Наука о трении в инженерной практике

0
224

Инженерная практика является одним из основных потребителей достижений естественных наук. Справедливость афоризма: «Нет ничего практичнее хорошей теории», который иногда приписывают Нильсу Бору, ежедневно подтверждается на практике. Без знания законов Архимеда, Ньютона, Ломоносова, Фарадея (список бесконечен) невозможно построить корабль, вычислить траектории движения небесных светил, включить электрическую лампочку в доме, создать атомную электростанцию и компьютер. Эти сентенции могут показаться банальными и не заслуживающими внимания читателей нашего журнала. Однако….

В упомянутом афоризме, по нашему мнению, ключевым является слово «хорошей», что также многократно подтверждается практикой. Хорошая теория должна быть понятна ученому, который еT разработал, доступна для понимания другим ученым и инженерам. На базе хорошей теории должны быть созданы простые и достаточно точные инженерные методики расчета рабочих параметров машин, механизмов и отдельных деталей, применение которых дает реальный экономический эффект.

К сожалению не все естественные науки могут записать в свой актив создание подлинно хорошей теории. И в качестве индикатора наличия или отсутствия хорошей теории служит активность ученых в той или иной области знаний. Трудно найти публикации или научные проекты, посвященные совершенствованию распределения сил в рычажных системах или уточнению выталкивающей силы жидкости, известных со времен Архимеда. Это значит, что хорошая теория уже создана и успешно используется на практике. В то же время можно наблюдать исключительно высокую активность в области науки, которую принято называть «трение и износ». Создаются научные школы, защищаются многочисленные диссертации, проводятся научные конференции, выпускаются журналы. Это наглядно свидетельствует о неудовлетворенности практических инженеров уровнем достижений в этом сегменте естественных наук. Очевидно, что нет хорошей теории.

В науке о трении и изнашивании твердых тел сложилась парадоксальная ситуация. Трение или сопротивление движению одного тела по поверхности другого как физическое явление известно человеку ровно столько времени, сколько существует сам человек. Попытки описать это явление предпринимались давно, однако создать «хорошую» общую теорию трения не удалось до сих пор.

Первые теоретические разработки в этой области связывают с именами Леонардо да Винчи и Амонтона, утверждавших, что сила трения зависит только от нормальной нагрузки на поверхность трения и прямо пропорциональна ей. Влияние всех прочих факторов предлагалось интегрально учитывать неким «коэффициентом трения». На протяжении многих веков ученые-экспериментаторы прямо или косвенно проверяли эту научную гипотезу. Вывод однозначный — теория является весьма приблизительной. Коэффициенты трения, полученные практически в одинаковых условиях, могут отличаться в широком диапазоне, иногда достигающем 300% от средней величины.

Парадокс заключается в том, что внешний вид уравнения сил при трении (Q = f T P) воспринят инженерной практикой как догма и оно используется для практических расчетов повсеместно, несмотря на очевидные ошибки расчетов. Даже незначительное уточнение этой формулы, предложенное Кулоном, инженерная практика встретила равнодушно и практически проигнорировала. В качестве компенсации недостатков теории используется метод экспериментального определения коэффициентов трения на большом количестве образцов и нормирование их значений для практических целей. Выход расточительный, но пока безальтернативный.

Аналогичная ситуация складывается в той области науки о трении, которая ответственна за износ. Здесь нет даже примитивной формулы, похожей на уравнение сил при трении, которая бы удовлетворительно описывала закономерности изнашивания поверхностей твердых тел и благосклонно воспринималась инженерной практикой. Первый ученый, который предложит такую формулу, без сомнения войдет в историю мировой науки. Однако до сих пор прогнозирование долговечности тех или иных деталей машин базируется на экспериментальном исследовании износостойкости моделей. Выход столь же расточительный, сколь и безальтернативный.

Одной из заслуживающих внимания попыток закрыть брешь представляется структурно-энергетическая концепция изнашивания, предложенная и активно разрабатываемая Петербургской научной школой во главе с Л.И.Погодаевым. Основные успехи этой школы связаны с прогнозированием специфических видов изнашивания, которые проявляются без взаимного перемещения твердых тел под нагрузкой (коррозионное, эрозионное, кавитационное изнашивание и их комбинации). Предприняты попытки распространить эти научные достижения и на классические схемы трения скольжения и качения. Однако и здесь нет оснований говорить о создании хорошей теории. ВсT еще впереди.

Попытки критиковать ученых за неспособность создать «хорошую» общую теорию трения и изнашивания, равно как и практических инженеров за нежелание воспринимать и использовать на практике сложные современные теории, явно несостоятельны. Причины столь неутешительного положения дел в науке о трении и изнашивании, повидимому, следует искать в самой природе. К сожалению, не все природные явления могут быть описаны столь красивыми уравнениями, как законы Ньютона, Ломоносова, Ома. Особенно это относится к явлениям, при описании которых требуется учитывать большое количество независимых факторов. Чем больше этих факторов, тем сложнее уравнения, тем больше допущений, тем шире диапазон возможных ошибок при расчетах. Напрашивается сравнение: Закон всемирного тяготения учитывает только 3 фактора (массу тел и расстояние между ними) и описывается «красивым» уравнением, а при оценке износостойкости необходимо учитывать до десятка факторов и никакого практичного уравнения или системы уравнений нет.

Отсутствие добротных расчетных инструментов вынуждает общество расходовать значительные средства на изучение фрикционных характеристик различных материалов и конструкций и использование этих данных в инженерной практике. Нередко этих данных достаточно только для предварительной оценки ресурса деталей трения. Эти оценки приходится уточнять по данным эксплуатационной проверки машин и механизмов, что также влечет за собой непредвиденные расходы в сфере эксплуатации технических средств и их ремонта.

Как видим, инженерная практика ведет себя как капризная барышня. Ей нужны простые расчетные инструменты, основанные на понятных научных теориях или их популярных интерпретациях, обеспечивающих достаточную достоверность расчетных оценок. Она согласна и на компромиссы, если они дают заметную экономическую выгоду, готова терпеть ошибки, если они не приводят к катастрофическим последствиям. У науки о трении нет иного выхода, как удовлетворить эти, честно говоря справедливые, капризы.

Лысенков П.М.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here