ЧТО МОЖЕТ ВИБРАЦИЯ?
И. И. БЛЕХМАН
Настоящая книга — об огромных, еще далеко не исчерпанных возможностях использования вибрации в технике и технологии, а также о некоторых ее вредных проявлениях.
Вибрационные машины и устройства позволили в последние годы революционизировать ряд производств, обеспечив получение значительного технико-окономического эффекта; еще большие успехи могут быть достигнуты в ближайшем будущем.
В основе как полезного применения вибрации, так и причин ее вредных воздействий лежат своеобразные, подчас парадоксальные явления, связанные с особенностями колебаний в нелинейных механических системах. Цель книги — способствовать активному пониманию физического механизма этих явлений, изложить простой общий подход к их изучению, а также к расчету соответствующих процессов и устройств, рассмотреть уже достигнутые успехи в промышленном использовании вибрации и указать па имеющиеся большие возможности.
Это будет звучать пеожиданпо, но можно сказать, что большинство возможностей эффективного использования вибрации связано с тем, что вибрация «изменяет законы механики», в частности закон равенства действия и противодействия, закон сохранения энергии, положение о движении центра масс системы. Изменяются свойства и поведение систем: сухое трение переходит в вязкое, исчезает или меняет свое направление сила тяжести, устойчивые положения равновесия становятся неустойчивыми, а неустойчивые — устойчивыми и т. п. Во избежание недоразумений сразу оговоримся: в сущности, речь идет вовсе не об изменении механических законов и следствий из них, а об их своеобразном проявлении. Эти изменения имеют место лишь для наблюдателя, который смотрит па процесс как бы через особые очки, сквозь которые видны «медленные» движения и «медлеппые» силы, по пе заметпы «быстрые» движения и «быстрые» силы. Такой наблюдатель (назовем его наблюдателем V, в отличие от обычного наблюдателя О), копечно, «необъективен», однако его видение процессов, протекающих под действием вибрации, совпадает с точкой зрения копструктора или технолога, для которых часто (хотя и но всегда) не имеют особого значения быстрые движепия, а важен лишь осредпеппый эффект, общая тенденция в поведении системы. Болео того, для создателей новых вибрациопных процессов и устройств принятие позиции указанного «необъективного» наблюдателя V представляет удобный способ мышления — методический подход, позволяющий как бы «обойти», «отменить» препятствующие достижению цели законы механики и получить неожиданные полезные эффекты. (Отметим, что временное игнорирование в процессе изобретательской деятельности физических закопов — так называемая фантастическая аналогия, предложенная У. Гордопом,— оказалось весьма эффективным методическим приемом [91].)
В настоящей книге мы будем систематически становиться на точку зрепия наблюдателя V. Как будет показано, этот наблюдатель должен руководствоваться особой механикой, в определеппом смысле аналогичной ме- хапике относительного движения: «не замечая» быстрых сил и быстрых движений, он должен добавить ко всем действующим на систему медленным силам некоторые дополнительные медленные силы, вычисляемые по определенному правилу с использованием операции усреднения. Эти дополнительные силы, следуя П. JI. Капице, мы называем вибрационными силами. Именно появлением вибрационных сил наблюдатель V и объясняет перечислепныо выше парадоксальные эффекты. Такую механику — механику для наблюдателя V — представляется целесообразным называть вибрационной механикой. Выделение вибрационной механики как некоторого отдельного раздела, на наш взгляд, оправдано своеобразием того большого круга примечательных эффектов, которые находят объяснение и описание в ее рамках. Сошлемся также па прецеденты: с одной стороны, термин «молекулярная механика» уже получил «права гражданства» как в зару - бежпой, так и в отечественной литературе [55], с другой стороны, возник термин «внбророологня» [G1, т. 2], который логично употреблять для обозначения соответствующего раздела вибрационной механики в том смысле, как опа была определена выше. Вместе с тем, несмотря на все эти доводы, словосочетание «впбрациопная механика» в подзаголовке книги заключено нами в кавычки — оно предлагается для обсуждения.
Достижения вибротехники, во многом опирающиеся на фундаментальные отечественные исследования в области теории нелинейных колебаний, отражены в ряде монографий и особенно выпукло — в шеститомном справочнике «Вибрации в технике» [61], выпущенпом издательством «Машиностроение» в 1978—1981 гг. Из популярных изданий примечательны книги К. В. Фролова «Вибрация — друг или враг?» [222], И. Ф. Гончаревича «Вибрация — нестандартный путь» [75], а также Ф. М. Ди - ментберга и К. В. Фролова «Вибрация в технике и человек» (М.: Знание, 1987). Зарубежпая литература представлена книгой Гутмана [238], вышедшей, однако, еще в 1968 г.
Данная книга отличается от имеющихся как по замыслу и направленности, так и по стилю изложения. Ее нельзя отнести к числу популярных. Книга предполагает как бы три уровня заинтересованности читателя.
Первому уровню соответствуют рисунки, играющие в книге особую роль. Снабженные развернутыми пояснениями, они подобны отдельным плакатам, иллюстрирующим явлепне, процесс или устройство, и почти не зависят от текста. Занятый читатель может начать знакомство с книгой именно с рисунков, а затем решить, следует ли ему читать соответствующий раздел. Картины, видимые наблюдателем V — «главным героем» книга, и «обычным» наблюдателем О, сопровождаются на рисунках их изображениями. В соответствии с ранее сказанным, наблюдатель V изображен в специальных очках; его мир более прост, чем мир наблюдателя О; последнее отразилось на внешности обоих наблюдателей. Также в интересах занятого читателя в конце книги приводится перечень явлений и эффектов, связанных с действием вибрации на нелинейные механические системы, в котором указаны номера страниц книги, где они рассматриваются.
Второму уровню заинтересованности соответствует основной текст с минимальным количеством формул, который содержит описание изучаемых эффектов или явлений, их физическое объяснение на основе «вибрационпой механики» (т. е. с позиции наблюдателя V) и характеристику осповных технических приложений,
Наконец, третьему уровпю отвечает текст, набранный петитом,— это сведения по теории п расчету описанных процессов п устройств и краткие историко-библиографические справки, позволяющие при желании более глубоко познакомиться с соответствующим вопросом.
Автор счел, что жанр настоящей книги позволяет изложить в ней, в порядке обсуждения, некоторые еще не устоявшиеся взгляды и идеи. Естественно, что они могут вызвать замечания читателя; эти замечания будут встречены с благодарностью.
Достижениями вибротехники мы обязаны усилиям ряда выдающихся ученых и инженеров; со многими из них автора связывает многолетняя дружба и творческие контакты, их имена читатель найдет в историко-библиографических справках и в списке литературы. Последний, однако, несмотря на свою обширность, не претендует на полноту. Автор приносит свои извинения исследователям, чьи результаты по тем или иным причинам не удалось отразить в настоящей книге. Почти не затронута в ней и такая важная, но специфическая область, как использование колебаний ультразвукового диапазона частот; весьма неполно рассмотрены способы возбуждения вибрации. С соответствующими вопросами можно познакомиться по справочникам [61, 216].
Автор надеется, что книга окажется полезной для изобретателен, конструкторов и технологов как своеобразный путеводитель в мире вибрационной техники и как источник нестандартных решений в области их практических интересов. Что касается теоретиков, то они, возможно, почерпнут из книги постановки ряда интересных задач.
Строгим, но доброжелательным критиком автора при работе над рукописью был Я. Г. Пановко; ряд полезных замечаний сделал В. И. Бабицкий; К. С. Якимова помогла при оформлении рукописи. Всем им — глубокая благодарность.
И. И. Блехман