ЧЕМУ УЧИТЬ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ

Редакция попросила Анатолия Николаевича Петухова, доктора технических наук, профессора МАИ, члена-корреспондента РАЕН начальника сектора "Усталость конструкционных материалов и деталей ГТД" ЦИАМ, лауреата многих премий и наград, автора более 300 работ по конструкционной прочности и усталости авиационных материалов и конструкций и двух десятков изобретений в канун его юбилея (с чем мы его сердечно поздравляем) высказаться о современной постановке эксперимента при научных исследований.

Как говорил С.П. Капица, "Опыт - те зерна, из которых потом произрастает наука, а теория занимается перемалыванием этих зерен для пользы дела". Плодотворно заниматься постановкой исследовательских задач, анализом и обработкой результатов могут специалисты, ясно понимающие, какие процессы имеют место в эксперименте. Иначе общее направление работ будет выбрано неверно. При этом нужно стараться оценить соотношение различных сил и факторов, действующих во время опыта. Если же исследователь полностью полагается на "умный" компьютер, то он перестает ощущать физическую суть процесса. В таком случае, несмотря на самые "современные" методики, неизбежны грубейшие ошибки. Это касается и материаловедения, и газовой динамики.

По моему глубокому убеждению, не следует перекладывать все надежды только на возможности вычислительной техники. Проведение эксперимента (и уж тем более - обработка и представление его результатов) может и должно вестись с применением самой современной измерительной и анализирующей техники. Это, однако, нисколько не исключает необходимости применения знаний и опыта экспериментатора. Электроника всякого рода не более, чем инструмент. Картину можно рисовать и кистью, и карандашом, и пальцем, в конце концов. Но чем бы Вы ни создавали ее - почерк будет именно Ваш, а по результату видно - какой Вы на самом деле мастер в деле, за которое взялись.

Надо, всегда помнить, что все изучаемые нами явления - процессы, развивающиеся во времени и пространстве. И многие привычно употребляемые понятия, скажем, "напряжения в расчетной точке" - не более, чем математическая абстракция (такая же, как и само понятие "точка"): это на самом деле процесс, зависящий от совокупности геометрических и силовых факторов, а также - от свойств изучаемого объекта, от равномерности его структуры, анизотропии его свойств, изменения его параметров при контакте с другими объектами, атмосферой, их тренда по времени.

Лет двадцать тому назад при изучении причин усталостного напряжения диска турбины "исследователи", определявшие действующие напряжения с помощью тензометров, не учли наличия градиента этого напряжения в исследуемой зоне детали. Это привело в конечном счете примерно к пятикратной ошибке в сторону повышения запасов прочности.

Область разброса показаний - на самом деле не свойство объекта, но свойство по большей части процесса измерения. Инженерам давно уже надо принять за аксиому то, что знают ученые: ни один измерительный прибор не измеряет те величины, какие мы от него ожидаем. Все они показывают изменение своих собственных характеристик вследствие действия на них этих самых параметров, а заодно и еще бог знает чего, называемого обычно шумом или помехами. Любое измерение - температуры ли, давления, влажности, напряжения и т.д. - процесс взаимодействия датчика с измеряемым объектом и всеми вносящими погрешность факторами, не связанными на самом деле с измеряемой величиной. При этом, конечно же, процесс обоюдный: датчик вносит искажение в картину процесса. Отсюда и берет начало разброс. Это тоже должно учитываться при правильной постановке эксперимента.

При исследовании свойств материала надо знать о существовании в любом исследуемом объекте поверхностного слоя, свойства которого (физические, механические, прочностные, тепловые и прочие) отличаются от аналогичных свойств основной массы образца. Это - также причина возникновения повышенных ошибок. При механической и термической обработке, изменения свойств поверхности весьма и весьма неоднородны и заранее, строго говоря, не предсказуемы.

Любопытно, что в месте контакта поверхностей может возникать крайне неравномерное напряженное состояние. Это происходит вследствие неидеальности геометрических параметров и шероховатости поверхности. Так вот, такие большие напряжения могут приводить к локальному разогреву материала, образованию окислов и иных соединений, изменяющих свойства материала поверхности. Но любопытно, что при очень больших нагрузках (у границ пластической деформации материала) повреждения могут быть даже и меньше, чем при чуть меньших нагрузках. Большие исходные напряжения образуют начальные очаги разрушения, которые затем способны развиваться при напряжениях уже существенно меньших. А когда нагрузки не уменьшаются, может иметь место "залечивание" исходных повреждений и их дальнейшее развитие не происходит. Этот эффект отсутствует при несколько меньших нагрузках, а раз так - деталь теряет прочностные свойства. Это опасно потому, что происходит при напряжениях гораздо меньших, чем прогнозировалось расчетом. Страшно там, где не ждешь ничего страшного, потому, что не понимаешь возможности его появления.

Это то, что надо учитывать конструкторам и эксплуатантам техники. В этом и заключается применение опыта и знаний на практике, с чего мы начали разговор. То, чем всегда была сильна отечественная научная школа - нормальным процессом накопления и передачи опыта и грамотностью постановки и решения задач. И будет очень обидно, если положившись на "разум" умных компьютеров и не прилагая собственного, мы все это потеряем.