порог повышается с ростом гидростатического давления, после обжатия жидкости высоким /порядка 103 атм./ статическим давлением, при обезгаживании и охлаждении жидкости, с ростом частоты звука и с уменьшением продолжительности озвучивания. Порог выше для бегущей, чем для стоячей волны.
При захлопывании сферической полости давление в ней резко возрастает, как при взрыве, что приводит к излучению импульса сжатия. Давление при захлопывании особенно велико при кавитации на низких частотах в обезгаженной жидкости с малым давлением насыщенного пара. Если увеличить содержание газа в жидкости, то диффузия газа в полости усилится, захлопывание полостей станет неполным и подъем давления при захлопывании - небольшим. При содержании газа в жидкости выше 50% насыщения возникает кавитационное обезгаживание жидкости - образование и всплывание газовых пузырьков и вырождение паровой кавитации в газовую. Если образовавшиеся паровые пузырьки колеблются вблизи границы с твердым телом, около них возникают интенсивные микропотоки. Появление кавитации ограничивает дальнейшее повышение интенсивности звука, излучаемого в жидкость, и снижает волновое сопротивление жидкости, что влечет за собой снижение нагрузки на излучатель.
Акустическая кавитация вызывает ряд эффектов. Часть из них, например, разрушение и диспергирование твердых тел, эмульгирование жидкостей, очистка, обязаны своим происхождением ударам при схлопывании полостей и микропотокам вблизи пузырьков.
Другие эффекты /например, кавитация вызывает и ускоряет химические реакции/ связаны с ионизацией при образовании полостей. Благодаря этим эффектам акустическая кавитация находит всё более широкое применение для создания новых и совершенствования известных технологическое процессов. Большинство практических применений ультразвука основано на эффекте кавитации.

Литературу
Н.А.Рой. Возникновение и протекание ультразвуковой кавитации. Акустический журнал. 1957 г. №3, вып.1
А. с. 219860: Способ полярографического анализа на твердых электродах, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности измерений, на электрод с окружающим его электролитом воздействуют ультразвуковым полем с интенсивностью, превращающей порог кавитации.
А.с. Способ непрерывного измерения влажности движущихся твердых материалов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения, искусственно отделяют влажную среду от твердой, например, с помощью акустической кавитации, образуют восходящий столб тумана и измеряют плотность у одной из разделенных сред, по которой судят о влажности материала.
А.с. 260618: Способ удаления осадка с фильтрующих перегородок, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса удаления осадка, в зоне удаления осадка создают кавитационный поток с помощью пузырьков газа.
А.с. 268162: Способ размола волокнистых материалов внутреннего фибриллирования волокон, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса размола, повышения физико-механических свойств полуфабриката и снижения расхода энергии на размол, фибриллирование производят в гидродинамическом кавитационном поле при скорости потока 20-30 м/сек и давлении в системе 20-40 м.вод.ст.
А.с. 339612: Способ пропитки волокнистых материалов путем их смешения с растворами химических реагентов, отличающийся тем, что, с целью улучшения и ускорения пропитки, суспензию волокнистого материала в пропитывающем растворе подвергают обработке в гидродинамическом кавитационном поле.
В авторском свидетельстве № 200931 описывается установка, использующая в своей работе явление кавитации. Назначение установки - снятие заусенцев с деталей самой различной форы. Деталь помещается в жидкость под высоким давлением, насыщенную мельчайшими абразивными частицами. При возбуждении в жидкости интенсивной акустической кавитации заусенцы отделяются от деталей; вдобавок деталь очищается от стружки и масла не только на открытых поверхностях, но и в глухих резьбовых соединениях. /См. журнал «Вестник машиностроения», 1969г., № 12/.
Патент США 3554154: Поверхность шлюпки ниже ватерлинии покрыта короткой щетиной, которая отходит от шлюпки наружу и гасит кавитационные вихри, возникающие при движении шлюпки. Щетина может быть снабжена моющим веществом.

VI-6. ВОЛНОВОЕ ДВИЖЕНИЕ

Волна - это возмущение, распространяющееся с конечной скоростью в пространстве и несущее с собой энергию. Суть волнового движения состоит в переносе энергии без переноса вещества. Любое возмущение связано с каким-то направлением /вектор электрического поля в электромагнитной волне, направление колебаний частиц при звуковых волнах, градиент концентрации, градиент потенциала и т.д./; по взаимоположению вектора возмущения и вектора скорости волны, волны подразделяются на продольные и поперечные. В жидкостях и газах возможны только продольные волны, в твердых телах - и продольные, и поперечные. Электромагнитные волны являются поперечными.
Волна несет с собой и потенциальную, и кинетическую энергию. Скорости волн, т.е. скорость распространений возмущения, зависят как от вида волн, так и от характеристик среды. При наличии дисперсии волн понятие скорости волны становится неоднозначным; приходится различать фазовую скорость /скорость распространения определенной фазы волны/ и групповую скорость, являющуюся фактически скоростью переноса энергии.
При наличии каких-либо неоднородностей в среде имеют место явления преломления и отражения волн. Если возбуждаемые в среде бегущие волны отражаются от каких-либо границ /препятствий/, то при определенном сдвиге фаз в результате положения прямой и отраженной волны может возникнуть стоячая волна с характерным расположением максимумов и минимумов возмущения /узлов и пучностей/ при наличии стоячей волны переноса энергии через узлы нет, и в каждом участке между двумя узлами наблюдается лишь взаимопревращение кинетической и потенциальной энергии.
При взаимном перемещении источника и приемника волн возникает эффект Доплера, состоящий в изменении воспринимаемой частоты колебаний. Акустический эффект Доплера применяется для измерений скорости перемещения источника и приемника звуков как относительно друг друга, так и относительно среды /гидролокации, измерение скорости потоков и т.д./
Оптический эффект Доплера в соответствии с основным положением теории относительности и постоянстве скорости света возможно применить только для измерения скорости источника света относительно наблюдателя; например, по доплеровскому смещению спектральных линий были установлено разбегание Галактик. /см. А.Томилин «Занимательно о космологии», 1971г/.
На основе эффекта Доплера создан прибор для измерения скорости супертанкеров при швартовых операциях; естественно, длина волны использована малая /микроволновой сигнал/. Очевидно, подсобный прибор может быть использован и во многих других областях техники, например, в крановом хозяйстве, в технике подслушивании и т.д. /РЖ «Водный транспорт», 1970, № 28, стр.5/
Патент США 3564488: Патентуется прибор для измерения скорости движущихся объектов, например для измерения скорости движения тела по рельсам. По одному из рельсов посылаются ультразвуковые волны. В приборе имеется пьезоэлектрический преобразователь, который служит для обнаружения доплеровской частоты в отраженном сигнале, исходящем от точки, расположенной вблизи места контакта движущегося тела с рельсом. Частота Доплера используется для измерения скорости движущегося по рельсам объекта.
А.с. 337712: Способ определения модуля упругости бетона путем ультразвукового прозвучивания образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, фиксируют частоту ультразвуковых колебаний при возникновении стоячей волны и по ней судят о модуле упругости бетона.
А.с. Способ гомогенизации пластичных систем, например пластичных смазок, высоковязких красок, отличающийся тем, что, с целью непрерывности процесса и повышения его эффективности гомогенизацию осуществляют в акустическом поле, в состав спектра которою входят частоты собственных колебаний частиц гомогенизируемой системы.
А.с. Способ бесконтактного измерения уровня жидкости, основанный на однозначной зависимости собственной частоты от уровня жидкости, отличающийся тем, что, с целью измерения уровня в плоских открытых сосудах, измеряют частоту волнового движения на поверхности жидкости, по которой судят об уровне.
А.с. 3585964: Аппарат, генерирующий волны давления в жидкой или газовой среде, содержит систему из двух клапанов, включенных в циклический поток жидкости, находящейся под давлением, каждый клапан расположен у соответствующего конца канала, окружающего подвижный разделительный стержень. Размеры стержня таковы, что в любой момент один клапан открыт, при этом один из клапанов открывается при давлении меньше давления, необходимого для открывания второго клапана. От канала отходит ответвление к мембране, контактирующей со средой. Мембрана передает колебания давления, генерируемые в клапанной системе, на среду в виде волн давления.
Патент США 3555899 /применение эффекта Доплера/: Установка предназначена для ультразвукового измерения расхода жидкости в трубопроводе. Имеется устройство для создания двух траекторий распространения ультразвука между противоположными боковыми стенками трубопровода и устройство, которое направляет эти траектории таким образом, что они располагаются в плоскости, проходящей через две параллельные продольные прямые, и наклонены к обоим прямым под взаимно дополняющими углами. Установка имеет устройство, которое посылает ультразвуковые колебания в двух противоположных направлениях до каждой из двух траекторий. Ра сход определяется путем измерения скоростей распространения колебаний по направлению потока навстречу патоку и вычисления вредного значения разностей между указанными различными скоростями. Распространение ультразвуковых колебаний по одной траектории может быть обеспечено путем отражения ультразвуковых колебаний, идущих по другой траектории.
Патент США 3560971: Система наведения ракеты на цель содержит следящую станцию, определяющую скорость ракеты, в состав которой входит радиолокатор, излучающий сигналы на наводимую ракету. На ракете имеется устройство, реагирующее на каждый облучающий сигнал радиолокатора и выдающее ответный сигнал. Станция слежения принимает этот сигнал и выделяет из него информацию, характеризующую мгновенное значение дальности ракеты. Выделенные сигналы дальности дифференцируются для получения радиолокационной информации о скорости ракеты. На ракете размещается также доплеровский передатчик, в состав которого входит генератор. На следящем радиолокаторе принимаются сигналы доплеровского передатчика ракеты, и из них выделяется доплеровская информация о скорости ракеты. Радиолокационные и доплеровские данные о скорости проходят через сглаживающее устройство в течение равных заданных интервалов времени. Специальное устройство выделяет разность между сглаженными радиолокационными и доплеровскими данными скорости ракеты для получения сигналов ошибки по скорости, характеризующих сдвиг доплеровского генератора ракеты. Второе сглаживающее устройство у которого интервал сглаживания значительно короче, чем у первого, вырабатывает на основании доплеровской информации о скорости ракеты кратковременные выборки сглаженных данных о скорости. Эти выборочные данные объединяются с сигналом ошибки по скорости для получения уточненных значений скорости ракеты.

VI-7. ТРЕНИЕ.

В самом общем смысле трение представляет собой механическое: сопротивление, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Законченной теории трения в настоящее время не существует. Ввиду зависимости сил трения от многих, порой очень трудно учитываемых факторов, предпочитают пользоваться феноменологической теорией трения, описывающей в основном факты, а не их объяснения.
Различают трения качения и трение скольжения. Количественные характеристики трения устанавливаются экспериментально для каждой пары трущихся поверхностей; сила трения скольжения зависит от скорости перемещения /трение покоя и трения движения/, нагрузки, шероховатости поверхности, температуры, наличия смазки и т.д. Феноменологическая теория трения базируется, в основном, на представлении о том, что касание двух твердых тел имеет место лишь в отдельных пятнах, на которых действуют силы диффузии, химической связи, адгезии и проч. При скольжении каждое пятно касания /так называемая фрикционная связь/ существует ограниченное время. Сумма всех сил, действующих на пятнах касания, усредненная по времени и по поверхности, носит название силы трения. Продолжительность существования фрикционной связи определяет фактически такие важные величины, как износостойкость, температуру пограничного слоя, работу по преодолению сил трения. Характерно, что при трении наблюдаются значительные деформации поверхностного слоя, сопровождающиеся структурными превращениями, избирательной диффузией; учет всех этих процессов затруднен из-за их сильной зависимости от температуры. Температура на пятнах прилипания возрастает очень быстро и может достигать несколько сот градусов. Внедрение высокотемпературных и высокоскоростных режимов потребовало разработки качественно новых жидких и твердых смазок, создания самосмазывающихся материалов.
Обычно трение качения, при котором основная работа затрачивается на передеформирование материала при формировании валика перед катящимся телом, много меньше трения скольжения. Но - как только скорость качения достигает скорости распространения деформаций, трение качения резко возрастает. Нечто аналогичное имеет место при образовании скачка уплотнения в газах, если скорость движения тела в газе превосходит скорость звука. Фактически скорость звука - это скорость распространения деформации в воздухе. При больших скоростях потока /сверхзвуковые режимы/ приходится изменять геометрию тел, чтобы отодвинуть образование скачка уплотнения; при больших скоростях качения проще перейти к трению скольжения. Различные аспекты теории и практики трения изложены в книгах: Дерябин Б.В. «Что такое трение?» М, 1952г., Ахматов А.С. «Молекулярная физика граничного трения», 1963г., Крагельский И.В. «Трение и износ», М., 1962г.
История техники во многом является историей борьбы с трением или же историей борьбы за большое трение. Совершенствовались смазки, совершенствовались методы трибометрии /науки об измерении сил внешнего трения, см. у Крагельскогo/, развивались теории трения и смазок - но по-прежнему самыми надежными считаются результаты, полученные на стендах при испытании реальны трущихся пар.
Несколько примеров:
Трение покоя больше трения движения, и этот факт снижает чувствительность точных приборов. Заменить трение покоя трением движения - это значит уменьшить силу трения и как-то стабилизировать ее. Задачу можно решить, заставив трущиеся элементы совершать колебания. В патенте США 3239283 задача решается выполнением втулки подшипника из пьезоэлектрического материала и покрытием их электропроводящей фольгой. Пропуская переменный ток, под действием которого пьезоэлектрик вибрирует, ликвидируют трение покоя. /Сравните прием 28-переход от механической схемы к электрической/.
Работа по уменьшению трения ведется в самых различных направлениях. Группой ученых в СССР установлено, что при облучении потоком ускоренных атомов гелия поверхности полимерного тела, например, полиэтилена, трущегося в вакууме вместе с металлом, наблюдается переход от обычного трения к сверхнизкому /коэффициент трения-порядка одной тысячной/. Этот эффект сохраняется в широком диапазоне скоростей и удельных нагрузок. Значение этого открытия /зарегистрированного 24 октября 1972г. /трудно переоценить, особенно для космической техники, где вакуум - абсолютно бесплатная вещь. Необычайно низкое трение обусловлено тем, что под совместным действием облучения и трения в тех материалах, на которых наблюдается эффект, происходит «залечивание» микродефектов, и поверхность полимера становится почти идеально гладкой, что подтверждается измерениями по отражению света. Одним из реальных выигрышей является существенное уменьшение износа материалов при сухом трении.
А если совместить это открытие с открытием И.Крагельского и Д.Гаркунова?
Всегда и везде ранее принималось, что трение и износ - два неразрывно связанных явления. Однако в результате открытия И.Крагельского и Д.Гаркунова удалось разъединить это, хотя и традиционное, но невыгодное содружество. В их подшипнике трение осталось, износ исчез /ТМ, 1968, № 5/; за это исчезновение ответственен процесс атомарного переноса. Самый опасный вид износа - схватывание. В соответствии с принципом «обратить вред в пользу» схватывание входит как составная часть в атомарный перенос; далее оно компенсируется противоположным процессом. Рассмотрим пару сталь - бронза с глицериновой смазкой. Глицерин, протравливая поверхность бронзы, способствует покрытию ее рыхлым слоем чистой меди, атомы которой легко переносятся на стальную поверхность. Далее устанавливается динамическое равновесие - атомы меди летают туда и обратно, и износа практически нет, ибо медный порошок прочно удерживает глицерин, который, в свою очередь, защищает медь от кислорода. В авиации уже испытаны бронзовые амортизационные буксы в стальной стойке шасси самолета.
В заключение - несколько авторских свидетельств на полезные применения трения:
А.с. 350577: Способ получения отливок, заключающийся в пропускании металла через каналы, выполненные в теле оправки, отличающийся тем, что, с целью совмещения процессов плавки и заливки металла, оправку поджимают к металлической заготовке и вращают, расплавляя заготовку теплом, выделяющимся в процессе трения.
Патент США 3444611: Способ сварки трением. Способ соединения элемента из мягкой стали и чугунного элемента путем сварки трением предусматривает запекание металла стального элемента в поднутрение, выполненное в чугунном элементе.
Патент № 3343б355: Предлагается тормоз, принцип действия которого основан на физическом эффекте изменения силы трения между соприкасающимися полупроводниковым и металлическим материалом при их нагреве /эффект Джонсона - Рабека/. Тормоз представляет собой вал, покрытый полупроводниковым материалом и охваченный металлической лентой. Тормозной момент зависит от температуры полупроводникового слоя и регулируется путем пропускания электрического тока через вал и охватывающую его ленту.
Патент Англии 1118627: Предлагается устройство для передачи вращения между двумя валами /муфта крутящего момента/, работающее на основе применения эффекта Джонсона - Рабека. Муфта состоит из двух соприкасающихся дисков, один из которых выполнен из полупроводникового материала, а второй - металлический. Регулирование передаваемого момента происходит при нагреве соприкасающихся упомянутых материалов путем пропускания электрического тока между ними.