Полезные вибрации

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В двадцатых годах прошлого века около Московского Кремля, по бульварному кольцу, бегали бойкие одновагонные трамваи. Это была памятная всем москвичам линия «А», или «Аннушка» (привет Булгакову, помните «Аннушка уже разлила масло»), по которой очень быстро, по понятиям того времени, можно было добраться, например, от Мясницких ворот к Пречистенским. Позже, когда была построена первая линия метро, «Аннушка» переселилась сначала в Замоскворечье, а потом и вовсе где-то «затерялась». Но в те годы людям доставляло истинное удовольствие проехаться по набережной, полюбоваться прекрасной панорамой города и Москва-реки. Если же собиралась компания ребят, то тогда поездка на «Аннушке» сулила и забаву.

Трамвайчики эти сильно качались, вибрировали на ходу. И вот надо было, стоя на задней площадке, поймать момент и начать дружно приседать в такт с вибрациями вагона. Если «дело» шло удачно, то уже через несколько толчков трамвай начинал так сильно прыгать, что вагоновожатый останавливал его и, отлично зная причины «бедствия», приходил с рукояткой управления в руке на заднюю площадку. Внушительно помахивая ею, он уговаривал озорников: «Бросьте, ребята, разводить резонанс, а то высажу!».

Когда наш школьный физик рассказал о несчастном случае, при котором резонансные колебания, вызванные марширующими солдатами, обрушили мост, то здесь все было понятно. В самом деле: солдаты попали в такт с собственными колебаниями моста, или в резонанс с вибрациями моста так же, как парни на задней площадке трамвайного вагона. Именно поэтому солдаты должны были идти по мосту не «в ногу».

Вибрации и резонанс были подчас истинным бедствием в технике. Они вызывали преждевременный износ деталей, усталость металла и его разрушение. Все усилия конструкторов направлялись на то, чтобы избежать вибраций, уменьшить колебания механизмов. Это не всегда удавалось, и в истории машиностроения зафиксированы многочисленные примеры серьезных аварий, происшедших по вине вибраций. Тяжелые поезда сходили с рельсов, обрывались тросы на шахтных подъемниках, разваливались на части корабли в море и самолеты в воздухе. Тряска и шум, которыми сопровождаются вибрации, вызывают тяжелые заболевания нервной системы, суставов, кровеносных сосудов.

Итак, вибрации, безусловно, вредны и с ними нужно бороться всеми доступными мерами: балансировкой или уравновешиванием вращающихся деталей машин, установкой успокоителей колебаний на кораблях или амортизаторов на автомобилях и т. п. Это верно, однако диалектика развития техники в том и заключается, что в ней нет абсолютных истин. То, что в одном случае является вредным и опасным, в другом — полезно и необходимо. Вибрации — лишь один пример. Недавно мне стал известен другой пример. После термической обработки на стальных листах появляется прочная окалина. Для ее удаления листы подвергают ржавлению. А ржавчину легко снять химическими или механическими средствами. Получается, что извечный враг машиностроения — ржавчина стала в этом конкретном случае союзником!

УМНАЯ ЯЩЕРИЦА И РОБЕРТ ГУК

У ящериц-крутлоголовок, обитающих в Каракумах, много врагов. Но куда спрятаться в безбрежной пустыне? Единственный выход: быстро зарыться в песок. И вот ящерица, почуяв опасность, вытягивает в струну свое двадцатисантиметровое туловище и начинает быстро им вибрировать. Песок расступается под телом ящерицы и она мгновенно исчезает из глаз.

Я не знаю было ли известно об этой «умной» азиатской ящерице прославленному английскому физику начала XVIII века — Роберту Гуку, когда он делал свой опыт с песком и пробкой. Он взял стакан, положил на его дно пробку и засыпал ее песком, затем стал часто встряхивать стакан. Трение частиц песка при вибрации настолько уменьшилось, что пробка всплыла на его поверхность.

Роберт Гук прожил 87 лет и сделал немало открытий и изобретений. По знаменитому закону Гука мы рассчитываем упругость материалов, а одно изобретение Гука так и вошло в технику под его именем. Гуки — основной узел для передачи вращения от одного вала к другому. Они повторены в миллионах автомобилей, о которых, кстати сказать, сам Гук вряд ли мог даже фантазировать.

Он был очень наблюдательным и, изучая сцепление тел, не прошел мимо ворчливых разглагольствований своей экономки, которая доказывала, что ближний бакалейщик плут и продает крупу с мусором: «вот поглядите, сэр, стоило мне высыпать крупу в миску и потрясти ее хорошенько, как наверх всплыли легкие частицы мусора!»

Вот именно «всплыли» — как точен народный язык! — подумал старый ученый. И правда — сыпучие тела при вибрировании становятся подобны жидкости: в них тонут тяжелые предметы и всплывают легкие.

ПЕРВЫЕ ШАГИ В ТЕХНИКЕ

С незапамятных времен человеку было известно, что для уплотнения самых разных сыпучих тел нужно многократно встряхнуть тот сосуд, в который они насыпаны. Житейский опыт подсказал крестьянину, что при просеивании зерна надо трясти сито, а рабочая смекалка горняка, угольщика, металлурга перенесла этот опыт на завод и в копи. Но в технике бытовали и другие приемы: забивая сваю в грунт, по ней били кувалдой или тяжелой «бабой», стремясь силой удара преодолеть сопротивление песчаного грунта.

Укладывая бетон, его уплотняли тяжелыми трамбовками до тех пор, пока на поверхности не появлялась вода. Обливаясь потом, рабочий за полный день утрамбовывал всего каких-нибудь десять кубометров бетона. При укладке больших массивов бетона его трамбовали ногами. Еще на строительстве Днепрогэса бетонщики становились в ряд и, обняв друг друга за плечи, утаптывали бетон ногами. Это называлось: танец бетона!

Трудно сейчас представить точную картину стройки тех дней: ломы, лопаты, грабарки, трамбовки, кувалды и «бабы» были главенствующими техническими средствами на стройках.

Молодой, еще не достигший тогда тридцатилетнего возраста, инженер Борис Григорьевич Скрамтаев и целый ряд других напористых людей взялись за то, чтобы сделать исконного врага инженеров — вибрацию — союзником. Скрамтаев, Десов, Сорокер и другие убедились, что вибрации отлично уплотняют бетонную смесь, вытесняют из нее воздушные пузырьки и придают бетону большую плотность, прочность и морозостойкость. Бетонная смесь под влиянием вибраций как бы разжижается, а это дает возможность использовать более жесткий бетон с относительно малым количеством воды и цемента.

Развитие промышленного и жилищного строительства потребовало создания заводов, выпускающих готовые железобетонные балки, плиты, блоки. На этих заводах также стали применять вибраторы для формования изделий. Побывайте на современном заводе, где производятся детали для сборного домостроения, и вы увидите, как при помощи вибраций делают огромные плиты перекрытий с пустотами или панели размером «на комнату» с вделанными окном или балконной дверью. Вибрации нашли широкое применение в инженерном деле, стали союзником строителей…

Автор: Н. Долгополов.