По страницам старых публикаций

1. КОНВЕЙЕР ВРОДЕ... ДЕЛЬФИНА

Несколько лет назад кандидат технических наук Н. 3. Гармаш решал сугубо практическую задачу: как увеличить скорость ленточного конвейера — устройства, в принципе очень простого. Напомним вкратце, что он собой представляет. Бесконечная лента огибает два барабана. На валу одного из барабанов установлен электромотор.

Конвейеры бывают длиной в десятки и сотни метров, поэтому снизу ленту поддерживают ролики, установленные на металлической раме. Такие конвейеры — труженики из тружеников: ежегодно сотни миллионов тонн горных пород транспортируют они.

Но что в этих механизмах может помешать увеличению скорости транспортировки? Увеличивай, казалось бы, обороты ведущего барабана, и все. Однако скорость самых быстроходных конвейеров не превышает 12—14 метров в секунду.

На одном из карьеров в Донбассе, где добывают огнеупорные глины, Николай Захарович со своими сотрудниками испытывал новый конвейер. Скорость поднимали постепенно. Стрелка прибора плавно приближалась к середине шкалы, как вдруг ее резко толкнуло вперед. А на резиновой ленте в тот же самый момент появились волны: сначала едва заметные, словно на водную гладь подул легкий ветерок, потом все более и более сильные... Никто не успел и слова сказать, как разразился настоящий шторм! Извивающаяся лента захлопала по роликам и оборвалась.

Сомнений ни у кого не возникало — это резонанс. Тот самый резонанс, что способен разорвать в куски ротор турбины, изготовленный из лучшей стали, разрушить в воздухе самолет, когда он преодолевает звуковой барьер (в авиации это явление получило название «флаттер»), обрушить мост, по которому в ногу шагает колонна солдат... Суть явления проста. Каждый предмет, механизм — от кастрюли и детского мячика до самолета и ледокола — имеет так называемые собственные частоты колебаний. Они зависят от геометрии тел, от физических свойств материала. Когда внешняя периодическая сила воздействует на колебательную систему с частотой, равной частоте собственных колебаний этой системы, амплитуда колебаний резко нарастает. Это и есть резонанс — коварный и опасный враг машин. И если это грозное явление сегодня случается крайне редко, то заслуга здесь принадлежит ученым и инженерам, научившимся с ним бороться.

Что могло стать причиной резонанса в конвейере? Например, частота падений на ленту массивных кусков породы сравнялась с собственной частотой колебаний натянутой ленты.

(Кстати, помните, изобретатель Крукс у А. Грина говорил как о главном условии полета о «согласованности звона»? Не имел ли он здесь в виду резонанс? Ведь резонанс, в сущности, и есть «согласованность», точнее, совпадение частот колебаний.) Испытания были прекращены. Быстроходного конвейера не получилось.

Но исследователь есть исследователь. Он продолжал размышлять. На его глазах вдруг высвободилась огромная энергия: разорвать армированную прочными синтетическими волокнами ленту под силу разве что десятку мощных тягачей. Но неужели резонанс может быть только врагом машин? Прежде всего надо было проштудировать специальную литературу о резонансе. Вечера после работы на многие недели посвящались только этому. Но главную «зацепку» в своем поиске Николай Захарович нашел в книге по... биофизике, где приводились результаты исследований движения рыб и дельфинов.

Это очень важный для нашего рассказа этап. Поэтому остановимся на нем подробнее. Феноменальную скорость дельфинов прежде объясняли удивительной обтекаемостью, работой специальных желез, выделяющих своеобразную смазку, которая уменьшает трение о воду. Но главный секрет быстроходности, как теперь выяснилось, в другом. По телу дельфина от головы к хвосту постоянно бегут кольцевые волны. Скорость, с которой они перекатываются, всегда равна скорости движения самого дельфина в воде. Частицы воды, прилегающие к поверхности тела животного, перемещаются в этом случае только в вертикальном направлении. Это легко представить по такой аналогии: морская волна раскачивает нас вверх-вниз, но не уносит с собой, а оставляет почти на том же месте. Иными словами, прилетающий слой воды дельфин вслед за собой не сдвигает, а значит, и трения о воду он почти не испытывает!

Почему дельфин «выбрал» именно такой способ борьбы с трением? Дельфин использует энергетические выгоды... резонанса! Способ возбуждения дельфином резонанса можно понять на несложном опыте.

Возьмите, например, автомобильную камеру, накачайте ее и откройте ниппель так, чтобы воздух понемногу выходил наружу. Затем попробуйте размеренно ударять по ней с частотой один-два удара в секунду: при определенной плотности воздуха в камере можно заметить, что она начинает резво подскакивать. Это и есть резонанс. Когда камера потеряет еще какое-то количество воздуха, эффект пропадет. Можно поставить этот опыт и несколько иначе. Подобрать при закрытом ниппеле частоту ударов так, чтобы камера начала подпрыгивать. Если это повторить несколько раз, легко убедиться в том, что чем сильнее накачана камера, тем больше частота ударов ладонью, на которую она «откликнется».

Дельфин применяет тот же способ. Только «накачивает» он себя сам. Под кожей у него много разветвленных сосудов, которые он может мгновенно заполнять кровью, меняя плотность той или иной части тела. Когда ему надо плыть быстро, сосуды «накачаны» сильнее. Резонансная частота дельфина при этом велика, и волны по его телу бегут тоже с большей частотой. Нужно плыть медленнее — давление в сосудах падает, бег волн замедляется.

...Конвейер тоже резонирует, но, увы, с печальными для самого себя последствиями.

Что дал экскурс в бионику? На первый взгляд ничего конкретного. Однако он ясно показал: резонансом в принципе можно управлять.

2.ОТ ПРАКТИКИ К ТЕОРИИ

Первый лабораторный эксперимент был на удивление прост. Вы его легко можете повторить в школьном кабинете физики.

В слесарных тисках концу привязали кусок магнита и почти вплотную к нему поставили катушку электромагнита, подключенную к генератору звуковых частот. Частоту генератора плавно изменяли, подбираясь постепенно к частоте резонанса. Когда он наступил, полотно ножовки превратилось в сверкающий веер, а миллиамперметр, которым измеряли проходящий через электромагнит ток, тотчас «зашкалило». Опыт прекратили. Полотно ножовки докрасна раскалилось за считанные секунды. Причина нагрева была очевидна — резонанс. В резонирующем полотне усилилось так называемое вязкое трение.

Второй опыт. Все сделали как и в первый раз, но, едва только начался резонанс, амплитуду колебаний генератора уменьшили. Сначала в десять раз, потом еще в десять, потом еще... Полотно продолжало колебаться с прежним размахом, амплитуда колебаний почти не уменьшилась. Ведь частоту колебаний генератора не изменяли, так что она все время оставалась резонансной. Миллиамперметр показывал, что потребление тока резко уменьшилось... Через несколько минут аппаратуру отключили. Полотно было едва теплым, оно просто не успело остыть после первых сильных колебаний.

Этот нехитрый эксперимент наглядно продемонстрировал, что резонанс можно держать под контролем.

Но от этого удачного опыта до реального конвейера было еще далеко. Конвейер — это машина. Любая машина начинается с формул. А та, что он задумал, в которой резонанс стал бы помощником, тем более. Нужна теория — теория резонансных машин.

3.ЭТО БУДУТ КВАНТОВЫЕ... МАШИНЫ

Николай Захарович довольно скоро понял, что на базе классической механики теорию резонансных машин не построить. Рассчитать их можно только при помощи понятий и формул квантовой механики. Иными словами, пришлось обратиться к той области науки, которая до сих пор занималась электронами, протонами и другими элементарными частицами. Почему для расчета машин из стали и пластмасс могли пригодиться законы неосязаемого микромира? Из школьного курса физики мы знаем, что элементарные частицы микромира имеют двойственную природу — корпускулярную и волновую. То есть электрон — это и частица и волна. Но ведь и в резонансной машине должны согласно работать и волна и механика. Здесь же одинаково важны и механические и волновые свойства.

Из школьной физики нам известна формула знаменитого французского физика Луи де Бройля, которая позволяет вычислить длину волны элементарной частицы. Вот она: длина волны равна постоянной Планка, деленной на произведение массы частицы и ее скорости. Оказалось, что и у резонансных машин тоже есть своя постоянная, только для каждой из них, будь то конвейер, станок, турбина, она разная. И теория Н. З Гармаша позволяет эти постоянные вычислять.

...Вот теперь можно было вернуться к резонансному конвейеру. И он был создан Экспериментальный образец показал невиданные скорости, в несколько раз превышающие скорости обычных конвейеров.Теория открыла поистине необозримые горизонты для изобретений принципиально новых машин, устройств в самых разных областях техники.

Возьмем, например, квантовый механический аккумулятор. Вы читали, наверное, об автомобилях, у которых вместо двигателя стоит раскручиваемый до огромных скоростей массивный маховик. Максимальный пробег таких машин не превышает тридцати километров. Большего не удается достичь из-за того, что никакая сталь не может выдержать действия центробежных сил

Так вот, эксперименты Н.З. Гармаша показали, что сталь может вполне заменить резина! Резиновый маховик раскручивают до скорости всего семь-восемь тысяч оборотов в минуту. По периметру маховика начинает свой бег резонансная волна. Круговой маховик превращается сначала в эллипс, потом в своеобразный цветок с тремя-четырьмя и более лепестками. Каждый такой лепесток — своеобразный квант энергии. Скорость вращения маховика при этом почти не изменяется. поэтому центробежные силы ему не так страшны.

У такого маховика есть, конечно, свой предел. Пока не удалось получить «цветок» более чем с двадцатью лепестками. Но уже и того достаточно, чтобы автомобиль проехал полторы тысячи километров! Еще одно резонансное устройство, придуманное в лаборатории Н. З. Гармаша, — резиновый... отбойный молоток. Он легко крушит скальную породу.

Представьте себе резиновый стержень заключенный в легкий кожух. Резина, правда, не простая, а магнитная, такую, к примеру, используют в холодильниках. На стержень надет электромагнит, а к нему подключен наш старый знакомый — генератор низкой частоты. Магнитная резина реагирует на переменное магнитное поле как полотно ножовки, только полотно колебалось в одной плоскости, а в стержне возникают кольцевые волны как на теле дельфина. Частота генератора подобрана так, что в стержне возникает резонанс, который направляет свою разрушительную силу в горную породу.

Вообще Николай Захарович считает, что резина и пластмассы станут для новых резонансных устройств материалом «номер один». Из них можно будет делать даже рельсы. И по ним побегут поезда без локомотивов, подобно тому как на морской волне мчится пловец на серфинге.

А быть может, завтра родится идея квантового самолета! И тогда в полной мере сбудется фантазия Алесандра Грина.

А. Фин, инженер
Рисунки В Лапина,  Ю.Т 1982г.

Читайте также: Cекретные материалы