Принцип инверсии

Принцип инверсии основан на том, что любая деталь от момента ее изготовления до момента эксплуатации проходит несколько состояний или обращений (инверсий). Вначале деталь представляет собой объект обработки, затем объект контроля или измерения и, наконец, становится частью изделия, в частности механизма. Тем самым принцип инверсии устанавливает связь между технологическим процессом, процессом измерения и выполнением функций при эксплуатации. На первом этапе деталь является частью замкнутой цепи технологической системы — источника инструментальной погрешности. На втором этапе деталь входит в замкнутую систему вместе со средством измерения — источником погрешности измерения. На третьем этапе готовая деталь с параметрами, соответствующими установленным значениям, является частью кинематической системы механизма изделия. Параметры детали при эксплуатации соответствуют установленным значениям, лишь, когда все три фазы ее прохождения изучаются и учитываются совместно.

Из принципа инверсии следует, что точность необходимо ограничивать исходя из функционального назначения детали, схема технологического формообразования должна соответствовать схеме ее функционирования, а схема измерения должна учитывать обе последние схемы. Следовательно, положения принципа инверсии конструктор должен учитывать на стадии проектирования изделия, технолог — на стадии его изготовления, а метролог при его контроле и измерении. Выбранный метод и схему измерения считают правильно обоснованными, если условия контроля соответствуют условиям эксплуатации и формообразованиям детали, а именно: траектория движения при измерении соответствует траектории движения при эксплуатации и формообразовании; линия измерения совпадает с направлением рабочего усилия при эксплуатации; метрологические, конструкторские и технологические базы совпадают с рабочими; форма измерительного наконечника, силовая нагрузка на деталь и другие параметры соответствуют параметрам сопрягаемой с ней контрдетали; физические (в частности, геометрические) свойства образцовой детали, используемой при настройке средства измерения, подобны свойствам контролируемой детали.

Если выбранный метод формообразования детали вследствие конкретных технологических возможностей не полностью соответствует оптимальной схеме, вопрос о соответствии схемы измерения схеме механизма или формообразования следует решать, исходя из функционального назначения детали в зависимости, от решения частной метрологической задачи. Однако и в этом случае должны быть выделены главные метрологические показатели.

Таким образом, наибольшее соответствие процесса измерения принципу инверсии позволяет обеспечить минимальные погрешности при эксплуатации изделий.

Теперь нам необходимо обратиться к анализу размерностей при проектировании, чтобы выявить характеристики натурного объекта, его надо, прежде всего, построить, а затем подвергнуть испытаниям. Если в результате испытаний полученные характеристики существенно отличаются от заданных, то, как правило, на доводку конструкции требуются значительные затраты. Серьезным образом можно уменьшить подобные затраты, если использовать при проектировании методы моделирования, которые дают возможность провести анализ сложных систем с помощью моделей. Среди различных определений, даваемых моделям, отдадим предпочтение наиболее лаконичной - "модель - это карикатура", т.е. модель должна адекватно отражать наиболее существенные стороны объекта, явления или процесса, не принимая во внимание малозначащие факторы.

Моделирование можно условно разбить на две группы; материальное или (предметное) и идеальное моделирования. К материальному моделированию относят такое моделирование, когда анализ ведется с помощью модели, воспроизводящей основные геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики объекта-оригинала.

Исследования, проведенные на модели, позволяют перенести свойства и явления с модели на объект-оригинал.

Идеальное моделирование принципиально отличается от предметного моделирования. Если последнее опирается на предметную аналогию, то идеальное моделирование имеет дело с идеальной (мыслимой) аналогией и носит теоретический характер. К идеальному моделированию следует отнести математическое и имитационное моделирования.

Математическая модель представляет собой формализованную запись определенных законов природы, управляющих функционированием объекта, а также гипотез, правдоподобность которых следует доказать в процессе исследований. Как правило, математическая модель представляет собой систему дифференциальных или интегродифференииальных уравнений, описывающих поведение системы.

Идею анализа размерностей обычно связывают с теоремой Бэкингема.

Заклёпочные соединения применяются для неразъёмного жёсткого соединения между двумя или более деталями, изготовленными из одного или разных материалов. В зависимости от конкретных способов клёпки и их применения заклёпочные соединения можно разделить на следующие категории:

- неразъёмные жёсткие соединения (сильно нагруженные соединения, например в изделиях машиностроения)
- неразъёмные жёсткие и герметичные (плотные) соединения (например, котлы и резервуары, находящиеся под давлением)
- уплотнения высокой герметичности (например, трубы и вакуумное оборудование)

В машиностроении, в частности, при производстве цистерн, клёпка заменяется сваркой. Это происходит из-за того, что в сварных конструкциях проще обеспечить необходимую герметичность. Различают холодную и горячую клёпку. Холодная клёпка применяется для стальных, медных, алюминиевых заклёпок и заклёпок из медных сплавов диаметром до 10 миллиметров. Для заклёпок диаметром свыше 10 миллиметров необходима горячая клёпка.

Как правило, заклёпки имеют грибообразную, коническую, каплеобразную, полую или трубчатую формы. Имеются также стандартизированные заклёпки специального применения, например, для осаживания взрывом и потайные.

Потайная заклёпка представляет собой полый элемент, который устанавливается на своё место кузнечным пробойником или аналогичным инструментом.

Для предотвращения электрохимической коррозии материал заклёпки и материалы соединяемых деталей, по возможности, должны быть идентичны.

Достоинства и недостатки клёпки в сравнении с другими технологиями соединения деталей.

В отличие от сварки, клёпка не производит закалку или молекулярное изменение в зоне соединения, отсутствуют деформации соединяемых деталей, вызываемые нагревом при сварке. Так же возможно соединение деталей выполненных из разных материалов. И это является одним из важнейших преимуществ клёпки перед сваркой. Но есть и недостатки у клёпаных соединений. Имеет место ослабление соединения, невозможно соединение торцов деталей, процесс клёпки в целом более дорогой, чем сварка во внезаводских условиях.

Все вещества непрерывно излучают электромагнитные волны вследствие колебаний атомов и молекул, связанных с внутренней энергией. В состоянии равновесия эта энергия прямо пропорциональна температуре вещества. Энергия излучения охватывает широкий диапазон длин волн - от радиоволн длиной в несколько километров до космического излучения с длиной волны менее 10м.

Хотя энергия излучения постоянно окружает нас, мы не замечаем этого, так как наше тело в состоянии непосредственно обнаружить только часть этой энергии. Для обнаружения остальной части требуются специальные приборы. Наши глаза, будучи чувствительными непосредственными приемниками светового излучения, способны воспроизводить по этому излучению внешний вид предметов, но мало чувствительны к тепловому (инфракрасному) излучению. Наша кожа непосредственно реагирует на тепловое излучение, но не в достаточной степени. Она неспособна воспроизводить изображения окружающих нас теплых или холодных предметов, если только тепловое излучение не слишком велико.

Телами с постоянной температурой, отличающейся в начальный момент от температуры заключенного внутри тела. Через некоторое время абсолютно черное тело и замкнутая полость будут иметь общую равновесную температуру. В равновесных условиях черное тело должно испускать точно такое же количество излучения, как и поглощать. Для доказательства этого рассмотрим, что случилось бы, если бы входящая и выходящая энергии излучения не были бы равны. В этом случае температура помещенного в полость тела стала бы увеличиваться или уменьшаться, что соответствовало бы передаче тепла от холодного тела к нагретому, а это противоречит второму закону термодинамики. Поскольку, по определению, абсолютно черное тело поглощает максимально возможное количество излучения, поступающего в любом направлении от замкнутой полости при любой длине волны, то оно до.пжно также испускать максимально возмо/кное количество излучения. Это становится ясным при рассмотрении любого менее совершенно поглощающего тела, которое должно испускать меньше излучения, чем черное тело, чтобы сохранилось равновесие. Тот факт, что тело продолжает испускать излучение даже в том случае, когда оно находится в равновесии с окружающей средой, известен как закон Прево.

Рассмотрим теперь изотермическую замкнутую полость произвольной формы с черными стенками, передвинем черное тело внутри полости в другое положение и изменим его ориентацию. Тело должно сохранить ту же температуру, так как вся замкнутая система остается изотермической. Следовательно, черное тело должно испускать то же количество излучения, что и прежде. Находясь в равновесии, оно доллшо получать такое же количество излучения от стенок полости. Таким образом, интегральное излучение, получаемое абсолютно черным телом, не зависит от его ориентации и положения в полости; следовательно, излучение, проходящее через любую точку внутри полости, не зависит от ее положения или от направления излучения. Это означает, что равновесное тепловое излучение, заполняющее полость, является изотропным.

Кроме максимально возможного интегрального излучения абсолютно черное тело испускает также максимально возможное излучение при любой длине волны и в любом направлении. Это следует из приведенных ниже рассуждений.

Рассмотрим элемент поверхности черной изотермической замкнутой и элементарное абсолютно черное тело внутри этой полости. Часть излучения элемента поверхности попадает на черное тело под некоторым углом к его поверхности. Все это излуче-нпе, по определению, поглощается. Чтобы сохранилось тепловое равновесие и изотропность излучения во всей замкнутой полости, излучение, испускаемое телодг в направлении, обратном направлению падающего луча, должно быть равно поглощенному излучению.

Если температура замкнутой полости изменится, то соответственно должна измениться и температура заключенного внутри нее абсолютно черного тела и стать равной новой температуре полости (т. е. полностью изолированная система доллша стремиться к термодинамическому равновесию). Система снова станет изотермической, а энергия излучения, поглощаемого черным телом, будет опять равна энергии испускаемого им излучения, но несколько отличаться но величине от энергии, соответствующей прежней температуре. Так как, но определению, тело поглощает (а следовательно, испускает) максимум излучения, соответствующий данной температуре, то характеристики окружающей системы не оказывают влияния на излучательные свойства черного тела.

Снектральная интенсивность излучения абсолютно черной поверхности

Следовательно, для полусферы единичного радиуса телесный угол с вершиной в центре ее основания численно равен площади новерхности такой единичной полусферы. Направление определяется углами G и Р. Угол Р отсчитывается от нормали к новерхности. Угловое положение 6 = 0 произвольное. Во избежание путаницы здесь по возможности используется самосогласованная система единиц и определений. Это лишено смысла для всех приложении, когда различные интересы и потребности обуславливают исноль-зование большого числа несогласованных систем единиц и оиредоленип. Хорошим пример предоставлен автором Никодемусом, приславшим таблицу, используемую в офтальмологии для определения единиц яркости.

Излучение, испускаемое в любом направлении, будем характеризовать интенсивностью излучения. Различают два вида интенсивности излучения: спектральную интенсивность, которая относится к излучению в узком интервале длин волн dX в окрестности длины волны Х, и интегральную интенсивность, которая относится к излучению, соответствующему всем длинам волн. Спектральную интенсивность излучения абсолютно черного тела будем обозначать ib {X). Индексы соответственно обозначают, что рассматривается только одна длипа волны п свойства относятся к абсолютно черному телу. Штрих означает, что рассматривается излучение в единственном направлении.

Спектральную интенсивность излучения можно определить как энергию излучения, испускаемого в единицу времени, в единице узкого интервала длин волн, включающего длину волны X, единицей площади проекции элемента поверхности, перпендикулярной нанравлению, в единице элементарного телесного угла, осью которого является выбранное направление.

Обмен энергией между элементом поверхности

Интенсивность излучения определяется относительно площади проекции площадки. Имеет смысл определить таюке величину энергии излучения, испускаемого в данном направлении единицей реальной площади поверхности тела.

При проведении экспериментальных измерений радиационных свойств реальных тел желательно в качестве эталона иметь абсолютно черную поверхность для непосредственного сравнения свойств реальной поверхности и идеальной (абсолютно черной): поверхности. Так как абсолютно черных поверхностей в природе не существует, то для создания очень близкой модели абсолютно черного тела используется специальный технический прием. Изображен нолый металлический цилиндр с малым отверстием. Если падающий луч проникает внутрь полости, он попадает на ее стенку, при этом часть энергии поглощается, а другая ее часть отражается. Отраженная часть энергии попадает на другие участки стенки и снова частично ног.лощается. Очевидно, -если отверстие мало, то только очень небольшая часть падающего излучения выйдет назад через это отверстие. Таким образом, при достаточно малых размерах отверстия оно но своим свойствам.

Модель абсолютно черного тела

Обеспечение изотермических условий в такой полости связано с большими трудностями, но является необходимым при проведении точных экспериментальных исследований радиационных свойств. Другая трудность при использовании абсолютно черной полости обусловлена верхним температурным пределом, определяемым нагревателем и материалом стенок. Этот предел ограничивает выход энергии, особенно в коротковолновой части спектра.

Если полость принять идеально изотермической и идеально изолированной, а выходное отверстие бесконечно малым, вследствие чего не нарушается лучистое равновесие внутри замкнутого пространства, то излучение из отверстия и, следовательно, внутри всей полости будет равновесным. Интересно, что при этих условиях из.лучение стенки полости будет равновесным, даже если стенка не является идеальным излучателем. Когда равновесное тепловое излучение внутри полости попадает на стенку, оно частично поглощается и частично отражается. Так как стенка идеально изолирована от внешней среды, то поглощенная энергия должна повторно излучаться внутрь полости. Сумма отраженной и излучаемой стенкой энергии должна быть равна энергии падающего равновесного излучения.

Если в полость поместить настолько малое тело, что не будут нарушены условия внутри полости, то это тело придет в состояние равновесия при температуре полости. Так как результирующий поток энергии от тела должен быть равен нулю, то его излучение, равное сумме отраженрого и собственного излучений, должно быть равновесным. Поэтому излучение от тела будет таким же, как у окружающей его по.лости, и тело внутри полости не будет видно.

В истории своего развития человечество пережило несколько эпох. Первая из них - это переход от охоты и собирательства к оседлому земледелию, ставший реальным в результате открытия возможности культурного выращивания растений. Эта эпоха длилась сотни тысяч лет.

Всего лишь два века назад началась промышленная революция, сначала в Англии, потом во всем мире. Она еще не завершилась в некоторых регионах до сих пор, но сегодня происходят новые изменения, имеющие в своей первооснове такие вездесущие причины, как рост народонаселения, недостаток природных ресурсов, чрезмерные нагрузки на окружающую среду. Отличие от предыдущих эпох заключается в том, что все эти явления происходят одновременно и везде - во всех точках земного шара. Поэтому сообщество экспертов, известное как Римский клуб, назвало эти изменения первой глобальной революцией.

Для энергетики первой эпохи не было проблем: лошади и дрова покрывали энергопотребности. Промышленная революция началась с освоения более концентрированных видов топлива - угля, нефти и газа, а затем и урана.

Первая глобальная революция начинается в тот момент, когда запасы ископаемых видов топлива кончаются. Глупо надеяться на топливо первой эпохи: дров стало меньше, а людей много больше. Не приходится надеяться и на такие, как их называют, альтернативные виды энергии, как солнечная, геотермальная и т. д. Они характеризуются малой плотностью энергии, и слишком велики затраты на ее концентрацию. Не оправдались надежды на энергию урана, основной его изотоп уран-238 слишком медленно отдает энергию.

Но возможности ядерной энергетики не исчерпаны. Кроме делящихся материалов, на которых работают современные АЭС, на Земле имеются практически неисчерпаемые запасы дейтерия. Он может быть использован в термоядерных реакциях синтеза с выделением огромной энергии. Возможности этих реакций хорошо известны, и во всем мире ведутся работы по их использованию для энергетики в надежде, что будет освоен так называемый управляемый термоядерный синтез (УТС).

Для реакций синтеза необходимы высокие температуры и плотности, характерные для недр Солнца. В земных условиях из-за малого объема топлива необходимы еще большие температуры и плотности, реализующиеся только при ядерном взрыве. Поэтому дейтериевая энергетика может быть только взрывной, а необходимая мощность ядерного взрыва должна приниматься исходя из физических и экономических соображений, а не из желания назвать какие-то из этих взрывов управляемыми.

На сегодня управляемы только сравнительно мощные дейтериевые взрывы ки-лотонного масштаба. Намерение объявить управляемыми вспышки, эквивалентные по энерговыделению граммам или тоннам тротила, противоречит полувековому опыту бесплодных попыток продемонстрировать такие взрывы даже на смеси дейтерия с тритием, где требуются много меньшие температуры и плотности. Реализация маломощных взрывов требует достижения слишком высоких параметров, которые, если и могут быть получены, то слишком поздно для человечества и по слишком высокой цене.

Первые предложения и публикации о возможности использования ядерных взрывов для мирных целей, в том числе и для энергетики, появились практически одновременно с первыми испытаниями ядерных зарядов. Публикации российских ученых по вопросам энергетического применения ядерных взрывов практически не известны, хотя ведущими специалистами ВНИИЭФ некоторые из энергетических концепций мирного применения ядерных взрывов были проработаны до высокой степени готовности. В 1963 году во ВНИИЭФ был выпущен закрытый отчет Ю.А. Трутнева, Ю.Н. Бабаева и А.В. Певницкого с предложением о стационарной установке для получения активных веществ и электроэнергии с помощью подземных ядерных и термоядерных взрывов. Этот отчет был рассекречен и опубликован в 2002 году. Академик А.Д. Сахаров в 1977 году в Нью-Йорке опубликовал статью «Ядерная энергетика и свобода Запада». Судя по русской перепечатке этой статьи он говорил: «идея принадлежит не мне», имея ввиду именно эту работу ВНИИЭФ. Суть предложения сводилась к использованию термоядерных взрывов «максимально малой мощности... в большой подземной камере» для наработки плутония, который затем сжигался бы в ядерных реакторах.

Последующее развитие зарядов для мирных применений создало условия для испойьзования так называемых чистых зарядов по более экологичной и экономичной, с точки зрения авторов, схеме производства энергии, заключающейся в следующем.

Энергозаряд, состоящий из малого количества делящегося материала (ДМ) - плутония-239 или урана-233, - который служит запалом, и дейтерия, который дает основную долю энергии, взрывается в прочной полости, названной авторами котлом взрьшного сгорания (КВС). В момент взрыва корпус котла защищается толстым слоем жидкого натрия (защитной стенкой) от высокой температуры, импульсного давления и проникающей радиации. Натрий одновременно служит теплоносителем. Полученная тепловая энергия далее передается паровым турбинам для выработки электроэнергии по обычной схеме. При взрыве происходит выделение 43,1 тронов, из урана-238. Для создания количества в десять раз выше, огромных запалов, воплощеные методы использовались при использовании требований безопасности.

Оставим пока вопрос о возможности замены природных ресурсов энергией гипотетического источника. Попробуем ответить, сколько времени отведено на такую замену. Понятно, что время на то, чтобы выйти сухими из воды, упущено, заплатить за бездумные расходы ресурсов придется нашим внукам. Римский клуб попытался это оценить количественно. Можно верить или не верить компьютерным расчетам Римского клуба с точностью до цифровых значений. Качественно правомерность этих прогнозов сомнений не вызывает.

Снижение продолжительности жизни в России в значительной мере уже объясняют пренебрежением к экологии. Бесконечные прорывы нефти означают, что не затрачено достаточно энергии на своевременное создание, доставку и замену труб. Выбросы вредных веществ в атмосферу означают, что энергия не направлена на обеспечение работоспособности фильтров. Количественные оценки вреда от подобных «энергосбережений» сделать нелегко. Вопрос о том, насколько вредна экономия энергии, вероятно, останется без ответа до тех пор, пока энергия не станет дешевой. Действительно, бесполезно требовать энергию на цели экологии, если нет топлива для обеспечения посевной или уборочной. Попытаемся доказать, что есть решение, которое позволит отказаться от экономии энергии.

Это решение - взрывная дейтериевая энергетика (КВС-энергетика), которая может обеспечить изобилие энергии при практическом отсутствии вредных отходов. На строительство КВС, по нашим представлениям, не потребуется материалов, при производстве которых образуется большое количество загрязняющих веществ. Это дает надежду на то, что удастся разорвать порочный крут современной энергетики и рост энерговооруженности может быть обеспечен без уменьшения экологической устойчивости планеты. «Бомбы замедленного действия - грязная вода, мусор, грязный воздух, химикаты» - неизбежные спутники цивилизации - перестанут создаваться хотя бы в энергетике. Из средства разрушения ядерный заряд может стать созидателем. Об этом, в частности, писал один из сторонников взрывной энергетики, немецкий физик Вальтер Зейфриц, призывающий модернизировать ядерно-взрывную энергетическую концепцию PACER, предложенную еще в 1960-х годах.

Прежде чем приводить основные результаты исследований Римского клуба, отметим, что заложенные в них исходные данные, конечно, не всегда точны. На это обстоятельство современные экологи часто обращают внимание. Тот же Зейфриц откечает в позиции Римского клуба признаки «неомальтузианства». Мы тоже утверждаем: «Не так все плохо, если не опоздать с осознанием серьезности положения». Лучше всего серьезность положения демонстрируют прогнозы Римского клуба. Скорее всего, прогнозы достоверные, так как экспоненциальный рост многих (если не большинства) элементов мировой системы делает не слишком важным точное описание зависимостей.

Чтобы это продемонстрировать, ученые сочли возможным напомнить читателям: «Несмотря на свою обычность, экспоненциальный рост (то же самое, что и геометрическая прогрессия) способен давать удивительные результаты, которые на протяжении столетий очаровывали человечество».