Корисні вібрації
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У двадцятих роках минулого століття близько Московського Кремля, по бульварному кільцю, бігали жваві одновагоні трамваї. Це була пам’ятна всім москвичам лінія «А», або «Аннушка» (привіт Булгакову, пам’ятаєте «Аннушка вже розлила мало»), за якою дуже швидко, за поняттями того часу, можна було дістатися, наприклад, від М’ясницьких воріт до Пречистенської. Пізніше, коли була побудована перша лінія метро, «Аннушка» переселилася спочатку в Замоскворечье, а потім і зовсім десь «загубилася». Але в ті роки людям доставляло справжнє задоволення проїхатися по набережній, помилуватися прекрасною панорамою міста і Москви-ріки. Якщо ж збиралася компанія хлопців, то тоді поїздка на «Ганнусі» обіцяла і забаву.
Трамвайчики ці сильно гойдалися, вібрували на ходу. І от треба було, стоячи на задній площадці, зловити момент і почати дружно присідати в такт з вібраціями вагона. Якщо «справа» йшла вдало, то вже через кілька поштовхів трамвай починав так сильно стрибати, що вагоновод зупиняв його і, чудово знаючи причини «лиха», приходив з рукояткою управління в руці на задню площадку. Переконливо помахуючи нею, він вмовляв розбишак: «Киньте, хлопці, розводити резонанс, а то висаджу!».
Коли наш шкільний фізик розповів про нещасний випадок, при якому резонансні коливання, викликані маршруючими солдатами, обрушили міст, то тут все було зрозуміло. Справді: солдати потрапили в такт з власними коливаннями мосту, або в резонанс з вібраціями моста так само, як хлопці на задній площадці трамвайного вагона. Саме тому солдати повинні були йти по мосту не «в ногу».
Вібрації і резонанс були часом істинним лихом в техніці. Вони викликали передчасне зношування деталей, втому металу і його руйнування. Всі зусилля конструкторів прямували на те, щоб уникнути вібрацій, зменшити коливання механізмів. Це не завжди вдавалося, і в історії машинобудування зафіксовані численні приклади серйозних аварій, що сталися з вини вібрацій. Важкі поїзди сходили з рейок, обривалися троси на шахтних підйомниках, розвалювалися на частини кораблі в морі і літаки в повітрі. Тряска і шум, якими супроводжуються вібрації, викликають важкі захворювання нервової системи, суглобів, кровоносних судин.
Отже, вібрації, безумовно, шкідливі і з ними потрібно боротися всіма доступними заходами: балансуванням або зрівноважуванням обертових деталей машин, установкою заспокоювачів коливань на кораблях або амортизаторів на автомобілях і т. п. Це вірно, однак діалектика розвитку техніки в тому і полягає, що в ній немає абсолютних істин. Те, що в одному випадку є шкідливим і небезпечним, в іншому – корисно і необхідно. Вібрації – лише один приклад. Недавно мені став відомий інший приклад. Після термічної обробки на сталевих листах з’являється міцна окалина. Для її видалення листи піддають ржавінню. А іржу легко зняти хімічними або механічними засобами. Виходить, що одвічний ворог машинобудування – іржа стала в цьому конкретному випадку союзником!
РОЗУМНА ЯЩІРКА ТА РОБЕРТ ГУК
У ящірок-крутоголовок, що мешкають в Каракумах, багато ворогів. Але куди сховатися у безмежній пустелі? Єдиний вихід: швидко заритися в пісок. І ось ящірка, зачувши небезпеку, витягає в струну свій двадцятисантиметровий тулуб і починає швидко їм вібрувати. Пісок розступається під тілом ящірки і вона миттєво зникає з очей.
Я не знаю чи було відомо про цю «розумну» азіатську ящірку прославленому англійському фізику початку XVIII століття – Роберту Гуку, коли він робив свій дослід з піском і пробкою. Він взяв склянку, поклав на її дно пробку і засипав її піском, потім став часто струшувати склянку. Тертя часток піску при вібрації настільки зменшилось, що пробка спливла на його поверхню.
Роберт Гук прожив 87 років і зробив чимало відкриттів і винаходів. По знаменитому закону Гука ми розраховуємо пружність матеріалів, а один винахід Гука так і увійшов в техніку під його ім’ям. Гуки – основний вузол для передачі обертання від одного вала до іншого. Вони повторені в мільйонах автомобілів, про які, до речі сказати, сам Гук навряд чи міг навіть фантазувати.
Він був дуже спостережливим і, вивчаючи зчеплення тіл, не пройшов повз буркотливі нарікання своєї економки, яка доводила, що ближній бакалійщик шахрай і продає крупу зі сміттям: «ось гляньте, сер, варто було мені висипати крупу в миску і потрясти її гарненько, як наверх спливли легкі частинки сміття!»
Ось саме «спливли» – яка точна народна мова! – Подумав старий вчений. І правда – сипучі тіла при вібрації стають подібні рідини: у них тонуть важкі предмети і спливають легені.
ПЕРШІ КРОКИ В ТЕХНІЦІ
З незапам’ятних часів людині було відомо, що для ущільнення самих різних сипучих тіл потрібно багаторазово струснути ту посудину, в якій вони насипані. Житейський досвід підказав селянинові, що при просіюванні зерна треба трясти сито, а робоча кмітливість гірника, вугляра, металурга перенесла цей досвід на завод і в копальні. Але в техніці побутували й інші прийоми: забиваючи палю в грунт, по ній били кувалдою або важкою «бабою», прагнучи силою удару подолати опір піщаного ґрунту.
Укладаючи бетон, його ущільнювали важкими трамбівками до тих пір, поки на поверхні не з’являлася вода. Обливаючись потом, робітник за повний день утрамбовував всього якихось десять кубометрів бетону. При укладанні великих масивів бетону його трамбували ногами. Ще на будівництві Дніпрогесу бетонщики ставали в ряд і, обнявши один одного за плечі, втоптували бетон ногами. Це називалося: танець бетону!
Важко зараз уявити точну картину будови тих днів: ломи, лопати, грабарки, трамбування, кувалди і «баби» були головними технічними засобами на будівництвах.
Молодий інженер Борис Григорович Скрамтаев, який ще не досяг тоді тридцятирічного віку, і цілий ряд інших напористих людей взялися за те, щоб зробити споконвічного ворога інженерів – вібрацію – союзником. Скрамтаев, Десов, Сорокер та інші переконалися, що вібрації відмінно ущільнюють бетонну суміш, витісняють з неї повітряні бульбашки і надають бетону велику щільність, міцність і морозостійкість. Бетонна суміш під впливом вібрацій як би розріджується, а це дає можливість використовувати більш жорсткий бетон з відносно малою кількістю води і цементу.
Розвиток промислового і житлового будівництва зажадало створення заводів, що випускають готові залізобетонні балки, плити, блоки. На цих заводах також стали застосовувати вібратори для формування виробів. Побувайте на сучасному заводі, де виробляються деталі для збірного домобудівництва, і ви побачите, як за допомогою вібрацій роблять величезні плити перекриттів з порожнинами або панелі розміром «на кімнату» із вправленими вікнами або балконними дверима. Вібрації знайшли широке застосування в інженерній справі, стали союзником будівельників.
Автор: Н. Долгополов.