Физика в технике - Г. Покровский

Всякий материал имеет определенный предел прочности. Поэтому различные объекты, изготовленные из тех или иных материалов, имеют определенные предельные размеры. Этим объясняется тот факт, что заводские трубы, башни для антенн радиосвязи и другие конструкции нельзя построить какой угодно высоты. Например, даже используя самые прочные материалы, невозможно построить башню высотой в несколько километров. У такой башни нагрузка от собственного веса так сильно действовала бы на нижние части конструкции, что они неизбежно разрушились бы еще в процессе возведения сооружения.

Те же самые вопросы возникают и при строительстве кораблей. Известно, что морские корабли, встречая большие волны при шторме, испытывают значительные нагрузки, которые быстро растут при увеличении размеров корабля. Существуют определенные ограничения размеров, зависящие от прочности материала корпуса корабля. Поэтому невозможно построить корабль длиной более одной трети километра. При этом вес корабля не должен превышать 100 000 тонн. Максимальные размеры самолетов также ограничены определенными пределами; их вес в современных условиях не превышает 250 тонн. Ограничены также размеры растений и животных.

При сооружении многих движущихся конструкций необходимо учитывать не только силу тяжести, но и силы инерции, возникающие при ускорении или замедлении движения. Эти силы также пропорциональны массе конструкции.

Чем больше ускорения, испытываемые конструкцией, тем меньше ее возможные предельные размеры. Это обстоятельство имеет особенно важное значение при постройке космических ракет. Так, американские ракеты «Атлас» или «Титан», вес которых равен примерно 100 тоннам, нередко разрушаются при пуске. Это свидетельствует о том, что материал конструкции ракеты использован до предела его прочности. Поэтому дальнейшее увеличение веса ракет может быть осуществлено только путем изыскания новых, еще более прочных материалов или новых конструкций, в которых материалы будут использованы более эффективно.

Так, в иностранной печати появились сообщения о том, что свободно плавающие под водой гигантские сосуды для хранения нефти и различных нефтепродуктов могут быть созданы из тонких синтетических пленок. Подъемная сила, действующая на заполненный нефтью сосуд, может в точности уравновесить силу тяжести, поэтому при таких условиях сосуды для хранения жидких топлив могут иметь практически любые размеры.

Рис. 28. Хранение нефти под водой

Следует упомянуть еще об одном интересном явлении.

Известно, что в обычных условиях нефть легче воды, и поэтому она всплывает на поверхность воды. Однако если погрузить нефть на достаточно большую глубину, то давление воды несколько уменьшит объем нефти, а следовательно, увеличит ее удельный вес. При достаточно больших давлениях увеличение удельного веса нефти может стать настолько значительным, что он превысит удельный вес воды. Таким образом, сосуд с нефтью, находящийся на большой глубине в воде, не будет всплывать. Такое хранение нефти оказывается удобным еще и потому, что для доставки нефти на поверхность не требуется каких-либо насосов, поскольку давлением воды нефть будет выжиматься из пластического сосуда (рис. 28).

Применение искусственных пленок открывает широкие возможности для изготовления различного рода конструкций и в космическом пространстве. При помощи алюминироваяных (т. е. покрытых тонким слоем алюминия) тонких искусственных пленок, отличающихся чрезвычайно высокой прочностью, могут быть созданы гигантские зеркала для улавливания солнечной энергии. Практически можно построить такие зеркала любых форм и размеров, поскольку на искусственных спутниках Земли и космических ракетах сила тяжести практически не оказывает своего действия.

Проблемы использования приливных сил

Еще в глубокой древности люди замечали, что уровень воды в океанах меняется в зависимости от видимого положения Луны на небосводе. Первые описания приливов относятся еще к I веку нашей эры. Однако причины изменения уровня океанов и морей долгое время не имели объяснения. И только после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения объяснение приливов и отливов стало возможным.

Каким же образом возникают приливы и отливы?

Представим себе космический корабль, движущийся по орбите вокруг Земли, и посмотрим, какие силы на него действуют. Если не принимать во внимание влияние Луны и других небесных тел на корабль-спутник, то в этом случае на предметы и тела, находящиеся внутри спутника, будут действовать сила тяготения Земли, центробежная сила инерции и сила, возникающая вследствие вращения корабля-спутника вокруг собственной оси. Если такого вращения нет, остаются только две силы: сила тяготения, которая направлена от центра спутника к центру Земли, и центробежная сила инерции, направленная в противоположную сторону.

Полная невесомость будет только у тел, центры тяжести которых лежат на орбите центра тяжести всего космического корабля. Если же тело, находящееся на космическом корабле, расположено ближе к Земле, чем центр тяжести корабля, то оно должно иметь более значительную скорость, чтобы не падать на Землю. Между тем это тело движется вместе с кораблем, т. е. медленнее, чем нужно для достижения полной невесомости. Поэтому тела, расположенные на космическом корабле ближе к Земле, чем центр тяжести корабля, будут стремиться упасть вниз, и наоборот, тела, расположенные выше центра тяжести корабля, будут стремиться подняться вверх. Таким образом, вся конструкция космического корабля будет растягиваться небольшими аилами, действующими вдоль линии, идущей к центру Земли (рис. 29). Эти силы рано или поздно повернут неуправляемый космический корабль так, чтобы его наибольшая длина была направлена к центру земного шара или иного небесного тела, спутником которого корабль является. Необходимо иметь в виду, что рассматриваемые силы невелики. Если, например, космический корабль состоит из двух масс, каждая весом в одну тонну, соединенных тросом длиной в 20 метров, то сила, натягивающая трос на высоте в несколько сотен километров над поверхностью Земли, составит приблизительно 1,6 грамма.

Рис. 29. Силы, действующие на космический корабль-спутник

Несколько миллиардов лет тому назад такие силы остановили вращение Луны и повернули ее так, что теперь ее длинная ось направлена в сторону Земли. Это хорошо видно на фотоснимках обратной стороны Луны, сделанных в октябре 1959 года с советской космической ракеты. Сфотографировать Луну удалось не только сзади, но и несколько сбоку, поэтому на фотоснимках хорошо видны асимметрия Луны, ее форма, вытянутая по линии Земля — Луна.

Необходимо заметить, что ориентирующее действие приливных сил на какое-либо небесное тело проявляется лишь в том случае, если имеет место затрата энергии этих сил на преодоление каких-либо других сил, например силы трения.

Приливные силы, действующие на поверхность океанов, вызывают подъем и опускание уровня воды более чем на 10 метров. Такие явления называют приливами и отливами. В них наиболее ярко выражается действие не полностью уравновешенных сил инерции и сил тяготения.

Поскольку приливные силы, действующие на поверхность океанов со стороны Луны, заставляют двигаться частички воды и приводят к образованию волн, то вследствие трения воды о дно океанов возникает так называемое приливное трение, в результате которого уменьшается скорость вращения Земли. Луна в свою очередь также подвергается воздействию приливных сил со стороны Земли, и ее вращение вокруг собственной оси (а точнее, колебания, возникающие за счет приливных сил вследствие несферичности Луны) замедляется.

В результате действия приливных сил вращение небесного тела не только замедляется, но и становится (возможной ориентация его длинной оси в направлении притягивающего тела.

Те же самые силы проявляются и на Земле как спутнике Солнца. Однако Земля по сравнению с Луной имеет более значительную массу и инерцию, поэтому приливные силы не могут заметно затормозить ее быстрое вращение вокруг собственной оси, а только немного деформируют земной шар, стремясь его растянуть в направлении линии, идущей от Солнца к центру Земли. Для примера отметим, что район Москвы дважды в сутки поднимается и опускается по отношению к некоторому среднему уровню приблизительно на пол метр а.

Чем значительнее преграды, задерживающие приливную волну, тем сильнее тормозится вращение земного шара.

Рис. 30. Схема приливной гидроэлектростанции

Например, если в различных бухтах и устьях рек построить плотины, задерживающие массы воды, приносимые приливом, и направить эту воду через гидротурбины, вращающие генераторы тока, то окажется возможным усилить торможение вращения Земли и перевести часть энергии этого вращения в энергию электрического тока, даваемого приливной гидроэлектростанцией (рис. 30). Если создать большую систему приливных гидроэлектростанций и объединить их в общую энергетическую систему, можно будет получать почти непрерывный поток электроэнергии постоянной мощности.