4.52. Игрушка «паровая лодочка»
Лодочку, изображенную на рис. 4.7, приводит в движение вода, вытекающая через две торчащие из «парового котла» трубочки на ее корме. Паровым котлом может служить отдельный объем, а может просто трубка, изогнутая несколько раз. Чтобы подготовить лодочку к плаванию, надо наполнить паровой котел и трубки водой, запустить лодочку в таз с водой, а затем поставить под котел зажженную свечку. Когда вода в котле нагреется и начнет образовываться пар, давление повысится и вытолкнет воду из трубочек на корме лодки.
Резко выталкиваемая из трубочек вода — это реактивная струя, направленная от кормы, и, следовательно, лодочка должна двигаться вперед. Ее не отбрасывает назад во время наполнения трубочек, поскольку это происходит медленно и вода затекает в трубочку под разными углами (интервал углов приблизительно составляет полусферу). Поэтому сила, тянущая лодочку назад, слабая. Таким образом, всякий раз, когда из трубочек выталкивается вода, лодочка продвигается вперед, но она не сдает назад, когда трубочки заполняются водой.
4.53. Тепловые эффекты и длина
Почему большинство мостов состоит из секций, между которыми оставляют узкие зазоры? Почему старые железнодорожные пути делали из коротких состыкованных рельсов, между которыми всегда оставляли зазор? В поезде, едущем по таким рельсам, стоял грохот, пассажиров сильно трясло: когда колеса натыкались на стыки, вагон подбрасывало, и возникающие колебания становились источником звука и тряски. Почему у современных железнодорожных путей зазоров нет?
ОТВЕТ • Большинство материалов, используемых при строительстве мостов, расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Если в течение года конструкция из таких материалов испытывает значительные изменения температуры, она должна допускать изменение размеров. Иначе расширение приведет к потере устойчивости при изгибе.
Изначально рельсы были короткими. Они состыковывались, а между ними оставлялись зазоры, допускающие возможность теплового расширения. В современных рельсах зазоров практически нет. Теперь делают бесстыковые железнодорожные пути из сварных рельсов. Они настолько надежно крепятся к шпалам, что изгибаются очень редко. Обычно рельсы укладывают при температуре, средней между максимальным и минимальным годовыми значениями. Кроме того, эти рельсы укладывают так, чтобы они могли немного изгибаться вбок.
Трубопровод, уложенный на дне океана, не закреплен, и когда по трубам течет теплая нефть, тепловое расширение может привести к их изгибу. До тех пор пока изгиб не слишком большой, неприятностей, скорее всего, не будет.
При проектировании самолета «Конкорд» пришлось допустить тепловое расширение корпуса при сверхзвуковом полете. Дело в том, что из-за трения о воздух обшивка самолета разогревалась. В носовой части температура поднималась до 128°C, а в хвостовой — до 90°C. Окна кабины были теплыми на ощупь, а удлинение корпуса при разных условиях полета и по разным источникам составляло от 12 до 30 см.
Корпус самолета-разведчика SR-71 (его рекорд высоты и скорости для серийных самолетов до сих пор не побит) нагревался в полете до 400°C и удлинялся примерно на ту же величину, хотя его длина была почти такой же, как у «Конкорда». Дело в том, что коэффициент термического расширения у титана примерно втрое меньше, чем у алюминия.
Материалы, используемые в стоматологии, разрабатывают с учетом того, чтобы их температурное расширение или сжатие не наносило вреда соседним зубам. Иначе глоток горячего кофе, которым вы запили холодное мороженое, запомнится вам надолго.
Причин, приведших к аварии, в результате которой 50 миллионов американцев и канадцев остались без электричества в августе 2003 года, было много. Но одной из них стало необычное происшествие в Огайо. В тот день по сети шел большой ток, и провода линии электропередачи разогрелись существенно больше, чем обычно. Когда температура проводов повысилась, увеличилась и их длина на каждом из участков между опорами. Провода провисли, и один из провисших участков оказался так близко к дереву, что ток пошел через дерево в землю. Этот участок вышел из строя, что привело к нестабильности энергосистемы, результатом которой стало ее отключение.
4.54. Разрушение железнодорожной цистерны
Железнодорожные цистерны необычайно надежны и, как правило, разрушаются, только если происходит столкновение на большой скорости. Однако цистерна может повредиться и в том случае, когда забывают о законах физики. Вот реальная история. В конце дня железнодорожная бригада вымыла цистерну изнутри очень горячей водой. До конца смены рабочие не успели завершить работу, поэтому они наглухо закрыли цистерну и разошлись. Когда утром рабочие вернулись, то увидели, что цистерна, сделанная из очень прочной стали, раздавлена. Как будто какой-то циклоп из фантастического фильма наступил на нее. Что привело к деформации цистерны?
