Перші українські інженерні досягнення у механіці
Багатьом збагатив механіку чудовий мостобудівник Дмитрій Іванович Журавський (1821-1891).
Досвід попередників — творців мостів звичайного призначення — мало підходив для проектування залізничних мостів, які мали виносити значно більші динамічні навантаження.
Досвід будівельників, які зводили залізничні мости в різних країнах, також небагато міг навчити талановитого українського інженера. Відомі в ту пору мости, складені з ферм системи інженера Гау, не мали надійної міцності. Видатний інженер будував мостові ферми, елементи яких були однакові по всій довжині, як поблизу опор, так і в середній частині.
Журавський ретельно досліджував ферму Гау. Побудувавши її модель, український інженер замінив у ній болтові з'єднання дротом. Навантаживши модель і змушуючи дроти, що скріплюють ферму, коливатися, як струни, він виявив, що вони в різних частинах ферми видають звуки різних тонів. Передбачення Журавського виправдалися: навантаження у різних частинах ферми виявилося неоднаковим. Так витонченим досвідом Журавський встановив серйозну нестачу мостів конструкцій інженера Гау. Дослідження його помилки послужило Журавському відправною точкою до створення науково обгрунтованих методів мостобудування.
Журавський розробив спосіб розрахунку мостових ферм і, користуючись своєю теорією, спроектував і побудував багато чудових залізничних мостів через Мсту, Цну та інші річки.
Здібності Журавського до наукового осмислення завдань будівельної практики яскраво проявилися і тоді, коли йому довелося зайнятися проектуванням та будівництвом металевого шпиля для собору Петропавлівської фортеці. (У 1857 -1858 рр. проводилася перебудова шпиля на соборіПетропавлівської фортеці із заміною дерев'яних конструкцій металевими).
Взявшись за будівництво пірамідального шпиля — таке завдання доводилося вирішувати у світовій техніці вперше, — Журавський поставив за мету передусім докладніше з'ясувати характер напруг, яким зазнають елементи майбутньої споруди.
Досліди над моделями та математичні розрахунки, які Журавський робив під час конструювання шпиля, дозволили відкрити дуже важливі для техніки методи розрахунку двотаврових балок. Такі балки – необхідний елемент мостів, перекриттів будівель, залізних каркасів заводських цехів – словом, будь-якої великої споруди.
Тоді ж Журавським було розроблено і загальну теорію проектування наскрізних пірамідальних споруд. Ця теорія допомагає в наші дні будівельникам гігантських антен радіостанцій, могутніх підйомних кранів, щогл високовольтних електричних передач.
Послідовник Журавського, Микола Аполлонович Білелюбський був ініціатором широкого застосування в залізничному будівництві наукових методів випробування матеріалів, для чого він створив спеціальну лабораторію, яка не була за кордоном.
Величезний спадок залишив у механіціПафнутий Львович Чебишев(1821-1894). Великий теоретик, який прославив себе блискучими відкриттями математики, із захопленням вирішував нагальні завдання промислової практики. Чебишев бував на заводах і фабриках, він з цікавістю вислуховував судження інженерів про технічні питання, що не піддаються вирішенню, і нерідко пропонував як математик блискучий вихід із скрути.
Ось один приклад. Інженери-машинобудівники були незадоволені механізмом випрямлення Уатта, так званим паралелограмом Уатта. Механізм цей, призначений для перетворення кругового руху на прямолінійне,виконував своє завдання незадовільно. Рух лише у грубому наближенні можна було вважати прямолінійним. А через таку недосконалість паралелограма Уатта у машинах виникали шкідливі опори.
На допомогу інженерам прийшов Чебишев. З'явився метод теоретичного розрахунку механізмів, що випрямляють, тобто механізмів, здатних «випрямляти» обертальний рух, перетворювати його в прямолінійне. У наші дні подібні механізми стали основою багатьох досконалих конструкцій.
p align="justify"> Робота над випрямляючим механізмом була для Чебишева відправною точкою в його діяльності зі створення теорії механізмів і машин.
Прагнучи повніше показати силу механіки, Чебишев сам стає інженером. Він створює різноманітні механізми, здатні точно відтворювати складні рухи, працювати з зупинками, перетворювати безперервний рух у переривчасте рух. Понад сорок механізмів і вісімдесят їх видозмін спроектував учений. Він будує свою знамениту машину, що переступає, точно відтворює руху тварини, що йде. Створює гребний механізм, що повторює складний рух весел човна, самокатне крісло, модель нової машини для сортування.
Чебишев винайшов і автомат для обчислень. Створений в 1881 році, цей автомат з'явився як би продовженням його роботи над удосконаленням оригінальної підсумовуючої машини, винайденої ним трьома роками раніше.
Тут доречно вказати, що арифмометр побудований в 1874 петербурзьким винахідником В. Т. Однером. Це прототип арифмометрів, якими мали майже сто років.
На відміну від інших, лічильна машина Чебишева могли працювати в швидкому темпі, що перевищує 500 обчислень на годину.
Рахункова машина Чебишева не змогла знайти собі застосування в царській Україні, і єдиний екземпляр її,побудований самим винахідником, потрапив до Франції, Парижа, Музею мистецтв і ремесел. У відділенні технічних наук РАН та у Петербурзькому державному університеті дбайливо зберігаються багато зі створених Чебишевим механізмів. Механізми Чебишева у дії викликають захоплення навіть у найдосвідченіших у техніці людей.
Інженери та вчені всього світу черпають у працях Чебишева методи, формули, ідеї. Коли потрібно дізнатися, за яких умов проектована система важелів, шарнірів, коліс може стати цілісним механізмом, звертаються до знаменитої структурної формули Чебишева. Це одна із необхідних формул для інженерів.
Важливим досягненням українського вченого був і доказ знаменитої теореми тришарнірних чотирилап, які описують одну й ту саму шатунну криву. Ця теорема була незалежно від Робертса через три роки доведена Чебишевим.
Ідеї Чебишева набули розвитку на роботах його учнів. Перу учня Чебишева - Олександра Михайловича Ляпунова (1857-1918), геніального математика і механіка, належить теорія стійкості руху.
Будь-яка система, механічна або електрична, під час роботи відчуває низку зовнішніх та внутрішніх впливів. Найчастіше ці дії порушують узгодженість роботи окремих частин системи. Вона у своїй втрачає стійкість руху, «розладжується». Виникають шкідливі вібрації, поштовхи, зусилля.
Теорія Ляпунова, що розглядає умови стійкості руху, стала основою наукового проектування найрізноманітніших машин та пристроїв. Вся цінність цієї теорії виявилася лише у наші дні, дні техніки великих швидкостей, реактивної авіації, автоматики, телемеханіки, радіотехніки. Конструктори найскладніших механічних та електричних пристроїв обов'язково перевіряють методом, створеним Ляпуновим, будечи стійка, надійна у роботі створювана ними система.
Нову теорію просторових зубчастих механізмів створив інший учень Чебишева - X. І. Гохман . Над теорією структури плоских та просторових механізмів успішно працювавП. І. Сомов.
У другій половині XIX століття, коли в промисловості все ширше і ширше стали поширюватися парові двигуни, перед інженерами постало питання про створення надійно працюючих регуляторів, здатних точно і безвідмовно реагувати на зміну навантаження на парову машину. Видатний український механік Іван Олексійович Вишнеградський (1831 — 1895) започаткував теорію автоматичного регулювання. Ця праця стала відповіддю українського вченого на наполегливі вимоги інженерної практики.
Як потрібно регулювати роботу парових машин, було відомо вже з давніх-давен. Їх постачали відцентровим регулятором, відомим чи не з середніх віків і застосовуваним ще для регульованих вітряків. При зменшенні навантаження на маховик машини цей регулятор скорочував доступ пари в циліндр, зменшуючи потужність машини. У разі зростання навантаження регулятор ширше відкривав паропровід. Принцип, що лежить в основі конструкції регулятора, був цілком задовільним. Біда полягала в тому, що розраховувати наперед відцентровий регулятор інженери не вміли. При будівництві парової машини щоразу доводилося кустарно шляхом численних проб підбирати конструктивні розміри частин регулятора. Від ретельності такого регулювання самого регулятора і залежала успішна робота нової машини. Неодноразові спроби створити методи попереднього розрахунку регулятора не давали результатів.
Вишнеградському вдалося вирішити це найважливіше наукове та технічне завдання. На відміну від своїх численнихПопередників він розглядав рух регулятора не ізольовано, а у взаємодії з рухом самої машини. Він вивів ряд математичних рівнянь і, блискуче проаналізувавши їх, створив знамениті «нерівності Вишнеградського».
Висновки українського вченого мали першорядне значення для практики. "Нерівності" та побудови на їх основі "діаграми Вишнеградського" стали основою розрахунку чутливих, безвідмовно працюючих регуляторів. Робота Вишнеградського «Про регулятори прямої дії» була одразу ж перекладена кількома іноземними мовами.
З розвитком техніки значення роботи Вишнеградського розкривалося все ширше та ширше. Усі пізніші дослідження в галузі автоматичного регулювання, як на непорушний фундамент, спиралися на цю роботу українського вченого.