Stjepan Jecić:
EKSPERIMENTALNA MEHANIKA U HRVATSKOJ
Uvod.
Mehanika je pojam poznat iz Fizike koji obuhvaća gibanje tijela pod djelovanjem sile (Newtonova ili klasična mehanika) kao i dijelove znanosti koji izučavaju tijela i čestice u širem smislu (npr. gibanje subatomskih čestica, kvantna mehanika i dr.).
Za potrebe inženjerstva (strojarstvo, brodogradnja, građevina, elektrotehnika…) razvijena je tehnička mehanika na poznatim temeljima iz fizike, obuhvaća i razvija formulaciju inženjerskih problema (npr. vibracije mosta ili zrakoplovnog krila, savijanje ploče, strujanje kroz profilirani otvor), njihovu matematičku formulaciju te traži njihova rješenja putem razvijenih analitičkih i numeričkih postupaka, ali nerijetko pribjegava i fizičkom modeliranju problema u laboratoriju, kojemu rješenja traži eksperimentalno.
U tehničkoj mehanici mogu se razlikovati problemi vezani uz fluide (kapljevine, plinovi) ili uz realna čvrsta tijela koja imaju svojstva deformabilnosti i pomake vlastitih čestica, ili ih se radi jednostavnosti, ovisno o problemu, smatraju idealno krutim. U mehanici fluida važni su pokazatelji tlak, strujanje i otpor gibanju. dok su to kod čvrstih tijela promjene oblika (pomaci i deformacije) i položaja.
Razvoj eksperimentalne mehanike
U ljudskoj povijesti od davnine su poznata nastojanja čovjeka da životne probleme rješava uzastopnim pokušavanjem. Kasnije su ljudi svoju znatiželju o nepoznatom rješavali pokusima. Ta je djelatnost pojedinaca nerijetko dovodila do novih spoznaja ili zakonitosti.
Grčki matematičar Arhimed (287-212. pr. Kr.) promatrao je ponašanje uronjenog tijela u vodu, što je dovelo do novih hidrostatičkih spoznaja (Arhimedovi zakoni), a odredio je i zakone poluge. Manje je poznato da je Leonardo da Vinci (1452.-1519.) pored umjetnosti dao prve doprinose hidraulici i aerodinamici. Ostavio nam je pojam propelera, lanca, zupčanika opruge, koji su i danas suvremeni. Galileo Galilei (1564-1642.), talijanski utemeljitelj fizike, postavio je zakone slobodnog pada, gibanja niz kosinu, uveo je pojmove tromosti i ubrzanja te objasnio gibanje kosog hica. Pored toga bio je vrsni astronom i konstruktor novih optičkih uređaja (dalekozor). Ruđer Bošković (1711-1787.), naš svestrani istraživač i tumač u širokom području prirodne filozofije, bavio se eksperimentalno pomoću njihala gravitacijom, kao i njezinom središtu (Središte teže) te ovisnosti o mjestu na Zemlji.
Mnogi su i u drugim dijelovima znanosti povijesno poznati zbog upornosti i genijalnosti. Svi su oni djelovali i radili pretežno samostalno, bez u to vrijeme organiziranijih znanstvenih institucija. Ipak, uz njih su bili i učenici-suradnici, koji su tvorili tzv. škole (npr. Jonska, Pitagorejska, Elejska i dr.), posebno u Grčkoj. S vremenom se organiziraju sveučilišta (npr. u Italiji sveučilišta u Padovi, Firenci) kao zajedništvo učenika i profesora. Tek se u 19. stoljeću javljaju škole, posebno više i visoke, koje u svojim strogo postavljenim obrazovnim programima pokrivaju ne samo do tada poznata znanja, već djeluju i kao istraživački centri za otkrivanjem novih. Tako se u europskim zemljama osnivaju visoke škole i sveučilišta, među kojima su već tada šire poznate visoke škole u Pragu, Švicarskoj (ETH), Njemačkoj, Francuskoj i drugdje. Svi ti tehnički školski i studijski programi sadrže, pored matematike i znanja iz tehničke mehanike, a poneki imaju i organizirane nastavne i istraživačke laboratorije. U laboratorijima koriste se spoznaje iz fizike, pomoću kojih se razvijaju postupci na temelju promjene električkog otpora, kapaciteta ili indukcije te promjene posebnih optičkih efekata. Tim se postupcima pomaže projektiranje i ocjena stvarnih mehaničkih konstrukcija.
Razvoj laboratorija mehanike u Hrvatskoj
Nastojanjem Društva inženjera i arhitekata osniva se krajem 1918. godine u Zagrebu (tadašnjoj državi SHS) Kraljevska tehnička visoka škola. Škola prelazi 1926. u sastav Sveučilišta u Zagrebu pod nazivom Tehnički fakultet s osam odjela (1. Arhitektonski, 2. Građevno-inženjerski, 3. Kulturno-inženjerski, 4. strojarsko-inženjerski, 5. Elektro-inženjerski, 6. Brodograđevno-inženjerski, 7. Brodostrojarsko-inženjerski i 8. Kemijsko-inženjerski). S vremenom, kako je rastao broj studenata, Tehnički fakultet unutar Sveučilišta postaje pre glomazan. Odlukom Savjeta fakulteta dijeli se Tehnički fakultet 1956. na četiri zasebne jedinice. Tako od te godine na Sveučilištu u Zagrebu djeluju samostalni fakulteti: Arhitektonsko-građevinsko-geodetski (AGG), Strojarsko-brodograđevni (SBF), Elektrotehnički (ETF) i Kemijsko-prehrambeno-rudarski fakultet.
Na Tehničkoj visokoj školi osnovan je već 1919. Zavod za ispitivanje gradiva. Prema postojećem statutu Zavod treba, među ostalim zadaćama, upotpunjavati znanja studenata Kr. Visoke tehničke škole iz tehničke mehanike te ih upućivati u metode ispitivanja gradiva s obzirom na fizikalna svojstva. Osnivač i prvi predstojnik Zavoda bio je profesor mehanike Stjepan Prokofjević Timošenko, član Ukrajinske akademije znanosti iz Kijeva. Za vrijeme svog kratkog boravka u Zagrebu opremio je laboratorij Zavoda uređajima za ispitivanje gradiva te je osnovao i Katedru za tehničku mehaniku. Profesor Timošenko odlaskom u SAD 1922. napustio je Zagreb, a Zavod preuzima prof. dr. Konsantin Čališev (1888-1970.) i vodi ga punih 37 godine, sve do 1959.
Preustrojem Tehničkog fakulteta 1956. na četiri zasebna fakulteta, prestaje djelovanje zajedničkog zavoda za tehničku mehaniku. Na građevinskom fakultetu (GF) ostaje Zavod za ispitivanje gradiva, kojega od 1959. vodi prof, dr. Zlatko Kostrenčić, dok se na Strojarsko- brodograđevnom fakultetu (SBF) osniva novi Zavod za tehničku mehaniku pod vodstvom prof. dr. Davorina Bazjanca.
Pored Zavoda za ispitivanje gradiva osnovanog u prvim godinama života Kraljevske visoke tehničke škole, osniva se 1925 Strojarski laboratorij pod vostvom profesora Leopolda Sorte. Time je i strojarska struka već zarana dobila mjesto istraživanja i ispitivanja.
Nakon rata 1946. osnovan je u sklopu Strojarsko-brodograđevnog i Elektrotehničkog odsjeka Laboratorij za mehaniku i nauku o čvrstoći. Osnivač i voditelj laboratorija bio je profesor Davorin Bazjanac, tada novopridošli znanstvenik Tehničkog fakulteta u području mehanike. Laboratorij je, iako sa skromnom opremom služio za nastavu u višim semestrima te posebno u područjima teorije vibracija i balistike. Uz opremu za mjerenje mehaničkih vibracija te mjernim uređajem s elektrootporničkim mjernim trakama, poslovi Laboratorija mogli su pružati usluge i vanjskim naručiocima. Laborant je tada bio Antun Vučetić, kasnije poznati profesor dinamike, teorije vibracija i dinamike strojeva. Kasnijom reorganizacijom na Strojarsko-brodograđevnom fakultetu razdvaja se dotadašnji laboratorij u dvije jedinice: Laboratorij za dinamiku strojeva i mehanizam (voditelj O. Muftić, M. Stegić) i Laboratorij za čvrstoću (voditelj S. Jecić, M. Husnjak)). Osnivanjem Katedre za eksperimentalnu mehaniku preimenuje se Laboratorij za čvrstoću u Laboratorij za eksperimentalnu mehaniku (voditelj J. Kodvanj).
Prva polovica 20. stoljeća može se ocijeniti kao snažan poticaj razvoju tehničkih znanosti u pedagoškoj, stručnoj i istraživačkoj djelatnosti. Razvoj vrsnih nastavnika u tehničkim disciplinama, razvoj studija šireg područja tehnike te posebno ustrojem sveučilišnih, istraživačkih i laboratorijskih institucija, Hrvatska se uvrstila u poznate i priznate zemlje visoke tehničke znanosti..
Eksperimentalne metode mehanike u Hrvatskoj
Kao početak sistematskih eksperimentalnih ispitivanja u području tehničkih materijala i tehničke mehanike može se uzeti godina 1919, kada je u bivšoj SHS kraljevini osnovana Tehnička visoka škola u Zagrebu. Zavod za ispitivanje gradiva osnovan je već 1920. sa zadaćom „ …da upotpunjuje znanje slušača kr. Tehničke visoke škole na području nauke tehničke mehanike i da ih upućuje u poznavanje ispitivanja sve u tehnici rabljenog konstruktivnog gradiva s obzirom na fizikalna svojstva.“ (Statut Zavoda, 1920.). Zavod je predviđen i kao mjesto znanstvenog i stručnog rada stručnog osoblja Zavoda, ali i vanjskih stručnjaka. U tom je obliku djelovao Zavod za ispitivanje gradiva sve do kraja II. svjetskog rata.
Uključenjem Tehničke visoke škole u Sveučilište u Zagrebu te posebno 1956. stvaranjem samostalnih tehničkih fakulteta unutar Sveučilišta, osnivaju se katedre i laboratoriji za tehničku mehaniku. Posebno se to odnosilo na građevinske (GF) i strojarsko-brodograđevne (SBF) studije, a Zavod za ispitivanje gradiva pripojen je građevini Arhitektonsko-građevinsko-geodetskom fakultetu.
Na građevinskom i strojarskom odjelu već su 1945. postojale katedre i laboratoriji za tehničku mehaniku te se to vrijeme može ocijeniti kao početak znanstveno-istraživačkog rada posebno u području eksperimentalne mehanike.
Mehanika fluida
Može se pretpostaviti da su povijesno postojala i ranije sporadična ispitivanja, posebno u brodogradnji, stabilnosti plovnih objekata. Prvi znanstveni pristup organiziranom ispitivanju plovnih objekata javlja se u Hrvatskoj osnivanjem Brodarskog instituta 1948. godine. Tjekom vremena u Institutu se grade četiri bazena za ispitivanje hidrodinamike plovila te dva kavitacijska tunela za ispitivanje uzoraka. Najveći bazen dugačak je preko 302. m, dubine 6 m, sa simulatorom duljine valova od 40 m. Pored plovnih i kavitacijskih svojstava ispitivana su i svojstva mehaničkih vibracija objekata. U samostalnoj Hrvatskoj nastupile su poteškoće u poslovanju Instituta, koji se u današnje vrijeme nalazi u likvidaciji.
Tenzometrija
Pod tenzometrijom danas se pretežno podrazumijeva primjena elektrootporničkih primaća koji se lijepe na promatrano mjesto objekta (konstrukcije). Pod opterećenjem mijenja se električki otpor u tenzometru, što se promatrana osciloskopu. Tako se mjere lokalne deformacijei iz njih površinske sile (naprezanj). Preko poačala i osciloskopa mogu se promatrati i mehaničke vibracije objekta. Razmješteni tenzometri u okrug željene točke na materijalu, zabušivanjem se oslobađaju unutračnja naprezana (prednapetosti), čime se dodatno dobijaju podaci o materijalu ilideformacijama u okolišu središta kroga. Takva su mjerenja primijenjivana, početkom pedesetih godina 20. st. godinama na strojarskom i građevinskom odjelu Sveučilišta u Zagrebu te u Brodarskom institutu, Đuri Đakoviću i dr. Danas je tenzometrija dio gotovo svakog laboratorija ilki instituta, koji se bave čvrstoćom konstrukcija.
Laboratorijska oprema za tenzometriju pretežno se uvozi, premda postoje primjeri vlastite proizvodnje. Na Strojarskom fakultetu razvijen je vlastiti osciloskop u suradnji s Električkim fakultetom, a na Građevinskom fakultetu pokrenuta je vlastita proizvodnja elektrootporničkih traka već 1953. Pored tenzometera na principu promjene električkog otpora, rjeđe se u Hrvatskoj primjenjuju prijenosni tenzometri, kojima je temelj rada promjena indukcije ili električkog kapaciteta.
Optički postupci
Početkom šezdesetih godina prošlog stoljeća preuzima se, pretežno iz europskih laboratorija, metoda promatranja prozirnih modela u polariziranom svjetlu s ciljem određivanja naprezanja i deformacija. Modeli simuliraju originalne konstruktivne elemente, a prijenos rezultata na original obavlja se posebno razvijenim metodama sličnosti. Prvi opsežniji članak na hrvatskom jeziku objavljen je u Tehničkoj enciklopediji pod nazivom fotoelesticimetrija, koji je prema engl, photelastcity sugerirao tadašnji urednik Rikard Podhorski i koji se kuvriježio u hrvatskoj tehničkoj terminologiji.
Prva promatranja modela provodena su 1964. na strojarskom i građevinskom fakultetu u Zagrebu, te kasnije na drugim sveučilištima.. Polariskopi su bili češke i njemačke proizvodnje, a ploče za izradu modela bile su uvozne pod nazivom Araldit B. Ubrzo se na FSB-u razvija i primjena fotoelastične obloge nalijepljene na originalnu konstrukciju, pri čemu se optički efekt promatra u reflektirajućem polariziranom svjetlu. Ta se metoda razvila i za podloge od ortotrpnog materijala, za što je razvijena teorijska potpora iz teorije elastičnosti anizotropnih tijela. Budući da u ravninskoj fotoelasticimetriji direktno opažanje daje samo podatke o razlici glavnih naprezanja, razvijeni su na FSB-u metode kosog osvjetljavanja modela pomoću staklenih prizmi i metoda primjene rebraste fotoelastične obloge.
Pored ravninskih problema primjenjuje se i promatranje prostornih (3D) stanja deformacija i naprezanja. U tu se svrhu izrađuju modeli strojno ili lijevanjem u kalupe. Modeli se pod opterećenjem izlažu povišenoj temperaturi (150 st.) prema recepturi dobivenoj s TU Mmuenchn. Na taj se način deformacije vežu uz model i nakon hlađenja ostaju trajno vezane uzu model (metoda zamrzavanja). Da bi se izbjegle nepoželjne nuspojave (razlike u mehaničkim svojstvima složenih modela) izazvane visokom temperaturom, razvijen je na FSB un Zagrebu postupak zračenja modela gama zrakama bez povišenja temperature. Za objekte kod kojih su glavna naprezanja u presjecima nedostupnim promatranju u polariziranom svjetlu razvijena je metoda raspršenog svjetla na principu Tyndalova efekta.
U optičke postupke treba uvrstiti i metodu krtih lakova, koja se uspješno primjenjuje na Građevinskom fakultetu u Zagrebu, te promatranje pojave kaustike oko mjesta visoke koncentracije naprezanja (npr. vršak pukotine).
Numeričke metode
Sredinom prošlog stoljeća intenzivno se razvijaju numeričke metode proračuna mehaničkih konstrukcija. Razvojem jakih računala i odgovarajuće programske podrške numerički postupci postaju svakim danom sve jači alati u inženjerstvu. Prvenstveno se to odnosi na metodu konačnih elemenata, koja je danas, uz potporu jakih i brzih računala, neizostavna metoda konstruiranja i proračuna. Konstrukcije se zamišljaju sastavljene od niza konačnih elemenata, kojima broj i stupnjevi slobode gibanja dosežu praktički neograničenu veličinu.
Eksperimentalne metode mehaničkih konstrukcije sve se više potiskuju jakim numeričkim proračunima. Posebno se to odnosi na prostorna stanja naprezanja, budući da izrada modela, njihovo opterećenje i naknadna obrada rezultata, zahtijevaju dobru laboratorijsku podršku. Promatranje ravninskih elemenata konstrukcija, laboratorijski je jednostavan postupak, koji ne može konkurirati konačnim elementima.
Ipak, laboratoriji koji su opremljeni za fotoelasticimetriju, mogu zorno predočiti polje naprezanja u nekom modelu, što može biti prednost u predavanjima nauke o čvrstoći i teorije elastičnosti. Ta se prednost i danas koristi u nastavi. Posebo se vidljivo pdjavljuju mjesta ekstremni naprezanja, što često pomaže pri kasnijoj numeričkoj obradi.