Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS83_t21z1_4_PDF_artyku³y\mts83_t21z4.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I  STOSOWANA 4,  21 (1983) MECHANIKA  DOŚ WIADCZALNA — PROBLEMY  I  KIERUNKI  ROZWOJU" JACEK  S T U P N I C K I  ,J Politechnika W arszawska Rozwój  mechaniki jest  nierozerwalnie  zwią zany  z  rozwojem  doś wiadczalnych  metod badań. Bez obserwacji  zjawisk  i procesów mechanika w obecnej swojej formie  nie mogł aby istnieć,  był aby  nauką   abstrakcyjną   poruszają cą   się   w  hipotetycznej  przestrzeni.  Badania doś wiadczalne  w  przeszł oś ci  stymulował y  rozwój  mechaniki,  a  coraz  dokł adniejsze  ob- serwacje  i pomiary  zmuszał y  do  doskonalenia  teorii  i zwią zanych  z  nimi  modeli matema- tycznych. Współ czesna  nauka  i  technika  stawia  przed  mechaniką   nowe  problemy,  które  mogą być efektywnie  rozwią zywane  jedynie  w ś cisł ej koordynacji  badań doś wiadczalnych  i teore- tycznych. Jednakże obserwują c  ż ycie naukowe w kraju  i zagranicą  zauważ amy brak  koordy- nacji  takich badań. Badania  doś wiadczalne  i teoretyczne  są   prowadzone  niezależ nie  przez róż ne  zespoł y  badawcze.  Z  uwagi  na  wymagane  róż ne  predyspozycje  psychiczne,  róż ne zdolnoś ci  i  róż ne przygotowanie  do  prowadzenia  badań,  naukowcy  na  ogół   nie  zajmują się  jednocześ nie badaniami teoretycznymi i doś wiadczalnymi.  Niestety, zespoł y teoretyczne i  doś wiadczalne  tworzą   hermetyczne grupy,  których wyniki  prac są   wzajemnie  niedostę pne i  nieprzydatne. N a  wielu  spotkaniach  Sekcji  Mechaniki  D oś wiadczalnej  Komitetu  M echaniki  PAN postulowana jest  pilna  potrzeba  współ dział ania zespoł ów  teoretycznych  i  eksperymental- nych.  Winna  być  wypracowana  platforma  współ pracy,  sposób  kontaktów  oraz  wspólny ję zyk  dla  opisu  wyników  badań  teoretycznych  i  doś wiadczalnych. N ależy  postulować  wypracowanie  takich  metod współ pracy  by  wyniki  prac  doś wiad- czalnych inspirował y teoretyków  i aby  stawał y się  podstawą   do powstawania  teorii i uogól- nień. Podobnie wyniki  prac teoretycznych  winny  wskazywać  cele badań  doś wiadczalnych, winny  opisywać  przypadki,  których  przebadanie  może  potwierdzić  lub  obalić  teorie. D opiero  ś cisłe  powią zanie  eksperymentu  i  teorii  może  prowadzić  do  harmonijnego  roz- woju  mechaniki  [12]. Współ czesne  cele  badań  doś wiadczalnych  w  mechanice  pokrywają   się   ze  strategicz- nymi  kierunkami  w  zakresie  mechaniki  oś rodków  cią gł ych  i  mechaniki  konstrukcji. Wzrasta  zapotrzebowanie  na  nowe  zwią zki  konstytutywne  coraz  bardziej  precyzyjnie opisują ce  wł asnoś ci materiał ów i  uwzglę dniają ce  wpływ  na materiał y.róż nych  czynników, 0  N iniejsze'opracowanie  jest  rozwinię ciem  fragmentu  raportu  opracowanego  przez  zespól:  B.  R a- dziszewski,  P.  Rafalski,  K.  Sobczyk,  J.  Stupnicki,  K.  Wilmań ski,  dla  Kom itetu  M echaniki  P AN . 566  J-   STU PN ICKI mię dzy  innymi  czasu, temperatury, promieniowania, historii  deformacji,  struktury  krysta- licznej. Aby  te zwią zki  ustalić prowadzone są  badania w zakresie  duż ych  odkształ ceń, obcią ż eń cyklicznych,  obcią ż eń  udarowych.  Badana jest  propagacja  fal  naprę ż eń, propagacja  czoła szczeliny,  badane  są   wł asnoś ci  lepkosprę ż yste  i  lepkoplastyczne,  oś rodki  o  niejedno- znacznych  zależ noś ciach  naprę ż eń  od  odkształ ceń.  Ponadto  badania  doś wiadczalne  są niezbę dne  w  zł oż onych  zagadnieniach  technicznych,  w  których  brak  jeszcze  obecnie moż liwoś ci  analiz  teoretycznych  i  numerycznych.  Wyniki  badań  doś wiadczalnych  są uznawanym  dowodem  prawidł owoś ci  decyzji  podję tych  przez  konstruktorów  i  popraw- noś ci  wyników  uproszczonych  obliczeń  sprawdzają cych.  W  wielu  dziedzinach  postę p techniki  nie  może  czekać  na  rozwią zania  teoretyczne.  Jeszcze  obecnie,  wskutek  braku rozwią zań  teoretycznych  jedynie  w  oparciu  o  badania  doś wiadczalne  konstruktorzy uwzglę dniają   procesy  zmę czenia,  mechaniki  pę kania,  pł ynię cie  materiał u,  zagadnienia kontaktu  z  udział em tarcia  i  wiele  innych. Badania  doś wiadczalne  stanowią   nierozł ą czne  ogniwo  systemu  automatycznego  ste- rowania,  cią gł ej  analizy  stanu.  Znajduje  to  potwierdzenie  w  ukł adach sterowania  lotów samolotów  i  pojazdów  kosmicznych,  pł ywania  statków,  stanów  urzą dzeń  technicznych, reaktorów  atomowych,  zapór,  mostów,  sterowania  ruchem  robotów  przemysł owych. Metody badań doś wiadczalnych są  wł ą czone w linie montaż owe fabryk  stanowią c podstawę kontroli  produkcji,  procesów,  kontroli  jakoś ci. N owe generacje  komputerów zdają   się   mieć nieograniczone moż liwoś ci jednak  obecny okres  cechuje  utrata  zaufania  do  efektywnoś ci  metod  numerycznych,  okazał y  się   one bardzo  kosztowne  i  ż mudne  w  zakresie  badań  zł oż onych  konstrukcji  z  materiał ów 0  skomplikowanych  wł asnoś ciach  Teologicznych,  procesów  przebiegają cego  w  czasie procesów  peł zania, zjawisk  falowych,  procesów  ze  zmianą   fazy  lub  obszaru. Jednakże  rozwój  komputerów  i  rozwój  systemów  automatycznej  regulacji  stymuluje rozwój  metod  doś wiadczalnych.  Metody  badań, które  dawniej  nie  mogł y być  stosowane z uwagi  na zbyt  pracochł onny  proces  analizy  wyników  obecnie są   akceptowane.  Powstał o szereg  ukł adów  sprzę ż onych  z  komputerem, gdzie  wyniki  pomiarów  są   zbierane  i  syste- matyzowane  i  analizowane  przez  komputer  a  efekt  koń cowy  podawany  jest  w  postaci wykresów lub wartoś ci  liczbowych.  Powstał y ukł ady, w których stanowisko  doś wiadczalne poł ą czone  jest  bezpoś rednio  z  komputerem, a  wyniki  analizowane  na  bież ą co  w  trakcie badań  sł użą   do  sterowania  dalszym  przebiegiem  pomiarów. Rozwój  tej  techniki  badań jest  efektem  wielkich  nakł adów  finansowych  na  badania kosmiczne gdzie  tysią ce  róż nych pomiarów wykonywane  i analizowane stanowią   podstawę do korekty  trajektorii  lotu,  naprowadzenia  na  właś ciwą   orbitę . Zupeł nie  nowe  moż liwoś ci  stworzył y  automatyczne  ukł ady  przetwarzania  obrazów stosowane  do analizy  danych polowych  np.  elastooptyki  czy interferometrii holograf icznej, oparte  o  zasady  techniki  telewizyjnej.  N umeryczny  zapis  obrazu  wymagają cy  zapamię - tania miliona danych w cią gu  uł amka sekundy wymaga  zupeł nie nowych systemów pamię ci komputerów  oraz  ogromnych  komputerów  dla  póź niejszego  czy  równoległ ego  przetwo- rzenia  takiej  liczby  danych —  eliminowania  szumów  i  bł ę dów  przypadkowych. Efektywne  okazał y się   metody hybrydowe  wykorzystują ce  zalety  metod numerycznych 1  metod  doś wiadczalnych.  Filozofia  tego  typu  badań  polega  na  eliminacji  z  algorytmu M E C H AN I K A  D O Ś WI AD C Z AL NA  •   567 obliczeń  n um eryczn ych  tych  etapów,  które  są   bą dź  bardzo  czasoch ł on n e lu b  n iem oż liwe do  przeprowadzen ia  i w  to  miejsce  wprowadzan ia  stan owiska  doś wiadczaln ego,  gdzie  d a n e zjawisko  przebiega  w  rzeczywistoś ci,  n ie  podlega  wię c  uproszczen iom  zwią zan ym  z  two- rzen iem  m odelu  m atem atyczn ego. Jeś li  dla  przykł adu  analizie  podlega  u kł ad  sprę ż ysty  w  cał ym  obszarze  z  wyją tkiem jedn ego  podobszaru,  w  kt ó rym  m ateriał   m a  wł asn oś ci  lepkosprę ż yste  t r u d n e  do  opisu m atem atyczn ego  lub  n iejedn ozn aczn ie  zdefiniowane,  wówczas  tworzym y  m o d el  m a t em a - tyczny  cał ego  u kł ad u  wł ą czając  do  niego  dan e  zbieran e  w  trakcie  przeprowadzen ia  doś- wiadczenia  n ad  m odelem  fizycznym  podobszaru  lepkosprę ż ystego  [6].  O st at n ią   d ekad ę cechuje  ż ywioł owy  rozwój  m et od  doś wiadczalnych.  M etody  i  tech n iki  t u  st o so wan e  stają się   bliż sze  badan io m fizyków  w  zakresie  badan ia  m at erii, korzystają   z m et o d  au t o m at ycz- n ego  sterowan ia,  opierają   się   n a  ś ciś le  okreś lon ych  m odelach  fizycznych  [11]. Badan ia  doś wiadczalne  daleko  odeszł y  od  p o m iaró w  rutyn owych,  p rzep ro wad zo n ych zgodn ie  z  n orm am i  ko n t ro li  jakoś ci. Z e  zbioru  kilkuset  opisan ych  zjawisk  fizycznych  m ają cych  zwią zek  z  procesam i  m e- chanicznym i  tj.  ruchem , przemieszczeniem  i  odkształ cen iem ciał   d o  n iedawn a  wykorzysta- n o  jedyn ie  kilka  (najczę ś ciej  zm ian ę   oporn oś ci  wł aś ciwej,  efekt  elastooptyczn y,  zjawisko piezoelektryczne  i  term oelektryczn e).  W  ost at n im  okresie  do  bad ań  m ech an iczn ych wcią gnię to  • — emisję   akustyczną   [13],  m agn etostrykcję   [5]  i  emisje  pro m ien io wan ia  pod- czerwonego  [14],  zm ian ę   polaryzacji  w  ciekł ych  kryształ ach ,  dwójł om n ość  strum ien ia cieczy  [9],  [10]. W  coraz  szerszym  zakresie  do  iloś ciowych  bad ań  wł asn oś ci  m ech an iczn ych , n aprę ż eń wł asnych  stosuje  się   m etody  akustyczn e  p o m iaru  prę dkoś ci  propagacji  fal  akustyczn ych [15]. Istnieją   próby  wł ą czen ia  do  badań  procesów  m ech an iczn ych  zjawiska  absorpcji ś wiatł a,  dichroizm u  [8],  wykorzystan ia  dodatkowych  p ó l  fizycznych  w  elastooptyce  n p. efektu  K erra,  F araday,  C o t o n - M o u t o n a, efektu  P ockelsa  i  in n ych  [1]  [8].  P r o p o n o wa n e jest  zastosowan ie  czujników  atom owych  do  bad an ia  efektów  lokaln ych  n ap rę ż eń  w  krysz- tał ach  [4]. D zię ki  szerokiem u  rozwojowi  laserowych  ź ródeł   ś wiatła powst ał y  zupeł n ie n o we  m oż li- woś ci  bad ań  przem ieszczeń,  bad ań  kształ tu,  odkształ ceń ,  m et odam i  in t erferom et rii  h o- lograficznej  i in terferom etrii  plam kowej.  Z ostał   rozszerzon y  zakres  bad ań  elastooptyczn ych n a  badan ia  brył   trójwym iarowych  m etodam i  ś wiatła  rozpraszan ego.  Sprzę ż en ie  ba d a ń elastooptycznych  z  holograficzn ym i  dostarcza  dodat kowych  informacji  a  ba d a n ia  elasto- optyczne  w  zakresie  prom ien iowan ia  podczerwon ego  rozszerzają   zakres  m oż liwoś ci  speł - n ien ia  warun ków  podobień stwa  m odelowego  [2].  W  t ym  też  kieru n ku  idą   stał e  poszuki- wania  nowych  polim erów  optyczn ie  czynnych  i  optyczn ie  nieczynnych  o  specyficznych wł asnoś ciach  m echan iczn ych  w  szerokim  zakresie  t em perat u r. Literatura  cytowana  w tekś cie 1.  H.  ABEN,  Additional Physical Fields  in Photoelasticity,  IUTAM  Symposium The Photoelastic  Effect and  Its  Applications  OTTIGNES  1973,  Springer  Verlag  1975,  str.  294- 316. 2.  G .  L.,  CLOUD,  J.  T.  PINDERA,  T echniques  in Infrared Photoelasticity,  Experimental  Mechanics 8, 193- 201,  1968. 568  J .  STU PN ICKI 3.  J. W.  D ALLY,  Classical and Advanced Methods of Photoelasticity, I U TAM  Symposium The  Photoelastic E ffect  a n d I t s  Ap p li c a t i o n s  O T T I G N E S  1973, Sp rin ger  Verlag  1975, 17 -   102. 4.  J.  D U R AN ,  T he Use of  Atomic  Gavges for  Studying  L ocal Stress  Effects  in  Crystals, I U TAM   Sympo- sium T h e P hotoelastic Effect  and I ts Applications OTTIG N ES  1975  Springer  Verlag  1975,  257- 271. 5.  L.  JI LK E N ,  Electromagnetic  Detection  of  Mechanical Phenomena,  Linkoping  Studies  in Sciences and Technology,  D issertation Linkoping  1978. 6.  K.  H .  LAEU MAN ,  Hybrids  Analysis  of  Plate  Problems,  Experimental  Mechanics 21,  N .  10,  1981. 7.  W. P.  M ASON ,  Physical Acoustics and Properties  of  Solids, D  van  N ostrand Co Inc. N ew York  1958. 8.  S.  P AU TH I E R —C AM I KR ,  T he  Available  Experimental  Methods for  Measure  the  Optical  Properties of Matter,  I U T AM  Symposium The  Photoelastic Effect  and Its Applications  OTTIG N ES  1973 Springer Verlag  1975,  231- 257. 9.  W.  P H I LI P OF F , Flow  Birefringence  and  Stress,  J  Appl.  Physics  27,  984- 989,  1956. 10.  J. T.  P I N D ER A,  A. JR..  KRISH N AM U RTH Y,  Characteristic Relations  of  Flow  Birefringence,  Part  1. Relation  in  Transm itted  R adiation , Exp.  Mech.  18.  1 -  10,  1978,  P art  2.  Relations  in  Scattered R adiation ,  E xp.  M ech.  18,  41 -  48,  1978. 11.  J. T.  P IN D ERA,  N ew  Physical  T rends in Experimental  Mechanics, CISM   Courses and Lectures n o. 264 Springer  Verlag  1981. 12.  J.  STU P N I C KI ,  Raport  o  stanie  mechaniki eksperymentalnej  w Polsce, przygotowany  przez  Sekcję  Me- chaniki  D oś wiadczalnej  Komitetu  M echaniki PAN . 13.  A.  S.  TETELM AN ,  R.  G H O W:  Acoustic  Emission,  ASTM   STP- 505, p.  30-   40,  Philadelphia  ASTM , 1972. 14.  V.  TU R C H I N A,  D . M.  SAN BORU ,  W. O.  WI N ER ,  T emperature Measurement  in  Sliding  Elastohydrody- namtc  Point  Contacts,  Transaction  of  the  ASM E,  July  1974. 15.  A.  VARY,  Quantitative  Ultrasonic  Evaluation of  Mechanical Properties  of  Engineering  Materia.,  1981, U ltrasonic  Symposium. Praca  został a  zł oż ona  w  Redakcji  dnia  20  kwietnia  1983 roku