Личный кабинет
Николай Иванович Мерцалов: термодинамика, динамика механизмов, прикладная механика
Николай Иванович Мерцалов
(03.03.1866–13.11.1948)
Российский и советский учёный-механик, в 1944 году получивший звание «Заслуженного деятеля науки и техники» РСФСР и награждённый орденом Ленина.
Отцом его был начальник 1-го отделения Тульской казённой палаты, потомственный дворянин и широко образованный человек, который любил художественную литературу и лично знал И.С. Тургенева и М.Е. Салтыкова-Щедрина. Мать происходила из семьи потомственных тульских оружейников.
Учившийся с ним в Тульской гимназии Викентий Викентьевич Вересаев вспоминал о нём как о «звезде нашего класса» и оставил о нём следующие записи:
Там, у учителя Томашевича, живёт „звезда“ нашего класса, Мерцалов. У него огромная, прекрасно сформированная голова, мы уверены, что из него выйдет Ньютон или Гегель. В споре о Сократе он совсем забил нашего учителя истории Ясинского, по математике он самостоятельно прошёл дифференциальное и интегральное исчисление... Вот! Сидит у себя в комнате всю ночь напролёт и изучает интегральное исчисление.
<...>
Он никогда не бегал, не играл. На переменах, когда мы бились на „сшибалке“ или бегали вперегонки, он степенно расхаживал с кем-нибудь вдоль забора и „беседовал“. Товарищи относились к нему с невольным почтением, более сильные не смели его задирать. Прозвище ему было — Сократ...
В 1884 году Николай Иванович поступил на математическое отделение физико-математического факультета Московского университета, а после окончания несколько лет работал на машиностроительных заводах в Германии, где одновременно посещал лекции в Дрезденском высшем техническом училище. Вернувшись в 1892 году в Россию, он сдал магистерские экзамены. Окончив Императорское Московское техническое училище, он получил звание инженера-механика и с 1895 года работал здесь преподавателем. Вскоре по рекомендации Н.Е. Жуковского он был избран адъюнкт-профессором*, а с 1913 по 1930 год проработал в должности ординарного профессора**. Также преподавал в Московском университете и в Московском сельскохозяйственном институте.
*Адъюнкт-профессор — должность в системе высшего образования в дореволюционной России, предполагавшая роль помощника или заместителя профессора.
**Ординарный профессор — должность, предполагавшая заведование кафедрой, работу в университетском совете и чтение курсов, входивших в обязательную программу.
Широко известен своими курсами по теории механизмов и машин, кинематике пространственных механизмов, термодинамике.
В 1914 году вышел прочитанный им курс лекций Мерцалова «Динамика механизмов». По существу, этот курс представлял собой научно-исследовательскую работу, где впервые в мировой науке обобщались оригинальные методы динамического анализа машин и механизмов. В вышедшем в 1916 году курсе «Кинематика механизмов» Николай Иванович изложил основы кинематической геометрии и их применения к задачам исследования механизмов.
В 1932 году вышла статья «Термодинамика», ставшая обобщением многолетних трудов. В этой статье Николай Иванович доказал, что теорема Нернста является простым следствием двух первых принципов. Также впервые им было доказано важное свойство простых тел: по мере приближения абсолютной температуры к нулю теплоёмкости тел тоже стремятся к нулю.
В дальнейшем Николай Иванович внёс много нового и оригинального в разработку теории пространственных механизмов («Пространственная семизвенная шарнирная цепь», 1936 г.; «Построение последовательных положений звеньев пространственного семизвенного шарнирного механизма (семизвенника)», 1940 год), в проектирование пространственных зубчатых передач по развёртывающимся и неразвёртывающимся поверхностям, в разработку проблем гидродинамической теории смазки, в развитие общей теории сельскохозяйственных машин, решил некоторые частные случаи задачи о гироскопе («Задача о движении твёрдого тела, имеющего неподвижную точку», 1946 год).
Ученики Мерцалова — В.В. Добровольский, Л.П. Смирнов, Н.Д. Лучинский — свидетельствовали, что его лекции отличались оригинальностью изложения, ясностью предлагаемых методов, широтой охвата вопросов. В Научно-технической библиотеке хранится ряд прижизненных изданий лекций и исследований Николая Ивановича, как типографских, так и литографических. Предлагаем вам остановиться на некоторых из них.
Издательство «И.Т.У.», разрешено лично Николаем Ивановичем, о чём свидетельствует его подпись.
Термодинамика : лекции, читанные на 3 курсе механического отделения в осеннем полугодии 1899-1900 академическом году / Мерцалов Н. И. ; Императорское Московское Техническое училище. - М. : Типо-литография Ю. Венер, [1900]. - 204 с., [7] с. прил.
Лекции эти начинаются с определения термодинамики, её истоков, перечисления основоположников, а также изложения её первого принципа (закона эквивалентности):
Термодинамикой называется наука о движущей силе тепла. Эта наука новая, и её принципы и основы положены только в 20–40-х годах главным образом благодаря замечательным трудам Сади Карно и Роберта Майера.
С. Карно обессмертил себя открытием принципа, по которому должен действовать термический двигатель, чтобы дать при этом наибольший коэффициент полезного действия.
Николай Иванович находит весьма примечательным тот факт, что Карно совершил своё открытие, находясь, в сущности, на ложной почве, поскольку «он считал теплоту за невесомую жидкость, которая, подобно весомой, способна производить работу с тем лишь различием, что роль разности уровней первой во второй исполняет разность температур».
Что касается Майера, врача по профессии, то Николай Иванович отмечает, что Майер первый установил истинную связь между теплом и работой, доказав, что при всяком получении работы за счёт тепла тратится этого тепла «вполне определённое количество и что таким образом данное количество тепла выражает собою ... определённый запас работы». Обратно, за счёт известного запаса механической работы может быть получено также определённое количество тепла.
Далее Николай Иванович останавливается на разнице между исследованиями Майера и Румфорда:
Подобную же связь установил и гр. Румфорд, для чего он сверлил бронзовый цилиндр и определял затраченную на это работу и количество выделившейся теплоты, но этот опыт не мог дать положительных результатов, так как не было известно, какая часть работы уходила на разъединение частиц бронзы. Майер избежал этой неопределённости, воспользовавшись опытом Гей-Люссака, из которого видно, что работа разъединения частиц газа равна нулю.
...
На основе опытов Гей-Люссака было найдено, что теплоёмкость газов при постоянном давлении больше теплоёмкости при постоянном объёме ... Это явление объяснил Майер и таким образом установил первый принцип термодинамики.
После этого Николаем Ивановичем описываются опыты, которые подводят к тому, что «существует одно и единственное постоянное соотношение между определённым количеством теплоты и получаемой за счёт её работы», в чём и состоит первый принцип термодинамики, который он называет принципом Майера или принципом эквивалентности.
Далее следует непосредственно сам курс термодинамики:
- Теорема живых сил в применении к физическим телам. Внутренняя энергия. Аналитическое выражение первого принципа термодинамики. Характеристическое уравнение газа;
- Графическое изображение процесса. Процессы обратимые и необратимые;
- Понятие о цикле. Полезная работа цикла. Обратимость циклов. Цикл Карно;
- Второй принцип термодинамики или принцип Карно. Постулат Клаузиуса. Принцип Томсона. Коэффициент полезного действия цикла Карно;
- Теорема Клаузиуса;
- Энтропия. Тепловые диаграммы;
- Практическое выполнение цикла Карно. Регенераторы;
- Приложение принципов термодинамики к газам;
- Характеристические постоянные смеси газов;
- Двигатели с внешней топкой;
- Коэффициент полезного действия двигателя Лемана;
- Процесс горения;
- Цикл двигателей с внутренней топкой;
- Цикл газовых двигателей;
- Экономический коэффициент теоретического цикла;
- Сгорание при постоянном объёме;
- Полезное действие газовых двигателей;
- Двигатель Отто и двигатель Дизеля.
Второй раздел называется «Свойства паров» и включает следующие темы:
- Парообразование паров. Предельные кривые;
- Характеристическое уравнение насыщенного пара. Применение принципов термодинамики к насыщенному пару;
- Построение тепловой диаграммы;
- Различные процессы с насыщенными парами;
- Смешение паров;
- Конденсаторы;
- Перегретый пар.
И завершается издание «Таблицами для паров».
Динамика механизмов : лекции / Мерцалов Н. И. - [М.], [1914]. - 400 с. : ил.
Читать онлайн Предметом данного курса является изучение динамических условий работы машин, а основной задачей — выяснение условий, при которых весь комплекс сил, проявляющих в машине своё действие, мог работать наиболее производительно. Николай Иванович отмечает:
Само собой разумеется, что сопротивления, представляемые при этом самой машиной ... должны быть сведены к минимуму, что вызывает необходимость в наиболее совершенном с указанной точки зрения конструировании всех этих частей, а значит, и всей машины.
Второй вопрос, который рассматривается в курсе, — вопрос о получении наиболее выгодной работы данной машины в продолжении сколь угодно значительного промежутка времени:
Обеспечение возможности этого сводится, как мы увидим ниже, к обеспечению удержания скоростей частей машины или, точнее говоря, скорости вращения главного, коренного вала в известных узких, заранее нами поставленных пределах. Это будет, таким образом, вопрос о регулировании хода машин.
Первая часть лекций называется «Трение в машинах» и включает в себя следующие разделы:
- Трение скольжения;
- Равновесие точки на поверхности при наличии сил трения. Область равновесия;
- Движение маятника с трением;
- Наклонная плоскость;
- Клин;
- Зубчатые колёса;
- Ременная передача;
- Трение качения. Общие соображения. Связь трения качения с трением скольжения.
Вторая часть лекций посвящена динамическому исследованию плоских механизмов и состоит из следующих частей:
- Предварительные соображения. Диаграмма свободных усилий. Формулировка основных задач;
- Теорема о центре качания.
Прикладная механика. Вып. 3 (временный) с атласом чертежей; Классификация механизмов / Мерцалов Н. И. - М. : Типо-Литография И. Х. Кувыкина, 1911. - 142 с., 16 л. черт., 79 с., [8] л. черт.
Рассказ Николая Ивановича Мерцалова о прикладной механике начинается с общего определения механизма и понятия кинематической пары:
Всякий механизм служит нам орудием, при помощи которого мы заставляем силы производить только определённые, нужные для нас движения. Отсюда следует, что каждая деталь механизма имеет некоторое вполне определённое движение относительно прочих деталей, — определённость же эта достигается тем, что все ненужные движения какой-либо части устраняются соответственным сопротивлением других частей.
Каждая деталь имеет соответствующую себе другую деталь, так или иначе определяющую относительно движение первой, следовательно, в механизме мы имеем всегда парное сочетание деталей, и простейшим механизмом будет одна пара таких деталей или, как говорят, кинематическая пара.
Далее следует подробный разбор кинематических пар:
- Кинематическая цепь. Шарнирный четырёхугольник. Теорема Грасгофа;
- Замена вращательных пар поступательными. Ползун;
- Модификации шарнирного четырёхугольника с помощью замены вращательной пары поступательной;
- Механизм паровой машины;
- Механизм качающейся паровой машины;
- Механизм Уитворта;
- Дальнейшие модификации четырёхшарнирного механизма с помощью замены двух вращательных пар поступательными;
- Муфты Ольдгэма;
- Станок Леонардо да Винчи;
- Эллипсограф;
- Двойной ползун;
- Переход через мёртвые положения;
- Кинематическая цепь с пятью вращательными парами;
- Упрощённые доказательства теоремы Савари;
- Передача движения;
- Планетное колесо Уатта;
- Механизм для изменения скоростей вращения;
- Парадокс Фергюсона;
- Преобразование вращательного движения в поступательное с произвольным отношением скоростей;
- Графический приём решения задачи с построением направляющих механизмов.
В конце издания имеется приписка, согласно которой этот выпуск вместе с прилагающимся к нему атласом можно обменять на третий выпуск курса «Теории механизмов».
Прикладная механика. Вып. 3 (временный): Атлас чертежей / Мерцалов Н. И. - М. : Типо-Литография И. Х. Кувыкина, 1911. - 16 с.
Знакомство с лекциями Николая Ивановича Мерцалова позволяет погрузиться в историю науки и понаблюдать за развитием научной мысли. Значительная часть учебных пособий, как правило, предлагает логичное и последовательное повествование о совершённых открытиях, лекции же представляют живой рассказ о состоянии науки в определённый период. Обращение к оригинальным работам позволяет познакомиться с мышлением исследователя, увидеть, как он оценивает достижения предшественников и современников, на что он обращает внимание и почему.
Составитель:
Оленева Яна Александровна
Искусствовед, библиотекарь 1 категории
НТБ МГТУ им. Н.Э. Баумана
