Текст книги "Техника твоими руками"

Автор книги: Флорентий Рабиза

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 8 страниц)

ТАЙНА ПРОЧНОСТИ

Существует увлекательная наука, изучающая сопротивление материалов.

Увлекательная она потому, что раскрывает перед изучающими ее тайну прочности домов, башен, мостов, железнодорожных линий, различных машин, грандиозных плотин, туннелей, арок, самолетов, кораблей, подводных лодок и многого другого – всего не перечислишь.

Конечно, эта наука применяется не во всех случаях жизни. Например, когда строят небольшой пешеходный мостик, вряд ли кто делает его точный расчет. Берут материалы – балки и настил, достаточно прочные «на глаз», способные выдержать тех нескольких человек, которые могут одновременно пройти по такому мостику.

Другое дело, когда строится железнодорожный мост. Здесь надо подсчитать все возможные нагрузки, учесть все силы, какие могут действовать на готовый мост, вплоть до бокового давления ветра.

Но не только при постройке грандиозных сооружений нужно делать расчеты на прочность. Хорошо ли было бы, например, если поднятый за ручку стеклянный кувшин, наполненный водой, вдруг оторвался от ручки и разбился на мелкие куски?

Значит, при изготовлении кувшина надо было задуматься: а какой же толщины сделать ему ручку, чтобы получилось прочно, красиво и чтобы материал лишний не потратить.

Наука о сопротивлении материалов изучает все виды изгибов, поломок, разрывов, то есть все виды деформации, которые могут произойти с различными материалами, изучает способы расчетов, не допускающих появления этих деформаций.

На простых опытах мы познакомимся с теми случаями, когда прочность недостаточна и материалы не выдерживают нагрузок.

Но, прежде чем приступить к опытам, познакомимся с тем, что такое прочность.

Прочностью различных строительных материалов и деталей машин называют их способность противостоять воздействующим на них силам. Эта способность зависит и от того, хрупкий или эластичный взят материал, и от того, какой он толщины, длины, формы.

Все сложные деформации, то есть изменения первоначальной формы и размеров различных деталей, можно свести к некоторым простейшим видам деформаций.

Проделаем несколько опытов, которые помогут нам познакомиться с этими деформациями.

Растяжение

Сила в этом случае действует на деталь наружу, стремясь растянуть и разорвать ее. Например, когда вы едете в трамвае и держитесь за подвешенную ручку, она испытывает растяжение.

Палочка из пластилина, изображающая в нашем опыте балку с круглым сечением, при растяжении начинает утончаться и затем в наиболее тонком месте разрывается.

Сжатие

При сжатии сила направлена внутрь тела. Она стремится сдавить, смять его. Кубик, сделанный из пластилина, не выдержав чрезмерной нагрузки, расплющивается.

Срезывание

Когда действуют силы, стремящиеся переместить в разные стороны соседние участки тела, происходит деформация, называемая срезыванием или скалыванием.

Соедините заклепкой из пластилина или хлебного мякиша две линейки или дощечки с одинаковыми круглыми отверстиями. Затем сдвиньте линейки в разные стороны, и вы увидите, что пластилиновая заклепка срезана в том месте, где линейки соприкасались друг с другом.

Поперечный изгиб

Эта деформация может возникнуть у так называемых балок – деталей, имеющих длину значительно большую, чем их сечение. Сила в этом случае действует перпендикулярно к продольной оси балки.

Спичка в наших опытах будет миниатюрной балкой. Укрепленная на двух опорах, она при нажатии на ее середину ломается в месте нажима.

Спичка, закрепленная у одного своего конца, под действием силы ломается в месте крепления.

Излом происходит всегда в том месте, где больше так называемый изгибающий момент – произведение силы на плечо (расстояние от точки приложения силы до места крепления балки).

Продольный изгиб

При продольном изгибе сила действует вдоль оси балки, как и при сжатии.

Эту деформацию можно проследить, например, нажимая на линейку, поставленную вертикально. Пока сила незначительна, линейка выдерживает сжатие, а затем теряет устойчивость, сразу выгибается и может сломаться.

Кручение

Валы во время работы и болты, когда затягивают на них гайки, испытывают скручивающее усилие. Силы, вращающие детали, стремятся повернуть одно поперечное сечение относительно другого в параллельной плоскости.

Зажмите один конец пластилинового валика и вращайте его за другой. Вы убедитесь, что частицы валика, стремясь передвинуться под действием вращающей силы, не выдерживают дальнейшего перенапряжения, отрываются друг от друга, и валик ломается.

Когда конструируют машины, всегда учитывают, как направлены силы, действующие на их отдельные детали. Высчитывают величину этих сил и берут детали таких размеров, чтобы они могли выдержать все приложенные к ним нагрузки.

МЕТАЛЛ «УСТАЕТ»

На первый взгляд кажется странным, как это металл может вдруг устать. Но на самом деле это слово очень метко выражает то, что происходит с некоторыми деталями машин. Они во время работы подвергаются либо быстрой смене сжатия и растяжения, либо быстрым изгибам в разные стороны.

Вам часто приходилось, не имея под рукой нужных инструментов, ломать проволоку или забитый наполовину гвоздь, быстро сгибая их то в одну, то в другую сторону.

Выражаясь техническим языком, вы подвергали проволоку или гвоздь знакопеременной нагрузке, если считать, что сгибание в одну сторону – это «плюс», а сгибание в другую сторону – «минус».

Частицы металла в месте, наиболее подвергающемся такой быстрой смене нагрузок, расходятся, образуются «усталостные трещины», и затем происходит полное разрушение – разрыв.

В месте излома даже невооруженным глазом хорошо видно, что поверхность неровная, зернистая, видны крупинки металла.

Конструкторы хорошо знают, что металл может «уставать», и при конструировании машин либо стараются избежать таких знакопеременных нагрузок, либо, когда избежать этого никак нельзя, делают детали повышенной прочности.

НЕПРОЧНОЕ СТАНОВИТСЯ ПРОЧНЫМ

Не всегда прочность зависит только от материала и его размеров.

Конечно, толстую палку труднее сломать, чем тонкую, но есть еще одна причина, влияющая на прочность, – это форма. От формы деталей или сооружений часто зависит их прочность.

Сейчас на опытах мы рассмотрим случаи, когда сами по себе непрочные материалы становятся очень прочными, если им придать нужную форму.

Вырежьте из писчей бумаги две полоски длиной 15 и шириной 3 сантиметра и положите их рядом на две книги, лежащие на расстоянии примерно 10 сантиметров друг от друга.

Середины бумажных полосок прогнутся от собственной тяжести. А уж о том, чтобы положить на них какой-нибудь груз, например коробку спичек, и говорить не приходится. Но стоит согнуть эти полоски по их длине пополам, как они сразу приобретут жесткость. Положите их рядом уголком вверх на те же книги. Теперь на них можно класть коробку спичек, и они почти не прогнутся.

Оказывается, прочность на изгиб зависит не только от самого материала, но и от формы, которую придали этому материалу.

Строя какое-либо сооружение, например мост, можно взять заведомо прочные стальные балки толщиной с бревно. Такие стальные «бревна», конечно, способны выдержать очень большие нагрузки. Но ведь это будет неразумная трата материала. И материал будет стоить дорого, и работать с такими массивными стальными балками трудно.

Поэтому творческая мысль конструкторов пошла по другому пути. Балкам стали придавать такую форму сечения, при которой они были бы и легкими и прочными.

Стальные балки в настоящее время изготовляют самых разнообразных сечений; или, как говорят, профилей. Существуют балки с сечением, имеющим форму уголка.

Строители их так и называют «уголки». Сечение тавровых балок похоже на букву «Т». У двутавровых балок сечение напоминает ту же букву «Т», но с дополнительной перекладиной внизу. Она в результате этого больше похожа на очень широкую букву «Н», но уж так повелось называть ее «двутавром». Существуют еще и другие виды профилей, и в зависимости от их сечения они применяются в тех или других случаях.

Из профильной стали строят каркасы заводов и домов, мосты, основания водонапорных башен, опоры для линий электропередач и т. п.

Да и в быту необходимо иметь легкие и прочные конструкции. Ну, возьмем, например, обыкновенный зонтик. У него прочные легкие спицы, удерживающие зонт в раскрытом виде. А посмотрите на их сечение, и вы увидите, что оно имеет U-образную форму. Этой форме спицы обязаны своей легкостью и прочностью.

Рассмотрим еще случаи, когда непрочное становится прочным.

Песок и бумага в своем обыкновенном виде очень непрочные материалы. Песок рассыпается, бумага рвется. Но если склеить из бумаги в два слоя цилиндр и насыпать в него сухой песок, то получится довольно крепкий столбик, способный выдержать значительное давление. Давление на песок распределяется равномерно по стенкам цилиндра. Этот принцип используется иногда и в строительстве.

Материал, из которого сделана коробка спичек, – хрупкая, тонкая деревянная пластинка. А в склеенном виде спичечная коробка способна выдержать большую нагрузку.

Поставьте вертикально четыре пустые спичечные коробки, оставив только их наружную часть. На них положите небольшую доску так, чтобы она своими углами опиралась на все стоящие коробки. На эту доску можно поставить четырехлетнего ребенка – подставка выдержит. Оказывается, спичечная коробка способна выдержать на себе нагрузку в две тысячи раз большую, чем ее собственный вес.

Узкая полоска бумаги, которая не может выдержать даже собственной тяжести, становится довольно прочной, если ее согнуть дугой и закрепить концы между книгами. Тогда на выпуклую часть бумажной арки можно даже положить несколько спичек. Нагрузка в основном передается в стороны вдоль самой бумажки, изгиб при этом заменяется сжатием ее волокон, а сжатие материалы выдерживают значительно легче.

Этим объясняется прочность полукруглых арок, прочность куриных яиц, радиоламп, телевизионных трубок. Экраны телевизионных трубок специально делают не плоскими, а выпуклыми, чтобы они легко противостояли действующему на них сильному атмосферному давлению. Ведь внутри телевизионные трубки, а также и радиолампы почти пустые, и если бы давление на стекло не распределялось благодаря выпуклостям в основном вдоль стекла, то они были бы раздавлены атмосферным давлением, как только бы из них выкачали воздух.

А теперь, когда вы убедились, что прочность зависит не только от материала, но и от формы, которая ему придается, вы можете из кусков бумаги, согнутых в виде уголка разных размеров, склеить легкие прочные модели мостов, подъемных кранов, башен и т. п.

При изготовлении подобных моделей обрезайте концы бумажных уголков так, чтобы отдельные куски можно было подогнать друг к другу. Чаще всего срезы нужно делать косые.

В качестве клея используйте расплавленный стеарин, набирая его из горящей свечи стеклянной капельницей (пипеткой), подогретой над пламенем. Стеарин, после того как вы его капнете в нужное место, моментально застывает, скрепляя детали модели.

Процесс изготовления моделей из бумаги напоминает увлекательную работу электросварщиков, создающих красивые, ажурные стальные конструкции на строительстве.

МОГУЧАЯ СИЛА СЛАБЫХ КОЛЕБАНИЙ

Бывали случаи, когда вновь установленные машины начинали вибрировать, вибрация все возрастала, превращалась в мощные колебания, приводившие к разрушению фундамента, на котором стояли эти машины.

Сейчас подобные происшествия исключены. Существуют специальные приборы для наблюдения за работой только что пущенной машины. Приборы зорко следят, нет ли вибрации, не угрожает ли она катастрофой.

Но не всякие колебания опасны. Опасны те колебания, которые приводят к так называемому резонансу.

В далеком прошлом известно много случаев разрушения мостов, зданий, фундаментов машин в результате резонанса.

Чтобы понять, от чего зависит резонанс, проделайте такой опыт.

Из нитки и хлебного мякиша или воска сделайте маятник. Начните его раскачивать легкими толчками пальца. Если вы будете эти толчки производить ритмично в такт колебаниям маятника, то его можно раскачать очень быстро. Нужно только, чтобы толчки совпадали с движениями маятника.

Еще один пример, когда легкими, слабыми толчками можно раскачать большой маятник, – это раскачивание качелей.

Но если мы хотим затормозить и остановить качели, то наши толчки надо делать невпопад с их движением. Тогда качели быстро затормозятся.

Для того чтобы два маятника настроить в резонанс, надо сделать их одинаковой величины.

Подвесьте к натянутой горизонтально веревочке два одинаковых маятника, сделанных, как и в предыдущем опыте, из ниток и шариков из хлебного мякиша или воска.

Качните один из маятников. Через несколько секунд начнет раскачиваться и другой, сначала слабо, а затем все сильнее и сильнее. Колебания от первого маятника через веревочную «перекладину» передаются второму, и он, будучи одинакового размера с первым, тоже начнет раскачиваться.

Но стоит сделать один маятник короче другого, условие резонанса нарушается, второй маятник будет «равнодушно» висеть и даже не сдвинется с места, сколько бы ни качался первый.

Вибрация, колебания – нежелательные явления в технике, когда они появляются непрошеными гостями. Если они не всегда приводят к быстрому разрушению сооружений и машин, то, действуя постепенно, все-таки значительно ускоряют их износ. Однако инженеры в настоящее время стали использовать вибрацию для некоторых видов работ, заставили ее приносить пользу.

Например, вибрация применяется для уплотнения еще не затвердевшего бетона, для транспортировки бетона самотеком по трубам, расположенным наклонно: без вибраторов бетон застревал бы в трубах.

Рассмотрим интересное применение вибрации при забивке в грунт свай и железных балок особой формы – шпунтов.

Раньше сваи и шпунты забивали в землю ударами мощных копров, или, как их называют, «баб».

Новый способ состоит в том, что небольшое специальное устройство заставляет вибрировать поставленную вертикально длинную шпунтину. Вибрация передается через нее грунту, и его частицы становятся настолько податливыми, что стальная балка постепенно погружается в землю уже под давлением собственного веса. Этот способ забивки шпунтов более дешев и производителен, чем какой-либо иной.

А теперь проделайте опыт, который покажет, что частички земли при вибрации становятся очень податливыми, похожими на частицы жидкости.

Положите на дно чашки шарик, сделанный из пробки. Диаметр шарика может быть 1–1,5 сантиметра. Затем насыпьте в чашку какую-нибудь крупу, например рис, и положите на ее поверхность металлический шарик (от шарикового подшипника) такого же примерно размера, что и пробковый шарик.

Быстро встряхивая чашку, заставляя ее вибрировать, наблюдайте, что произойдет с шариками.

Вы увидите через некоторое время, что металлический шарик погрузился в крупу, «утонул» и, как вы потом убедитесь, дошел до самого дна чашки. А пробковый шарик, наоборот, «всплыл» на поверхность крупы. Произошло то, что обычно происходит, когда мы имеем дело с жидкостью: более тяжелое тело утонуло, более легкое – всплыло.

ВРЕД И ПОЛЬЗА ТРЕНИЯ

Кажется, как хорошо было бы без трения! Не нужно было бы тратить огромные средства и энергию на преодоление этой вредной силы.

С трением ведется жестокая борьба, его стараются уничтожить всевозможными способами: конструкторы придумывают новые подшипники, новые способы смазки, химики создают новые сорта смазочных масел. На эту борьбу тратится очень много средств, но полностью уничтожить трение не удается.

И, несмотря на самую энергичную борьбу с трением, мы должны радоваться, что оно все-таки существует.

Трудно представить себе жизнь, если бы трение совсем отсутствовало.

Мы бы не смогли ни ходить, ни ездить. Автомобильные муфты сцепления, основанные на трении, пробуксовывали бы, тормоза перестали бы тормозить. Приводные ремни стали бы проскальзывать, детали разбегались бы при малейшем наклоне. Ничего нельзя было бы взять в руки. Короче говоря, при отсутствии трения появилось бы очень много неприятностей.

Как известно, трение делят на два вида: трение скольжения и трение качения.

Трение качения значительно меньше (при равных условиях) трения скольжения. Поэтому в технике стремятся трение скольжения заменить трением качения, заменить скользящие подшипники шариковыми Или роликовыми.

Проделаем два опыта, из которых будет ясна разница между этими видами трения.

Поставьте на стол утюг и, привязав к нему резинку, потяните за нее. Когда утюг сдвинется с места и начнет скользить по столу, измерьте длину растянутой резинки.

Затем положите под утюг несколько круглых карандашей. Теперь утюг сдвинуть с места будет гораздо легче, чем в предыдущем случае. Утюг легко покатится на карандашах, которые в данном случае являются роликовыми подшипниками.

Растяжение резинки будет значительно меньшим, потому что усилие на передвижение утюга, поставленного на карандаши-катки, будет небольшим.

Сравнив величины растяжения резинок, можно определить, во сколько раз в данном случае трение качения меньше трения скольжения. Но и в скользящих подшипниках трение скольжения частично заменяется трением качения. Мельчайшие частички масла, подобно шарикам, отделяют одну трущуюся поверхность от другой. И чем лучше обеспечивается смазка, тем меньше будет сила трения, тем меньшие усилия надо затратить на ее преодоление.

ВАЖНЕЙШИЙ ЗАКОН МЕХАНИКИ

С инерцией мы встречаемся на каждом шагу. Резко ли остановится автобус, и мы падаем на впереди стоящих; едем ли на велосипеде, перестав крутить педали; бросаем ли мяч – во всех этих и подобных им случаях проявляется инерция, то есть свойство тел сохранять величину и направление своей скорости.

А задумались ли вы, почему краны у водопровода и различного рода задвижки на трубах, по которым с большой скоростью передвигаются жидкости, устроены так, что они закрываются очень плавно, постепенно?

Это сделано неспроста.

Если резко преградить путь жидкости, движущейся по трубе, последует резкий гидравлический удар, в результате которого может не только сломаться кран, но и лопнуть труба.

Первый закон динамики, сформулированный великим английским ученым Ньютоном, гласит: «Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока приложенные силы не вызовут изменения этого состояния».

Проделаем опыты для иллюстрирования этого закона.

Известный в свое время жонглер М. Кара рассказывал, как ему приходилось не только на арене цирка, но и в жизни использовать умение выдергивать скатерть из-под посуды, находящейся на столе. В этом цирковом номере особенно эффектно используется первый закон Ньютона.

Подобный опыт легко проделать с монетой, лежащей на кусочке гладкого картона, положенного на стакан. Если щелкнуть пальцем по картону, он получит ускорение и слетит со стакана, а монета, еще не успевшая получить ускорение, упадет в стакан.

Когда мы выбиваем палкой пыль из ковра, мы придаем ускорение ковру, а пыль остается на месте. Получается так, что ковер выходит из пыли, а не пыль из ковра.

Палочка, положенная на две висящие бумажные петли, переломится от резкого удара посередине, а бумажные петли при этом не успеют разорваться, так как концы палочки не успели сдвинуться, остались на месте.

Подвесьте на нитке кружок от конфорки, а к нему привяжите снизу еще одну такую же нитку. Дерните ее резко и со всей силой. Оборвется нижняя нитка, а не верхняя, как следовало бы ожидать. Тяжелый чугунный кружок не успел сдвинуться с места. Если потянуть за нитку медленно, обрывается верхняя нитка.

Опустите в стакан с водой стеклянную трубку диаметром около сантиметра, заткнув пальцем верхний конец трубки. Сжатый воздух не позволит воде войти в трубку повыше. Резко отнимите палец – вода в трубке подскочит по инерции выше уровня в стакане, а затем опустится до того же уровня.

Инерция используется очень широко.

Мы разберем здесь несколько случаев ее применения.

Существует, например, прибор акселерометр. Он показывает, какая у самолета скорость, отмечает все его повороты. Когда самолет ускоряет свое движение или замедляет его, прибор отмечает и это. Действие его основано на инерции.

Акселерометр устроен довольно сложно, но мы с вами сделаем его упрощенную модель, чтобы понять принцип его работы. Наша модель будет показывать то ускорение, которое к ней может быть приложено.

Из четырех гладких дощечек сделайте небольшую рамку. Внутри ее на самодельных пружинках (их можно изготовить, навивая медную проволоку на какой-либо круглый стержень) подвесьте шарик или маленький цилиндр из дерева или металла. Наверху этого шарика или цилиндра укрепите стерженек против сделанной для него в рамке прорези. Вдоль прорези нанесите деления, например через 1 сантиметр.

Затем сделайте из полоски толстой бумаги два хомутика вокруг верхней стороны рамки, по обе стороны от торчащего стерженька. Хомутики должны легко передвигаться по дощечке.

Прибор готов.

Поставьте его на гладкий стол. Быстро двиньте рамку по столу вдоль оси пружин. Шарик с помощью укрепленного на нем стерженька сдвинет бумажный хомутик. Величина этого передвижения пропорциональна приложенному к прибору ускорению.

Настоящий акселерометр, как мы уже говорили, устроен значительно сложнее. Шарик в нем перемещается в разных плоскостях. При этом он воздействует на другие устройства, которые и дают пилоту нужные сведения.

Используется инерция и для подъема воды в водоподъемной установке «гидротаран». Принцип его работы ясен из такого опыта.

Возьмите длинную резиновую трубку в палец толщиной. Опустите один ее конец в ведро с водой, поставленное на возвышение, а на другом конце, отступя от края на 10–20 сантиметров, сделайте отверстие и вставьте в него короткую стеклянную трубочку (например, такую, какими пишут шрифты, или стеклянную трубочку от пипетки).

Засосите ртом воду, закрыв пальцем отверстие стеклянной трубки, чтобы вода потекла из ведра по принципу сифона. Быстро закрывайте и открывайте пальцем конец резиновой трубки. При этом из стеклянной трубочки вода будет бить фонтаном в несколько раз выше самой трубочки.

Вода, когда вы преграждаете ей путь, по инерции устремляется в отверстие в стеклянной трубке и вырывается наружу.