Рідина у пастці...
Рідини, на відміну від газів, практично не стисливі. І це визначає їхню цікаву поведінку, якщо вони опиняються у... пастці. То як поведе себе рідина у пастці..?
Наприклад, якщо трубку, в якій швидко тече вода, раптово перекрити, то енергія води, що рухається, може наробити бід. Так як рідина стискується з великими труднощами, то швидкісний напір води розвиває дуже високий тиск, що нерідко рве труби. Це називається гідравлічним ударом. Тому в квартирах і роблять крани, що повільно закриваються, щоб не виникало гідравлічних ударів.
Але гідравлічний удар можна змусити працювати на користь. Фонтанчик під час гідравлічного удару піднімається досить високо (рис. 1). Так можна подавати воду нагору, причому без насосів та витрати енергії. Пристрій, що дозволяє це робити, називається гідравлічним тараном. Ось так поводиться рідина у пастці, коли ще може з неї вирватися.
А буває, що рідина спеціально заганяють у такі пастки, з яких їй вирватися не так просто, і в цих випадках вона розвиває величезний тиск. Взяти хоча б мастило машин, коли заганяють олію в пастку.
Диво перше – гідродинамічна мастило. Уявімо собі вал із зазором, що сидить у втулці. Все це знаходиться в рідкій олії. Поки вал не обертається, він лежить на втулці і торкається її. Але якщо вал починає обертатися, то ніби спливає у втулці і перестає її торкатися. Між валом і втулкою утворюється масляний клин, інакше кажучи, олія, загнана в пастку.
Справа в тому, що масло, захоплюючись валом, що обертається, там, де зазор його з втулкою ще великий, заганяється фактично в пастку - туди, де зазору-то між валом і втулкою ще не з'явилося, поки вал лежав на втулці. Тиск олії сильно зростає, і воно піднімає вал, утворюючи невеликий зазор, навіть якщо на вал тиснуть великі сили.
Ось так і працюють підшипники ковзання у всіх двигунах. Вал при його обертанні зовсім не торкається втулки, ці деталі практично не зношуються. Зазвичай думають, що підшипники кочення створюють опір менший, ніж ковзання. Але це абсолютно неправильно. Вони краще ніж кулькові, витримують удари, гасять вібрації, менше шумлять. Єдине, чого не люблять такі підшипники, - це низьких швидкостей обертання, коли олія не утворює клина і метал цапфи третиться об метал втулки.
Такі ж масляні клини утворюються і між зубцями зубчастих коліс та шестерень, що працюють у маслі. Зуби передачі практично не торкаються один одного і не зношуються, між ними все те ж масло, загнане в пастку, - олійний клин.
Диво друге - "скління" олії при великих тисках. Замкнене в пастку, затиснуте між двома силами, що обертаються і притиснутими один до одного, масло як би густіє, "скляне", починає передавати навантаження зсуву. Але тонкі плівки олії швидко виникають і припиняються при тисках порядку 1 ГПа (1000 МПа) починають вести себе як желе, холодець або навіть скло – передавати навантаження зсуву. Сила, що передається "заскленілим" маслом, невелика, вона в кілька разів менша сили звичайного тертя при тих же навантаженнях, але немає інтенсивного зносу, настільки характерного для сухого тертя. Тому таку "скляне" масло використовують у безступінчастих передачах - варіаторах, які приходять на зміну сьогоднішнім ступінчастим передачам.
Як же влаштовані безступінчасті передачі? Пояснимо їх принцип з прикладу найпростішого їх застосування (рис. 2). Називається вона лобовою, тому що дві ковзанки – диски – тут притиснуті один до одного ніби лобами. Якщо великий диск (ліворуч) обертається від двигуна з постійною швидкістю, швидкість маленького залежить від його положення на осі. У нижньому крайньому положенні ця швидкість максимальна; з наближенням до центру вона падає, у самому центрі великого диска взагалі зупиниться, а на верхній стороні великого диска починає обертатися вже в інший бік. Великий диск пов'язані з двигуном, а малий – з колесами, через знижувальну передачу, очевидно. Для варіаторів навіть розроблено особливу, високотягову олію - трактант.
Ось як веде себе рідина в пастці: вона і знижує тертя в підшипниках, і підвищує його в варіаторах, допомагаючи передавати обертання, підвищуючи термін служби машин і механізмів.
