Жидкость в ловушке

Жидкости, в отличие от газов, практически несжимаемы. И это определяет их интересное поведение, если они оказываются в... ловушке. Так как же поведет себя жидкость в ловушке?

Так как же поведет себя жидкость в ловушке?

Например, если трубку, в которой быстро течет вода, внезапно перекрыть, то энергия движущейся воды может наделать бед. Так как жидкость сжимается с большим трудом, то скоростной напор воды развивает очень высокое давление, нередко рвущее трубы. Это явление называется гидравлическим ударом. Поэтому в квартирах и делают краны медленно закрывающимися, чтобы не возникало гидравлических ударов.

Но гидравлический удар можно заставить работать и на пользу. Фонтанчик при гидравлическом ударе поднимается достаточно высоко (рис. 1). Так можно подавать воду наверх, причем без насосов и затраты энергии. Устройство, позволяющее это делать, называется гидравлическим тараном. Вот так ведет себя жидкость в ловушке, когда еще может из нее вырваться.

А бывает, что жидкость специально загоняют в такие ловушки, из которых ей вырваться не так уж просто, и в этих случаях она развивает огромное давление. Взять хотя бы смазку машин, когда загоняют масло в ловушку.

Чудо первое – гидродинамическая смазка. Представим себе вал с зазором сидящий во втулке. Все это находится в жидком масле. Пока вал не вращается, он лежит на втулке и касается ее. Но если вал начинает вращаться, то, как бы всплывает во втулке и перестает ее касаться. Между валом и втулкой образуется масляный клин, иначе говоря, масло, загнанное в ловушку.

Дело в том, что масло, захватываясь вращающимся валом, там, где зазор его со втулкой еще велик, загоняется фактически в ловушку – туда, где зазора-то между валом и втулкой еще не появилось, пока вал лежал на втулке. Давление масла сильно растет, и оно поднимает вал, образуя небольшой зазор, даже если на вал давят большие силы.

Вот так и работают подшипники скольжения во всех двигателях. Вал при его вращении совершенно не касается втулки, эти детали практически не изнашиваются. Обычно думают, что подшипники качения создают сопротивлений меньше, чем скольжения. Но это абсолютно неправильно. Они лучше, чем шариковые, выдерживают удары, гасят вибрации, меньше шумят. Единственное, чего не любят такие подшипники, – это низких скоростей вращения, когда масло не образует клина и металл цапфы трется о металл втулки.

Такие же масляные клинья образуются и между зубьями зубчатых колес и шестерен, работающих в масле. Зубья передачи практически не касаются друг друга и не изнашиваются, между ними все то же масло, загнанное в ловушку, – масляный клин.

Чудо второе – "остекленение" масла при больших давлениях. Запертое в ловушку, зажатое между двумя вращающимися и прижатыми друг к другу силами, масло как бы густеет, "стекленеет", начинает передавать нагрузку сдвига. Но тонкие пленки масла при быстро возникающих и прекращающихся давлениях порядка 1 ГПа (1000 МПа) начинают вести себя как желе, студень или даже стекло – передавать нагрузку сдвига. Сила, передаваемая "остекленевшим" маслом, невелика, она в несколько раз меньше силы обычного трения при тех же нагрузках, но ведь нет интенсивного износа, столь характерного для сухого трения. Поэтому такое "остекленевшее" масло используют в бесступенчатых передачах – вариаторах, которые приходят на смену сегодняшним ступенчатым передачам.

Как же устроены бесступенчатые передачи?

Как же устроены бесступенчатые передачи? Поясним их принцип на примере самой простой из них (рис. 2). Называется она лобовой, потому что два катка – диска – здесь прижаты друг к другу как бы лбами. Если большой диск (слева) вращается от мотора с постоянной скоростью, то скорость маленького зависит от его положения на оси. В нижнем крайнем положении эта скорость максимальна; с приближением к центру она падает, в самом центре большого малый диск вообще остановится, а на верхней стороне большого малый диск начинает вращаться уже в другую сторону. Большой диск связан с двигателем, а малый – с колесами, через понижающую передачу, разумеется. Для вариаторов даже разработано особое, высокотяговое масло – трактант, стекленеющее сильнее других.

Вот как ведет себя жидкость в ловушке: она и снижает трение в подшипниках, и повышает его в вариаторах, помогая передавать вращение без ступеней, повышая, при этом, срок службы машин и механизмов.

Инструменты