URSS.ru Магазин научной книги
Обложка Гулиа Н.В. Инерция Обложка Гулиа Н.В. Инерция
Id: 264447
449 р.

Инерция №225. Изд. 2

URSS. 2021. 152 с. ISBN 978-5-9710-7947-7.
Типографская бумага

Аннотация

Доктор технических наук, профессор Н. В. Гулиа --- автор многих трудов, разрабатывающих вопросы инерции, и новых машин, связанных с использованием инерции. Инерция --- одно из самых фундаментальных свойств природы --- необычайно широко используется человечеством. В книге рассказывается об основных явлениях, связанных с инерцией, об использовании этих явлений в технике, в частности рассматриваются гироскопические приборы, инерционные... (Подробнее)


Оглавление
top
Предисловие редактора3
От автора8
Глава I. Физика об инерции9
Что такое инерция?9
Инерция в античной механике11
Инерция в доньютоновскую эпоху14
Инерция и Ньютон19
Инерция и принцип Д'Аламбера23
Инерция и «бессиловая» механика Герца27
Инерция вращения30
Механика относительного движения и эйлеровы силы инерции35
Инерция в теории относительности40
Дискуссия о силах инерции46
Глава II. Использование инерции в машинах52
Инерционное и «псевдоинерционное» движение52
Инерция и «выравнивание» хода машин57
Инерция и рекуперация механической энергии63
Инерция малых движений80
Глава III. Инерция и накопление энергии90
Инерция и проблема аккумулятора90
Снижение потерь энергии92
Супермаховик — перспективный инерционный аккумулятор100
Неуравновешенность маховиков и ее устранение113
Переменный момент инерции121
Глава IV. «Загадочные» проявления инерции127
Инерция и гироскопический эффект128
Инерционные «химеры»144
Литература150

Предисловие редактора
top

Книга Н. В. Гулиа — гимн основному свойству материи — инерции, проявляющемуся и в явлениях природы, и в творениях человека. Книга дает правильное представление о том, что такое инерция тел, если рассматривать их движение в рамках классической механики. Автор рассказывает об истории изучения инерции, выясняет происхождение ряда терминов в механике, критикует неверные трактовки механических явлений, и особенно попытки создать устройства (инерцоиды), ускорение центра масс которых происходило бы под действием внутренних сил за счет вращательного или иного движения составляющих частей этих устройств при изоляции их от внешних воздействий.

Значительное место отводится вопросу накопления, хранения и дальнейшего целесообразного расходования кинетической энергии вращающихся твердых тел, особенно применительно к транспорту (автобусам, метро) и, в частности, к столь необходимым сейчас в народном хозяйстве погрузчикам. Особое место занимает описание различных устройств и их основы — маховика. Многие из устройств — плод творчества самого автора, причем некоторые из них осуществлены на практике и оказались весьма перспективными. Конструирование современных маховиков — накопителей кинетической энергии, или так называемых супермаховиков, требует большого инженерного мастерства, преодоления значительных трудностей, связанных с прочностью и целостностью самого маховика, снижением трения, созданием редукторов с переменным передаточным числом, долговечностью устройства, его экономичностью и т. п. Автор книги все это прекрасно понимает и квалифицированно указывает на возможность использования здесь последних достижений науки и техники.

В методологическом отношении весьма полезно проводимое автором книги строгое разграничение между свойством инерции и силой инерции. Словом «сила» инерции в прошлом нередко именно и обозначали свойство инерции, в общежитейском же смысле оно встречается и сейчас. Слово «сила», как известно, используется в самых разных смыслах — сила упругости, сила электрического тока, живая сила, сила ума, привычки, характера и т. п.

Что же касается понятия «сила инерции» в механике, то здесь автор проявляет похвальную категоричность, относя ее к разряду псевдосил, вводимых для упрощения конкретных расчетов и, разумеется, не существующих на самом деле, фиктивных. На этом следует остановиться особо.

Классическая механика — это как бы своеобразная модель картины мира, движения реальных тел, оправдывающаяся на практике с исключительной точностью. Следующей по времени моделью является релятивистская механика, в которой существенную роль играет скорость распространения электромагнитных колебаний, в частности видимого света, принимаемая в уравнениях движения за постоянный параметр. Если сделать предельный переход в результате устремления этого параметра в бесконечность, то законы релятивистской механики, или механики специальной теории относительности, обращаются в законы механики классической.

Понятия пространства, времени, массы, силы, в том числе силы инерции, в релятивистской механике несколько иные, чем в классической. Исключительное значение приобретает понятие энергии.

Дальнейшим шагом является, как известно, механика общей теории относительности с ее зависимостью кривизны пространства от присутствия масс и принципом локальной неотличимости поля тяготения от поля сил инерции переносного движения.

Нельзя, как правило, переносить содержание отдельных понятий из механики специальной и из механики общей теории относительности в механику классическую. На получающуюся при этом некую эклектическую механику обрушивается автор книги. И он прав.

Классическая механика постулирует наличие «абсолютной» системы координат с началом в центре масс Солнечной системы и с осями, направленными к «неподвижным» звездам. Пространство принимается за евклидово, время считается независимой категорией, «абсолютным», всюду текущем одинаково.

Каждое тело (точнее, материальная точка) ускоряется в такой системе координат под воздействием других тел. Мера этого воздействия называется силой, силой физической, или ньютоновой, естественной — по определению. Ускорение обратно пропорционально массе тела, его мере даѳрции. Верен закон действия и равного, противоположно направленного противодействия — третий закон Ньютона. Всякой ньютоновой силе, т. е. воздействию одного тела на другое, присуща равная, противоположно направленная и действующая по той же прямой сила воздействия второго тела на первое.

Векторные величины, хотя бы и называемые по ряду причин силами и имеющие ту же размерность, но не вызывающие «абсолютного» ускорения и не имеющие отношения к третьему закону Ньютона, таким образом, не являются физическими, ньютоновыми или естественными силами. Таким образом, если, по определению, именовать последние силы реальными, то, как следствие, все другие силы, также по определению, надлежит именовать, а в рамках классической механики и считать, силами нереальными, фиктивными, псевдосилами или как либо еще. Во всяком случае, такие силы не ньютоновы.

Так называемые силы инерции, встречающиеся в классической механике, как раз и являются в этом смысле силами фиктивными. В классе реальных сил, т. е. сил, вызывающих «абсолютное» ускорение и имеющих противодействие, их нет. В исходных уравнениях движения по отношению к «абсолютной» системе координат, а также и «галилеевой» (равномерно и поступательно перемещающейся относительно «абсолютной») они отсутствуют. Появляются силы инерции лишь при модификации записи уравнений движения как обозначения отдельных их членов, соответствующих некоторым искусственно вводимым векторам, модуль которых имеет размерность силы.

Силы инерции в классической механике, в свою очередь, делятся на два класса: даламберовы и эйлеровы. Под прследними предлагается понимать совокупность переносных и кориолисовых сил инерции, встречающихся при изучении движения по отношению к подвижным системам координат. Введение и даламберовых, и эйлеровых сил инерции оказывается полезным для пояснения ряда механических явлений, составления удобных, наиболее простых уравнений движения, определения сил связей и внутренних усилий.

При использовании даламберовых сил инерции, по существу, производится следующая мысленная операция. «Абсолютному» (или по отношению к некоторой галилеевой системе координат) движению механической совокупности материальных точек либо тел (твердых, жидких, газообразных) ставится в каждое мгновение времени в соответствие точно такая же воображаемая совокупность о теми же физическими силами, однако «абсолютно» (или относительно галилеевой системы) неподвижная — своеобразный мгновенный снимок движущейся механической совокупности, произведенный «абсолютно» неподвижным наблюдателем. Каждая даламберова сила равна произведению элементарной массы механической совокупности на ее «абсолютное» ускорение и направлена в противоположную сторону. Вследствие этого если к каждой элементарной массе воображаемой совокупности приложить соответствующую даламберову силу инерции, считая ее условно как бы физической («квазиньютоновой»), то такая совокупность останется пребывать в «абсолютном» покое. Физические силы и даламберовы силы инерции образуют взаимно уравновешенную систему сил, которую можно назвать «даламберовым равновесием». Внутренние усилия и силы реакции, разумеется, останутся теми же и могут определяться методами статики, что, как правило, нагляднее.

В самом деле, маховик или веревка, удерживающая движущийся по окружности камень, разрываются в этой воображаемой схеме физическими силами, равными центробежным силам инерции, когда последние становятся достаточно большими. Однако в соответствии с законами классической механики разрушение маховика или обрыв веревки происходят вследствие недостаточной прочности их материала, не позволяющей осуществить заданное движение с большими ускорениями.

Следует, таким образом, помнить, что «даламберово равновесие» является лишь воображаемой моделью, точнее: расчетной схемой истинного «абсолютного» движения, и даламберовы силы инерции как физические (реальные, по определению) не существуют. В рамках классической механики — это лишь удобные вспомогательные, искусственно вводимые векторные величины. То же относится и к эйлеровым силам инерции, которые позволяют истинное движение условно рассматривать как «абсолютное». А именно, вновь вводится идентичная заданной воображаемая механическая совокупность, на которую действуют точно такие же ньютоновы (т. е. физические, или естественные) силы. Абсолютное движение такой совокупности будет точно копировать относительное движение исходной, если к ньютоновым силам добавить еще дополнительные физические силы. Они, как нетрудно сообразить, соответственно равны эйлеровым силам инерции, обусловленным относительным движением реальной механической совокупности по отношению к заданной подвижной системе координат.

Таким образом и здесь, по существу, используется некая модель истинного движения, в которой эйлеровы, т.е. переносные и кориолисовы, силы инерции становятся как бы реальными физическими силами. Однако это — всего лишь модель. При торможении железнодорожной платформы плохо укрепленный предмет начинает движение по отношению к ней не потому, что на него начинает действовать сила инерции переносного движения. С точки зрения классической механики он просто стремится продолжать то же движение, что и до торможения, удерживаемый в какой-то степени силами, развиваемыми креплением к платформе. Однако первая трактовка нагляднее. Надо лишь точно оговорить, что платформа принимается условно за неподвижную, и вследствие этого надлежит ввести как бы физические («квазиньютоновы», ибо они не имеют никакого отношения к третьему закону Ньютона) силы, равные переносным силам инерции. И тогда все становится ясным и верным.

В заключение отмечу ясную трактовку автором определения «движение по инерции». В самом деле, строго говоря, движение по инерции возможно лишь у тела, перемещающегося поступательно при отсутствии внешних сил. Тем не менее в быту так обозначается движение при малом сопротивлении, например автомобиля или поезда без тормозов по горизонтальному пути. Вращение маховика, его выбег при малом трении в подшипниках тоже можно условно отнести к движению (вращению) по инерции.

А. Ю. Ишлинский


ОТ АВТОРА
top

— Когда весь бензин вышел, автомобиль принужден был остановиться...

И после этого еще болтают об инерции, господа!..

Ну не смешно ли?..

Я. Гашек Похождения бравого солдата Швейка во время мировой войны

Давайте вместе посмеемся над невежеством полковника Крауса фон Целлергута, произнесшего столь нелепую тираду, но, посмеявшись, задумаемся. Действительно, а как же инерция? Ведь говорят, что автомобиль после выключения двигателя движется по инерции. И в школьных учебниках написано, что движение по инерции — равномерное, прямолинейное. Стало быть, гашековский автомобиль, двигаясь по инерции, ехал бы до сих пор и продолжал бы ехать целую вечность.

Надо заметить, что гашековский герой — не единственный, кто имеет достаточно туманное представление об инерции. К сожалению, несмотря на полную ясность этого понятия в классической механике, неправильная его трактовка имеет место по сей день. Целью этой книжки и является попытка популярно изложить правильное, с точки зрения современной механики, воззрение на проблемы инерции и так называемые силы инерции. При этом теоретические рассуждения для большей доказательности подкрепляются практическими примерами: описанием устройств, использующих в своей работе инерцию (кстати, весьма перспективных).

В заключении разбираются основные ошибки, связанные с неправильной трактовкой сил инерции, их действия на реальные механические системы. Рассматриваются и «загадочные» проявления инерции, дающие почву для попыток создания «безопорных движителей» — так называемых инерцоидов и аналогичных «химер» в технике.


Об авторе
top
photoГулиа Нурбей Владимирович
Ученый и изобретатель в области маховичных накопителей энергии, бесступенчатого механического привода, гибридных транспортных силовых агрегатов; популяризатор науки и техники. Доктор технических наук, профессор. Более 30 лет осуществлял активную деятельность в патентоведении — в Контрольном совете и Экспертном совете при председателе Госкомизобретений СССР. Научный руководитель компании «Кинетик», занимающейся направлением безопасных супермаховиков.

Родился Н. В. Гулиа в г. Тбилиси. Там же закончил школу и Политехнический институт. Уже студентом имел научные труды и изобретения. В 1963 году поступил в аспирантуру в Москве и в 1965 году защитил кандидатскую диссертацию по использованию маховичного накопителя. В мае 1964 года Н. В. Гулиа подает заявку на изобретение первого супермаховика — энергоемкого и разрывобезопасного маховика, в том виде, как он сейчас разрабатывается и используется во многих странах.

В 1973 году защитил в Москве в Московском автомобильно-дорожном институте докторскую диссертацию на тему: «Динамическое аккумулирование и рекуперирование механической энергетики для целей транспорта».

С 1977 по 2015 годы работал в Московском государственном индустриальном университете (МГИУ), сначала профессором кафедры «Автомобили и двигатели», а затем — заведующим кафедрой «Детали машин». В МГИУ продолжил заниматься маховичными накопителями энергии для транспорта.

Н. В. Гулиа опубликовал сотни научно-популярных статей практически во всех издаваемых в СССР, а потом в России массовых научно-популярных журналах. Около тридцати книг, изданных на русском и ряде иностранных языков, посвящены цели популяризации научного направления автора. Всего трудов у Н. В. Гулиа свыше семисот, а изобретений — более четырехсот. Благодаря им Н. В. Гулиа занимает почетное 2-е место в рейтинге открытого научно-популярного проекта «Ученые и изобретатели России» по разделу «изобретатели» за всё время изобретательства в России.