23.03.2012

Механика в строительстве вантовых мостов, виадуков и создании шагающих роботов

Механика является научной основой большинства, если не всех, областей техники: промышленности, строительства, транспорта - сухопутного, водного, воздушного, космического, техники сельскохозяйственного производства, военной техники.

Рассмотрим некоторые примеры в подтверждение сказанного, которые говорят о вторжении механики в области других наук и об успехе и чрезвычайной плодотворности такого вторжения.

Подвесные (более точное название в технике - «вантовые») мосты и перекрытия обладают рядом серьёзных технических, экономических и эстетических достоинств по сравнению с конструкциями других типов. В таких мостах основная несущая конструкция выполнена из гибких элементов (кабелей, канатов, цепей и др.), работающих на растяжение, а проезжая часть подвешена. Вантовые мосты находят наиболее удачное применение в случае большой длины моста, невозможности или опасности установки промежуточных опор (например в судоходных местах). Мосты такого типа выглядят очень гармонично, одним из наиболее известных и красивых примеров является мост Золотые ворота, расположенный на входев бухту Сан-Франциско. Основные несущие тросы (или цепи) подвешивают между установленными по берегам пилонами (опорами). К этим тросам крепят вертикальные тросы или балки, на которых подвешивается дорожное полотно основного пролёта моста.
 


Однако уже с самого начала их использования в качестве недостатка вантовых мостов отмечалась подвижность дорожного полотна при воздействии ветровых нагрузок, что в принципе исключает возможность организации железнодорожного движения. Одной из крупнейших в истории мостостроения катастроф стало обрушение моста через реку Такома в США 7 ноября 1940 г.

Строительство этого моста было закончено летом 1940 г. Его пролёт - третий тогда по длине в мире - составляла 854 м. Большого движения не ожидалось, проезжая часть была рассчитана на два ряда автомобилей, и мост был построен узким 11,9 м. Полотно дороги было подвешено на двух стальных канатах диаметром 44 см каждый, со стрелой провеса 70,7 м. Сразу после постройки была обнаружена большая чувствительность моста к действию ветра, амплитуды колебаний моста достигали 1,5 м.

Было сделано несколько попыток устранить наблюдавшиеся большие колебания введением дополнительных связей и установкой гидравлических демпферов на пилонах –опорах моста. Но это не предотвратило катастрофу. Начиная с 8 часов утра 7 ноября возникли не очень сильные вертикальные многоузловые изгибные колебания с частотой 0,8 Гц. Ветер при этом имел не очень большую скорость - около 17 м/сек, тогда как до этого были случаи, когда мост выдерживал более сильный ветер. Около 10 часов утра скорость ветра несколько возросла и установились одноузловые изгибно-крутильные колебания со значительно меньшей частотой (0,2 Гц) и весьма большими амплитудами. Когда закрутка полотна моста достигала максимума, проезжая часть наклонялась к горизонту под углом 45 градусов. Мост выдерживал эти колебания около часа, после чего большой участок полотна отломился и упал в воду (рис.).

Заснятый на кинопленку процесс обрушения моста явился ценным материалом для исследования его причин. Катастрофа привлекла огромное внимание исследователей-механиков. Известно, что если в потоке воздуха (жидкости) находится какое-либо препятствие, то за ним образуется вихревой след, причем вихри сбегают с определенной периодичностью, зависящей от формы и размеров конструкции, а также от скорости потока. В результате на конструкцию действует периодическая сила, тем большая, чем хуже обтекаемость конструкции. Конструкция приходит в состояние вынужденных колебаний, которые могут оказаться в резонансе с всегда имеющимися её собственными колебаниями. Описанное явление называется срывным флаттером. Видный учёный-механик Теодор фон Карман уже через четырнадцать дней после катастрофы опубликовал расчет критической скорости, за которой начинаются разрушительные колебания Такомского моста. По вычислениям Кармана эта скорость оказалась равной 22,2 м/сек.

Катастрофа Такомского моста связана, в первую очередь, с недостаточным знанием инженерами, создававшими мост, аэроупругости - науки о взаимодействии конструкций и обтекающих их потоков воздуха или воды. К тому времени эта наука была лишь в начальной стадии. Только во время Второй мировой войны она получила широкое развитие и применение благодаря ряду серьёзных проблем, возникших в авиации и судостроении. Серьёзнейший вклад в её развитие внесли русские учёные.

В 1950 г. через реку Такома был построен новый мост (рис.). Ширина полотна и опор была увеличена более чем в 1,5 раза, также изменено сечение проезжей части. Кроме того, сплошные балки были заменены сквозными фермами, что значительно уменьшило амплитуду аэродинамических возмущений. Более половины века новый мост успешно выполняет свои функции.

По прогнозам специалистов XXI век - это век жестоких техногенных катастроф, стихийных и экологических бедствий. Все чаще приходится слышать сообщения о падении ракет, самолетов, взрывах на экологически опасных промышленных объектах, обрушениях зданий. Среди прочих причин трагедий называются ошибки проектирования, связанные, прежде всего, с недостаточным знанием законов механики, с неверным их использованием (недостатком квалификации). Яркий пример обрушение кровли Московского аквапарка. В первоначальных заключениях следствия обнаруживались и следы терроризма, и плохое качество цемента, и нехватка поддерживающих крышу колонн. 11 только после обрушения второго здания, спроектированного тем же авторским коллективом (здание Басманного рынка в Москве), причины трагедии стали очевидными. Черту под расследованием подвело заявление руководителя проектов: «...во всем виновата компьютерная программа...», с помощью которой выполнялись прочностные расчеты.

В новое время механики сумели существенно продвинуть методику проектирования мостов и перекрытий, обеспечивающую их надёжность. Эти несомненные, заслуживавшие внимания широкой общественности достижения механики не всегда освещаются в средствах массовой информации. Например, наша печать вообще не сообщила об открытии в 2004 г. во Франции самого высокого вантового моста в мире (рис.). Длина виадука Мийо составляет 2 460 м, ширина — 32 м, максимальная высота (высота стойки опоры Р2) - 343 м, то есть на 20 м выше Эйфелевой башни, вес стального полотна -36 тысяч тонн, то есть в 4 раза больше, чем Эйфелева башня, стоимость строительства - 400 млн. евро.

В настоящий момент самым длинным мостом в мире является Akashi-Kaikyo Bridge, соединяющий острова Хонсю и Сикоку в Японии (построен в 1998 году, длина основного пролета - 1991 м) Мост предназначен под шестиполосное скоростное движение автотранспорта и рассчитан на восприятие шквальных ветровых нагрузок (в среднем 80 м/с в течение 10 мин) и 8,5-балльное (по шкале Рихтера) сейсмическое воздействие. Фундамент под восточный устой моста (западный устой опирается непосредственно на скалу) представляет собой цилиндрический бетонный массив наружным диаметром 85 м и высотой 64,5 м, заглубленный в коренные породы, залегающие на глубине 55 м под толщей песчаного грунта.

Мировую известность благодаря красоте конструкции и незаурядности технических решений получили мосты Golden Gate Bridge в Сан-Франциско (построен в 1937 г., длина основного пролета -1280 м), Verrazano-Narrows Bridge в Нью-Йорке (1964 г. - 1298 м), Humber Bridge в Англии (1981 г. - 1410 м). Все эти мосты соединяют берега широких рек или морских проливов и находятся в зоне довольно интенсивных ветровых, сейсмических и климатических нагрузок. При их строительстве решены беспрецедентные по сложности инженерные задачи.

У нас в стране в последние годы построены уникальные вантовые перекрытия и мосты. Так, в Москве перекрытие велотрека в Крылатском площадью в три футбольных поля (!) поддерживается двумя десятками равномерно распределённых вантов, прикреплённых к вершине одной башни, примыкающей сбоку к велотреку. Сама башня оттянута в противоположную сторону цепью, отдельные парные звенья которой соединены металлическими штифтами диаметром 40 см. Сургутский мост через великую сибирскую реку Обь является крупнейшим в мире, у которого центральный пролёт (составляющий 408 м) поддерживается одним пилоном. В 2008 году начато строительство одного из крупнейших в мире вантовых мостов через пролив Босфор восточный во Владивостоке (ширина пролива 2 км), который должен соединить материк и остров Русский (высота опор 340 метров, длина пролета около 1500 м).

Механика в создании шагающих роботов

Создание робототехнических устройств, наделение их всё более сложными функциями - важная перспективная задача техники, решение которой немыслимо без участия механики.



Одним из важных классов роботов являются шагающие роботы, предназначенные для перемещения по труднопроходимой местности. В отличие от колёсных и гусеничных машин, имеющих непрерывную колею, шагающий аппарат при движении использует для опоры лишь некоторые точки поверхности. Поэтому шагающий аппарат существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для экологии некоторых районов (например, тундры). Однако это преимущество шагающего аппарата порождает сложность его конструкции. Большое число управляемых степеней свободы аппарата приводит к необходимости использования высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить обработку информации о местности, по которой движется аппарат, принятие зависящих от этой информации решений о характере движения, контроль за их реализацией. Именно создание системы управления аппаратом центральная проблема конструирования шагающего робота.

Анализ существующих видов технических приводов свидетельствует, что по адаптивным способностям, экономичности они уступают двигательным аппаратам животных и человека.

Для одного из первых в мире шагающих аппаратов, созданных в Институте механики МГУ в 70-е годы прошлого столетия в лаборатории Е.А. Девянина, была выбрана схема «шестиножки» (рис.). Биологическим прообразом этой схемы явился рыжий таракан (прусак). Ноги таракана - универсальный биологический объект изучения для создания шагающей машины. Основным типом «походки» таракана является такая, при которой он в каждый момент опирается на три ноги, образующие треугольник, внутри которого располагается центр тяжести тела. Это существенно облегчает проблему стабилизации, так как опорные фазы аппарата на три ноги статически устойчивы.

Каждая конечность шестиногого шагающего аппарата имеет три степени свободы и приводится в движение с помощью трех двигателей с редукторами. На конечностях установлены позиционные датчики, измеряющие углы поворота звеньев ноги. Система управления двигателями шагающего аппарата построена по иерархическому принципу. Она формирует управляющие сигналы, которые обеспечивают движение аппарата с автоматической адаптацией к малым неровностям поверхности, по командам оператора (или командам от верхнего уровня системы управления), задающего основные характеристики ходьбы и движения корпуса аппарата.

После появления в в Институте механики МГУ «шестиножки», которая получила имя МАША (МАшина ШАгающая), началось соревнование между США и СССР, что было обычным для того времени. С американской стороны выступал МакГи со своей командой, с советской — профессор Е.А. Девянин и его коллеги. В ответ на «Машу» МакГи и команда создали свою версию шестиногого робота (которая, однако, весила 136 кг). МаШа содержала много пионерных научных достижений. Было, в частности, установлено, что без информации об усилиях, возникающих между каждой ногой и опорной поверхностью, организовать «гладкое» управление ходьбой практически невозможно. Так появилось так называемое сило-моментное очувствление, которое использовалось в системе управления шестиногим и двуногими шагающими аппаратами, разработанными под руководством Д.Е. Охоцимского и Е.А. Девянина в Институте механики МГУ. Силовое очувствление существенно расширяет круг задач, решаемых шагающими и манипуляционными роботами.

Распад СССР, прекращение финансирования разработок роботов в России привели к тому, что американцы в робототехническом соревновании вырвались вперед. В 2005 году в Массачусетском технологическом институте группой Boston Dynamics по заказу министерства обороны США был создан четырехногий робот «Big Dog» (рис.). Этот четвероногий робот может ходить, бегать и преодолевать пересеченную местность. Энергию роботу дает бензиновый мотор, приводящий в действие гидравлическую систему.

Ноги робота скопированы с конечностей животных. В их конструкцию включены амортизирующие элементы, гасящие энергию удара. Длина робота составляет 1 метр, рост - 70 сантиметров, вес -75 килограммов, что соответствует размерам крупной собаки. Робот снабжен бортовым компьютером, управляющим его передвижением в соответствии с окружающей обстановкой. Многочисленные сенсоры позволяют оператору робота отслеживать его местоположение, контролировать состояние бортовых систем робота. Робот чрезвычайно устойчив, при посторонних воздействиях (например, при сильном боковом ударе) он, подобно большой собаке, восстанавливает вертикальное положение. «Киберсобака» предназначена для «службы» в морской пехоте США, может идти со скоростью пять километров в час и преодолевать подъемы до 35 градусов. Может нести вооружение или иной груз общим весом до 50 килограммов. Создание этой машины было профинансировано агентством перспективных военных исследований США (DARPA).

Методы баллистического управления ходьбой

Важным классом шагающих механизмов являются двуногие машины. Еще в восьмидесятых годах прошлого века в Институте механики МГУ занялись созданием человекоподобного (антропоморфного) робота. Основная проблема и сложность управления двуногой ходьбой — необходимость стабилизации неустойчивой конфигурации, которая при выключенном управлении не может быть реализована. (Заметим, что «отключение» вестибулярного аппарата человека даже на одну секунду приводит к падению!)

Учёные-механики исследовали механико-математическую модель двуногого робота, представляющего собой плоский пятизвенный механизм, состоящий из корпуса и двух одинаковых двухзвенных ног без стоп. Ими была решена сложная задача синтеза движений двуногого шагающего антропоморфного механизма. Была разработана модель робота, которая получила имя «Рикша». В движение она приводилась с помощью двух ног, и одновременно имела еще и два колеса.

Ходьба аппарата, как и человека, представляет собой последовательность чередующихся одноопорной и двухопорной фаз. В одноопорной фазе аппарат опирается на одну ногу, другая нога при этом переносится. В двухопорной фазе аппарат опирается на обе ноги. Одноопорное движение считается баллистическим (пассивным), т.е. происходящим без приложения каких-либо активных воздействий (моментов) в шарнирах механизма. Двухопорная фаза считается мгновенной, так что управляющие моменты в шарнирах являются импульсными, вызывающими скачкообразное изменение скоростей звеньев. Ходьба сконструированного макета подтвердила применимость предложенного метода баллистического управления ходьбой.

В мире появились весьма амбиционные программы создания андропоморфных роботов. Так, организаторы и участники РобоКубка, проводимого в Японии международного соревнования мини-роботов, имитирующих футбольную игру, - намерены к 2050 году создать команду полностью автономных роботов-андроидов, способных выиграть у команды - чемпиона мира по футболу среди людей.

США в своих вооружённых силах намерены к тому же сроку полностью исключить участие человека на поле боя, заменив его различного вида «интеллектуальными» роботами.

Завершу статью панегириком в адрес механики.

На современном этапе прогресс научного знания в значительной мере определяется проникновением в различные области науки методов математического моделирования.

Следует помнить, что метод математического моделирования возник в ньютоновской механике, с успехом опробован самим Ньютоном на ряде серьёзных задач. Разработка методологии создания сложных математических моделей принадлежит механикам, а затем была последовательно применена физиками, геофизиками, химиками, биологами, лингвистами, а в последнее время - социологами и экономистами. Модели механики необычайно наглядны. Ряд знаменитых физиков прошлого утверждал примерно следующее: «Ни одно физическое явление не может считаться до конца понятым, пока оно не сформулировано в терминах механики».

Замечательный механик и математик академик Алексей Николаевич Крылов писал в предисловии к его русскому переводу основного труда Ньютона: ««Начала Натуральной Философии» Ньютона составляют незыблемое основание Механики, Теоретической Астрономии и Физики». Лагранж назвал это сочинение «величайшим из произведений человеческого ума». Добавлю: ньютоновская механика - непревзойдённое достижение физики (натуральной философии) всей истории человеческой цивилизации. Она вечна. На её могучем древе появляются новые и новые ветви. Среди них - и ветви, выросшие из привитых на это древо черенков саженцев, взращённых в лоне других естественных наук.



© Все права защищены http://www.portal-slovo.ru

 
 
 
Rambler's Top100

Веб-студия Православные.Ру