Рассматривая вопрос «Что такое технология?» в практической его реализации, мы неизбежно сталкиваемся с моделированием будущей детали или даже моделированием процесса её изготовления. Поэтому важно дать понятие «моделирование», чтобы будущий инженер уже со школьной поры мог иметь не только теоретическое представление, но и практические навыки в моделировании.
Например, авиационные конструкторы, прежде чем сконструировать и построить самолёт предварительно изготовляют его уменьшенную копию – модель самолёта – и уже на этой модели изучают поведение будущих самолётов в различных режимах полёта. Для этого модель помещают в аэродинамическую трубу на специальные весы. Обдувая модель потоком воздуха, создают условия, максимально приближенные к действительности. Специальными приёмами можно сделать видимым поток воздуха, обтекающего фюзеляж, крылья и хвостовое оперение самолёта. На модели не трудно сделать любые конструктивные изменения и изучить, как они скажутся на поведении модели. Таким образом, процесс конструирования и технологии не заканчивается постройкой модели, а испытание модели позволяет увидеть все её сильные и слабые стороны и дать новый толчок конструкторской мысли. На этом примере мы рассмотрели как уменьшенная копия самолёта (модель самолёта) проходит несколько этапов – конструкторский, технологический и испытание модели или опытного образца.
Итак, моделирование напрямую связано и с конструированием и технологией изготовления конечного изделия. В общем случае моделированием называют исследование на лабораторных моделях физических процессов, протекающих в телах, машинах, сооружениях и других устройствах.
Моделирование применяется при создании новых машин и сооружений, для проверки правильности инженерных расчётов.
Мы уже выше рассмотрели пример процесса моделирования в авиационном конструировании. Напомню, что в процессе конструирования часто бывает трудно или даже невозможно учесть влияние всех физических явлений и закономерностей, которые могут сказаться потом, когда машина или сооружение уже построены. Поэтому правильность своих идей конструкторы проверяют на моделях.
Например, на большой реке проектируется создание мощного гидроузла. Когда проект готов, в специальной лаборатории создаётся модель этого гидроузла в уменьшенном виде. На модели есть и река с теми очертаниями берегов, которые имеет настоящая река, и с определёнными глубинами (в выбранном масштабе), и вода течёт, как в настоящей реке. На этой уменьшенной копии реки строится модель гидроузла. С помощью приборов исследуются скорости течения воды на различных участках, давление воды на плотину и проводится множество других измерений и наблюдений. Всё это позволяет ещё до постройки настоящей плотины уточнить инженерные расчёты и в случае необходимости внести изменения в конструкцию плотины.
В этом смысле на моделях осваивается наука и искусство конструирования и отрабатывается технология.
Чтобы завершить описание моделирования мы должны указать ещё на несколько важных этапов, без которых этот процесс будет не полным – это доводка и доработка конструкции (модели) после её испытаний. Рассмотрим это на изготовлении модели пружинной пушки.
Например, вы получили техническое задание на конструирование и изготовление пружинной пушки:
1. Сконструируйте механическую пушку для стрельбы на расстояние 2 м, используя энергию сжатой пружины.
Технические условия:
А) пушка должна бросать снаряд в горизонтальном направлении;
Б) высота установки пушки над уровнем пола – 0,8 м;
В) пушка должна обладать высокой надёжностью попадания снаряда в цель;
Г) конструкция пушки должна быть простой, рассчитанной на использование самодельной пружины, доступной для изготовления в школьной мастерской.
2. Выполните эскизный проект пушки.
3. Обсудите проект с учителем.
4. В школьной мастерской изготовьте пушку.
5. Испытайте пушку на точность стрельбы на заданное расстояние.
6. Составьте краткое описание пушки по схеме:
А) название изделия;
Б) автор конструкции;
В) инженерный расчёт пушки;
Г) результаты испытаний: при каком сжатии пружины снаряд летит на расстояние 2 м? Замеченные недостатки конструкции?
Итак, предположим, вы построили модель пружинной пушки и провели первое испытание. Редко, когда только что построенная модель сразу начинает хорошо работать. Можно ожидать, что первое испытание было не совсем удачным. Даже если всё было сделано по расчётам, а снаряд не долетел или перелетел отметку на заданное расстояние – это наиболее вероятные случаи неудачных испытаний. Это на модели. Но и в большой технике чаще всего первое испытание означает начало нового этапа в создании нового устройства – доводки и доработки конструкции и технологии. Чем сложнее устройство, тем труднее заблаговременно учесть всё то, что может повлиять на его работу.
В нашей простой модели уже в процессе расчёта были допущены некоторые упрощения. Так, предполагалось, что выброшенный пушкой снаряд полетит в горизонтальном направлении, сохраняя по инерции скорость, полученную в момент выброса из пушки. Сопротивление воздуха движению снаряда в расчёт не принималось. Но, тем не менее, воздух оказывает сопротивление движущимся телам. И чем выше скорость движения, тем больше сила сопротивления.
Далее, при расчёте пружины предполагалось, что она будет изготовлена из определённой марки пружинной стали, но в школьных мастерских нашлась проволока, из которой хотя и можно сделать отличную пружину, но допустимое напряжение на скручивание и модуль скольжения у этой проволоки не такие, какие принимались в расчёт.
Жёсткость пружины существенно зависит от технологии её изготовления. Неравномерное или недостаточное натяжение проволоки в процессе навивки пружины может существенно изменить её упругие свойства. Недостаточное сжатие пружины перед выстрелом тоже приведёт к изменению дальности полёта снаряда. Таким образом, маленькие неточности и ошибки, складываясь, могут дать существенное расхождение расчёта с результатом испытания. Поэтому на заводах существуют отделы технического контроля, которые проверяют точность и качество изготовления каждой детали. А каждая сложная машина или механизм, прежде чем выйти за ворота завода, подвергается испытанию. Каждый прибор, каждая машина, каждое устройство снабжается паспортом, в котором все главные характеристики устройства записаны по результатам проведенных испытаний.
Пружинную пушку тоже надо подвергнуть испытанию на проверку её главной характеристики – начальной скорости снаряда. Для этого пушку следует установить вертикально и произвести выстрел вверх. Высоту максимального подъёма снаряда можно легко измерить. Зная закономерность движения тел, брошенных вертикально вверх, нетрудно подсчитать начальную скорость бросания по формуле:
V = v^2gh, где v^ - корень квадратный
Теперь можно отрегулировать положение спускового устройства, определяющего начальное сжатие пружины перед выстрелом.
Обратите внимание на то, что в задании на конструирование ничего не сказано о снаряде. Поэтому форму и материал снаряда нужно выбирать конструктору. Предполагалось, что в вертикальном направлении снаряд будет двигаться как свободно падающее тело. А если замедлить падение снаряда, снабдив его крылышками? Тогда при тех же параметрах пушки снаряд улетит значительно дальше.
Итак, мы рассмотрели вопрос «что такое моделирование?» и можем определённо ответить, что моделирование тесно связано с конструированием и доступными технологиями производства, наличием необходимых материалов и точностью инженерных расчётов, а также точностью изготовления деталей. Моделирование помогает исследовать будущее изделие во время испытаний опытных образцов, на которых можно откорректировать, уточнить, внести изменения и доработать конструкцию.