Инженер начинается в школе

Силы инерции

Инерцией тела называют его свойство сохранять со­стояние покоя или прямолинейного и равномерного дви­жения. Любому изменению скорости тело оказывает сопро­тивление. Это сопротивление обычно называют силой инер­ции. Она зависит только от массы тела. Чтобы привести в движение тело, находящееся в покое, например снаряд, вложенный в ствол орудия, необходимо приложить силу. В стволе ее создают пороховые газы. Они давят на снаряд только до тех пор, пока он движется внутри ствола. В это время снаряд, обладая инерцией, противодействует газам. Взаимодействие газов со снарядом прекращается, как толь­ко он вылетит из ствола. Однако благодаря инерции сна­ряд продолжает лететь до тех пор, пока его не остановят силы сопротивления среды.

В данном случае инерция проявляется двояко: во время движения снаряда внутри ствола она противодействует его разгону до необходимой скорости, после же вылета из ство­ла именно благодаря инерции снаряд летит, преодолевая сопротивление среды.

С силами инерции мы встречаемся и на транспорте: когда автомобиль трогается с места или разгоняется, во­дителя и пассажиров инерцией прижимает к сиденью, а когда перед движущейся машиной возникает неожиданное препятствие и водитель резко тормозит или сворачивает в сторону, силы инерции стаскивают пассажиров с сидений или прижимают к боковой стенке кузова. А если стенку убрать, то инерция способна вообще вышвырнуть пассажи­ра из кузова.

В школьной мастерской силы инерции особенно замет­ны при работе строгального станка: в конце хода ползуна, когда меняется направление его движения, происходит удар, который сотрясает и станок и даже его фундамент. При этом ослабевают соединения деталей, усиленно сра­батываются детали кулисного механизма. Большой из­нос деталей может привести к их поломке. В этом случае ползун слетит с направляющих. Поэтому правила техники безопасности предписывают во время работы стоять только сбоку от станка. При работе токарного станка вибрация, вызванная силами инерции, особенно ощутима при обра­ботке крупных несимметричных деталей, устанавливае­мых на планшайбе. В этих случаях необходимо применять уравновешивающие контргрузы.

При современном уровне развития техники в быстро­ходных машинах силы инерции в десятки и сотни раз пре­вышают вес движущихся деталей. Эти силы создают допол­
нительные нагрузки на де­тали, дополнительные силы трения, вибрацию машин и фундаментов.

Известно немало слу­чаев, когда от действия центробежных сил лома­лись отдельные детали ма­шин, разлетались махови­ки, диски турбин, шлифо­вальные круги. Поэтому детал и, под вер гающиеся действию значительных сил инерции, необходимо уси­ливать. Но делать это нуж­но не путем увеличения се­чения деталей, что приве­дет к увеличению их массы (а значит, и сил инерции тоже), а путем применения более прочных материалов и придания деталям такой фор­мы, которая наиболее рациональна с точки зрения распо­ложения массы по отношению к оси вращения.

Примером правильного выбора формы служит колесо центробежного компрессора авиационного двигателя и шкив ведущего вала фрикционного пресса (рис. 9). Колесо компрессора делает большое число оборотов, и потому большую часть массы колеса располагают ближе к оси вращения. Фрикционному прессу приходится преодолевать сопротивление металла. Для этого нужна большая сила. Ее получают, используя инерцию приводного шкива веду­щего вала пресса. Конструкция шкива такова, что боль­шая часть массы расположена на максимально возможном удалении от оси вращения. Пока вал вращается вхоло­стую, двигатель сравнительно небольшой мощности раз­гоняет шкив, имеющий значительную массу. Во время рабочего хода пресса сопротивление деформируемого ме­талла тормозит вращение шкива и возникающие при этом силы инерции прибавляются к силе, развиваемой двига­телем, помогая ему справиться с «упрямым» материалом. Если понаблюдать за работой пресса, то по изменению числа оборотов шкива видно, как возрастает при холостом ходе и уменьшается в момент прессования сила инерции.

На рисунке 10 изображен маятник Максвелла, который служит для демонстрации пере­хода потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

Задание №8. Не меняя массы диска, изменить его фор­му так, чтобы максимально уве­личить период колебаний маят­ника.