Механика

ЖУРАВКОВ Михаил Анатольевич, заведующий кафедрой теоретической механики и робототехники Белгосуниверситета, доктор физико- математических наук, профессор. Является академиком Академии Горных Наук России, членом- корреспондентом Международной Академии безопасности жизнедеятельности и экологии, членом Международного Совета Экспертов INTAS, членом Международного комитета по проблемам охраны окружающей среды в минеральной промышленности и энергетике.

 

Механика является важнейшим разделом естествознания, фундаментом многих естественных и большинства технических наук. Достижения в области механики всегда означают прогресс в технике, дают возможность более глубокого понимания сути явлений природы. В наш век фундаментальных открытий в области физики элементарных частиц, физики твердого тела и плазмы, теории излучения, удивительных достижений молекулярной биологии и химии полимеров механика — наука о простейшей форме движения материи — казалось бы, мало чем может удивить человечество. Однако положение дел таково, что механика явно или незримо присутствует практически во всех разделах исследований естественнонаучных дисциплин и тем более в инженерных творениях.

Материя без движения так же немыслима, как движение без материи, гласит одно из основных положений диалектического материализма. Все тела движутся, начиная от звезд, планет и искусственных спутников и кончая мельчайшими зернами вещества: молекулами и элементарными частицами. Meханика — наука о законах движения тел — имеет отношение ко всем явлениям природы и творениям техники, ко всем естественнонаучным дисциплинам.

Механика необходима при изучении поведения плазмы в магнитном поле, т.е. при исследовании одной из самых острых проблем современной физики — управления термоядерной реакцией.

Управление химическими реакциями при производстве новых материалов также требует глубокого понимания законов движения исходных продуктов и катализаторов.

Без знания механики невозможны расчеты технологических процессов в машиностроении, металлургии, производстве синтетических полимеров, легкой промышленности, при добыче полезных ископаемых, в пищевой промышленности, в сельскохозяйственном производстве — при обработке почвы, внесении удобрений, поливке, уборке урожая.

Механика сопровождает все этапы технологических процессов в строительстве — от сооружения плотин, мостов и дорог до возведения грандиозных зданий, элеваторов и высочайших башен телевидения.

Без знаний в области механики невозможно обойтись в сфере проектирования, создания и эксплуатации любых транспортных средств — от морских кораблей и железнодорожных поездов до воздушных лайнеров, катеров на подводных крыльях и экипажей на воздушной подушке.

Механика составляет существенную часть наук о Земле — наук о движении воздушных масс и океанских волн, о течении рек и таянии ледников, о геологических преобразованиях земной тверди, о землетрясениях и вулканической деятельности и т.д.

Законам механики подчинены передвижение животных на суше, полет птиц и насекомых, плавание рыб, китов и дельфинов, процесс кровообращения и движения лимфы в живом организме, процессы деления клеток и образования мускульной силы. Медицина использует механику при диагностике болезней и создании искусственных органов человеческого тела.

Механика сыграла основную роль в развитии теоретических основ воздухоплавания и теории движения ракет. Механика научила инженеров выполнять сложные расчеты на прочность и устойчивость летательных аппаратов, а также избавляться от губительных вибраций крыльев самолетов и двигателей ракет. Безошибочный полет отечественных космических кораблей по заданным орбитам обеспечили сверхточные гироскопические и иные командные приборы, основанные на использовании тончайших механических явлений. Подобные же приборы безотказно провели советскую подводную лодку подо льдами Северного полюса.

Механика занимает одно из центральных мест среди наук, непосредственно обеспечивающих ускорение научно-технического прогресса человечества. Ей принадлежит ведущая роль в разработке научной базы инженерного дела на основе использования широкого спектра методов физических исследований, математического и компьютерного анализа и моделирования. Выдающиеся достижения космической техники, авиации, гидротехники, машино- и приборостроения, строительной индустрии, судостроения опираются на глубокое понимание законов механики и точный расчет, основанный на данных экспериментов и теоретических исследований.

Существенную, а иногда и определяющую роль в развитии естественных наук играет открытие новых явлений или эффектов. Нередко новое при первом знакомстве с ним представляется чуть ли не парадоксальным, противоречащим здравому смыслу, не согласующимся с основными законами науки. Но исследование и объяснение нового эффекта неизменно обогащает науку и приводит к важным теоретическим и практическим выводам. Так, например, изучение Кеплером движения планет по эллипсам привело к открытию Ньютоном закона всемирного тяготения, а в дальнейшем — к точному предсказанию небесных явлений (например, затмений Луны и Солнца), а также вычислению траекторий космических кораблей.

Новые эффекты в механике обнаруживаются чаще всего в результате "незакономерного" поведения творений механики — сооружений и машин (иногда и с аварийным исходом), а также приборов, экспериментальных установок и разнообразных технологических процессов. Многочисленные неполадки из-за вибраций машин привели к созданию разветвленной теории резонансных явлений, имеющей большое практическое значение не только в механике, но также в радиотехнике и электронике.

Исследованное Эйлером явление выпучивания в сторону сжатого в продольном направлении стержня привело к созданию теории устойчивости строительных конструкций. Интересен недавно открытый эффект образования гофра при обжатии трубы силами взрыва, а также появление нескольких волн продольного изгиба при внезапном сжатии стержня вдоль его оси.

Гироскопический эффект, ясно понятый сто лет назад Фуко, послужил основой идеи построения гироскопического компаса и других важных гироскопических приборов и устройств.

Правильное понимание механических явлений, происходящих при трении, позволило советским ученым создать новые материалы с необычайно большим сроком службы — ретинакс для тормозов и аман для подшипников.

Исследование явлений неодушевленной и живой природы оказывает большое влияние на развитие механики. Реки в северном полушарии подмывают правые берега. Перемещение воздушных масс неизбежно приводит к зарождению циклонов. Причина обоих явлений — поворотная сила инерции при движении относительно вращающейся Земли — была открыта немногим более века тому назад Кориолисом. Без учета этой силы немыслимо правильно рассчитывать, например, полеты ракет и поведение гироскопических приборов на подвижных объектах.

Большое познавательное значение имеет открытие акустической локации у дельфинов и летучих мышей и гироскопического эффекта вибрирующих жужжалец у двукрылых насекомых. Известно, например, как быстро плавает дельфин. Установлено, что сопротивление воды движению живого дельфина в несколько раз меньше, чем его буксируемой деревянной модели. Разгадка этого явления открывает путь к значительному совершенствованию техники подводного плавания.

К числу не до конца разгаданных тайн природы относится явление шаровой молнии, в которой механические движения переплетены с химическими и электродинамическими резонансными процессами. Несомненно, решение проблемы шаровой молнии повлечет за собой и ряд других открытий.

В некоторых случаях новые эффекты механики предсказываются в результате математического анализа свойств того или иного движения тел. Исследуя движение твердых тел в неограниченном объеме несжимаемой идеальной жидкости, Даламбер в результате математических выкладок пришел к парадоксальному выводу: при прямолинейном равномерном поступательном движении тело не должно встречать со стороны такой жидкости никакого сопротивления. Для реальных жидкостей из-за возникновения вихрей этот вывод не справедлив. Н.Е. Жуковский, смело взяв за модель воздуха идеальную несжимаемую среду и введя дополнительный ("присоединительный") вихрь, вывел формулу для подъемной силы крыла.

Весьма полезен эффект направленного взрыва, открытый академиком М.А. Лаврентьевым совместно с группой учеников. Считая грунт как бы несжимаемой жидкостью, они показали, что можно перебросить целый массив грунта без изменения его формы в заданном направлении, если в нужной пропорции обложить этот массив со всех сторон взрывчаткой. Распределение толщины зарядов должно быть таким, как и распределение давления в гидростатике, т.е. пропорциональным удалению от плоскости, перпендикулярной направлению желаемой начальной скорости массива. Это аналогично тому, как в целиком наполненном графине возникает дополнительное давление его стенок на воду при внезапном придании графину движения в заданном направлении. Теоретическими и экспериментальными исследованиями по механике взрыва занимаются издавна, а эффект М.А. Лаврентьева обнаружен совсем недавно. Это показывает, как иногда к, казалось бы, простому научному результату зачастую ведет долгий и нелегкий путь.

Наконец, замечателен эффект, относящийся к механике тяготеющих друг к другу масс, открытый и исследованный в космогонических целях академиком Я.Б. Зельдовичем. Им доказано, что рой частиц, равномерно заполняющих в начальное мгновение времени эллипсоид, сохраняет вид эллипсоида, правда, уже переменной формы, если только начальное распределение скоростей частиц следовало некоторому простому закону (в частности, если в начальный момент частицы вообще не имели скоростей или они были такими, как у произвольно вращающегося твердого тела).

Механика является одним из краеугольных камней здания со временной техники. В некотором смысле механика представляет собой и инженерную науку. Ученый в области механики может только гордиться, если инженеры признают его человеком своего славного племени. Блестящим инженером проявил себя великий механик древности Архимед при защите родных Сиракуз от римлян. Вместе с инженерами русские ученые Н.Е. Жуковский и С.А. Чаплыгин создали отечественную авиацию, преобразившую транспорт и оборону страны. Авиация была триумфом механики первой половины нашего столетия.

Во второй половине XX века наибольший успех механики относится к области космонавтики. Это, прежде всего, создание ракет тяжелого класса, выводящих космические корабли и автоматические межпланетные станции на орбиты спутников Земли и далее, за пределы земного тяготения. Это расчет и конструирование самих космических аппаратов, достигающих Луны и Венеры, пролетающих мимо Марса и способных двигаться в любых направлениях. Это выбор и расчет наиболее выгодных для них траекторий. Это исследование вращательных движений спутников на орбитах и стабилизация их угловых движений. Это уточнение поля тяготения Земли. Это исследование механических свойств поверхности планет.

Появление на поверхности Луны самоходной машины-автомата — поистине изумительный успех науки и техники. Само создание знаменитого "Лунохода-1" потребовало решения ряда трудных механических задач. Так, параметры грунта в районе посадки на Луну могут меняться в широких пределах. Поэтому ходовая часть машины должна одинаково хорошо обеспечивать движение в разнообразных условиях, включая перемещение по неровной поверхности с препятствиями в виде достаточно больших камней на лунной дороге. Управление луноходом осуществляется с Земли, и нужно быть очень осторожным в выдаче команд. Для обеспечения возможности работы на Луне в условиях глубокого вакуума особые проблемы вызывают устройства, в узлах которых имеется соприкосновение или скольжение поверхностей одних деталей по другим. Обычная смазка трущихся поверхностей здесь тотчас испаряется. Поверхности как бы самоочищаются и немедленно свариваются. Создание смазок для подшипников лунохода и других космических объектов — большая проблема науки о трении. Смазка должна хорошо работать и при низкой, и при высокой температуре и, разумеется, не исчезать из подшипника.

Много интересных результатов получено за последнее время на стыках механики с другими науками.

На повестке дня современной техники — проблемы проникновения в глубинные недра самой Земли, а в дальнейшем и других планет. Одна из первых задач — использование горячих вод подземных источников и создание энергетических установок неистощимой работоспособности. Механике предстоит разработать новые принципы действия машин для перемещения вглубь Земли и для транспортировки оттуда содержимого ее недр.

Ни один из двигателей, созданных человеком, не может сравниться по коэффициенту полезного действия с мускульным двигателем живых существ, работающим к тому же при низкой температуре, практически неприемлемой, например, для двигателей внутреннего сгорания. Поэтому в высшей степени заманчива идея создания искусственного биологического двигателя, т.е. управляемой мышцы, возможно, даже и не из белковых веществ, а из новых полимеров.

Замечательной прикладной особенностью механики является создание на основе обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований новых механических систем, нередко коренным образом преобразующих условия нашей жизни. Подпрыгивающая крышка кипящего чайника и паровая машина, воздушный змей и самолет, фейерверк и баллистическая ракета, волчок и гироскопический компас... Число подобных общеизвестных примеров легко умножить.

Вообще, совершенствование машин, транспортных средств, методов строительства, технологии промышленности и сельского хозяйства, как правило, происходит благодаря использованию принципиально новых явлений. Подтверждениями данного положения могут служить такие факты, как переход от подшипников скольжения к шариковым и роликовым подшипникам, изобретение без балочных перекрытий больших пространств (использование упругих оболочек вместо стержневых систем), постройка кораблей на подводных крыльях (подъемная сила крыла вместо архимедовой силы), производство проволоки методом экструзии (истечение жидкого металла из отверстия под давлением вместо протяжки металла через отверстие матрицы), создание дисковых плугов и многое, многое другое.

Родившаяся в глубокой древности наука механика находится ныне в зрелом периоде своего развития.

Значительны и ответственны задачи механики в области энергетики, при освоении космоса и проникновении в толщу планеты. Вместе с электродинамикой и физикой атомного ядра механика штурмует передовые позиции современной науки в микро- и макромире. Вместе с теорией регулирования, электроникой и теорией информации она составляет научную основу прогресса автоматизации народного хозяйства страны. Механика стала одной из основ гигантского расширения производства новых химических веществ, синтетических материалов и удобрений.

Все вышеизложенное дает некоторое представление о круге вопросов, которыми занимается механика, но этим отнюдь не исчерпывается даже перечень ее разделов. Задачи механики встречаются всюду, чуть ли не во всех естественных науках и их приложениях.

Механика непрерывно развивается, охватывая все новые области естествознания и техники. Многие тысячи исследователей и инженеров постоянно решают с помощью вычислительного эксперимента и расчетов на ЭВМ уже известными методами механики новые частные задачи. Происходит постоянное совершенствование методов механики и расширение понимания изучаемых ею явлений.

Особую роль в развитии механики играет математика. Развитие механики проходило в тесной связи с развитием математических методов. Появление и совершенствование самих математических методов приводило к возможности постановки и решения все более сложных задач механики. В свою очередь, задачи механики стимулировали интенсивное развитие математических методов. Благодаря математике результаты исследований по механике сохраняются в компактном виде на века и становятся известными широкому кругу образованных людей. Математика позволяет механикам "предсказать" многие явления и проанализировать многочисленные частные случаи общей проблему. Этому в значительной мере способствует применение быстродействующих вычислительных машин. Современная вычислительная техника позволила поднять ряд исследований по механики на качественно новый уровень, освободила ученого от необходимости отыскания частых конкретных и от утомительных вычислений.

Так, например, именно вычисления на ЭВМ траекторий движения автоматической межпланетной станции, сфотографировавшей обратную ( невидимую) сторону Луны, привело к важному для космогонии открытию: спутники планет, плоскости орбит которых перпендикулярны к плоскости орбиты своей планеты в ее обращении вокруг Солнца, непременно должны упасть на планету в результате возмущающего притяжения нашего светила. Этим объясняется расположение плоскостей орбит всех спутников (за исключением спутников далекого Урана, где притяжение Солнца слишком мало) под небольшими углами к плоскостям орбит своих планет.

Следует признать, что математическая сложность решения задач механики не является главным препятствием для ее развития. Затруднения часто возникают уже при постановке проблемы, т.е. при ее формулировке как задачи математики. Здесь очень важно суметь выделить в изучаемом явлении действительно главное, правильно выбрав модель среды и дополни тельные рабочие гипотезы. Особенно существенно составление уравнений движения в строжайшем соответствии с основными закона ми механики или их следствиями. Даже малая ошибка в постановке удачи механики зачастую приводит к неверному результату.

Специалистов-механиков готовят на механико-математическом факультете Белорусского государственного университета. В процессе учебы студенты могут выбрать одну из следующих специализаций: компьютерная механика; теория упругости, пластичности и прочности; теория роботов и манипуляторов; автоматическое регулирование и управление сложными системами.

Выпускники получают квалификацию "Механик. Математик-прикладник".