Физика в технике

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).

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).

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.

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.