Воспоминания

Позже Зворыкин, занятый подготовкой к докторскому экзамену, принес для чтения требовавшийся от докторантов тощий учебник по уравнениям в частных производных какого‑то американца. Невольно сравнивали мы условия для докторантских экзаменов в Америке с русскими экзаменами и удивлялись низкому уровню американских. Позже, когда я ближе познакомился с постановкой учебного дела в Америке, узнал, что недостаточные требования по математике начинаются со средней школы. Оканчивающий среднюю школу американец знает по математике не больше того, что преподается в первых четырех классах русских реальных училищ. Он ничего не знает о теории логарифмов, хотя и пользуется логарифмической линейкой. Геометрия ограничивается задачами на плоскости, а тригонометрия обычно совсем не преподается. Еще хуже обстоит дело с подготовкой учителей математики. Объем их познаний в математике совершенно несравним с тем, что требуется от учителей в Европе. Да и этих слабо подготовленных учителей совершенно недостаточно. По моим сведениям, например, сорок процентов средних школ в Калифорнии совсем не имеют учителей математики! Все это я узнал позже, а в начале моей работы у Вестингауза я заметил только, что на местах, требующих хотя бы минимальных теоретических познаний, работают, главным образом, инженеры с европейским образованием.

Только первые месяцы службы моя деятельность ограничивалась Исследовательским Институтом. Скоро появились запросы из различных технических отделов Вестингауза. Я вступил в контакт с инженерами, занятыми практическими задачами и моя деятельность начала приобретать консультационный характер. Обычно, дело начиналось с какого‑либо частного случая поломки машины, установленной Компанией, и нужно было установить причину поломки. Этой причиной могли быть черезчур высокие напряжения материала, допущенные при проектировании, или недостаточная прочность примененного материала, или, наконец, поломавшаяся часть машины могла подвергаться действию сил бо́льших, чем расчетные. Правильное установление причин поломки весьма существенно. Машины изготовлялись обычно сериями и поломка одной из машин ставила под сомнение прочность прочих машин того же типа.

С одной из таких задач я встретился в самом начале моей консультационной деятельности. Ко мне явился молодой инженер датчанин Якобсен из отдела моторов и рассказал о частых поломках главного вала машин некоторого типа, спроектированных в его отделении. Расчеты по обычным формулам на изгиб и кручение дают напряжения не превосходящие допускаемых. Он показал также несколько образцов сломавшихся валов. Разрушение во всех случаях произошло от «усталости» металла и произошло в сечении резкого изменения в диаметре вала. Какой либо «выкружки», соединяющей участки вала разного диаметра, совсем не было. Ясно, что в переходных сечениях происходила концентрация напряжений. При вращении вала эти напряжения меняют не только величину, но и знак, и таким образом, дают начало разрушению от «усталости». Все это я объяснил Якобсену, но этого общего объяснения недостаточно для конструктора. Он должен иметь формулу, при помощи которой в каждом частном случае можно выбрать нужный радиус соединительной выкружки. Но такой формулы не было. Было только установлено дифференциальное уравнение для этого случая. Была известна также попытка решения этого сложного уравнения графическим путем. Я предложил Якобсену развить этот графический метод и кое‑что было сделано в этом направлении. Но Якобсен нашел более удобный метод решения задачи. Он заметил, что нужное уравнение теории упругости совпадает с уравнением, описывающим распределение потенциала в пластинке, через которую пропускают электрический ток. Если контур пластинки совпадает с контуром диаметрального сечения вала и ее толщина пропорциональна кубу расстояния от продольной оси пластинки, то падение потенциала вдоль выкружки пропорционально искомому напряжению в вале. Пользуясь этим соотношением Якобсен мог составить таблицу максимальных напряжений для разных значений отношения радиуса выкружки к диаметру вала. Таким образом, была разрешена важная техническая задача и таблица Якобсена приводится теперь во многих учебниках.

Немало задач получалось также из отдела, в котором проектировались большие машины для электрических станций. Тут мне пришлось работать с выдающимся шведским инженером Содербергом. Вспоминаю случай ротора большего диаметра, боковые вибрации которого при обычных заводских испытаниях доставляли немало хлопот. Происходило это оттого, что нормальная скорость ротора совпадала с его критической скоростью. Обычные расчеты давали для критической скорости значения более высокие нежели скорости испытания, но эти расчеты предполагали, что мы имеем дело с цельным ротором, а на самом деле роторы больших диаметров составлялись из круглых дисков, сжатых продольными болтами. Хотя болты делались из стали высокого качества и натяжением их производилось большое сжимающее напряжение между дисками, но все же боковая жесткость составных роторов значительно ниже, чем цельных роторов. Чтобы объяснить это, были произведены в лаборатории опыты на сжатие колонн, составленных из кубиков. Опыты показали, что при самой тщательной шлифовке соприкасающихся сторон кубиков, сжимаемость таких составных колонн значительно бо́льшая, чем колонн цельных. В дальнейшем Компания отказалась от применения составных роторов и перешла к применению цельных роторов. Но тут появились новые трудности. Оказалось, что при самом медленном охлаждении в поковках значительных диаметров создавались значительные «начальные» напряжения, которые, при дальнейшей механической обработке роторов, проявлялись в виде неожиданных и вредных деформаций. Вопрос о начальных напряжениях в больших поковках в то время был совсем не разработан и потребовалось немало экспериментальных исследований, чтобы составить картину распределения этих напряжений.

Немало затруднений представляли «начальные» напряжения при сборке и обработке коммутаторов больших электрических машин. Чтобы придать меди надлежащую жесткость, медные бруски коммутаторов подвергались интенсивной холодной обработке, причем, конечно, вводились высокие начальные напряжения. Напряжения эти проявлялись в деформациях, возраставших с временем. Точная вначале цилиндрическая поверхность коммутатора постепенно искривлялась. Коммутатор начинал искриться. Чтобы устранить этот недостаток, нужно было повышать жесткость медных брусков такой холодной обработкой, при которой не вводились бы начальные напряжения. В то время были выработаны простые методы для изучения этих напряжений.

Много исследовательской работы было проделано для отдела железнодорожных сообщений. В это время велась электрофикация Пенсильванской железной дороги и в связи с этим возник целый ряд новых задач. Строительство паровых локомотивов имело столетнюю давность. Размеры частей этих локомотивов определялись постепенно чисто эмпирическим путем. Изменялись давления колес на рельсовый путь. Опытных данных не было и нужно было разрешать задачи о прочных размерах электрических локомотивов теоретическим путем. Заводы, строившие паровозы, не могли успешно решать вопросы, связанные с постройкой электровозов и в конце концов Компания Вестингауз должна была взять на себя не только проектирование электровозов, но и исследование прочности рельсового пути.

Американские железные дороги были построены людьми практиками без всякого формального технического образования и в управлениях крупнейших железнодорожных линий не было людей с высшим техническим образованием. Вопрос о прочности рельсового пути должен был быть разрешен железнодорожным отделом Компании совместно с механическим отделом Исследовательского Института. Пользуясь моими русскими работами по вопросу о прочности рельсового пути, я составил программу предстоящего опытного исследования. Некоторые предварительные опыты были выполнены в лаборатории Исследовательского Института и после этого целый ряд опытов был произведен на нескольких американских железнодорожных линиях. Впоследствии отчеты об этих опытах появились в американской технической литературе. Некоторые результаты были доложены мною на Международном Конгрессе Прикладной Механики в Цюрихе в 1926 году.