Моделирование

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 расчетов.

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 создается модель этого гидроузла в уменьшенном виде. На модели есть и река с теми очертаниями берегов, которые имеет настоящая река, и с определенными глубинами (в выбранном масштабе), и вода течет, 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. Все это позволяет еще до постройки настоящей плотины уточнить инженерные расчеты, и в случае необходимости внести изменения в конструкцию плотины.

Авиационные конструкторы на моделях изучают поведение будущих самолетов в различных режимах полета. Для этого модель помещают в аэродинамическую трубу на специальные весы. Обдувая модель потоком воздуха, создают условия, максимально приближенные к действительности.

Специальными приемами можно сделать видимым поток воздуха, обтекающего фюзеляж, крылья и хвостовое оперение самолета. На модели нетрудно сделать любые конструктивные изменения и изучить, как они скажутся на поведении модели.

Таким образом, процесс конструирования не заканчивается постройкой модели. Испытание модели позволяет увидеть все ее сильные и слабые стороны и дает новый толчок конструкторской мысли.

На моделях же осваивается наука и искусство конструирования.

Вы построили модель пружинной пушки и провели первое испытание.

Можно ожидать, что первое испытание было не совсем удачным. Все было сделано по расчетам, а снаряд не долетел до отметки на заданном расстоянии. Это наиболее вероятный случай. Редко, когда только что построенная модель сразу начинает хорошо работать. И в большой технике чаще всего первое испытание означает начало нового этапа в создании нового устройства доводки и доработки конструкции. Чем сложнее устройство, тем труднее заблаговременно учесть все то, что может повлиять на его работу.

В нашей простой модели уже в процессе расчета 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 движению снаряда со стороны воздуха в расчет не принималось. Но воздух оказывает сопротивление движущимся телам. И чем выше скорость движения, тем больше сила сопротивления.

При расчете пружины предполагалось, что она будет изготовлена из определенной марки пружинной стали. А в школьной мастерской нашлась проволока, из которой можно сделать отличную пружину, но допустимое напряжение на скручивание и модуль скольжения у этой проволоки не такие, какие принимались в расчет.

Жесткость пружины существенно зависит от технологии ее изготовления.

Неравномерное или недостаточное натяжение проволоки в процессе навивки пружины может существенно изменить ее упругие свойства. Недостаточное сжатие пружины перед выстрелом тоже приведет к изменению дальности полёта снаряда. Маленькие неточности и ошибки, складываясь, могут дать существенное расхождение расчета с результатом испытания. Поэтому на заводах существуют отделы технического контроля, которые проверяют точность и качество изготовления каждой детали. А каждая сложная машина, 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 ее главной характеристики — начальной скорости снаряда. Для этого пушку следует установить вертикально и произвести выстрел вверх. Высоту максимального подъема снаряда можно легко измерить. Зная закономерность движения тел, брошенных вертикально вверх, нетрудно подсчитать начальную скорость бросания по известной формуле.

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 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.