Физика в бою

Коллектив авторов

Почему в последнее время внимание конструкторов-подводников привлечено к новому материалу — бериллию? Хотя стоимость этого материала еще выше стоимости титановых сплавов, но у него высокий модуль (мера) упругости (на 30 % выше, чем у стали) наряду с высоким пределом текучести.

Изучением проблемы использования стеклопластиков для корпусов подводных лодок заняты американские специалисты в Тейлоровском опытовом бассейне. Ими проведены модельные эксперименты со стеклопластиком с удельным весом порядка 2 г/см³, пределом прочности 50–60 кг/мм² и модулем упругости в 4 раза меньшим, чем у стали. Интересно, что в ракетостроении сталь с пределом текучести 140 кг/мм²

не выдержала конкуренции со стеклопластиком. В настоящее время многие части корпуса ракеты «Поларис» изготовляются из стеклопластика. Характер распределения напряжений в цилиндрической оболочке, на которую действует гидростатическое давление, открывает большие возможности для стеклопластиков. Известно, например, что напряжения в продольных сечениях такой оболочки в два раза выше, чем в поперечных. Значит, если поперек цилиндра намотать в два раза больше стеклонитей, чем вдоль, материал конструкции будет использован наилучшим образом.

Таковы некоторые пути решения проблемы увеличения глубин погружения подводных лодок. К какому времени будет решена проблема создания боевых подводных лодок с глубинами до 5 тыс. м, трудно сказать. Пока же считается, что боевые лодки следующего десятилетия с прочными корпусами из стали с пределом текучести 210 кг/мм² смогут погружаться на глубины до 1200 м.

ТАМ, ГДЕ КОНЧАЕТСЯ АСФАЛЬТ

_{Инженер-подполковник И. БЕСКИН, кандидат технических наук}

«Движение есть явление, по-видимому, всем знакомое, но между тем, несмотря на то, что философы написали об этом предмете большое количество толстых томов, важнейшие свойства движения остаются неизвестными…» Эти слова написаны более трех веков тому назад одним из основоположников естествознания, великим итальянским ученым Галилеем. С тех пор наука многое сделала для изучения движения. Однако практика, и в частности военное дело, ставит в этой области все новые и новые задачи, и, оказывается, даже в такой простой, узкой области движения, как перемещение из одной точки в другую, еще есть над чем потрудиться ученым и инженерам.

Ракетно-ядерное оружие властно преобразовало тактику и стратегию, сделало бой скоротечным и в высшей степени маневренным. А на стремительные прорывы, глубокие обходы, многокилометровые марши способны только полностью механизированные войска. Значительно возрос вес армейских грузов, увеличились расстояния, на которые их надо перебрасывать. Все это вызвало к жизни очень серьезные научно-технические задачи, связанные с созданием всевозможной армейской боевой и транспортной техники, способной надежно осуществить в требуемые сроки доставку армейских грузов. Решение поставленных задач потребовало проведения соответствующих теоретических работ и, в первую очередь, изучения физических процессов, происходящих при движении тел в различных средах.

Реальные случаи движения — в том смысле этого термина, который был определен в начале статьи, — всегда связаны с преодолением сопротивления внешней среды. Летящий самолет преодолевает сопротивление воздуха; мчащийся торпедный катер — и воздуха, и воды; погруженная подводная лодка — сопротивление воды, а движущийся танк — сопротивление грунта. С другой стороны, внешняя среда необходима для движения, так как само движение может осуществляться только при взаимодействии движущегося тела с окружающей его средой. Следовательно, и тело, и окружающая его среда должны рассматриваться совместно, в их диалектических связях и взаимодействии, так как они составляют единую систему, характеризующуюся наличием известного количества движения.

Оставив в стороне некоторые неизбежно сопутствующие явления, можно утверждать, что, например, для движущегося самолета или корабля справедлив закон сохранения количества движения. Этот закон, так же как и законы сохранения энергии и момента количества движения— одна из конкретных форм проявления в природе общего закона

сохранения движения, впервые сформулированного М. В. Ломоносовым. Напомним его: «Суммарное количество движения замкнутой системы тел (не взаимодействующей с другими телами) остается постоянным».

где m_i — массы тел, образующих систему;

v_i — скорость этих тел;

Р — вектор количества движения системы.

Из закона сохранения количества движения, в частности, следует, что, например, корабль массой m₁ плывущий со скоростью ^v₁, должен для осуществления своего движения перемещать массу воды m₂ со скоростью v₂. При этом должно соблюдаться равенство

m₁v₁ = m₂v₂.

Подобное равенство можно написать для любого движущегося тела, будь то самолет или ракета, танк или автомобиль, подводная лодка или железнодорожный состав.

В некоторых случаях можно отчетливо наблюдать перемещение внешней по отношению к движущемуся телу среды — это струя воды за винтом корабля или вихри воздуха за самолетом. Если же среда, с которой осуществляется взаимодействие, имеет достаточно большую массу, перемещение ее на глаз не заметно. Так, смещение железнодорожных рельсов происходит в основном в пределах упругих деформаций металла и только за длительный период проявляется в виде так называемого угона, измеряемого сантиметрами, а то и миллиметрами.

Итак, поскольку окружающая движущееся тело среда, с одной стороны, обеспечивает саму возможность передвижения, а с другой — оказывает сопротивление движению, решение задачи создания средств доставки армейских грузов должно начинаться именно с изучения свойств сред, в которых этот процесс происходит. Заметим, что такие разделы физики, как гидродинамика и аэродинамика, возникли и достигли нынешнего, столь высокого уровня развития именно в связи с необходимостью изучения свойств воды и воздуха при движении по ним кораблей и самолетов.

Однако вода и воздух, пожалуй, не самая сложная среда для движения. Свойства их достаточно однородны, сопротивления, оказываемые ими, зависят в основном от скорости движения и могут быть описаны сравнительно несложными математическими уравнениями. Поэтому и удалось отыскать совершенные гидро- и аэродинамические формы кораблей и самолетов, разработать достаточно эффективные конструкции их движителей — устройств для преобразования работы двигателя в работу, расходуемую на движение транспортных средств. Иными словами, высокая эффективность технических решений, примененных в конструкциях кораблей и самолетов, имеет своей первопричиной прежде всего однородность сред, в которых эти транспортные средства движутся. Всякое же изменение свойств среды, как показал опыт, требует соответствующей переработки конструкции. Например, изменения свойств взаимодействующего с самолетом потока воздуха при переходе к полетам со сверхзвуковыми скоростями привело к существенным переменам в конструкции самолета. Увеличение сопротивления воды при росте скорости движения кораблей оказалось настолько значительным, что пришлось прибегнуть к специальным конструкциям — подводным крыльям, позволившим судам вырваться из воды в среду с меньшим сопротивлением — в воздух. Следует напомнить, что и воздух, и вода, с точки зрения физического состояния вещества, — однофазные среды: воздух только газообразен, а вода только жидка.