CC BY
53
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
УДК 621.891
ПРОТОН-ФОТОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ИЗНАШИВАНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Г.С. Ивасышин, Д.С. Блинов
PROTON-PHOTON PHENOMENA AT MACHINE PARTS WEAR
G.S. Ivasyshin, D.S. Blinov
Аннотация. В настоящее время износ деталей машин приводит к очень большим экономическим потерям в промышленно-развитых государствах. Повышение долговечности и надёжности машин связано с повышением износостойкости. Решение этой актуальной задачи возможно только на базе глубоких научно обоснованных знаний. При этом важная роль отводится водородной энергетике, в том числе протонным технологиям и явлениям, для изучения которых необходимы новые подходы на базе нанотехнологии. В работе рассмотрено управление процессом трения на основе синтеза гелия в объёмных и поверхностных слоях трения, а также на основе квантовой теории трения. При этом предложены трибофизические модели на основе реализации углеродно-азотного и протон-протонного циклов холодного ядерного синтеза, в результате которых в зоне трения водород превращается в гелий. В результате исследований получен целый ряд открытий, защищенных дипломами.
Ключевые слова: нанотрибология; изнашивание; зона трения; управление трением; водород; гелий; протон-фитонные явления; трибофизическая модель; квантовая теория трения.
Abstract. At the present time machine parts wear leads to huge economical losses in the industrially developed countries. Improvement of life-cycle and reliability of machines is connected with increase of wear resistance. Solution of this crucial task is possible only based on the in-depth scientifically grounded knowledge. At that the highest value is placed on hydrogen energy, including proton technologies and phenomena for investigation of which new approaches based on nanotechnology are required. Examined in the present work is friction process control on the basis of helium synthesis in volume and surface friction layers and on the basis of quantum theory of friction. At that, tribophysical models based on implementation of carbon-nitrogen and protonproton cycles of cold fusion are proposed, as a result of which hydrogen in the friction zone turns into helium. A number of inventions protected by certificates achieved as a result of the investigations.
Key words: nanotribology; wear; friction zone; friction control; hydrogen; helium; protonphoton phenomena; tribophysical mode; quantum theory of friction.
С различными проявлениями трения и износа человечество сталкивается с древних времен. Сначала для снижения негативного проявления этих явлений применялись конструктивные решения (переход от трения скольжения к трению качения) и смазка. Затем пришло понимание того, что необходимы теоретические исследования. Первые работы по изучению трения и износа были выполнены Леонардо да Винчи, М.В. Ломоносовым, Л. Эйлером и другими. Далее дошла очередь и до изучения смазки и эффектов, связанных с ней. Этим занимались Н.П. Петров, Н.Е. Жуковский, О. Рейнольдс, Герси и другие ученые. Все перечисленные ученые и большое количество неназванных ученых создали фундамент для будущей науки о трении, износе и смазке.
Введение.
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
В настоящее время в результате прогрессирующего развития промышленности произошел количественный скачок в тех последствиях, которые связаны с трением и износом. Из-за износа по разным оценкам выходят из строя от 70% до 85% изделий машиностроения. При этом потери от трения в развитых государствах достигают 5...6% национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всем мире 20.25% вырабатываемой в год энергии. Анализ специальных комитетов Международного совета по трибологии показал, что за полный цикл эксплуатации машин эксплуатационные расходы, затраты на ремонт и запасные части в несколько раз превышают затраты на изготовление новой техники. Для снижения трения и износа в год в мире производится и расходуется более 100 млн. тонн смазочных материалов, которые в ряде случаев наносят урон окружающей среде. При этом возникают серьезные проблемы с утилизацией отработавших смазочных материалов.
Понимая значимость этой проблемы для человечества, с середины прошлого века стала интенсивно развиваться наука о трении, износе и смазке - трибология, а вместе с ней и ее техническое приложение для инженеров - триботехника. Название научной дисциплины трибология образовано от греческих слов «трибос» - трение и «логос» - наука. Она охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических (механических, электрических, магнитных, тепловых), химических, биологических и других явлений, связанных с трением, изнашиванием и смазкой. Как наука, трибология имеет научно-технические разделы: трибофизику, трибохимию, триботехническое материаловедение, трибомеханику, трибоинформатику и др. Большой вклад в разработку основ трибологии внести отечественные ученые А.К. Зайцев, И.В. Крагельский, В.С. Щедрин, М.М. Хрущов, Д.Н. Гаркунов и многие другие.
Однако, в трибологии то, что сделано существенно меньше того, что предстоит еще сделать. Не случайно академик А.Ю. Ишлинский, характеризуя в 1998 г. состояние теоретической механики, отметил, что в этой детально разработанной области современного естествознания остаются «.две нерешённые до сих пор проблемы: проблема трения и проблема турбулентности.». Это объясняется тем, что, согласно [1], «...провести точные количественные эксперименты в трении весьма сложно, и законы трения, несмотря на огромное практическое значение точного анализа, до настоящего времени как следует не изучены.», так что «.с учётом всей проделанной работы удивительно, что до сих пор не достигнуто более глубокого понимания вопроса.». При этом «.трибология сложна, она требует знаний в области материаловедения, механики, термодинамики и многих других отраслей науки; при этом часто превышают наши интеллектуальные возможности и воображение.» [2]. Таким образом, исследования явлений связанных с трением, износом и смазкой являются весьма актуальными.
Обзор литературы
Изучение тех или иных разделов трибологии, как правило, происходит через выявление проявлений различных явлений или выявление эффектов, а затем идет анализ и осмысление полученных результатов. Так было выявлено, например, водородное изнашивание [3]. Первый раз влияние водорода на износ было обнаружено в 1958 году при исследовании диспергирования частиц на пятнах фактического контакта при трении, число которых зависит от времени образования «слабых мест» [4].
В работе [5] описано, что в практике эксплуатации керосиновых насосов были случаи катастрофически быстрого изнашивания поверхностей стальных закаленных роторов из стали 12ХНЗА и бронзовых золотников. Внешне разрушение проявлялось как износ стальной опоры ротора на глубину 0,03 мм и намазывание микроскопических лепестков стали на поверхность сопряженного бронзового золотника. Идентичность материала этих лепестков с материалом ротора была установлена спектральным анализом. На роторе по всей поверхности трения имелись относительно глубокие кольцевые царапины. Причины переноса твердого материала (стали и чугуна) на более мягкий материал (бронзу,
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
пластмассу) в процессе трения в технической литературе не были описаны. Анализ всех обстоятельств этого явления и изучение его закономерностей позволили установить новый вид контактного взаимодействия твердых тел, названного водородным изнашиванием [3].
Профессор Д.Н. Гаркунов [3, 6] установил, что суть водородного изнашивания сводится к тому, что в зоне трения выделяется водород, который при высокой температуре диффундирует в поверхностный слой детали, вызывая множество трещин по всей зоне трения и способствуя увеличению хрупкости поверхности материала до образования мелкопористого порошка. Водород выделяется из материалов пары трения, смазочной среды и особенно воды. Водородное изнашивание связано только с процессом трения и обусловлено трением. Для него характерны высокая локальная концентрация водорода в поверхностном слое стали, возникающая из-за больших градиентов температуры и напряжений при трении, которые обусловливают накопление водорода и особый характер роста трещин, приводящий к сплошному разрушению слоя стали. Такой вид изнашивания наблюдается у дисков фрикционных муфт, подшипников качения (при попадании воды в подшипниковый узел).
Водородное изнашивание может быть вызвано не только водородом, который образуется при трении, но и водородом, который может образоваться при различных технологических процессах [3, 7]. При выплавке чугуна в доменном процессе из влаги дутья образуется водород, который и попадает в металл (такой водород называют биографическим). При термической обработке, например в результате азотирования (при диссоциации аммиака), выделяющийся водород диффундирует в сталь. Наводороживание стальных изделий происходит при электроосаждении кадмия, цинка, хрома и никеля. Одним из способов устранения водорода при гальванических покрытиях является термообработка изделий при температуре 200 °С.
Последние исследования процесса водородного изнашивания, выполненные В.И. Колесниковым, Г.И. Сурановым, Э.А. Станчуком и др. [6], показали, что здесь кроются большие резервы в части повышения сроков службы деталей машин и режущего инструмента. Электрические, магнитные, вибрационные, а также тепловые явления непосредственно не влияют на интенсивность изнашивания деталей, они оказывают действие на поведение водорода. Разрушительной силой в данном случае является именно водород, а не электрическое или магнитное поле. Это связано с тем, что водород имеет электрический заряд, который взаимодействует с указанными полями. Как известно ядром атома водорода является протон или положительный ион водорода [8]. Отсюда появились термины водородная энергетика, протонные технологии и явления и другие [9].
Для изучения явлений водородной энергетики нужны новые подходы. Одним из современных направлений в области механики и машиноведения является микромеханика или нанотехнология. Методы и средства классической трибологии здесь не применимы в полном объёме, хотя многие современные ноу-хау базируются на фундаментальных представлениях трибологии, рассмотренных в работах [2, 10].
Развитие нанотехнологий и появление нового класса приборов -микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем - привело к необходимости управления трибологическими процессами в микро- и наномасштабах [11], развитию теоретических и экспериментальных методов исследования в области нанотрибологии [1220]. Неслучайно авторы [21] считают, что «...форсирование исследований в области микро- и нанотрибологии...» относится на сегодняшний день «...к основным и актуальным разделам и направлениям трибологии и её инженерному приложению - триботехнике».
Постановка задачи
«Повышение экономически и экологически целесообразной долговечности и надёжности машин, технологического оборудования и инструмента непосредственно связано с повышением износостойкости. Решение этой актуальной задачи возможно только на базе глубоких научно обоснованных знаний. Управление трением, правильный выбор материалов
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
по критериям трения и износостойкости, рациональное конструирование узлов трения и деталей машин и оптимизация условий эксплуатации могут существенно продлить срок жизни и повысить эффективность машин, снизить вредное экологическое воздействие при незначительном увеличении их стоимости» [21].
Важной задачей триботехники является разработка методов борьбы с водородным изнашиванием. Проблема водородного изнашивания (протонных технологий) имеет комплексный межотраслевой характер и поэтому требует привлечения к ее решению ученых различных специальностей (металловедов, физиков, химиков, специалистов по триботехнике) и должна выполняться по единому плану.
Ю.И. Головин считает, «. желательно найти условия, в которых трение упало бы до нуля и реализовалось «сверхскольжение», аналогичное сверхпроводимости или сверхтекучести. Принципиальных препятствий для этого не существует, и в некотором смысле такие режимы уже найдены.» [22].
Цель настоящей работы — обеспечение условий управления трением на основе синтеза гелия в объёмных и поверхностных слоях трения, а также на основе квантовой теории трения. При этом предполагается создание трибофизических моделей на основе реализации углеродно-азотного и протон-протонного циклов холодного ядерного синтеза, в результате которых в зоне трения водород превращается в гелий и феноменологических основ квантовой теории трения.
Трибофизические модели на основе реализации углеродно-азотного и
протон-протонного циклов холодного ядерного синтеза
Академик Б.В. Дерягин с сотрудниками в 1985 г. обнаружил явление механоэмиссии нейтронов из содержащих дейтерий кристаллических тел, которое интерпретировали как проявление реакций холодного ядерного синтеза [23].
В 90-е годы сотрудники Б.В. Дерягина предложили гипотезу о том, что в веществах с водородными связями на одной водородной связи могут оказаться два ядра атомов водорода при расстоянии между ними менее одного ангстрема.
Туннелирование дейтронов сквозь столь узкий барьер может происходить с большой вероятностью и при низких температурах.
Согласно современным представлениям, протон и нейтрон представляют собой два состояния одной частицы — нуклона.
То есть протон становится нейтроном, присоединив электрон, а нейтрон — протоном, отдав электрон другому протону, который, в свою очередь, превращается в нейтрон.
В последние годы получены многочисленные экспериментальные свидетельства ядерных реакций при низких энергиях (ядерных реакций в конденсированных средах, холодном ядерном синтезе — ХЯС).
Под «холодным ядерным синтезом», который теперь предлагается заменить на термин «ядерные процессы, индуцированные кристаллической решёткой», понимаются аномальные с точки зрения вакуумных ядерных столкновений, стохастические низкотемпературные ядерные процессы (слияние ядер с выделением нейтронов), существующие в неравновесных твёрдых телах, которые стимулируются трансформацией упругой энергии в кристаллической решётке при фазовых переходах, механических воздействиях, сорбции или десорбции водорода (дейтерия). ХЯС достоверно зафиксирован в целом ряде физических и физико-химических процессов с участием дейтерия.
Многие из таких процессов, но с участием природного водорода, имеют место и в естественных процессах. К их числу можно отнести: явление сорбции-десорбции водорода в металлах, окислительно-восстановительные воздействия на соединения водорода, механическое разрушение и измельчение водородосодержащих пород, трение.
Однако до сих пор не создано удовлетворительной количественной и даже качественной теории ХЯС, имеющей принципиальное значение, как для фундаментальной науки, так и, практического использования.
На наш взгляд использование пар трения с гелиевым изнашиванием, созданных на основе реализации углеродно-азотного и протон-протонного циклов холодного ядерного синтеза, в результате которых в зоне трения водород превращается в гелий, даст возможность управлять трением (за счёт сверхтекучести гелия) в микротрибосистемах [14, 16]. Далее выполним обзор выявленных закономерностей, отраженных в научных открытиях.
Закономерность аддитивности диффузионного магнитного последействия в объёмных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов и сплавов
В сделанном открытии [19] установлена неизвестная ранее закономерность аддитивности диффузионного магнитного последействия в объёмных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов и сплавов, заключающаяся в том, что в упругой и пластической областях твёрдых тел в зоне их фрикционного контакта происходит суммирование (аддитивность) диффузионных магнитных последействий, сопровождающих упругие и пластические последействия, определяющая поведение внедрённых атомов углерода и азота и обусловленная направленным перемещением дислокаций, несущих внедрённые атомы углерода и азота в зону фрикционного контакта из упругой и пластической областей пары трения и влияющих на структуру и подвижность доменных стенок. Необходимо отметить, что атомы внедрения углерода С и азота N (углеродно-азотный цикл) ответственны, как бы парадоксально это не звучало, за синтез гелия в зоне трения.
Следовательно, решена задача — найдены «. условия, в которых трение упало бы до нуля и реализовалось «сверхскольжение», аналогичное сверхпроводимости или сверхтекучести.» —создана трибофизическая модель на основе реализации углеродно-азотного цикла, в результате которого водород превращается в гелий.
1. ^С+^^^+у 4. 14№+1Н^15О+у
2. ^^13С+Р++у 5. +Р++У
3. 13С+1Н^-1^ +у 6. ^ +1Н^12С+4Не
Углерод играет роль катализатора процесса слияния протонов.
13
Протон, сталкиваясь с ядром углерода, превращается в радиоактивный изотоп N. При этой реакции излучается у-квант (фотон). Изотоп 13^ претерпевая Р-распад с испусканием позитрона и нейтрино, превращается в обычное ядро азота При этой реакции так же излучается у-квант. Далее, ядро азота сталкивается с протоном, после чего образуется радиоактивный изотоп кислорода 15О и у-квант. Затем этот изотоп путём Р-распада превращается в изотоп азота 15^ Наконец, последний, присоединив к себе во время столкновения протон, распадается на обычный углерод и гелий. Вся цепь реакций представляет собой последовательное «утяжеление» ядра углерода путём присоединения протонов с последующими Р+-распадами. Последним звеном этой цепи является восстановление первоначального ядра углерода и образование нового ядра гелия за счёт четырёх протонов, которые в разное время один за другим присоединились к 12С и образующимся из него изотопам.
Закономерность аддитивности водородного магнитного последействия в объёмных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов и сплавов
В сделанном открытии [20] установлена неизвестная ранее закономерность аддитивности водородного магнитного последействия в объёмных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных металлов и сплавов, заключающаяся в том, что в упругой и пластической областях твёрдых тел в зоне их фрикционного контакта происходит суммирование (аддитивность) водородных магнитных последействий, сопровождающих
упругие и пластические последействия, обусловленная направленным перемещением дислокаций, несущих водород в зону контакта.
1.
2. 2Б+1Н^3Не+у
3. 3Не+3Не^4Не+21Н
Следовательно, сформулирован механизм холодного ядерного синтеза, возникающий в поверхностных слоях пар трения твёрдых тел вследствие суммирования (аддитивности) водородных магнитных последействий и обусловленный направленным перемещением дислокаций в кристаллических структурах металлов на основе реализации протон-протонного цикла, в результате которого водород превращается в гелий.
Разработаны оригинальные теоретические (трибофизические) модели механизма ХЯС в кристаллических структурах поверхностных слоёв пар трения из ферромагнитных материалов и сплавов [17-24].
Феноменологические основы квантовой теории трения
На поверхностях трения протекают сложные триботехнические процессы, связанные с механическими, физическими и химическими взаимодействиями материалов на участках контактирования. При многократном тепловом и силовом взаимодействии поверхностных слоёв в процессе трения возникают значительные диффузионные потоки атомов, проходящие на глубину до нескольких десятков микрометров. Направление диффузионного потока атомов определяется градиентами давления и температуры по глубине поверхностного слоя. Результирующий диффузионный поток атомов направлен в сторону контакта сопряжённых поверхностей трения, причём, поскольку при трении осуществляется микродиффузионный характер процесса, структурные изменения и диффузионное перераспределение происходят в отдельных микроскопических объёмах [2, 10].
Взаимодействие микроконтактов происходит за очень короткое время, в течение которого к контакту подводится очень большая энергия. При импульсном контактом нагружении происходит локальная квазиаморфизация твёрдого тела, сопровождающаяся поглощением значительного количества энергии [2, 10]. Возникают частицы с большой энергией: возбуждённые молекулы, атомы, ионы, быстрые электроны, фононы (звуковые кванты), фотоны (кванты электромагнитного излучения). Такое состояние является причиной определённых химических реакций, а также явлений трибоэлектричества, электронной эмиссии, триболюминесценции и т. п.
Необходимо отметить, что к выводу о том, что энергия изменяется не непрерывно, а испускается дискретными порциями — квантами, пришёл в 1900 г. Макс Планк.
Чтобы найти энергию кванта Е, надо умножить частоту колебания волны на постоянную величину, константу h, т. е.
Е = (1)
Постоянная Планка h — фундаментальная физическая константа, определяющая широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность величин с размерностью действия.
Из формулы (1) постоянную Планка можно представить в виде
h = E/v (2)
Развивая идею Планка, Эйнштейн предположил в 1905 г., что свет не только испускается в виде порций энергии Е = ^у, но и поглощается такими же порциями (позднее
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
эти порции стали называться фотонами). И снова энергия поглощения равнялась произведению величины h, постоянной Планка, на частоту.
Квантовая механика (волновая механика) — теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы), с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость теплоёмкостей газов и твёрдых тел и вычислить их величину, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Квантовая теория успешно объяснила спектр излучения, удельную теплоёмкость, фотоэлектрический эффект, образование рентгеновских лучей. Только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость. Фундамент квантовой электроники составляет квантомеханическая теория излучения. Законы квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (особенно магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих). Таким образом, квантовая механика стала в значительной мере «инженерной» наукой, знание которой необходимо не только физикам-исследователям, но и инженерам. Механика контакта, обусловленная сближением, предварительным смещением, фрикционными связями, физико-механическими характеристиками, пространственным положением, ответственна за изменение относительной износостойкости материала.
Согласно [12-15] относительная износостойкость определяется формулой
где N - нагрузка; Д7 - упругое последействие.
Сравнивая структуру зависимости (2) для определения постоянной Планка h и структуру формулы (4) для определения динамической твёрдости Ш, можно сделать выводы:
1) величины, стоящие в числителях формул (2) и (4) имеют с физической точки зрения одинаковую энергетическую природу.
2) частота V в формуле (2) и упругое последействие ДY в формуле (4) являются характеристиками волновых процессов (материальные частицы ведут себя как волны).
В 1924 году французский физик Л. де Бройль, пытаясь найти объяснение постулированным в 1913 году датским физиком Н. Бором условиям квантования атомных орбит, выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма.
Согласно Л. де Бройлю, каждой частице, независимо от её природы, следует поставить в соответствие волну, длина которой X связана с импульсом частицы р соотношением: Х^/р (5)
По этой гипотезе не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы» (электроны и др.) обладают волновыми свойствами.
где с — постоянная; с = твёрдость [12-16].
Согласно [12-15] динамическая твёрдость определяется формулой
е = е-Ш,
Н^Ш,
(4)
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
Количественной мерой внешнего трения является сила трения ¥т. С учётом (4) закон линейной зависимости силы трения ¥т от нагрузки N (¥т =/ N где / - коэффициент трения) можно представить в виде
В структуре динамической теории Л.И. Бершадского [2, 10] фундаментальным является не силовое, а диссипативное (структурно-энергетическое) представление. Сила трения проявляется как одна из реакций трибосистемы на возникновение диссипативного потока, причём принципиально она является запаздывающей. Зависимость (6) подтверждает то, что сила трения ¥т проявляется как одна из реакций трибосистемы на возникновение диссипативного потока. Этот факт подтверждается также тем, что упругое последействие ДУ является задержанной во времени упругой деформацией. Особенностью трибосистемы является, в частности, следующее: система возбуждений, порождаемая трением, оказывает влияние на интенсивность и геометрию диссипативного источника. В динамику систем вводится обратная связь, причём запаздывающая.
Эта обратная связь управляется принципом минимума энтропии, предложенного И.Р. Пригожиным [2, 10]. И.Р. Пригожин, автор работ по термодинамической теории структур и самоорганизации в неравновесных системах, установил, что некоторые открытые системы при переходе от равновесных, становятся неустойчивыми, и их макроскопические свойства радикально меняются.
Структура металлов деталей, находящихся в относительном движении, под воздействием субмикропоследействий, микропоследействий и макропоследействий, функционирующих в поверхностных слоях и объёмах деталей, превращается в динамично изменяющуюся систему, переходящую при определённых условиях в состояние хаоса (катастрофически интенсивного изнашивания и разрушения).
«Естественные процессы развиваются необратимо в направлении увеличения беспорядка», — так Больцман на основе молекулярного движения сформировал второе начало термодинамики. Эта формулировка аналогична варианту второго начала, предложенному Клаузиусом; функцию состояния, энтропию, Больцман отождествил с мерой беспорядка». Л. Бриллюэн пришёл также к выводу: «Энтропия обычно описывается как мера беспорядочности в физической системе. Более точное утверждение, что энтропия есть мера недостатка информации о действительной структуре системе. Этот недостаток информации приводит к тому, что возможно большое разнообразие различных микроструктур, которые мы практически не в состоянии отличить друг от друга. Так как каждая из этих микроструктур действительно может быть реализована в некоторый данный момент, недостаток информации соответствует действительному беспорядку в скрытых степенях свободы» [17-20, 24].
Научные открытия [17-20, 24] дают возможность аргументировать то, что упругое последействие и физическая энтропия имеют одинаковую природу, а также обосновать существование функциональной зависимости между упругим последействием ДУ и термодинамической вероятностью Ж данного состояния триботехнической системы.
Аддитивности упругих последействий соответствует умножение термодинамических вероятностей состояния отдельных частей триботехнической системы.
Из всех математических функций такими свойствами обладают только логарифмы.
Таким образом, упругое последействие ДУ должно быть пропорционально логарифму термодинамической вероятности Ж:
¥т=/• Н1 -ДУ
(6)
ДУ =г • 1пЖ,
(7)
где I —постоянная.
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
Учитывая аддитивные свойства упругого последействия (макропоследействия, микропоследействия и субмикропоследействия) на основе квантовой теории трения возможно целенаправленно управлять изнашиванием, адгезией и когезией.
Закономерность изменения энтропии термодинамического последействия
триботехнической системы
В сделанном открытии [24] установлена неизвестная ранее закономерность изменения энтропии термодинамического последействия триботехнической системы, заключающаяся в том, что под механической нагрузкой энтропия термодинамического последействия триботехнической системы уменьшается, а при снятии нагрузки - увеличивается, обусловленная движением дислокаций в упругих и пластических областях твёрдых тел и переходом термодинамического последействия триботехнической системы от менее вероятного состояния к более вероятному.
Из изучения динамики движущейся дислокации вытекает, что дислокация ведёт себя как линия, единица длины которой обладает определённой массой (дислокации повышают энтропию кристалла за счёт вводимых ими искажений решётки).
Известно, что энтропия любого вещества пропорциональна массе. Это значит, что энтропия всей триботехнической системы равна сумме энтропии её отдельных частей.
Если энтропия по определению — мера беспорядка в системе, то «...упругое последействие является не свойством твёрдого тела как такового, а только результатом царящего в нем беспорядка» (А.Ф. Иоффе).
Увеличение гетерогенности структуры усиливает эффект упругого последействия.
Известно также, что чем выше твёрдость вещества, тем меньше его энтропия. Карбиды, бориды и другие очень твёрдые вещества характеризуются небольшой энтропией. Эти алгоритмы дают возможность целенаправленно управлять энтропией.
Заключение
1. В развитие постулата академика П. А. Ребиндера и двух основополагающих триад внешнего трения и изнашивания твёрдых тел, сформулированных И.В. Крагельским и А.В. Чичинадзе, предлагается использовать трибофизические модели, а также феноменологические основы квантовой теории трения не только с целью управления внешним и внутренним трением за счёт сверхтекучести гелия, но и для изучения холодного ядерного синтеза с возможностью получения в перспективе неиссякаемого источника экологически чистой энергии на основе синтеза из более лёгкого водорода более тяжёлого гелия.
2. Разработка нанотехнологий и нового класса приборов микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем на основе научных открытий [17-20, 24] и квантовой теории трения даст на наш взгляд новые конкурентоспособные результаты. Изменение представления, в частности, о механокалорическом эффекте (за счёт учёта дополнительного тренда выходных параметров) на основе научных открытий (Дипломы №№ 258, 277, 289, 302) может быть использовано при разработке конкурентоспособных технологий в области водородной энергетики, криогенной и космической техники, тем более известно большое число приборов, машин и устройств, работающих при очень низких температурах, либо использующих для своего функционирования квантовую жидкость — жидкий гелий.
3. Создана трибофизическая модель (научное открытие — Диплом № 289) на основе реализации углеродно-азотного цикла холодного ядерного синтеза, в результате которого в зоне трения водород превращается в гелий.
4. Создана трибофизическая модель (научное открытие — Диплом № 302) на основе реализации протон-протонного цикла холодного ядерного синтеза, в результате которого в зоне трения водород превращается в гелий.
5. Имея в виду то, что тела, взаимодействующие в микроэлектромеханических и наноэлектромеханических системах — миниатюрные телероботы, микроспутники, микроприборы, нанокомпьютеры, микросенсорные устройства, микрозеркала,
микрооптоэлектронные приборы, микрорефрижераторы, химические и биохимические микрореакторы и другие — очень малы, а удельные нагрузки на наноконтактах так велики, что трибологические процессы в значительной степени определяются атомномолекулярным взаимодействием контактирующих поверхностей, представляется актуальным создание материалов на основе научных открытий (Дипломы №№ 289 и 302) для пар трения с гелиевым изнашиванием с возможностью подавления водородного изнашивания на основе реализации углеродно-азотного цикла (эффекта) и протон-протонного цикла (эффекта) в зоне трения, а также обеспечения управления трением за счёт сверхтекучести гелия в микро- и нанотрибосистемах.
6. Предлагаемые трибофизические модели составляют феноменологические основы квантовой теории трения.
7. Первостепенное значение приобретает умножение эффекта от каждого научного открытия (Дипломы №№ 258, 277, 289, 302, 392) и его применения, наиболее рационального использования полученных знаний.
8. Изменение представлений о физических эффектах (диффузии, пьезомагнитном эффекте, фотоэлектрическом эффекте, фотоупругом эффекте и т.д.), сопровождающих трение, может быть использовано при создании конкурентоспособных технологий в области водородной энергетики, криогенной и космической техники за счёт учёта дополнительного тренда выходных параметров вследствие аддитивности упругого последствия (Диплом № 258), аддитивности магнитного последействия (Диплом № 277), аддитивности диффузионного магнитного последействия (Диплом № 289), аддитивности водородного магнитного последействия в объёмных частях и поверхностных слоях пар трения (Диплом № 302).
9. На основе научных открытий (Дипломы №№ 258, 277, 289, 302) изменяются, в частности, представления об известных фотоэлектрическом эффекте и фотоупругом эффекте [16]. Фотоэффект - явление квантовое, необъяснимое в рамках классической физики. Фотоэффект нашёл широкое применение в науке и технике. На явлении внешнего фотоэффекта основано действие эмиссионных фотоэлементов. Наряду с внешним фотоэффектом существует ещё внутренний фотоэффект, при котором выбитые из атомов электроны остаются внутри вещества и регистрируются по повышению электропроводности.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т. 7: Пер. с англ. / Под ред. Я. А. Смородинского. М.: Мир, 1977. 288 с.
2. Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ / Под ред. В. А. Белого, К. Лудемы, Н. К. Мышкина. М.: Машиностроение; Нью-Йорк: Аллертон-пресс, 1993. 452 с.
3. Гаркунов Д.Н., Суранов Г.И., Хрусталев Ю.А. Водородное изнашивание деталей машин. Ухта: УГТУ, 2003. 199 с.
4. Исследования водородного износа / Под ред. А. А. Полякова и Ю.С. Симакова. М.: Наука, 1977. 84 с.
5. Поляков А.А., Гаркунов Д. Н. Водород как ускоритель износа // Вестник машиостроения, 1974. №6. С. 59 с.
6. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.
7. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах / Глав. ред. Фролов К.В., М.: Машиностроение, 1994-2013 г., том. 4-3, 2003.
8. Савельев И.В. Курс физики. Том 1. Механика. Молекулярная физика. М.: Наука, 1989. 352 с.
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т.1, №1
9. Ивасышин Г.С. Нанотехнологии, перспективные в области водородной энергетики / Материалы XIV Международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке». 14-15 февраля 2007. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007. С. 256-257.
10. Чичинадзе А.В., Берлинер Э.М., Браун Э.Д. и др. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / Под общ. ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2003.
11. Левченко В. А., Буяновский ИА., Матвеенко В.Н. Этапы развития нанотрибологии // Проблемы машиностроения и надёжности машин, 2005. №2. С. 36-45.
12. Ивасышин Г.С. Влияние упругого последействия на физико-механические свойства контактирующих материалов // Трение и смазка в машинах и механизмах, 2006. №8. С. 11-17.
13 Ивасышин Г.С. Влияние упругого последействия и аддитивности упругого последействия упругой системы прецизионного металлорежущего станка на статическую характеристику трения, износостойкость и фреттингостойкость плоских направляющих // Трение и смазка в машинах и механизмах, 2006. №9. С. 32-39.
14. Ивасышин Г.С. Учёт упругого последействия при решении тепловой задачи трения // Трение и смазка в машинах и механизмах, 2009. №5. С. 38-40.
15. Ивасышин Г.С. Научные открытия в микро- и нанотрибологии // Трение и смазка в машинах и механизмах, 2008. №4. С. 24-27.
16. Ивасышин Г.С. Холодный ядерный синтез и научные открытия в микро- и нанотрибологии // Деловая слава России, 2009. № 1. С. 106-109.
17. Научное открытие (Диплом № 258) // Закономерность аддитивности упругого последействия в объёмных частях и поверхностных слоях пар трения / Г. С. Ивасышин. М.: РАЕН, МААНОиИ, 2004.
18. Научное открытие (Диплом № 277) // Закономерность аддитивности магнитного последействия в объёмных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов / Г.С. Ивасышин. М.: РАЕН, МААНОиИ, 2005.
19. Научное открытие (Диплом № 289) // Закономерность аддитивности диффузионного магнитного последействия в объёмных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов и сплавов / ГС. Ивасышин. М.: РАЕН, МААНОиИ,
20. Научное открытие (Диплом № 302) // Закономерность аддитивности водородного магнитного последействия в объёмных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов и сплавов / Г.С. Ивасышин. М.: РАЕН, МААНОиИ, 2006.
21. Колесников В.И., Лужнов Ю.М., Чичинадзе А.В. Цели и задачи журнала «Трение и смазка в машинах и механизмах» // Сборка в машиностроении, приборостроении (Прил.), 2005. № 1 (7), С. 3-7.
22. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. 496 с.
23. Дерягин Б.В. Механоэмиссия и механохимия твердых тел. Фрунзе: Илим, 1974.
24. Научное открытие (Диплом № 392) // Закономерность изменения энтропии термодинамического последействия триботехнической системы / Г.С. Ивасышин, М.М. Радкевич, С. Г. Чулкин. М.: РАЕН, МААНОиИ, 2010.
576 с.
2005.
277 с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ивасышин Генрих Степанович ФГБОУ ВПО «Псковский государственный университет», г. Псков, Россия, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Теория механизмов и машин», действительный член Российской инженерной академии. E-mail: [email protected]
Ivasyshin Genrih Stepanovich FSEI HPE «Pskov State University», Pskov, Russia, Doctor of Technical Science, Professor, Professor of Theory of Machines and Mechanisms, Member of Russian Engineering Academy. E-mail: [email protected]
Блинов Дмитрий Сергеевич ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана», г. Москва, Россия, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Детали и машин», член-корреспондент Российской инженерной академии.
E-mail: [email protected]
Blinov Dmitriy Sergeevich FSEI HPE «Bauman Moscow State Technical University», Moscow, Russia, Doctor of Technical Science, Assistant Professor, Professor of Machine Parts, Associate Member of Russian Engineering Academy.
E-mail: [email protected]
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 180000, г.Псков, пл. Ленина, д.2. ПсковГУ, ФИиСТ, УНИИН, каб. 205 Ивасышин Г.С.
8(8112)797847
