Техника-молодежи №9 2000 г
 
 
ГЛАВНАЯ
СОДЕРЖАНИЕ
ВПЕРЕД
НАЗАД

Ровно год назад, в «ТМ», № 9 за 1999 г., была опубликована статья профессора Ю.М.Ермакова «Вперед, к природе!». В ней показывались огромные резервы механизмов и деталей машин по трудоемкости и металлоемкости и пути их сокращения при одновременном улучшении технических характеристик. Каждый из нас, если подумает, найдет такие резервы в предметах своей области знаний, своей профессиональной деятельности: и в сельском хозяйстве, и на транспорте, и в энергетике, и в коммунальном хозяйстве, в добыче полезных ископаемых, в использовании вторичного сырья, в машиностроении, медицине...

Когда уступчивость сильнее

Это означает, что человечество без дополнительных затрат, а наоборот, с высвобождением материалов, сырья, энергии может наращивать производство товаров народного потребления. Для этого требуется в развитии производительных сил переместить центр тяжести на технологии, то есть на способы и процессы, с помощью которых производятся все окружающие нас предметы и продукты питания.

По многочисленным просьбам читателей мы решили продолжить своего рода презентацию, публикацию выдержек из книги Ю.М. Ермакова «От древних ремесел к технологиям будущего» (подготовленной, но, увы, еще не изданной) - на эту тему из области машиностроения, как наиболее затратной по всем слагаемым технологических процессов: сырью, энергии, трудоемкости, транспорту, надежности, долговечности.

Красной нитью в них проходит мысль, что конструкция и технология взаимосвязаны. Хорошая конструкция технологична, и наоборот, «некрасивая машина не полетит». Технологичность - своеобразный комплексный индикатор качества изделия в целом. В конечном же счете, все - взаимосвязано: человек, природа, машина, удовлетворение жизненных потребностей... И если последние предполагают рыбалку, купание в первозданной речке, грибы и лесной бор на окраине города, белок и дятлов даже на центральных улицах, то и цены на эти «услуги» должны быть заложены в технологиях, по туристскому прейскуранту. Именно тогда мы станем не туристами, а хозяевами у себя на родине, да и на всей планете.

Гармония не только красота, но и единство конструкции и технологии

Сравнение астрономических размеров гигантского молота и крошечных ручных часов невольно заставляет задуматься о существовании рационального начала в машиностроении, об общности законов механики при столь разительной несхожести механизмов (рис. 1). Все они, гиганты и малютки, нуждаются в запасе прочности, в надежности работы. В одних случаях это объясняется желанием повысить прочность, в других - придать рациональную форму, в третьих - неточностью расчетов. В старой технической литературе (70-летней давности) коэффициент запаса назывался коэффициентом незнания. Однако как бы его не именовали, он действует вопреки житейской поговорке «запас не тянет», и часто приводит к перерасходу металла и энергии, дополнительным затратам труда. Уменьшение массы требует времени, изящество конструкции - еще больших затрат времени и... риска: если машина сломается, спросят с конструктора. Но лишняя, ради запаса, масса конструкции крайне вредна. В тяжелом машиностроении она приводит к провисанию траверс и балок, прогибу и потере устойчивости колонн и стоек под действием собственной силы тяжести; появляются трещины в корпусных деталях, «ползут» и безвозвратно деформируются точные узлы и блоки.

Не лучше обстоит дело и в легком машиностроении, в приборостроении, в полупроводниковом и электровакуумном машиностроении. Сколько, к примеру, весит пустая колба обычной электрической лампы? А ножка (основание на цоколе лампы для крепления электродов) или штенгель (стеклянная трубка для откачки воздуха из колбы и крепления держателей накаливания)? Соответственно 15, 5 и 3 г - майский жук и тот тяжелее, но, заметим, летает сам; а деталь-пушинку подает на сборку железная рука с клещами, которая в тысячи раз превосходит по массе пустую колбу.

Другой пример. В откачных и заварочных машинах для электрических ламп червячное колесо карусели имеет зубья высотой 5 мм. Таким образом, для поворота карусели с силой 30...50 Н колесо имеет тысячекратный запас прочности. А сделать зубья поменьше как-то несолидно: редукторчик получится малюсенький, и если по нему подгонять остальные механизмы, то машина выйдет несоизмеримо малой по отношению к человеку. Работать на ней - все равно, что взрослому сидеть за партой первоклассника. Вот и конструируют узлы по антропометрическим требованиям - по размерам человека (рис. 2). При таких запасах на прочность опытные конструкторы предпочитают совсем не рассчитывать узлы: иначе расчеты спровоцируют автора на диспропорции машины.

В среднем машиностроении дела обстоят получше, но только с наиболее нагруженными и тихоходными узлами, а во вспомогательных механизмах и в быстроходных передачах скрываются немалые излишки материалов, резервы трудоемкости изготовления.

Строительство, с точки зрения экономии материалов, развивается более эффективно, чем машиностроение. На смену громоздким виадукам римлян пришли ажурные и невесомые вантовые мосты. Устойчивые иглы телебашен в десятки раз превзошли по высоте массивные, но все же падающие Невьянскую, Бухарскую, Пизанскую башни. Высота Останкинской телебашни 536 м. Ее вершина раскачивается на 14м. Если бы телебашню спроектировать по нормам общего машиностроения, то ее пропорции соответствовали бы Вавилонской, которая рухнула недостроенной, по-видимому, не из-за смешения языков, а под действием собственной силы тяжести.

В условиях возрастающего дефицита материалов, истощения сырьевых ресурсов требуются научные рекомендации по принципиально новым конструкциям как легких и малонагруженных узлов, так и чрезвычайно тяжелых, перегруженных собственной массой. Перед машиностроителями и технологами открываются необозримые возможности в совершенствовании конструкций, включая и опыт по предварительно напряженным деталям, материалоэкономным, оболочковым сооружениям. Гармония механизма - это не только красота, но и единство технологии и конструкции, в котором нет места излишествам.

Используя память металла

Память присуща и неживой природе (рис. 3). Перегните плавно под прямым углом полоску фольги или плотной бумаги - получите тонкостенный угольник. Сожмите поперек любой его конец. Тогда другой повернется на угол, пропорциональный сжатию. При достаточном усилии угольник выпрямляется в полоску. Наблюдательный экспериментатор заметит, что она при этом приобрела форму желоба, который и обеспечивает продольную устойчивость полоски.

Можно и не перегибать, а легонько взять за край бумажную ленту - она сама прогнется под собственным весом. Сжимайте пальцы. Провисшая лента оживает, поднимается, распрямляется, смещая зону перегиба к свободному концу. Поиграем, сжимая и разжимая полоску. Она кивает и выпрямляется в такт игре. Забавно. Но вполне объяснимо: реагирование на усилие - следствие упругости бумажной ленты.

Упругие элементы (пружины, мембраны, сильфоны и т.д.) известны давно, но скрытые в них резервы по оптимизации конструкции используются мало. Бросается в глаза их способность запасать энергию впрок, чтобы затем отдать ее для обратного хода механизма. Очевидна и компенсация неточных размеров и ходов механизмов. Специалист добавит высокую демпфируемость, т.е. способность гасить вибрации. Но главное свойство упругого элемента заключается в способности совмещать функции двух и более деталей, заменять несколько простейших кинематических пар. Это свойство позволяет существенно упрощать конструкции, экономить материалы, снижать трудоемкость изготовления. Оно похоже на энергетическую память формы никель-титановых сплавов - нитинолов, которые так и называют - сплавы памяти. Детали из нитинолов, имеющие заданную форму при температуре 20°С, при нагреве превращаются в причудливые фигуры, «вспомнив» формы, приданные им ранее горячим деформированием. После охлаждения детали снова принимают невинный вид. Память упругих элементов может проявляться и при механическом воздействии.

Вот перед нами трубка Бурдона - запаянное с одного конца металлическое полукольцо, сообщающееся с источником давления (рис. 4). Овальное или эллиптическое сечение трубки под действием внутреннего давления деформируется в окружность. При этом продольные волокна металла, стремясь сохранить свою первоначальную длину, заставляют полукольцо разгибаться. Это свойство более века используется в манометрах для регистрации давления жидкости или газа. Но трубку Бурдона можно применить в совершенно ином назначении: в качестве стопора или фиксатора вращающихся и поступательно движущихся частей машин. Например, при подаче давления свободный конец трубки распрямляется, входит в гнездо карусели и удерживает ее от вращения. Когда давление сбрасывается, трубка под действием упругих сил возвращается в исходное положение и освобождает карусель. Замена шарнирно-рычажных фиксаторов трубкой Бурдона значительно упрощает механизмы и облегчает их дистанционное (на расстоянии) управление. Если полукольцо Бурдона многократно повторить, то получим цилиндрическую пружину с поперечным ходом (при сжатии расширяется, при растяжении сжимается). Но расширение настолько мало по сравнению с продольным сжатием, что практически не находит применения в механизмах. Гораздо эффективнее эластичная оправка, на которую при растяжении можно надеть, а при возврате в первоначальное свободное положение - закрепить несколько различных деталей (рис. 5).

Бесшарнирная конструкция как нельзя кстати подходит для передач в вакууме. В его бездыханной среде настолько возрастает трение и уменьшается теплоотвод, что трущиеся детали «схватываются». Хотя вредное явление схватывания и использовано изобретателями в сварке трением, но от этого механизмам не легче: в вакууме нужно работать, а не свариваться!

...Однажды я заметил, как мальчик, играя, сжимал и отпускал коробку из-под сигарет. Ее крышка то открывалась, то закрывалась. Как тут удержаться и не попробовать самому. Крышка запрыгала веселее: размах колебаний достигал 90°. Мы так увлеклись, что, в конце концов, смяли «игрушку». На коробке остались следы изгибов в местах сжатия. Задумался: где это я уже видел? Ну, конечно! Мальчишеские игрушки из целлулоида, которыми давным-давно развлекались в школе: забавные хлопушки из фотопленки, прыгающие лягушки и чертики. Нажмешь на такую целлулоидную лягушку - и ноги ее разъедутся, отпустишь - лягушка подпрыгнет. Хлопушка еще веселее. Громко щелкает до тех пор, пока на целлулоиде не появится трещина. Веселое оригами! Оригами, в переводе с японского, - формирование чудесных фигурок: корабликов, журавликов, голубей, пилоток... перегибанием листа бумаги.

А нельзя ли использовать принцип «оригами» в настоящих механизмах? Вот один из них: предельно простой механизм - захват П-образной формы для плоских деталей (рис. 6, а). Плечи захвата могут подниматься при поперечном сжатии центральной его части и опускаться при ее освобождении. Плавные перегибы плеч увеличивают их угловой ход и повышают циклическую выносливость захвата. Отсутствие шарниров исключает кинематические пары трения и обеспечивает упругий захват деталей различных форм и размеров. Диапазон размеров определяется длиной плеч. Если длина плеч равна половине зева в исходном положении, то при полном раскрытии захвата длина зева вдвое превышает первоначальную. Это означает, что отношение наибольшей и наименьшей длин захватываемых деталей равно двум. При длине плеч, равной зеву, диапазон длин деталей равен трем, а при длине плеч, равной удвоенному зеву, - пяти! Подумать только, длина удерживаемой детали в пять раз больше зева! Анаконда, проглатывающая антилопу, кажется жалкой в сравнении с таким «прожорливым» захватом.

Еще проще - всего с одним перегибом - захват грейферного типа, от немецкого greifen - хватать. Он хватает по тому же принципу преобразования поперечного сжатия в поворот плеч-челюстей (рис. 6, б). Его челюсти, как у цветка львиный зев, образованы плавным изгибом пластины, имеющей вырез в центральной части.

Если отогнем плечи пластины в разные стороны, то получим S-образный механизм. Прогиб его центральной части вызывает однонаправленный поворот плеч (рис. 6, в). Такие качательные движения совершают дозаторы, заслонки трубопроводов, отсекатели деталей. Остановимся подробнее на работе отсекателя для поштучной подачи цилиндрических деталей (рис. 6, г). Он состоит из С-образной упругой заслонки с отогнутыми плечами, толкателя и вертикальной трубки. В нижней части трубки имеется боковое окно, в которое своей кромкой входит верхнее плечо заслонки. Нижнее плечо перекрывает выход трубки. Трубка заполняется деталями. При сжатии толкателем центральной части заслонки нижнее ее плечо открывает трубку, и одна деталь падает вниз, в позицию обработки. Следующая деталь удерживается верхним плечом заслонки. При обратном ходе толкателя все наоборот: трубка снизу перекрывается, а верхнее плечо освобождает деталь, и та опускается на нижнее плечо. Цикл повторяется с частотой хода толкателя. Отсекатель прост, и надежно работает в вакууме и агрессивных средах.

На первый взгляд, упругодеформируемые механизмы машут «крылами» вопреки классической теории сопротивления материалов (сопромата). Из этой науки известно, что при поперечном сжатии жесткого профиля его торцы поворачиваются на очень малый угол - всего в несколько угловых секунд. Явление это называется депланацией. Любое превышение «секундного» угла приводит к разрушению профиля - таков неумолимый вывод сопромата. Но вот парадокс! При депланации - угловые секунды, а при сжатии упругого профиля поворот плеч на 90° - в тысячи раз больше. Не в первый раз практика опережает теорию, но, заметим, новые явления не противоречат физическим законам.

Сегодня известно несколько десятков упругодеформируемых механизмов. Всех их объединяет общий признак: тонкостенный упругий элемент А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, 3, И... (смело продолжайте до конца весь алфавит)-образной формы, сжимаемый в поперечном направлении толкателем. Реагируя на сжатие, плечи, крылья, полки или стенки поворачиваются и совершают сложные движения: берут заготовки, перемещают ползуны, закрывают и открывают каналы, распределяют потоки деталей. Самый удивительный признак этих механизмов - отсутствие шарниров, обязательной принадлежности любого рычага. Функции шарнира выполняет перегиб плеч. Механизм чрезвычайно прост - вместо многозвенной рычажной системы один-единственный упругий элемент. Отсутствие шарниров - тех же узлов трения - позволяет уверенно работать в экстремальных условиях: в вакууме, в открытом космосе, в морских глубинах и земных недрах, в запыленной и загазованной атмосфере. Жаропрочный и коррозионностойкий материал захвата не боится воздействия агрессивных сред, морской воды, ядовитых испарений. А кроме пластины и толкателя, в механизме больше ничего нет - ни сопряжении, ни передаточных звеньев.

Простота и невесомость деформируемых механизмов открывает им путь в микро- и нанотехнику, микроэнергетику. К примеру, микроэнергетика. Известно, что электрический ток можно получить практически из любого объекта - яблока, картофеля, куска льда; да и сам человек является электрогенератором. Достаточно, например, к яблоку подключить два миниатюрных электрода, чтобы в цепи появилось напряжение. Оно очень мало - десяток милливольт, но, сконцентрировав его импульсным генератором, можно периодически выдавать сигнал в тысячи раз мощнее. Мощности, запасенной в яблоке - химическом элементе, вполне достаточно для питания микроаппаратуры управления, измерительной техники, бытовых приборов, различных микромеханизмов, переключателей. Именно для них предназначены простые и невесомые упругодеформируемые механизмы.

Другая эффективная область применения - исполнительные механизмы вакуумного, химического, термического оборудования: вводы, заслонки, отражатели, дозаторы; целевые механизмы: захваты, рессоры, отсекатели, кантователи, транспортные устройства и даже погрузчики. Огромное поле деятельности для конструкторов и изобретателей.

Шар в шаре - новый эффект.

Попробуйте в сильный мороз пускать мыльные пузыри - оболочки мгновенно замерзнут, и прозрачные шары, словно мячики, начнут прыгать по снегу. Поражает прочность замороженных пузырей, таких хрупких на вид. По единодушному мнению ученых, природа создала пузыри специально, чтобы человек мог наблюдать ее замечательный принцип - максимум экономичности при минимуме затрат (рис. 7).

Удивительная фигура - шар! У него нет углов и полная симметрия. При одном и том же объеме среди всех геометрических тел он имеет наименьшую поверхность. Вот почему все жидкости в свободном пространстве, особенно в невесомости, не связанные избыточными силами, стремятся принять форму шара: расплавленные оболочки, мыльные пузыри, капли, шаровые молнии...

Больше всего повезло шару в научных исследованиях, в технических изобретениях. Немало открытий в механике, гидравлике, аэродинамике, теплотехнике связано с его формой. Полый шар Герона Александрийского (1 в.), распираемый давлением пара, вращается под действием вытекающих из трубок паровых струй - прообраз паровой турбины (от греческого слова «эолопил»). Напротив, полые полушария, из которых бургомистр немецкого города Магдебург Отто фон Герике откачал воздух, не могли оторвать друг от друга двумя восьмерками лошадей. Это занимательное для бюргеров зрелище 8 мая 1654 г. в окрестностях Рюгенсбурга, в присутствии императора Фердинанда III и князей вошло в историю открытием еще одного явления природы - силы атмосферного давления.

Несмотря на эпоху религиозных и политических потрясений, опустошительных войн - ведь только недавно закончилась 30-летняя война католиков Габсбургов с протестантами, - опыты фон Герике, толстяка, весившего 120 кг, над невесомым «безвоздушным пространством», вызвали огромный интерес у общественности. Суть опытов в следующем. Два полых медных полушария имели по четыре кольца, через которые продевались канаты, привязанные к упряжи лошадей. Одно из полушариев имело кран, через который можно было откачать воздух. Чтобы препятствовать проникновению воздуха снаружи, между полушариями было зажато кожаное кольцо, пропитанное смесью воска и скипидара. В кран была вставлена трубка вакуумного насоса. Когда был удален воздух из шара, атмосферное давление так крепко прижало полушария, что 16 лошадей рывком не смогли их разнять. Когда же полушария, уступая всей силе лошадей, разъединялись, то раздавался грохот, как от выстрела пушки. Вакуумная бомба.

Не менее занимательное явление наблюдал несколькими годами позже молодой Исаак Ньютон, когда рассматривал пену у берега реки. На пышной бело-желтой поверхности пены встречались совершенно темные области, похожие на ямки. Ньютон подносил к этому месту иголку - и. ..лопался черный пузырь, самый тонкий из всех. Его пленка была тоньше длины волны видимого света - десятые доли микрометра (0,4 мкм) - и не отражала свет. 22-летний Ньютон задумался над этим явлением и семь лет спустя (1672) опубликовал классическую теорию света и цветов.

Некоторые ученые полагают, что шаровая молния есть не что иное, как заряженный водяной пузырь. Тогда становится понятной и различная окраска шаровых молний. Она зависит от соразмерности толщины оболочки с длинами волн светового спектра: желтая - толщина 0,85 мкм, оранжевая - 0,61 мкм, бело-голубая - 0,52 мкм, черная - 0,4 мкм. Выдувает пузыри из водяных капель и заряжает их обычная молния. Дело в том, что во время грозы напряженность электрического поля Земли повышается в тысячи раз. Линейная молния, задев каплю или даже создав вокруг сильное поле, раздувает ее, если в ней имеется какая-нибудь неоднородность - пылинка, песчинка. Сопротивление электрического тока на песчинке резко возрастает, и вода начинает разлагаться на кислород и водород - составляющие плазмы. Конечно, в природе все происходит намного сложнее, иначе после грозы шаровые молнии тучами летали бы вокруг нас. Нужно, чтобы одновременно совпали десятки тысяч разных условий - и величина заряда, и размер капли, и чистота воздуха. Возможно, в будущем человечество создаст аппараты, летающие под действием атмосферного, статического электричества, а пока летают воздушные шары легче воздуха.

«Ну вот и полетел!» - радостно воскликнул изобретатель воздушного шара Жозеф Монгольфье после того, как добровольные помощники обрубили веревки, удерживавшие его изобретение на земле. Произошло это событие в тихий июньский день 1783 г. на площади французского городка Анноре. Наполненный горячим дымом и увлекаемый восходящим теплым потоком монгольфьер, под восторженные крики толпы, все быстрее поднимался вверх.

Два с половиной месяца спустя, 19 сентября, в воздух поднялся первый в мире экипаж: баран, утка и петух. Компания, подстать бременским музыкантам братьев Гримм, благополучно приземлилась, что вызвало огромный восторг короля Людовика XVI и его подданных. В честь признания заслуг барану было присвоено гордое имя Монт-о-съель (Поднимавшийся в небо) и назначен пожизненный пансион на королевском скотном дворе.

После успешного испытания монгольфьера от желающих совершить первый полет не стало отбоя, но король, слывший гуманистом, не хотел рисковать жизнью добропорядочных граждан. «Первым полетит приговоренный к смерти преступник, - объявил он. - Вернется - будет помилован, не вернется - на то божья воля».

Прослышав о монаршьей воле, первым ко двору примчался Пилатр де Розье, молодой ученый-физик. «Ваше величество! - взмолился де Розье. - Человечество никогда не простит Ваше величество, если первым покорителем воздушного океана станет преступник. Умоляю, сир, окажите честь лететь мне!». Король заколебался.

Немедленно сыскался и второй пилот, маркиз д'Арланд. 21 ноября 1783г. они поднялись в воздух и пролетели над Парижем. Полет продолжался около 20 мин. Аэронавты не очень устали, но очень вспотели - шар был наполнен горячим дымом. После приземления сюртук Пилатра де Розье бы разорван восторженными зрителями на сувениры в память об историческом полете. Тысячелетиями люди наблюдали, как дым поднимается к небу, но впервые братьям Жаку Жозефу Монгольфье во Франции удалось использовать его подъемную силу. В числе знатных гостей, присутствовавших на старте . подписавших акт о подъеме отважных воздухоплавателей был и великий американец Бенджамин Франклин.

Истины ради надо упомянуть нашего подьячего Крякутного, который в 1731 г. поднялся на своем мяче, наполненном «поганым» дымом, выше колокольни в Рязани. Его выгнали из города за использование нечистой силы. Не помогло и присутствие на зрелище воеводы. Разные эпохи и разные судьбы одного и того же изобретения. Сегодня красочные парады величавых шаров все чаще радуют современных горожан.

Несколько лет назад в Институт патентной экспертизы поступила заявка на подъемное устройство. Его конструкция так же проста, как и конструкция первых монгольфьеров; отличает их сущий пустяк - несколько наполненных газом оболочек вместо одной (рис 8). «Постыдитесь это же XVIII век», корили эксперты Когда же разобрались, что совокупность оболочек представляет собой не гирлянду однотипных шаров,а воздушную "матрешку" стало ясно, что придется вернуться в конец XX столетия Три воздушных шара, один в другом без завязок, запирают друг друга, лишь один из них внутренний - перевязан в мундштуке. Такая система заметно повышает надежность летательных аппаратов внешние оболочки защищают внутрение от повреждений и от утечек газа. Вложенные друг в друга шары позволяют отказаться от балласта - мешков с песком, которые сбрасывают для поддержания высоты по мере уменьшения подъемной силы. Самое удивительное, балластом можно зацепиться за землю, и на этом закончить полет. Расскажем трагический финал нескольких попыток облететь вокруг земного шара на аэростате «Ветры Земли». Экипаж аэростата из трех аэронавтов подобрался замечательный: наш космонавт и художник, дважды Герой Советского Союза Владимир Джанибеков, американец Дон Мозес, конструктор и предприниматель, который полностью посвятил себя реализации проекта, и командир Ларри Ньюмен, бывалый летчик и воздухоплаватель.

По смелому замыслу оживших героев Жюль Верна - облететь земной шар на аэростате, предполагалось в качестве движущей силы использовать ветры земли. Как парусный корабль использует морские ветры для кругосветного путешествия, так и гигантский воздушный баллон следует ветрам вверхних слоях атмосферы. Но задача, которую поставили перед собой аэронавты, посложнее одиссеевской: на шаре парусность постоянна и неуправляема. На шаре не скомандуешь, как на корабле: «Поставить фок и грот-паруса, спустить грот-бом-брамсели, поднять верхние кливера!». Маневрировать можно только высотой: сбрось балласт, добавь балласт!». А как его добавить? Вот здесь-то отважные исследователи и проявили находчивость: взяли в качестве балласта второй шар, наполненный воздухом. Воздуха вполне достаточно даже в верхних разреженных слоях атмосферы. Подкачивая его компрессором в балластный шар, аэронавты увеличивают вес и опускаются, а стравливая, поднимаются в нужный воздушный поток. Но вот беда, соединенные вместе подъемный и балластный шары являют собой громоздкое сооружение высотой 115 м. «Некрасивая машина не полетит», - любил говаривать известный авиаконструктор и тоже художник О.Антонов Как бы подтверждением тому является третий неудачный запуск аэростата «Ветры земли». Первая попытка была сделана в 1991 г. в местечке Рино, штат Невада. Тогда штормовой ветер разметал в клочья балластный шар, а вместе с ним и подъемный, причаленный к гигантской мачте. Старт отложили на следующий год. Уже в другом месте подальше от Тихого океана, в штате Огайо, недалеко от города Акрона. Но намеченный на 19 ноября 1992 г. старт снова не состоялся по той же причине. Ветер со скоростью 2 м/с изодрал балластный шар, хотя и не столь жестоко, как ранее. Наконец, взлетев там же 12 ноября 1993 г., аэронавты зацепились балластным шаром за холм.

Так куда же дуют ветры земли? Может быть, они предупреждают отважных воздухоплавателей о больших опасностях в бездушных высотах? Скажем, раскачка в полете балластного шара может изрядно потрепать нервы аэронавтам. Или маневры по высоте. представьте, что при изменении горизонтов один из шаров оказался в другом воздушном течении, в противоположном или под углом к тому, по которому только что еще плыли. Тогда связка разворачивается и наклоняется по равнодействующей силе разнонаправленных течений. Перемена ветров при маневрах по высоте вызовет раскачивание гондолы посильнее, чем шторм на море. Готовы ли аэронавты к морской болезни? Совсем плохо, если злые игры ветров разорвут связку шаров. Где же выход? Он... в аэростате-матрешке.

Итак, «матрешка» Из чего же состоит ее балласт? Из собственных оболочек. Их она сбрасывает сама, как змея меняет кожу. В полете, в первую очередь, повреждается наружная оболочка и, лопнув, спадает со сферы. Лоскуты ткани не могут удержаться на сфере внутреннего шара, который к тому же увеличивается в объеме: ведь исчезло избыточное давление, бывшее между неповрежденными оболочками. Увеличение объема и уменьшение общей массы сохраняют неизменной плавательную способность оставшихся шаров. По мере сбрасывания лопнувшей ткани меняется окраска оставшихся оболочек: зеленая, желтая и последняя - красная. Это удобно для наблюдения за полетом зонда в непогоду. Метеорологам очень пригодится зонд «матрешка» с простой сигнальной системой.

Пригодится аэростат «матрешка» и строителям. Уже давно носится в воздухе идея превращения воздушного шара в подъемный кран. Изобретатель А.К. Бровцын из города Обнинска Калужской области привязал такой аэрокран к автомобильному шасси. На раме шасси расположены поворотная платформа, баллоны с газом для наполнения аэростата и лебедка для его подъема и спуска. Снизу аэростата закреплена площадка со стрелой для перемещения груза в радиальном направлении. По вантам, удерживающим аэростат над платформой, ходят вверх-вниз мостки. С них удобно выполнять строительно-монтажные и ремонтные работы. Все удобно и продумано, а высокую надежность аэростата обеспечивает его составная оболочка.

Был признан изобретением и диафрагменный пневмо(гидро-) приводной насос, построенный на том же принципе соосных оболочек. Его насосная камера выполнена из двух, вложенных одна в другую, сферических оболочек, между которыми имеется герметичная полость, сообщенная с пневмопульсатором (рис. 9, а). При периодической подаче воздуха (или жидкости) в герметичную полость, оболочки, связанные переборками, периодически расширяются и сжимаются - «дышат», а перекачиваемая жидкость поступает в камеру через всасывающий клапан и вытесняется через нагнетательный. Не правда ли, очень похоже на гидру или медузу? На кишечнополостных животных, поглощающих воду с планктоном при расширении тела и выбрасывающих ее при сжатии? Использование губчатой полости в качестве привода упрощает конструкцию насоса. Повреждение любой оболочки, наружной или внутренней, не грозит прорыву перекачиваемой среды в окружающее пространство, но сигнализирует о неисправности. Поэтому оболочковому насосу не требуется корпус - непременный атрибут обычных насосов.

Совсем уж неожиданное применение найдет «кишечнополостной» насос, если внутреннюю оболочку выполнить пористой, проницаемой для газов и непроницаемой для жидкой среды. В кинофильме «Подводная одиссея команды Ж.И. Кусто» было показано, как аквалангист вводит шприцем подкрашенную жидкость в губку на морском дне, и она выбрасывает ее при «выдохе» внутренней полостью в виде темного облачка. Такая гидра-губка с мембранной проводимостью значительно упрощает приготовление газированных напитков в пищевой промышленности. Рабочий - углекислый газ, расширяя оболочки, проникает через внутреннюю в перекачиваемый напиток и насыщает его. При сжатии оболочки газированный лимонад наполняет бутылку.

А вот еще один шар: он командует работой механизмов. Упругий баллон шаровой или цилиндрической формы помещен в защитный кожух и наполнен жидкостью под давлением. В соприкосновении с поверхностью баллона находится множество толкателей (рис. 9, б). Они соприкасаются с оболочкой через опорные площадки, размеры которых пропорциональны передаваемым усилиям. Если увеличить давление воздуха (или жидкости), заполняющего баллон, т.е. увеличить его объем, то придут в движение все толкатели по различным направлениям. При уменьшении давления баллон сжимается, и толкатели возвращаются назад. При циклическом управлении давлением баллон работает как командоаппарат. Применять его можно во многих станках и машинах, ведь преимущества таких объемных механизмов - передача любого множества команд по всем направлениям плюс «ползучие» скорости, которые может обеспечить медленно раздувающаяся оболочка баллона.

Растягиваемые газом и жидкостью оболочки могут найти самые разные области применения. Например: один чудак-меломан сконструировал акустические колонки из... детских шаров и наклеил на них пьезоэлементы. Последние заставляют колебаться воздух внутри оболочки и резонировать - усиливать звук.

Тот же баллон с толкателями пригоден для зажима деталей по внутренней поверхности любой формы - лишь бы прошел в отверстие. Этот принцип зажима давно известен. Знаете, как туземцы ловят обезьян? Выходит из леса человек на освещенную солнцем поляну и ставит глиняный кувшин. Любопытные обезьяны, рассевшиеся на деревьях, с интересом следят за ним. Он знает об этом и показывает им аппетитный банан. Удостоверившись, что они разглядели лакомство, фокусник у них на виду опускает банан в кувшин и уходит... Взволнованные обезьяны не могут упустить лакомство. Вот одна из них, самая смелая, соскакивает с дерева и подбегает к кувшину. Затем несется обратно, останавливается у спасительных деревьев и оглядывается. Никого нет, все спокойно. Подбадриваемая товарками, она несколько раз возвращается и, наконец, запускает лапку в заветный кувшин. Нащупывает плод и, зажав его кулачком, тащит из кувшина. Не тут-то было. Кулачок с бананом не проходит через узкое горло. После нескольких попыток - разжать кисть не хочет: жаль добычу - поднимает крик. Начинает скакать с кувшином и вокруг него, но убежать не может - он довольно тяжел. На крик выходит туземец. Берет бедняжку на руки и, разбив кувшин, сажает ее в корзину.

Так и захват: в опавшем виде проходит в деталь, а попав внутрь, раздувается сжатым воздухом. Толкатели выдвигаются до стенок полости - упругость баллона компенсирует их различные ходы - и удерживают деталь. Рука робота с таким захватом может переносить полые детали сложной конфигурации: колбы, коробки, тару, сферы; ведь толкатели - те же пальцы кисти, только их больше.

А вот «эластичный» робот, который, как живой, надувается и опадает, еще и поворачивается на обе стороны, - уже не надувная игрушка для детей, а добросовестный помощник. Он старательно обслуживает токарный станок с программным управлением - снимает готовые детали и ставит заготовки. Мышцами робота служат эластичные баллоны, привязанные к шарнирному каркасу - подобию человеческой руки. При небольшом избыточном давлении воздуха (до 0,1 МПа), они распрямляются, а при атмосферном давлении опадают. Робот прост и удобен в обслуживании, легко сочетается с другими машинами.

Рисунки Геннадия ЕГОРОВА

на предыдущую страницу к началу этой страницына следующую страницу