Машины из лучей и струй

Машины из лучей и струй

Механика — одна из древнейших наук. У ее истоков гениальные открытия великого ученого древности — Архимеда. Убежденный в могуществе, которое дает человеку знание законов механики, он, как утверждает предание, однажды воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир!» Среди творцов механики — целое созвездие блестящих имен. Леонардо да Винчи и Галилей, Эйлер и Ломоносов, Ньютон и Остроградский, Лагранж и Циолковский, Мещерский и Чаплыгин и еще многие и многие вложили свой труд в развитие науки о движении тел и влиянии сил.

Законам механики подчиняется все. И стремительный бег планет, и вращение гигантского маховика, и медленное падение пылинки, танцующей в воздухе. По ее формулам рассчитаны и яростное лезвие пламени, рвущееся из сопла реактивного двигателя, и легчайшие взаимосвязи шестеренок в механизме ваших наручных часов, и запутанное движение частиц в потоке воды, вращающем тяжелый ротор гидротурбины. Нет инженера, который не изучал бы в том или ином объеме механику. Что бы ни пришлось проектировать ему — каркас переброшенного через пропасть моста или фундамент высотного здания, обтекаемый корпус подводной лодки или тонкий профиль пропеллера, траектории движения элементарных частиц в камере синхрофазотрона или полет космической ракеты к соседней планете, — всюду придется ему обращаться к механике.

В конечном итоге развитием механики определяется уровень машиностроения.

Но не исчерпала ли эта наука себя, раз уже изучены все возможные взаимодействия тел — твердых, жидких, газообразных — с силами статическими, то есть не изменяющимися ни по величине, ни по направлению, пульсирующими, знакопеременными и т. д.? Не стала ли она в наше время своеобразной инженерной арифметикой, к четырем действиям которой уже ничего нельзя прибавить? Каковы перспективы развития механики в будущем, и не только близком, а и далеком, отнесенном к рубежу XXI века?

С этим вопросом мы обратились к выдающемуся советскому ученому в области механики академику Анатолию Аркадьевичу Благонравову.

— О, нет! — улыбнулся ученый, выслушав наш вопрос. — Даже классическая механика в самом узком-значении этого слова еще отнюдь не исчерпала себя. И не исчерпает, вероятно, никогда.

Механика — одна из самых связанных с практикой наук. И ее развитие идет в ногу с требованиями практики и промышленности.

Оглянитесь назад. На рубеже нашего века лежит рождение авиации. Было ясно: близок день, и летательный аппарат тяжелее воздуха поднимется в небо. Наиболее проницательные ученые предвидели, что именно ему, аэроплану, а не аэростату и дирижаблю, принадлежит окончательная победа над пятым океаном. Техника требовала от науки методики точных расчетов таких летательных аппаратов. И на эти требования ответил своими работами гениальный русский*ученый Николай Егорович Жуковский. Он дал формулы, которые позволили вычислить и подъемную силу крыла, и тянущую силу пропеллера, и толкающую силу корабельного винта, и усилие, передаваемое паром лопатке турбины. Труды Жуковского — это по существу рождение целой новой отрасли механики, называемой ныне аэродинамикой.

Видите, еще и ста лет не прошло, как выделилась из механики целая новая отрасль — со своей особой областью изучения, своей особой методикой, своим особым математическим аппаратом.

А вот и еще более близкий пример. Вы знаете, как увеличил скорость самолета пришедший на смену поршневому реактивный двигатель. Встала реальная возможность создания аппаратов, обгоняющих в полете звук собственного мотора, — встала проблема сверхзвукового полета. Первые же опыты показали, что созданная Жуковским классическая аэродинамика (видите, меньше чем за полвека своего существования аэродинамика стала классической!) уже не удовлетворяет создателей сверхзвуковых самолетов, потому что при таком полете возникает ряд явлений, не укладывающихся в старые представления. И механики изучают новые условия, устанавливают новые закономерности, дают новые формулы. Начало этой совершенно особой области аэродинамики положил в своих теоретических работах выдающийся советский ученый С. А. Чаплыгин. И полет со скоростью, в два и в три раза превышающей скорость звука, перестал уже быть редкостью для современных скоростных самолетов.

Можно привести много примеров из недавнего прошлого, когда в связи с запросами практики возникали целые новые ветви механики. Так, А. Н. Крылов создал теорию непотопляемости корабля. И. В. Мещерский заложил основы механики тела переменной массы. Кстати, к таким телам относится и взлетающая ракета, масса которой все уменьшается за счет убыли сгорающего топлива. Есть и целый ряд других примеров. Так можно ли нашу науку — древнюю механику, от древа которой отпочковалось в самые последние десятки лет множество новых великолепных ветвей, можно ли считать эту науку исчерпавшей себя? Да, конечно же, нет!

В каждой из областей механики есть и сегодня удивительные нерешенные задачи. Вспомните хотя бы течение жидкости в трубе или открытом канале.

Точные формулы описывают такое течение, только если оно осуществляется с небольшими скоростями, — так называемое ламинарное течение жидкости. Но если мы будем постепенно увеличивать скорости течения, у нас характер его вдруг резко изменится: в нем появятся неравномерности, вихри. Такое течение называется турбулентным. В большинстве технических устройств, например в обычном водопроводе, нам приходится иметь дело с турбулентным течением. А рассчитывать его точно мы до сих пор не умеем. Обычно инженеры применяют в таких случаях приближенные формулы.

Но, конечно, особенно стремительно развиваются, особенно важные задачи решают те отрасли механики, которые имеют дело с сверхвысокими скоростями.

Нет, дело не только в том, что космическая ракета, возвращаясь на Землю, входит в атмосферу со скоростью в несколько километров в секунду. Дело в том, что и среда, в которую входит наша ракета, совсем не похожа на те, с которыми имела дело классическая механика. Она очень разрежена, а отдельные ее частицы, движущиеся, как правило, тоже с очень высокой скоростью, ионизированы. Это по существу плазма.

С плазмой встречаются не только возвращающиеся из космического пространства ракеты в крайних слоях атмосферы. С плазмой, имеющей температуру в неколько миллионов градусов, работают ученые, пытающиеся овладеть секретом термоядерной энергии. Плазменный поток из реактивного сопла, позволяющий осуществить прямое превращение тепловой энергии в электрическую, видимо, заменит в ближайшие десятилетия тяжелые паровые и газовые турбины — и с ним работают ученые. Гигантские потоки плазмы фотографируют астрономы, изучающие солнечные протуберанцы. Да и само Солнце и все звезды состоят из плазмы. Радиоголос межзвездной плазмы улавливают чуткие уши радиотелескопов. Можно без преувеличения сказать, что вся Вселенная состоит в основном из плазмы, а вещество в твердом, жидком и газообразном состоянии встречается в ней в виде исключения.

Механика плазмы — газоподобного вещества, взаимодействующего, однако, в противовес газу, с электромагнитными полями, обладающего и другими любопытнейшими отличиями от газа, — только создается. Сколько еще неразгаданного у этой ветви нашей науки!

Несколько слов о машинах и механизмах будущего.

Архимед имел дело с рычагами — системами твердых тел.

Паскаль открыл основные законы гидравлики. По существу с этого времени и начинается широкое применение в машинах и механизмах «жидких звеньев». В настоящее время они не редкость в самых распространенных машинах. Гидравлические прессы на заводах, гидравлические передачи усилий к тормозам легкового автомобиля, гидравлические коробки перемены передач — всего не перечислить.

Но уже — с изобретения английского кузнеца Ньюкомена — в машины пришли пар и газ. Сегодня «газовые звенья» мы можем увидеть в паровых и газовых турбинах, в паровых машинах и двигателях внутреннего сгорания, в ракетных двигателях.

Еще позже своеобразными звеньями механизмов стали электромагнитные поля, лучи света. Да, да. Разве в счетчике готовых изделий, сходящих с конвейера, луч света, падающий от источника на фотоэлемент, не является как бы рабочим звеном механизма?!

Чем ближе к нашим дням, тем чаще встречаются в машинах и механизмах гидравлические, пневматические, электромеханические и электронные элементы. И, как правило, замена механизма из твердых звеньев другим, более современным, ведет к улучшению механизма, и прежде всего к повышению производительности и быстроходности, а иногда и к упрощению конструкции.

Разве не проще прямое превращение тепловой энергии пара во вращательное движение, осуществляемое в турбине механизмом, состоящим из сопла, струи пара и колеса с лопастями, чем такое же превращение в паровой машине при посредстве цилиндра, поршня и массы дополнительных устройств?

И этот процесс внедрения нетвердых деталей в машины и механизмы будущего будет все ускоряться.

Техника будущего — техника сверхвысоких скоростей и сверхвысоких параметров. Можно легко представить, что все механизмы, которым придется иметь дело с температурами, скажем, выше 3500 градусов, не будут или почти не будут содержать твердых звеньев. И все это — бесконечное поле для новых исследований, новых открытий в новых областях механики.

У техники будущего и еще одна черта, которую я не могу не отметить. Это все большее и большее внедрение автоматики.

Нет сомнения, что уже в ближайшие два десятилетия подавляющее большинство промышленных предприятий у нас будут автоматическими и автоматизированными. В первую очередь автоматическими станут те производства, где требуется массовая продукция или где труд людей чрезвычайно тяжел.

Мне представляется, что появятся типовые заводы-автоматы, выпускающие хлеб, конфеты, ткани, обувь, одежду, из промышленных изделий — подшипники, шестерни, может быть, целые коробки перемены передач и т. д. Безусловно, будет полностью автоматизирован подземный труд шахтеров. Человек только изредка будет спускаться в забой, чтобы отремонтировать механизмы.

Автоматы — в том числе и кибернетические автоматы — войдут в быт людей. Нет, это вовсе не беспочвенная фантазия — «домашний» автомат, сначала специализированный, а потом все более универсальный, которому вы, уходя на работу, отдаете распоряжения вытереть пыль в квартире, протереть стекла, приготовить обед… Вечером такой автомат будет читать вам вслух газету или книгу, а, может быть, и подбирать литературу по интересующему вас вопросу.

Думаю, первые такие автоматы появятся даже не в XXI, а в нашем веке.

В последние годы советским ученым много пришлось заниматься вопросами космических полетов. О, как велика в их осуществлении роль автоматики! Ведь человек с его медленной реакцией бессилен управлять стремительными манипуляциями космического снаряда.

Первыми вышли за пределы земной атмосферы автоматы. Они первыми исследовали верхние слои атмосферы, околоземную часть космоса, проложили трассы к Луне. Автоматы населяли и первую в мире советскую искусственную планету, и лабораторию, запущенную к Венере. Я убежден, что и в дальнейшей разведке космоса первыми будут автоматы. Они раньше человека «высадятся» на Луне, на Марсе, на Венере. Они первыми преодолеют пояс астероидов и прорвутся к большим планетам нашей солнечной системы. Они так близко подлетят к Солнцу, как никогда не сможет приблизиться человек.

Есть планеты — такие, как например Юпитер или Сатурн, на которые, может быть, и совсем не ступит нога человека в прямом, а не в фигуральном значении слова. Их исследование смогут осуществить только автоматы. Работающие от ядерной энергии, чрезвычайно надежные автоматические маяки-исследователи в течение столетий и тысячелетий будут передавать по радио сведения о происходящем на зыбком дне метановых атмосфер этих планет…

Но вслед за автоматами всюду, куда можно, придет человек. Автоматы, даже самые совершенные, не смогут заменить глаза человека, его слуха, прикосновения его пальцев.