Естествознание

Рычаги

В естествознании представления о всеобщности рычажных взаимодействий и множественности моментальных точек опор — основа познаний структуры природной среды. Во всех природных процессах они проявляют направленность действий и мощность двигательных и тепловых моментов.

Механика издавна основана на принципах рычажных действий. Из рычажных устройств состоят механизмы. Рычажный клин — единственный инструмент механической обработки почвы и изделий; меч и молот тоже его разновидности.

Архимед открыл отношения на длинах, изобрел винт для подъема воды. По его заключению рычаги способны перевернуть Землю, если только найти для них точки опор.

Правоту его слов подтверждают те же термоядерные взрывы.

О свойстве точек опор

Все точки рычажных опор проявляют парадоксальное свойство, которое часто упускают из виду: отношения мощности в них практически не играют роли. В рычаге-орудии скрыт второй рычаг с плечом радиуса поворотной оси: он-то и сводит на нет сопротивления в опоре.

Рассмотрим рычаг с с плечами коротким r, длинным ε×r и точкой опоры радиуса ro. Мощность момента длинного плеча Q×ε×r, где Q — мощность приложенных к плечу относительно неуравновешенных моментов. Трение в точке опоры по закону Амонтона k×Q×(1+ε); мощность моментов трения k×Q×(1+εro. При повороте рычага на угол Δα работа А=Q×ε×r×Δα . Работа трения по модулю Атр=k×Q×(1+εro×Δα. Полезной окажется работа ААтр. Механический к. п. д. рычага по отношению полезной и совершенной работ: ηр=(ААтр)/А=1−Атр/А=1−k×r×(1+ε)/ε×ro. Здесь числитель лишь немного больше единицы, знаменатель на порядки меньше единицы.

Так, при ε=4, r/ro=0,05 и k=0,25 (довольно плохая смазка) механический к.п. д. ηр=98,4%, то есть почти сто процентов!

Свойства точек рычажных опор сыграли выдающуюся роль в развитии техники, позволив устранить трение в важнейших изобретениях: колесе, гребном весле и рычажных весах. Полезный эффект достигался одинаковым способом: проявления мощности взаимодействий сводили к поворотной оси малого радиуса, будь то обод колеса, валек весла или коромысло весов. На локализованных точках опор в природной среде и проявлялось их парадоксальное свойство (Аскольд Силин: Трение и мы)

О процессе рычажных взаимодействий

Процесс рычажных взаимодействий происходит и при работе теплового насоса. Локализованной точкой опоры в нем служит сопло Cs, где частицы mi рабочей среды области высокого давления обретают импульсы и в среде разряженной смещают тепловые эквиваленты. При повороте вентиля процесс охлаждения и нагревания станет обратным: ∆Qjmj×t°×(yj–∆j). Теплоту нагреватель, бывший холодильник, передает бывшему нагревателю, который стал холодильником: ∆Qimi×t°×(xi+∆i). Мощность насоса [(xi–∆i)×mi/mj–(yj+∆j)]/(yj+∆j) при этом преобразуется в [(yj–∆jmj/mi–(xi+∆i)]/(xi+∆i). Отношение разности температур к температуре холодильника назовем множителем Карно.

Так, при замораживании воды, если ее температура уже опустилась до точки замерзания (0°С или 273К), а температура воздуха там, где стоит холодильник, 20°С или 293К, разность температур 20К. Работа насоса составляет 20/273≈0,073 от количества теплоты, отбираемой у воды. Значит 73 Дж двигательной работы насоса"сбрасывают" в комнату 1073 Дж теплоты. К. п. д. ηр=1073/73=14,4; коэффициент преобразования 1470%!

Посмотрим теперь на двор за окном или озеро. Используя их среду, мы можем превращать ее в теплоту с парадоксом теплового насоса — холодильника, в работе которого нас интересует, что излучает змеевик, а не что именно он охлаждает: возможно, холодный воздух за стенами дома.

Сжигание органических веществ для получения теплоты — самый варварский способ. Ведь малая двигательная работа теплового насоса способна собирать намного больше подержанной теплоты, окружающей со всех сторон (Питер Эткинс: Порядок и беспорядок в природе)


В историческом плане процесс большого выделения теплоты при относительно малом количестве двигательной работы в точке опоры практически использовали с древнейших времен при добыче огня. Но первым, кто выявил это, был Бенджамин Томпсон, граф Румфорд. Открытие — или озарение — пришло из практики. В технике сверление (по-старинному, "верчение") стволов — один из самых трудоемких и ответственных этапов изготовления пушек. Томпсон пришел к выводу, что интенсивное выделение теплоты — это естественное следствие самого процесса. Для проверки своей гипотезы пытливый исследователь использовал тупое сверло.

"Трудно описать удивление и изумление, выраженное зрителями, при виде того, как большое количество воды нагревалось и было доведено до кипения без всякого огня. Поскольку установка, применявшаяся в этом опыте, легко приводилась во вращение силой одной лошади, можно рассчитать, сколь большое количество теплоты может быть произведено исключительно с помощью надлежащего механического устройства без огня, без света, без горения или химического разложения. Размышляя по этому поводу, мы не должны забывать того самого замечательного обстоятельства, что источник теплоты, производимой в этих опытах, очевидно, неистощим!"

В технических устройствах чуть ли не обязательным оказывается использование в подавляющем большинстве случаев вращательных действий на локализованных точках опор. Но таких проявлений мы почти не находим в природной среде, где самым распространенным и чуть ли не единственным типом узлов служит сустав, близкий по функциям к шарниру. В чем же здесь дело?

Тысячелетний опыт, накопленный человечеством, казалось бы, неопровержимо доказывал легкость получения, передачи и преобразования именно вращательных действий, не говоря уже об эффективности их применения в технике. Но истинная роль сопротивлений в природной среде оставалась непонятной даже в эпоху средневековья. Простая мысль, что последовательное соединение рычажных узлов в арифметической прогрессии приводит к увеличению сопротивлений в геометрической прогрессии, никому не приходила тогда в голову (Аскольд Силин: Трение и мы)   

О рычажных законах динамики и статики

Рычажные действия происходят в телесной упругости природной среды. Мощность мышц, которую человек находил в своем теле, напряжения, чтобы растянуть тетиву лука, метнуть копье или пробежать милю, тоже относятся к этой категории.

Упругости и тяжести подобны. При растяжении пружины мы держим ее за одну сторону и находим, какой груз подвесить на другую для равновесия при нужной длине. Пружина напряжена во все телесные стороны и уравновешивает мощность действия груза. В статике, гидро и аэростатике такие состояния характеризуют принципом моментального равенства взаимодействий.

Если равновесные состояния нарушаются, проявляется относительная неуравновешенность взаимодействий. Поднятый груз падает, когда рука устает держать его. Стрела летит из тетивы лука. Без тяжести пружина возвращается обратно. Местные проявления потенциалов мощности в относительно неуравновешенных рычажных взаимодействиях создают динамичные двигательные и тепловые процессы.

Из объективных фактов и должны исходить все попытки открыть законы динамики и статики процессов такого рода (Макс Борн: Эйнштейновская теория относительности)