Жидкости, в отличие от газов, практически несжимаемы, почти как твердые тела. И это определяет их интересное поведение, если они оказываются в ловушке.

Рис. 245. При резком закрывании пальцем струи воды из трубки наступает «гидравлический удар», и вода фонтанирует из бокового отверстия в трубке

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. Можно достаточно просто в домашних условиях построить установку, демонстрирующую гидравлический удар, она хорошо видна на рис. 245. Но не стоит забывать, что трубка в нашем случае резиновая, она растягивается. Если гидравлический удар наступает в стальных трубках, то давление нарастает значительно резче.

Но нет худа без добра – гидравлический удар можно заставить работать и на пользу. Как мы видим, фонтанчик при гидравлическом ударе поднимается достаточно высоко. Так можно подавать воду наверх, причем без насосов и затраты энергии. Устройство, позволяющее это делать, называется гидравлическим тараном.

Представьте себе, что в горной местности внизу течет родник, а наверху находятся поля, которые нужно орошать. Чтобы поднять воду вверх, нужны насосы и электричество, которое не всегда имеется и которое стоит денег. Вот и устанавливают на роднике гидравлический таран – устройство для создания гидравлического удара, аналогичное тому, которое мы продемонстрировали в домашних условиях. Но вместо пипетки в магистральную трубу вставлена другая, поднимающаяся наверх, да еще с обратным клапаном на конце, чтобы вода каждый раз не сливалась вниз. И магистральную трубу, по которой течет вода родника, перекрывают не пальцем, а особым клапаном, который автоматически срабатывает тогда, когда скорость истечения воды через него наибольшая. Чем больше скорость, тем меньше давление, вот клапан и засасывается, перекрывая ток воды и создавая гидравлический удар. Давление в трубах растет, и избыток воды выплескивается наверх. Что там с ним делают – собирают в бочки, бассейны, распределяют по полям или что другое, – нас уже не интересует. Главное – вода сама пошла наверх, причем иногда поднимаясь на десятки метров.

Как только давление в магистральной трубе падает, да и ток воды прекращается, клапан открывается снова, вода начинает течь в трубе, и все повторяется. А тараном устройство названо потому, что при его работе слышны методично чередующиеся удары, почти как в древности у таранов, которыми пробивали стены.

Надо сказать, что устройство это за годы сплошной «электрификации всей страны» забыто, а сейчас, когда все дорого и надо экономить, можно о нем и вспомнить, если хочется бесплатно днем и ночью поднимать воду из текущего ручья наверх.

Вот так ведет себя вода 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.

И как раз эти случаи, в отличие от таранов, используются в технике чрезвычайно широко. Взять хотя бы смазку машин.

Мы часто понимаем смазку достаточно примитивно: без нее деталь по детали скользит с трудом; полили жидким маслом или намазали пластичной смазкой – она стала скользить легче. Но это совсем не та смазка, которая в основном используется в технике и машиностроении. Этой примитивной смазкой мы просто несколько понижаем коэффициент трения скольжения одного твердого тела по другому, и все. Но если загнать масло в «ловушку», то происходят буквально чудеса.

Рис. 246. Неподвижный вал (цапфа) во втулке (а) и вращающаяся цапфа, всплывшая во втулке (б)

Чудо первое – гидродинамическая смазка. Представим себе вал, свободно, то есть с каким-то зазором, сидящий во втулке (рис. 246, а). 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 тупик – 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 (рис. 246, б). Это давление может достигать сотен мегапаскалей и более, вывешивая валы, на которые давят десятки тонн.

Вот так и работают подшипники скольжения, напри– Масло мер, во всех автомобильных, тракторных и других подобных двигателях. Вал (его называют шипом или цапфой) при его вращении совершенно не касается втулки, эти детали практически не изнашиваются. Обычно думают, что подшипники качения создают сопротивлений меньше, чем скольжения. Но это неверно – подшипники скольжения, которые работают на масляном клину, или, как говорят, в режиме гидродинамической смазки, имеют трение меньше, чем лучшие шариковые. 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. Это случается в основном во время пусков двигателей, когда валы вращаются еще медленно. И как раз в это время и происходит основной износ подшипников скольжения.

Такие же масляные клинья образуются и между зубьями зубчатых колес и шестерен, работающих в масле. Если мы поцарапаем, например, алмазом, рабочую поверхность такого зуба и пустим работать зубчатую передачу с постоянным быстрым вращением, без частых пусков и остановок (например, в приводе насосов или вентиляторов), то даже через несколько лет царапина будет видна. Еще бы – зубья передачи практически не касаются друг друга и не изнашиваются, между ними все то же масло, загнанное в ловушку, – масляный клин (рис. 247).

Рис. 247. Слой масла, «запертый» между зубьями передач

Металл, как бы мы его чисто ни обработали, имеет неровности, выглядящие под микроскопом как горные хребты. И вот эти хребты одной поверхности скользят по хребтам другой (вала по втулке, одного зуба по другому и т. д.), ломая и круша вершины (рис. 248). Так бывает, если трение сухое, без масла, или даже со смазкой, но не загнанной в клин. Налили, допустим, масла на лист железа и тащим по нему другой лист. Крушение микроскопических гор и хребтов – это интенсивный износ материала, служить он будет недолго. Но если между поверхностями создается клин масла, то микронеровности не касаются друг друга своими вершинами, и скольжение идет без их разрушения, без износа (рис. 249). Вот пока и все о чуде гидродинамической смазки.

Рис. 248. Износ поверхностей при «сухом» трении

Рис. 249. Слой масла разделяет микронеровности поверхностей (износа нет)

Чудо второе – «остекленение» масла при больших давлениях. Запертое в ловушку, зажатое между двумя вращающимися и прижатыми друг к другу силами F катками, масло как бы густеет, «стекленеет», начинает передавать нагрузку сдвига. Вообще жидкости не могут работать на сдвиг – тогда они бы не принимали форму того сосуда, куда их наливают. Но тонкие пленки масла при быстро возникающих и прекращающихся давлениях порядка 1 ГПа (1 000 МПа) начинают вести себя как желе, студень или даже стекло – передавать нагрузку сдвига. Таким образом, каток 1 на рис. 250 начинает везти, вращать каток 2 через слой, а вернее, пленку сдавленного масла толщиной около одного микрометра. Впечатление такое, что один каток ведет другой обычным трением, но это не так: между катками слой масла, катки друг друга не касаются. Электрический ток, например, не передается от одного катка к другому при их вращении из-за образования между ними этой пленки масла. Между неподвижными катками, разумеется, есть контакт, и ток проходит от одного к другому.

Рис. 250. «Остекленевшее» масло между вращающимися прижатыми друг к другу катками:

1 – ведущий каток; 2 – ведомый каток масла.

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. Коробки передач автомобилей, тракторов, других транспортных машин, коробки скоростей станков – все они пока в основном ступенчатые. До двадцати передач надо иногда переключать в автомобилях, тракторах и станках. А бесступенчатая передача меняет скорость плавно, и в этом ее огромное преимущество. Скоро ступенчатых передач вообще не будет (на автомобилях, тракторах и станках, по крайней мере).

Рис. 251. Лобовой вариатор от первых легковых автомобилей

Как же устроены бесступенчатые передачи? Они в действительности очень хитры и труднодоступны. Поясним их принцип на примере самой простой (но не самой лучшей!) из них (рис. 251). 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. Казалось бы, идеальная коробка передач, да она и применялась на ранних легковых автомобилях. По крайней мере, приведенная на рис. 251 передача – именно автомобильная. Большой диск связан с двигателем, а малый – с колесами, через понижающую передачу, разумеется.

Первые вариаторы работали всухую, и срок службы их был очень невелик. Потом стали применять вариаторы со смазкой, вернее, с масляной пленкой между дисками. Современные вариаторы мало похожи на первые, они намного сложнее и хитрее. На рис. 252, например, представлен перспективный вариатор для коробок передач автомобилей, разработанный автором в содружестве с автозаводом АМО ЗИЛ и рядом зарубежных фирм (патенты России № 2138710 и 2140028). Видно, что дисков в нем уже не два, а много, к ним постоянно подается масло; диски автоматически сжаты между собой с переменной силой, соответствующей нагрузке, передаваемой приводом, и коэффициенту трения между дисками.

Рис. 252. Перспективный вариатор для бесступенчатых передач мощных автомобилей

И еще очень важная особенность нового вариатора – он самостоятельно, автоматически меняет свое передаточное отношение от нагрузки. Это свойство называется адаптивностью, приспособляемостью. Допустим, пошел автомобиль с таким вариатором в гору, нагрузки увеличились, и скорость движения его падает. Но падает не из-за двигателя – он продолжает вращаться с той же скоростью, а из-за вариатора, автоматически приспособившегося к новым нагрузкам. Эта адаптивность может еще и меняться по желанию водителя. Вариаторов с такими свойствами раньше просто не существовало.

Для вариаторов разработано особое, высокотяговое масло – трактант, стекленеющее сильнее других. Это масло выпускается в основном в США, но опытными партиями – в Германии и России.

Вот как ведет себя жидкость, в данном случае масло, попавшее в ловушку: оно и снижает трение в подшипниках, и повышает его в вариаторах, помогая передавать вращение без ступеней, повышая срок службы машин, механизмов.

Как-то на одном из американских автозаводов решили проверить, сколько сможет проехать автомобиль без капли масла. Машина со страшным скрипом проехала несколько десятков метров и остановилась. Ремонту она больше не подлежала.