Примеры гениальных технических решений
Конструкции из треугольников
Из балок, скреплённых на своих концах, например, болтами, можно собрать многоугольники с разным числом сторон. У треугольника это число минимально, и такой треугольник имеет уникальное свойство. Многоугольник с любым большим, чем три, числом сторон, может быть под нагрузкой деформирован без изменения длин сторон - так, квадрат может быть "вытянут" в ромб, прямоугольник может быть "перекошен" в параллелограмм, и т.п. Треугольник же из балок, при условии отсутствия их сжатия-растяжения и гнутия, представляет собой абсолютно жёсткую фигуру даже при шарнирном скреплении концов балок. Вот почему ажурные сооружения, в которых требуется жёсткость при минимальном расходе строительного материала - фермы мостов, башни и стрелы строительных кранов, несущие конструкции перекрытий павильонов, и др. - делаются именно с треугольными элементарными ячейками.
К содержанию
Балансир у каноэ
Жители многочисленных островных архипелагов в Тихом океане делали длинные узкие лодки - каноэ. Обычно их выдалбливали из древесных стволов. Днище такого каноэ имеет полукруглый поперечный профиль, дающий слабую остойчивость по крену - с возможностью лёгкого опрокидывания вбок. Можно повысить остойчивость, если прикрепить к днищу киль - но эта конструкция имеет серьёзные недостатки. Во-первых, непросто сделать такую конструкцию в условиях кустарного производства. Во-вторых, киль существенно ограничивал бы возможности плавания на мелководье. Было найдено решение, свободное от этих недостатков: параллельный корпусу лодки поплавок, отнесенный от корпуса на поперечинах. Такой поплавок играет роль балансира. Каноэ удерживается от опрокидывания в сторону поплавка - из-за его плавучести, а от опрокидывания в противоположную сторону - из-за веса поплавка, действующего через достаточно большой рычаг.
К содержанию
|
|
|
Как поворачивает поезд
Железнодорожные пути проложены с плавными поворотами. Но у машиниста нет ни руля, ни штурвала - он не занимается рулением. Поезд, при соблюдении скоростного режима, сам удерживается на рельсах. Как же он поворачивает?
Обычно те, кто задумываются над этим вопросом, первым делом вспоминают про реборды железнодорожных колёс, которые "не дают поезду съехать с рельсов". На поворотах внешние колеса упираются ребордами о внешний рельс... ну, мол, всё понятно. Да нет, когда реборды трутся о рельс - а они трутся, а не катятся! - это сопровождается диким скрежетом и снопами искр. А, при соблюдении скоростного режима, дело не доходит до контакта реборд с рельсами - даже на поворотах. Проблема решена по-другому. Оба колеса железнодорожной колёсной пары посажены на ось с натягом, в результате колёсная пара может катиться только как целое, без малейших проворотов одного колеса относительно другого. А рабочая поверхность ободов колёс, которая катится по рельсам, сделана конусной - радиус внешней части обода меньше, чем радиус его внутренней части. Эта конусность ободов колёс и обеспечивает автоматическое подруливание. Допустим, колёсная пара вкатывается на участок, где железнодорожная колея начинает уходить влево. Продолжая катиться прямо, колёсная пара сдвигается вправо относительно колеи - и у правого колеса радиус участка конуса, контактирующего с рельсом, оказывается больше, чем у левого. Значит, при одинаковой угловой скорости качения колёс, правое колесо прокатывает больший путь, чем левое - что и означает выполнение поворота влево.
К содержанию
|
|
|
Бочкообразный шкив
Было время, когда в технике широко применялась ременная передача: ведущий и ведомый шкивы соединялись замкнутым ленточным ремнём. При цилиндрической рабочей поверхности шкивов, такая передача вела себя капризно. Небольшие отклонения от параллельности осей шкивов или взаимный поперечный сдвиг шкивов, а также неоднородности в свойствах ремня работать на растяжение - всё это приводило к тому, что ремень соскальзывал с того или иного шкива, даже при наличии на них реборд, препятствующих этому соскальзыванию. Для тех, кто насмотрелся на то, как, на ходу, ремень "перелезает" через реборду и слетает со шкива, решение проблемы произвело шоковое впечатление. Это решение было такое: реборды убрать, а рабочие поверхности сделать не цилиндрическими, а бочкообразными - чтобы, на первый взгляд, максимально облегчить слетание ремня. В действительности, бочкообразные шкивы вытворяли чудеса: даже если в стартовом положении ремень на половину своей ширины свисал со шкива, то, после включения передачи, ремень затягивался на середины шкивов, где выпуклости максимальны - и больше оттуда не уходил.
Чтобы понять, откуда берутся силы, затягивающие ремень на середины шкивов, нанесём на ремень поперечные параллельные штрихи на всю ширину - с шагом, скажем, 1 см. При растяжении ремня, расстояния между штрихами увеличиваются, а локальные силы натяжения, действующие на каждый малый участочек ремня, направлены ортогонально штрихам. Если ремень находится не в середине бочкообразного шкива, а на его краю, то растяжение той кромки ремня, которая проходит по большему радиусу шкива, больше, чем растяжение другой кромки, которая проходит по меньшему радиусу. Значит, нанесённые на ремень штрихи непараллельны: они "расходятся веером". Но силы натяжения, которые действуют на каждый малый участочек ремня, остаются ортогональны этим штрихам. Векторно складываясь, эти силы дают компоненту, направленную в сторону расхождения штрихов, т.е. в сторону увеличения радиуса шкива. Эта компонента сил натяжения и обеспечивает "наползание" ремня на середины бочкообразных шкивов, а также препятствует уходу ремня с них.
К содержанию
|
|
|
|
|
|
Чум, его ветроустойчивость
Традиционным жилищем кочевых народов тундр и лесотундр является чум. Его каркас - несколько шестов, расставленных по круглому периметру и наклонённых к центру; около вершин шесты связаны. На этот каркас навешивается снаружи обшивка из оленьих шкур. После её обвязки, получается жилище почти конической формы. Мы обращаем внимание лишь на одно из многочисленных достоинств такого жилища - его ветроустойчивость. Чум не крепится к земле, на которую он поставлен, но даже сильные порывы ветра не способны опрокинуть его. Секрет - в конической форме чума. Она исключает возникновение, из-за напора ветра, опрокидывающего момента - относительно точки периметра чума, находящейся с подветренной стороны.
Пусть угол, который составляют шесты с землёй, равен 60o. Тогда отрезок, соединяющий точку опоры подветренного шеста и срединную точку наветренного шеста, перпендикулярен этому наветренному шесту. А, поскольку давление на поверхность из-за напора ветра действует ортогонально этой поверхности, то опрокидывающий момент от ветра, попадающего на уровень полувысоты чума, равен нулю. Ветер, попадающий выше уровня полувысоты, создаёт опрокидывающий момент, а попадающий ниже этого уровня - создаёт противоположный момент, который прижимает наветренную сторону чума к земле. Из-за конусной формы чума, эффективная площадь воздействия ветра на нижнюю часть чума больше, чем на верхнюю. Поэтому суммарный прижимающий момент больше суммарного опрокидывающего, и, чем сильнее дует ветер, тем сильнее он прижимает чум к земле. Порывы ветра, которые опрокидывают КАМАЗы и валят опоры линий электропередач, для чума не страшны!
К содержанию
ИЛ-2 - летающий танк
Авиаконструкторы, которые накануне Второй Мировой войны пытались поставить на боевой самолёт броневую защиту, терпели неудачу за неудачей, следуя традиционной схеме: броневыми плитами обшивались каркасные несущие конструкции. Результат оказывался неизменным: сама машина получалась настолько утяжелённой, что она не могла нести почти никакой "полезной нагрузки" - в частности, вооружения. В штурмовике ИЛ-2 было применено революционное решение: сами броневые плиты играли роль несущих конструкций. Броня была сразу и каркасом, и обшивкой всей носовой и средней части фюзеляжа. ИЛ-2 оказался самым крупносерийным боевым самолётом - не только во Второй Мировой войне, но и за всю историю авиации. О его огневой мощи и живучести ходили легенды.
К содержанию
ТБ-7 - шедевр самолётостроения
У каждого винтового самолёта имеется потолок, т.е. предельная высота полёта. Даже если винтовая тяга обеспечивала бы на высоте ту же скорость, что и у поверхности земли, подъёмная сила крыльев на высоте была бы меньше из-за пониженной плотности воздуха - и, начиная с некоторой высоты, горизонтальный полёт стал бы невозможен. Но всё ещё хуже: двигателям, для сжигания топлива, требуется окислитель - кислород воздуха. На высоте плотность воздуха меньше, и, соответственно, там меньше кислорода. Это приводит к неполному сгоранию топлива и к потере мощности двигателями - что существенно понижает потолок.
В 1936 г. в СССР был создан тяжёлый скоростной высотный бомбардировщик ТБ-7. Первые же лётные испытания показали, что, имея потолок в 10 км, ТБ-7 был недосягаем для огня зенитной артиллерии, и, при скорости 430 км в час на высоте 8.6 км - с четырёхтонным грузом бомб! - превосходил там по скорости и манёвренности все серийные истребители того времени. Впервые в истории авиации тяжёлый бомбардировщик превзошёл по лётным качествам истребители! Как стало возможным такое чудо?
"...решение было гениально простым. ТБ-7 имел четыре винта и внешне выглядел четырёхмоторным самолётом. Но внутри корпуса, за кабиной экипажа, Петляков установил дополнительный пятый двигатель, который винты не вращал. На малых и средних высотах работают четыре основных двигателя, на больших - включается пятый, он приводит в действие систему централизованной подачи дополнительного воздуха. Этим воздухом пятый двигатель питал себя самого и четыре основных двигателя. Вот почему ТБ-7 мог забираться туда, где никто его не мог достать..." [С2].
Сегодня это гениальное решение известно многим под термином "механический наддув". Но было время, когда этот секрет охранялся как государственная тайна чрезвычайной важности.
К содержанию
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 535; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!