Текст книги "Физика в технике"

Автор книги: Г. Покровский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 7 страниц)

Прочность материалов и конструкций

В атомах и молекулах в нормальном их состоянии содержится равное число электронов (в электронных оболочках) и протонов (в атомных ядрах). Поэтому электрические силы действуют только внутри атомов и молекул. На достаточно больших расстояниях от молекул электрические силы электронов и протонов компенсируются и не производят заметного действия. Однако если молекулы подходят близко друг к другу, то они могут отталкиваться или притягиваться в зависимости от своего строения и взаимного положения. Чем плотнее вещество, тем заметнее силы взаимодействия. Наличием этих сил объясняется способность капель жидкости висеть на проводах и различных выступах, не падая вниз под действием силы тяжести.

Эти силы, притягивают жидкости к твердым телам, давая возможность воде насыщать грунты, цемент, бетон, позволяя краске прилипать к окрашиваемой поверхности, влаге почвы подниматься по стволам растений к листьям и плодам.

Точно так же прочность твердых тел, столь важная в технике, обусловлена молекулярными силами, связывающими в единое твердое тело все образующие его молекулы или атомы.

Наиболее ярко свойства твердых тел выражены в кристаллах. Кристаллы – это такие твердые частицы тела, которые в процессе образования, например при охлаждении расплавленного вещества, принимают правильные геометрические формы. Это обусловлено появлением определенного порядка в расположении частиц, образующих твердое тело. Так, в некоторых кристаллах атомы вещества (располагаются определенным образом: именно так, чтобы взаимное притяжение было бы наибольшим (рис. 27, а). Кристаллы очень прочны.

При образовании алмаза из углерода атомы углерода, входящие в кристалл, очень прочно связываются друг с другом. Действительно, алмаз является очень твердым и очень прочным телом и поэтому широко применяется в технике как материал для резания и сверления прочных и твердых тел. Графит представляет собой несколько другое соединение атомов углерода и обладает значительно меньшей прочностью (рис. 27, б).

Многие тела, в частности металлы, состоят из большого количества очень мелких кристаллов, беспорядочно соединенных друг с другом. Это так называемые микрокристаллические тела. Различные виды обработки металлов (отжиг, закалка, ковка, прокат, штамповка, волочение и т. д.) сильно влияют на размеры и взаимное расположение кристаллов, образующих металл.

_{Рис. 27. Расположение атомов в кристалле.}

_{а – алмаза; б – графита}

Детальное исследование строения кристаллов металла и их взаимного расположения чрезвычайно важно для того, чтобы понять условия, при которых металлы и их сплавы обладают наибольшей механической прочностью, наиболее стойки в химическом отношении и могут выдерживать наибольший нагрев. Иногда сравнительно ничтожные добавки к металлу различных веществ могут заметно изменить его свойства. Это видно хотя бы!на примере нержавеющей стали.

Исследования показывают, что сами кристаллы обладают очень большой прочностью, превышающей практическую прочность соответствующих материалов в десятки раз. Это объясняется тем, что во всяком твердом теле имеются различные не видимые глазом, но очень существенные дефекты в структуре: трещины, пустоты, сильно снижающие прочность.

Чтобы наглядно представить себе это, надо взять лист бумаги и, растягивая его руками, попробовать разорвать. Для этого потребуется некоторое усилие. Если затем сделать на краю листа небольшой надрыв или прорезь, то разорвать лист после этого значительно легче, потому что разрыв произойдет путем разрастания того надрыва или разреза, какой был сделан.

Чтобы по возможности избежать влияния подобных дефектов и увеличить прочность металлов, поверхность их специально обрабатывают и по возможности уменьшают толщину. Тонкие металлические струны, сплетенные в толстый канат, намного прочнее, чем массивный стержень того же веса и из того же материала.

Это свойство металлов учитывают при строительстве крупных инженерных сооружений. Например, на канатах из тонких стальных тросов можно подвешивать огромные мосты, имеющие пролет более одного километра.

В настоящее время быстро развивается производство искусственных химических материалов; на основе соответствующих теоретических расчетов изменяют структурные формулы молекул и изготовляют очень прочные и вместе с тем очень тонкие пленки и нити. Такие пленки и нити все шире внедряются в практику.

Ученые работают над созданием тонкопленочных надуваемых воздухом лодок, планеров и даже самолетов.

Созданы тонкопленочные надувные здания, ангары, башни для радиотехнических целей и другие сооружения.

Широко применяются также пористые вещества из синтетического материала. Они обладают высокими теплоизоляционными свойствами, устраняют вибрации и в десятки раз легче дерева.

Перед инженерами, проектирующими материалы ближайшего будущего, стоит интереснейшая задача – сочетать сознательно рассчитанную и построенную конструкцию молекул с микроскопической структурой твердого вещества. Необходимо, чтобы молекулы вещества, предназначенного для той или иной цели, были построены не менее обоснованно и тщательно, чем, например, детали самолета или космической ракеты.

При строительстве различных сооружений нередко бывает необходимо перейти от малогабаритного сооружения к сооружению такого же типа, но более крупных размеров. Такие задачи встречаются повсеместно: растет высота зданий и башен, увеличиваются пролеты мостов, размеры морских, воздушных и космических кораблей и многих других технических объектов.

Допустим, что какое-либо сооружение, например башня для радиорелейной связи, создается по образцу уже существующей, но все размеры ее увеличиваются вдвое. При таких условиях объем конструкции, а следовательно, и вес ее возрастут в восемь раз. Однако поперечное сечение конструктивных элементов, несущих нагрузку от веса вышележащих частей башни, увеличится только в четыре раза. Это значит, что нагрузка на единицу поперечного сечения увеличится вдвое. Другими словами, нагрузка на единицу площади поперечного сечения увеличивается во столько раз, во сколько возрастут размеры сооружения.

Всякий материал имеет определенный предел прочности. Поэтому различные объекты, изготовленные из тех или иных материалов, имеют определенные предельные размеры. Этим объясняется тот факт, что заводские трубы, башни для антенн радиосвязи и другие конструкции нельзя построить какой угодно высоты. Например, даже используя самые прочные материалы, невозможно построить башню высотой в несколько километров. У такой башни нагрузка от собственного веса так сильно действовала бы на нижние части конструкции, что они неизбежно разрушились бы еще в процессе возведения сооружения.

Те же самые вопросы возникают и при строительстве кораблей. Известно, что морские корабли, встречая большие волны при шторме, испытывают значительные нагрузки, которые быстро растут при увеличении размеров корабля. Существуют определенные ограничения размеров, зависящие от прочности материала корпуса корабля. Поэтому невозможно построить корабль длиной более одной трети километра. При этом вес корабля не должен превышать 100 000 тонн. Максимальные размеры самолетов также ограничены определенными пределами; их вес в современных условиях не превышает 250 тонн. Ограничены также размеры растений и животных.

При сооружении многих движущихся конструкций необходимо учитывать не только силу тяжести, но и силы инерции, возникающие при ускорении или замедлении движения. Эти силы также пропорциональны массе конструкции.

Чем больше ускорения, испытываемые конструкцией, тем меньше ее возможные предельные размеры. Это обстоятельство имеет особенно важное значение при постройке космических ракет. Так, американские ракеты «Атлас» или «Титан», вес которых равен примерно 100 тоннам, нередко разрушаются при пуске. Это свидетельствует о том, что материал конструкции ракеты использован до предела его прочности. Поэтому дальнейшее увеличение веса ракет может быть осуществлено только путем изыскания новых, еще более прочных материалов или новых конструкций, в которых материалы будут использованы более эффективно.

Так, в иностранной печати появились сообщения о том, что свободно плавающие под водой гигантские сосуды для хранения нефти и различных нефтепродуктов могут быть созданы из тонких синтетических пленок. Подъемная сила, действующая на заполненный нефтью сосуд, может в точности уравновесить силу тяжести, поэтому при таких условиях сосуды для хранения жидких топлив могут иметь практически любые размеры.

_{Рис. 28. Хранение нефти под водой}

Следует упомянуть еще об одном интересном явлении.

Известно, что в обычных условиях нефть легче воды, и поэтому она всплывает на поверхность воды. Однако если погрузить нефть на достаточно большую глубину, то давление воды несколько уменьшит объем нефти, а следовательно, увеличит ее удельный вес. При достаточно больших давлениях увеличение удельного веса нефти может стать настолько значительным, что он превысит удельный вес воды. Таким образом, сосуд с нефтью, находящийся на большой глубине в воде, не будет всплывать. Такое хранение нефти оказывается удобным еще и потому, что для доставки нефти на поверхность не требуется каких-либо насосов, поскольку давлением воды нефть будет выжиматься из пластического сосуда (рис. 28).

Применение искусственных пленок открывает широкие возможности для изготовления различного рода конструкций и в космическом пространстве. При помощи алюминироваяных (т. е. покрытых тонким слоем алюминия) тонких искусственных пленок, отличающихся чрезвычайно высокой прочностью, могут быть созданы гигантские зеркала для улавливания солнечной энергии. Практически можно построить такие зеркала любых форм и размеров, поскольку на искусственных спутниках Земли и космических ракетах сила тяжести практически не оказывает своего действия.

Проблемы использования приливных сил

Еще в глубокой древности люди замечали, что уровень воды в океанах меняется в зависимости от видимого положения Луны на небосводе. Первые описания приливов относятся еще к I веку нашей эры. Однако причины изменения уровня океанов и морей долгое время не имели объяснения. И только после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения объяснение приливов и отливов стало возможным.

Каким же образом возникают приливы и отливы?

Представим себе космический корабль, движущийся по орбите вокруг Земли, и посмотрим, какие силы на него действуют. Если не принимать во внимание влияние Луны и других небесных тел на корабль-спутник, то в этом случае на предметы и тела, находящиеся внутри спутника, будут действовать сила тяготения Земли, центробежная сила инерции и сила, возникающая вследствие вращения корабля-спутника вокруг собственной оси. Если такого вращения нет, остаются только две силы: сила тяготения, которая направлена от центра спутника к центру Земли, и центробежная сила инерции, направленная в противоположную сторону.

Полная невесомость будет только у тел, центры тяжести которых лежат на орбите центра тяжести всего космического корабля. Если же тело, находящееся на космическом корабле, расположено ближе к Земле, чем центр тяжести корабля, то оно должно иметь более значительную скорость, чтобы не падать на Землю. Между тем это тело движется вместе с кораблем, т. е. медленнее, чем нужно для достижения полной невесомости. Поэтому тела, расположенные на космическом корабле ближе к Земле, чем центр тяжести корабля, будут стремиться упасть вниз, и наоборот, тела, расположенные выше центра тяжести корабля, будут стремиться подняться вверх. Таким образом, вся конструкция космического корабля будет растягиваться небольшими аилами, действующими вдоль линии, идущей к центру Земли (рис. 29). Эти силы рано или поздно повернут неуправляемый космический корабль так, чтобы его наибольшая длина была направлена к центру земного шара или иного небесного тела, спутником которого корабль является. Необходимо иметь в виду, что рассматриваемые силы невелики. Если, например, космический корабль состоит из двух масс, каждая весом в одну тонну, соединенных тросом длиной в 20 метров, то сила, натягивающая трос на высоте в несколько сотен километров над поверхностью Земли, составит приблизительно 1,6 грамма.

_{Рис. 29. Силы, действующие на космический корабль-спутник}

Несколько миллиардов лет тому назад такие силы остановили вращение Луны и повернули ее так, что теперь ее длинная ось направлена в сторону Земли. Это хорошо видно на фотоснимках обратной стороны Луны, сделанных в октябре 1959 года с советской космической ракеты. Сфотографировать Луну удалось не только сзади, но и несколько сбоку, поэтому на фотоснимках хорошо видны асимметрия Луны, ее форма, вытянутая по линии Земля – Луна.

Необходимо заметить, что ориентирующее действие приливных сил на какое-либо небесное тело проявляется лишь в том случае, если имеет место затрата энергии этих сил на преодоление каких-либо других сил, например силы трения.

Приливные силы, действующие на поверхность океанов, вызывают подъем и опускание уровня воды более чем на 10 метров. Такие явления называют приливами и отливами. В них наиболее ярко выражается действие не полностью уравновешенных сил инерции и сил тяготения.

Поскольку приливные силы, действующие на поверхность океанов со стороны Луны, заставляют двигаться частички воды и приводят к образованию волн, то вследствие трения воды о дно океанов возникает так называемое приливное трение, в результате которого уменьшается скорость вращения Земли. Луна в свою очередь также подвергается воздействию приливных сил со стороны Земли, и ее вращение вокруг собственной оси (а точнее, колебания, возникающие за счет приливных сил вследствие несферичности Луны) замедляется.

В результате действия приливных сил вращение небесного тела не только замедляется, но и становится (возможной ориентация его длинной оси в направлении притягивающего тела.

Те же самые силы проявляются и на Земле как спутнике Солнца. Однако Земля по сравнению с Луной имеет более значительную массу и инерцию, поэтому приливные силы не могут заметно затормозить ее быстрое вращение вокруг собственной оси, а только немного деформируют земной шар, стремясь его растянуть в направлении линии, идущей от Солнца к центру Земли. Для примера отметим, что район Москвы дважды в сутки поднимается и опускается по отношению к некоторому среднему уровню приблизительно на пол метр а.

Чем значительнее преграды, задерживающие приливную волну, тем сильнее тормозится вращение земного шара.

_{Рис. 30. Схема приливной гидроэлектростанции}

Например, если в различных бухтах и устьях рек построить плотины, задерживающие массы воды, приносимые приливом, и направить эту воду через гидротурбины, вращающие генераторы тока, то окажется возможным усилить торможение вращения Земли и перевести часть энергии этого вращения в энергию электрического тока, даваемого приливной гидроэлектростанцией (рис. 30). Если создать большую систему приливных гидроэлектростанций и объединить их в общую энергетическую систему, можно будет получать почти непрерывный поток электроэнергии постоянной мощности.

Таким образом, можно предполагать, что приливным гидроэлектростанциям принадлежит большое будущее, и решать эту проблему лучше всего при сотрудничестве всех государств, чьи территории выходят к берегам океанов. Запасы энергии вращающейся Земли так велики, что даже при самой интенсивной эксплуатации их хватит на миллиарды лет.

Квантовые генераторы лучистой энергии

Развитие квантовой механики, радиофизики и электроники привело к открытию совершенно новых устройств, с помощью которых стало возможным получение электрических колебаний чрезвычайно высокой частоты, лежащей в области инфракрасного и видимого диапазонов спектра. Такие устройства называют квантовомеханическими генераторами и усилителями. Они основаны на использовании электромагнитного излучения атомов или молекул вещества.

Появление квантовомеханических генераторов и усилителей тесно связано с запросами современной радиотехники, поскольку радиодиапазон (длина волны от миллиметров до десятков километров) оказался узким для решения целого ряда таких задач, как повышение количества радиоканалов для передачи информации, повышения направленности излучения радиоволн, обеспечения сверхвысокой разрешающей способности (радиолокация) и помехоустойчивости различных радиотехнических средств.

Освоение космического пространства, а также запросы военной техники потребовали освоения инфракрасного и оптического диапазонов электромагнитного излучения для целей связи и управления быстро движущимися объектами.

Начиная с 1958 года в печати стали появляться сообщения о создании и разработке квантавомеханических усилителей и генераторов, работающих в области видимого и инфракрасного диапазонов спектра.

В чем же принцип работы таких систем?

В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть атомов кристаллических веществ (квантовых микросистем) пребывает на самых низких (или невозбужденных) энергетических уровнях, т. е. обладает минимальным запасом внутренней энергии. Если на такие системы подействовать каким-либо внешним полем, например осветить их светом, то атомы данного вещества, поглощая вполне определенную энергию, перейдут в возбужденное состояние, т. е. будут накапливать энергию. Если система может длительное время находиться в таком возбужденном состоянии, то говорят, что она имеет метастабильные уровни энергии (рис. 31). Если «заставить» возбужденный атом перейти в нормальное (невозбужденное) состояние, она излучит порцию (квант) энергии вполне определенной частоты, величина которой будет пропорциональна разности энергий возбужденного и невозбужденного уровней.

_{Рис. 31. Схема энергетических уровней молекулы с метастабильным состоянием}

Чтобы «заставить» атом излучить поглощенную им энергию, можно подействовать на него каким-либо слабым внешним полем, например, облучить светом. В этом случае произойдет вынужденное (или индуцированное) испускание кванта света возбужденным атомом. Луч света, которым освещается такой атом, как бы «стряхнет» его с метастабильного уровня на более низкий, и при этом будет излучена энергия возбуждения атома.

Всеми свойствами, о которых шла |речь, обладают некоторые сорта стекол, шары металлического цезия, соединение кальция с фтором (CaF₂), в котором часть ионов кальция заменена ионами самария или урана, а также твердое кристаллическое вещество – рубин.

Квантовомеханический генератор, работающий на кристалле рубина, позволяет получать монохроматический (одноцветный) луч света, яркость которого, отнесенная к единичному интервалу спектрального диапазона, более чем в миллион раз превышает яркость Солнца в данном диапазоне. Вследствие этого эквивалентная температура такого светового луча, генерируемого квантовомеханическим генератором, оценивается миллиардами градусов и во много раз превышает температуру в центре Солнца. При этом сам генератор остается холодным. Другой не менее интересной способностью такого генератора является то, что он позволяет получать почти параллельные лучи света с чрезвычайно малым угловым расхождением.

Так например, изготовленный в США генератор видимого света на основе искусственного рубинового стержня, генерирующий световые колебания с длиной волны 6943Å, позволяет получать лучи с угловым расхождением менее 0,1° при яркости, в миллион раз превышающей яркость Солнца.

В настоящее время за границей ведутся работы по созданию еще более узких лучей, расхождение которых не будет превышать нескольких угловых секунд. Если такой луч направить на Луну, то он создаст там такую же освещенность, какую может создать находящаяся рядом электрическая лампочка. Использование таких лучей позволяет осуществлять сверхдальнюю оптическую связь в космосе, секретную передачу информации и т. д.

Каким же образом получаются такие лучи света в квантовом генераторе?

Кристалл рубина, изготовленный в виде стержня с параллельными и тщательно отполированными посеребренными торцами, помещается внутрь мощной лампы-вспышки. Лампа-вспышка обычно представляет собой стеклянную или кварцевую трубку, выполненную в виде спирали, заполненную смесью неона и криптона и дающую при вспышке яркий зеленоватый свет.

Лампа-вспышка, освещая рубиновый стержень (рис. 32), переводит атомы хрома в рубине в возбужденное метастабильное состояние, в котором они находятся до того момента, пока их не «стряхнет» луч подсветки, пропущенный внутрь кристалла через непосеребренную часть поверхности одного из его торцов.[2]2
  Вместо луча подсветки обычно используют спонтанное (самопроизвольное) излучение света, возникающее внутри возбужденного кристалла рубина за счет самопроизвольных переходов возбужденных ионов хрома с метастабильного уровня на нижний энергетический уровень.


[Закрыть] Такой луч, распространяясь в кристалле рубина, на своем пути «стряхивает» все новые и новые возбужденные атомы, и его яркость таким образом все время увеличивается. Дойдя до посеребренного противоположного торца кристалла, луч, отразившись, пойдет в обратном направлении, по пути увеличивая свою яркость, затем снова отразится от заднего посеребренного торца и так далее, пока, наконец, не выйдет из противоположного торца кристалла через непосеребренную часть его поверхности (рис. 33).

_{Рис. 32. Генератор красного света на рубине}

В результате получается весьма узкий луч, так как все лучи света, идущие под некоторыми углами к оси рубинового стержня, быстро уходят за пределы кристалла, не получив необходимого усиления.

В дальнейшем предполагается с помощью таких генераторов и усилителей фотографировать отдаленные космические объекты, усиливая яркость изображения, даваемую телескопами, управлять движением спутников, используя эффект светового давления, повышать точность оптических приборов, а также увеличить емкость диапазонов связи в десятки тысяч раз по сравнению с емкостью используемых в настоящее время радиодиапазонов.

Таковы лишь некоторые возможности использования квантовых генераторов, построенных на основе синтеза достижений различных областей науки и техники, и в первую очередь оптики, радиотехники и квантовой механики.

_{Рис. 33. Чем больший путь проходит в возбужденном кристалле луч света, тем больше становится его яркость}