История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2
.pdfдетали, что привело к новым разработкам. Не будем забывать, это еще и эра Джеймса Уатта, создавшего много новых меха низмов. Интересный механический привод был создан для ме таллопрокатной машины (1758 г.) Создается множество конст рукций подшипников: скольжения, роликовых и шариковых. Развитие теорий трения и износа можно охарактеризовать рабо тами нескольких великих ученых. Шарль Огюстен Кулон (1785 г.) подтвердил законы трения да Винчи и Амонтона. Ге орг Ренни (1825 г.) проводил измерения процесса трения. Он дал первый перечень коэффициентов трения различных материалов и установил зависимость износа от смазки. Чарльз Хатчет (1803г) показал зависимость износа от материала. Клод Луис Навье (1822 г.) дал определение вязкости и широко использовал этот термин. Джордж Габриель Стокс (1845 г.) независимо от Навье сформулировал уравнения движения текучих сред, бу дущий базис гидродинамики.
Очень важными для становления трибологии как науки ока зался период с 1850г. по 1925 г. Хотя детали для механизмов были весьма просты и делались из самых обычных материалов, можно отметить несколько значительных улучшений, очевид ных по следующим примерам: подшипник Эртса, смазываемый водой, для осевой втулки (1860 г.); Шариковый подшипник Вингквиста с саморегулируемым угловым контактом; система привода для первого электрического локомотива Сименса (1879 г.); шестерни для автомобильной передачи (1902 г.); шев ронная передача для корабельной машины (1913 г.). В области смазочных материалов наблюдаются существенные изменения. Растительные и животные жиры быстро вытесняются нефте продуктами. Получили широкое распространение следующие смазочные материалы, получаемые перегонкой и очисткой неф ти (1916): легкое и тяжелое машинные масла; очищенные ци линдровые масла. Появились первые присадки: графит, эмуль гатор, повышающие вязкость компоненты. Продолжалось раз витие теорий трения и износа. Известные ученые, инженеры, трибологи изучали связь между трением, износом и смазками, в особенности применительно к радиальным подшипникам. Наи более важным открытием было распределение гидродинамиче ского давления в радиальном подшипнике, полученное Биша-
мом Тауэром (1883 г.), что привело к прорыву в создании и ис пользовании подшипников. Другие исследователи: Густав Адольф Гирн (около 1880г.) подтвердил законы трения да Вин чи, Амонтона и Кулона. Генрих Рудольф Герц (1881 г.) сформу лировал физические законы для трения качения. Николай Пав лович Петров (1883 г.) описал законы трения для концентриче ских радиальных подшипников. Осборн Рейнольдс (1885 г.) провел математическое исследование гидродинамических эф фектов. Уравнение Рейнольдса для распределения гидродина мического давления легло в основу расчетов подшипников. Ри чард Штрибек (1902 г.) произвел измерения параметров трения, подтвердивших гидродинамические эффекты. Иоганн Виль гельм Зоммерфельд (1904 г.) предложил аналитическое решение уравнений Рейнольдса для нескольких важных случаев.
С 1925 г. и по настоящее время трибология продолжает раз виваться как вполне сложившаяся наука. Невозможно описать все важные достижения и остаться в рамках исторического очерка. Многие достижения в трибологии заслуживают отдель ных глав и даже книг. Подшипники и системы передач получи ли развитие за счет внедрения на практике теоретических ис следований. Процесс происходил путем совершенствования уз лов трения, выбора материалов, смазок и обработки поверхно стей. В результате машины и механизмы стали работать дольше и надежнее. Продолжалось интенсивное развитие смазок, кото рое характеризовалось применением присадок и улучшением масел, получаемых из нефтепродуктов, за счет новых производ ственных технологий. Появилось много сортов синтетических масел. Были созданы высокоэффективные смазочные материа лы для высоких и низких температур, допускающих высокую нагрузку с длительным сроком службы. Развитие теорий трения и износа можно охарактеризовать следующими главными дос тижениями: приближенные решения уравнения Рейнольдса (например, Майкл Освирк, Дю Бойс, Кингсбери, Камерон, Сазенфельд и Вальтер); Эластогидродинамическое решение урав нения Рейнольдса (Дункан Доусон совместно с Хигинсом). Эти методы нашли применение при гидродинамических расчетах различных подшипников и других деталей и расчетах смазы ваемых контактов при высокой нагрузке.
9.ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ
9.1.ВВЕДЕНИЕ
Измерение —это сравнение неизвестной величины с извест ной установленной единицей меры. Самым сложным в таком процессе является установление меры. На начальной стадии развития человек, по всей вероятности, пользовался сравни тельными измерениями, определяя величину через понятия «больше» и «меньше». Затем наступило время количественных измерений. Достаточно точные измерения требуют использова ния измерительных приборов.
Из далеких времен пришли такие стандартные меры длины, как английские дюйм, ярд, миля и русские вершок, сажень и верста. До Великой французской революции в Европе применя лись различные способы измерения. Каждый порт, город, пра вительства различных стран имели свои собственные способы измерений. На главных торговых площадях городов хранились стандартные образцы единиц измерения в виде железных, брон зовых стержней. В германском городе Бремен, например, за ос нову бралось расстояние между пальцами скульптуры леген дарного Роланда. Такое положение чрезвычайно осложняло торговлю, путешествие и обмен. Революционное правительство Франции в конце XVIII в. решило перейти на новую, научную систему, наиболее подходящую с точки зрения экономики. Для выполнения этой задачи оно поручило группе ученых разрабо тать новую метрическую систему мер. Во Франции после рес таврации Бурбонов новая система была отвергнута и стала она применяться только после принятия ее во многих других стра нах. В качестве основной меры длины был выбран метр, кото рый по первоначальному замыслу, должен был равняться одной десятимиллионной части расстояния от Северного полюса до экватора по парижскому меридиану. Впоследствии было обна ружено несоответствие между изготовленным образцом метра и его определением. Исправлять ошибку не стали, так как систе ма была уже принята во многих странах. В 1889 г. за основную единицу приняли расстояние между штрихами на эталоне.
Массу тела определяют путем «взвешивания», поэтому час то эти два понятия путают. Словно для того, чтобы увеличить путаницу, массу и вес измеряют в единицах одинакового на именования, например в килограммах. Эталон килограмма есть масса металлического цилиндра, равная массе литра воды при 4°С (температура, соответствующая ее наибольшей плотности); 1 английский фунт равен 453 г.
Основная единица времени - секунда, которая равна 1/86 400 части средних солнечных суток. Солнечными сутками на зывается время между последовательными прохождениями Солнца через данный меридиан. Их продолжительность не сколько меняется в зависимости от времени года. Средними солнечными сутками считают среднее арифметическое из всех суток за год. Сутки делятся на 24 часа по 60 минут каждый. Минута подразделена на 60 секунд. Интересно отметить, что миллион секунд составляет всего 12 дней, а миллиард секунд - 32 года. Поверхность Земли разделена на 24 пояса. Каждый по яс охватывает 15 градусов долготы. Так называемое поясное время отличается от времени соседнего пояса на один час. В повседневной жизни за начало суток принимают полночь. В России действует декретное время, введенное в СССР в 1930 г. для экономии электроэнергии на освещение. Оно опережает по ясное время на один час. С 2 апреля 1981 г. на летний период время стало сдвигаться еще на один час вперед, а в октябре - возвращается на один час назад.
В 1875 г. была созвана международная конференция по введению мер и весов, чтобы положить конец хаосу в междуна родной торговле. На конференции присутствовали представи тели тридцати стран. В результате работы конференции было создано Международное бюро мер и весов, находящееся вблизи Парижа, и метрическая система была признана основной меж дународной системой. В бюро хранятся эталоны стандартных мер, а каждая страна получила их копии.
В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам ввела Международную систему единиц (международное сокра щенное наименование <SI>, русское <СИ >). Эта система уста навливает в качестве основных семь основных величин вместе с
соответствующими единицами: длина (метр, м), масса (кило грамм, кг), время (секунда, с), сила тока (ампер, А), термодина мическая температура (кельвин, К), количество вещества (моль, моль), сила света (кандела, кд). После принятия Международ ной системы единиц величины метра и секунды были переоп ределены на основе физических процессов. Единицы Междуна родной системы, а также десятичные и кратные от них, являют ся обязательными в большинстве стран мира, однако наряду с ними в некоторых странах применяют традиционные нацио нальные системы измерений.
Пример по древесине
В одном из курсов физики, изданном в США, приведен сле дующий пример, иллюстрирующий значение систем измерения. Предположим, что вы работ ает е на лесном складе, располо женном близ порта на восточном побереж ье США, и вам при ходится получать и отправлять различные сорта материалов, которые надо измерять и оценивать.
В США лесоматериалы измеряются в так называемых бордсовых (или досковых) футах. Бордсфут имеет в длину один фут, в ширину фут и в толщину один дюйм. Карандаш, бумага и элементарная арифметика позволят вам легко посчитать число бордсфут ов почти в любом штабеле пиломатериалов.
И вот однаж ды вы отправляетесь в штат Виргинию для закупки дорогих кряжей орехового дерева для экспорта во Францию. Но, когда вы станете подсчитывать бордсфуты, вы столкнетесь с совсем новой системой, потому что бревна круг лые. Произведя расчет и расплатившись за бревна, вы должны перевезти их по железной дороге к порту. И тут вы узнаете, что перевозка бревен рассчитывается в центнерах на милю, а не в бордсфутах. Когда лес прибудет в порт, его погрузят на пароход. Снова вам надо оплачивать перевозку, но теперь уж е тонну на милю. Учтите еще, что морская миля равняется 6076 фута вместо 5280 футов, принятых за меру длины на суше.
Несмотря на все эти досадные перерасчеты, ваш лесома териал наконец прибывает во Францию. Здесь с вас требуют оплатить стоянку в доке. В бордсфутах? Вовсе нет, - за пло
щадь, которую вы занимали на пристани. А как вы полагаете, в
125
чем подсчитывается площадь - в квадратных футах или в
квадратных ярдах? Ни в тех и ни в других - она подсчитыва
ется в квадратных метрах.
Наконец, француз, кот орому вы продали лес, приходит,
чтобы измерить его, но бордсфут ы для него пустой звук. Он
измеряет лес в кубических мет рах и расплачивается с вами. В долларах? Нет, во франках.
Естественно, что те, кто привык мыслить научно, захо тят знать, почему существует Макая путаница в мерах. П о чему, например, миля сухопутная отличается от морской? По чему французы пользуются метрической системой, а не анг лийской, которая применяется обычно в СШ А? Какая из сис тем - метрическая или английская - больше удовлетворяет требованиям науки и техники?
9.2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ
Измерение длины может проводиться непосредственно пу тем сравнения положений определенных точек объекта с отмет ками на линейке. Линейка совмещает функции копии эталона длины, измерительного устройства и его шкалы.
В 1631 г. Пьер Вернье (Pierre Уегшег)изобрел устройство, позволяющее повысить точность измерения длины благодаря введению дополнительной шкалы, расположенной вдоль основ ной шкалы. Обычно вспомогательная шкала градуируется в со отношении 9/10 от основной шкалы.
Для достаточно точного измерения толщины малых объек тов используют микрометр, принцип действия которого осно ван на равенстве осевых перемещений винта при каждом пол ном повороте. На микрометре также имеется две шкалы: основ ная - по оси винта и вспомогательная - по окружности.
С давних времен для измерения больших расстояний ис пользуется колесо, которое катят без скольжения вдоль изме ряемого отрезка. Величина расстояния подсчитывается по диа метру колеса и числу его оборотов. Подобный принцип исполь зуют, в частности для определения пробега автомобиля.
В настоящее время для измерения длин применяются при боры, использующие различные физические процессы: оптиче ские, распространения радиоволн и звуковых колебаний.
9.3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ И ВЕСА
Простейшим прибором для определения массы и веса яв ляются рычажные весы, известные примерно с пятого тысяче летия до н.э. Они представляют собой балку, имеющую опору в своей средней части. На каждом конце балки имеются чашки. На одной из них помещается объект измерения, а на другую на кладываются грузы стандартных размеров до приведения сис темы в равновесие. В 1849 г. француз Жозеф Беранже (Joseph Beranger) запатентовал усовершенствованные весы подобного типа. Они имели систему рычагов под чашками. Такое устрой ство было очень популярным в течение многих лет в торговле и на кухнях.
Вариантом рычажных весов является безмен (steelyard), из вестный с эпохи античности. В этом случае точка подвеса нахо дится не в середине балки, стандартный груз имеет постоянную величину. Равновесие устанавливается изменением положения точки подвески, а балка предварительно градуируется.
Роберт Гук, английский физик в 1676 г. установил, что де формация пружины или упругого материала пропорциональна величине приложенной силы. Этот закон позволил ему создать пружинные весы. Такие весы измеряют силу, поэтому на Земле
ина Луне они покажут разный численный результат.
Внастоящее время для измерения массы и веса использу ются различные методы на основе получения электрического сигнала. В случае измерения очень больших масс, например большегрузного автомобиля, применяют пневматические и гид
равлические системы.
9.4. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Первым прибором для измерения давления был ртутный барометр, изобретенный в 1644 г. учеником великого Галилея Торричелли (Evangelista Torricelli). Этот прибор представлял собой стеклянную трубку, закрытую с одного конца. Он позво лил установить примерную величину нормального атмосферно го давления (760 мм ртутного столба, или 10 м водяного столба, в СИ эта величина равна 100 000 Ра). Опыты Торричелли были повторены Блезом Паскалем, который как истинный француз, кроме ртути использовал в качестве рабочей жидкости красное вино. Простой барометр, созданный Торричелли, был сущест венно модифицирован Робертом Гуком в 1665 г., а затем фран цузским мастером Жаном Фортина (Jean Fortin) в 1797 г., анг лийским адмиралом Робертом Фитцройем (Robert Fitzroy) в 1858 г., бывшим капитаном знаменитого корабля Бигль, на ко тором Чарльз Дарвин сделал свои знаменитые открытия. Баро метр анероидного типа был изобретен в 1844 г. французом Люсьеном Види (Lucien Vidie). Этот прибор менее точен, чем ртутный, но имеет значительно меньшие габариты.
U-образная трубка является простейшим, достаточно точ ным и давно известным прибором для измерения давления. Ра бочей жидкостью обычно служат вода или масло. В 1844 г. французский промышленник Евгений Бурдон (Eugene Bourdon), занимавшийся производством паровых машин, изобрел меха нический манометр для измерения давления газа и жидкости. Основой прибора является трубка Бурдона, имеющая С-образныю форму и эллипсовидное поперечное сечение. При изменении давления закрытый конец трубки перемещается, приводя в движение посредством зубчатой передачи регистри рующую стрелку.
9.5. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Температура является интенсивным параметром, опреде ленным только для состояния термодинамического равновесия. Основой практического измерения температуры является ис пользование зависимости какого-либо свойства эталонного
(термометрического) тела от температуры. Общеизвестное ис пользование в термометрах теплового расширения тела впервые было осуществлено в 1701 г. немецким физиком Даниелом Габ риелом посредством спирта, находившимся в небольшом сфе рическом объеме, соединенным с тонкой вертикальной трубкой, которая была вакуумирована и закрыта с другого конца. При изменении температуры уровень спирта перемещался вверх или вниз. В 1714 г. Фаренгейт заменил спирт на ртуть. Аналогич ный термометр в 1742 г. создал шведский астроном Андерс Цельсий (Anders Celsius).
Эти термометры были проградуированы на различные шка лы, которые в наше время известны как шкалы Фаренгейта и Цельсия (или стоградусная). В стоградусной шкале за 0°С взята температура замерзания воды, а за 100°С - температура ее ки пения. Фаренгейт для уменьшения употребления на практике отрицательных значений температур принял за 0°F температуру равновесия смеси соли и льда, а за 100°F - нормальную сред нюю температуру человеческого тела. Тогда температура за мерзания воды оказалась равной 32°F, а температура ее кипения на 180°F больше, т.е. - 212°F. Напомним, что знаменитый ро ман Рея Бредбери назван «451 градус по Фаренгейту». Это зна чение соответствует температуре воспламенения бумаги.
В системе СИ за единицу температуры принят кельвин, равный 1/273, 16 термодинамической температуры тройной точки воды. Численно кельвин равен одному градусу темпера туры по шкале Цельсия.
Медицинский термометр был изобретен английским врачом Клиффордом Алботом (Clifford Allbutt) в 1867 г. Он представ лял собой короткую трубку, откалиброванную только в диапа зоне от 95°F до 110°F или от 35°С до 45°С. Трубка имела пере жатие сразу над сферическим пузырьком со ртутью.
Самые распространенные методы измерения температуры в настоящее время основаны на преобразовании изменения тем пературы в изменение электрического сигнала.
9,6. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ
Первым в истории измерителем времени стало Солнце, вторым - течение воды (или песка), третьим - равномерное сго рание особого топлива. Возникнув в глубокой древности, сол нечные, водяные и огневые часы дожили до нашего времени. Задачи, которые в древности стояли перед создателями часов, сильно отличались от современных. От измерителей времени не требовалось особой точности, зато они должны были делить дни и ночи на одинаковое количество часов разной длины в за висимости от времени года. И поскольку практически все при боры для измерения времени были основаны на достаточно равномерных явлениях, древним «часовщикам» для этого при ходилось идти на различные хитрости.
9.6.1. Солнечные часы
Самые древние солнечные часы найдены в Египте. Инте ресно, что в ранних солнечных часах Египта использовалась тень не столба или стержня, а края широкой пластины. При этом измерялась только высота Солнца, а его движение вдоль горизонта не учитывалась.
С развитием астрономии было понято сложное движение Солнца: суточное вместе с небом вокруг оси мира и годовое вдоль зодиака. Стало ясно, что тень будет показывать одинако вые отрезки времени вне зависимости от высоты Солнца, если стержень направить параллельно оси мира. Но в Египте, Месо потамии, Греции и Риме день и ночь, начало и конец которых отмечали восходы и заходы Солнца, делили вне зависимости от их длины на 12 часов, или, более грубо, по времени смены ка раулов, на 4 «стражи» по 3 часа каждая. Поэтому на шкалах требовалось отмечать неравные часы, привязанные к опреде ленным частям года. Для крупных солнечных часов, которые устанавливались в городах, удобнее были вертикальные гномо ны-обелиски. Конец тени такого обелиска описывал на гори зонтальной площадке подножья симметричные кривые линии, зависящие от времени года. Ряд этих линий наносили на под ножье, поперек проводили другие линии, соответствующие ча