Учебен материал по техническа механика: Сили в машините – аксиоми, видове сили, момент на сила, двоица сили, редукция на равнинна система сили и условия за равновесие

Учебен материал по машинознание, представляващ втората част от лекционен курс – записки на лекциите на проф. дтн Михаил Милков, обработени от доц. дтн Надежда Йончева. Изложението обхваща двадесет и две страници и следва последователността на учебната програма от основните понятия за силите до якостните изчисления на отделните звена. Началният раздел разглежда силите в машините и тяхното деление на активни сили, реакции в двоиците и масови сили, придружено от основните аксиоми при опериране със сили. Оттам изложението преминава към момента на сила, двоицата сили и редукцията на равнинна система сили до главна сила и главен момент, както и към условията за равновесие при равнинна и при пространствена система. Следващият дял е посветен на определянето на идеалните реакции – условията за статична определимост, реакциите при греди и при механизми, включително пресмятането на уравновесяващия момент чрез моментови условия. Отделно място заемат масовите сили и масовите характеристики на звената: силите на тежестта, статичният момент и масовият център на сечение, инерционните сили и масовият инерционен момент, с изведени зависимости за плътен и за кух цилиндър. Втората половина на курса обхваща якостната част. Разгледани са вътрешните усилия в звената и якостните хипотези, разрезните усилия и построяването на диаграмите за надлъжно усилие, срязваща сила и огъващ момент, нормалните и тангенциалните напрежения, натоварването на опън, натиск и срязване, законът на Хук и коефициентът на Поасон, усукването на цилиндричен вал с полярния инерционен и съпротивителния момент, както и огъването на права греда с осовия инерционен момент и съпротивителния момент на сечението. Текстът е богато онагледен – съдържа двадесет и девет фигури с разчетни схеми и диаграми и близо петдесет номерирани формули. На преподавателите материалът служи като готова основа за подготовка на лекции и упражнения, а на студентите – за самостоятелна подготовка, за решаване на задачи и за преговор преди изпит по машинознание, теоретична механика и съпротивление на материалите.

Учебен материал, който започва с въпрос, какъвто рядко се поставя в час: щом в природата съществуват само четири вида взаимодействия, откъде идват всички сили, които изучаваме в механиката? Именно този въпрос е носещата ос на разработката. Отговорът му обяснява защо едни закони се записват с проста формула, а други се получават само по опитен път – и това разбиране прави целия по-нататъшен материал смислен. Темата е видовете сили в механиката, а изложението е на три страници, разделени в три озаглавени части. Уводната част съпоставя двата закона за фундаменталните взаимодействия и показва, че те имат еднакъв вид. Оттам е изведено защо законите за наблюдаваните от нас сили са далеч по-сложни, а при някои остават емпирични. Обяснението е дадено чрез конкретни примери – защо при едни сили формулата се получава лесно, а при други не. Втората част разглежда три сили заедно, защото те се проявяват в едно и също положение. Проследено е как от опитен факт се стига до извода за съществуването на едната, после защо е нужна втората и откъде следва третата. Тук е и най-полезното разграничение в целия материал: между силата на тежестта и теглото. Посочено е точно къде е приложена всяка от тях – в тялото или в опората, – а именно това се бърка постоянно. Третата част е за еластичността. Тя стъпва на опит с пружина, разгледан в три положения, и оттам извежда емпиричния закон. Обяснено е какво означава коефициентът, каква е неговата мерна единица и защо в записа стои знак минус. Четвъртата част е за триенето и е разгърната по видове. Разграничени са три случая, като при първите два са дадени формулите с техните коефициенти и е обяснено защо те се определят опитно за всяка двойка вещества. Особено ценна е графиката за зависимостта от скоростта. Тя показва нещо, което почти не се преподава – че силата отначало леко намалява, а после започва да нараства. Финалът е приложен: посочено е как се намалява триенето в машините – чрез смяна на единия вид с друг или чрез вмъкване на течност. Материалът съдържа шест номерирани фигури и три номерирани формули, като означенията са векторни и последователни от началото до края. Има и препратки към други въпроси от същия конспект. Преподавателят получава готова опора за един или два учебни часа, без нужда от подготовка. Частите вършат работа и поединично – например само еластичността или само триенето, като всяка е завършена сама по себе си. Студентът разполага с конспектен въпрос в завършен вид, годен за устен изпит и за преговор, при който всяко твърдение стъпва на предходното.

Учебен раздел по съпротивление на материалите, посветен на вътрешните усилия в звената. Материалът е в обем от четири страници и обхваща темата от изходните допускания до понятието за напрегнато състояние, като съчетава теория, изведени формули, схеми и напълно решен примерен пример. Началото представя якостните хипотези – шестте допускания, върху които стъпва цялата наука. Разгледани са хомогенността и изотропността на материала с определение и на двете свойства, както и примери за анизотропни материали; непрекъснатостта на средата; идеалната еластичност; пренебрежимо малките деформации; принципът на суперпозицията и хипотезата за равнинните сечения. Всяка хипотеза е придружена с кратко обяснение защо се приема, а не само формулирана. Втората част въвежда самото понятие за вътрешни разрезни усилия. Обяснено е как те се противопоставят на деформациите, защо са функция на външното натоварване и какво се разбира под напрегнато равновесие и под якост на материала. Следва методът на сечението, разгледан подробно и придружен със схеми. Показано е как вътрешните сили се редуцират за центъра на тежестта на сечението и как главният вектор и главният момент се проектират по главните централни оси. Изведени са шестте компонента: надлъжната осова сила, двете напречни срязващи сили, двата огъващи момента и усукващият момент. Отделно е разгледан случаят на равнинно натоварване, при който компонентите се свеждат до три. Самостоятелна част описва последователността, в която се определят вътрешните усилия: изчисляване на опорните реакции, определяне на броя на силовите участъци и прилагане на метода на сечението за всеки от тях. Дадено е и определение за силов участък, както и указание как се задават неговите граници. Най-ценната част е решеният пример с греда, натоварена с наклонена и с вертикална сила. Изчисляването е показано изцяло: разлагането на наклонената сила на компоненти, съставянето на трите уравнения за равновесие, тълкуването на отрицателните резултати, разделянето на три силови участъка и извеждането на изразите за всеки от тях поотделно, включително пресмятането на конкретни стойности за построяване на диаграмите. Заключителната част въвежда понятието за напрежение – средно и в точка, с граничния преход между тях. Разгледано е разлагането на нормална и тангенциална компонента, а след това и разлагането на тангенциалното напрежение по двете оси в равнината на сечението. Разделът завършва с определение за напрегнато състояние. Материалът е онагледен с голям брой фигури – схема на метода на сечението, компонентите на вътрешните усилия в общия и в равнинния случай, отделна схема за всеки силов участък от примера, диаграмите на трите усилия и накрая чертежите за напрежението в произволна площадка. Именно това съчетание между текст, формула и схема прави темата разбираема, тъй като без чертеж методът на сечението трудно се усвоява. Изложението е строго и последователно: всяко ново понятие се въвежда след като е подготвено от предходното, а формулите са номерирани, което улеснява позоваването при работа със задачи. На студента материалът служи за подготовка за изпит или за колоквиум – теоретичната част дава определенията, а решеният пример показва цялата последователност на действията при типова задача, включително начина на разсъждение при отрицателни резултати. На преподавателя разделът може да послужи като готова основа за лекция или упражнение, а примерът – като образец при поставяне на сходни задачи.

Учебен материал по машинознание, представляващ четвъртата част от лекционен курс – записки на лекциите на проф. дтн Михаил Милков, обработени от доц. дтн Надежда Йончева. Изложението обхваща двадесет и две страници и проследява пренасянето на механична енергия от двигателя към изпълнителните органи заедно с неизбежните вътрешни загуби. Първият раздел въвежда движението и силите. Разграничени са активните от резисторните сили, разгледано е движението на точка и на тяло по закона на Нютон, изведени са работата и мощността, както и потенциалната и кинетичната енергия при позиционни сили. Вторият раздел разглежда движението на машините. Представено е привеждането на сили и маси към главния вал с приведен момент и приведен масов инерционен момент, а уравненията за движение са изведени чрез кинетичния момент и уравнението на Лагранж. Третият раздел е посветен на вътрешните загуби. Изяснени са механичният коефициент на полезно действие и коефициентът на загубите, а определянето им е показано при последователно, паралелно и смесено свързани модули. Четвъртият раздел обхваща уравновесяването на машините – статичното и динамичното балансиране на ротори, статичният дебаланс, използваните устройства за балансиране и разчетът на инерционната динама по две сечения. Петият раздел разглежда енергетичните машини: термичните двигатели с парни и газотурбинни турбини, буталните двигатели с вътрешно горене с описание на четирите такта, дизеловите и двутактовите двигатели, както и хидравличните двигатели. Шестият и седмият раздел са посветени на транспортните, подемните и технологичните машини – класификации, структурни схеми, силите при завой и при движение по наклон, подемните машини по брой координати, машините за гореща и студена обработка на металите, режещите инструменти, машините в леката индустрия, манипулаторите и промишлените роботи. Последният раздел разглежда вибрациите и шума: свободни и принудени трептения, демпфиране, резонансна крива, както и средствата за виброизолация – демпфери и антивибратори. Изложението съдържа двадесет и седем фигури и четиридесет и една номерирани формули. На преподавателите материалът дава готова основа за лекции и упражнения, а на студентите от техническите специалности – опора при решаване на задачи и при подготовка за изпит.

Целият курс по физика, събран в четири листа. Материалът е ръкописен справочник с формули, подреден в осем раздела по две колони на страница, и е направен така, че нужната зависимост да се намери за секунди. Подредбата следва логиката на учебния курс. Първият раздел е механиката – модули на векторите на положението, скоростта и ускорението, дефиниции чрез производни, тангенциално и нормално ускорение, законите за равноускорително движение, средно преместване и средна скорост. Динамиката продължава с основното уравнение, модула на резултантната сила, импулса, връзката между силата и производната на импулса и закона за запазване на импулса за затворена система. Разделът за енергията и работата обхваща работата при постоянна и при променлива сила, мощността, кинетичната и потенциалната енергия, връзката между сила и градиент на потенциалната енергия, закона за запазване на енергията за отворена и за затворена система, работата на силата на тежестта и математическата формулировка за консервативна сила. Отделен раздел е посветен на въртеливото движение: ъглова скорост и ъглово ускорение, тангенциално и нормално ускорение, период, честота и брой обороти, кинетична енергия при въртене, инерчни моменти на цилиндър, пръстен и сфера, теоремата на Щайнер, момент на сила и на импулс и законът за запазване на момента на импулса. Електростатиката включва закона на Кулон, линейната, повърхностната и обемната плътност на заряда, теоремата на Гаус, интензитета на полето и принципа на суперпозицията, потока, потенциала и работата в електростатично поле, както и полето на точков заряд, на равномерно заредена равнина и на сферична повърхност. Разделът за електричеството обхваща тока и плътността му, електродвижещото напрежение, закона на Ом за участък и за цяла верига, съпротивлението, последователното и паралелното свързване, температурната зависимост и мощността на тока. Магнетизмът съдържа магнитния момент, магнитната индукция и интензитета, закона на Био–Савар–Лаплас с приложенията му, закона на Ампер, силата на Лоренц, магнитния поток, закона на Фарадей, индуктивността и енергията на магнитното поле. Последният раздел е за трептенията и вълните: хармонично трептене с уравненията за отклонение, скорост и ускорение, период и кръгова честота, пълна енергия, уравнение на плоска вълна, дължина и вълново число, фазова скорост, енергия на фотона и интерференчният опит на Юнг. Записът е сбит, с оградени основни формули и с кратки означения какво представлява всяка величина. За преподавателя това е удобен ориентир какъв набор от зависимости се очаква да бъде усвоен и готова основа за съставяне на задачи. За студента и ученика предимството е практическо: вместо да прелиства учебник, разполага с всички работни формули на четири страници – за преговор преди изпит, за бърза справка при решаване на задачи и за проверка дали нещо не е пропуснато.

Разработка на един изпитен въпрос, в която нищо не е поднесено наготово – всяка величина е изведена, а не просто съобщена. Четири страници, които стигат от кинетичната енергия до условията за равновесие на тяло. Подходът е обявен още в началото и е това, което отличава материала. Вместо да въвежда динамичните и енергетичните величини поотделно, изложението ги дефинира едновременно, като ги свързва със съответните им величини при постъпателно движение. Така всяко ново понятие идва с готова аналогия. Първата част тръгва от кинетичната енергия на една материална точка от въртящо се тяло, стига до израза за цялото тяло чрез сумиране и по пътя въвежда инерционния момент. Веднага след това е разгледан и случаят, при който тялото се движи едновременно постъпателно и въртеливо. Средището е самият инерционен момент. Обяснено е защо той е еквивалент на масата, дадена е интегралната му форма и мерната единица, а после са изведени три съществени различия спрямо масата – всяко под собствен номер и с обяснение. Разделът завършва с теоремата на Щайнер и с чертеж, който показва защо тя е необходима. Втората част е за работата на сила при въртене. Тук първо е изяснено под действие на какви сили тялото се върти и при какви условия силата изобщо предизвиква въртене – разсъждение, което обикновено се пропуска. После е пресметната работата, а от полученото произведение е изведен моментът на силата. Финалната част стига до основното динамично уравнение. То е получено по извод, записано е и във векторен вид, а след това е показано как се получава направо от втория принцип на Нютон чрез замяна на линейните величини с ъглови. Уравнението е обобщено и за случая с няколко действащи сили. Заключението извежда от двете динамични уравнения условията за равновесие на тяло – два израза, до които се стига по логически път, а не се съобщават наготово. Формулите са номерирани, всяка величина е пояснена при въвеждането ѝ, а на няколко места има препратки към други въпроси от конспекта, което позволява материалът да се използва заедно с останалите. Студентът получава готов отговор, при който всяка стъпка може да бъде възпроизведена на дъската, а не наизустена. Отделните части вършат работа и поединично, ако въпросът от конспекта е по-тесен. Преподавателят получава стегнато изложение с изведени аналогии между постъпателното и въртеливото движение, годно за раздаване към лекцията или за основа на упражнение. Таблицата от съответствия между линейни и ъглови величини може да се използва направо на дъската.