Механика — это раздел физики, рассматривающий движение тел и силы.
Движение. Движения тел очень разнообразны. Поступательным движением тела называется такое движение, при котором всякая прямая, соединяющая две точки движущегося тела, перемещается параллельно самой себе. Если при этом все точки тела движутся по прямым линиям, то движение будет прямолинейным. Движение поршня в цилиндре является возвратно-поступательным. Движение тела вокруг своей оси (маховик, коленчатый вал двигателя) называется вращательным. В технике часто приходится иметь дело с колебательным движением. Примером колебательного движения может служить движение маятника. Иногда тело одновременно совершает несколько различных движений. Так, например, шатун совершает колебательное движение около поршневого пальца, его верхняя головка участвует в возвратно-поступательном движении вместе с поршнем, а нижняя головка вместе с шейкой коленчатого вала вращается.
Скорость и ускорение. Путь, пройденный телом, измеряется в единицах длины. Один и тот же путь может быть пройден телом в различное время. Это зависит от скорости тела. Скорость измеряется расстоянием, проходимым движущимся телом в единицу времени.
Движение, при котором скорость тела остается постоянной, называется равномерным. Движение, при котором скорость изменяется, называется переменным. Переменное движение может быть ускоренным или замедленным. Прирост скорости за одну секунду называется ускорением.
Скорость вращения определяется числом оборотов в минуту или секунду. Скорость, с которой движется какая-нибудь точка вращающегося тела, называется окружной скоростью. Чем дальше от оси вращения находится точка, тем больше ее окружная скорость при данном числе оборотов.
Силы. Силой называется такое действие тел друг на друга, при котором меняется скорость или форма тел. Силы имеют определенную величину и определенное направление. На чертеже они изображаются в виде стрелки (вектора). Длина стрелки в определенном масштабе изображает величину силы, а направление стрелки показывает, в каком направлении действует сила.
Часто на одно тело действует одновременно несколько сил. В этих случаях тело или двигается поступательно (как, например, двухмоторный самолет, на который одновременно действует сила двух двигателей), или вращается (как, например, рулевое колесо, на которое действуют две руки водителя). Можно подобрать такую силу, которая произведет на тело такое же действие, как и несколько сил. Такая результирующая сила называется равнодействующей.
Равнодействующая нескольких сил, направленных по одной прямой и в одну сторону, равна их сумме и направлена в ту же сторону. Равнодействующая двух параллельных сил, направленных в одну сторону, равна их сумме, приложена между ними и делит расстояние между силами на части, обратно пропорциональные этим силам. Две силы, равные и параллельные, но направленные в противоположные стороны, называются парой сил. Пара сил не имеет равнодействующей: под действием пары сил тело будет вращаться (рис. 8). Равнодействующая двух сил, направленных под углом друг к другу, равна диагонали параллелограма, построенного на данных силах, как на сторонах (рис. 9).
Рис. 8. Пара сил
На практике особенно часто приходится иметь дело с обратным явлением — с разложением сил. Разложение сил происходит в тех случаях, когда одна сила, действующая на тело, разлагается на две или на несколько сил, параллельных или направленных под углом одна к другой. Разложение сил на составляющие, направленные под углом друг к другу, производится, как и сложение, по правилу параллелограма. Действующая сила является диагональю, а составляющие силы — сторонами параллелограма.
Рис. 9. Сложение сил. Равнодействующая двух сил, направленных под углом друг к другу
Пример разложения сил показан на рис. 10. Молоток ударяет по клину с силой Р. Стороны клина давят на дерево (силы Т) и стремятся расколоть его. Силы Т направлены под прямым углом к сторонам клина и являются сторонами параллелограма. Диагональю параллелограма является сила Р. Сила, с которой клин давит в стороны, зависит от угла заточки клина и может быть в несколько раз больше силы, с которой ударяют по клину.
Рис. 10. Разложение сил
Другим примером могут служить силы, действующие в кривошипном механизме двигателя (рис. 11). При наклонном положении шатуна сила давления газов Р на поршень разлагается на две. Одна из этих сил Рш направлена вдоль шатуна и передается на коленчатый вал. Другая сила Рн действует перпендикулярно к стенке цилиндра. Таким образом, сила Рш является полезной, так как она способствует вращению коленчатого вала, а сила Рн — вредной, так как она вызывает трение поршня о стенки цилиндра и их износ.
Рис. 11. Разложение сил давления газов, действующих на поршень
Действие силы на тело зависит не только от ее величины и направления, но и от точки приложения. Если на тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси, действует сила, приложенная на некотором расстоянии от оси, то тело будет вращаться. Перпендикуляр, опущенный из оси вращения на направление действия силы, называется плечом. Произведение силы на плечо называется моментом силы. Момент, под действием которого тело вращается, называется вращающим или крутящим моментом.
Крутящий момент тем больше, чем больше плечо и сила, приложенная к данному телу.
Действие силы на тело не изменится, если точку приложения силы перенести по направлению силы в любую другую
точку тела. Так, например, безразлично, рассматривать ли силу Рш приложенной к верхней или к нижней головке шатуна. Сила Рш, приложенная к нижней головке шатуна, а значит, и к шейке коленчатого вала, связанной с шатуном, обусловливает возникновение крутящего момента, под влиянием которого и происходит вращение коленчатого вала (рис. 12).
Рис. 12. Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала
Инерция. Из повседневного опыта известно, что неподвижное тело не может без постороннего воздействия начать двигаться. Чтобы привести неподвижное тело в движение, необходимо приложить к нему некоторую силу. Чтобы остановить движущееся тело или изменить направление его движения, на него также надо подействовать некоторой силой. Свойство тел сохранять состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения называется инерцией.
Если на тело действует ничем не уравновешенная сила, то под ее воздействием тело будет двигаться ускоренно. Ускорение, приобретаемое телом под действием силы, тем больше, чем больше действующая сила и чем меньше масса тела. Массой тела называется количество вещества, из которого состоит тело. Направление ускорения совпадает с направлением действующей силы.
Тело, движущееся по окружности, также подчиняется этим законам. В каждое мгновение тело стремится двигаться прямолинейно, т. е. по касательной к окружности. В связи с тем, что тело движется по окружности и, следовательно, непрерывно изменяет направление движения, можно сделать вывод о том, что на него действует какая-то сила. Такая сила действительно существует и называется центростремительной. Стремление тела двигаться по инерции прямолинейно проявляется в том, что тело, движущееся по окружности, действует с некоторой силой на те тела, которые отклоняют его от прямолинейного пути. Эта сила называется центробежной. Центробежная сила Рц (рис. 12) действует, например, па щеки коленчатого вяла, на спицы маховика, натягивает веревку, к которой привязан камень, совершающий движение по окружности, и т. п. Центробежная сила том больше, чем больше масса и скорость тела, движущегося по окружности.
Колебания. В технике часто приходится иметь дело с приложением силы к упругому телу. В этом случае упругое тело начинает совершать колебательное движение. Если на упругое тело сила действовала непродолжительное время, а затем оно было предоставлено самому себе, то возникают колебания, называемые свободными. Свободные колебания под влиянием трения и других сопротивлений постепенно прекращаются — затухают. Если на упругое тело действует периодически изменяющаяся внешняя сила, то возникающие при этом колебания называются вынужденными. Так, например, после того как пловец, прыгая с трамплина, т. е. с доски, закрепленной одним концом, оттолкнется от доски, доска будет совершать свободные колебания. Эти колебания постепенно прекратятся. Если же пловец не спрыгнет с доски, а будет много раз подскакивать на ее свободном конце, то доска будет совершать уже вынужденные колебания.
Колебательное движение характеризуется периодом и частотой. Промежуток времени, в течение которого, например, маятник проходит от одного крайнего положения до другого и снова возвращается, называется периодом колебания. Число полных колебаний, совершаемых маятником в одну секунду, называется частотой колебаний. Наибольшее отклонение маятника от положения равновесия называется амплитудой колебания.
Наблюдения показали, что период колебания не зависит ни от массы маятника, ни от амплитуды колебаний, а зависит от длины маятника и от силы, которая служит причиной колебательного движения.
Каждая упругая деталь имеет вполне определенный период колебаний и, следовательно, вполне определенную частоту колебаний. Эта частота, свойственная данной упругой детали, называется собственной частотой колебания.
Частота вынужденных колебаний определяется еще внешней силой, прикладываемой к упругому телу, и зависит от характера изменений этой силы.
Если частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных колебаний, то их величина может достичь очень большого значения. Совпадение частот собственных и вынужденных колебаний называется резонансом. Возникновение резонанса при работе машин, в том числе и при работе дизеля, очень нежелательно и во многих случаях может привести к поломке его деталей.
Работа. Если сила перемещает тело, то говорят, что сила производит работу. Чем больше сила, передвигающая тело, и чем больше пройденный путь по направлению силы, тем больше и работа. Работа измеряется килограммометрами, т. е. произведением единицы силы на единицу пути. Один килограммометр равен той работе, которую нужно совершить, чтобы груз в один килограмм поднять на высоту в один метр.
Большое значение имеет не только то, какую работу может выполнить данная машина, но и то, за какое время эта работа будет совершена. Работа, выполненная в единицу времени, т. е. скорость работы, называется мощностью. Мощность измеряется килограммометрами в секунду. Для измерения мощности машин используется более крупная единица — лошадиная сила. Одна лошадиная сила — это мощность, при которой в 1 секунду совершается работа в 75 килограммометров.
Энергия. Способность тела производить работу называется энергией. Различают два вида энергии — энергию потенциальную, или энергию положения, и кинетическую, или энергию движения.
Примером потенциальной энергии может служить энергия тела, поднятого над землей. Падая, это тело совершит работу. Сжатая пружина также обладает потенциальной энергией, так как, разжимаясь, она совершит работу.
Примером кинетической энергии может служить энергия движущегося тела, тепловая энергия, энергия излучения.
Энергия измеряется в тех же единицах, что и работа.
Энергия одного вида может переходить в энергию другого вида. В природе энергия не возникает вновь и не уничтожается, она лишь передается от одних тел к другим или видоизменяется. В технике широко применяется преобразование какого-либо вида энергии в другой. Особенно часто преобразуются различные виды энергии в механическую. Машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую, называется двигателем. Машина, преобразующая тепловую энергию в механическую, называется тепловым двигателем. К числу тепловых двигателей относятся двигатели внутреннего сгорания и, в частности, дизели.