Поправка к Сен-Венану | ТМ 1938-10

К двадцатилетию Октябрьской революции ЦК ВЛКСМ организовал всесоюзное соревнование молодых научных работников на лучшую научную работу. В соревновании могли участвовать только те научные работники, которые окончили вузы или начали научную работу во втором десятилетии после Октябрьской революции, то есть не раньше 1927 г. Таким образом, в соревновании участвовали наиболее молодые кадры наших научных сил. Советская научная молодежь широко откликнулась на призыв ЦК ВЛКСМ. Свыше 3 тыс. работ поступило на рассмотрение областных, краевых и республиканских комитетов по соревнованию. Из них 615 лучших работ были отобраны для оценки во всесоюзном комитете.

Соревнование показало огромный рост наших молодых научных сил. Многие работы была признаны по своей научной ценности выдающимися докторскими и кандидатскими диссертациями. Ниже мы помещаем описание трех работ комсомольцев — научных работников, премированных на всесоюзном соревновании. Четвертая же работа, об аэродинамических спектрах, принадлежит молодому научному сотруднику Военно-воздушной академии имени Жуковского тов. Токаеву.

Он — воспитанник комсомола, ныне член партии.

Несколько инженеров и техников одного из московских заводов пришли в лабораторию испытания материалов Института математики и механики Московского университета. Они обратились к заведующему лабораторией с просьбой:

— Мы получаем железо различных профилей, протягивая его сквозь калиброванные отверстия в стальных плитах. До последнего времени процесс волочения железа велся со скоростями, установленными много лет назад. Но развитие стахановского движения заставило нас сделать все возможное для увеличения этих скоростей. Мы рассчитали и построили станок с предельной скоростью волочения. Однако, вопреки нашим теоретическим расчетам, изделие при такой скорости волочения рвется. Поэтому мы просим объяснить причину расхождения между теорией и практикой.

— Вы рассчитывали по теории Сен-Венана? — спросил заведующий лабораторией доцент Ильюшин.

— Да. Но результат расчетов больше практического в несколько раз.

Подробно расспросив гостей об условиях и режиме волочения, т. Ильюшин обещал им заняться исследованием этого явления. Через несколько месяцев упорной работы молодой ученый смог сообщить своим гостям найденные им предельные скорости волочения. Они полностью совпадали с практическими данными, о которых говорили инженеры. Но это еще не все. Он объяснил причины разрыва изделия и в результате расчетов нашел условия, при которых можно еще больше увеличить скорость волочения.

Что же позволило т. Ильюшину не только дать блестящий математический анализ процесса волочения, но и найти условия, при которых можно повысить скорость волочения?

При обработке металлов — волочении, ковке, штамповке и прокате — происходит пластическая деформация материала, то есть изменение его формы. При этом после прекращения усилия, которое вызывает пластическую деформацию, металл уже не принимает своей первоначальной формы.

Для того чтобы определить, как будет вести себя металл при пластической деформации, обычно пользуются теорией французского ученого Сен-Венана. По этой теории, сопротивление деформации является для данного металла постоянной величиной и не зависит от скорости, с которой производится деформация. Однако в действительности это оказалось не так. Например, три больших скоростях ковки стальной болванки приходится затрачивать силу в пять-десять раз большую, чем вычисленная по теории Сен-Венана. Поэтому в инженерных расчетах при установлении мощности соответствующих машин теория Сен-Венана оказывается несостоятельной. Для точного решения задачи приходится вводить в теорию Сен-Венана поправочные коэффициенты, нередко изменяющие практический результат в несколько раз. Эти коэффициенты обычно определяются приближенно опытным путем, поэтому в ряде случаев даже введение поправочных коэффициентов не дает правильных результатов.

Молодой ученый, доцент Московского университета комсомолец Ильюшин решил определить физический смысл поправочных коэффициентов в теории Сен-Венана. Так как во многих случаях формула Сен-Венана дает результаты в десятки раз меньшие, чем это получается на практике, то т. Ильюшин считал, что, очевидно, в процессе пластической деформации металла участвуют какие-то силы, которые Сен-Венаном не были учтены.

Внимательно изучая результаты пластических деформаций и сличая их с данными теории Сен-Венана, т. Ильюшин обнаружил, что различие между ними тем больше, чем больше скорость деформации.

Поясним это примером. Допустим, нужно уменьшить высоту стальной болванки вдвое. Если это производить медленно, сдавливая болванку под прессом в течение длительного промежутка времени, то потребуется некоторое усилие. Если же это произвести мгновенно, с помощью молота, то потребуется усилие, в несколько раз большее. Таким образом т. Ильюшин пришел к выводу, что при пластических деформациях их скорость имеет большое значение. Она как раз является той физической величиной, которая скрыта в поправочных коэффициентах и не учтена теорией Сен-Венана.

Рисунок показывает, как увеличивается сопротивление образца при увеличении скорости его деформации. Если сдавливать образец до 1/2 его величины в течение 1 секунды, то надо приложить усилие в 1000 кг. Если ту же деформацию провести в 1/1000 секунды, то сопротивление образца вырастет в 6 раз, и, следовательно, придется приложить усилие в 6 раз большее — 6000 кг.

Так было положено начало новой теории пластической деформации. Но нужно было найти точную математическую зависимость между напряжением в материале и скоростью деформации, нужно было проверить и ряд других факторов, влияющих на этот процесс. Решение этой трудной задачи и взял на себя т. Ильюшин, молодой ученый, хорошо знающий математику и физику, умеющий видеть за каждой математической формулой ее физический смысл. Задачу эту он решил; математические изыскания привели к созданию новой теории вязкопластической деформации. В этой теории скорость деформации играла значительную роль.

Однако теория Сен-Венана не является неверной. Она справедлива для весьма малых, близких к нулю скоростей деформации и, таким образом, является частным случаем более общей теории вязкопластических деформаций, установленной молодым советским ученым.

*

Но теория без практики мертва. Тов. Ильюшину предстояло проверить созданную им теорию на практике. Для этой цели нужны были приборы и установки, позволяющие производить деформацию металлов с большими скоростями. Существующие лабораторные механические копры оказались недостаточно мощными. Самый большой лабораторный копер обладал мощностью около 50 килограммометров.

Тов. Ильюшин сконструировал пневматический копер, развивающий энергию в 2500 килограммометров. Этот копер, в отличие от всех существующих лабораторных копров, — пневматический, то есть приводится в действие сжатым воздухом. Основная его часть — стальной цилиндр, длина которого равна 2 м, а диаметр — около 20 см. Внутри цилиндра ходит поршень. Когда в цилиндр впускают сжатый до 10 атмосфер воздух, поршень выталкивается из трубы со скоростью, доходящей до 50 м в секунду. При этом поршень ударяет по испытываемому образцу металла, который закрепляется на стальной броневой плите весом в 5 т. Поршень соединен с приборами, которые регистрируют величину и скорость деформации.

Головка и регистрирующий аппарат пневматического копра.

Общий вид пневматического копра т. Ильюшина. Этот копер позволяет развивать знергию в 2500 килограммометров.

Сконструированный т. Ильюшиным копер позволяет изучать весьма большие скорости деформации.

Исследования, проведенные на этой установке, подтвердили правильность новой теории деформации.

За свою работу т. Ильюшин получил ученую степень кандидата физико-математических наук. Продолжая свою научную деятельность, выполняя общественную работу — работу комсорга и пропагандиста, т. Ильюшин готовится к защите докторской диссертации. Эта диссертация является дальнейшим развитием теории вязкопластических деформаций и дает целый ряд новых и интересных обобщений. Так, например, оказалось, что при достаточно больших скоростях деформации течение металлов становится подобным течению жидкостей в трубах. Таким образом, эта теория смыкается с одной стороны — при бесконечно больших скоростях деформации — с теорией вязкой жидкости Стокса, а с другой стороны — при бесконечно малых скоростях — с теорией Сен-Венана.