Выводы русского ученого имели первостепенное значение для практики. «Неравенства» и «диаграммы Вышнеградского» стали основой расчета чувствительных, безотказно работавших в свое время регуляторов. Работа И. А. Вышнеградского «О регуляторах прямого действия» была сразу же переведена на несколько иностранных языков. С развитием техники значение ее раскрывалось все шире и шире. Все позднейшие изыскания в области автоматического регулирования опирались на эту работу. И сегодня теория созданная Вышнеградским, помогает инженерам создавать различные автоматические устройства.
Крупные успехи были достигнуты российскими исследователями и в изучении трения в машинах. Борьба с трением, правильно разработанный режим смазки имеют огромное значение в технике.
В конце ХІХ в., когда промышленность развивалась особенно бурно, от правильного решения этих проблем зависел дальнейший прогресс техники, успех борьбы за высокие скорости и большие мощности. Русский ученый Николай Павлович Петров (1836–1920), впоследствии почетный академик, опубликовал в 1883 г. в «Инженерном журнале» работу о трении в машинах. Он осветил одно из самых «темных» мест механики. Большое внимание ученый уделил проблеме смазывания трущихся поверхностей.
Н. П. Петров доказал, что правильно смазанные твердые поверхности не приходят в соприкосновение: их разделяет жидкая пленка. «Если же, – писал он – жидкий слой, смазывающих два твердых тела – вполне отделяет их одно от другого, то непосредственного трения твердых тел уже, очевидно, не может быть. Таким образом, трение в смазанном подшипнике имеет иную природу, нежели трение «сухое»; оно складывается из трения между твердым телом и жидкостью и трением, возникающим при вращении в слоях самой жидкости».
Труд Петрова «Трение в машинах» положил начало классической гидродинамической теории трения. Развитию и углублению этой теории ученый посвятил множество работ, вошедших в золотой фонд современной механики. Формула Петрова, позволяющая определить силу трения в зависимости от качеств смазочной жидкости, скорость движения и давления на единицу трущейся поверхности, – одна из важнейших инженерных формул, которой пользуются механики.
Создание аэродинамики в значительной степени связано с именем Николая Егоровича Жуковского (1847–1921). Его деятельность не исчерпывается кругом определенных вопросов механики. Имея огромные заслуги в создании авиационной науки он вел исследования турбин, ткацких машин, велосипедных колес, речных судов, мукомолен и т.д. Он составил уравнения динамики для центра тяжести птицы и определил ее траекторию при различных условиях движения воздуха. Особенно плодотворны для Жуковского были 1894–1898 гг., когда он интенсивно работал над изучением полета тел тяжелее воздуха. Крупной научной работой Жуковского является доказательство теоремы о так называемом жестком рычаге. Значение этого труда неизмеримо велико. Почти в каждом механическом устройстве мы найдем либо рычаги, либо их разновидности: ворот, шкивы, шестерни. Этот метод только часть, только звено этой стройной теории механики, в которой Жуковский слил воедино кинематику, кинемостатику и динамику механизмов.
Существенный вклад в науку в ХІХ в. внесла первая русская женщина-математик Софья Васильевна Ковалевская (1850–1891). Став профессором Стокгольмского университета (1884 г.), она блестяще прочла 12 различных курсов, в том числе курс механики. В области механики особенно велик ее вклад в теорию гироскопов: в 1888 г. она опубликовала «Задачу о вращении твердого тела вокруг неподвижной точки», в которой указала на новый случай гироскопа. Впервые после Эйлера и Легранжа было сказано новое слово в теории волны. Своим вкладом в эту область механики С. В. Ковалевская продвинула теорию далеко вперед, оставив блестящие исследования вращения твердого тела вокруг неподвижной точки.
Говоря о развитии инженерных наук, нельзя не сказать о заслугах отечественных ученых в создании теоретических основ одного из важнейших производственных процессов – процесса резания. Резание – это точение на токарных станках, это фрезерование, сверление, строжка, протягивание, шлифовка – все то, что принято называть «холодной обработкой металлов». Следует сказать, что резание – один из старейших способов придать изделию нужную форму. Многими тысячелетиями отделен от нас тот момент, когда впервые острие инструмента, зажатого в руке человека, сняло стружку с дерева или кости. Но до середины ХІХ в., когда на заводах всего мира работали уже десятки тысяч металлорежущих станков, сущность процесса резания оставалась неизвестной.
Производственники не имели правильного представления о том, что происходит с металлом в момент, когда лезвие резца вживается в него и отделяет от него слой стружки. Токари подбирали режимы резания, углы заточки инструмента, основываясь только на опыте.
По-научному подошел к проблеме резания ученый Иван Тиме, опубликовавший в 1870 году труд «Сопротивление металлов и дерева резанию» – плод многолетних исследований. И.Тиме установил новые законы резания. Проделав огромное количество опытов, он показал, что в момент снятия стружки под действием резца в металле происходит постепенное непрерывное разрушение частиц, а стружка отделяется в результате скалывания частиц. Русский ученый дал научно обоснованные таблицы резания и формулы, которые перешли затем во все руководства по металлообработке.
В 1893 г. с теорией резания выступил профессор К. А. Зворыкин. Исходя из исследований, в которых применяется изобретенный им прибор для измерения сил резания, Зворыкин предложил формулу, позволяющую установить зависимость толщины снимаемой стружки от силы, действующей на инструмент.
Три года спустя, в 1896 г., другой российский ученый, А. А. Брикс выпустил книгу «Резание металлов», где дал научную разработку режимов резания, показал какие углы резания, какие режимы следует применять при обработке металла той или иной твердости.
Большое значение для продвиждения вперед науки о резании металлов имели работы Я. Г. Усачева, талантливого техника мастерских Петербургского политехнического института. Усачев провел большие исследования микроструктуры металлической стружки: стал фотографировать микрошлифы, полученные из металла стружек. Это позволило ему в подробностях изучить процессы, происходящие в стружке в момент отделения ее от обрабатываемого изделия. Усачев положил начало исследованию одного из важнейших явлений сопровождающих резание, – выделение тепла. Вклад ученых практиков в создание режущего инструмента в металлообработке весьма значителен. Так, изобретатель А. М. Игнатьев создал самозатачивающие инструменты. Резцы, ножи, пилы, зубья ковшей экскаваторов, сделанные по методу Игнатьева, не только не тупятся во время работы, но даже становятся острее. К изобретению этих замечательных инструментов, А. М. Игнатьев биолог по образованию, пришел оригинальным путем. Он начал с разгадки удивительного факта: почему зубы грызунов и когти хищников всегда остры, никогда не тупятся. Он разгадал, что самая твердая часть когтя или зуба – его сердцевина. Поэтому чем дальше слой находится от сердцевины, тем он быстрее стирается во время работы. Сердцевина вследствие этого возвышается над окружающими слоями, поэтому зуб или коготь всегда имеют заостренную форму. Угол резания такого природного инструмента неизменен. Разгадав секрет неизменной остроты зубов и когтей, Игнатьев положил этот принцип в основу своих самозатачивающихся инструментов. Он собрал их из отдельных листков стали, изобретя для этого и особый способ сварки по всей поверхности предмета. Листки были изготовлены из сталей самых разных твердостей: начиная от самых мягких, кончая самыми твердыми, из которых делались сердцевинные слои.
Большую работу провел А. М. Игнатьев по внедрению трубчатого вращающегося резца. При неподвижном резце половина, а порой и больше всей энергии, потребляемой для резания металла, непроизводительно тратится на преодоление трения между стружкой и резцом. Остроумным путем он сумел избежать этих потерь. Резец Игнатьева, похожий на чашку с заточенной кромкой, укрепляется в подшипнике. Стружка металла, ползущая с изделия, приводит резец во вращение. Резцы над которыми работал Игнатьев позволяют добиваться огромных скоростей резания, достижимых только с резцами из специальных твердых сплавов. Вообще следует сказать, что своими методами скоростного резания прославились многие ученые и новаторы производства. Рядом с именем известного физика В. Д. Кузнецова и его учеников, разработавших теорию скоростного резания, стоят имена мастеров усовершенствованной обработки металлов: Г. Борткевича, П. Быкова, Ю. Дикова, А. Чикарева, В. Колесова и других. Токарь П. Рыжков сделал замечательный вклад в технику – он сконструировал устройство гасящие вибрации.
