Текст книги "Физика в технике"

Автор книги: Г. Покровский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 7 страниц)

Г. И. Покровский, Л. И. Слабкий
ФИЗИКА В ТЕХНИКЕ

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ

«Дальнейшие перспективы прогресса науки и техники определяются в настоящий период прежде всего достижениями ведущих отраслей естествознания. Высокий уровень развития математики, физики, химии, биологии – необходимое условие подъема и эффективности технических, медицинских, сельскохозяйственных и других наук».

Из Программы Коммунистической партии Советского Союза, принятой XXII съездом КПСС.

Значение техники в жизни человечества исключительно велико. Нельзя назвать ни одной области деятельности людей, где не применялись бы те или иные технические средства.

Чтобы понять, какую роль современная техника играет в жизни человека, рассмотрим некоторые ее характерные примеры.

На одно из первых мест следует поставить производство энергии, которое растет быстрее, чем машиностроение, производство продовольствия и предметов широкого потребления. Общее количество энергии, потребляемой человечеством, стремительно увеличивается.

Если взять отношение общей мощности всех источников энергии к количеству населяющих землю людей, то окажется, что, несмотря на увеличение численности населения земного шара, это отношение все же увеличивается и возрастает за среднее время жизни человека в несколько раз.

Огромное значение для технического прогресса имеет развитие научного познания объективных законов, опираясь на которые человек управляет многими явлениями природы, добиваясь определенных практических результатов.

Наука – это единая система знаний о природе, обществе и мышлении, об объективных законах их развития, исторически сложившаяся и непрерывно развивающаяся на основе общественной жизни человеческого общества. Эта система создается путем выявления простых и сложных, основных и общих законов природы, зная которые можно достаточно точно решать любую частную задачу.

Цель науки – открывать законы природы и развития общества. Прогресс науки – это все более глубокое и точное познание действительности.

Наука – это наиболее эффективный путь объединения коллективного творческого труда людей для достижения прогрессивных целей. Именно благодаря передовой, материалистической науке могут непрерывно и безгранично расти творческие коллективы и сохранять в себе все достижения предыдущих поколений.

Научные исследования, открытия, изобретения стали жизненно необходимы в современном обществе. Широкое их развитие – основа всех видов производства, а следовательно, и прогресса человечества.

Настоящий творческий труд может возникнуть и развиваться только в коллективе. Самые гениальные люди могут плодотворно работать и творить только тогда, когда они работают в коллективе и для коллектива.

Наука, техника, искусство, вообще любая область деятельности людей развиваются наиболее быстро и плодотворно тогда, когда переплетаются самые разнообразные пути исследования и творчества.

Космические ракеты, например, могли быть созданы только при комплексном использовании достижений энергетики, радиоэлектроники, автоматики, строительной механики, технологии материалов и многих других областей науки и техники.

Каждый день в газетах, журналах и книгах, по радио и телевидению сообщается о новых научных, культурных и технических достижениях, и мы, советские люди, живо откликаемся на все новое и прогрессивное, творчески его перерабатываем и применяем на практике.

Мы знаем, что широкая осведомленность в вопросах науки и техники помогает лучше выполнять свою собственную работу.

Иногда кажется, что в тех или иных условиях ничего нового создать нельзя. Это неверно. Дело не в характере работы, а в том, насколько человек любит труд, в его кругозоре, в стремлении принести обществу как можно больше пользы.

Полноценное использование для нужд человечества какого-либо нового физического явления, открытия или изобретения станет возможным лишь в том случае, когда будет ясна его физическая сущность и будут установлены основные закономерности, необходимые для проведения соответствующих научных или технических расчетов. Только при этом условии можно будет надежно решать те или иные практические задачи.

Но не всегда то или иное техническое достижение, то или иное научное открытие можно сразу применить на практике. Чаще бывает, что они, эти достижения и открытия, требуют еще большой доработки, тщательной проверки и точных расчетов. И даже тогда, когда уже все доработано, рассчитано и проверено, возникает вопрос, как все это сделать достоянием широких масс, быстрее пустить в производство и использовать для нужд общества.

Так, например, огнестрельное оружие почти не имело существенного военного значения, пока Галилеем и Ньютоном в конце XVII века не были открыты основные законы движения, после чего стали быстро развиваться артиллерия и другие виды вооружения.

Люди пытались летать очень давно. Уже в «Молении Даниила Заточника» (XIII век) рассказывается, что во время праздников молодые люди влезали на крыши храмов и слетали оттуда на искусно сделанных крыльях. Однако настоящей авиации из этого не получилось и не могло получиться. Даже в конце XIX века попытки построить самолет не завершились успехом. Многие выдающиеся ученые поплатились жизнью за попытки решить техническую проблему полета человека без глубокого теоретического анализа.

Только теоретические основы аэродинамики, разработанные Н. Е. Жуковским, стали тем фундаментом, на котором прочно обосновалась современная авиация.

То же самое можно сказать об электронике и радиотехнике. Опыты Герца с электромагнитными волнами предшествовали открытию радиосвязи А. С. Поповым, а широкое применение фотоэффекта в автоматике началось после исследования А. Г. Столетовым этого нового и интересного физического явления.

Подобных примеров можно привести очень много, и все они свидетельствуют о том, что без знания законов физики невозможно добиться значительных научных и технических достижений.

Но значение физики не исчерпывается этим. Физика дает нечто существенно более важное, чем понимание и практическое использование отдельных открытий и изобретений.

Дело в том, что основные закономерности физики представляют собой единую систему взаимосвязей, объединяющих материю в объективно существующую основу всего многообразия окружающего нас мира.

В. И. Ленин в работе «Материализм и эмпириокритицизм» указывал, что единство материи проявляется в сходстве тех математических формул, которые можно применить для выражения закономерностей, наблюдаемых в различных явлениях, с первого взгляда очень мало похожих одно на другое.

Вот это единство материи, познаваемое и выражаемое совокупностью основных законов физики, должен учитывать каждый человек, изучающий науку и технику. И только в этом случае можно сравнительно легко и быстро сопоставлять старое и новое и смело заглядывать вперед, предвидя громадные перспективы едва еще намеченных проблем.

Цель настоящей брошюры – показать на некоторых примерах, как развивались физика и техника, основные проблемы и задачи которых всегда имели и имеют глубокую взаимосвязь. Наличие такой взаимосвязи является непременным условием научного и технического прогресса.

РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ В XVII–XIX веках

Еще в глубокой древности ученые занимались наблюдением различных физических процессов и явлений. Так, Лукреций, Эпикур, Демокрит (VI в. до н. э. – II в. н. э.) высказывали идеи об атомистичности вещества; были открыты некоторые законы гидростатики (закон Архимеда), объяснен принцип работы рычага и некоторых других простейших механизмов.

Галилей положил начало экспериментальной физике, научно обосновал и сформулировал закон инерции, имеющий чрезвычайно важное значение в физике.

В 1687 г. Ньютон, который по праву считается одним из создателей механики, в своей работе «Математические начала натуральной философии» сформулировал один из основных законов механики о зависимости ускорения тела от его массы и действующей силы.

На основе законов Кеплера и закона всемирного тяготения, открытого Ньютоном, стало возможным заранее вычислять орбиты Луны и планет, т. е. появилась реальная научная база, на которой можно было строить небесную механику и прикладную астрономию.

Развитие мануфактурного и машинного производства потребовало решения множества задач, связанных с динамикой твердого тела, гидродинамикой и гидростатикой. В результате развитие техники привело к созданию основ гидродинамики – учения о движении жидкостей (закон Бернулли).

Широкое внедрение машинной техники во все отрасли производства стало возможным после изобретения паровой машины.

Работы Карно объяснили сущность взаимосвязи двух видов энергии – тепловой и механической. В результате были усовершенствованы паровые двигатели, которые в то время являлись основными механизмами, приводящими машины в действие.

Исследования Ломоносова и Лавуазье привели к систематическому изучению химических явлений на основе закона сохранения массы.

В первой половине XIX века были открыты электрический ток и электромагнитные явления. Эти открытия существенным образом изменили представление о веществе и положили начало электротехнике, радиофизике и радиоэлектронике, атомной физике и др.

Как нередко бывает в жизни, открытие какого-либо нового явления часто вызывает сомнения в возможности его практического использования. В самом деле, мог ли человек, видевший, как под действием слабого электрического тока вздрагивает лапка лягушки или под действием непонятных в то время причин отклоняется стрелка компаса, находящегося вблизи проводника, по которому протекает электрический ток, представить себе, каково будет практическое применение таких «незначительных» явлений? Конечно, нет.

Только в процессе развития науки и техники, порой через много лет после открытия, становится понятным значение того или иного явления. Кто бы мог подумать, что открытие Резерфордом особенностей при рассеянии потока а-частиц тончайшей золотой фольгой приведет к созданию атомной физики и квантовой механики, а открытие радио-активности – к овладению ядерной энергией?

Прогресс техники невозможен без прогресса науки точно так же, как и наука не может развиваться без развития техники. В этом состоит диалектическое единство науки, в частности физики, с одной стороны, и техники – с другой.

Мы кратко рассказали о ходе развития физической науки и техники. Сейчас разберем подробнее некоторые примеры, показывающие взаимосвязь физики и техники.

Термодинамика и паровые машины

Итак, развитие науки и техники в конце XVIII и начале XIX века привело к созданию паровой машины, что явилось началом промышленного переворота, т. е. привело к широкому применению машинной техники.

Развитие промышленности и транспорта требовало достаточно мощных и надежных двигателей. Таким двигателем и явилась паровая машина. Различные типы металлорежущих станков, паровой молот и другие машины были созданы в сравнительно короткое время. Для усовершенствования их была необходима теоретическая база. Таким образом, перед наукой встала задача – исследовать характер процессов, протекающих в тепловых (паровых) машинах. Эта задача привела к возникновению новой отрасли науки – термодинамики, целью которой явилось изучение тепловых процессов в машинах.

В 1824 году Карно ввел понятие «тепловые циклы», затем немецкий ученый Клаузиус и англичанин Томсон сформулировали второе начало термодинамики и исследовали вопрос о существовании абсолютного нуля температуры.

В конце XIX и начале XX, века американский физик Гиббс изложил так называемый статистический метод, легший в основу статистической физики,

Большая роль в развитии термодинамики принадлежит русским ученым. В 1887 году В. А, Михельсон и Б. Б. Голицын исследовали законы термодинамики излучения, которые в дальнейшем на основе работ немецких ученых Вина и Планка привели к созданию квантовой механики.

Д. И. Менделеев и А. Г. Столетов внесли большой вклад в изучение так называемых критических состояний вещества, при которых наблюдается переход вещества из одного агрегатного состояния в другое (например, воды – в лед, жидкости – в пар).

Что же представляет собой термодинамика?

Слово термодинамика произошло от греческих слов «термо» – тепло и «динамик» – сила, т. е. это наука о законах теплового движения, о процессах передачи тепла и превращения тепловой энергии в механическую.

Метод термодинамики заключается в том, что на основе общих законов (например, закона сохранения энергии) исследуются процессы передачи и превращения тепла безотносительно к конкретным конструкциям той или иной тепловой машины. При этом метод термодинамики не основывается на конкретных представлениях о структуре вещества.

Термодинамические законы являются выражением статистических закономерностей, которые имеют место в системах, состоящих из огромного числа хаотически движущихся частиц.

Для исследования характера процессов, протекающих при работе тепловых машин, обычно пользуются методом циклов Карно. Цикл Карно отображает процесс в идеальной тепловой машине при условии отсутствия потери энергии на трение.

Метод циклов предполагает, что при работе тепловой машины существуют следующие стадии:

1) расширение пара, температура которого остается постоянной в течение всего времени расширения; при этом непрерывно подводится тепло;

2) расширение пара без подвода или отвода тепла;

3) сжатие пара при непрерывном отводе тепла (температура при сжатии остается постоянной);

4) сжатие пара без подвода или отвода тепла (температура пара при этом изменяется).

_{Рис. 1. График зависимости объема V от давления P при работе теплового двигателя}

После завершения полного цикла работы тепловой машины система возвращается в свое исходное состояние, т. е. температура и давление пара принимают первоначальные значения. Работа, которую совершил при этом пар, может быть численно измерена площадью S, ограниченной кривыми a, b, с, d (рис. 1). При этом количество теплоты Q₁, которое было передано пару от внешнего источника тепла, всегда больше количества теплоты Q₂, переданной нагретым паром теплоприемнику (холодильнику) в процессе совершения рассмотренных четырех стадий. Разность Q₁ – Q₂ эквивалентна работе, совершенной паром, а коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины равен отношению этой работы к количеству тепла Q₁, т. е.

Для того чтобы пар совершал работу, необходимо наличие теплоотдатчика с высокой температурой и теплоприемника с более низкой температурой. При этом КПД тепловой машины не зависит от конструктивных особенностей и от свойств рабочего тела (пара), а определяется только температурой теплоотдатчика и теплоприемиика.

Цикл Карно не учитывает потерь энергии на трение, излучение и т. д. Однако такие потери всегда имеют место в реальных тепловых машинах. Поэтому КПД реальных машин всегда меньше значения, вычисленного по приведенной формуле.

Изучение термодинамических циклов позволило изыскивать верные пути в работе над усовершенствованием тепловых машин, над повышением их экономичности.

Развитие машинной техники и науки привело к созданию паровых двигателей различных типов. Некоторые из них применяют и сейчас на железнодорожном и водном транспорте. Но на смену им уже приходят новые типы двигателей – паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, а также реактивные и ракетные двигатели, создание и усовершенствование которых шло и идет в ногу с развитием физической науки.

Гидромеханика и судостроение

К началу XIX в. парусные суда уже не могли обеспечивать перевозку грузов в количестве, необходимом для удовлетворения потребностей промышленности, так как использование ветра в качестве движущей силы не позволяло достигать высоких скоростей при большом водоизмещении судна.

С использованием паровых машин в качестве двигателей значительно возросли скорость и водоизмещение судов. Так, если скорость лучших парусных судов XVIII в. составляла 20–25 км/час, а водоизмещение 3–5 тыс. т, то пароходы XIX в. с гребными винтами имели скорость до 40 км/час при водоизмещении 8—10 тыс. т. Первые пароходы передвигались с помощью гребных колес и лишь впоследствии колесо заменили гребным винтом.

Увеличение скорости движения судов, а также замена гребных колес на гребные винты тесно связаны с разработкой теории о движении тел различной формы в жидкости и о силах, действующих при этом движении.

Всеми этими вопросами занимается гидромеханика – наука о законах движения жидкости и взаимодействия ее с твердыми телами.

Начало развития гидромеханики было положено еще Леонардо да (Винчи, Галилеем и Ньютоном, но их исследования в этой области носили лишь описательный характер и не всегда точно отражали сущность тех или иных явлений. Так, Ньютон, впервые сформулировав закон о пропорциональности силы сопротивления телу, движущемуся в жидкости, скорости движения этого тела, считал, что такое сопротивление обусловлено исключительно ударами частиц о носовую часть тела. В действительности же, как это было выяснено в дальнейшем петербургским академиком Эйлером и известным математиком Д. Бернулли, сопротивление при движении тела в жидкости зависит от вязкости последней и от возникновения вихрей, на образование которых Затрачивается значительная энергия. При этом существенную роль играет величина поперечного сечения тела, движущегося в жидкости или газе: чем больше это сечение, тем больше и сила сопротивления движению. Бернулли была исследована задача о протекании жидкости по трубе с переменным сечением с учетом силы тяжести. При этом выявилась интересная и важная закономерность: давление в жидкости тем меньше, чем больше скорость ее течения (рис. 2).

_{Рис. 2. При течении жидкости по трубе переменного сечения наименьшее давление будет в наиболее узкой части трубы}

Почему так происходит? В чем причина такого, на первый взгляд, парадоксального явления?

Рассмотрим уравнение Бернулли, которое в упрощенном виде можно записать так:

Здесь Р – давление, ρ – плотность жидкости, v – скорость. Обозначение const указывает, что это некоторая постоянная величина («константа»).

Для того чтобы сумма этих двух слагаемых оставалась постоянной, необходимо, чтобы при уменьшении (или увеличении) одного из этих слагаемых другое слагаемое увеличивалось (или уменьшалось) на такую же величину.

Поскольку плотность жидкости – величина постоянная (жидкость почти несжимаема), то увеличение скорости ее течения должно уменьшать давление, и наоборот. Уравнение Бернулли выведено с помощью высшей математики; оно основывается на законе непрерывности течения и законе сохранения массы.

Эффект уменьшения давления в жидкости при увеличении скорости течения можно наблюдать, если в струю воды, направленную вверх, поместить легкий пробковый шарик. Такой шарик будет все время «стараться» находиться ближе к центру струи, где скорость ее течения максимальна, за счет давления со стороны более медленно движущихся слоев воды на границе струя – воздух.

_{Рис. 3. При движений двух судов вблизи друг друга они притягиваются}

Такой ка первый взгляд «безобидный» эффект может привести к далеко не столь безобидным результатам. Известны случаи, когда два судна, движущиеся параллельным курсом на небольшом расстоянии друг от друга, сталкивались между собой вследствие того, что скорость потока воды между ними оказывалась больше скорости потока вне их. Такое увеличение скорости движения жидкости между судами объясняется тем, что «ворота» между кораблями, в которые должна пройти вода, сужаются и поэтому нужна большая скорость, чтобы всей массе воды пройти сквозь более узкие «ворота» (рис. 3).

Используя уравнение Бернулли, Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин и другие ученые создали теорию подъемной силы крыла самолета.

Запросы техники, которая стала особенно стремительно развиваться в начале XIX.в., привели к созданию новых отраслей гидромеханики, и в частности гидромеханики вязкой жидкости, теории так называемого пограничного слоя, который образуется перед носовой частью тела, движущегося в жидкости или газе. В дальнейшем теория пограничного слоя получила применение в расчетах, связанных с движением сверхзвуковых самолетов и баллистических ракет, а также при расчетах новых форм корпусов кораблей, формы лопаток газовых и водяных турбин и т. д.

Применяя законы гидромеханики и гидродинамики, в наши дни созданы совершенные по своим ходовым качествам скоростные суда на подводных крыльях, которые могут развивать скорость 80–90 км/час и выше. Это далеко не все примеры применения гидромеханики.

Развитие науки и техники всегда идет вместе, и эта органическая связь между ними как раз и обусловливает тот научный и технический прогресс и достижения, свидетелями которых мы сейчас являемся.