КАТЯЩИЙСЯ ПАМЯТНИК (ШАРОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ)

Есть памятник мученикам науки — собаке в Колтушах, под Ленинградом, лягушке в Токио... Но если бы нужно было поставить памятник в честь геометрического тела, сыгравшего наиболее важную роль в развитии наук, то им, безусловно, был бы шар.

Действительно, еще до нашей эры Герон Александрийский в поиске формы движителя паровой машины остановил свой выбор на шаре, а Галилей, вглядываясь в каплю росы, долгое время пытался найти объяснение ее шарообразности.

Сейчас мы знаем, что по сравнению с другими телами шар — наиболее емкая форма. Поэтому не случайно его форму принимают капли дождя и тумана в воздухе, пузырьки газа в жидкости, нарождающиеся планеты в космосе...

Многих исследователей шар привлекал своей симметричностью, возможностью перевода любой своей точки поверхности в любое положение, как наглядная модель для исследования... И рядом с воспоминаниями о шаре можно вспомнить имена знаменитых исследователей: И. Ньютона, Э. Мариотта, Л. Прандтля, которые в своих экспериментальных научных исследованиях широко использовали шары. Вспомним основные математические определения, касающиеся шара, они пригодятся нам по ходу изложения.

Шар — геометрическое место точек, одинаково удаленных от центра. Сфера — поверхность шара (фиг. 7.1). Соответственно шаровой сектор, шаровой сегмент и шаровой слой изображены на фиг. 7.2, 7.3, 7.4. А три круга диаметров образуют на поверхности сферы восемь сферических треугольников, называемых треугольниками Эйлера (фиг.

Теперь, опираясь на принятые определения, напомним читателю основные свойства шара, известные из геометрии.

Всякое сечение шара плоскостью есть круг — это свойство вытекает из определения шара (фиг. 7.6). Шар имеет постоянную ширину и постоянный охват, а точки сферы имеют постоянное отно-

шение расстояний от двух неподвижных точек. Сфера имеет постоянную среднюю кривизну — это следует из того, что все ее нормальные сечения имеют одинаковый радиус кривизны, равный радиусу шара. При заданном объеме шар имеет наименьшую возможную поверхность. Сфера по отношению к другим фигурам ограничивает наибольший объем при одинаковых их поверхностях. Шар, лежащий на горизонтальной плоскости и освещенный сверху и сбоку, дает тень в виде эллипса, а точка, в которой он касается плоскости, является одним из фокусов этого эллипса.

Теперь настало время приступить к знакомству с техническими приложениями шара.

Привычным для нас стало использование шариков в шарикоподшипниках, в пишущем стержне шариковой ручки... Шар — наивыгоднейшая форма для активной зоны реактора, резервуара для хранения газов и жидкостей, для глубоководных и космических аппаратов. Видимо, не случайно шаровую форму имел первый в мире искусственный спутник Земли. В дальнейшем конструкторы космической техники широко использовали шаровую поверхность для построения топливных баков, спускаемых автоматических и пилотируемых аппаратов. В машиностроении широко известны шаровые клапаны, мельницы, шарниры, шариковые муфты и т. д.

Мы только напомнили читателю о широко известных конструкциях, которые не будем подробно рассматривать, а сосредоточимся главным образом на более редких, а значит и менее известных применениях шаров, сферических поверхностей и шаровых конструкций. Так называемое свойство идентичности поверхности, заключающееся в том, что кривизна поверхности шара при его перемещении постоянна во всех точках, имеет в технике следующие применения.

Коммутирующее устройство (а. с. 892506) выполнено в виде полой сферы, в поверхность которой армированы контактные площадки. Полость сферы заполнена диэлектрической жидкостью, на поверхности которой плавает токопроводный шар (фиг. 7.7). При любом пространственном положении коммутирующего устройства контакт-поплавок обеспечивает надежное замыкание контактной пары.

Идентичность шаровой поверхности позволяет использовать шары в качестве носителей информации. По а. с. 798958 информационное табло вычислительного устройства представлено в виде шариков (фиг. 7.8). Шарики, окрашенные до половины в разные цвета, вращаются в информационной матрице под действием электромагнитов, установленных под ней, и постоянных магнитов, расположенных в шарах.

Международный патент РСТ № 84/04200 выдан на электропереключатель, в котором шариком обеспечивается контакт (фиг. 7.9). На поверхности пластины (ею может быть печатная плата) расположены проводящие дорожки. Они подходят с разных сторон к от

верстию, образуя контакты. Шарик при перемещении, попадая в отверстие, замыкает соответствующий контакт.

Соблюдая принцип «от простого к сложному», рассмотрим случай, когда одна сфера помещена внутри другой, как, например, это сделано в изобретении по а. с. 422048. Его суть заключается в том, что у конденсатора переменной емкости статорные и роторные пластины выполнены в виде полусфер. Такой конденсатор по сравнению с традиционным имеет повышенную емкость при наименьших габаритах. При этом у него увеличиваются удельная объемная емкость, коэффициент перекрытия и механическая прочность.

В США выдан патент № 4504812 на сферический трансформатор, выполненный на сферическом сердечнике, полюсная ось которого проходит через центр сферы.

Радиоприемник сегодня — неотъемлемая часть нашего быта. В Японии выпустили радиоприемник необычной формы: это небольшой шар, похожий на обыкновенный теннисный мяч. Как утверждает фирма, такой приемник обладает высокими акустическими качест

вами. А телевизоры? Пока нет шаровых телевизоров, но такая форма сулит массу преимуществ по сравнению с плоским экраном... Уже существуют проекты сферических экранов для демонстрации космических видений в «Космонарии».

Свойство идентичности шаровой поверхности широко используется там, где необходима свобода перемещения в любых направлениях. Например, в кузове-прицепе (а. с. 956340) свобода выгрузки материалов в любые стороны обеспечивается его сферической формой, которая способствует повышению его износостойкости. Шлифовальный круг, выполненный по а. с. 1110617 в виде полусферы, становится «вечным», так как износ его поверхности можно компенсировать поворотом рабочих поверхностей. Не вызывает сомнений в повышении долговечности работы шаровых камер для измельчения материалов, промывки ископаемых и т. п.

Полая зеркальная сфера обладает фокусирующими свойствами, играя роль линзы, фокус которой располагается на половине ее радиуса.

На этом принципе построен широко известный в технике фотометрический шар (фиг. 7.10). Он используется для определения так называемой сферической силы света источника С, расположенного в фокусе шара и перекрываемого непрозрачной пластиной

В.              Измерение ведут с помощью матового стекла Л, которое улавливает отраженные от шаровой поверхности лучи.

Ученые ГДР фокусирующие свойства шара использовали в гелиографе— приборе, определяющем солнечную активность. Главная часть прибора — стеклянный шар, играющий роль линзы. В течение светового дня под каким бы углом ни падали лучи солнца, шар- линза фокусирует их на бумажную ленту, расположенную внутри шара в фокусе. Если солнце светит достаточно ярко, сфокусированные «зайчики» прожигают бумагу. По количеству и размерам обуглившихся точек на ленте легко оценить солнечную активность в данном районе.

Если же наружную поверхность сферы покрыть зеркальным слоем, то направленный на него световой поток рассеивается во все направления. Этот эффект широко используется в иллюмина

ционных устройствах, например, для имитации падающего снега или звездного небосвода. Зеркальный шар по а. с. 1161054 может отпугивать птиц в местах их большого скопления, ослепляя отраженными «зайчиками». Впрочем, кто знает, может быть, так можно рассеивать не только свет, но и колебания других частот... Полый шар, как и все полые тела, обладает высокой плавучестью. Это свойство в сочетании с идентичностью шаровой поверхности сулит массу преимуществ по сравнению с другими телами и формами.

Мы уже упоминали об использовании шара-поплавка в роли контактора (см. фиг. 7.7). Аналогичную роль играет шар в магнитном выключателе, на который выдан патент ФРГ № 2751507. Шар- поплавок, выполненный из ферромагнитного материала, плавает в резервуаре на поверхности жидкости. Как только уровень жидкости приближается к магниту, установленному в торцевой части резервуара, шар-поплавок приводит в действие выключатель гидропривода, тем самым производится регулирование уровня жидкости.

Подбирая материал оболочки и воздействующие на шар-поплавок поля, можно легко управлять его плавучестью. Этот принцип заложен в ряде устройств для измерения высокого напряжения (а. с. 883748, 883749, 918859, 924584, 924585). Главным элементом киловольтметра, так называется это устройство, является шар- поплавок, на наружной поверхности которого нанесена измерительная риска (фиг.

ды в виде мембраны в трубке с диэлектрической жидкостью создается гидростатическое давление, которое через эластичную оболочку плавающего шара передается газу, находящемуся внутри поплавка. Шар сжимается и, уменьшая силу Архимеда, погружается на глубину. Чем выше сила электрического напряжения, тем глубже погружается шар. По риске, совмещенной со шкалой, судят о величине напряжения.

Используя «принцип наоборот» и введя в полость поплавка эластичную емкость, можно достичь увеличения силы Архимеда при приложении к электродам высокого напряжения (а. с. 883749).

При этом шар-поплавок всплывает, регистрируя изменение напряжения.

Покрыв поверхность поплавка слоем электрета (а. с. 924584), можно повысить надежность, работоспособность системы измерения. Точность измерения можно повысить переходом к бисистеме — установить в киловольтметре несколько трубок с измерительными шарами (а. с. 918859). А осуществив переход к полисистеме, введя в устройство компенсатор наружных изменений давления и температуры среды в виде шара, идентичного шару-измерителю (а. с. 924585), можно еще больше повысить точность измерений.

Если же шар-поплавок изготовить из материала, обладающего эффектом памяти формы, то плавучестью шара можно управлять, меняя температуру омывающей среды. Изобретатель В. X. Подойни- цин использовал шарики из нитинола, частично заполненные водой, для выравнивания температуры жидкости в резервуаре. Шарик-поплавок, плавая на поверхности жидкости, например воды, прогревается, резко уменьшает свой объем и тонет. После охлаждения на дне резервуара «фляга» вспоминает свою первоначальную форму, поплавок увеличивается в объеме и всплывает, доставляя холодную воду в верхние, теплые слои. Процесс повторяется до тех пор, пока температуры нижних и верхних слоев не уравняются. В технике при диагностике тех или иных процессов широко используются всевозможные датчики. Они, как и органы чувств человека, реагируют на определенные виды воздействий (скорость, давление, температуру, влажность, вибрацию и т. д.). Чем точнее и чувствительнее будет датчик, тем быстрее и надежнее человек сможет управлять сложными машинами и механизмами.

Известно, что шар, лежащий на плоскости, имеет очень малую поверхность контактирования. Если к покоящемуся шарику приложить силу, большую силы покоя, то он мгновенно выходит из равновесия и перемещается по направлению прилагаемой силы. Это свойство, присущее только шарику, широко используется для диагностики различных микровоздействий.

В датчиках по а. с. 659911, 727996, 748143, 823891, 838399 «органом чувств» вибрации, возникающей в конструкциях, служит шарик весом 1,5...2 г. Схема перечисленных устройств такова: шарик фиксируется магнитным полем в центре корпуса с контактной системой (фиг. 7.12). От действия сил перемещения (удар, обледенение, землетрясение, вибрация), больших силы притяжения магнита, шарик перемещается из состояния покоя и замыкает контакты, формируя сигнал тревоги. Аналогичную схему датчика можно увидеть в патенте США JVb 4168410 (фиг. 7.13). Шарик-индикатор выводится из равновесия перемещающимся штоком. Магнит, установленный в зоне контактной системы, способствует быстрому срабатыванию устройства.

Несколько иную схему можно увидеть в ряде датчиков износа подшипников скольжения, где главным органом также является шар (а. с. 474646, 638756, 699251, 783498)—фиг. 7.14. При износе подшипника вал увлекает во вращение кольцо, в пазу которого находится шар-датчик. При совмещении паза с отверстием контактной системы шар, замыкая контакты, формирует сигнал тревоги, по которому отключается привод вала.

В приведенных примерах видно, что, применяя шар в измерительных системах, можно без всяких усложнений систем повысить чувствительность и быстроту измерений.

alt="" />

0—

0—

Фиг. 7.14

Чтобы повысить чувствительность шаровых датчиков, необходимо внутреннюю полость шара заполнить чувствительной массой, как это предложено по а. с. 356496: «Датчик давления и деформации, содержащий чувствительный тензоэлемент, выполненный из полупроводника, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона применения, чувствительный элемент выполнен в виде шара с центральным и внешним сферическими контактами и наружной изоляционной сферической оболочкой» (фиг. 7.15). При приложении внешних сил деформируется рабочая сфера, которая сжимает вязкую чувствительную массу. Происходит изменение электрического сопротивления массы, которое и регистрируется измерительным прибором. В роли чувствительного элемента здесь используется латекс с примесью графита или вулканизированная окись алюминия.

Чувствительность шаровых датчиков можно повысить также путем создания шаровых оболочек в виде слоеного пирога или путем разделения сферической поверхности на независимые изолированные участки по типу футбольного мяча. Такое решение заложено в шаровой датчик по а. с. 1049833 (фиг. 7.16). Метал

лическая полая сфера разделена на шесть частей, которые изолированы друг от друга диэлектриком. Такой датчик определяет направление воздействия импульсного электрического тока.

Следующим способом повышения чувствительности датчиков может служить введение в измерительную систему дискретной среды в виде группы шариков. Например, датчик глубины копания землеройной машины по а. с. 413378 представляет собой трубу, в которой помещены шарики (фиг. 7.17). Чем ниже опускается стрела машины при работе, тем больше шариков вылетает из трубы. Счетное устройство, производя несложные преобразования, регистрирует глубину выкопанной ямы (траншеи). Шарики, введенные по а. с. 901925 в спиральный магнитопровод, повышают чувствительность измерителя тока. Принцип «один — хорошо, а два — лучше» можно найти во многих изобретениях.

Слово «вибрация» происходит от латинского «виб- рацио», т. е. «колебание». Много лет тому назад неизвестные изобретатели заметили, что вибрацию можно заставить выполнять полезную работу, например, удалять воздушные пузырьки из незастывшей бетонной массы. Сегодня вибротехника переживает этап бурного развития. Вибрации поручают все больше и больше полезной работы. И здесь благодаря своей чувствительности к перемещениям и способности нести высокую силовую нагрузку шар находит широкое применение.

В горнодобывающей промышленности под воздействием вибрации облегчаются режимы работы многих агрегатов. Однако создаваемая искусственно вибрация должна быть управляемой, в противном случае, выйдя из-под контроля, она может причинить массу неприятностей. Существует множество способов, обеспечивающих заданный режим вибрации. Наиболее простые, как понял читатель, связаны с использованием шаров, которые служат вибровозбудителями колебаний. Величина заданной вибрации обеспечивается за счет: использования полых шаров с известными параметрами (а. с. 1049121); заполнения полости шаров жидкостью с заведомо рассчитанным удельным весом (а. с. 854456); использова-

ни я шаров с различными рассчитанными массами (а. с. 328949); смещения центра тяжести шара-вибратора относительно точки вращения (а. с. 471127) —фиг. 7.18; изменения массы дебаланса путем нанизывания шаров-вибраторов, как бусы, на трос и изменения длйны троса (а. с. 1049121) —фиг. 7.19.

И все же вибрация вибрации рознь. Иногда она бывает полезной, но зачастую — вредной. Для борьбы с вредной вибрацией существуют различные типы демпферов, например, в виде резиновых прокладок, пружин, композиций из демпфирующих материалов и пр. Однако и здесь наиболее простым средством снижения вибрации, а порой и полным устранением ее, являются как одиночные шары, так и их группировки.

Фиг. 7.20              Фиг.              7.21

Известно, что фрукты от соударения портятся. Поэтому механизированная уборка плодов и упаковка в транспортную тару требует к себе особого внимания. Качественная укладка плодов в тару может быть реализована по а. с. 552245 — фиг. 7.20. По мере заполнения тары эластичные шары благодаря вибрации все время находятся над плодами, демпфируя удар падающего плода. Для извлечения шаров из заполненной тары в них вмонтированы ферромагнитные пластинки, которые, притягиваясь к магниту, расположенному над тарой, извлекают шары.

А механизация уборки фруктов с кустарников или деревьев? Здесь также остро стоит проблема предотвращения от соударений снимаемых плодов с поверхностью бункера сборочной машины.

Читатель, видимо, сразу нашел техническое решение этой проблемы: «Самое простое — это использовать шары!» На такое решение уже выдано авторское свидетельство № 524545: «Улавливатель плодов, содержащий сборник, имеющий наклонную гофрированную поверхность и установленные на ней амортизаторы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения повреждения плодов, амортизаторы выполнены в виде шарообразных тел из эластич

ного материала, закрепленных на гребнях гофрированной поверхности с помощью пружин, например, цилиндрических».

Амортизаторы-шары, как нежные пальчики, улавливают плод, предохраняя его от соударения и гася удары. Контактирование шара-амортизатора с падающим плодом «бережно», этим и достигается положительный эффект.

Шаровым амортизатором демпфируют, например, гидравлический удар жидкости (а. с. 303461), механическую вибрацию (а. с. 314829), пространственные звуковые колебания (а. с. 383925), ультразвуковые колебания (а. с. 197248) и даже предотвращают распространение теплового потока (а. с. 588986).

Эффективность демпфирования повышается, если демпферы составлены из множества шариков, которые образуют дискретную среду. Такими шаровыми демпферами можно значительно снизить механические колебания (а. с. 214955, 564181), сейсмические колебания (а. с. 1159984), акустические колебания (а. с. 326321) и акустический шум (а. с. 1139838), уменьшить силу вертикального давления (а. с. 1193240) и силу набегающей волны (а. с. 1159976), ликвидировать теплоприток (а. с. 1208399) и кинетическую энергию потока (а. с. 1037012) и т. д.

Для повышения демпфирующих свойств в шарах-демпферах выполняют полость, которую заполняют либо газом, либо жидкостью. Демпфирующие свойства еще более усиливаются, если оболочку полого шара-демпфера сделать перфорированной, то есть с множеством отверстий, например, предлагаемых по а. с. 918597 различных по диаметру. Здесь процесс демпфирования заключается в засасывании воздуха через отверстия в шарах. Высокочастотные колебания воздуха подавляются шарами большего диаметра, а низкочастотные — шарами меньшего диаметра. Таким образом, происходит демпфирование всего спектра колебаний.

Для управления процессом демпфирования используют шары- демпферы с добавками в виде ферромагнитных порошков или магнитов, например, в успокоителе колебаний жидкости по а. с. 945519. В полых шарах, плавающих на поверхности жидкости, установлены постоянные магниты с чередующимися полюсами (фиг. 7.21). Притягиваясь друг к другу, такие шары-поплавки образуют на поверхности жидкости как бы единый успокоитель колебаний в виде псевдокрышки. Широкое использование такой демпфер может найти при транспортировании жидкости подвижными средствами, когда любое резкое торможение подвижного средства сулит массу неприятностей ввиду инерционности перевозимой жидкости. В такой псевдокрышке энергия колебаний транспортируемой жидкости тратится на разрыв магнитных связей и на перемещение шаров-поплавков, тем самым происходит диссипация (рассеяние) энергии.

В жидкостном успокоителе по а. с. 720303 демпфирующим элементом является россыпь ферромагнитных шариков, которая, взаимодействуя с постоянным магнитом, гасит колебания, возникающие при вращении подвижной части. И здесь энергия колебаний тратится на разрыв магнитных связей и псевдокрышки. «Эволюция» шаровых конструкций, видимо, начинается от периода создания древнеегипетских пирамид. Так, австрийский археолог Гансюнкер, производя раскопки у подножия пирамиды Джосера, нашел каменные шары диаметром 12...40 см. Большую часть из них составляли шары диаметром 19 см, возможно, это был древнеегипетский стандарт. Анализ показал, что шары были изготовлены из очень твердой породы, называемой долеритом. Где же могли египтяне использовать такие шары? Эксперименты, проведенные в 1936 г. с найденными шарами, показали, что шары способны нести высокую силовую нагрузку, сохраняя способность передвижения. Один человек, имея такое приспособление, может без особого труда передвигать блок весом в несколько тонн. При дальнейших раскопках дорог, ведущих к пирамидам и святилищам, были обнаружены следы, оставленные каменными шарами при их передвижении. Следует заметить, что вес каменных монолитов у египтян достигал 20 тонн, а балок перекрытий — 420 тонн. Не случайно французский историк Ф. Море заявил, что перед такими средствами строительного искусства древних он преклоняется так же, как и перед его результатами — величественными пирамидами...

Способность шара нести силовую нагрузку можно подтвердить, например, выступлением в цирке дрессировщика со слоном. На арену выкатывают металлический шар, размеры которого во многом уступают слону. Слон, как вы знаете, имеющий солидный вес, взбирается на шар и, перебирая ногами, легко передвигается на нем по арене.

Более ярким примером служит шарикоподшипник. Без него сегодня не обходится ни одно подвижное средство. Первый патент на шарикоподшипник датирован 1794 г. Выдан в Англии на «оси телег с очень легким вращением». Предметом изобретения были «шарики в кольце»...

Используя присущие только шару свойства в сочетании со способностью нести высокую силовую нагрузку, изобретатели находят простые и оригинальные применения шариков во многих отраслях техники.

Рассмотрим процесс получения отверстий в тонколистовом материале.

На первой стадии, как правило, делается разметка мест предлагаемых отверстий. Традиционно для этих целей используется кернер. Однако рабочая поверхность такого инструмента должна

быть всегда под определенным углом. Контроль и заточка рабочей поверхности кернера снижают производительность операции. Как уже догадался читатель, недостатки ликвидируются использованием шарика в качестве разметочного элемента. На такое решение выдано а. с. 1162589, свидетельство получено совсем недавно—в 1983 г. А сколько сулит оно преимуществ! Отпадает необходимость заточки и контроля рабочей поверхности. Ведь поверхность шара идентична во всех точках, поэтому, меняя рабочую поверхность, можно значительно «продлить жизнь» инструменту. Нам уже известно, что шар контактирует с поверхностью в точке с наименьшей площадью и может нести достаточную силовую нагрузку. Тем самым он удовлетворяет всем требованиям к разметочным элементам. А в сочетании с долговечностью работы он становится идеальным разметчиком.

Следующая стадия процесса получения отверстий — это либо сверление, либо пробивка отверстий под прессом. Второй способ более технологичен. И здесь также шарик соперничает с традиционными просечками и цилиндрическими пуансонами.

По а. с. 585092 в качестве пуансона для пробивки отверстий используется ферромагнитный шарик. Пробив отверстие заготовки, шарик вместе с вырубкой оказывается на дне матрицы. Электромагнит, установленный у торца заготовки, извлекает из матрицы вначале вырубку, а затем — шарик-пуансон. В дальнейшем в рабочее положение шар возвращается магнитом, установленным на ползуне пресса. Оставим читателю самому разобраться в преимуществах этого оригинального пресса.

Одной из последних стадий получения отверстий является доводка, или калибровка отверстий до заданного размера. На этой стадии необходимо обеспечить высокую точность и хорошую чистоту обрабатываемых поверхностей. Можно ли использовать для этой цели шарик?

Эксперимент показывает, что, осуществляя шариком калибровку отверстий методом продавливания, можно получить точность отверстия до 1...2 класса, при чистоте обрабатываемой поверхности до 7...9 класса.

Мы разобрали три основные операции процесса получения отверстий в тонколистовом материале. Во всех из них используется шарик как наиболее простая и надежная геометрическая фигура. Но сколько преимуществ сулит такое применение!

А если совместить все три операции с использованием шарика в роли главного инструмента: разметка, пробивка, калибровка? Получится полный технологический цикл получения отверстий. Таких механизмов пока нет в технике. Слово за тобой, читатель! Дерзай, твори, пробуй!

Там, где в механизмах необходимо преобразовать один вид

движения в другой, шарики могут дать простые и эффективные решения.

Допустим, при проектировании грузоподъемного устройства вам необходимо получить достаточное усилие для возвратнопоступательного движения поршня. В грузоподъемных устройствах по а. с. 509524, 664914 это достигается «потоком» металлических шаров, которые создают избыточное давление в цилиндре (фиг. 7.22). В цилиндр шарики подаются из бункера по «шарикоподающей» трубе с помощью привода, выполненного в виде двух звездочкообразных колес. Превращение звездочек в зубцы, входящие в прорези «шарикоподающей» трубки, подталкивает шарики в цилиндр с поршнем. Создается давление, необходимое для перемещения груза. Система проста и надежна.

С помощью шариковых передач можно также осуществлять передачу крутящего момента (а. с. 457823, 831407, 942903, 1060336), сил давления (а. с. 597577, 1070413, 1214468), ударных импульсов (а. с. 582387), преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное (а. с. 947540, 1011941, 1116251) и др.

Способность шариков передавать значительные усилия используется изобретателями в процессах формообразования изделий. Их простота не вызывает сомнения. Судите сами. Чтобы выпрямить изогнутую проволоку, достаточно радиально установить стальные шарики, как это предлагают авторы а. с. 197492, и, воздействуя на них, протянуть проволоку через образовавшийся между шарами зазор. Еще один пример. Для формообразования заготовок из трубы по жесткой матрице группа авторов а. с. 1196080 предлагает использовать стальные шарики. Суть изобретения хорошо видна на фиг. 7.23. Простота обоих решений не вызывает сомнения.

Шаровая поверхность способна не только воспринимать механические нагрузки, но и «транспортировать» различные виды энергии.

Интересное явление можно наблюдать, когда токопроводный шарик находится между полюсами источника тока. Если напряженность электрического поля постоянна, то шарик покоится на середине расстояния между электродами. Изменения электрического поля вынуждают шарик совершать колебательное движение. Где же можно использовать в технике это явление?

Если шарик покрыть медно-никелевым сплавом, как это сделали авторы а. с. 353143, и поместить в полый цилиндр из неполярного диэлектрического материала, а затем закрыть торцы цилиндра шайбами-электродами, то получится самопишущее устройство — фиг. 7.24. В нижней шайбе-электроде делается отверстие чуть меньше диаметра шарика. Теперь, если на электроды подать электрический ток, шарик начинает колебаться в цилиндре. Меняя силу тока, можно регулировать процесс колебания. Достаточно протянуть бумажный лист под электродом с отверстием, как колеблющийся шарик на бумаге оставит четкий след.

Авторы другого а. с. 1155966, используя аналогичный принцип, предлагают измерять статическое электричество. Здесь шарик соединен со стрелкой-индикатором. По отклонению стрелки определяется приложенное электрическое поле.

И еще один пример «транспортирования» энергии. В гибких соединителях подвижных электроконтактов электрических установок энергия передается по эластичной трубе, заполненной жидким металлом. При перегибах такого кабеля довольно часто происходит разрыв электроцепи. Простое введение токопроводных шаров в трубу, как сделали авторы а. с. 752571, устраняет этот недостаток кабеля. А если сделать в шарах отверстие, то надежность такого соединителя повысится (фиг. 7.25). Шаровые токо- проводы можно увидеть в а. с. 337870, 555474, 1056492.

Многие авторы фантастических романов и книг о будущем, создавая свои межпланетные летательные аппараты и механизмы,

«используют» металлы с невиданной сверхпрочностью. Современным летательным аппаратам, например самолету, важна не столько прочность, сколько тепловая устойчивость. Обшивка крыла самолета несет всю нагрузку. Для жаропрочности авиационные инженеры предлагали внутреннюю полость крыла заполнять ребрами жесткости, сотами, металлической пеной...— казалось, перепробовали все. Все, кроме самого простого. Читатель уже догадался, что речь идет о шариках. Расчеты и эксперименты показали, что тонкостенные шарики, покрытые тугоплавким припоем,— идеальный конструктивный элемент для создания легкости, жесткости, жаропрочности крыла.

По а. с. 134988 шарики засыпают во внутреннюю полость обшивки. При нагреве припой, расплавляясь, сращивает шарики друг с другом и обшивкой, создавая сплошной монолит. Теплопроводность такого крыла очень мала, а прочность очень высока. Такая стенка из шариков преграждает путь жаре и холоду, повышает теплоизоляцию.

Если полость шара заполнить теплопроводным газом, то из теплоизолятора он становится теплопроводником, как это сделали авторы а. с. 1041856 в тепломассообменном аппарате.

Новый перспективный вариант теплоизоляции — микросферная изоляция — используется в криогенной технике, где проблема отвода тепла стоит очень остро. Для теплоизоляции используются полые стеклянные шарики диаметром от 15 до 150 мкм с толщиной стенки от 0,5 до 2 мкм, покрытые отражающей алюминиевой пленкой толщиной 0,5...1,5 мкм. Внутреннюю полость шариков заполняют под пониженным давлением газом, например, SO2.

В криостате по а. с. 1208399 теплоизоляция осуществляется шариками из вспененного полистирола. Возможны и другие варианты материалов. Оставим читателю дальнейшее развитие «транспортирования» энергии с помощью шаровых конструкций, тем более, что закон развития выявлен нами в вышеприведенных примерах. Многие из вас наблюдали, что прежде чем замесить тесто, домашняя хозяйка очищает муку от примесей, просеивая ее через сито. Если в муке много примесей, то ячейки сита быстро забиваются. Приходится останавливать просев и заниматься очисткой ячеек.

Примерно то же самое происходит при переработке полезных ископаемых в процессе сепарации — отделения ценных минералов. Главными инструментами, например, магнитного сепаратора, служащего для отделения из ископаемого сырья магнитных веществ, являются магнитная система и набор сит. Для более качественного отделения магнитных веществ, т. е. для выбора практически всего магнитного вещества, размер ячеек сит должен быть как

можно меньше, однако материал, проходящий через маленькие ячейки, быстро забивает сито. Увеличение размеров ячеек приводит к снижению качества сепарации, т. е. в отвалы вывозится порода, содержащая магнитные вещества. Налицо явное противоречие: для качественной сепарации сито должно иметь мелкую ячейку и не должно быть мелких ячеек, чтобы сито не забивалось породой.

Традиционный путь разрешения противоречия сводится к использованию сит с различными размерами ячеек, которые устанавливались последовательно, по ходу прохождения породы, от большего размера ячеек к меньшему. Однако забивка рабочей зоны магнитными частицами продолжала сдерживать повышение производительности труда. Более тридцати лет понадобилось изобретателям, чтобы найти путь к разрешению противоречий, которые привели к шаровым ситам.

В сепараторах по а. с. 544466, 580905, 889098 и другим авторы, используя прием «дробления-объединения», предлагают ячейки сит формировать из шаров, уложенных в несколько

рядов на решетках (фиг. 7.26). Решетки выполняются из немагнитного материала, чтобы не препятствовать прохождению магнитных включений, а шары — из магнитного материала, чтобы задерживать магнитные частицы. С помощью магнитной системы шары силами магнитного поля превращаются в монолитное объемное пористое тело. Материал, проходя сверху вниз через такое «сито», отмагничивается на поверхности шаров. При отключении магнитной системы за счет действия вибрационной установки шары, соударяясь друг о друга, размагничиваются, и магнитные частицы отделяются от них, проходя сквозь решета в приемный бункер. Процесс очистки можно усилить, используя сильный напор вбды или... После очищения система шаров с появлением магнитного поля опять превращается в «пористое тело», и процесс отделения магнитных включений повторяется.

Шаровые сита могут быть использованы для фильтрации жидкости (а. с. 506685, 1125413), для очищения газовых смесей от примесей (а. с. 1122331, 1232824), во всевозможных фильтрах. Как видите, такие фильтры просты и производительны, при этом обеспечивается самовосстановление фильтрующего органа. Выше мы перечислили множество интересных примеров с использованием шаровых конструкций. Однако чаще всего шаровая форма используется для обеспечения надежной фиксации или надежного крепления сопрягаемых деталей. Здесь можно увидеть использование как отдельных шаров, так и их групп. Как правило, чаще всего встречаются сочетания шара (шариков) с конструктивным элементом — канавкой. Кривизна и форма канавки приближается к шаровой форме и может иметь сферическую форму. Выбор в качестве элемента крепления такой фигуры не случаен.

Шар — это единственное геометрическое тело, точки поверхности которого способны равно воспринимать действия внешних сил любого направления ввиду малой площади контактирования, неся при этом высокую силовую нагрузку. Поясним этот вывод некоторыми примерами из патентного фонда.

Для крепления подземных горных выработок в штреках используют анкерные крепи, которые представляют собой грузо- несущие стержни, каким-то образом зафиксированные в шпуре (отверстие в горной породе). Традиционно анкерные крепи фиксируются с помощью породы, залитой с торца быстротвердеющим материалом. Как правило, такие крепи становятся разового пользования, так как извлечь «замурованный» в отверстии стержень очень трудно. Представьте, сколько потребуется «замуровать» стержней по мере продвижения в горной выработке?

Замок из шаров по а. с. 826000 не только исключает эти недостатки, но и способствует быстрому извлечению и установлению крепи. Шары как бы заменяют породу и быстро твердеющий материал, соприкасаясь с усеченным конусом стержня (фиг. 7.27). Монтаж и демонтаж анкерной крепи намного сократится, если воспользоваться решением по а. с. 912951, в котором в качестве замка предлагается использовать сочетание шара с боковым сферическим пазом стержня (фиг. 7.28). При этом кривизна паза должна точно повторять кривизну сферы.

Быстросъемность особенно необходима в машиностроении, например, при смене режущего инструмента в патроне.обрабатывающего станка. И здесь на помощь могут прийти шариковые зажимы, они просты и надежны. По а. с. 921696 инструмент фиксируется в требуемое положение за счет заклинивания шариков между винтовой канавкой и обоймой (фиг. 7.29).

Шаровые фиксаторы успешно работают не только в сочетании

с канавкой, конусами и т. п., но и со своими собратьями. Например, простая фиксация подвижных звеньев машин и механизмов по а. с. 288325, 732594, 941711 осуществляется путем расклинивания центральным шаром группы шаров, которые соприкасаются с поверхностью закрепляемой детали (фиг. 7.30). Подобная схема расположения шаров по а. с. 548381 используется в качестве вращающегося центра деталей, подвергаемых токарной обработке (фиг. 7.31). По утверждению авторов, малая величина вылета и отсутствие проскальзывания у опорных шаров между собой и корпусом, в котором они расположены, повышает в целом жесткость конструкции.

Еще один пример из машиностроения. Для обработки тонкостенных цилиндрических деталей на обрабатывающих станках используются крепежные втулки, диаметр которых соответствует внутреннему диаметру обрабатываемой детали. Теперь представьте, какое количество крепежных втулок необходимо, если детали имеют различный внутренний диаметр. При таком подходе для каждой детали нужна своя втулка. А если различия по диаметру значительны? Это выливается в...

Изобретатель В. М. Пестунов успешно решил эту проблему, использовав для фиксации подобных деталей все те же шарики. Разжимные оправки по а. с. 704730, 884882, 908548 представляют собой обойму с чередующейся группой радиально расположенных

шариков либо шариков с лыской, повторяющей профиль цилиндра, расклинивающихся центрально-установленными шарами (фиг. 7.32). Диаметр такой оправки можно изменять путем сжатия (разжатия) центральных шаров. Эффективность такой оправки очевидна.

Анализируя патентный фонд по шаровой фиксации, изобретатель И. П. Горчаков, воспользовавшись аналогом а. с. 826000, с успехом решил проблему фиксации выводов электрорадиоэлементов (резисторов, конденсаторов, транзисторов и др.) на печатной плате перед ее пайкой. По а. с. 884180, выданному автору, выводы фиксируются перед пайкой шариками. Диаметр шариков выбирается таким, чтобы обеспечить качественную пайку и не препятствовать установке элементов на плате (фиг. 7.33). После пайки шарики легко удаляются с платы и используются вторично.

А возможно ли крепление шариками элементов меньшего диаметра, скажем в несколько микрон? И такое возможно.

alt="" /> Для передачи информации в волоконно-оптических кабелях используются тонкие стеклянные волокна. Диаметр сердцевины такого волокна составляет 5... 10 мкм. Осуществить торцевое соединение таких волокон — труднейшая задача. Для этих целей используются котировочные устройства, в которых основными элементами являются цанговые зажимы, биконические нарезные муфты и т. п. Для снижения потерь световой энергии в соединении необходимо выдержать осевое рассогласование волокон 0,75... 1 мкм. Волокно — это тот же стержень, только меньшего размера, который перед юстировкой необходимо каким-то образом зафиксировать в капилляре.

Из сказанного выше можно сделать вывод. Если вам необходимо обеспечить быструю и надежную фиксацию, воспользуйтесь шаровыми конструкциями. Простота и эффективность принятого вами решения будет обеспечена!

При этом не следует забывать, что для более эффективного использования шаровых конструкций, кроме механических полей воздействия, а приведенные примеры отражают именно данную область воздействия, можно с успехом воспользоваться и другими полевыми ресурсами: электрическим, магнитным, электромагнитным, ультразвуком и тепловым полями. Более широкие возможности использования шаровых фиксаторов открываются в случае изготовления шаров из современных перспективных материалов, таких, например, как нитинол, который обладает эффектом памяти формы. О достоинствах подобных шаров мы уже упоминали. Границы фантазии здесь неиссякаемы. Не следует сбрасывать со счетов и сочетания шаровых форм с другими геометрическими формами. В этом разделе нам хотелось привести некоторые примеры подобных сочетаний. Как увидит читатель, свойства шара, проявляющиеся в сочетании с физэффектами и геомструктурами, дают простые и оригинальные технические решения.

Передвижным механизмам для повышения устойчивости необходимо иметь центр тяжести как можно ниже, особенно при работе на больших уклонах и по бездорожью. С другой стороны, низкий клиренс ухудшает проходимость по ухабистой дороге, может происходить задевание за выступы почвы.

Японец Цучия Шазо запатентовал в США остроумную идею, позволяющую разрушить это противоречие. Он предложил насыпать в камеры ходовых колес стальные шарики. При движении шарики перекатываются по внутренней поверхности колесной камеры, оставаясь все время внизу, и снижают тем самым общий центр тяжести (патент США № 3716093).

Измерение температуры у грудного ребенка сулит массу трудностей. Недавно для упрощения процесса измерения Изобретена соска-термометр. Прозрачная соска заполнена глицерином, внутри нее плавает шарик из холестерина (жидкокристаллическое вещество, чувствительное к изменению температуры). Если температура ребенка превысит 37°С, шарик из зеленого становится черным.

В ФРГ выдан патент 2308701 на способ изготовления радиолокационного отражателя. Рефлектор его состоит из трех перпендикулярных одна другой, имеющих форму круга, плоских отражающих металлических поверхностей. Промежуточное пространство между ними заполнено жестким пенопластом. Способ отличается тем, что шар из жесткого пенопласта делится на восемь треугольников Эйлера (см. фиг. 7.5). Плоские грани этих треуголь

ников покрываются отражающим металлическим покрытием, и из них вновь составляется шар. По утверждению авторов, такой отражатель обладает широким диапазоном излучения.

В процессе исследований на моделях должно быть соблюдено главное условие — многоплановое подобие модели оригиналу. Реализация такого условия — это гарантия получения реальных и точных сведений. Каким образом смоделировать поверхность земного покрова и морскую поверхность? Шарики различного диаметра по а. с. 1046647, 1130758 успешно моделируют почву. А если шарики покрыть черным лаком, предварительно скрепив их эластичным клеем, как это предложено по а. с. 871181, то можно получить точную оптическую модель морской зыби и взволнованного моря, приблизив модель к реальным условиям.

Суровые арктические условия накладывают определенный отпечаток на архитектуру сооружений. Особенно опасен процесс обледенения. От него страдают не только сооружения, но и люди, которые тратят массу усилий на ликвидацию последствий подобных природных явлений. Группе изобретателей, столкнувшейся с решением проблемы защиты сооружений от обледенения, пришла в голову «гениальная» идея, за которую они получили а. с. 1076519. Если крышу сделать в виде полого перфорированного шарового сегмента, то комфорт в арктических условиях будет обеспечен. Образовавшаяся на поверхности такой крыши корка льда покрывается мелкими трещинами и сама «сбрасывается» вниз.

Совершенствуя космическую технику, нельзя забывать о быте и удобстве обитания космонавтов. Украсить интерьер станции и возместить расход пищевых продуктов могут растения. Но в чем вырастить их в невесомости? Авторы а. с. 420288 предлагают для этих целей контейнер в виде шара, заполненного капилляропористым материалом с питательным раствором. Такой контейнер при любом положении в пространстве обеспечит нормальный рост растению. Эксперименты в космосе подтвердили правильность найденного решения.

Если раньше нейтроны были предметом изучения физиков- теоретиков, то теперь они широко используются в промышленности, например, при химическом анализе, при определении структуры кристаллов, магнитных сплавов, полимеров и т. д. Однако нейтронные установки небезопасны, поэтому их диагностике уделяется огромное внимание. В переносном измерителе доз нейтронных излучений фирмы «Тесла» (ЧССР) детектор в виде шара уверенно находит источник и мгновенно анализирует поглощенные дозы в широком диапазоне — от самых малых до солидных. Измерения позволяют специалисту легко определить места установки защитных экранов.

Сегодня в нашей стране строятся десятки, сотни, даже тысячи трубопроводов. Трубопроводы — это дешевый вид транспорта. По ним транспортируются жидкости, газ и всевозможные твердые продукты. Например, в сферовидных ковшах по а. с. 1068656 можно транспортировать жидкие продукты. Однако здесь, как и на любом виде транспорта, не исключены аварийные ситуации: трещина, разрыв нитки трубопровода... и ценное сырье не доходит до потребителя. Сведение потерь к минимуму в подобных случаях достигается только мгновенным перекрытием аварийного участка. Использование традиционных заслонок, профилированных вставок малоэффективно, так как для их установки требуется время, а это приводит к потере сырья. Идеальной заслонкой может служить шар, установленный по а. с. 589495 (фиг. 7.36). При аварии за счет перепада давления шток выталкивает шар-пробку, и поток жидкости прижимает его к горловине, надежно перекрывая аварийный участок. В нормальных условиях сила, выталкивающая поршень со штоком, меньше веса шара, поэтому при устранении неисправности шар возвращается в прежнее положение, не мешая проходу жидкости.

alt="" /> О

Транспортирование продукции по трубопроводам в большой степени зависит от состояния внутренних поверхностей труб. В процессе эксплуатации необходимо постоянно поддерживать их чистоту. Для этой цели можно воспользоваться шаровыми очистителями, например, как по а. с. 278318 в виде полого шара с дисковыми резцами на поверхности или в виде полого шара с металлическими метелками (а. с. 315896), или в виде шарового металлического сетчатого ерша (а. с. 309753). Налицо продуктивное сочетание шаровых и щеточных конструкций. Подобными очистителями можно очищать трубы различного диаметра без снижения качества очистки.

Оригинальную заслонку можно увидеть в а. с. 1193358. Здесь ее конфигурация меняется благодаря сферическим сегментам, выполненным из материала с эффектом памяти формы. Установленные в несколько рядов со смещением лепестки сегментов от воздействия электрического тока, изменяя свою конфигурацию, образуют регулируемое сопло.

Авторы а. с. 1134251 утверждают, что поверхность листа всегда будет чистой, если он будет иметь рифление в виде сферических вогнутых поверхностей.

Как видите, география применения шаровых конструкций очень обширна. Мы надеемся, что вы пополните ее новыми оригинальными примерами.

Завершая краткий обзор, можно отметить, что шар — технологически отработанная конструктивная форма. На подшипниковых заводах страны шарики изготовляются диаметром от 0,68 до 152,4 мм из нержавеющей и кремнемолибденовой сталей, латуни и бериллиевой бронзы по четырем группам и девяти классам степени точности. В основном они предназначены для изготовления шарикоподшипников, однако могут поставляться и по индивидуальным заказам [4].

Заинтересованный читатель может более подробно ознакомиться с технологией изготовления различных шаров, просмотрев описания изобретений по следующим классам Международной классификации изобретений: Н 01 21/60, 21/88, 21/603; Н 05 К 3/24, 3/30, 3/32, 3/36; В 29 К 27/12; В 29 31/00; 01 В 7/28, 3/14.

Следует заметить, что идеальная шаровая форма определяется силами поверхностного натяжения, которые исчезают при невесомости или в процессе шарового вращения.

В эксперименте «Сфера», проведенном на борту космической станции «Салют-5», с помощью электрического расплава были получены идеальные по форме шарики из сплава Вуда.

По патенту Франции № 1551368 шарики предлагается изготавливать, используя центробежную силу (фиг. 7.37). В расплавленный металл опускают вращающийся полый шпиндель. Центробежные силы «гонят» металл по наклонным каналам и выбрасывают его наружу в виде тонких струек, которые тут же распадаются на сферические капли и застывают. Меняя глубину погружения и скорость вращения шпинделя, а также сечение наклонных каналов, можно получить шарики различных размеров.

Полый шар можно изготовить из заготовки, раскроенной по а. с. 1156919 (фиг. 7.38).

Архимед. Сочинения. М.: Физматгиз, 1962. Д. Гильберт, С. Ко н-Ф о с с е н. Наглядная геометрия. М.: Наука,

1981. М. Берже. Геометрия: В 2 т. М.: Мир, 1984. Подшипники качения и свободные детали. Каталог. М., 1983.