Эта статья - рассказ об одном из видных научных центров нашей страны. Институте проблем механики АН СССР.
Богат и многозначен смысл слов «проблемы механики». Движение планет, и искусственного спутника Земли, вращение ротора турбины и пароходного винта, взрыв, создающий каналы, и разрушение материала лазерным лучом - все это и многое другое изучается механикой, основаны на ее законах.
Широк круг тем, над которыми работают в отделах, и лабораториях института. Об исследованиях, которые ведутся здесь, рас сказывают директор института. Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственных премий академик А. Ю. Ишлинский, научные сотрудники института - лауреат Ленинской премии, доктор физико-математических наук, профессор Ю. П. Райзер, кандидаты технических наук В. Н. Калашников, и М. И. Якушин, кандидаты физико-математических наук Н. П. Новиков и Н. Ф. Пилипецкий, младший научный сотрудник А. С. Братусь.
Беседу ведет специальный корреспондент журнала «Наука, и жизнь». Е. П. Москатов.
ЛАБОРАТОРИЯ МЕХАНИКИ АНОМАЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ
«Идеал», «абсолют» - слова весьма употребительные в науке. Идеальный газ, подчиняющийся уравнению Клапейрона-Менделеева, абсолютно черное тело, поглощающее весь без остатка падающий на него свет, абсолютно твердое тело. В природе таких объектов, конечно, нет, как не бывает людей с абсолютно нормальным сердцем. Среди свойств каждой жидкости наверняка есть, какие-то особенные, присущие только ей, какие-то свои «аномалии». Так, что, прочитав название лаборатории, я понял, что здесь изучается поведение реальных жидкостей.
- И все-таки, какие свойства жидкости, определяющие ее течение, считаются нормальными?
С этого вопроса я начал беседу с начальником лаборатории Виталием Николаевичем Калашниковым.
- «Нормой» в данном случае, - ответил Виталий Николаевич, - считаются такие течения вязкой жидкости, которые подчиняются законам, установленным еще Ньютоном. Об этом - несколько позже. А сейчас мне хотелось бы отметить, что в нашей лаборатории, естественно, изучаются не все «отклонения от нормы». Объекты наших исследований - растворы полимеров, или, как иногда говорят, полимерные жидкости.
Чем они отличаются от обычных?
Достаточно, скажем, растворить в воде одну миллионную часть специального полимера, и свойства, определяющие течение жидкости, неожиданно становятся аномальными. В растворе с добавкой полимера по являются крупные надмолекулярные образования, некие агрегаты. Они состоят из длинных макромолекул полимера, и молекул растворителя. Эти агрегаты, достигающие подчас миллиметровых размеров, имеют двойственную механическую природу. Механики называют подобную двойственность вязкоупругим поведением. Если происходит, какой-либо медленный процесс, агрегаты почти ничем себя не проявляют - они вязки и податливы, как, и основная жидкость, так, что ее ламинарное течение подчиняется тем же законам. Но, как только скорость потока возрастает и наступает режим турбулентного - хаотического - движения жидкости, агрегаты начинают вести себя, как жесткие, упругие частицы. Благодаря этому высокочастотные турбулентные пульсации в потоке несколько успокаиваются, и, как следствие этого, снижается сопротивление турбулентного трения.
Как я уже говорил, полимера в растворителе очень мало, миллионные доли, но на построение агрегатов идет довольно значительная часть объема смеси. Макромолекулы полимера служат своеобразными центрами, которые удерживают вокруг себя множество молекул жидкости. Агрегаты, по сути дела, состоят в основном из растворителя. Это обстоятельство чрезвычайно затрудняет изучение эффекта, но создает хорошие предпосылки для его использования в практике.
Уже сейчас можно было бы применить полимерные добавки для увеличения пропускной способности нефтепроводов. Правда, тут есть несколько «но».
Далеко не каждый полимер пригоден для создания крупных агрегатов, способных изменить свойства жидкости. Кроме того, полимерные растворы нестойки. Иначе говоря, пока не удается создать такой раствор, который обладал бы повышенной «скоротечностью» долгое время. Это, и понятно ведь, двигаясь по трубе, агрегаты от соприкосновения с ее стенками и под действием турбулентных вихрей постепенно измельчаются. Делаясь все меньше, и меньше, они перестают влиять на турбулентность.
Как поступать в этих случаях? Можно предвидеть два пути. Либо время от времени добавлять новые порции полимера, либо на первых порах использовать растворы на коротких расстояниях, скажем, при перекачке нефти в танкеры и обратно.
В США подобный полимер добавляют к огнетушащей жидкости. Это позволяет послать струю вдвое дальше при стандартном оборудовании пожарных машин.
Некоторые полимерные жидкости обладают еще одним интересным свойством. Одновременно со снижением турбулентного трения уменьшается, и теплопроводность раствора, что также найдет свое применение. Например, для поддержания давления в нефтеносных пластах и для более полного удаления высоковязкой нефти туда закачивают горячую воду. Добавка полимера даст двойной выигрыш с одной стороны, необходимое количество раствора можно подать на глубину существенно быстрее, с другой - он будет дольше хранить тепло, чем вода.
ЛАБОРАТОРИЯ МЕХАНИКИ ПЛАЗМЫ
Руководитель лаборатории, кандидат технических наук Михаил Иванович Якушин через минуту после нашего знакомства повел меня к плазмотрону.
Послышался тихий хлопок, похожий на легкий шлепок ладонями, и металлический шкаф с узкими оконцами осветился изнутри. Комнату заполнил мягкий шипящий звук и резкий свет, который пробивался сквозь смотровые оконца шкафа. Свет был нестерпимо ярким, словно внутри вдруг оказался осколок настоящего Солнца. Впрочем, это не удивительно ведь температура поверхности нашего светила - около шести тысяч градусов, а тут - десять тысяч!
(Несмотря на столь высокую температуру плазмы - десять тысяч градусов, - ее зовут низкотемпературной - в отличие от высокотемпературной, в сотни раз более горячей).
Я был от плазмы примерно в метре, но особой жары не ощущал. Наверное, потому, что любовался ею всего минуту-другую, да, и то сквозь густо-синие очки, плотно прикрывающие глаза. Однако на следующее утро я обнаружил, что. загорел. Позднее я узнал, что в спектре частот, излучаемых плазмой, много ультрафиолета.
- Создание плазмы не самоцель, - начал свой рассказ Михаил Иванович. - Она нужна, например, для испытаний разнообразных материалов металлов, полимеров.
С чем сравните вы образец, обдуваемый струей плазмы? С космическим кораблем? Или с метеоритом?
Метеориты, падавшие на Землю с незапамятных времен, в наши дни не случайно заинтересовали ученых и конструкторов космических кораблей. Исследователи, работавшие над проблемой «входа в атмосферу», хотели узнать секрет метеоритов почему они нередко остаются целыми, не сгорают, не испаряются, пробивая толщу земной атмосферы с огромными скоростями, измеряемыми десятками километров в секунду?
Перед метеоритом, входящим в атмосферу с громадной скоростью, образуется мощная ударная волна. Температура газа между ее фронтом, и лобовой частью метеорита достигает многих тысяч градусов. В этих условиях молекулы газа ионизируются, разбиваются на ионы и электроны. Газ переходит в состояние низкотемпературной плазмы, и интенсивно светится. А на поверхности метеорита создается тонкая жидкая пленка расплава и газообразный пограничный слой продуктов разрушения. Требуя для своего образования чрезвычайно высокого нагрева, они-то, и не пропускают жар в середину, к центру «небесного камня»
Это подтверждалось и наблюдениями. Некоторые метеориты ученым удавалось исследовать сразу же после падения. Расколов такой - еще горячий - метеорит, можно было увидеть внутри изморозь космического холода.
А как же те метеориты, которые все-таки сгорают?
Чтобы обтекание происходило описанным образом, метеорит должен иметь определенные размеры, и форму; определенное значение имеют его химический состав и структура, скорость, и угол входа в атмосферу, а они не всегда благоприятны. Но создатели космических кораблей властны здесь в своем выборе, и разгаданный секрет метеоритов поможет в решении космических проблем.
ЛАБОРАТОРИЯ МЕХАНИКИ ПОЛИМЕРОВ
Совсем еще недавно никто, кроме ученых, ничего о полимерах, и не слышал, а теперь.
Но вот, что примечательно «напекли» полимеров тьму, самых различных назначений и качеств, однако, и сейчас далеко еще не все известно о многих их свойствах, особенно в критических ситуациях в жару, холод, при сильных нагрузках.
Об исследованиях в этой области, о поисках связей между структурой полимеров и их прочностью рассказал руководитель лаборатории, кандидат физико-математических наук Николай Петрович Новиков.
- У каждого полимера, как, и у всякого материала вообще, своя микроструктура. Но все разнообразие структур на первый взгляд можно разделить надвое либо молекулы полимера укладываются в определенном порядке, так, что образуется кристаллическая решетка, либо хаотично, и тогда полимер имеет аморфное строение.
«Упорядоченные» полимеры, как правило, разделены на агрегаты (их еще называют надмолекулярными структурами). От того, как они связаны друг с другом, и зависят механические свойство материала.
В свое время академик В. А. Каргин высказал предположение, что упорядоченная структура может существовать и в аморфных полимерах, в частности, в таком широко известном, как оргстекло.
Мы решили это выяснить. Решили проверить, как структура аморфного полимера связана с его прочностными свойствами. Полюбопытствовали, и о том, как влияют на свойства материала разные воздействия тепловые, световые (лазерные лучи), механические.
Начали с того, что разработали новую методику обнаружения микроструктур в оргстекле. Потом приступили к экспериментам.
Приступая к опытам по облучению полимера, мы рассуждали примерно так если в оргстекле излучение будет поглощаться, то энергия, которая накопится где-то в материале, так или иначе себя проявит.
Покуда мощность излучения была мала, видимых изменений не наступало. Но, когда она достигала достаточной величины, материал разрушался.
По нашим предположениям, в первую очередь должны рваться молекулы, находящиеся в напряженном состоянии. А они всегда расположены по границам любых структурных образований, так сказать, в местах наибольшего стеснения.
Исследования образцов, облученных лазерными импульсами, подтвердили, что в оргстекле и других аморфных полимерах есть надмолекулярные структуры. Догадка академика В. А. Каргина оказалась верной.
Выявились любопытные особенности таких структур. Например, связь между агрегатами оргстекла оказалась слабее (примерно в десять раз), чем прочность молекул. Вот почему разрушение полимера наблюдалось по границам соприкасающихся агрегатов еще до того, как разваливались молекулы.
Молекулы могут разваливаться не только от тепла, но, и от света, - в конце концов безразлично, какой формой энергии они будут «перенасыщаться». Длина волны лазерного излучения такова, что при слабых интенсивностях ненапряженные молекулы не должны поглощать эти волны. Но тем не менее разрушение внутри оргстекла наступает, появляются трещины.
Агрегатная структура вещества и здесь играет определяющую роль. Во всяком случае, так считаем мы. В самом деле, чем меньше агрегаты, тем чаще располагаются трещинки в полимере.
Итак, опыты показали, что поглощение энергии происходит на границе структурных образований - агрегатов. Здесь же возникают, и трещины. Можно даже заранее предсказать, что, скажем, при растяжении образца, появится больше трещин. И чем сильнее приложенное напряжение, тем больше будет очагов разрушений. И это понятно ведь при нагрузке связи между агрегатами ослабевают.
(К вопросу о том, где в полимере происходит поглощение лазерного излучения, мы еще вернемся в конце следующей главы.)
ЛАБОРАТОРИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНЫХ ЛУЧЕЙ
Лазеры уже давно вышли из стен научных лабораторий. Они работают на заводах, в больницах, на линиях связи. А в руках ученого тонкий, интенсивный луч лазера стал важным инструментом исследования с помощью волшебного луча проводятся сложнейшие эксперименты. Так, механики получили возможность нагружать материал изнутри его объема не при помощи механического давления, а путем того теплового, и светового воздействия, которое оказывают на вещество лучи лазера.
О некоторых опытах с оптически прозрачными полимерами в этой лаборатории мне рассказал ее заведующий - кандидат физико-математических наук Николай Федорович Пилипецкий.
- Взгляните на фотографии, запечатлевшие процесс объемного разрушения оргстекла. Сначала внутри образца возникает ярко светящаяся точка; она быстро растет, и вскоре материал разрушается, приобретая характерную трещиноватую структуру.
В этом, казалось бы, простом явлении существует много противоречий.
Чтобы пояснить, в чем тут «загвоздка», приведу такой пример. Обыкновенное оконное стекло, если его нечаянно не разбить, может прожить десятки, а то и сотни лет, почти не меняя своих свойств. И уж, во всяком случае, совершенно «хладнокровно» выдерживать любой свет, идущий от Солнца или светильников. Ведь стекло для их лучей прозрачно.
А что произойдет с ним, если его подставить под лазерный луч? Вроде бы ничего не должно случиться, так, как лазер, рубиновый, например, излучает один из компонентов солнечного спектра. Однако опыт с облучением приводит к взрыву - стекло разлетается на кусочки.
В стекле, прозрачном для относительно слабых солнечных лучей, по законам классической оптики, поглощающем из их энергии лишь проценты, происходит значительное поглощение энергии мощного лазерного излучения (50 процентов).
Но, как это происходит? Если предположить вещество абсолютно однородным, разрушающему воздействию просто негде будет проявиться - оно не сможет предпочесть один участок своего приложения другому.
Напрашивается вывод разрушения начинаются на неких неоднородностях, на структурных дефектах вещества. В частности, в полимерах, на наш взгляд, таковыми являются всевозможные примеси.
Особенно убедителен опыт, который проделали ленинградские ученые. В испытуемый образец заранее добавили строго отмеренное количество мельчайших пылинок. После лазерного облучения оказалось, что максимальное число очагов разрушений согласуется с числом внесенных микропримесей.
Непосредственными наблюдениями было выяснено, и другое трещины в оргстекле образовывались на отдельных видимых в микроскоп включениях (их размер около 1 микрона).
Теперь еще один взгляд на фотографии. Процесс разрушения условно можно разбить на три этапа. Первый - возникновение очага непрозрачности, второй - разогрев, и разложение вещества в зоне очага, и третий - взрыв, разрушение материала, окружающего очаг.
Мы поняли, как в полимере рождаются трещины. Но, как развиваются тепловые очаги, пока еще никто не знает. Есть мнение, что от термонапряжений возникает трещина, которая начинает бурно поглощать энергию излучения.
Лично я склонен думать, что вначале появляется тепловой очаг с сильным изменением свойств материала размягчением, и разложением. И только лишь потом продукты разложения разрывают материал. Это не только догадки. На примере органического стекла в нашей лаборатории обнаружены так называемые зародышевые трещины. Они возникают вследствие выхода газа из объемных перегретых очагов. Далее трещины продолжают скачкообразно расти за счет прямого поглощения излучения (см. фото).
В какой степени такая схема приложима к неорганическим стеклам? Здесь требуются дополнительные эксперименты. Ведь конечная цель наших исследований - упрочнение материала. Вот почему так необходимо изучение процессов, происходящих при объемных разрушениях.
Итак, одна, и та же проблема - причины поглощения лазерного излучения прозрачными полимерами - объясняется в двух лабораториях по-разному.
Кто прав? И где в основном происходит поглощение энергии? На границах надмолекулярных структур - агрегатов или в структурных дефектах - главным образом в примесях?
Н. Новиков, сторонник первой гипотезы, говорит, что фотографии срезов полимеров, разрушенных лазерным лучом, ясно указывают на то, что при растягивании образца количество трещин увеличивается. И все они находятся на границах между агрегатами.
Н. Пилипецкий отвечает так фотографии срезов относятся к пленкам или тонким пластинкам. Возможно, что для пленок такие выводы, и справедливы. Ведь там происходит весьма сложный процесс тут, и взаимодействие с воздухом, и поверхностные эффекты, и тому подобные факторы. Внутри же объема эти посторонние факторы отсутствуют, там, по-видимому, действует другой эффект.
Н. Новиков приводит такой пример если взять, скажем, брусок полимера, и равномерно его растягивать, увеличится ли в нем количество примесей? Нет! Но при воздействии на такой напряженный материал лазерным излучением очагов разрушений становится гораздо больше. С точки зрения структурных образований это легко объясняется. В напряженном материале связь между многими агрегатами ослабевает. И чем сильнее напряжение, тем больше участков разрушений. При чем же здесь примеси?
Н. Пилипецкий возражает число микропор, то есть тех самых границ между агрегатами, в одном кубическом сантиметре полимера достигает примерно 10й. Но максимальное число очагов разрушений, замеренных при весьма сильных растяжениях, - всего 10^8, то есть в миллион раз меньше!
Спор не окончен. Но тем притягательнее поиски решения проблемы.
ОТДЕЛ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ
Здесь в отличие от многих других комнат института нет ни стендов с измерительной аппаратурой, ни хитроумных экспериментальных установок. Скромные письменные столы, на стенах школьные доски с неразлучными мелками, и тряпками.
Отделом руководит доктор физико-математических наук Феликс Леонидович Черноусько. Меня встретил здесь сотрудник лаборатории Александр Сергеевич Братусь.
- Представьте, - начал он, - что вы водитель экипажа, управляемого по телевидению. Перед вами экран, на котором видна часть местности, притом под таким углом зрения, как если бы вы действительно находились там, в самой машине. Под руками у вас пульт управления. Задача провести экипаж вон к тому кратеру, который виднеется метрах в ста на северо-западе.
Вам все ясно? Или есть вопросы?
Если вопросов нет, то остается только посочувствовать. Приведись вам сдавать зачеты на право вождения, вы бы провалились. Потому, что необходимо было поинтересоваться, и другими требованиями-критериями, которые, собственно, и определяют маршрут. В самом деле, если главным критерием будет минимальный расход энергии, то необходим один режим движения, а если основное требование - наикратчайший срок достижения цели, то режим будет совсем другим.
Обратите внимание движение экипажа описывается множеством различных функций, зависящих от времени, - здесь, и отклонение колес, и обороты электродвигателей, и многое другое. А поиск оптимального вида всех названных функций в совокупности диктовался минимизацией одной-единственной величины (времени, расхода энергии) - одного числа, зависящего от этих функций, и в напоминание об этой зависимости называемого функционалом.
Исследование, и решение подобных задач на минимум составляет предмет важного раздела классической математики - вариационного исчисления, и его современного продолжения - теории оптимального управления.
Впрочем, не только в теории управления, но в различных разделах гидродинамики, и теории упругости, электростатики, и оптики подобный подход позволяет эффективно строить решения сложных задач Jno математическому описанию задачи строится функционал; функции, доставляющие ему минимум, и представляют собой решение задачи.
Минимизация функционала сама по себе зачастую является сложной математической проблемой. Чтобы решить ее, приходится подбирать удобные для данной задачи методы минимизации.
В 1965 году Ф. Л. Черноусько предложил свой способ численной минимизации функционалов. Способ получил название метода локальных вариаций. С его помощью на ЭВМ удается решать не только задачи по оптимизации траекторий, но, и множество других расчет фундаментов, определение напряжений в материале при штамповке, движение вязкопластических сред, равновесие жидкости под действием сил тяжести, и поверхностного натяжения, и т. д.
Метод полностью стандартизирован. В институте имеется библиотека готовых программ на «машинном языке». АЛГОЛ-60.
ЛАБОРАТОРИЯ УДАРНЫХ ВОЛН
Ею руководит кандидат технических наук Геннадий Иванович Козлов. А познакомил меня с наиболее важной, и интересной темой, разрабатываемой здесь, лауреат Ленинской премии, доктор физико-математических наук Юрий Петрович Райзер, глава отдела, куда наряду с лабораториями механики плазмы, и механического действия лазерных лучей входит, и лаборатория ударных волн.
Речь пойдет о создании так называемой оптической плазмы.
Существует несколько основных способов получения плотной плазмы - дуговые плазмотроны, высокочастотные, в которых плазма возбуждается ВЧ-генератором (как в лаборатории механики плазмы), сверхвысокочастотные, где возбудитель - генератор электромагнитных волн сантиметрового диапазона (именно с его помощью академик П. Л. Капица, и получил свой известный плазменный шнур).
- Что же заставило вас искать новые методы? - спросил я у профессора Райзера.
- Все перечисленные способы, - ответил Юрий Петрович, - требуют, каких-то специальных устройств для подвода электромагнитной энергии к плазме. При дуговом - это электроды, при высокочастотном - катушка индуктора, а при сверхвысокочастотном - волновод или резонатор. В этом смысле использование световой энергии для непрерывного поддержания плазмы более свободно от ограничений. Луч лазера, несущий энергию, в принципе можно направить, и сфокусировать в любом месте свободного пространства. Зажечь в воздухе плазму лазерным лучом - эта заманчивая идея возникла у нас года три назад.
Но, как осуществить ее?
Огромную мощность дают импульсные лазеры. С их помощью, например, еще лет шесть назад была получена плазма с температурой примерно в миллион градусов. Но она существует лишь мгновение, а это для задуманного не годилось.
Чтобы плазма горела длительное время, необходим лазер, работающий в непрерывном режиме. Из таких лазеров наиболее мощным является газовый на углекислом газе. Поэтому на него, и следовало возлагать надежды. Но не потребуется ли для достижения поставленной цели фантастически большая мощность газового лазера, недоступная при современном уровне техники?
Была построена теория явления, и сделаны оценки необходимой мощности. Оказалось, что для создания непрерывно горящего оптического разряда в атмосферном воздухе требуется мощность газового лазера порядка нескольких киловатт. Эта величина, конечно, весьма внушительна, но отнюдь не фантастична. Еще меньшая мощность, как показало исследование физических особенностей явления, требуется для зажигания разряда в газах при повышенных давлениях.
Объясняется это тем, что для стационарного существования плазмы необходимо, чтобы к ней подводилось извне столько же энергии, сколько уходит из нее в результате теплоотдачи. Но вынос энергии теплопроводностью слабо зависит от давления, тогда, как доля поглощающейся в плазме световой энергии существенно возрастает при повышении плотности газа (растущей с ростом давления). Поэтому того же самого тепловыделения при высоком давлении можно добиться, располагая меньшей мощностью светового луча.
Эти соображения, и были положены в основу экспериментальной работы, которая проводилась в лаборатории ударных волн ее руководителем кандидатом технических наук Геннадием Ивановичем Козловым, кандидатом физико-математических наук Н. А. Генераловым, молодыми научными сотрудниками В. П. Зимаковым, В. А. Масюковым, А. Э. Абалиевым.
Опыт удался. Был получен непрерывно горящий оптический разряд в ксеноне под давлением в несколько атмосфер при сравнительно небольшой мощности лазера - всего 150 ватт.
В этом успехе большая заслуга всего коллектива лаборатории. Ведь работа была уникальной. Она потребовала много творческой изобретательности и высокого экспериментаторского мастерства.
Позже в лаборатории создали более мощную установку, которую можно видеть сегодня. В ней плазма горит во многих газах даже при атмосферном давлении, а при повышенном - в любых.
Важной характеристикой плазмы является ее температура, которая в основном, и определяет яркость свечения. Оптический способ возбуждения позволяет получать при большой плотности и длительном существовании плазмы более высокую температуру, чем при использовании других способов. К примеру, температура плотной аргоновой плазмы, полученной в лаборатории, - свыше 20 тысяч градусов, тогда, как в дуговых плазмотронах, как правило, получить плотную чистую плазму с температурой более 10 тысяч градусов не удается.
В лаборатории была получена плазма, и в обычном воздухе, правда, пока еще при давлении, чуть большем атмосферного. Осталось «совсем немного», чтобы образовать плазму прямо в комнате, в любом месте.
Оптическая плазма - явление новое и нуждается в тщательном исследовании. Один из главных вопросов здесь, какая же там, внутри плазмы, температура? Ведь надежное, и точное измерение столь высоких температур - большая проблема экспериментальной физики.
Оптическая плазма - это постоянный источник света высокой яркости, которого до сих пор не существовало. Теперь он есть.
Какова же дальнейшая судьба явления? Где оно может быть использовано? Сейчас еще трудно ответить исчерпывающе на эти вопросы, но предполагается, что со временем оно может найти применение и в различных физических исследованиях, и в технике.
Знакомство с институтом заканчивается. Я в кабинете академика А. Ю. Ишлинского.
- Рассказанное на этих страницах, - заключает Александр Юльевич, - дает неплохое представление о том, чем мы занимаемся.
Мне бы хотелось лишь особо подчеркнуть несколько принципов, которыми мы руководствовались при выборе тематики института.
Что определяет основной интерес большинства лабораторий института? Это - исследование пороговых, критических ситуаций, которые возникают в различных материалах и средах под воздействием механических нагрузок, излучения, ударных волн, и т.п. Казалось бы, что может дать изучение столь мимолетных явлений? Однако вспомните такие процессы, как, скажем, сварка или штамповка взрывом, - они уже давно применяются в промышленности. Или, к примеру, перемещение грунта направленным взрывом при прокладке каналов - здесь работают те самые «критические ситуации»
Знать заранее, каким законам подчиняются такие процессы, происходящие в веществе (будь то твердое тело, жидкость или газ), чрезвычайно важно. И не только ученым, но, и инженерам.
При критических нагрузках материалы ведут себя совсем иначе, чем в обычных условиях. Прежние представления, и нормы, таблицы и формулы здесь зачастую непригодны.
К примеру, совсем еще недавно конструкторы, и инженеры считали десятикратный запас прочности нормальным. И их можно понять. Делали они это не от «хорошей жизни», а потому, что не было точных данных о том, как будет вести себя та или иная деталь механизма при достижении порога прочности (или любого другого аналогичного параметра).
Но большой запас прочности - это чрезмерный расход материала. В настоящее время этот «планируемый» запас снизился приблизительно до двукратной величины. Иначе говоря, конструкции работают почти на пределе. Именно это обстоятельство, и заставило ученых начать широкие исследования в этой области.
Кроме того, мы делаем основную ставку на темы, которые требуют известного экспериментального исследования. Дело в том, что у нас в стране много разных вузов, где сосредоточены большие научные силы. Но, как правило, учебные заведения слабо оснащены солидным, и необходимым экспериментальным оборудованием. Зато чисто теоретические проблемы они могут решать (и решают) на самом высоком уровне. И нам незачем «отбивать у них хлеб»
Из-за того, что большинство исследуемых нами проблем находится на стыках наук, подчас бывает трудно сохранить «равновесие». Мы не боимся этого, зная, что рано или поздно равновесие будет восстановлено.
На первый взгляд может показаться, что некоторые темы, разрабатываемые в институте, далеки от механики. Это, конечно, неверно! Достаточно вспомнить историю развития нашей науки, которая все время обновлялась. Представление о ней нельзя составлять по проблемам, которые занимали механику лет двести назад, сто или даже пятьдесят. Положение постоянно меняется, обнаруживая неизменную основную тенденцию постепенное проникновение физики в механику. Возьмите, к примеру, вопросы молекулярной физики или термодинамические проблемы. Они уже давно стали чисто механическими задачами, и читаются в курсах механики. Или другой пример химические реакции, которые происходят при движении газа, и жидкости. Сегодня это стало неотъемлемой частью механики.
Другими словами, мы за самое широкое толкование слова «механика»
У нас ведутся широкие исследования по механике плазмы. Естественно, что в решении этой проблемы не обойтись без привлечения традиционно физических разделов науки. А вопросы распространения ударных волн с теми превращениями, которые происходят на фронте волны? Здесь существенную роль играют ионизация, рекомбинация и другие интересные явления, которыми сопровождается образование фронта. Прохождение лазерного луча через вещество, и тому подобные эффекты - где здесь физика, где механика?
И это относится ко всем нашим лабораториям. Например, аномальные жидкости. В чем там дело? Почему при мизерных добавках полимера существенно меняются их свойства? Отчего подавляются хаотические турбулентные пульсации? Точного объяснения пока нет, хотя уже возможно практическое применение наблюдаемых эффектов. Впрочем, и сама проблема турбулентности, несмотря на весьма солидные успехи в этой области, - все еще загадка. Вот почему нас интересует подход к этой проблеме с нового направления, со стороны полимерных жидкостей. Может быть, удастся приоткрыть завесу над этой тайной? Мы уже научились непосредственно влиять на турбулентность. А раз так, то, возможно, сможем, и понять, что же там является основным.
Многие сейчас занимаются исследованиями полимеров. Много разнообразных вопросов решается в различных лабораториях. Но главный среди них, как деформации полимера связаны с перестройкой надмолекулярных структур? Увы, точного ответа здесь тоже пока нет.
А это очень интересная область, но вместе с тем и весьма сложная. В самом деле, с одной стороны, на микромеханику, которая изучается методами физики твердого тела, непохоже. А с другой - это, и не макромеханика, которая исследуется обычными средствами механики сплошной среды.
Создается весьма своеобразная ситуация. Я бы назвал ее «белым пятном» в механике сплошных и дискретных тел.
При отборе тематики мы даем возможность развиваться, и математическим средствам механики - как чисто теоретическим, так и вычислительным. И, конечно, наши математики имеют свои темы. Мы не мешаем им, так, как считаем, что их исследования рано или поздно могут пригодиться, и нам. И можно уже назвать несколько работ, равноправными соавторами которых являются математики.
А мы сами. были, есть, и будем оставаться механиками.
