Скачать fb2
Конструкции, или почему не ломаются вещи

Конструкции, или почему не ломаются вещи

Аннотация

    На протяжении всей книги профессор Гордон, как заядлый детектив, занимается поисками преступника, разрушающего все, встречающееся на его пути - дома, мосты, корабли, плотины…
    Книга посвящена проблемам конструирования и физическим основам теории прочности. Материал излагается очень доходчиво и популярно, с минимумом формул (насколько это вообще возможно).


От редактора перевода

    Человек, как и все живое, неотделим от силовых конструкций. Будучи сам конструкцией, доведенной природой до достаточной степени совершенства, он и производит конструкции - орудия труда, с помощью которых в свою очередь либо создаются, либо разрушаются другие конструкции. Создавая всякую конструкцию, будь то самолет, мост, дорожное покрытие, мы хотим, чтобы она надежно нам служила, то есть прежде всего была прочной, не разрушалась; как правило, для нас немаловажно достичь этого с минимальными затратами труда, материала, энергии. Разрушая конструкции (занимаясь, к примеру, заготовкой дров, бурением скважины), мы опять-таки стремимся к минимальным затратам труда и энергии. Таким образом, прочность и разрушение материалов и конструкций в той или иной степени касаются каждого из нас, и тем удивительнее отсутствие популярных книг на эту тему.
    Предлагаемая вниманию читателя книга написана ученым, который обладает редким даром: он пишет о вещах важных и сложных так, что его книги оказываются по-настоящему увлекательными и в то же время поучительными не только для весьма широкого круга читателей, но и для специалистов. Об этом я могу судить и по собственному опыту и по многочисленным отзывам коллег, прочитавших первую изданную несколько лет назад в русском переводе книгу автора "Почему мы не проваливаемся сквозь пол" (М. Мир, 1971), а также по свидетельствам людей, чьи профессиональные интересы далеки от области материаловедения и механики материалов и конструкций.
    Помимо несомненного таланта, профессор Гордон обладает глубоким знанием предмета и огромным практическим опытом; читателя покоряет и широта его интересов: техническое мастерство древних греков, парусные яхты, фотография, биомеханика. И хотя в своем предисловии профессор Гордон пишет, что не обо всем ему удалось сказать достаточно популярно, сохранив безукоризненную точность, а потому специалист найдет, за что его упрекнуть, нам представляется, что человек с широким взглядом на вещи не будет слишком придирчив: он поймет стремление автора сделать общепонятными основные идеи. Автор искренне хотел заинтересовать читателя предметом, который традиционно считается сложным и не пользуется особой популярностью. И, следует признать, делает он это весьма профессионально.
    Касаясь прочности конструкций, невозможно обойти молчанием конструкции из композиционных материалов: это направление развития материалов и конструкций приносит сегодня наиболее интересные плоды. Профессор Гордон был одним из первых, кто начал понимать очевидную сейчас перспективность этих материалов. Дело в том, что металлические материалы в своем традиционном виде несмотря на все их достоинства обладают одним принципиальным недостатком: в них с ростом прочности ограничиваются возможности пластической деформации, а вместе с этим падает сопротивление трещине и, стало быть, надежность. Поэтому в поисках компромисса между весом конструкции и ее надежностью приходится соглашаться на применение сравнительно малопрочных сплавов. Правильно построенная композиционная структура лишена этого недостатка, более того, можно так сконструировать материал, что одновременно будут расти и его прочность и его надежность. За словами "сконструировать материал" стоит многое: материалы будущего невозможно представить себе вне конструкции, как нельзя представить себе сегодня материал конструкции живого организма вне самого организма.
    Писать о композитах можно было бы очень много, но ограничимся сказанным, поскольку читателя ждет книга, которую мы рекомендуем и школьнику, и студенту и инженеру, и биологу.
    С. Милейко

Предисловие

    Моим внукам Тимоти и Александеру
    Многое в жизни показывает нам, сколь неоправданна человеческая самонадеянность. Взять хотя бы наше непонимание большинства обычных объектов и явлений - изъян, который делается еще более ощутимым при каждой попытке его исправить. Неразвитые и ленивые умы путают обыденную осведомленность со знанием и полагают, что им известна природа вещей, коль скоро они видят их внешние формы и знают их назначение. Мыслитель же, не удовлетворяющийся объяснением существующего сверхъестественными силами, изводит себя бесплодным любопытством, и чем больше он пытается проникнуть в суть вещей, тем яснее осознает всю бездну своего непонимания.
"Праздный" (суббота, 25 ноября 1758 г.)
Сэмюэль Джонсон
    Я полностью отдаю себе отчет в том, сколь опрометчива попытка написать книгу о конструкциях на элементарном уровне. Только изгнав математику предмета, начинаешь сознавать, как трудно описать суть тех понятий, на которых он строится, - понятий, которые часто называют элементарными, хотя, я полагаю, на самом деле считают их основными, или фундаментальными. Порой читатель может не обнаружить в книге каких-то важных, на его взгляд, сведений или столкнуться с излишними упрощениями; иногда это сделано намеренно, а иногда может оказаться следствием моего невежества и недостаточного понимания предмета.
    Хотя настоящая книга в какой-то мере является продолжением моей книги "Почему мы не проваливаемся сквозь пол", ее можно читать и совершенно независимо от последней. В связи с этим в начальных главах были неизбежны некоторые повторения.
    Я считаю своим долгом поблагодарить всех тех, кто помог мне при работе над книгой ценными сведениями и советами или участием в горячих дискуссиях, которые не могли не способствовать ее написанию. Из ныне здравствующих мне великодушно помогали коллеги по Редингскому университету, особенно проф. В.Б. Биггс (он строитель по специальности); д-р Р. Чаплин, д-р Дж. Еронимидис, д-р Ю. Винсент и д-р Г. Блют. Профессор философии А. Флу дал мне полезные советы относительно содержания последней главы. Я благодарен также Дж. Бартлету, консультанту-нейрохирургу Брукской больницы. Профессор Т. Хьюджес из Вестиндского университета помог мне в целом ряде вопросов, в том числе в вопросе, касающемся ракет. В трудную минуту поддержкой мне была мой секретарь г-жа Джейн Коллинз. Г-жа Нетеркот из журнала "Вог" любезно помогла в вопросах кройки и шитья. Неизменно благожелательными и… терпеливыми ко мне были Дж. Лич и другие сотрудники издательства "Пингвин".
    Очень многим я обязан покойному д-ру Марку Прайеру (Тринити-колледж, Кембриджский университет), с которым на протяжении почти тридцати лет я обсуждал вопросы биомеханики. В заключение же по причинам, надо думать, вполне очевидным, я должен смиренно поклониться Геродоту, гражданину древнего Галикарнаса.
    Дж. Гордон.
    Мы выражаем глубокую признательность за любезное разрешение цитировать многим авторам и издательствам "Панч пабликейшнз лимитед" (Дуглас - "Английская поэма), "Уильям Блэквуд лимитед" (В. Мартин - "Моряк из южных морей"), "Э.П. Уотт энд сан" (Р. Киплинг - "Хлеб, отпущенный по водам"), а также праводержательнице, ныне покойной, г-же Бэмбридж и издательству "Макмиллан компани" (Лондон и Бейзингсток). Кроме того, мы благодарим г-на X.Л. Кокса, который позволил воспользоваться его книгой "Проектирование конструкций минимального веса", и издательства "Оксфорд юниверсити пресс" и "Кембридж юниверсити пресс", любезно разрешившие привести выдержки из Новой английской библии (2-е изд. (c) 1970).
    Мы глубоко благодарны также всем лицам и организациям, которые предоставили иллюстрации и позволили воспроизвести их, в том числе: д-ру Р. Чаплину, д-ру Дж. Винсенту, проф. А. Хорриджу, Институту гражданских инженеров, фирме "Бритиш стил корпорейшн", Музею военного корабля "Виктория", г-же Нетеркот и журналу "Вог", фирме "Фейри компани лимитед", Лондонскому научному музею, фирме "Г.Л. Уотсон энд компани лимитед".
    Мы приносим свои извинения тем, кого случайно здесь не упомянули.

Введение

Конструкции в нашей жизни, или как общаться с инженерами

    Двинувшись с Востока, они нашли в земле Сеннаар равнину и поселились там.
    И сказали друг другу: наделаем кирпичей и обожжем огнем. И стали у них кирпичи вместо камней, а земляная смола вместо извести.
    И сказали они: построим себе город и башню, высотою до небес; и сделаем себе имя, прежде нежели рассеемся по лицу всей земли.
    И сошел Господь посмотреть город и башню, которые строили сыны человеческие.
    И сказал Господь: вот, один народ, и один у всех язык; и вот что начали они делать, и не отстанут от того, что задумали сделать.
    Сойдем же и смешаем там язык их, так чтобы один не понимал речи другого.
    И рассеял их Господь оттуда по всей земле; и они перестали строить город.
    Посему дано ему имя: Вавилон; ибо там смешал Господь язык всей земли и оттуда рассеял их Господь по всей земле.
11, 2-9
Книга Бытие
    Конструкцию можно определить как материальное образование любого рода, предназначенное для того, чтобы выдерживать нагрузки. Изучение конструкций - одна из традиционных областей науки. Поскольку при разрушении инженерных конструкций возможны человеческие жертвы, поведение конструкций исследуется с предельной тщательностью. Однако, когда инженеры пытаются поведать широкой публике о своем предмете, дело зачастую оканчивается полным провалом. Беда заключается в том, что они пользуются при этом каким-то странным языком, который рождает убеждение, будто изучение конструкций и всего того, что определяет их сопротивление нагрузкам,- это непостижимый, несуразный и скорее всего скучный предмет.
    Но ведь конструкции проходят через всю нашу жизнь, н мы не можем позволить себе ничего о них не знать. Кроме того, любое растение и животное и почти любой продукт человеческого труда должны выдерживать большие или меньшие механические нагрузки, не разрушаясь, так что практически все предметы вокруг нас представляют собой того или иного рода конструкции. Говоря о конструкциях, мы задумываемся не только о том, почему порой рушатся здания и мосты и разваливаются машины и самолеты, но и о том, отчего черви имеют именно присущую им форму тела и почему летучие мыши, не повреждая крыльев, летают в кустах роз? Как работают наши сухожилия? Отчего возникают "прострелы" и боли в пояснице? Как птеродактили могли иметь столь малый вес? Почему у птиц оперенье? Как работают наши артерии? Что можно сделать для детей с врожденными дефектами опорно-двигательного аппарата? Случайно ли парусные суда имеют именно известную нам оснастку? Почему лук Одиссея должен был быть столь тугим? Отчего древние по ночам снимали колеса со своих колесниц? Как действовала греческая катапульта? Почему тростник колеблется под дуновением ветра и почему столь прекрасен Парфенон? Могут ли инженеры что-либо перенять у природных конструкций? Чему медики, биологи, художники и археологи могут научиться у инженеров?
    Как оказалось, понимание истинных причин того, почему вообще могут работать конструкции и почему ломаются вещи, дается со значительно большим трудом и требует значительно большего времени, чем можно было бы ожидать. Только совсем недавно удалось в такой мере заполнить пробелы в наших знаниях, чтобы на некоторые из поставленных выше вопросов дать сколько-нибудь полезные и разумные ответы. Чем больше частных загадок удается решить, тем яснее, естественно, становится и общая картина, а потому и весь предмет в целом не остается уделом лишь узкой группы специалистов.
    Настоящая книга отражает современную точку зрения на конструктивные элементы в природе, технике и повседневной жизни. Конструкции должны быть прочными, выдерживающими определенные нагрузки, и мы рассмотрим, как эти требования повлияли не только на совершенствование всякого рода рукотворных сооружений, но и на развитие живых существ, в том числе и человека.

Живые конструкции

    Биологические конструкции возникли несравненно раньше искусственных. Пока на Земле не существовало жизни, не существовало и конструкции, которая служила бы определенным целям, - были лишь горы, скалы и песок. Но даже самые простые, примитивные формы жизни сбалансированы весьма тонко; такое равновесие, а также протекающие при этом самоподдерживающиеся химические реакции нуждаются в том, чтобы отгородиться и защититься от "нежизни". Изобретая жизнь, природа оказалась перед необходимостью создать для нее какое-то вместилище: этого требовал индивидуальный характер живого организма. Соответствующие пленки или мембраны должны были обладать хотя бы минимальной механической прочностью как для того, чтобы удерживать живую материю, так и для того, чтобы противостоять внешним воздействиям.
    Если говорить о возможных наиболее ранних формах жизни в виде крошечных капелек на поверхности воды, то для указанных целей, вероятно, было достаточно очень простого и слабого барьера, каким явилось поверхностное натяжение, возникающее на поверхностях раздела между различными средами. Постепенно, по мере роста числа живых существ, обострялась конкуренция, шансы выжить для слабых, неповоротливых и малоподвижных существ падали. Оболочки становились прочнее, совершенствовались способы передвижения. Появились большие многоклеточные организмы, которые уже могли кусаться и быстро плавать. Охотиться и быть преследуемым, есть и быть съеденным - вот что определяло выживание. Аристотель назвал это аллелофагией - взаимным поеданием, а Дарвин - естественным отбором. В процессе эволюции появлялись более прочные биологические материалы и более хитрые живые конструкции.
    Примитивные существа наиболее раннего периода были большей частью из мягких материалов не только потому, что это позволяло им легче извиваться и менять форму, но и потому, что мягкие ткани обычно оказываются вязкими (это мы увидим впоследствии), тогда как твердые, подобные костям, зачастую весьма хрупки. К тому же жесткие материалы менее приспособлены к нуждам роста и воспроизводства. Известно, что деторождение сопряжено с большими деформациями и перемещениями. К тому же развитие зародыша позвоночных (подобно эволюции природных конструкций в целом) есть в определенном смысле развитие от мягкого к твердому, причем этот процесс продолжается и после рождения.
    Создается впечатление, что природа использует жесткие материалы довольно неохотно, однако с ростом размеров и выходом животных из воды на сушу эволюция, как правило, награждала их твердыми скелетами, зубами, а иногда рогами и панцирем. Все же в отличие от большинства современных механизмов животные никогда не становились полностью твердыми. Обычно скелет составляет лишь небольшую часть туловища и, как мы увидим ниже, мягкие части туловища очень часто ограничивают приходящиеся на него нагрузки, защищая скелет от неблагоприятных последствий собственной хрупкости.
    В то время как у животных большую часть тела составляют, как правило, гибкие, податливые материалы, у растений это не всегда так. Небольшие и наиболее примитивные растения обычно бывают мягкими - ведь им не приходится ни добывать себе пропитание охотой, ни убегать от врага. Зато для растения важно быть высоким, что до некоторой степени уберегает от недругов и позволяет получать больше света и влаги. Так, деревьям особенно хорошо удается не только тянуться вверх, собирая рассеянную световую энергию, но и противостоять порывам ветра, притом, заметьте, наиболее экономным образом. Превосходя другие живые конструкции по срокам жизни и размерам, деревья порой дотягиваются до 110 метров. Чтобы растение могло достигнуть хотя бы десятой доли такой высоты, его несущая конструкция должна быть не только прочной, но и легкой; мы увидим в дальнейшем, что здесь содержится несколько важных уроков инженерам.
    Хотя, должно быть, достаточно очевидно, что вопросы прочности, жесткости и вязкости имеют отношение к медицине, зоологии и ботанике, врачи и биологи долгое время со всей присущей им страстью и не без успеха не хотели этого понимать. Надо думать, такое отношение отчасти объясняется разницей в темпераментах и отсутствием общего с инженерами языка, а возможно, здесь сказываются также неприязнь к математизированным инженерным понятиям и страх перед ними. Зачастую биологи просто не могут заставить себя достаточно серьезно изучить те стороны стоящих перед ними проблем, которые относятся к области конструкций. Но нет никаких оснований полагать, что при столь тонких химических механизмах регуляции в природе характер самих конструкций может быть менее тонок.

Технические конструкции

Много есть чудес на свете,
Человек - их всех чудесней.
Он зимою через море
Правит путь под бурным ветром
И плывет, переправляясь
По ревущим вкруг волнам.
Землю, древнюю богиню,
Что в веках неутомима,
Год за годом мучит он
И с конем своим на поле
Плугом борозды ведет.
Муж, на выдумки богатый,
Из веревок вьет он сети
И, сплетя, добычу ловит:
Рыб морских во влажной бездне,
И зверей в лесу дремучем,
Ловит он в дубравах темных...

    Пер. С. Шервинского и Н. Познякова
"Антигона" (440 г. до н.э)
Софокл
    Бенджамен Франклин (1706-1790) имел обыкновение определять человека как "животное, производящее орудия". В самом деле, немало животных делают и используют примитивные орудия, а порою строят себе жилища, более совершенные, чем у многих нецивилизованных народов. Наверное, непросто точно указать тот момент в развитии человека, когда применяемая им техника стала заметно превосходить "технику" вымирающих ныне диких зверей. Возможно, это произошло позже, чем мы думаем, особенно если первоначально люди жили на деревьях.
    Даже допустив такую возможность, следует признать, что техническое развитие первобытного человека прошло столь же гигантский путь, как и его история. Тонкие и прекрасные изделия позднего неолита не идут в сравнение с палками и камнями первых людей, которые были не многим лучше орудий, используемых другими высшими животными. Уцелевшие предметы культуры каменного века, которые мы видим в музеях, не могут не вызывать восхищения. Чтобы изготовить прочные конструкции, не опираясь на достоинства металлов, требовалось интуитивное чувство распределения напряжений. Таким чувством отнюдь не всегда обладают современные инженеры, поскольку использование металлов, удобных своей пластичностью и однородностью, в известной степени изгнало интуицию, а также творческое мышление из инженерного дела. Изобретение стеклопластиков и других композитных материалов возвращает нас порой к волокнистым неметаллическим конструкциям, подобным тем, которые создавали полинезийцы и эскимосы. В результате этого мы, с одной стороны, стали сознавать, что недостаточно хорошо представляем себе распределение напряжений в конструкциях, а с другой стороны, прониклись большим почтением к первобытной технике.
    В действительности, когда цивилизация подошла к применению металлов (что случилось, возможно, между вторым и первым тысячелетиями до нашей эры), это не произвело скачкообразных изменений в большинстве применяемых конструкций: металлы использовались редко из-за высокой стоимости и трудности обработки. Использование металлов произвело революцию в изготовлении режущего инструмента, оружия и отчасти средств защиты в бою, однако большинство силовых конструкций продолжали делать из камня, дерева, кожи, веревок и тканей.
    Применение разнородных материалов, которые нуждались в различных приемах обработки, требовало от мастеров, делавших мельницы и корабли, кареты и парусную оснастку, великой искусности, хотя, конечно, об очень многих вещах, имевших отношение к их ремеслу, они и не подозревали, совершая ошибки, вполне естественные для людей, не имеющих представления о каких-либо расчетах. Появление пара и машинной индустрии в целом привело к упадку мастерства и свело все многообразие материалов, характерных для "передовой" технологии того времени, к ограниченному числу стандартных твердых веществ, таких, как сталь и бетон.
    В первых двигателях давление было немногим выше давления крови в наших сосудах. Но такие материалы, как кожа, не могут выдерживать горячий пар, поэтому нечего было и помышлять о паровом двигателе из мягких камер, мембран и гибких труб. Чтобы система воспроизводила движения, которые с легкостью и, вероятно, с гораздо меньшими усилиями выполняют животные (сравните поршни с кузнечными мехами!), инженер был вынужден применить металлы и механические сочленения. Здесь необходимы были колеса, пружины, соединительные стержни и скользящие в цилиндрах поршни. Хотя все эти довольно неуклюжие средства поначалу были навязаны инженеру используемым материалом, со временем он стал смотреть на них как на единственно правильный и заслуживающий уважения путь. Утвердившись в своей привычке к металлическим балкам и зубчатым колесам, инженер отстранился от многого другого. Более того, такое отношение к материалам захватило и широкую публику. Недавно во время коктейля миловидная супруга одного американского ученого сказала мне: "Вы серьезно говорите, что в порядке вещей строить самолеты из дерева? Из бревен? Я вам не верю, вы надо мной смеетесь".
    В какой мере такая точка зрения объективно оправдана и в какой степени она основана на предрассудках и необоснованных пристрастиях - вот один из вопросов, которые мы обсудим в этой книге. Нам нужно достичь сбалансированного взгляда на предмет. Традиционное развитие инженерных конструкций, сделанных из кирпича, камня, бетона, а также из стали и алюминия, было весьма успешным; и, конечно же, мы должны относиться серьезно и к самим этим конструкциям, и к тому, чему они должны научить нас в более широком плане. Однако не стоит забывать, что, например, надувные шины изменили лицо наземного транспорта, явившись, быть может, более важным изобретением, чем двигатель внутреннего сгорания. И тем не менее мы нечасто рассказываем студентам о шинах, а в обучении будущих инженеров всегда присутствует тенденция прятать подальше все, что имеет отношение к гибким конструкциям. Посмотрев же на все это другими глазами, нельзя не попытаться частично переориентировать традиционную технику на модели, в какой-то мере навеянные живой природой.
    Как бы ни смотреть на проблему в целом, нам никуда не уйти от того факта, что каждая область техники в большей или меньшей степени связана с вопросами прочности и жесткости, и мы должны считать каждый раз, что нам повезло, когда наши ошибки в этих вопросах стоили лишь денег и волнений, а не жизни. Специалистам-электротехникам не грех напомнить, что отказы в работе электрических и электронных устройств очень часто бывают вызваны механическими повреждениями.
    Конструкции могут рушиться и рушатся в действительности, и это порой имеет важные, а иногда и драматичные последствия. Однако не меньшее значение имеют жесткость конструкции и перемещения ее элементов еще до разрушения в технике. Плохо, если шатается дом, пол или стол, но никуда не годится оптическое устройство, скажем, микроскоп или фотокамера, если его прекрасные по качеству, линзы неточно и нежестко фиксированы. К сожалению, дефекты такого рода встречаются сплошь и рядом.

Конструкции и эстетика

    В сегодняшнем мире, нравится нам это или нет, мы привязаны к той или иной форме современной техники и обязаны стремиться к тому, чтобы эта техника работала надежно и эффективно, а это немыслимо без грамотного расчета конструкций. Но человек жив не одной только надежностью и эффективностью, и надо взглянуть правде в глаза: слишком часто окружающие нас предметы не могут не наводить тоску. Дело, пожалуй, не столько в том, что встречаются вещи, которые можно назвать уродливыми, сколько в преобладании серости и однообразия. Слишком редко современные изделия веселят душу, так что при взгляде на них чувствуешь себя лучше и счастливей.
    На этом фоне даже самые скромные и простые предметы XVIII в. в большинстве своем кажутся нам если не прекрасными, то привлекательными. И в этом отношении жизнь людей XVIII в. представляется нам счастливее современной. Ведь недаром так ценятся сегодня старинные дома и вещи. Более творческое и уверенное в себе общество не чувствовало бы такой ностальгии по жилью и домашней утвари своих прадедов.
    Хотя такая книга, как эта, - не совсем подходящее место для обсуждения сложных и, возможно, противоречивых теорий прикладного искусства, мы не можем полностью обойти этот вопрос. Как мы уже говорили, почти каждый предмет является того или иного рода конструкцией, и хотя большинство из этих конструкций и не предназначалось специально для оказания эмоционального или эстетического воздействия, очень важно осознать, что все, в чем выражает себя человек, не может быть эмоционально нейтральным. Это справедливо независимо от того, является ли средством выражения устное или письменное слово, живопись или техническое изделие. Сознаем мы это или нет, но каждый отдельный предмет, изготовление которого мы продумываем и осуществляем, оказывает на нас некоторое субъективное воздействие, положительное или отрицательное, не только очевидной рациональностью своего назначения.
    Здесь, как мне кажется, мы подошли к еще одному аспекту инженерии. У большинства инженеров отсутствует какая-либо эстетическая подготовка, а в учебных заведениях зачастую имеется тенденция презирать подобные вещи как пустые и незначительные. Во всяком случае в перенасыщенных учебных программах им уделяется крайне мало времени. Наряду с этим совершенно ясно, что современные зодчие не желают отрывать время от своих крайне важных для общества дел для того, чтобы задумываться о столь незначительных моментах, как прочность возводимых ими зданий. Не желают они также тратить много времени и на эстетику, которой их клиенты, возможно, не очень интересуются. А будущих проектировщиков мебели, как ни странно, не учат тому, как вычислить, насколько прогнется под грузом книг обычная книжная полка. Так что неудивительно, что большинство из них, по-видимому, даже не сознают, что объекты их творчества относятся к конструкциям.

Теория упругости, или почему вещи все же ломаются

    Или думаете ли, что те восемнадцать человек, на которых упала башня Силоамская и побила их, виновнее были всех, живущих в Иерусалиме?
13, 4
Евангелие от Луки
    Очень многие, особенно это относится к англичанам, не любят теории и, как правило, не очень-то жалуют теоретиков. Тем более если речь идет о прочности и упругости. Находится удивительно много людей, которые без специальных знаний не рискнули бы подступиться, например, к химии или медицине, но совершенно спокойно берутся за изготовление конструкций, от которых может зависеть человеческая жизнь. Да, мосты или самолеты нам, пожалуй, не по зубам, говорят они, но что может быть тривиальнее конструирования обиходных вещей.
    Мы отнюдь не хотим сказать, что конструирование обычного навеса - дело, требующее нескольких лет учебы, но в то же время было бы несправедливо утверждать, что здесь нет ловушек для неосторожных и все так просто, как может показаться с первого взгляда. Только уж слишком часто приглашают инженеров "поработать" вместе с адвокатами над конструктивными "достижениями" практиков.
    Тем не менее в некоторых областях конструирования люди практики веками действовали по своему собственному разумению. Глядя на кафедральный собор, спрашиваешь себя, что впечатляет в большей степени - мастерство тех, кто его строил, или их вера в успех. Эти сооружения не только имеют гигантскую высоту и размеры, но зачастую им удается преодолеть тяжесть и уныние материала, из которого они построены, и устремиться к высотам искусства и поэзии.
    Может показаться, что средневековые каменщики знали, как строить церкви и соборы, а потому это им так блестяще удавалось. Но если бы можно было спросить такого Мастера, как все это делалось и почему вообще сооружение не рухнуло, он, я думаю, ответил бы нечто вроде: "На все воля божья, не иначе как господь вложил в нас секреты нашего ремесла". Естественно, мы любуемся сохранившимися постройками средневековых каменщиков, но успех сопутствовал им отнюдь не всегда. Многим дерзким замыслам не суждено было осуществиться: постройки рушились и в процессе строительства, и вскоре после его окончания. Однако эти катастрофы обычно считались наказанием свыше, а отнюдь не следствием технического невежества. Именно такой смысл имеет и библейское упоминание о Силоамской башне[1].
    Строители, плотники и корабелы старых времен работали на совесть и, по-видимому, даже не задумывались над тем, почему конструкция способна выдерживать нагрузку. Во всяком случае, средневековые зодчие, как убедительно показал профессор Жан Хейман, не обдумывали и не проектировали свои сооружения в нынешнем смысле этих слов. Хотя некоторые достижения средневекового мастерства весьма впечатляющи, его "правила" и "таинства" в своей интелектуальной основе близки к поваренной книге. Тогдашние строители считали своей задачей создание чего-то, похожего на сделанное ранее.
    Как мы увидим в гл. 8, каменная кладка находится в более или менее исключительном положении, и не случайно иногда только опыт и традиционные пропорции позволяют безопасно и целесообразно воздвигать каменные сооружения любых размеров - от небольших церквушек до громадных соборов. Для иного рода конструкций это совершенно неприемлемо и далеко не безопасно. Именно этим определяется тот факт, что здания строят все больших размеров, а, например, размер кораблей, по сути дела, уже долгое время не меняется. Пока не существовало научного метода оценки безопасности конструкций, вероятность беды при создании новых или существенно видоизмененных сооружений была весьма велика.
    Итак, поколение за поколением люди проходили мимо рационального решения вопросов прочности. Однако, если вы привыкаете устраняться от каких-то проблем, сознавая в душе их важность, печальные психологические последствия этого не замедлят сказаться. Произошло то, чего и следовало ожидать. Весь предмет целиком стал благодатной почвой для дикости и предрассудков. Когда знатная матрона разбивает бутылку шампанского о борт спускаемого на воду судна или тучный мэр закладывает первый камень в фундамент какой-то постройки - все это следы языческих обрядов жертвоприношения.
    Средневековая церковь старалась искоренить жертвоприношения, но отнюдь не поощряла наук. Чтобы изменить отношение к науке или допустить, что всевышний может проявлять себя через посредство ее законов, нужно было целиком изменить образ мыслей того времени. Сегодня трудно оценить масштабы необходимых для этого умственных усилий. Это требовало совершенно невероятного сочетания воображения и умственной дисциплины в условиях, когда едва ли существовал сам язык науки.
    Случилось так, что старые мастера не приняли этого вызова, но любопытно, что серьезное изучение конструкций обязано своим началом гонениям и мракобесию инквизиции. В 1633 г. Галилей (1564-1642) был проклят церковью за свои революционные астрономические открытия, в них усмотрели угрозу самим основам не только религии, но и светской власти. Галилей был самым непреклонным образом отлучен от астрономии и после своего знаменитого отречения[2] был, вероятно, весьма рад удалиться на виллу Арцетри возле Флоренции. Живя там, по существу, под домашним арестом, он стал изучать сопротивление материалов, полагая, как я думаю, что это наиболее безопасный и наименее крамольный предмет, который только можно было тогда себе представить.
    Вклад Галилея в наши знания о сопротивлении материалов оказался не очень заметным, но нельзя забывать, что великому ученому было почти семьдесят, когда он начал заниматься этими вопросами, что он многое испытал и, по существу, находился в положении узника. Однако Галилею позволили переписываться с европейскими учеными, а его высокая репутация повышала престиж и привлекала внимание к любому предмету, за который он брался.
    В эпистолярном наследии Галилея сохранилось несколько писем, где речь идет о конструкциях; особенно плодотворной, по-видимому, была его переписка с Мерсенном, работавшим во Франции. Марэн Мерсенн (1588-1648) был иезуитским священником, но, надо думать, его исследования прочности металлической проволоки не могли вызывать ничьих возражений. Вторым ученым корреспондентом Галилея был Эдме Мариотт (1620-1684), значительно моложе Мерсенна, он тоже принадлежал к служителям церкви - был настоятелем собора св. Мартина близ Дижона в Бургундии. Большую часть своей жизни он изучал законы земной механики и прочность стержней при растяжении и изгибе. При Людовике XIV он принял участие в основании Французской академии наук и пользовался благосклонностью н церкви, и государства. Заметьте, ни один из троих не был профессиональным строителем или корабелом.
    Весь предмет о поведении материалов и конструкций под действием нагрузок, зародившийся во времена Мариотта, по причинам, которые станут ясными из следующей главы, принято называть теорией упругости, и в дальнейшем мы будем пользоваться именно этим названием. Поскольку предмет обрел популярность у математиков полтораста лет назад, я боюсь, что о нем написано громадное количество непонятных и непригодных для чтения книг; поколения студентов умирали от скуки на лекциях о материалах и конструкциях. На мой взгляд, значение всей этой математической мистики для инженера преувеличено, а порой она и вовсе не имеет отношения к делу. Однако нельзя не согласиться с тем, что "высшие этажи" теории упругости математичны и очень трудны, но не менее справедливо и то, что такого рода теория редко бывает нужна инженерам-проектировщикам. То, что бывает действительно необходимо в большинстве случаев, сможет легко понять любой разумный человек, нежелающий вникнуть в существо предмета.
    Многие полагают, что они вовсе не нуждаются в каких-либо теоретических познаниях. Рафинированный инженер, напротив, склонен считать, что получить что-либо стоящее без математики просто невозможно, а если и возможно, то некоторым образом "аморально". Мне кажется, что обычные смертные, такие, как мы с вами, могут продвинуться удивительно далеко на основе некоторого промежуточного состояния знаний. Я надеюсь, что это будет и более интересно.
    В то же время мы не можем полностью избежать математики, которая, как говорят, зародилась в Вавилоне - возможно, именно после падения пресловутой Вавилонской башни. Для ученого и инженера математика - это орудие, для математика-профессионала - религия, а для обычного человека - камень преткновения. Но все же все мы непрерывно и ежесекундно используем математику. В самом деле, играя в теннис или спускаясь по лестнице, мы с помощью аналогового компьютера нашего мозга быстро, легко, не задумываясь, решаем дифференциальные уравнения, которые могли бы занять многие страницы. Что мы действительно находим трудным, так это формальное преподавание математики с пристрастием к символам и догме, доходящим до садизма.
    Там, где нам реально понадобятся "математические" аргументы, я постараюсь обойтись простейшими графиками и диаграммами. Кроме того, нам иногда будут нужны простые вычисления и очень немного элементарной алгебры, которая - как бы недружелюбно мы ни относились к математикам - является в конце концов простой, мощной и удобной манерой мышления. Даже если вы родились или думаете, что родились с неприязнью к алгебре, пожалуйста, не пугайтесь ее. Но если вам все же придется пропустить те немудреные математические формулы, которых я не смог избежать, вы все равно проследите за моей аргументацией.
    И еще одно замечание. Конструкции сделаны из определенных материалов, поэтому мы будем говорить как о конструкциях, так и о материалах, однако в действительности между теми и другими нет четко разграниченной линии. Сталь несомненно материал, а мост через реку Форт несомненно конструкция, но вот армированный бетон, дерево, живые ткани имеют довольно сложное строение, а потому их можно рассматривать и как материалы, и как конструкции. Слово "материал" в этой книге употребляется во вполне определенном смысле. Я счел нужным отметить это, вспомнив беседу с другой дамой на другом коктейле.
    - Чем вы занимаетесь?
    - Я - профессор материаловедения.
    - Как, должно быть, занятно иметь дело со всеми этими веселенькими тканями!

Часть I. Трудное рождение теории упругости

Глава 1

Почему конструкции выдерживают нагрузки, или упругость твердых тел

    Давайте начнем с самого начала, с Ньютона, который сформулировал основной закон механики: действие равно противодействию по величине и противоположно ему по направлению. Это означает, что каждая сила должна быть сбалансирована точно такой же по величине силой противоположного направления. При этом природа сил не имеет никакого значения. Например, сила может быть создана каким-либо неподвижным грузом. Предположим, я стою на полу, мой вес 75 кг. Следовательно, мои подошвы давят на пол с силой 75 кг, которая направлена вниз; это дело моих ступней. В то же самое время пол должен давить на мои подошвы с той же силой 75 кг, направленной вверх; эта сила исходит от пола. Если доски пола окажутся подгнившими и не смогут обеспечить силу 75 кг, я неминуемо провалюсь. Но если каким-то чудом пол сообщит мне силу, большую, чем та, которую требовал мой вес, скажем 75,5 кг, то я - ни много ни мало - взлечу.
Почему мы не проваливаемся сквозь пол
Джеймс Гордон
    Мы могли бы начать с вопроса: как получается, что любое неодушевленное твердое тело - из стали, камня, дерева или пластмассы - вообще способно оказывать сопротивление механической силе или хотя бы выдерживать свой собственный вес. Это, в сущности, задача о том, "почему мы не проваливаемся сквозь пол", и ответ на нее вовсе не очевиден. Он лежит в основе целой науки о конструкциях, и здесь есть над чем подумать. Так или иначе, но эта проблема оказалась слишком трудной для Галилея, и честь первым ее понять принадлежит столь придирчивому человеку, как Роберт Гук (1635-1702).
    В первую очередь Гук понял, что в тех случаях, когда материал или конструкция оказывает сопротивление действию нагрузки, это возможно только за счет их ответного действия на тело, создающее эту нагрузку, с силой, равной по величине и противоположной по направлению. Если ваши ноги давят на пол вниз, то пол должен давить на ваши ноги вверх. Если кафедральный собор давит вниз на свое основание, то основание должно давить вверх на собор. Это подразумевается в третьем законе Ньютона, который, напомним, гласит, что действие и противодействие равны по величине и противоположны по направлению.
    Другими словами, сила не может исчезнуть просто так. Всегда и во всех случаях каждая сила должна быть уравновешена другой силой, равной ей по величине и противоположной по направлению, в каждой точке конструкции. Это справедливо для любых конструкций независимо от того, малы ли они и просты или велики и сложны. Это справедливо не только для полов и соборов, но и для мостов и самолетов, воздушных шаров и мебели, львов и тигров, капусты и земляных червей. Если это условие нарушено, то есть если где-то нарушено статическое равновесие, то либо конструкция развалится, либо она должна взлететь подобно ракете и исчезнуть из поля зрения. (Нередко последнее скрыто следует из ответов будущих инженеров на экзаменах.)
    Представим на минуту простейшую из возможных конструкций. Предположим, что мы подвешиваем с помощью веревки груз, например обыкновенный кирпич, к опоре, которой может быть ветка дерева (рис. 1). Вес кирпича, как и вес ньютоновского яблока, обусловлен воздействием гравитационного поля Земли на его массу, и сила веса всегда направлена вниз. Кирпичу не суждено упасть, если его удерживает в воздухе постоянно действующая сила, равная по величине его весу и направленная вверх - в данном случае натяжение веревки. Если веревка слишком слаба и не может создать направленную вверх силу, равную весу кирпича, то она неминуемо оборвется и кирпич упадет на Землю, как упало ньютоновское яблоко.
   
    Рис. 1. Направленная вниз сила веса кирпича должна быть уравновешена равной по величине и противоположной по направлению силой натяжения веревки
    Но если веревка достаточно крепкая и на нее можно подвесить не один, а два кирпича, то она должна создать вдвое большую силу вверх, которой будет достаточно, чтобы удержать оба кирпича. То же самое справедливо и для любых других изменений нагрузки. Кроме того, нагрузка - это не всегда обязательно "мертвый" вес, подобный нашему кирпичу; всякой силе, например напору ветра, должно быть оказано такое же противодействие.
    Если кирпич подвешен к ветке дерева, то груз удерживается за счет растяжения веревки, другими словами, за счет натяжения. Во многих конструкциях, таких, как здания, нагрузка выдерживается за счет сжатия, давления. И в том и в другом случае общий принцип не меняется. Таким образом, всякая конструкция, предназначенная для выполнения определенных функций, то есть должным образом выдерживать нагрузку, чтобы не происходило ничего непредвиденного, должна суметь каким-либо образом создать давление или натяжение, в точности равное по величине и противоположное по направлению приложенной к ней силе. Иначе говоря, конструкция должна оказывать сопротивление всем возможным внешним натяжениям и давлениям посредством ответных растяжений и сжатий нужной величины.
    Все это очень хорошо, и не составляет особого труда понять, почему нагрузка сжимает или растягивает конструкцию. Но гораздо сложнее представить себе, как конструкция должна в ответ давить на тело, создающее нагрузку (или растягивать его). Случается, об этой проблеме подозревают совсем маленькие дети.
    — Да не тяни же кошку за хвост!
    — Я не тяну, мама, тянет Пусси.
    В случае с кошкиным хвостом противодействие создано биологическими процессами в мышцах кошки, развивающих усилие, противоположное усилию, которое создают мышцы ребенка, но этот вид активного мышечного противодействия не является, конечно, ни очень распространенным, ни необходимым.
    Если бы кошкин хвост оказался закрепленным на чем-то неживом, например был привязан к стене, то "тянуть" должна была бы стена; создает ли сопротивление тянущему ребенку кошка (активно) или стена (пассивно), безразлично как для ребенка, так и для хвоста (рис. 2).
    Но как неживой, пассивный предмет, такой, как стена или веревка, кость, стальная балка или собор, может создавать необходимые силы противодействия?
   
    Рис. 2. а. - Да не тяни же кошку за хвост! - Я не тяну, мама, тянет Пусси.
    Рис. 2. б. Пусси ли тянет или нет, значения не имеет.

Закон Гука, или упругость твердых тел

    Сила любого упругого тела находится в постоянном отношении с удлинением, поэтому если одна сила растягивает или изгибает его на определенную величину, то две силы будут изгибать его на две такие величины, три - на три и так далее. И это есть Правило, или Закон, Природы, в соответствии с которым и происходят все виды Восстанавливающего, или Упругого, движения.
Роберт Гук
    Уже в 1676 г. Гук ясно понимал не только то, что сопротивление твердых тел силам веса или другим механическим нагрузкам создается посредством сил противодействия, но и то, что, во-первых, под механическим воздействием всякое твердое тело меняет свою форму, растягиваясь или сжимаясь, а во-вторых, именно это изменение формы и позволяет твердому телу создавать силу противодействия.
    Когда мы на конец веревки подвешиваем кирпич, веревка удлиняется, и как раз это удлинение и позволяет веревке тянуть кирпич вверх и удерживать его от падения. Все материалы и конструкции, хотя и в очень различной степени, под действием нагрузки испытывают смещения (рис. 3).
   
    Рис. 3. Все материалы и конструкции, хотя и в весьма различной степени, под действием нагрузки испытывают смещения. Теория упругости - это наука о соотношениях между нагрузками и перемещениями в твердых телах. Под действием веса обезьяны материал ветки растянут у ее верхней поверхности и сжат у нижней.
    Важно осознать, что возникновение смещений в любой и каждой конструкции вследствие действия нагрузки является совершенно нормальным. Если эти смещения не слишком велики с точки зрения целей, которым служит конструкция, их возникновение - отнюдь не "дефект" в том или ином смысле, а важное свойство, без которого ни одна конструкция не могла бы работать. Теория упругости - это наука о соотношениях между силами и смещениями в материалах и конструкциях.
    Хотя под действием веса или других механических сил все твердые тела в той или иной степени деформируются, величины смещений, которые встречаются на практике, могут изменяться в огромных пределах. Так, в растении, куске резины смещения, как правило, велики и их легко наблюдать, а в случаях, когда мы прикладываем обычные нагрузки к таким твердым веществам, как металл, бетон или кость, смещения на самом деле иногда оказываются очень малыми. Хотя такие перемещения часто бывают далеко за пределами возможностей невооруженного глаза, они существуют всегда и совершенно реальны, даже если для их измерения требуются специальные приборы. Если вы взберетесь на колокольню кафедрального собора, в результате добавления вашего веса он станет ниже, пусть на весьма малую величину, но действительно ниже. Каменная кладка на самом деле оказывается более гибкой, чем можно было бы предполагать. Вы можете убедиться в этом, посмотрев на четыре главные колонны, поддерживающие колокольню собора в Солсбери: все они заметно изогнуты (рис. 4).
   
    Рис. 4. Каждая из четырех колонн, поддерживающих 120-метровую башню собора в Солсбери, заметно изогнута. Каменная кладка является намного более гибкой, чем обычно думают.
    Далее Гук пришел к важной мысли, воспринять которую некоторым трудно даже сегодня. Он понял, что под действием нагрузки смещения, о которых мы говорили выше, возникают не только во всякой конструкции, но и в самом материале, из которого она сделана. Он "внутренне" растягивается или сжимается в каждой своей части в соответствующей пропорции вплоть до очень малых размеров - до молекулярных размеров, как мы знаем сегодня. Так, при деформации ветки или стальной пружины, например при сгибании их, атомы и молекулы, из которых состоит вещество, в зависимости от того, растянут или сжат материал как целое, должны отодвинуться друг от друга или, наоборот, приблизиться друг к другу.
    Как мы также знаем сегодня, химические связи, соединяющие атомы один с другим и удерживающие таким образом вместе части твердого тела, являются очень прочными и жесткими. Так что, растягивая или сжимая материал как целое, мы "растягиваем" или "сжимаем" многие миллионы прочных химических связей. Но последние оказывают мощное сопротивление даже весьма малым деформациям, что и создает требуемые большие силы противодействия (рис. 5).
   
    Рис. 5. Упрощенная модель межатомных связей в твердом теле при деформировании. а - исходное недеформированное состояние; б - при растяжении атомы удаляются друг от друга; в- при сжатии атомы сближаются.
    Несмотря на то что Гук ничего не знал в деталях о химических связях и не очень-то многое знал об атомах и молекулах, он хорошо понимал, что в тонкой структуре вещества происходит нечто подобное, и вознамерился установить, в чем состоит природа макроскопической связи между силами и смещениями в твердых телах. Он проделал множество опытов с самыми разными, предметами из самых разных материалов различной геометрической формы. Здесь были и пружины, и куски проволоки, и балки. Последовательно подвешивая на них грузы и измеряя возникающие смещения, Гук показал, что в любой конструкции смещение обычно пропорционально нагрузке. Так, нагрузка в 100 кгс вызывает смещение, вдвое больше, чем нагрузка в 50 кгс, и т. д.
    Кроме того, в пределах возможной для измерений Гука точности, которая не могла быть очень высокой, большинство твердых тел после снятия нагрузки, вызывавшей смещения, восстанавливало свою первоначальную форму. Многократно нагружая и разгружая такого типа конструкции, он установил, что после снятия нагрузок остаточных изменений их формы не происходит. Такое поведение называется упругим и является совершенно обычным. Слово "упругий" нередко ассоциируется с бельевой резинкой или изделиями из эластика, но в равной мере оно применимо и к стали, камню и кирпичу, к веществам биологического происхождения, таким, как дерево, кость или сухожилие. Именно в этом более широком смысле его обычно и употребляют инженеры. Между прочим, комариный писк порождает высокая упругость "пружинок", управляющих крылышками комара.
    В то же время форма некоторых твердых и "почти твердых" тел, таких, как замазка, пластилин, полностью не восстанавливается, они остаются деформированными и после снятия нагрузки. Такое поведение называется пластическим. Этот термин относится не только к материалам вроде тех, которые идут на изготовление пепельниц, но также и к глине, к мягким металлам. Свойствами пластичности обладают, например, и сливочное масло, и овсяная каша, и патока. Многие из тех материалов, которые Гук считал "упругими", при более точных современных методах исследования таковыми не оказываются. но все же как широкое обобщение выводы Гука остаются справедливыми, именно они легли в основу современной теории упругости. Мысль о том, что большая часть материалов и конструкций - не только детали механизмов, мосты и здания, но также и деревья, животные, горы и скалы и "все сущее" вокруг - ведет себя подобно упругим пружинам, сегодня может показаться довольно простой и, возможно, вполне очевидной, однако, как видно из дневников Гука, такой прыжок по пути к истине стоил ему больших умственных усилий и многих сомнений. Возможно, это один из самых больших подвигов мысли в истории.
    Обсудив свои идеи с сэром Кристофером Реном[3] в нескольких частных беседах, Гук в 1679 г. опубликовал результаты своих экспериментов. Статья называлась "Сила сопротивления, или упругость". Именно в ней впервые прозвучало знаменитое утверждение "ut tensio sic vis" - "каково растяжение, такова и сила". Вот уже триста лет этот прицип известен как закон Гука.

Как теория упругости застыла на месте

    Но стать врагом Ньютона было роковым шагом:
    ведь Ньютон был непримирим независимо от своей правоты.
"Роберт Гук" (Хайнеман, 1956)
Маргарет Эспинас
    Закон Гука сослужил инженерам очень большую службу, хотя в той форме, в которой Гук выдвинул его первоначально, практической пользы от него было не так уж много. Гук фактически говорил о перемещениях законченной конструкции - пружины, моста или дерева, - когда к ней приложена нагрузка.
    Если мы задумаемся на мгновение, то поймем, что величины смещений зависят от двух факторов - от размеpa и геометрической формы конструкции и от материала, из которого конструкция сделана. Материал от материала очень сильно отличается присущей ему жесткостью. Такие материалы, как резина или мягкие животные ткани, деформируются под действием столь малых сил, как нажатие пальцем. В то же время жесткость дерева, кости, камня, большинства металлов гораздо выше, и хотя абсолютно "твердых" материалов в природе не существует, некоторые твердые тела, подобные сапфиру н алмазу, являются весьма жесткими.
    Пусть два предмета, например два обычных промывочных ерша одной и той же формы и размера, сделаны из стали и резины. Очевидно, что стальной ерш будет гораздо (примерно в 30 000 раз) более жестким, чем резиновый. С другой стороны, если мы из одного и того же материала, например стали, сделаем тонкую спиральную пружину и толстую массивную балку, то пружина, естественно, будет намного более гибкой, чем балка. Упомянутые два фактора, определяющие жесткость конструкции, необходимо уметь отличать друг от друга и оценивать вклад каждого, поскольку в инженерном деле, как и в биологии, мы постоянно имеем дело с изменениями обоих факторов.
    Достойно удивления, что после столь многообещающего старта на протяжении 120 лет после смерти Гука наука так и не нашла путей, чтобы справиться с этой проблемой. В действительности XVIII столетие на удивление мало продвинуло изучение упругости. Причин на это, несомненно, было много, но в общем можно сказать, что если ученые XVII в. рассматривали свою науку в тесной связи с прогрессом техники - такое понимание целей науки для того времени было почти откровением,- то большинство ученых XVIII в. считали ниже достоинства мыслителя задачи промышленности и торговли. Это был явный возврат к прошлому, к древнегреческому взгляду на науку. Закон же Гука уже давал общее философское объяснение довольно широкому кругу явлений, - объяснение, вполне достаточное с точки зрения джентльмена-философа, не очень интересующегося техническими деталями.
    И тут мы не можем обойти молчанием такое обстоятельство, как влияние личности Ньютона (1643-1727), и не сказать о последствиях жестокой вражды, существовавшей между Ньютоном и Гуком. Гук, вероятно, был не менее талантлив, чем Ньютон, и, определенно, более обидчив и тщеславен, чем он, но в остальных отношениях это были люди совершенно различных темпераментов и интересов. Довольно скромное происхождение не мешало Ньютону быть снобом, а Гуку при отсутствии снобизма - личным другом Карла II.
    В отличие от Ньютона Гук принадлежал к типу "земных" людей, его занимали задачи практического характера, касающиеся упругости, пружин, часов, зданий, микроскопов и даже анатомии обычной блохи. Среди изобретений Гука, применяющихся и поныне, - универсальное соединение, используемое в передачах автомобиля, и ирисовая диафрагма, используемая в большинстве фотокамер. Его лампа для экипажей, в которой пламя сгорающей свечи удерживается в центре оптической системы с помощью специальной пружины, вышла из широкого употребления только в 20-е годы нашего века. Но и сейчас еще такую лампу можно увидеть у парадного подъезда. Что касается частной жизни, то Гук грешил больше своего друга Сэмюеля Пепса[4], как говорится, не пропуская ни одной служанки.
    Взгляд Ньютона на мир был, возможно, шире, но его интересы в науке лежали значительно дальше от практики. Подобно интересам многих академических ученых меньшего масштаба, их можно было бы во многих случаях охарактеризовать как "антиутилитарные". Однако это не помешало Ньютону занять должность директора монетного двора. Хотя, по-видимому, здесь сыграла роль не столько склонность заниматься прикладными науками, сколько желание иметь правительственную должность, что по тем временам давало значительно более высокое общественное положение, чем кафедра в Тринити-колледже, не говоря уже о жалованье. Немало времени Ньютон потратил и на размышления теологического порядка. Я думаю, что у него не было склонностей да и времени для плотских радостей.
    Короче говоря, Ньютон был в немалой степени предрасположен к тому, чтобы питать отвращение к Гуку как к человеку и ко всему, что тот отстаивал, включая и теорию упругости. Так случилось, что после смерти Гука Ньютону довелось прожить еще 25 лет, и значительную часть этого времени он посвятил очернению памяти Гука и прикладных наук. А поскольку авторитет Ньютона в научном мире был непререкаем и его точка зрения совпадала с общественным настроением и интеллектуальными течениями того времени, такие дисциплины, как расчет конструкций, не обрели популярности в течение многих лет даже после смерти Ньютона.
    Таким образом, в течение всего XVIII в. сохранялось такое положение, при котором, несмотря на то, что принцип сопротивления материалов был в самом общем виде объяснен Гуком, его труды и дела не имели последователей. При таком состоянии дел какие-либо расчеты для практических целей были едва ли возможны.
    Следовательно, пользы от того, что существовали представления об упругости, для инженерных целей почти не было. Французские инженеры XVIII в. отдавали себе в этом отчет и с сожалением создавали конструкции (которые довольно часто разваливались) с помощью той теории, которая имелась в их распоряжении. Английские же инженеры, которые также понимали это, обычно были безразличны к "теории", и конструкции промышленной революции создавались кустарными методами. Они разрушались, может быть, чуть реже французских.

Глава 2

Изобретение напряжения и деформации, или барон Коши и расшифровка модуля Юнга

    Чем, как не ареной ужасов, была бы жизнь без арифметики?
письмо к юной леди от 22 июля 1835 г.
Сидней Смит
    Кроме Ньютона и предрассудков XVIII в. главной причиной столь долгого застоя в теории упругости было то, что те немногие ученые, которые все же занимались атой проблемой, пытались анализировать силы и перемещения, рассматривая конструкцию целиком как это делал и Гук, - вместо того чтобы перейти, к силам и деформациям, которые существуют в каждой точке внутри материала. Предпринимавшиеся в XVIII и XIX вв. такими выдающимися умами, как Леонард Эйлер (1707-1783) и Томас Юнг (1773-1829), попытки решать вполне стандартные с сегодняшней точки зрения задачи кажутся современному инженеру невероятнейшими интеллектуальными ухищрениями.
    Концепция упругости материала в точке сводится к понятию о напряжении и деформации, которое впервые в обобщенной форме было сформулировано Огюстом Коши (1789-1857) в его статье, направленной во Французскую академию наук в 1822 г. После работ Гука эта статья была, быть может, самым важным событием в истории развития теории упругости. После нее появилась надежда, что эта наука наконец станет орудием в руках инженеров, а не эмпиреями нескольких эксцентричных мыслителей. На портрете, написанном примерно в то же время, Коши выглядит довольно бойким молодым человеком; несомненно, в прикладной математике он был большой силой.
    Когда в XIX в. английские инженеры наконец снизошли до того, чтобы познакомиться с работами Коши, то обнаружили, что, усвоив основные понятия о напряжениях и деформациях, можно сразу упростить все исследования по расчету конструкций. Сегодня эти понятия в широком ходу, и трудно объяснить то замешательство и смущение, которые иногда испытывают при упоминании о них неспециалисты. У меня как-то была аспирантка, незадолго до этого удачно защитившая диплом по биологии. Изучение понятий о напряжениях и деформациях вывело ее из душевного равновесия настолько, что она сбежала из университета и бесследно исчезла. Почему - я так и не пойму до сих пор.

Напряжение

    Оказывается, к представлению о напряжении был очень близок еще Галилей. В "Двух новых науках" - книге, написанной им в старости в Арцетри, - он ясно указывает, что растягиваемый стержень имеет прочность, которая при постоянстве остальных условий пропорциональна площади его поперечного сечения. Иными словами, если стержень сечением 2 см2 разрывается при нагрузке 1000 кгс, то стержень сечением 4 см2 разрывается при нагрузке 2000 кгс. Кажется почти невероятным, что потребовалось почти два столетия, чтобы разделить разрушающую нагрузку на площадь поверхности в месте разрыва, дабы получить величину, называемую сегодня разрушающим напряжением (в упомянутом выше случае 500 кгс/см2) и относящуюся ко всем стержням из того же материала.
    Коши осознал, что такое представление о напряжении можно использовать не только для того, чтобы предсказать разрушение материала, но и для более общего описания состояния тела в любой его точке. Другими словами, напряжение в твердом теле напоминает давление в жидкости или газе. Оно является мерой воздействия внешних сил на атомы и молекулы, из которых состоит материал и которые вынуждены под действием этих сил сближаться или удаляться друг от друга.
    Таким образом, сказать, что напряжение в данной точке какого-то куска стали составляет 500 кгс/см2, ничуть не более вразумительно и не менее таинственно, чем сказать, что давление в шинах моего автомобиля 2 кгс/см2. Однако, хотя понятия о давлении и напряжении вполне сопоставимы, нужно иметь в виду, что давление действует в любом направлении внутри жидкости, тогда как напряжение является величиной, характеризующейся определенными направлениями действия. Напряжение может, в частности, действовать в одном-единственном направлении; во всяком случае, пока мы будем считать, что это именно так.
    Если напряжение в некоторой точке мы обозначим буквой s, то напряжение = s = (нагрузка/площадь) = (Р/А), где Р - нагрузка, а А - площадь, на которую, как можно считать, эта нагрузка действует (рис. 6).
   
    Рис. 6. Напряжение, возникающее в бруске при растяжении. (Ситуация при сжатии выглядит аналогичным образом.)
    Вернемся теперь к нашему кирпичу, который в предыдущей главе мы оставили висящим на веревке. Если кирпич весит 5 кг, а веревка имеет сечение 2 мм2, то кирпич натягивает веревку с силой 5 кгс, а напряжение в веревке s = (нагрузка/площадь) = (Р/A) = 5 кгс/2 мм2 = 2,5 кгс/мм2, или, если угодно, 250 кгс/см2.

Единицы напряжения

    В связи со сказанным возникает порой вызывающий досаду вопрос о единицах напряжения. Напряжение можно выразить, и часто его именно так и выражают, в различных величинах, соответствующих какой-либо единице силы, деленной на какую-либо единицу площади. Чтобы не было путаницы, в этой книге мы ограничимся использованием следующих единиц.
    Меганьютон на квадратный метр - МН/м2. Это единица СИ - Международной системы единиц, которая в качестве единицы силы использует Ньютон - Н.
    1Н = 0,102 кгс (приблизительно весу одного яблока).
    1 МН (меганьютон)=1 млн. Н, что составляет почти 100 т.
    Килограмм силы на квадратный сантиметр - кгс/см2
    Перевод одних единиц в другие:
    1 MH/м2= 10,2 кгс/см2, 1 кгс/см2=0,098 МН/м2.
    Таким образом, полученное в нашей веревке напряжение составляет 250 кгс/см2 или 24,5 МН/м2. Обычно для приближенного вычисления напряжений нет необходимости и в абсолютно точных коэффициентах перевода одних единиц в другие.
    Стоит повторить: важно осознать, что напряжение в материале, подобно давлению в жидкости, есть величина, привязанная к некоторой точке; оно не относится к какой-либо определенной площади поперечного сечения, такой, как квадратный сантиметр или квадратный метр.

Деформация

    В то время как напряжение говорит нам о том, сколь интенсивно принуждаются к расхождению в данной точке твердого тела атомы, деформация говорит о том, сколь далеко этот процесс растяжения зашел, то есть каково относительное растяжение межатомных связей,
    Так, если стержень, имевший первоначально длину L, под действием силы удлинился на величину l, то деформация, или относительное изменение длины стержня, которую обозначим буквой е, будет e = l/L(рис. 7)
   
    Рис. 7. Деформация, возникающая в бруске при растяжении. (Деформация при сжатии выглядит аналогичным образом.)
    Возвращаясь к нашей веревке, можно сказать, что если ее первоначальная длина была, допустим, 2 м (200 см), а под действием веса кирпича она удлинилась на 1 см, то деформация веревки е = l/L= 0,005, или 0,5%.
    Деформации, возникающие в инженерной практике, обычно весьма малы, поэтому инженеры, как правило, выражают их в процентах, что уменьшает вероятность ошибки, если оперировать десятичными дробями с множеством нулей.
    Подобно напряжению, деформация не связана с какой-либо опеределенной длиной, сечением или формой материала. Она также характеризует состояние материала в точке. Поскольку для определения деформации мы делим удлинение на первоначальную длину, она выражается безразмерной величиной - числом, не требующим какой-либо единицы измерения. В равной мере все сказанное относится не только к растяжению, но и к сжатию.

Модуль Юнга, или какова жесткость данного материала?

    Как уже говорилось, в своей первоначальной форме закон Гука хотя и заслуживал внимания, но свалил в одну кучу свойства материала и поведение конструкций. Произошло это в основном из-за отсутствия понятий "напряжение" и "деформация", не последнюю роль сыграли здесь существовавшие в прошлом трудности, связанные с испытанием материалов.
    В настоящее время для испытания материала как чего-то отличного от конструкции из него изготовляют так называемый образец. Форма образца может быть самой разной, но, как правило, это стержень с участком постоянного сечения, на котором и производятся измерения, и утолщенными концами для закрепления в испытательной машине. Обычная форма металлических образцов показана на рис. 8.
   
    Рис. 8. Типичный образец для испытаний на растяжение
    Испытательные машины также могут сильно различаться размерами и конструкцией, но по существу все они представляют собой механические приспособления для приложения к образцам нагрузки, которую при этом можно точно измерять.
    Напряжение в стержне вычисляется путем деления нагрузки, регистрируемой на каждой стадии испытаний по шкале устройства, на площадь поперечного сечения образца. Растяжение стержня-образца под действием нагрузки (а следовательно, деформация материала) обычно измеряется с помощью экстензометра - чувствительного устройства, которое крепится к двум точкам образца.
    Такое оборудование позволяет довольно просто измерить напряжения и деформации, которые возникают в образце материала по мере того, как мы увеличиваем нагрузку. Графическое изображение зависимости напряжения от деформации называется кривой деформирования. Эта кривая, обычный вид которой представлен на рис. 9, является характеристикой данного материала и практически не зависит от размеров испытываемого образца.
   
    Рис. 9. Типичная кривая деформирования.
    При постройке кривых деформирования для металлов и многих других твердых тел мы неизменно будем обнаруживать, что по крайней мере для небольших напряжении эти кривые имеют прямолинейные участки. В этих случаях о материале говорят, что он "подчиняется закону Гука" или является "гуковским материалом".
    Мы обнаружим также, что наклоны этих прямолинейных участков для различных материалов различны (рис. 10), Очевидно, что наклон кривой деформирования является мерой деформации материала при заданном напряжении. Другими словами, он является мерой упругости или, наоборот, податливости данного твердого тела.
   
    Рис. 10. Кривая деформирования. Тангенс угла наклона ее прямолинейного участка является параметром материала, который называется модулем упругости и обычно обозначается Е
    Для любого материала, который подчиняется закону Гука, тангенс угла наклона кривой деформирования должен быть величиной постоянной. Таким образом, отношение напряжение/деформация = s/e = E и носит название модуля упругости, или модуля Юнга. Модуль Юнга - величина постоянная для данного материала. Иногда при обсуждении технических вопросов о нем говорят как о "жесткости". Кстати, слово "модуль" в переводе с латинского означает "малая мера".
    Вспомним, что деформация нашей веревки под действием веса кирпича составляла 0,5%, или 0,005, при напряжении 24,5 МН/м2 Поэтому модуль Юнга веревки E = s/e = 24,5/0,005 = 4900 МН/м2 = ~ 5·104 кгс/см2.

Единицы измерения жесткости, или модуля Юнга

    Поскольку модуль Юнга представляет собой отношение напряжения к безразмерной величине, то размерность его та же, что и у напряжения, например МН/м2 или кгс/см2. Формально модуль Юнга можно рассматривать как напряжение, требуемое для 100%-ного удлинения материала (если с материалом при этом ничего не произойдет), вследствие чего его численные значения настолько велики, что их трудно себе представить.

Фактические значения модуля Юнга

    Значения модуля Юнга для многих органических веществ и инженерных материалов представлены в табл. 1. Они расположены в порядке возрастания - от модуля Юнга мягкого покрова взрослой самки саранчи (отнюдь не самого мягкого биологического материала; кстати, покров самцов и молодых самок саранчи не многим жестче) до алмаза. Из таблицы видно, что величина жесткости материалов может изменяться в 6 млн. раз. Причину таких колоссальных различий мы обсудим в гл. 7.
    Таблица 1. Значения модуля Юнга для различных материалов
    Материал/Модуль Юнга (E), МН/м2
    Резина 7
    Пленка скорлупы яйца 8
    Хрящ человека 24
    Сухожилие человека 600
    Штукатурка 1400
    Неармированный пластик, полиэтилен, нейлон 1400
    Фанера 7000
    Дерево (вдоль волокон) 14000
    Свежая кость 21000
    Магний 42000
    Обычное стекло 70000
    Алюминиевые сплавы 70000
    Латунь и бронза 120000
    Железо и сталь 210000
    Окись алюминия (сапфир) 420000
    Алмаз 1200000
    Следует отметить, что многие очень мягкие биологические материалы отсутствуют в таблице. Дело в том, что их упругие свойства даже приближенно не описываются законом Гука, а потому для них невозможно ввести модуль Юнга - во всяком случае, в том виде, как обсуждалось выше. К упругим свойствам таких материалов мы вернемся позже.
    В настоящее время модуль Юнга считается фундаментальным понятием - оно господствует в инженерном деле, в материаловедении и начинает вторгаться в биологию. Однако должна была пройти вся первая половина XIX столетия, прежде чем модуль Юнга завоевал умы инженеров. Отчасти это явилось следствием крайнего консерватизма, а отчасти того, что все практически полезные идеи о напряжениях и деформациях появились довольно поздно.
    После разработки основных идей трудно было представить себе что-либо более простое и очевидное, чем модуль Юнга, но до этого все представления об упругости казались исключительно сложными. От Юнга, сыгравшего важную роль в расшифровке египетских иероглифов и бывшего одним из проницательнейших умов своего времени, эта работа потребовала, очевидно, огромного умственного напряжения.
    Он работал над проблемой жесткости в 1800 годы и рассуждал совершенно иначе, чем это сделали бы мы с вами. Юнг оперировал величиной, которая в настоящее время называется удельным модулем и показывает, каким должно быть уменьшение длины столба исследуемого материала под действием собственного веса. Данное самим Юнгом определение своего модуля, опубликованное в 1807 г., гласит: "Модуль упругости любого вещества есть столб этого вещества, способный производить давление на свое основание, которое так относится к весу, вызывающему определенную степень сжатия, как длина вещества к уменьшению этой длины"[7].
    После всего этого даже египетские иероглифы могли показаться не такими уж сложными. Один из современников сказал о Юнге: "Он употреблял слова не в обычном их значении, а строй его мыслей редко походил на строй мыслей собеседников. Я не встречал человека, который бы менее его подходил для обмена знаниями".
    К тому же не следует забывать, что Юнг старался осилить концепцию, которую едва ли можно было сформулировать без понятия о напряжениях и деформациях, вошедших в употребление лишь 15-20 лет спустя. Современное определение модуля Юнга (Е = напряжение/деформация) было дано в 1826 г., за три года до смерти Юнга, французским инженером Навье (1785-1836). Что касается Коши, то спустя некоторое время как изобретателю напряжения и деформации ему был пожалован титул барона. Думается, он это заслужил.

Прочность

    Не следует путать прочность конструкции и прочность материала. Прочность конструкции определяется нагрузкой (в ньютонах или в килограммах), которая приводит к разрушению конструкции. Эта величина известна как разрушающая нагрузка, и она обычно используется только применительно к некоторой конкретной конструкции.
    Прочность материала характеризуется напряжением (в МН/м2 или в кгс/см2), разрушающим сам материал. Обычно величина прочности более или менее постоянна для всех образцов данного вещества. Мы в основном будем рассматривать прочность материалов при растяжении, которую называют прочностью на разрыв. Ее обычно определяют, разрушая небольшие образцы в испытательной машине. Большинство вычислений в области прочности сводится, естественно, к определению прочности конструкции по известной прочности ее материала.
    Величины прочности некоторых материалов приведены в табл. 2. Из нее видно, что прочность биологических и инженерных материалов, как и их жесткость, меняется в очень широких пределах.
    Таблица 2. Прочность на разрыв различных твердых тел
    Материал / Прочность на разрыв, МН/м2
    Неметаллы
    Стенка мочевого пузыря[8] 0,2
    Стенка желудка[8] 0,4
    Кишечник[8] 0,5
    Стенка артерии[8] 1,7
    Хрящ[8] 3,0
    Цемент и бетон 4,1
    Обычный кирпич 5,5
    Свежая кожа 10,3
    Дубленая кожа 41,1
    Свежее сухожилие 82
    Пеньковая веревка 82
    Дерево (сухое):
    вдоль волокон 103
    поперек волокон 3,5
    Кость[8] 110
    Обычное стекло 35-175
    Человеческий волос 192
    Паутина 240
    Хорошая керамика 35-350
    Шелк 350
    Хлопковое волокно 350
    Струна (из биологических материалов) 350
    Льняное полотно 700
    Пластик, армированный стекловолокном 350-1050
    Пластик, армированный углеволокном 350-1050
    Нейлоновая ткань 1050
    Металлы
    Стальная рояльная проволока (хрупкая) 3100
    Высокопрочная сталь 1500
    Малоуглеродистая сталь 400
    Сварочное железо 100-300
    Обычный чугун (очень хрупкий) 70-140
    Современный чугун 140-300
    Алюминий:
    литейные сплавы 70
    деформируемые сплавы 140-600
    Медь 140
    Латунь 120-400
    Бронза 100-600
    Магниевые сплавы 200-300
    Титановые сплавы 700-1400
    Удивительно различие в прочности мышц и сухожилий. Этим объясняется и разница их поперечных сечений. Так, ахиллесово сухожилие, будучи толщиной всего с карандаш, прекрасно справляется с передачей натяжения от толстых икроножных мышц к костям пятки (что позволяет нам ходить и прыгать). Кроме того, из таблицы видно, почему инженеры не могут допустить большие растягивающие нагрузки на бетон, не армированный стальными прутьями.
    В целом металлы прочнее неметаллов. А плотность почти у всех металлов больше, чем у большинства биологических материалов. (Удельный вес стали 7,8 г/см3, а большинства биологических тканей около 1,1 г/см3) Поэтому высокая прочность металлов в сравнении с тканями растений и животных не производит особого впечатления, если относить ее к единице массы.
    Подытожим сказанное в этой главе.
    Напряжение = нагрузка / площадь
    Деформация = удлинение под действием нагрузки / первоначальная длина
    Прочность - это напряжение, необходимое для разрушения материала. Модуль Юнга характеризует жесткость материала.
    Модуль Юнга = напряжение / деформация = E
    Прочность и жесткость - свойства разные. Приведем в этой связи выдержку из книги "Почему мы не проваливаемся сквозь пол": "Печенье жестко, но непрочно, сталь - и жесткая, и прочная, нейлон - нежесткий, гибкий, но прочный, малиновое желе - и нежесткое, и непрочное. Вряд ли можно ожидать большей информации о свойствах твердого тела, если пользоваться лишь двумя его характеристиками".
    Если что-либо из сказанного оказалось для вас не совсем ясным, возможно, вам будет утешением узнать, что не так давно мне пришлось потратить в Кембридже целый вечер на объяснение двум всемирно известным ученым основных различий между прочностью, жесткостью, напряжением и деформацией в связи с одним очень дорогим проектом, по которому им предложили дать консультацию правительству. Так, мне и до сих пор неясно, насколько я тогда преуспел.

Глава 3

Конструирование и безопасность, или можно ли доверять расчетам на прочность?

В полнозвучные размеры
Заключить тогда б я мог
Эти льдистые пещеры,
Этот солнечный чертог.

    Вольный перевод К. Д. Бальмонта
Кубла Хан
С. Т. Колридж
    Все эти рассуждения о напряжениях и деформациях необходимы нам лишь для того, чтобы понять способы создания безопасных и эффективно работающих конструкций и сооружений.
    Природа, создавая свои конструкции, по-видимому, не испытывает затруднений. Полевые колокольчики никто не рассчитывал на прочность, однако это не мешает им быть прекрасно сконструированными. Вообще природа как инженер намного превосходит человека. Для одних творений она проявляет упорное однообразие, а для других - поражает множеством вариантов.
    Общее расположение и соразмерность частей живых организмов контролируются в процессе роста механизмом РНК - ДНК - знаменитой "двойной спиралью" Уилкинса, Крика и Уотсона[9]. Однако и в этих рамках каждое конкретное растение или животное располагает большой свободой в построении деталей своей "конструкции". Не только толщина, но и состав каждого из нагруженных элементов живой конструкции существенно зависят от степени их использования и характера испытываемых ими в течение жизни нагрузок[10]. Таким образом, происходит оптимальное с точки зрения прочности живой конструкции изменение отдельных ее деталей. У природы-конструктора скорее прагматический, чем математический склад характера, к тому же плохие конструкции всегда могут быть съедены хорошими.
    К сожалению, инженерам такие методы конструирования пока недоступны, и они вынуждены прибегать к догадкам или расчетам, а чаще комбинировать то и другое вместе. Очевидно, что как соображения безопасности, так и соображения экономии заставляют предсказывать распределение нагрузки между отдельными частями конструкции и определять их размеры. Кроме того, хотелось бы знать, каковы будут перемещения нагруженной конструкции, поскольку излишняя гибкость может быть столь же опасной, как и недостаточная прочность.

Французская теория и британский прагматизм

    После того как сложились основные представления о прочности и жесткости, математики приступили к разработке методов анализа плоских и пространственных упругих систем, с помощью которых было исследовано поведение самых разных конструкций при их нагружении. Так сложилось, что в течение первой половины XIX в, теорией упругости занимались в основном французы. Хотя не исключено, что теория упругости как-то особенно сродни французскому темпераменту[11], все же, представляется, практическая поддержка этих исследований прямо или косвенно исходила от Наполеона I и осуществлялась основанной в 1794 г. Политехнической школой.
    Многие из этих работ носили абстрактно-математический характер, а поэтому остались непонятыми большинством инженеров-практиков и не получили признания вплоть до 1850 г. Особенно это относится к Англии и Америке, где практикам всегда отдавалось безусловное предпочтение перед теоретиками. А кроме того, как известно, "один англичанин всегда побивал трех французов". Так, о шотландском инженере Томасе Телфорде (1757-1834), чьими величественными мостами мы восхищаемся еще и поныне, имеется следующее свидетельство современника: "Он испытывал сильнейшее отвращение к занятиям математикой и не удосужился познакомиться даже с началами геометрии. Это было воистину удивительно, и когда нам случилось рекомендовать одного нашего молодого друга к нему на службу, он, узнав об отличных математических способностях претендента, не колеблясь, заявил, что, по его мнению, такого рода познания скорее говорят о непригодности юноши к работе с ним, чем об обратном".
    Телфорд, однако, был действительно велик и, подобно адмиралу Нельсону, компенсировал невероятную самоуверенность подкупающей скромностью. Когда тяжелые цепи висячего моста через пролив Менай (см. рис. 85) были удачно подвешены на виду у собравшейся толпы, Телфорда обнаружили вдали от аплодирующих зрителей возносящим на коленях благодарение всевышнему[12].
    Но не все инженеры были так скромны, как Телфорд, и взгляды англосаксов того времени носили налет не только умственной лени, но и самонадеянности. При всем том, однако, основания для скептицизма относительно надежности расчетов на прочность были. Очевидно, что Телфорд и его коллеги возражали не против количественного подхода как такового - знать силы, действующие на материалы, они хотели бы не меньше других, - а против способов получения этих данных. Они чувствовали, что теоретики слишком часто бывают ослеплены элегантностью своих методов и не заботятся в достаточной мере о соответствии исходных предположений действительности, получая в результате правильные ответы для нереальных задач. Другими словами, более опасной предполагалась самонадеянность математиков, чем инженеров, которых практика чаще наказывала за излишнюю самонадеянность.
    В этой связи проницательные технические эксперты севера осознали (а это следовало бы сделать и всем остальным практикам), что, анализируя ту или иную ситуацию с помощью математики, мы в действительности создаем рабочую модель исследуемого предмета. При этом мы надеемся, что наша модель, или математический аналог реальности, с одной стороны, имеет достаточно много общего с реальным предметом, а с другой - позволяет нам сделать какие-то полезные предсказания.
    Для таких модных предметов, как физика или астрономия, соответствие между моделью и действительностью столь точно, что некоторые склонны рассматривать Природу как нечто вроде Математика свыше. Однако сколь привлекательной ни казалась бы эта доктрина земным математикам, имеются явления, для которых было бы благоразумным использовать математические аналогии лишь с очень большой осторожностью. "Пути орла на небе, пути змея на скале, пути корабля среди моря и пути мужчины к девице" не предскажешь аналитически. (Кое-кто даже удивляется, каким образом математики все же ухитряются жениться[13].) А, построив свой дворец, царь Соломон, вероятно, мог бы добавить, что поведение конструкции под нагрузкой не менее непостижимо, чем пути кораблей и орлов.
    В случаях, подобных упомянутым, главную трудность составляет сложность возникающих ситуаций, что не позволяет создать для них полную и простую математическую модель. Обычно имеется несколько возможных путей разрушения конструкций, но ломаются они, естественно, способом, требующим наименьших усилий, и именно об этом способе часто никто не догадывается, не говоря уже о каких-либо расчетах.
    Интуитивное понимание возможных слабостей, присущих материалам и конструкциям,- одно из наиболее ценных качеств инженера. Никакие другие интеллектуальные свойства не могут его заменить. Не случайно иногда рушились мосты, сконструированные по лучшим "современным" теориям такими представителями Политехнической школы, как Навье. Но, насколько мне известно, ни с одним из сотен мостов и других сооружений, построенных за свою долгую жизнь Телфордом, не случалось даже сколько-нибудь серьезных неприятностей. Именно поэтому, наверное, в пору расцвета французской теории расчетов конструкций многие мосты и железные дороги на континенте были построены нахрапистыми и малоразговорчивыми английскими и шотландскими инженерами, относившимися к вычислениям без особого уважения.

Коэффициент запаса и коэффициент незнания

    Как бы то ни было, но примерно с 1850 г. даже британские и американские инженеры вынуждены были начать рассчитывать на прочность ответственные конструкции, например крупные мосты. Пользуясь разработанными к тому времени методами, они вычисляли наибольшие возможные напряжения в конструкции и следили за тем, чтобы они не превышали некоторой узаконенной официальными нормами прочности материала на разрыв.
    Для полной безопасности они делали наибольшее вычисленное действующее напряжение много меньшим - в три-четыре или даже в семь-восемь раз, - чем прочность материала, найденная путем разрушения простых, однородных его образцов, очень аккуратно нагружаемых в лабораторной установке. Эту процедуру они называли введением коэффициента запаса[14]. Любая попытка уменьшения веса и стоимости за счет снижения коэффициента запаса грозила обернуться бедой.
    Причиной несчастных случаев чаще всего склонны были признавать дефекты материала; возможно, иногда так оно и было. Прочность металлов действительно меняется от образца к образцу, и всегда присутствует некоторый риск, что для изготовления конструкции использован плохой материал. Но прочность железа и стали обычно изменяется лишь в пределах нескольких процентов и чрезвычайно редко возможны колебания в три-четыре раза, не говоря уже о семи или восьми. На практике столь большие расхождения между рассчитанной и действительной прочностью всегда бывают вызваны иными причинами. Действительное напряжение в каком-то не известном заранее месте конструкции может намного превышать вычисленное. Поэтому о коэффициенте запаса иногда говорят как о коэффициенте незнания.
    В таких конструкциях, как котлы, балки, корабли, где действуют растягивающие напряжения, в XIX в. материалом обычно служили пуддлинговое железо или мягкая сталь, которые не без оснований имели репутацию "безопасных" материалов. Если в расчет на прочность вносился большой коэффициент незнания, то соответствующие конструкции часто оказывались вполне удовлетворительными, хотя и при этом аварии случались не так уж и редко.
    Все более частыми становились катастрофы на море. Требования к повышению скорости и снижению веса судов породили трудности и для адмиралтейства, и для кораблестроителей: у кораблей возникла тенденция разламываться в открытом море надвое, хотя наибольшие расчетные напряжения казались вполне умеренными и безопасными. Так, в 1901 г. внезапно разломился пополам и затонул в Северном море при нормальной погоде совершенно новый эсминец британского военно-морского флота "Кобра", в то время один из самых быстроходных кораблей мира. Погибло 36 человек. Ни последовавшие за этим заседания военного трибунала, ни адмиралтейская комиссия по расследованию не пролили света на технические причины несчастного случая. Поэтому в 1903 г. адмиралтейство выполнило и опубликовало результаты нескольких экспериментов, проведенных в условиях штормовой погоды, с таким же кораблем, эсминцем "Волк". Они показали, что напряжения в корпусе корабля в реальных условиях несколько меньше тех, которые были вычислены при проектировании судна. Но поскольку и те и другие напряжения оказались намного меньше известной прочности стали, из которой был сооружен корабль (значение коэффициента запаса составляло 5-6), эти эксперименты мало что дали.

Концентрация напряжений, или как "запустить" трещину

    К пониманию проблем такого рода впервые удалось подойти не с помощью дорогостоящих экспериментов на натуральных конструкциях, а с помощью теоретического анализа. В 1913 г. К.Е. Инглис, ставший позднее профессором в Кембридже, который был полной противоположностью бесплодным представителям чистой науки, опубликовал в "Трудах института корабельных инженеров" статью, значение которой выходило далеко за рамки вопроса о прочности кораблей.
    Инглис перенес на механиков приписываемое лорду Солсбери высказывание о политиках: нельзя пользоваться только мелкомасштабными картами. Почти столетие механики довольствовались картиной напряжений, получаемой в широкой, наполеоновской манере, не обращая внимания на подробности. Инглис показал, что такой подход дает надежные результаты только в тех случаях, когда материалы и элементы конструкции имеют гладкие поверхности без резких изменений формы.
    Отверстия, трещины, острые углы и другие особенности поверхности, на которые раньше не обращали внимания, повышают локальные напряжения; такие области повышенных напряжений могут быть очень малыми, но последствия - весьма драматическими. В окрестности отверстия или надреза напряжения могут значительно превышать разрушающие напряжения для данного материала даже в тех случаях, когда общий средний уровень напряжении невысок и, согласно "мелкомасштабным" вычислениям, конструкция кажется вполне безопасной.
    Пусть в несколько ином аспекте, но этот факт был известен кондитерам, иначе зачем было делать желобки в плитках шоколада, и тем, кто имел дело с почтовыми марками и бумагой: ведь не случайно и не для красоты пробивались на них ряды дырочек. Да и портной, прежде чем оторвать кусок ткани, непременно делал надрез на кромке. А вот серьезные инженеры до того времени почти не проявляли интереса к вопросам образования трещин и не считали, что они имеют отношение к инженерному делу.
    Легко объяснить, почему почти любое отверстие, трещина или надрез в однородной среде будет вызывать локальное увеличение напряжений. На рис. 11, а изображен гладкий однородный брусок, который подвергается равномерному растяжению с напряжением s. Линии, пересекающие образец, представляют собой так называемые траектории напряжений, можно сказать, что вдоль этих линий напряжение передается от молекулы к молекуле. В данном случае это прямые параллельные линии, равноотстоящие одна от другой.
   
    Рис. 11. Картина напряжений в равномерно растянутом бруске, не содержащем трещины (а) и содержащем ее (б).
    Если же мы разорвем некоторую группу этих линий, сделав в материале надрез, трещину или отверстие, то силы, представляемые этими траекториями, потребуется как-то уравновесить. То, что происходит в действительности, не так уж неожиданно: силы вынуждены "обойти" разрыв, вследствие этого плотность траекторий напряжения увеличивается до степени, зависящей главным образом от формы выемки (рис. 11, б). В случае длинной трещины, например, их скопление вокруг ее конца может быть очень велико. Таким образом, как раз в окрестности кончика трещины сила, действующая на единицу площади, увеличивается и, следовательно, локальные напряжения оказываются большими (рис. 12).
   
    Рис. 12. Концентрация напряжений у кончика трещины. Распределение касательных напряжения в прозрачном материала визуализируется в поляризованном свете, полосы на фотографии представляют собой линии равных касательных напряжений.
    Инглису удалось вычислить, насколько при растяжении увеличится напряжение на конце эллиптического отверстия в твердом материале, подчиняющемся закону Гука[15]. Хотя эти вычисления справедливы, строго говоря, только для эллиптических отверстий, результаты с достаточной точностью применимы и к отверстиям другой формы: к амбразурам, дверям и люкам на судах, самолетах и других аналогичных сооружениях, а также к трещинам, царапинам и отверстиям в других конструкциях и материалах всех сортов, даже к пломбам в зубах.
    Результат Инглиса можно представить в виде простой формулы[16]. Пусть имеется участок материала, в котором на достаточно большом расстоянии от трещины приложено напряжение s. Если трещина, надрез или какая-либо другая выемка имеет длину L и если радиус конца этой трещины или выемки равен r, то напряжение непосредственно около этого конца не останется равным s, а возрастет до величины s(1 + 2(L/r)1/2).
    В случае полукруглой выемки или круглого отверстия, когда r = L, наибольшее напряжение, таким образом, будет равно 3s, но в случае отверстий под двери и люки, часто имеющих острые углы, r будет мало, a L - велико, и, следовательно, напряжение в этих углах может быть очень большим - столь большим, что именно оно ломает пополам корабль.
    В экспериментах с "Волком" датчики для измерения деформаций (упругие деформации легко пересчитываются в напряжения) крепились к обшивке корабля в самых разных местах, но, как оказалось, ни один из них не был помещен вблизи углов люков или других отверстий. Если бы это сделали, то почти наверняка внушающие опасения результаты были бы получены еще до выхода корабля из Портлендского канала.
    В случае трещин обнаруживается еще более опасная ситуация, так как у трещины длиной в несколько сантиметров и даже метров радиус ее кончика может иметь молекулярные размеры - менее одной миллионной сантиметра, а потому величина L/r оказывается очень большой. Таким образом, напряжение у кончика трещины вполне может быть в сотню или даже в тысячу раз больше, чем напряжение в других местах материала.
    Результаты Инглиса, принятые буквально и целиком, означали, что создать конструкцию, безопасную при растяжении, вообще вряд ли возможно. В действительности же материалы, используемые в работающих на растяжение конструкциях, такие, как металлы, дерево, канаты, стеклопластики, текстильные ткани и большинство биологических материалов, являются вязкими, трещиностойкими, что означает, как мы увидим в следующей главе, что они обладают более или менее хитроумными средствами защиты против концентрации напряжений. Однако даже в случае лучших, наиболее трещиностойких из материалов эта защита только относительна и любая конструкция в чем-то уязвима.
    Но используемые в технике хрупкие твердые тела (стекло, камень и бетон) не имеют и такой защиты. Иными словами, они весьма точно соответствуют исходным допущениям, которые были заложены в расчетах Инглиса. Более того, чтобы ослабить материал, даже не нужно искусственно создавать надрезы - концентраторы напряжении. Природа щедро позаботилась об этом: реальные твердые тела еще до создания из них конструкций, как правило, содержат множество всевозможных пор, щелей и трещин. По этой причине было бы опрометчивым подвергать хрупкие твердые тела заметным растягивающим напряжениям. Их, конечно, широко используют при возведении стен, строительстве дорог и т. п., где они, как принято считать, работают на сжатие. В тех случаях, когда нельзя избежать некоторого растяжения, как, например, в оконных стеклах, необходимо позаботиться о том, чтобы эти напряжения были достаточно малыми, и вводить большой коэффициент запаса прочности.
    Следует отметить, что не только отверстия, трещины и другие пустоты могут быть причиной понижения прочности материала. Вызвать концентрацию напряжений может, наоборот, и добавка материала, если это приводит к резкому локальному увеличению жесткости. Так, если поставить заплату из нового материала на старую одежду или толстый лист брони на тонкий борт военного корабля, из этого не получится ничего хорошего[17].
    Причина здесь в следующем. Траектории напряжений могут столь же сильно притягиваться к более жесткой области (заплате), как и отталкиваться от области с более низкой жесткостью (отверстия). Любой элемент конструкции, отличающийся от окружающих его элементов своими упругими свойствами, вызывает концентрацию напряжении и может быть опасным.
    Стремясь повысить прочность с помощью добавочных материалов, стоит задуматься, а не уменьшится ли она на самом деле. Опыт научил меня, что инспекторы страховых компаний и правительственных учреждений, настаивающие на том, чтобы сосуды высокого давления и другие конструкции были "подкреплены" дополнительными косынками и переборками, зачастую бывают ответственны за те самые несчастные случаи, которые они старались предотвратить.
    Представителям живой природы в общем неплохо удается избежать такого рода перенапряжений. Однако концентрация напряжений может быть существенным моментом ортопедической хирургии, особенно при соединении относительно мягких костей жесткими металлическими протезами.

Глава 4

Упругая энергия и современная механика разрушения, с отступлениями о луках, катапультах и кенгуру

    Человек несмысленный не знает, и невежда не разумеет того.
Псалом 91
    Как было сказано в предыдущей главе, значительным достижением математиков XIX в. было создание методов расчета распределения напряжений для большинства типов конструкций, хотя эти методы носили академический характер. Но многие инженеры-практики не доверяли такого рода расчетам еще задолго до того, как Инглис посеял сомнения в их справедливости. Используя методы теории упругости, Инглис показал, что даже крошечные непредвиденные дефекты или нерегулярности, которые могут появиться в, казалось бы, абсолютно безопасной конструкции, приводят к росту локальных напряжений до величин, превышающих принятый предел прочности материала, что сулит преждевременное разрушение конструкции.
    В самом деле, используя формулу Инглиса, можно с легкостью подсчитать, что для фермы железнодорожного моста в устье реки Форт, сделанной из не очень твердой стали, достаточно обычной булавочной царапины, чтобы она развалилась и мост рухнул в море. Однако не часто приходится слышать, что мосты разваливаются от булавочных царапин, в то время как на практике все конструкции, включая суда и самолеты, сплошь покрыты зазубринами, трещинами и отверстиями, вызывающими концентрации напряжений, но представляющими опасность только в исключительных случаях. Как правило, они не причиняют никакого вреда. Однако время от времени конструкции все же ломаются, и каждый случай может грозить серьезной аварией.
    Когда лет 50-60 назад смысл расчетов Инглиса начал доходить до инженеров, они были склонны "закрыть" всю проблему, уповая на пластичность обычно используемых металлов. Форма кривой деформирования для наиболее пластичных металлов близка к изображенной на рис. 21, и было принято считать, что перенапряженный металл у кончика трещины пластически течет, освобождаясь тем самым от серьезных перенапряжений. Таким образом, острый кончик трещины как бы сглаживается и его можно рассматривать как "закругленный", так что концентрация напряжений уменьшается и безопасность восстанавливается.
    Подобно многим другим правдоподобным доводам, такое объяснение лишь отчасти соответствует истинному положению вещей и далеко не исчерпывает всей проблемы в целом. В большинстве случаев концентрация напряжений за счет пластичности металла полностью не снимается и локальное напряжение в действительности очень часто значительно превосходит общепринятое "разрушающее напряжение" материала, найденное в лабораторных опытах на малых образцах и приведенное в опубликованных таблицах и справочниках.
    Однако идеи, вызывающие замешательство и подрывающие веру в общепринятые методы расчета на прочность, долгое время не пользовались поддержкой. В мои студенческие годы имя Инглиса почти не упоминалось, а эти сомнения и трудности инженеры дипломатично обходили. С точки зрения прагматиков такую позицию можно отчасти оправдать, поскольку при разумно выбранном коэффициенте запаса для многих обычных конструкций расчетам на прочность, основанным на традиционном подходе, не учитывающем концентрацию напряжений, как правило, можно доверять. И сегодня это лежит в основе большинства норм и правил безопасности, устанавливаемых правительственными организациями и страховыми компаниями.
    Однако даже у прекрасных инженеров время от времени случались промашки. Так, в 1928 г. на пассажирском пароходе компании Уайт Стар "Маджестик" водоизмещением 56551 т, в то время самом большом и красивом корабле в мире, сделали дополнительный пассажирский лифт. При этом в нескольких силовых палубных перекрытиях прорубили сквозные прямоугольные отверстия с нескругленными углами. Где-то между Нью-Йорком и Саутгемптоном, когда на борту было около 3 тыс. человек, у одного из этих отверстий образовалась трещина, которая дошла до поручней, опустилась по борту корабля на несколько метров и, к счастью, застопорилась, наткнувшись на иллюминатор. Лайнер благополучно достиг Саутгемптона, и ни пассажиры, ни пресса ничего об этом не узнали. По исключительному стечению обстоятельств примерно то же самое почти одновременно произошло со вторым по величине кораблем мира, американским трансатлантическим пассажирским лайнером "Левиафан". И в этом случае судно благополучно достигло порта и огласки удалось избежать. Если бы трещины распространились немного дальше, эти пароходы развалились бы пополам в открытом море и могли бы погибнуть тысячи людей.
    В послевоенное время потрясающие мир катастрофы с кораблями, мостами, буровыми вышками стали обычным явлением, и количество их год от года возрастает. Ценой гибели множества людей и огромных материальных потерь достигнуто, наконец, понимание недостаточности классической теории упругости для предсказания прочности особенно больших конструкций, хотя, конечно, созданная Гуком, Юнгом, Навье и их последователями наука исключительно важна и не может быть речи о том, что она не нужна или устарела.

Энергетический подход к расчетам конструкций на прочность

Шумели небо и вода,
Но сам ты прятался всегда.
Ты звал меня, касался щек,
Но я поймать тебя не мог.

    Перевод Игн. Ивановского
Детский цветник стихов
Р. Л. Стивенсон
    До самого недавнего времени в теории упругости и связанных с нею исследованиях пользовались терминами напряжение, деформация, прочность и жесткость, то есть, по существу, можно сказать, понятиями сил и перемещений. До сих пор и мы в этой книге вели рассуждения только в рамках этих понятий, и, мне кажется, многие считают такой подход наиболее простым. Однако, чем больше наблюдаешь закономерности природы и размышляешь о технике, тем больше склоняешься к энергетической концепции. Такой подход позволяет объяснить очень многое, и он лежит в основе современных моделей прочности материалов и поведения конструкций, то есть в основе довольно модной науки - механики разрушения. С его помощью проясняются многие моменты не только из области прочности инженерных конструкций, но и из совсем других наук, даже таких, как история и биология.
    Досадно, что в сознании многих само представление об энергии было основательно запутано значением этого слова, употребляемым в обиходе. Подобно слову "напряжение", слово "энергия" часто используется для характеристики человеческого поведения. Такое словоупотребление имеет весьма слабую связь с обозначением реальной и точно определенной физической величины, к рассмотрению которой мы сейчас переходим.
    В науке под энергией понимается способность совершать работу. Именно с такой величиной, имеющей размерность силы, умноженной на расстояние, мы и будем иметь дело. Так, поднимая груз весом в 5 кг на высоту 2 м, нужно совершить работу в 10 кгм, в результате в грузе будет запасено 10 кгм потенциальной энергии. До поры до времени эта энергия "законсервирована" в грузе, но, позволив грузу опуститься, ее можно вновь освободить. Высвобождаемый при этом запас энергии (10 кгм) может быть на что-то израсходован, например на работу часового механизма или на дробление льда на пруду.
    Существует множество видов энергии - потенциальная, тепловая, химическая, электрическая и т. д. В нашем материальном мире всякое событие сопровождается превращением одной формы энергии в другую. Подобные превращения происходят в соответствии с некоторыми строго определенными правилами, главное из которых: "нельзя получить что-либо из ничего". Энергия не может быть создана или уничтожена, так что общее количество энергии, имевшееся до какого-либо физического процесса, остается тем же и после него. Этот принцип называется законом сохранения энергии.
    Таким образом, энергию можно рассматривать как "универсальную валюту" науки, и часто наблюдения за ее превращениями, особенно при использовании соответствующей методики учета, могут быть очень информативными. Но для этого необходимы правильно выбранные единицы, а, как этого и следовало ожидать, в традиционных единицах энергии господствует неразбериха. Инженеры-механики склонны использовать килограммометры, физики привержены к эргам и электрон-вольтам, химикам и диетологам нравится использовать калории, счета за газ приходят в термах[18], а за электричество - в киловатт-часах. Все эти единицы, конечно, взаимообратимы и их можно переводить друг в друга, но в настоящее время лучше пользоваться единицей энергии системы СИ - джоулем. Джоуль определяет работу, производимую силой в 1 ньютон на пути в 1 метр[19].
    Несмотря на то что энергию можно измерять достаточно точными методами, для многих осмыслить это понятие оказывается более трудным, чем, например, понятия силы и расстояния. Энергию, как и ветер из стихотворения Стивенсона, мы можем воспринимать лишь через ее проявления. Возможно, именно поэтому понятие энергии вошло в науку довольно поздно - в современной форме его ввел Томас Юнг в 1807 г. Сохранение энергии стало общепризнанным законом только в самом конце XIX в., и только после Эйнштейна и атомной бомбы огромная важность энергии как объединяющей концепции и как фундаментальной реальности была оценена всеми в достаточной степени.
    Существует много способов - химических, тепловых, электрических и т.п. - накопления и сохранения энергии до тех пор, пока она не понадобится. Если мы собираемся использовать для этого механические средства, то можно применить метод, о котором уже говорилось, - использовать потенциальную энергию поднятого груза. Однако это довольно примитивный способ, и на практике как в инженерном деле, так и в биологии значительно чаще используется энергия деформации, или упругая энергия.
    Очевидно, что энергию можно запасти в сжатой пружине, однако, как заметил Гук, поведение пружин является частным случаем упругости твердого тела при воздействии нагрузки. Таким образом, любое упругое вещество, находящееся в напряженном состоянии, содержит упругую энергию независимо от того, идет ли речь о растягивающем или сжимающем напряжении.
    Если выполняется закон Гука, напряжение в материале нарастает от нуля до максимума в момент, когда материал растянут до предела. Упругая энергия на единицу объема представлена заштрихованной площадью под кривой деформирования (рис. 13). Эта площадь составляет 1/2 х напряжение х деформация = 1/2 se.
   
    Рис. 13. Упругая энергия = площадь под кривой деформирования = 1/2 se.

Автомобили, лыжники и кенгуру

    Все мы хорошо представляем себе упругую энергию автомобильных рессор. В машине без рессор должны были бы происходить бурные превращения потенциальной энергии в кинетическую (энергию движения) и обратно всякий раз, когда колесо проходит ухаб или рытвину. Эти превращения энергии неприятны как пассажирам, так и экипажу. Давным-давно, однако, какой-то гений изобрел рессоры, которые служат резервуаром энергии, позволяющим временно запасать изменения потенциальной энергии в виде упругой энергии, что смягчает удары при езде и предохраняет и экипаж, и пассажиров от "угрозы разрушения". Впоследствии инженеры затратили много времени и усилий, совершенствуя подвеску автомобиля и проявляя незаурядную изобретательность. Но автомобили ходят по дорогам, назначение которых - обеспечить гладкую поверхность для движения. Так что подвеска автомобиля служит только для того, чтобы нейтрализовать небольшие остаточные неровности. Задача же сконструировать подвеску для автомобиля, предназначенного для движения с большой скоростью по пересеченной местности, была бы исключительно трудной. Чтобы справляться с возникающими при таком движении ситуациями и в достаточных количествах запасать энергию, рессоры должны были бы быть очень большими и тяжелыми и сами по себе содержать столько "неподрессоренного веса", что вряд ли вся конструкция оказалась бы практичной.
    Рассмотрим теперь ситуацию, возникающую при движении лыжника. Несмотря на снежное покрытие, лыжня обычно значительно более бугриста, чем любая нормальная дорога. Даже если бы можно было создать вдоль лыжни эффективное покрытие, например, из песка, предотвращающее пробуксовку, так что автомобиль мог бы двигаться по нему без скольжения, любая попытка прокатиться по лыжне на машине со скоростью несущегося с горы лыжника (например, 80 км/ч) кончилась бы печально, поскольку подвеска не смогла бы смягчить тряску. Но как раз с этой задачей и должно справляться тело лыжника. На самом деле значительную часть соответствующей энергии, по-видимому, принимают на себя сухожилия ног лыжника, вес которых не превышает и полукилограмма[20]. Таким образом, если мы собираемся носиться на лыжах без опаски или совершать другие атлетические подвиги, наши сухожилия должны обладать способностью принимать и возвращать очень большие количества энергии. Отчасти для этого они и предназначены.
    Приближенные значения способности различных материалов запасать упругую энергию приведены в табл. 3. Некоторые сравнения биологических материалов с металлами, возможно, вызовут удивление инженеров, а разница величин, характерных для сухожилий и стали, проливает свет на соответствующие качества лыжников и живых существ вообще. У сухожилия способность запасать энергию, отнесенная к единице массы, примерно в 20 раз больше, чем у современных пружинных сталей. Хотя лыжники в качестве "устройств" для накопления упругой энергии эффективнее большинства механизмов, даже тренированный атлет не может конкурировать с оленем, белкой или обезьяной. Интересно было бы выяснить, какой по сравнению с человеком процент веса этих животных приходится на сухожилия.
    Таблица 3. Способность твердых тел запасать упругую энергию
    Вещество / Рабочая деформация, % / Рабочее напряжение, МН/м2 / Запасаемая упругая энергия 106 Дж/м3 / Плотность, кг/м3 / Запасаемая энергия, Дж/кг
    Железо древних / 0,03 / 70 / 0,01 / 7800 / 1,3
    Современная пружинная сталь / 0,3 / 700 / 1,0 / 7800 / 130
    Бронза / 0,3 / 400 / 0,6 / 8700 / 70
    Древесина тиса / 0,9 / 120 / 0,5 / 600 / 900
    Сухожилие / 8,0 / 70 / 2,8 / 1100 / 2500
    Роговая ткань / 4,0 / 90 / 1,8 / 1200 / 1500
    Резина / 300 / 7 / 10,0 / 1200 / 8000
    Животные, подобные кенгуру, передвигаются прыжками. При каждом приземлении их сухожилия должны запасать упругую энергию и, по свидетельству одного моего знакомого, австралийского ученого, предельная упругая энергия для них чрезвычайно высока, хотя точных цифр, к сожалению, я не могу привести. Мне кажется, что если бы понадобилось возродить ходули на пружинах, то в первую очередь следовало бы рассмотреть возможность использования в них вместо пружин сухожилий кенгуру или других животных. Шасси легких самолетов, рассчитанных на посадку на неровной местности, часто крепятся к корпусу с помощью резиновых подвесок, способность которых запасать упругую энергию много больше, чем у стальных рессор и даже сухожилий, но срок службы у них гораздо меньше.
    Упругая энергия, которая играет столь большую роль в подвесках автомобилей, самолетов и, выражаясь фигурально, животных, влияет на прочность и разрушение всех видов конструкций. Однако, прежде чем мы перейдем к такому предмету, как механика разрушения, возможно, стоит поговорить еще об одном применении упругой энергии - ее роли в работе такого оружия, как луки и катапульты.

Луки

...Смотрите, вот лук Одиссеев;
Тот, кто согнет, навязав тетиву, Одиссеев могучий
Лук, чья стрела пролетит через все (их не тронув) двенадцать
Колец, я с тем удалюся из этого милого дома,
Дома семейного, светлого, многобогатого, где я
Счастье нашла, о котором и сонная буду крушиться.

    Перевод В.А. Жуковского
Одиссея. Песнь XXI
Гомер
    Сегодня тисовая древесина не имеет большого промышленного значения, а потому до недавнего времени ей не уделяли внимания в научных исследованиях. Однако мой коллега, д-р Г. Блют, занимающийся изучением оружия прошлых веков, установил, что микроскопическое строение древесины тиса (Taxus baccata) заметно отличается от строения других пород, она представляется нам наиболее способной запасать упругую энергию. Поэтому тис, вероятно, особенно подходит для изготовления луков.
    Вопреки распространенному мнению английские большие луки, как правило, делались не из английского тисового дерева, растущего на церковных кладбищах и в других местах, а из испанского тиса, и по существовавшему в то время закону каждая ввозимая партия испанского вина должна была сопровождаться партией испанских заготовок для луков.
    Как известно, тисовое дерево хорошо произрастает не только в Испании, но и по всему району Средиземноморья. Так, буйные заросли тиса покрывают сегодня руины Помпеев. Однако свидетельств об использовании тисовых луков в Испании и странах Средиземноморья как в древности, так и в Средние века почти не встречается. Они были приняты почти исключительно в Англии, Франции и отчасти в Германии и Нидерландах. Опустошения, производимые англичанами, обычно доходили до районов Бургундии и вряд ли когда-либо распространялись южнее Альп или Пиренеев.
    На первый взгляд это может вызвать удивление, но Г. Блют указывает, что у тиса механические свойства древесины ухудшаются с ростом температуры быстрее, чем у древесины других пород, а потому тисовый лук не может надежно служить при температуре выше 35°С. Таким образом, его применение в качестве оружия ограничено холодным климатом, и он непригоден в условиях средиземноморского лета. Поэтому, хотя в странах Средиземноморья тисовое дерево применялось для изготовления стрел, оно редко использовалось там для изготовления луков.
    Этим объясняется тот факт, что в этих странах получила распространение конструкция так называемого композиционного лука. Такой лук имел деревянную сердцевину, толщина которой составляла около половины толщины лука и которая подвергалась лишь небольшим напряжениям. К этой сердцевине приклеивались внешний слой из высушенных сухожилий, подвергающийся растяжению, и сделанный из рога внутренний слой, подвергающися сжатию. Оба этих материала превосходят тис способностью запасать упругую энергию. Лучше тиса они сохраняли и свои механические свойства в жаркую погоду - ведь температура животного около 37°С. На практике высушенные сухожилия сохраняют свои свойства до температуры 55°С, но теряют их в сырую погоду.
    Комбинированные луки использовались в Турции и ряде других мест до сравнительно недавнего времени. Лорд Абердин писал в 1813 г. по пути на Венский конгресс об использовании против отступающих по Восточной Европе наполеоновских армий татарских войсковых частей, вооруженных, по-видимому, подобными луками. Очевидно, комбинированные луки были во многих отношениях лучше английского большого лука, но последний был дешевле и проще в изготовлении. Луки древних греков тоже были комбинированными, так что сделать лук Одиссея или Филоктета[22] требовало незаурядного мастерства.
    Упоминание о луке Одиссея заставляет нас вспомнить о покинутой Пенелопе, которая устроила состязание для претендентов на ее руку, предложив им натянуть тетиву одиссеева лука. Как известно, это оказалось не под силу ни одному из них, даже изобретательному Эвримаху. "А потом лук взял Эвримах, и он нагрел его со всех сторон в пламени огня, но все равно он не смог натянуть его, и тяжкий стон вырвался из его груди". Но в конце концов в чем смысл всех усилий и почему поклонники Пенелопы, Одиссей да и вообще лучники не использовали просто более длинную тетиву?
    На это имеются весьма веские основания. Возможности передачи упругой энергии луку от человека ограничены характеристиками человеческого тела. На практике стрелу удается оттянуть примерно на 0,6 м, и даже сильный человек не может натягивать тетиву с силой больше 350 Н. Соответствующая энергия мышц составляет примерно 0,6 м х 350 Н, то есть около 210 Дж. Это максимум того, чем мы располагаем, и мы хотим как можно большую часть этой энергии запасти в луке в виде упругой энергии.
    Если предположить, что первоначально лук не натянут и его тетива почти провисает, то в момент, когда стрелок начинает оттягивать стрелу, прикладываемая им сила почти равна нулю. Она достигнет своего наибольшего возможного значения только тогда, когда тетива максимально растянется. Это демонстрирует график на рис. 14. Энергия, переданная луку, будет в таком случае выражаться площадью треугольника и не может быть больше половины той энергии, которую мы могли бы затратить, то есть не может превышать 105 Дж.
   
    Рис. 14. Упругая энергия лука = 1/2 x 0,6 x 350 = 105 Дж. Эта диаграмма, как и кривая на рис. 16, конечно, носит схематический характер. Вообще говоря, зависимость между силой и перемещением стрелы нелинейна, но это не меняет сути дела.
    Энергия, запасаемая в английском большом луке, на практике немного меньше этой величины. Однако Гомер особо отмечает, что лук Одиссея был palintonos, что означает "изогнутый, натянутый назад". Другими словами, лук первоначально был изогнут в направлении, противоположном рабочему, так что для того, чтобы натянуть на него тетиву, приходилось прикладывать большую силу (рис. 15).
   
    Рис. 15. Натягивание тетивы на греческий лук (роспись на вазе).
    В этом случае, стреляя, лучник начинает натягивать тетиву не от нулевых значений напряжения и деформации, так что, подобрав соответствующую конструкцию лука, можно добиться того, чтобы график зависимости силы от растяжения выглядел примерно так, как показано на рис. 16[23].
    Площадь ABCD под таким графиком теперь составляет значительно большую долю от располагаемой энергии; эта доля, вероятно, достигает 80%. Поэтому в таком луке запас энергии может составить около 170 Дж. Вполне очевидно, что это дает большие преимущества стрелку, не говоря уже о выгоде, которую имела Пенелопа.
   
    Рис. 16. Почему луки бывают "изогнутыми назад" (палинтонос). Энергия, запасаемая в луке, теперь дается площадью АВС, что соответствует примерно 170 Дж.
    В действительности тетива любого лука натянута в большей или меньшей степени еще до того, как ее начинают растягивать, и, чтобы ее надеть, требуется определенное усилие. Но поскольку английские большие луки - это луки "без хитростей", которые делались из заготовок, отколотых от бревен строевого леса, а потому почти прямых, влияние этого обстоятельства в данном случае незначительно. Гораздо проще придать наилучшую исходную форму комбинированным лукам, именно они обычно имеют характерные очертания "лука Купидона" (рис. 17).
   
    Рис. 17. Комбинированный лук в ненатянутом и натянутом состояниях.
    Поскольку предельная упругая энергия таких материалов, как роговая ткань и сухожилие, превышает предельно упругую энергию тиса, комбинированный лук можно сделать более коротким и легким, чем деревянный. Именно поэтому размеры английского деревянного лука соответствовали росту человека, а сам он получил название большого лука. Комбинированный лук можно сделать гораздо меньшим, чтобы им могли пользоваться всадники, как это и было у парфян и татар. Парфянский лук был настолько удобен, что позволял всаднику стрелять назад в преследователей; очевидно, отсюда и пошло выражение "парфянская стрела".

Катапульты

    Величайший период классической Эллады завершился с падением Афин в 404 г. до н.э., демократический строй в Греции постепенно в течение столетия пришел в упадок и был вытеснен тиранией и военной монархией. Менялись методы ведения войны как на суше, так и на море, и возникла потребность в более современном механизированном оружии. Более того, властители постепенно богатеющих государств располагали средствами для оплаты военных расходов.
    Начало было положено в греческой Сицилии. Стратег-автократ Дионисий I был, по-видимому, выдающимся человеком, сумевшим от простого военачальника возвыситься до тирана Сиракуз. За годы его правления, продолжавшегося с 405 до 367 г. до н.э., Сицилийская держава стала крупной экономической и политической силой не только в Западном Средиземноморье, но и во всем эллинском мире. При созданном Дионисием военном ведомстве была основана, вероятно, первая в истории государственная лаборатория, проводившая исследования в области вооружения. Он пригласил для этого учреждения лучших математиков и мастеров со всего греческого мира.
    Естественной отправной точкой для специалистов, отобранных Дионисием, явился традиционный комбинированный ручной лук. Установив такой лук на какую-либо опору и оттягивая тетиву посредством механического привода или рычагов, можно сделать его значительно жестче, что позволит в несколько раз увеличить запасаемую и сообщаемую снаряду энергию. Так, очевидно, подошли к самострелу, снаряды которого способны были пробивать любые доспехи[24]. Претерпев лишь небольшие конструктивные изменения, самострелы не вышли из употребления и до настоящего времени. Говорят, что они применяются сейчас в Ольстере. Любопытно, однако, что как оружие самострелы никогда не играли сколько-нибудь решающей военной роли.
    Но самострел, в сущности, явился пехотным оружием, направленным против человека, так как с его помощью нельзя было наносить серьезные повреждения корпусам кораблей или фортификационным сооружениям. И хотя сиракузцы, увеличив размеры самострела и установив его на основание орудийного типа, создали катапульту, эта линия развития оружия не получила продолжения. По-видимому, определенные технические ограничения не позволяют сделать катапульту типа лука достаточно мощной, чтобы пробивать бреши в крепостной кладке[25].
    Следующим шагом были поэтому отказ от конструкции типа лука и использование для накопления упругой энергии скрученных связок сухожилий[26], очень похожих на резинокордные связки, используемые для привода авиационных моделей.
    Когда связка таких резиновых лент или сухожилий закручивается, материал связки подвергается растяжению, запасая упругую энергию.
    Известны самые разные способы использования связок сухожилий в военной технике, однако самой лучшей конструкцией следует признать древнегреческий палинтонон, который у римлян получил название баллисты. Это исключительное по смертоносности орудие имело по две вертикальные связки сухожилий, каждая из которых закручивалась с помощью жесткой рукоятки или рычага, напоминающего рукоять ворота (рис. 18).
   
    Рис. 18. Возможно, так выглядела древнегреческая катапульта.
    Концы этих рычагов были соединены между собой толстой тетивой, а все устройство работало подобно луку. Свое название оно получило оттого, что в положении с ненатянутой тетивой оба ее рычага направлены вперед, как у комбинированного лука без тетивы. Тетива в катапульте натягивается посредством мощной лебедки подобно натягиванию тетивы лука. Снаряд (чаще всего каменное ядро) после выстрела двигался вперед по направляющим, которые одновременно служили и станиной лебедки. Лебедка могла развивать усилие, достигавшее ста тонн.
    Римляне скопировали греческую катапульту, и Витрувий, служивший в войсках Юлия Цезаря, оставил нам руководство по баллистам, которое представляет немалый интерес. Размеры этих машин позволяли метать снаряды весом от 2 до 150 кг. Радиус их действия был примерно 400 м (для всех размеров). Средняя крепостная баллиста римлян, по-видимому, стреляла ядрами весом в 40 кг.
    При последней, драматической осаде Карфагена в 146 г. до н. э. римляне, сделав насыпь в неглубокой лагуне, к которой выходила городская стена, установили на ней катапульты и стали из них крушить укрепления. Археологи откопали на этом месте около 6 тыс. каменных ядер весом по 40 кг каждое.
    Хотя Юлий Цезарь и Клавдий использовали корабли с катапультами для нападения на британские берега, эти метательные машины, по-видимому, никогда не были грозным оружием в сражениях на море. Скорострельность такой баллисты, которая могла бы потопить корабль попаданием одного снаряда, была слишком мала и почти не позволяла поразить движущееся судно.
    Иногда с помощью катапульты метали горящие снаряды, но на полных народа незатейливых кораблях того времени пожар обычно нетрудно было потушить. В 184 г. до н. э. один изобретательный флотоводец выиграл морское сражение, обрушив на головы противника глиняные горшки с ядовитыми змеями, однако его примеру, кажется, никто не последовал. В целом катапульты на море не имели успеха.
    Однако палинтонон, или баллиста, был весьма эффективным средством ведения сухопутной войны. Его изготовление и эксплуатация были связаны с известными трудностями, так что обслуживающий катапульты персонал должен был быть весьма сведущим в своем деле. После того как Римская империя с ее техникой отошла в прошлое, это оружие стало непрактичным и было забыто[27]. В Средние века применение осадных машин свелось к использованию весовой катапульты, или требюше (рис. 19).
   
    Рис. 19. Требюше, или средневековая катапульта, - самое неэффективное из метательных устройств.
    В этом устройстве, похожем на маятник, использовалась потенциальная энергия поднятого груза. Даже с помощью большого требюше вряд ли можно было поднять груз более тонны (10000 Н) на высоту 3 м. Поэтому наибольшая запасаемая потенциальная энергия, вероятно, не намного превосходила 30000 Дж. Такое же количество энергии можно запасти в виде упругой энергии в 10-12 кг сухожилий. Поэтому даже большое требюше, вероятно, обладало только одной десятой энергии катапульты. К тому же, по-видимому, значительно более низкой была эффективность передачи энергии. С помощью требюше можно было в лучшем случае причинить неприятности путем забрасывания через крепостные стены больших камней; любая же попытка повредить мощную каменную кладку не имела бы успеха[28].
    Принцип действия лука и палинтонона как устройств для передачи энергии одинаков, и пока еще в полной мере не нашла оценки эффективность такого механизма обмена энергией. В примитивных устройствах типа требюше значительная часть запасенной энергии шла на ускорение тяжелого противовеса и рычага и в конечном итоге терялась в системе останова или тормозов, которые были неотъемлемой частью устройства. У лука или палинтонона непосредственно после спуска тетивы часть запасенной упругой энергии передается в виде кинетической энергии прямо снаряду. Однако большая часть имеющейся энергии идет на ускорение самого лука или рычагов катапульты, где она временно переходит в кинетическую энергию. Это близко к тому, что происходит в требюше, однако здесь дальнейшие события связаны с замедлением движения самого лука, а не с жестким остановом. По мере того как лук распрямляется, увеличивается натяжение тетивы, что позволяет ей действовать на снаряд с большей силой и таким образом ускорять его движение. Поэтому значительная часть кинетической энергии, запасаемой в луке или в рычагах катапульты, передается снаряду (рис. 20).
   
    Рис. 20. Схемы, иллюстрирующие механику палинтоноса, или баллисты. a - машина подготовлена к стрельбе, вся энергия запасена в связках сухожилий; б - начальная стадия: тяжелые рычаги получают ускорение, отбирая при этом значительную часть энергии сухожилий; в - заключительная стадия: тяжелые рычаги замедляют ход благодаря натяжению тетивы, таким образом их кинетическая энергия передается снаряду; г - летящий снаряд получил энергию, первоначально запасенную в системе.
    Математическое описание поведения луков и катапульт оказывается сложным, и, даже записав соответствующие уравнения движения, их нельзя решить аналитически. К счастью, однако, один из моих коллег, д-р А. Претлав, заинтересовавшись этой проблемой, применил для ее решения ЭВМ. К удивлению, оказалось, что процесс передачи энергии теоретически может иметь 100%-ную эффективность. Другими словами, практически вся упругая энергия, запасенная в устройстве, может быть превращена в кинетическую энергию снаряда. Таким образом, теряется (идет на отдачу и на соударения в системе) только малая часть энергии. В этом отношении луки и катапульты обладают преимуществами перед огнестрельным оружием.
    Одно следствие из этих фактов, я думаю, хорошо известно большинству стрелков-лучников. Оно состоит в том, что при стрельбе из лука или катапульты ни в коем случае не следует пользоваться несоответствующей стрелой или снарядом. Такая попытка неминуемо закончится не только поломкой лука, но и травмой, так как в этом случае не существует безопасных каналов освобождения запасенной упругой энергии.

Эластичность, резильянс и ухабы на дорогах

Корабль взрезает равнину вод,
А ветер мчит вперед,
Наполнив белые паруса,
Красавицы-мачты гнет.

Алан Канинхэм
    Когда Галилей в 1633 г. в Арцетри приступил к изучению проблем упругости, прежде всего он задался вопросами, какие факторы влияют на прочность веревки или бруска при растяжении и зависит ли прочность от длины этой веревки или бруска. Элементарные эксперименты показали, что сила или вес, требуемые для разрыва однородной веревки при ее статическом растяжении, не зависят от длины этой веревки. Такой же результат, казалось бы, подсказывает и здравый смысл, однако и по сей день можно встретить множество людей, глубоко убежденных в том, что длинный кусок веревки "крепче" короткого.
    Конечно, дело здесь не в человеческой глупости, а в том, что понимать под словом "крепче". Статическая сила, или натяжение, требуемое для разрыва длинной веревки, будет, конечно, той же, что и для разрыва короткой веревки, но общее удлинение большой веревки перед ее разрывом будет значительнее и, чтобы разорвать ее, потребуется большая энергия, хотя разрушающая сила и прочность материала остаются теми же. Рассуждая немного иначе, можно сказать, что длинная веревка будет смягчать внезапные рывки, упруго растягиваясь под действием нагрузки, так что возникающие при этом перегрузки будут уменьшаться. Другими словами, она действует в значительной степени так же, как подвеска автомобиля.
    Таким образом, в тех случаях, когда нагрузка действует рывками, длинная веревка может действительно оказаться "крепче" короткой. Именно поэтому экипажи XVIII в. часто подвешивались к ходовой части на длинных кожаных ремнях, которые лучше коротких могли противостоять толчкам и ударам на рытвинах тогдашних дорог. Припомните к тому же, что якорные цепи и буксирные канаты стараются делать по возможности длиннее, так как они обычно рвутся не от статической нагрузки, а от резких толчков. Тем, кто может ночью или в тумане повстречаться в море с буксируемыми большим сухими доками или буровыми вышками, полезно иметь в виду, что эти сооружения буксируются на стальном тросе длиной почти в милю. Такого рода "морские процессии", занимая огромные участки моря, вселяют ужас в случайных мореплавателей[29].
    Способность запасать упругую энергию и при действии нагрузки отклоняться упругим образом без разрушения называется резильянсом и является очень ценным качеством конструкции. Резильянс можно определить как количество упругой энергии, которое можно запасти в конструкции, не причиняя ей повреждений.
    Чтобы добиться высокого резильянса, конечно, не обязательно использовать очень длинную веревку или проволочный трос. Зачастую удобнее применять более короткие конструкционные элементы, такие, как спиральные пружины (в буферах железнодорожных составов) или прокладки из мягких материалов (в качестве отбойных амортизаторов судов), а также материалы с малым модулем Юнга типа пенорезины или пенопласта (для упаковки точной аппаратуры). Все они могут испытывать большие относительные удлинения и сжатия, а поэтому способны запасать большую упругую энергию на единицу объема. Природная "подвеска" лыжников и животных своим совершенством в значительной мере обязана сравнительно низким модулям упругости и большой деформативности сухожилий и других тканей.
    С другой стороны, хотя низкая жесткость и высокая растяжимость способствуют поглощению энергии и поэтому уменьшают возможность разрушения конструкции при ударе, может оказаться, что обладающая этими качествами конструкция будет слишком "мягкой" для выполнения своих функций. Такого рода соображения обычно ограничивают величину резильянса, которым можно снабдить конструкцию. Самолеты, здания, инструменты, оружие должны быть достаточно жесткими, чтобы выполнять свое назначение, поэтому в конструкциях стараются достигнуть компромисса между жесткостью, прочностью и резильянсом. Здесь-то и должен приложить свое искусство конструктор.
    Оптимальные условия могут изменяться не только в зависимости от типа и класса конструкции, но и при переходе в ней от одного элемента к другому. Природа и здесь имеет преимущество, поскольку в ее распоряжении находится огромный диапазон упругих свойств различных биологических тканей. Простым, но интересным примером служит обычная паутина. Она подвержена ударным нагрузкам, создаваемым попадающими в нее мухами, и энергия возникающих ударов должна быть поглощена эластичными нитями. Оказывается, что длинные радиальные нити, на которые падает основная нагрузка, втрое жестче коротких круговых нитей, назначение которых ограничивается лишь ловлей мух.
    Наряду с использованием конструкционных элементов, работающих на растяжение, таких, как веревки или нити паутины, и на сжатие, таких, как буферы железнодорожных составов и отбойные амортизаторы судов, имеется еще и много других способов запасать упругую энергию и достигать высокого резильянса. Для этих целей может годиться конструкция любой формы, способная испытывать упругие отклонения. Наиболее распространенными являются устройства, запасающие энергию посредством изгиба, подобно лукам и величавым корабельным мачтам. Именно так обстоит дело в растениях, деревьях, этот принцип лежит в основе действия большинства типов автомобильных рессор. Первоклассный меч не сломается, если его изогнуть дугой, коснувшись концом рукоятки, и снова обретет свою первоначальную форму.

Упругая энергия как причина разрушения

    …обращались назад, как неверный лук.
Псалом 77
    Достаточно высокий резильянс - качество, существенное для любой конструкции, без него она не могла бы поглощать энергию ударов. С этой точки зрения, чем большим резильянсом обладает конструкция, тем лучше. Столь хитроумные устройства, как корабли викингов и американский конный кабриолет, обладали очень большой гибкостью и высоким резильянсом. Если такого рода конструкции чрезвычайно не перегружать, после снятия нагрузки они тут же приходят в первоначальное состояние. Но, естественно, больших перегрузок и они не выдержат.
    Далее, чтобы разорвать материал, в нем должна возникнуть трещина. Однако, как мы вскоре увидим, чтобы такая трещина продвинулась на своем пути, необходимо затратить энергию, которую надо где-то взять. Как мы говорили выше, можно без труда сломать лук, "стреляя" из него без стрелы. При этом запасенная в луке упругая энергия не может благополучно высвободиться и перейти в кинетическую энергию стрелы, а потому часть ее идет на образование трещин в материале самого лука. Другими словами, упругая энергия лука его же и ломает. Однако сломанный лук - это только частный случай разрушения вообще.
    Все упругие вещества, находящиеся под действием нагрузки, содержат большее или меньшее количество упругой энергии, и эта энергия потенциально всегда может пойти на процесс разрушения их самих. Другими словами, запасенная упругая энергия может пойти на то, чтобы покрыть энергетические затраты на распространение трещины в конструкции и, следовательно, на поломку последней. В конструкции с высоким резильянсом может содержаться большая упругая энергия; того же рода энергия, к которой прибегали древние римляне, чтобы пробить массивные стены Карфагена, в равной мере годна на то, чтобы сам себя сломал пополам громадный супертанкер.
    Согласно современной точке зрения, в том случае, когда материал подвергается растягивающей нагрузке, мы не должны рассматривать его разрушение как результат непосредственного растяжения химических связей между атомами. Иначе говоря, это отнюдь не простое следствие, вызванное действием растягивающего напряжения, как можно подумать, начитавшись классических учебников[30]. Прямым результатом увеличения нагрузки, действующей на конструкцию, будет лишь увеличение запаса упругой энергии в материале. Ответ на вопрос, поломается ли на самом деле конструкция в любом заданном месте (цена ответа может составить, например, 64 тыс. долларов), зависит от того, может ли упругая энергия перейти в энергию разрушения так, чтобы образовать трещину.
    Современную механику разрушения занимает прежде всего не вопрос о нагрузках и напряжениях, а вопрос о том, как, почему, где и когда упругая энергия может перейти в энергию разрушения. Конечно, в простых случаях, когда имеют дело с веревками и стержнями, действует классическая концепция критического разрушающего напряжения, однако для больших или сложных конструкций, таких, как мосты, пароходы или сосуды высокого давления, она, как мы уже видели, страдает опасным переупрощением. Оказывается, что независимо от того, подвергается ли конструкция удару или действию статической нагрузки, разрушение путем разрыва зависит главным образом от следующего:
    1) от цены в единицах энергии, которую нужно заплатить, чтобы протолкнуть трещину;
    2) от количества упругой энергии, которым располагает конструкция, готовая заплатить указанную цену;
    3) от размеров и формы наиболее опасных отверстий, трещин или дефектов конструкции.
    Тот факт, что величины энергии, необходимые для того, чтобы разрушить материал в любом данном поперечном сечении, для различных твердых тел весьма различны, легко подтвердить, ударив молотком сначала по стеклянной, а потом по консервной банке. Количество энергии, требуемое для разрушения материала, отнесенное к поперечному сечению, определяет его вязкость разрушения, или "трещиностойкость", которую в настоящее время чаще называют энергией или работой разрушения. Упомянутое свойство совершенно отлично и независимо от прочности материала на разрыв, которая определяется как напряжение (а не как энергия), требуемое для разрушения твердого тела. От трещиностойкости, или работы разрушения материала, в значительной мере зависит реальная прочность конструкции, особенно если она велика по размерам. А поэтому нам следует немного поговорить о работе разрушения различных типов твердых тел.

Энергия, или работа, разрушения

    Когда твердое тело разрушается при растяжении, должна возникнуть хотя бы одна трещина, распространение которой разделяет кусок материала на части. Это означает, что должны образоваться по крайней мере две новые поверхности, не существовавшие ранее, до разрушения тела. Чтобы таким путем произвести в материале разрыв и образовать эти новые поверхности, необходимо разорвать все химические связи, до того сцеплявшие между собой поверхности.
    Если мы имеем дело с материалами, которые носят название хрупких - к ним относятся камень, кирпич, стекло и фаянс, - упомянутое количество энергии и есть почти вся та энергия, которую мы должны сообщить телу, чтобы произвести разрушения. В действительности 1 Дж/м2 - это совсем малое количество энергии. Так, согласно самой простой оценке упругая энергия, которую можно запасти в 1 кг сухожилий, достаточна для того, чтобы "заплатить" за 2500 м2 свежей поверхности битого стекла. (Такое действие эквивалентно визиту слона в посудную лавку.) Вот почему каменщик раскалывает кирпич точно пополам всего лишь легким ударом мастерка, а чтобы разбить тарелку или бокал, достаточно малейшей неловкости.
    Хрупкие материалы по возможности не используются там, где они могут подвергнуться действию растяжений. Эти материалы являются хрупкими в первую очередь не потому, что имеют низкую прочность на разрыв,- это означало бы, что для их разрушения требуется небольшая сила, - а потому, что для их разрушения требуется только небольшая энергия.
    Технические и биологические материалы, которые используются в условиях растяжения и в этом смысле являются относительно безопасными, для образования новой поверхности при разрушении требуют значительно большей энергии. Другими словами, работа разрушения для них значительно (несравненно!) больше, чем в случае хрупких твердых тел. Для практически вязкого трещиностойкого материала величина работы разрушения обычно лежит в пределах 103-106 Дж/м2. Поэтому энергия, требуемая для разрушения сварочного железа или мягкой стали, может быть в миллион раз больше энергии, требуемой для разрушения в таком же поперечном сечении стекла или керамики, хотя величины статической прочности на разрыв этих материалов не сильно различаются. Поэтому таблица значений прочности на разрыв, подобная табл. 2, в случае если ее используют для выбора какого-то конкретного материала, может дезинформировать конструктора. По этой же причине классическая теория упругости, основанная главным образом на силах и напряжениях, которая старательно разрабатывалась в течение столетий - и еще более старательно преподавалась студентам, - сама по себе не может правильно предсказывать разрушение реальных материалов и конструкций.
    Таблица 4. Приближенные величины работы разрушения и прочности при растяжении некоторых распространенных материалов
    Вещество / Приближенное значение работы разрушения Дж/м2 / Приближенное (номинальное) значение прочности на разрыв МН/м2
    Стекло, керамика / 1-10 / 170
    Цемент, кирпич, камень / 3-40 / 4
    Полиэфирные и эпоксидные смолы / 100 / 50
    Нейлон, полиэтилен / 103 / 150-160
    Кость, зубная ткань / 103 / 200
    Дерево / 104 / 100
    Мягкая сталь / 105 - 106 / 400
    Высокопрочная сталь / 104 / 1000
    Хотя в деталях механизм поглощения столь огромных количеств энергии в виде работы разрушения в вязких трещиностойких материалах часто является тонким и сложным, общий принцип его действия весьма прост. В хрупком твердом теле работа, производимая в процессе разрушения, на самом деле сводится к той работе, которая необходима, чтобы разорвать химические связи на возникающей в процессе разрушения новой поверхности или в ее непосредственной окрестности. Как мы уже видели, соответствующая энергия мала и составляет около 1 Дж/м2 В трещиностойком материале, несмотря на то что прочность и энергия каждой индивидуальной связи остаются теми же, изменения структуры материала в процессе разрушения распространяются на гораздо большую глубину. Практически эти изменения вполне могут распространяться на глубину свыше сантиметра, то есть на глубину, измеряемую 50 млн. атомов под видимой поверхностью разрушения. Поэтому если в процессе нагружения разорвется только одна межатомная связь, то энергия, требуемая для образования новой поверхности, увеличится в миллионы раз, что, как мы видели, и имеет место в действительности. Молекулы, находящиеся вдали от поверхности разрушения, способны, таким образом, поглощать энергию и вносить свой вклад в сопротивление разрушению.
    Высокие значения работы разрушения мягких металлов обязаны в первую очередь пластичности этих материалов. Это означает, что при их растяжении кривая деформирования отклоняется от закона Гука при совсем небольших напряжениях, после чего материал начинает деформироваться пластически, подобно пластилину (рис. 21). Если стержень или лист из такого металла разрушается в результате растяжения, то, перед тем как произойдет разрыв, материал вытягивается словно патока или жевательная резинка. На концах в месте разрыва образец принимает коническую форму и выглядит примерно так, как показано на рис. 22. Такую форму разрушения часто называют шейкообразованием.
   
    Рис. 21. Кривая деформирования для пластичного металла (мягкая сталь). Заштрихованная область представляет работу разрушения металла.
   
    Рис. 22. Работа разрушения пропорциональна объему пластичсски деформированного металла (заштрихованная область) и поэтому, грубо говоря, пропорциональна t2. Работа разрушения тонкого листа может быть очень малой. а - металлическая плита большой тощины, б - тонкий металлическии лист.
    Шейкообразование и другие подобные формы пластического разрушения возможны потому, что многие из бесчисленных слоев атомов в кристаллах металла способны скользить относительно друг друга. Дислокационный механизм этого скольжения не только обеспечивает взаимное проскальзывание слоев подобно картам в колоде, но и поглощает энергию, и весьма большую. Результатом всех этих сдвигов, скольжений и смещений в кристаллах является то, что металл обретает способность значительного формоизменения и поглощения упругой энергии.
    Дислокационный механизм скольжения[32], постулированный первоначально Дж. Тейлором в 1934 г., был предметом интенсивных научных исследований в течение последних 30 лет. Он оказался исключительно тонким и сложным. Процессы, происходящие в столь, казалось бы, простой вещи, как кусок металла, оказались не менее хитроумными, чем большинство процессов в живых биологических тканях. Забавно, что этот хитроумный механизм, вероятно, не конструировался с какой-то определенной целью. Природа сама не может, так сказать, извлекать из него пользу, поскольку в своих конструкциях она никогда не использует металлы, которые и в самородках-то встречаются весьма редко. Однако дислокации в металлах оказались чрезвычайно полезными для инженеров, можно сказать, что они были изобретены для их пользы, поскольку именно благодаря дислокациям металлы не только обладают трещиностойкостью, но и допускают ковку, обработку давлением и одновременно упрочение.
    А вот у искусственно созданных пластиков и волокнистых композитов способы поглощения упругой энергии при разрушении иные. Механизм их совершенно отличен от механизма поглощения металлов, но достаточно эффективен. У биологических материалов также, по-видимому, имеются весьма совершенные механизмы получения больших величин энергии разрушения, которые работают весьма изощренным образом. Способ, реализующийся, например, в древесине, исключительно эффективен, и работа разрушения дерева, взятая на единицу веса, больше, чем для большинства сортов стали[33].
    Продолжим теперь обсуждение вопроса о том, как упругая энергия в эластичной конструкции умудряется перейти в работу разрушения. Если угодно, в чем же действительная причина разрушения?

Гриффитс, или как жить в мире трещин и концентрации напряжений

    Пускай их сколько угодно с бортов по волнам валяет, все лучше, чем с этой трещиной на поверхности баллера отведать килевой качки.
Хлеб, отпущенный по водам
Р. Киплинг
    Как было сказано в начале этой главы, все реальные конструкции имеют трещины, царапины, отверстия и другие дефекты. Корабли, мосты, самолеты подвержены разнообразным случайным воздействиям, которые приводят к зазубринам и надрезам, и мы должны научиться сосуществовать с ними, обеспечивая наибольшую возможную безопасность, хотя, согласно Инглису, для многих из таких дефектов локальные напряжения могут заметно превосходить справочные данные о прочности материала. Объяснение того, почему и как можно, вообще говоря, жить в окружении конструкций, несущих столь высокие напряжения, без катастроф, было выдвинуто Гриффитсом (1893-1963) в статье, опубликованной в 1920 г., как раз через 25 лет после прекрасного рассказа Киплинга о трещине. Поскольку в 1920 г. Гриффитс был никому не известным молодым человеком, на эту статью никто не обратил внимания. Во всяком случае, энергетический (несиловой) подход Гриффитса ко всей проблеме разрушения в то время да и в течение многих последующих лет был не только новым, но и совершенно чуждым самому духу инженерного мышления. Даже сегодня очень многие инженеры на самом деле не понимают, в чем состоит суть теории Гриффитса.
    Сказанное Гриффитсом состоит в следующем. Инглисова концентрация напряжений с энергетической точки зрения является просто механизмом (чем-то вроде застежки-молнии) для превращения упругой энергии в энергию разрушения, подобно тому как электромотор является механизмом для превращения электрической энергии в механическую работу, а консервный нож является механизмом для использования мышечной энергии. Ни один из этих механизмов не будет работать, если не подводить к нему бесперебойно нужного рода энергию. Чтобы раздвинуть атомы материала, недостаточно одной только концентрации напряжений, а необходим еще подвод упругой энергии. Если подвод упругой энергии прекращается, останавливается и процесс разрушения.
    Рассмотрим теперь образец из упругого материала, который сначала растянули, а затем закрепили его концы таким образом, чтобы он не мог больше ни получать, ни отдавать механическую энергию. Таким образом создалась механическая система, содержащая определенное количество упругой энергии. Если в этом растянутом материале начнет распространяться трещина, то требуемая работа разрушения должна быть полностью "оплачена" по энергетическому счету. Если для простоты мы примем, что наш образец является пластинкой материала единичной толщины, то требуемая энергия должна составить WL, где W - работа разрушения (на единицу площади), a L - длина трещины. Заметим, что речь здесь идет об "энергетическом долге", о том, что по энергетическому счету должно быть занесено в дебет, хотя никакого кредита в действительности получено не было. Дебет линейно возрастает с ростом длины трещины L.
    Эта энергия должна быть немедленно изыскана во внутренних ресурсах, и, поскольку мы имеем дело с замкнутой системой, она может быть получена только за счет уменьшения упругой энергии внутри системы. Другими словами, где-то внутри образца должно уменьшиться напряжение. Такая ситуация возможна, поскольку берега трещины под действием напряжения немного разойдутся, а это немедленно приведет к уменьшению напряжения вблизи ее поверхности (рис. 23). Грубо говоря, две треугольные области, затененные на рисунке, и отдадут упругую энергию. Можно ожидать, что эти области с ростом длины трещины L будут в основном сохранять свои пропорции и поэтому их площадь будет расти как квадрат длины трещины, то есть как L2. Следовательно, количество высвобождающейся упругой энергии будет расти как L2.
   
    Рис. 23.а - недеформированный образец; б - образец растянут, и его концы жестко закреплены; система не может ни получать, ни отдавать энергию; в - в растянутый образец внесена трещина. Напряжение в затененных областях уменьшается, и они отдают упругую энергию, которая может теперь пойти на дальнейшее распространение трещины.
    Таким образом, суть принципа Гриффитса определяется тем, что, в то время как энергетический долг растет линейно с длиной трещины L, энергетический кредит растет как квадрат длины трещины L2. Следствия этого изображены на рис. 24. Линия ОА представляет энергию, требуемую для образования новой поверхности растущей трещины, и это - прямая линия. Линия представляет энергию, освобождаемую в системе при достижении трещиной данной длины, и это - парабола. Общий баланс энергии, являющийся алгебраической суммой двух упомянутых энергий, представляется линией ОС.
   
    Рис. 24. Высвобождение энергии по Гриффитсу, или почему предметы разлетаются на куски.
    До точки Х на графике система в целом должна поглощать энергию; после точки Х энергия начинает выделяться из системы. Отсюда следует, что существует некоторая критическая длина трещины, которую мы будем обозначать Lg и которая называется критической длиной трещины по Гриффитсу. Трещины, длина которых меньше Lg, не представляют опасности, они не могут расти сами по себе. Трещины же, имеющие длину больше Lg, растут "сами по себе" и поэтому весьма опасны[34]. Такие трещины чем дальше, тем быстрее распространяются по материалу и неизбежно ведут к "взрывному" (сопровождаемому шумом) разрушению. Конструкция заканчивает свое существование не с тихим всхлипом, а с грохотом и в большинстве случаев идет на свалку.
    Наиболее важное следствие из всего сказанного состоит в том, что даже если локальное напряжение на концах трещин очень велико (даже если оно много больше, чем зарегистрированная в справочнике прочность материала), до тех пор пока в конструкции нет трещины или другого отверстия, длина которого превышает критическую длину Lg, конструкция безопасна и не разрушается. Именно это свойство позволяет нам не падать духом и не тревожиться слишком сильно по поводу инглисовой концентрации напряжений. Именно по этой причине отверстия, трещины и царапины представляют опасность ровно настолько, насколько они ее представляют на самом деле.
    Вычислить величину Lg оказывается гораздо проще, чем можно было бы ожидать. Хотя математика, использованная Гриффитсом, не внушает особого доверия, результат вычислений обезоруживает своей простотой - можно сказать, что он блистательно прост. Оказывается, что Lg= 1/p x (работа разрушения на единицу поверхности трещины / упругая энергия в единице объема материала) а это можно выразить как Lg= 2WE/ps2 где W - работа разрушения в Дж/м2, Е - модуль Юнга в Н/м2, s - среднее напряжение растяжения в материале вблизи трещины, не учитывающее концентраций напряжении, в Н/м2, Lg - критическая длина трещины в м.[35]
    Таким образом, предельная длина безопасной трещины зависит просто от величины отношения работы разрушения к упругой энергии, запасенной в материале. Эту длину можно рассматривать как обратно пропорциональную резильянсу. Вообще говоря, чем выше резильянс, тем меньше длина трещин, с которыми еще можно мириться. Это еще один пример двух качеств, одновременно не достижимых полностью.
    Как мы видели выше, в резине можно запасти много упругой энергии. Однако работа разрушения для нее очень мала, а потому и критическая длина трещины Lg для растянутой резины тоже весьма невелика и обычно составляет доли миллиметра. Поэтому, когда мы протыкаем булавкой надутый воздушный шар, он взрывается с оглушительным шумом. Таким образом, хотя резина весьма эластична и ее можно сильно растянуть без разрушения, когда она все же разрушается, то происходит это "хрупким" образом, примерно так же, как у стекла.
    Примером того, каким образом можно одновременно достичь и эластичности, и трещиностойкости, служат такие вещи, как одежда, плетеные корзины, деревянные корабли и конные экипажи. Все эти вещи содержат более или менее свободные и гибкие соединения, так что энергия расходуется на трение, о чем свидетельствуют их шуршание и скрип. Однако, хотя плетеные изгороди и птичьи гнезда очень хорошо противостоят внешним нагрузкам, принцип их создания почти не используется современными инженерами. (Одно из исключений составляют автомобильные покрышки, где в резину для борьбы с ее чрезмерной хрупкостью добавляется специальный корд.)
    Из приведенной выше формулы видно, что длина Lg быстро уменьшается с ростом напряжения s. Поэтому, если мы хотим, чтобы при сравнительно высоких напряжениях оставались безопасными достаточно длинные трещины, следует использовать материалы, для которых велики работа разрушения W и жесткость, то есть модуль Юнга, Е. Именно этим объясняются столь широкое использование мягкой стали и ее значение не только в экономике, но и в политике; будучи весьма дешевой, она характеризуется как большой работой разрушения, так и высокой жесткостью.
    Как мы увидим дальше, при использовании формулы Гриффитса возникает много подводных камней, поэтому мы не должны рассматривать ее как какое-то дарованное свыше решение всех проблем конструирования, но в то же время она проясняет некоторые проблемы конструирования, которым ранее не находили объяснения и которые были окружены предрассудками.
    Например, вместо того чтобы, не утруждая себя, использовать совершенно фиктивные коэффициенты запаса прочности, сегодня мы можем попытаться спроектировать конструкцию, которая не будет разрушаться при наличии трещин заданной длины. Выбранная длина трещин будет зависеть от размеров конструкции, а также от возможных условий ее работы и контроля за ней. Если речь идет о возможных жертвах при разрушении конструкции, то вполне очевидна необходимость сделать так, чтобы безопасная трещина была настолько велика, дабы в пятницу после обеда ее и при плохом освещении разглядел скучающий и бестолковый контролер.
    В действительно больших конструкциях, таких, как корабли или мосты, хотелось бы, чтобы и трещины длиной в 1-2 м не представляли опасности. Предположим, что мы ориентируемся на безопасную трещину длиной 1 м. Тогда даже при столь умеренном допущении, что работа разрушения стали составляет 105 Дж/м2, мы найдем, что такая трещина будет устойчивой вплоть до напряжений в 110 МН/м2 (11 кгс/мм2). Но если мы захотим большей безопаности и будем ориентироваться на трещину длиной 2 м, допустимое напряжение придется уменьшить до 80 МНм2 (8 кгс/мм2).
    На самом деле 80 МН/м2 - это как раз тот уровень напряжения, на который рассчитывают при проектировании крупных конструкций, и для мягкой стали это напряжение соответствует коэффициенту запаса прочности, лежащему между 5 и 6, и поэтому оно вполне приемлемо. Посмотрим, как все это работает на. практике. Из 4694 судов, проходивших в доке обычную проверку, у 1289, то есть более чем у четверти, были обнаружены серьезные трещины в корпусе, после чего, конечно, были предприняты необходимые меры по ремонту. Число же судов, которые, если бы не принятые меры, действительно разломились в море пополам, было все же много меньшим и составляло весьма малую долю от общего их количества. Одно такое судно пришлось примерно на каждые пятьсот кораблей. Если бы при конструировании этих судов были предусмотрены более высокие напряжения или их корпуса были изготовлены из более хрупкого материала, то в большинстве случаев трещины не были бы обнаружены до самого момента катастрофы.
    Следуя доктрине Гриффитса в ее чистом виде, мы обнаружим, что трещины меньше критической длины вообще не могут распространяться, а поскольку любая трещина начинает свое существование с весьма малых размеров, то и вообще ничто никогда на разрушается. В действительности же, конечно, по многим веским причинам, которые составляют компетенцию металлургов и материаловедов, трещины до критической длины все же могут расти (см. гл. 14). Существенно, что, как правило, это происходит очень медленно, так что имеется достаточно времени для того, чтобы обнаружить эти трещины и что-то предпринять.
    К несчастью, бывают и исключения. Профессор Дж.Ф.К. Конн, до недавнего времени занимавшийся в Глазго строительной механикой корабля, рассказал мне историю, как на крупном грузовом судне кок, прийдя как-то утром на камбуз готовить завтрак, обнаружил большую трещину посреди пола. Кок послал за старшим стюардом, который пришел, посмотрел на трещину и послал за старшим помощником капитана. Старший помощник пришел, посмотрел на трещину и послал за капитаном. Капитан пришел, посмотрел на трещину и сказал: "А, ничего страшного, дайте-ка мне позавтракать!"
    Но у кока был явно научный склад ума и, разделавшись с завтраком, он достал краски, пометил концы трещины и поставил возле отметки дату. Через некоторое время корабль попал в непогоду и трещина удлинилась на несколько дюймов. Тогда кок нанес новую отметку и поставил новую дату. Он проделал это со всей добросовестностью еще несколько раз.
    Когда судно в конце концов потерпело аварию, именно на той половине, которую удалось спасти и отбуксировать в порт, оказались отметки кока, которые, по мнению профессора Конна, служат самыми достоверными из всех свидетельств о процессе роста больших трещин докритической длины.

"Мягкая" сталь и "высокопрочная" сталь

    Если конструкция не выдерживает нагрузок или имеются опасения относительно ее прочности, то естественное внутреннее чувство подсказывает инженеру, что надо использовать "более прочный" материал; если речь идет о стали, то это будет высокопрочная сталь. Для больших конструкций это, вообще говоря, ошибочное решение, поскольку ясно, что даже в случае мягкой стали ее прочность используется далеко не полностью. Это происходит потому, что, как мы уже видели, разрушение конструкции может определяться не прочностью, а хрупкостью материала.
    Хотя измеряемые величины работы разрушения зависят от способа, которым производится соответствующее испытание, и здесь трудно получить однозначный результат, все же можно сказать, что трещиностойкость большинства металлов с ростом прочности несомненно уменьшается. На рис. 25 в качестве примера показано соотношение между этими двумя величинами в углеродистых сталях при комнатной температуре.
   
    Рис. 25. Приближенное соотношение между прочностью и работой разрушения для некоторых простых углеродистых сталей. (По В.Д. Бигсу)
    Легко (и это не очень дорого) вдвое увеличить прочность мягкой стали путем повышения содержания углерода. Однако, если мы сделаем это, величина работы разрушения может уменьшиться раз в 15. В той же пропорции уменьшится и критическая длина трещины, то есть она при том же напряжении уменьшится от 1 м до 6 см. Если, однако, мы повысили вдвое и рабочее напряжение, то критическая длина трещины уменьшится в 15х22 = 60 раз. Таким образом, если критическая длина трещины первоначально была 1 м, теперь она составит 1,5 см, что было бы весьма опасно для большой конструкции.
    Для конструктивных элементов малых размеров, таких, как болт или коленчатый вал, положение иное, здесь не имеет смысла ориентироваться на трещины метровой длины. Если мы хотим, чтобы допустимая предельная длина трещины равнялась, например, 1 см, то рабочее напряжение, при котором такая трещина остается безопасной, может достигать почти 280 МН/м2 и в этом случае стоит применить высокопрочный материал. Таким образом, одно из следствий теории Гриффитса состоит в том, что в целом высокопрочные материалы и большие рабочие напряжения более безопасно применять в малых конструкциях, чем в больших. Чем больше конструкция, тем меньше напряжение, приемлемое с точки зрения безопасности. Это один из факторов, накладывающих ограничения на размеры судов и мостов.
    Соотношение между работой разрушения и прочностью, подобное показанному на рис. 25, почти справедливо и для обычных углеродистых сталей. Можно добиться лучшего соотношения между прочностью и трещиностойкостью, если использовать легированные стали, то есть стали с присадками других элементов и уменьшенным содержанием углерода, но эти стали слишком дороги для применения в крупногабаритных конструкциях. В связи с этим около 98% всей выпускаемой стали - это "мягкая" сталь, другими словами, мягкий, или пластичный, металл с прочностью около 40-50 кгс/мм2 (около 450 МН/м2).

О хрупкости костей

Вы - мальчишки, вы - девчонки,
Ваши кости хрупки, тонки.
Чтоб расти и ввысь стремиться.
Вам не следует беситься.

Детский цветник стихов
Р.Л. Стивенсон
    Конечно, кости детей отнюдь не хрупки[36], и Стивенсон писал очаровательный вздор. Кости развиваются из эмбрионального коллагена, или хрящевого вещества, прочного и вязкого, но не очень жесткого (его модуль Юнга около 600 МН/м2). По мере развития плода коллаген укрепляется тонкими неорганическими нитями, называемыми остеонами. Они образованы главным образом из извести и фосфора и имеют химическую формулу типа ЗСа3(РО4)2 х Са(ОН)2. В результате этого процесса армирования костей их модуль Юнга увеличивается примерно в 30 раз и достигает значения около 20000 МН/м2. Однако проходит значительное время после рождения, прежде чем наши кости полностью насыщаются кальцием. Дети, естественно, более уязвимы в отношении механических травм, но в целом их кости, по-видимому, более эластичны и менее хрупки, чем кости взрослых, в чем можно убедиться на любом лыжном склоне.
    Однако все кости относительно хрупки по сравнению с мягкими тканями, а работа разрушения их, надо думать, меньше, чем работа разрушения дерева. Хрупкость костей ограничивает перегрузки, которым могут подвергать себя крупные животные. Как уже говорилось в связи с судами и машинами, гриффитсова критическая длина трещины является абсолютной, а не относительной величиной. Другими словами, она одна и та же и для мыши, и для слона, как одни и те же для всех животных прочность и жесткость костей.
    Исходя из этого, можно заключить, что наибольший размер животного, который еще можно считать не представляющим особой опасности для его существования, лежит где-то вблизи размера человека или размера льва. Мышь, или кошка, или здоровый человек могут без вреда для себя спрыгнуть со стола, однако сомнительно, чтобы это мог сделать слон. И в самом деле, слоны должны быть очень осторожными; слон, который скачет или перепрыгивает через изгородь подобно овцам или собакам, - зрелище, весьма редкое. Особенно крупные животные, подобные китам, приспособлены к существованию только в море. Интересен пример с лощадьми. Дикие предки современной лошади были небольшими и, вероятно, не слишком часто ломали ноги. Но впоследствии человек вывел достаточно крупных лошадей, которые могли бы без устали работать на него, и эти несчастные создания постоянно ломают себе ноги.
    Известно, что люди преклонного возраста особенно подвержены костным переломам, обычно это приписывается прогрессирующей с возрастом хрупкости костей. Последнее обстоятельство, несомненно, играет определенную роль, однако оно не всегда является определяющим фактором. Насколько мне известно, достоверных данных об изменении работы разрушения костей с возрастом не имеется, но, поскольку прочность костей за период между 25 и 75 годами уменьшается только примерно на 22%, не похоже, чтобы резко уменьшалась работа разрушения. Профессор Дж.П. Пол из университета Страйсклайда говорил мне, что результаты его исследований указывают как на более важную причину таких переломов на прогрессирующую потерю нервами контроля за натяжением мышц. Так, внезапный испуг может вызвать мышечное сокращение, достаточное для того, чтобы сломать, например, шейку бедра, даже если пациент не получил никакого удара извне. В таком случае человек, естественно, падает на землю (а, возможно, кроме того, и ударяется о какой-либо предмет), и в результате причиной перелома ошибочно считают падение, а не мышечный спазм. Говорят, что у некоторых африканских оленей подобные переломы задних ног случаются при виде льва.

Часть II. Конструкции, нагруженные растяжением

Глава 5

Растянутые конструкции и сосуды под давлением - о паровых котлах, летучих мышах и джонках

    Корабль определенно двигался быстрей, и паруса лучше держали ветер, но как раз в этот момент ураган усилился. "Если что-нибудь случится с парусами, мы пропали, сэр", - снова произнес первый помощник.
    "Я отдаю себе в этом полный отчет, - холодно ответил капитан, - но, как я уже говорил, и вы должны теперь это сознавать, паруса - наш единственный шанс. Всякая небрежность и беззаботность в подгонке и закреплении оснастки не останется теперь безнаказанной, и пусть эта опасность, если нам удастся спастись, послужит нам постоянным напоминанием о том, как дорого приходится платить за пренебрежение своим долгом".
Питер Симпл
Капитан Мэриет
    Наиболее простыми для рассмотрения являются, вообще говоря, такие конструкции, которые должны оказывать сопротивление только растягивающим нагрузкам - силам, возникающим, когда тянут, а не когда толкают. Из этих конструкций самыми простыми являются те, которые растягиваются только в одном определенном направлении; типичным случаем таких конструкций может быть веревка или стержень. Хотя такие одноосные нагружения можно наблюдать у растений, особенно в их корнях, лучше рассмотреть другие биологические конструкции - мышцы и сухожилия животных, голосовые связки и сплетаемую пауком паутину.
    Мышцы - это мягкая ткань, которая при получении соответствующего нервного сигнала способна сокращаться и таким образом создавать силы растяжения. Но хотя мышцы представляют собой более эффективное устройство для преобразования химической энергии в механическую работу, чем любая созданная человеком машина, они не очень сильны и прочны. Поэтому, чтобы создавать и выдерживать значительные механические натяжения, мышцы должны быть толстыми и иметь большой объем. Отчасти по этой причине во многих случаях мышцы соединяются с костями, которыми они управляют, посредством промежуточных соединительных звеньев, похожих на струны и состоящих из сухожилий. Хотя сухожилия сами сокращаться не способны, они во много раз прочнее мышц, и поэтому для того, чтобы передать заданную растягивающую силу, достаточно, чтобы их поперечное сечение составляло лишь небольшую часть сечения мышц. Таким образом, задача сухожилий близка к задаче, которую обычно выполняют веревки и проволока, хотя, как мы видели в предыдущей главе, они могут работать и как пружины.
    Некоторые сухожилия очень короткие, а некоторые - весьма длинные, и все они проходят по телу не менее сложным образом, чем проволочки в старомодной викторианской системе колоколов. Особенно длинны сухожилия рук и ног. Мышцы ног не только велики, но и тяжелы, поэтому целесообразно, чтобы центр тяжести ног располагался как можно выше. Дело в том, что при нормальной ходьбе нога действует подобно маятнику, колеблясь с присущим ей периодом свободных колебаний и расходуя предельно мало энергии. Бег гораздо утомительнее именно оттого, что мы заставляем ноги колебаться с частотой, большей, чем их собственная частота свободных колебаний. Но собственная частота колебаний ноги будет тем выше, чем ближе центр тяжести ноги к тазобедренному суставу. Поэтому у нас массивные икры и бедра и, к счастью, небольшие ступни и лодыжки.
    Однако не меньшей помехой в жизни, чем большие ступни, были бы большие кисти рук (хотя кто-то может сказать, что только не для полисменов). Наши руки, конечно, произошли от передних ног, и идея "дистанционного" управления движением рук реализована с еще большей полнотой, чем в случае ног. С помощью сухожилий, даже более длинных и тонких, чем у ног, кисти и пальцы управляются мышцами, расположенными в предплечьях, то есть на очень большом расстоянии. За счет этого кисть оказывается значительно более тонкой, чем в случае, если бы в ней находились и все управляющие ею мышцы. Преимущества существующего в действительности расположения мышц с механической, а возможно, и с эстетической точки зрения очевидны.
    Много простых примеров одноосного растяжения встречается и в конструкциях, созданных человеком; так, к числу их принадлежат рыболовная леска и трос подъемного крана. Эти случаи мало отличаются от задачи о висящем на веревке кирпиче, обсуждавшейся нами в гл. 2. А вот такие случаи, как сооружение парусной оснастки корабля или проектирование линий электропередач, гораздо интереснее и сложнее.
    Расчет оснастки корабля - выбор необходимой толщины каждого каната - не вызвал бы никаких трудностей, если было бы известно, какие нагрузки придется выдерживать канатам. Здесь сложность состоит в том, чтобы не ошибиться при определении тех сил, которые действуют в столь сложной системе, как парусный корабль. Хотя существует несколько путей решения этой задачи, я сильно подозреваю, что большинство конструкторов яхт предпочитают строить свои расчеты на догадках бывалых людей. Однако догадки хороши только тогда, когда они оказываются правильными, в противном случае это скорее всего приведет к потере мачты.Если такое случается, когда кораблю угрожают опасные подветренные берега (как в случае фрегата Мэриета), последствия могут оказаться более чем серьезными.
    Сегодня увлечение горными лыжами породило огромную международную индустрию, зависящую от исправной работы многих тысяч подъемников и канатных дорог. Большинству из тех, кто оказывается над пугающей бездной, я думаю, не безразлична прочность стальных канатов, на которых держится вагончик канатной дороги или кресло подъемника. Такие канаты рвутся очень редко, поскольку возникающие в этом случае статические нагрузки определяются с большой точностью, и не представляет труда произвести расчеты и гарантировать достаточный запас прочности. Более серьезную опасность представляет сильное раскачивание канатов на ветру, поскольку при этом вагончики могут удариться друг о друга или о поддерживающую опору. Проектировщики же и в этом случае, по-видимому, основываются главным образом на догадках и прецедентах.
    В струнных инструментах соответствующие напряжения создаются путем натягивания струн из жесткого материала, стальной проволоки или сухожилий на подходящую раму, которой может служить гриф скрипки или чугунная станина фортепиано. Поскольку жесткими являются и струна, и рама, весьма небольшое удлинение сильно меняет напряжение в струне и, следовательно, высоту звука. Именно поэтому такие инструменты очень чувствительны к настройке. Если аналогичным образом заставить звучать, словно струну, натянутую веревку, то по высоте звука можно определить напряжение материала. У древних римлян командир боевой катапульты должен был иметь хороший музыкальный слух, чтобы на слух определять, с какой силой натянуты канаты из сухожилий при подготовке к бою.
    Хотя устройство, которым наделила человека природа, позволяющее издавать звуки, во многих отношениях отличается от струнных инструментов, принцип его действия аналогичен принципу действия последних. Механизмы работы этого устройства довольно сложны, но и в пении, и в речи человека существенное участие принимает гортань. Интересно отметить, что различные ткани, из которых состоит гортань, относятся к небольшому числу мягких тканей человеческого тела, поведение которых более или менее подчиняется закону Гука; большинство же других тканей человеческого тела, как мы увидим в гл. 7, подчиняется своим собственным, совершенно иным и не всегда ясным законам.
    Гортань содержит так называемые голосовые связки. Это полосы, или складки, ткани, напряжение в которой может изменяться с помощью мышечных натяжений, что позволяет управлять частотой вибрации голосовых связок. Поскольку модуль Юнга голосовых связок довольно низок, для возникновения в них нужных напряжений они иногда должны испытывать большие деформации. Так, когда мы хотим получить звук большой высоты, они должны удлиниться на 50 и более процентов.
    Между прочим, высокий голос у женщин и детей обусловлен не более сильным натяжением их голосовых связок, а меньшими размерами гортани и голосовых связок (они короче). Удивительна разница в размерах гортани у взрослых мужчин и женщин: примерно 36 мм у мужчин и 26 мм у женщин. А вот размеры гортани у мальчиков и девочек до периода созревания почти одинаковы. "Ломка" голоса у мальчиков в возрасте около 14 лет связана не с изменением натяжения голосовых связок, а с довольно резким увеличением размеров гортани.

Трубы и сосуды высокого давления

    С механической точки зрения растения и животных можно рассматривать как системы большого числа трубок и сосудов, назначением которых является удержание и распределение различных жидкостей и газов. Величины давления в биологических системах обычно не очень велики, но ими ни в коем случае нельзя пренебрегать: сосуды и мембраны живого организма время от времени разрываются, нередко с фатальными последствиями.
    Появление надежных сосудов высокого давления в технике следует отнести к достижениям сравнительно недавнего времени, а что бы мы делали, если бы не существовало труб, даже трудно себе представить. Отсутствие труб ввергло древних римлян в громадные затраты при создании городской системы водоснабжения: чтобы пустить воду по открытым каналам в холмистой местности, пришлось строить высокие акведуки. Первыми камерами, которые должны были выдерживать высокие давления, были стволы пушек, и, как известно из истории, они никогда не были вполне надежны и часто разрывались. Список убитых при неожиданном разрыве орудийного ствола, начатый шотландским королем Яковом II, был бы длинен и впечатляющ. Тем не менее, когда в начале XIX в. в Лондоне стало вводиться газовое освещение, трубы заказали бирмингемским оружейным мастерам, так что первые газовые трубы на самом деле были цепочками соединенных между собой мушкетных стволов.
    Можно найти множество книг, где говорится об истории развития парового двигателя, но почти ничего нельзя прочесть об истории совершенствования труб и котлов, которые в значительной мере определяли это развитие. Первые двигатели были тяжелыми и громоздкими и потребляли огромные количества топлива главным образом потому, что они работали при очень низких давлениях пара. Однако для несовершенных котлов того времени эти давления следует признать значительными.
    Производство более легких, компактных и экономичных двигателей целиком зависело от возможности перехода на более высокие рабочие давления. Пароходы 20-х годов прошлого века при давлении пара 0,5-1,0 атм, обеспечиваемого квадратным котлом типа "стога сена", потребляли около 7 кг угля на лошадиную силу в час (кг/л.с.-ч).
    В 50-е годы прошлого века инженеры все еще имели дело с давлениями около 1,5 атм и расход угля был примерно 4 кг/л.с.-ч. К 1900 г. давление пара перевалило за 15 атм, а расход угля упал до 0,6-0,7 кг/л.с.-ч - десятикратное уменьшение за 80 лет. Это были уже не те первые пароходы, которые вытесняли с морских путей парусные суда, а пароходы с двигателями тройного расширения, "шотландскими" котлами и низкой стоимостью топлива, способные покрывать большие расстояния.
    История котлов высокого давления тоже изобилует несчастными случаями. В течение всего XIX в. взрывы котлов были сравнительно частыми, и, конечно, нередко ужасными были их последствия. В развернувшемся процессе повышения рабочих давлений лидерство принадлежало американским речным пароходам. В середине прошлого века на Миссисипи речные пароходы регулярно пускались в тысячекилометровые драматичные рейсы. Проектировщики почти все приносили в жертву скорости и легкости судна, довольно легкомысленно и оптимистически оценивая возможности паровых котлов. Только за 1859 и 1860 гг. 27 из этих пароходов затонули в результате взрыва котлов[38].
    Хотя причиной некоторых из этих несчастных случаев была преступная практика эксплуатации (например, перекрытие предохранительных клапанов), в большинстве своем они были вызваны отсутствием надлежащих расчетов при проектировании. Это достойно сожаления, поскольку рассчитать напряжения, возникающие в сосуде высокого давления, очень просто. Настолько просто, что, насколько мне удалось установить, никто не претендовал когда-либо на честь первооткрывателя этих расчетов[39], здесь достаточно самой элементарной алгебры.

Сферические сосуды высокого давления

    Рассмотрение сосудов высокого давления любого рода (различные баллоны, пузыри, трубки, желудочки, котлы, артерии) связано с анализом растягивающих напряжений, которые одновременно действуют более чем в одном направлении. На первый взгляд это может показаться сложным, но на самом деле здесь нет поводов для беспокойства. Стенки любого сосуда высокого давления несут две функции. Они должны удерживать жидкость и быть водо- или газонепроницаемыми и в то же время выдерживать напряжения, возникающие за счет внутреннего давления. Растягивающие напряжения в этих стенках почти всегда действуют в плоскости этих стенок в обоих направлениях, то есть как бы параллельно их поверхности. Напряжение в третьем направлении, перпендикулярном к поверхности, обычно пренебрежимо мало, и им можно пренебречь. Рассмотрим в первую очередь сосуд высокого давления сферической формы. Предположим, что стенки, или оболочка, сосуда, изображенного на рис. 26, являются достаточно тонкими и их толщина составляет, скажем, менее 1/10 от его диаметра. Радиус оболочки, взятый до половины толщины стенок, обозначим через r, толщина стенок оболочки - t и давление жидкости или газа на оболочку изнутри - p (эти величины могут быть взяты в любых единицах измерения). Мысленно разрежем камеру, подобно грейпфруту, пополам; из рассмотрения рис. 26, 27 и 28 достаточно ясно следует, что напряжение оболочки во всех направлениях, параллельных ее поверхности, будет выражаться формулой s = rp/2t
    Это стандартная инженерная формула.
   
    Рис. 26. Сосуд высокого давления сферической формы. Внутреннее давление p, средний радиус сосуда r и толщина стенки t.
    Рис. 27. Схематический разрез сосуда высокого давления. Представим себе, что сосуд разрезан пополам. Равнодействующая сил давления, действующего внутри каждой из половинок оболочки, должна уравновешиваться напряжениями, действующими на поверхности разреза. Площадь этой поверхности равна 2πrt.
   
    Рис. 28. Равнодействующая сил давления, действующего на поверхность полусферы, равна силе давления, действующей на плоский диск того же диаметра, которая имеет величину πr2p. Следовательно, напряжение s = (нагрузка / площадь) = (πr2p) / (2πrt) = rp/2t

Цилиндрические сосуды высокого давления

    Сферические сосуды находят свое применение в технике, но более широко используются сосуды цилиндрической формы, особенно в виде труб. Поверхность цилиндра не обладает такой симметрией, как поверхность сферы, и поэтому мы не можем предположить, что напряжение, действующее в направлении оси цилиндра, и напряжение, действующее в направлении его окружности, одинаковы; они и на самом деле неодинаковы. Обозначим s1 напряжение в оболочке цилиндра в осевом направлении и s2 - в окружном направлении.
    Из рис. 29 видно, что напряжение s1 - осевое напряжение в оболочке - должно быть таким же, как и у сферического сосуда, то есть s1 =rp/2t.
    Чтобы получить величину окружного напряжения s2, мысленно разрежем цилиндр в другой плоскости, как показано на рис. 30; это позволит заключить, что s2 =rp/t.
    Таким образом, окружное напряжение в стенках цилиндрического сосуда высокого давления равняется удвоенному осевому напряжению, то есть s2 = 2s1 (рис. 31). Одно из следствий этого мог наблюдать каждый, кто хоть однажды отваривал сосиски. Когда содержимое сосиски чрезмерно разбухает и шкурка лопается, разрыв всегда бывает продольным. Иными словами, шкурка разрывается вследствие действия окружного, а не осевого напряжения.
   
    Рис. 29. Продольное напряжение s1 в оболочке цилиндрического сосуда высокого давления равно напряжению в эквивалентном сферическом сосуде: s1=rp/2t.
   
    Рис. 30. Окружное напряжение в цилиндрическом сосуде s2=rp/t.
   
    Рис. 31. Напряжение в стенках цилиндрического сосуда высокого давления
    Эти формулы постоянно в ходу не только в инженерном деле, но и в биологии. Их используют для вычисления прочности труб, котлов, воздушных шаров, куполов крыш с воздушной поддержкой, ракет и космических кораблей. Как мы увидим в гл. 7, с этим же простым разделом теории целиком связан вопрос о постепенном превращении амебообразных существ в удлиненные и более подвижные примитивные создания.
    Другим следствием проделанных нами расчетов является то, что при необходимости удерживать при данном давлении данное количество жидкости потребуется цилиндрический сосуд большего веса, чем сферический. Там, где весовой фактор весьма существен, как в кислородных баллонах, которые берет с собой на большую высоту альпинист, или в баллонах стартовых ускорителей самолета, сферическая форма является обычной. В большинстве же других случаев, где вес не так важен, используются контейнеры цилиндрической формы как более дешевые и удобные, например газовые баллоны, используемые в быту, в больницах, гаражах.

Китайская инженерия, или лучше прогнуться, чем лопнуть

    Всякий, кто проектирует парусное судно, непременно решает интереснейшую проблему: как судну не лишиться в море своей оснастки. Мнения поэтому вопросу разделяются. Имеются две школы инженерной мысли - восточная и западная. Мы, на Западе, считаем, что наилучший способ сохранить мачты на судне - это жестко фиксировать их положение с помощью сложной системы вантов и оттяжек. На Востоке придерживаются мнения, что все это чепуха, не говоря уже о том, что и стоит дорого. Они устанавливают высокую и длинную мачту саму по себе, прилаживают на ней джутовые маты огромной площади, бамбуковые циновки или что-нибудь вроде, что попадется под руку, - и сила их веры хранит все это сооружение. Мне больше нигде не доводилось видеть, чтобы сила веры так укреплялась чудом.
Моряк из южных морей
Вестон Мартир
    Теория сосудов высокого давления, рассмотренная выше, с небольшими изменениями применима и к таким объектам, которые не являются закрытыми контейнерами, - это "открытые" мембраны и куски ткани, подвергающиеся давлению потоков воздуха или воды. К объектам такого рода относятся палатки, воздушные змеи, навесы, самолеты с тканевой обшивкой, парашюты, паруса, крылья ветряных мельниц, барабанные перепонки, плавники рыб, крылья летучих мышей и птеродактилей, плавники медуз.
    Для такого рода конструкций целесообразно и экономично (как мы увидим в гл. 13) использовать не жесткие панели или оболочки, а нечто вроде жесткой основы или рамы из стержней, рангоутов или костей с натянутой на нее гибкой тканью, перепонками или мембранами. При действии на мембрану сил давления, создаваемого ветром или потоком воды, конструкция будет изгибаться, ее поверхность примет искривленную форму, которую в первом приближении можно рассматривать как часть поверхности сферы или цилиндра. Так что напряжения в мембране будут в большой степени подчиняться тем же законам, что и в оболочках сосудов.
    Исходя из этого, нетрудно показать, что сила натяжения мембраны, приходящаяся на единицу ее длины, есть pr, где p - давление ветра, a r - радиус кривизны мембраны[40]. Таким образом, чем сильнее искривлена мембрана, тем меньшим будет натяжение и, следовательно, тем меньшая нагрузка будет приходиться на поддерживающую ее раму.
    Давление, создаваемое ветром, растет как квадрат его скорости. При сильном ветре оно действительно становится очень большим и соответственно весьма возрастает нагрузка на поддерживающую основу, или "скелет" конструкции. Если следовать традициям нашей, западной, инженерной школы, с этим поделать ничего нельзя, поскольку мы скорее умрем, чем позволим мембране, которая может быть парусом, частью самолета или чем-либо иным, заметно прогнуться между поддерживающими ее опорами. Конечно, ткань не может оставаться при напоре ветра абсолютно плоской, но мы делаем все, чтобы она была натянута как можно туже. О чем мы действительно заботимся, так это о том, чтобы система, на которой крепится ткань или мембрана, была прочной, тяжелой и дорогой, мы надеемся, что это гарантирует ее от поломок, хотя зачастую она все же ломается.
    Например, в состав оснастки современных скоростных яхт обычно входят рангоуты из металлических трубок и почти не поддающиеся растяжению териленовые паруса. Этот аэродинамический механизм делает свое дело с помощью множества канатов и тросов, которые в свою очередь натянуты до устрашающей степени вантами, лебедками и гидравлическими домкратами, и все это направлено на то, чтобы совладать с приложенными к парусам огромными нагрузками, возникающими под напором ветра. Вся эта конструкция - чудо не только по своей инженерной "эффективности", но и по своей стоимости. Суда такого рода вызывают у находящихся на их борту чувство напряженности и уж никак не позволяют расслабиться.
    Однако более простой и дешевый выход из положения состоит в том, чтобы позволить парусу прогибаться между поддерживающими элементами, на которые он натянут. Тогда при возрастании силы ветра радиус кривизны будет уменьшаться, и поэтому сила натяжения материала паруса будет, грубо говоря, оставаться одной и той же, как бы силен ни был ветер. При этом, естественно, нужно быть уверенным в том, что такое поведение парусов, помогая решить конструктивные проблемы, не породит проблем аэродинамических.
    Элегантный способ добиться этого был изобретен китайцами, которые, не подвергаясь слишком большому риску, с древнейших времен плавали по морям. Оснастка традиционной китайской джонки варьируется в соответствии с обычаями той или иной местности, но в целом весьма типичной является оснастка, показанная на рис. 32. Рейки, пересекающие паруса, прикреплены к мачтам, и поскольку вся оснастка сделана из гибких материалов, при увеличении силы ветра паруса выгибаются между рейками, как показано на рис. 33, без большой потери аэродинамической эффективности. Если они прогибаются недостаточно, это можно просто исправить, потравив фал. Недавно полковник Хаслер (известный по рейду в Бордо) использовал китайский парус с весьма удовлетворительными результатами.
   
    Рис. 32. Оснастка китайской джонки.
   
    Рис. 33. Джонка с ослабленным фалом, вид спереди.
    Несколько яхт с такой оснасткой успешно и без особого напряжения предприняли долгие океанские путешествия. Столь популярные в настоящее время дельта-планеры, как правило, конструируются на тех же принципах, и хотя это может шокировать приверженцев традиций, они дешевы, прочны и, кажется, достаточно надежны.

Летучие мыши и птеродактили

    Сходство летучей мыши и китайской джонки не может не броситься в глаза (рис. 34). Крылья всех летучих мышей устроены одинаковым образом: перепонка из очень гибкой кожи натянута на основу в виде длинных тонких костей, являющихся, в сущности, пальцами. Например, плодоядные летучие мыши - это весьма большие существа с размахом крыльев свыше метра. На их родине, в Индии, где они являются бичом садоводов, им ничего не стоит пролететь ночью 50-60 км, чтобы ограбить фруктовый сад. При этом оказывается, что такие перелеты отнюдь не изматывают их, а это значит, что их летательный аппарат весьма эффективен. Очевидно, в процессе долгой эволюции у них для уменьшения веса произошло уменьшение толщины костей, на которые натянуты их крылья.
   
    Рис. 34. Плодоядная летучая мышь.
    Если сфотографировать летучую мышь в полете, то можно проследить, как движутся ее крылья: когда они идут вниз, перепонки выгибаются вверх и принимают, грубо говоря, форму полусферы, чтобы минимизировать механическую нагрузку, приходящуюся на кости. Потери в аэродинамической эффективности вследствие этого изменения формы на практике малы или вовсе отсутствуют.
    Примерно 30 млн лет назад на Земле обитало множество летающих существ, называемых птеродактилями (пальцекрылыми). Многие из них очень напоминают летучих мышей, за тем исключением, что у них только один "палец" - мизинец являлся частью конструкции, составляющей крыло. Перепончатое крыло птеродактиля похоже на бермудский грот-парус, не разделенный какими-либо рейками.
    Некоторые из этих животных были очень велики. Туловище птеранодона, например, было восстановлено по ископаемым останкам и оказалось, что размах его крыльев достигал не менее 8 м (рис. 35). Он был около 3 м высотой, а его общий вес составлял, вероятно, только около 20 кг. Именно такой вес могла поднять летающая конструкция из костей и мышц. Недавно появились сообщения об открытии в Америке останков птеродактилей еще большего размера, с размахом крыльев вдвое больше, чем у птеранодона.
   
    Рис. 35. Птеранодон.
    Птеранодон, вероятно, искал свою добычу в море и, грубо говоря, занимал в экологической системе место, которое теперь занимает альбатрос. Как и альбатрос, он проводил большую часть времени в воздухе, паря над волнами, и добывал себе рыбу, не опускаясь на воду. Кости, на которых держались крылья этого ископаемого, были, судя по останкам, невероятно тонкими и слабыми даже по сравнению с костями плодоядной летучей мыши. Мы, конечно, не располагаем данными об упругости оболочки, покрывавшей эти огромные крылья, но можно предположить, что по своим свойствам она была похожа на перепонки летучих мышей. Аэродинамическая эффективность такой конструкции в целом должна была быть высокой, сравнимой с конструкцией современных альбатросов.

Почему же птицы имеют перья?

    Хотя летучие мыши уцелели в процессе эволюции и сохранились до наших дней, место птеродактилей очень давно заняли птицы, имеющие перья. Возможно, конечно, что причины исчезновения птеродактилей не связаны с их конструкцией, но в то же время не исключено, что именно перья дали птицам преимущества перед другими летающими существами. Когда я работал в Фарнборо, я имел обыкновение время от времени спрашивать свое начальство: не лучше было бы, если бы самолет имел перья? Однако мне редко удавалось не только получить спокойный ответ, но и просто удостоиться того, чтобы меня терпеливо выслушали.
    И все же почему птицы все-таки имеют перья? Современный инженер, если бы ему пришлось самому сконструировать летающее существо, создал бы, вероятно, что-нибудь вроде летучей мыши или летающего насекомого. Я не думаю, что ему пришло бы в голову изобрести птиц. Однако, по-видимому, на то, что они существуют, имеются веские причины. Можно предположить, что летучие мыши, как и в прошлом птеродактили, теряют значительное количество энергии в форме тепла, исходящего от их крыльев, и если бы их крылья были покрыты шерстью, это обепечило бы им эффективную теплоизоляцию.
    Возможно, именно это и произошло на ранних стадиях эволюции птиц, поскольку перья, подобно рогам и когтям, развились из шерсти. Однако шерсть, по-видимому, тем лучше, чем она мягче, так что кератин, из которого она состоит, имеет очень малый модуль Юнга.
    Перья, несомненно, дают и аэродинамические преимущества, что связано с широким разнообразием очертаний тела, которые можно придать оперенному существу. Так, толстое крыло с большим поперечным сечением нередко с аэродинамической точки зрения более эффективно, чем тонкое, соответствующее перепонке. Толстое крыло нужного профиля легко составить из слоев перьев без заметного увеличения веса. Далее, перья лучше, чем перепонки и кости, приспособлены для создания различных "щелей" и "закрылков", препятствующих срыву потока воздуха.
    Однако я склонен думать, что главное преимущество, которое дает оперение, - это преимущество конструкционного характера. Тот, кто запускал модели самолетов, знает, насколько легко эти малые летательные аппараты получают повреждения от случайных столкновений с деревьями и кустами или просто из-за неосторжного обращения с ними. Птицы же постоянно летают среди деревьев, изгородей и других препятствий, часто используя их как укрытие от своих врагов. Для большинства видов птиц не страшна потеря даже значительного количества перьев. Лучше оставить кота с полной пастью перьев, чем оказаться у него в зубах.
    Перья не только помогают птицам избежать царапин, они образуют толстый упругий панцирь, который служит защитой и от более серьезных повреждений. Японские доспехи из перьев, которые можно видеть в музеях, - это отнюдь не живописная бутафория диких людей. Они служили надежной защитой от такого оружия, как сабля. Не случайно финны использовали для обшивки своих бронепоездов кипы бумаги, а летчиков-истребителей защищают от осколков многослойные целлофановые прокладки. Сокол убивает в воздухе птицу отнюдь не клювом или когтями - вряд ли они смогли бы проникнуть сквозь перья, - а ударом вытянутых лап в спину, сообщая ей большое ускорение как целому, в результате чего птица ломает себе шею; нечто похожее происходит при казни через повешение.
    Строение и общее устройство перьев представляются исключительно интересными. Перьям, вероятно, не требуется быть особенно прочными, но они должны быть одновременно и жесткими, и эластичными, а кроме того, работа разрушения пера должна быть велика. Механизм разрушения пера представляется чем-то таинственным; во всяком случае, к моменту написания этой книги, я думаю, никто не знал, каким образом оно разрушается. Как и во многих других случаях, механизм разрушения пера чувствителен к самым незначительным изменениям в состоянии материала. Тот, кто держал охотничьих соколов, знает, что эти умные, требовательные и капризные птицы могут очень легко "терять форму". Иногда, даже если их кормят и содержат должным образом, их перья становятся хрупкими и часто ломаются. "Лечение" в этих случаях состоит в соединении частей сломавшегося пера путем "прививки". Ее делают, вставляя заостренную с двух сторон "иглу" с небольшим количеством клея в ствол пера вблизи места разлома. Детали этой процедуры описаны в книгах о соколиной охоте XVI в.
    Если принять во внимание, как часто автомашины получают вмятины и царапины и как дорого это обходится, то можно спросить себя, не следует ли в этом вопросе поучиться у птиц. Кстати, мне говорили, что поскольку американская армия практически посажена на питание цыплятами, в США получают огромные количества пера. Было бы неплохо найти для него применение.

Глава 6

О соединениях, креплениях и людях, а также о ползучести и колесах колесниц

    А теперь я хочу рассказать вам историю о корабле, построенном во время войны. Это был пароход, и он был построен из дерева - из хорошего дерева, и люди, которые его строили, тоже были хорошими и знающими мастерами… Он двигался как человек, несущий слишком большую тяжесть, а вскоре его движение стало прерывистым, он стал дрожать и качаться (на море была только легкая зыбь), потом опрокинулся набок и развалился, как старая корзина, на которую кто-то наступил. Через пять минут от него не осталось ничего, кроме пятен угольной пыли на воде да нескольких балок и одного или двух барахтавшихся среди всего этого случайно уцелевших людей.
    Это правдивая история. И я хочу только добавить, что этот корабль был построен плотниками - мастерами, строящими дома, - береговыми плотниками, а не корабельными мастерами.
Моряк из южных морей
Вестон Мартир
    Пароход, о котором говорится в истории Вестона Мартира, затонул, затонул довольно неожиданно, и случилось это оттого, что слишком слабыми оказались соединения его деревянных деталей, хотя строившие судно плотники - люди добросовестные, но до того имевшие дело лишь с домами, - были, вероятно, довольны делом своих рук. Действительно, когда плотник строит дом или столяр делает мебель, они обычно применяют такие способы соединения деталей, которые корабелы сочли бы непрочными и весьма неэффективными. Соединения эти на самом деле нельзя назвать прочными, а являются ли они "неэффективными", зависит от того, где мы их используем. Ведь цели, которые преследуют строители домов, далеко не всегда совпадают с целями строителей кораблей и самолетов.
    Инженеры, возможно, слишком часто полагают, что эффективность конструкции определяется прочностью каждого ее компонента и каждого соединения, в точности достаточной для того, чтобы выдерживать требуемые нагрузки, а потому используют минимальное количество материала, обеспечивающее заданную прочность, достигая одновременно и минимального веса конструкции. Такая конструкция с равной вероятностью может как сломаться в любом месте, так и, подобно "старому фаэтону", развалиться вся сразу. Стремление к эффективности такого рода требует особого внимания со стороны инженера, поскольку малейшая ошибка при проектировании или неточность в изготовлении может привести к опасной слабине.
    Создание подобных конструкций может быть оправдано при строительстве кораблей и самолетов, а также других машин, для которых очень важным параметром является низкий вес. Однако такое толкование понятия эффективности очень узко и не учитывает требований жесткости, не говоря уже о требованиях экономии. Конструкции типа "старого фаэтона" иногда необходимы, но они всегда дорого обходятся и при постройке, и в эксплуатации. Уменьшение веса конструкции за счет "конструктивной безупречности" - один из факторов, делающих столь дорогостоящими космические путешествия. Но даже на уровне поверхности земли стоимость кубометра используемого пространства при переходе от обычного дома к небольшому кораблю возрастает в 20 раз, а стоимость такого же пространства в самолете еще более высокая.
    У строителей и монтажников наземных сооружений хватает здравого смысла не стремиться к изощренным конструкциям. Дома и так достаточно дороги, а на практике известно, что в обыденной жизни в подавляющем большинстве случаев жесткость конструкции играет большую роль, чем ее прочность. И именно требования к жесткости и прочности и лежат в основе вопроса о стоимости и эффективности конструкций. В тех случаях, когда особые требования предъявляются к жесткости, а не к прочности, вся задача становится намного проще, а стоимость изделий сильно уменьшается.
    Так почти всегда обстоит дело, когда речь идет о мебели, перекрытиях, лестницах и зданиях в целом, а также о плитах, холодильниках, многих типах инструмента и машин, некоторых деталях автомобилей. Эти вещи ломаются не очень часто, однако если сильно уменьшить толщину их материала, то прогибы, перемещения и общая хлипкость сделают эти предметы неприемлемыми в эксплуатации. Таким образом, чтобы быть достаточно жесткими, различные части конструкции должны, вообще говоря, иметь настолько большую толщину, чтобы возникающие в них напряжения были очень, до смешного малыми с инженерной точки зрения.
    Таким образом, для конструкций, о которых идет речь, даже содержание в материале массы дефектов и концентраторов напряжений обычно не имеет значения. Кроме того, и прочность соединений здесь не является критической: в большинстве случаев вполне достаточно нескольких гвоздей. Именно это лежит в основе интуитивного подхода к конструированию. Миллионы людей, никогда не слышавшие ни о законе Гука, ни о модуле Юнга, могут лишь на основании опыта и здравого смысла достаточно точно определить, какой будет жесткость стола или клетки для цыплят, а если эти предметы сделаны достаточно жесткими, то очень маловероятно, что они сломаются при действии обычных повседневных нагрузок.
    Далее, небольшая "податливость" некоторых соединений отнюдь не является их недостатком, она в большей степени присуща обычным соединениям, чем более изощренным. В частности, некоторая податливость соединений способствует полезному выравниванию нагрузок. Ломать мебель приходится не слишком часто, поэтому рекомендую хороший способ попытаться сделать это: сядьте на стул, три ножки которого стоят на ковре, а четвертая - на голом полу. Если это обычный старый стул, нагрузка может перераспределиться относительно равномерно на все четыре ножки за счет перекоса в имеющихся соединениях на шипах. Но если это современный стул фабричного изготовления с "эффективными" соединениями на клею, то эти соединения как раз и могут сломаться, после чего стул трудно будет починить.
    Некоторая податливость соединений полезна и по другой причине. Дерево может усыхать или разбухать в зависимости от погоды, то же относится и к некоторым другим материалам. Для древесины колебания размеров в направлении поперек волокон достигают 5 или даже 10%. Традиционные "неэффективные" пазовые соединения совместимы с такими колебаниями. Но в Черчилль-колледже у нас был прекрасный Высокий стол, сделанный из лучшего и самого дорогого дерева, с выполненными по науке прочными и жесткими соединениями на клею. После того как этот стол несколько месяцев простоял в зале (отапливаемом также по науке), он усох и треснул посредине. Это была не скромная небольшая трещина, а многометровая расщелина, в которую можно было бы свободно засыпать большое количество горошин среднего диаметра.

Прочные соединения и человеческие слабости

    Многие конструкции, которые строили крестьяне, обеспечивая, как описано выше, лишь необходимую жесткость, отлично работают на своем месте, но как только мы начинаем стремиться к уменьшению их веса, увеличению их прочности и мобильности, тут же возникают разного рода трудности, связанные главным образом с надежностью соединений различных их частей. Исторически так сложилось, что именно это всегда было наиболее серьезной проблемой при строительстве кораблей, а также водяных и ветряных мельниц. Великая искусность старых корабельных и мельничных мастеров проявлялась в их умении сочетать прочность, достаточную для безопасности, с небольшой податливостью, необходимой для того, чтобы дерево могло "работать". Более старые корабельные мастера грешили уклоном в сторону податливости, и хотя их корабли часто слишком текли, они редко разламывались в море. Чтобы создать деревянные корабли, которые разваливались в море, потребовались административные усилия правительств военного времени.
    Неприятности с соединениями в конструкциях кораблей и самолетов во время обеих мировых войн получили широкую огласку. Во время первой мировой войны американцы, зачастую используя неортодоксальные методы, построили большое количество деревянных кораблей, как пароходов, так и парусников. Многие из этих судов развалились. В годы второй мировой войны они произвели еще большее количество сваренных из стали кораблей. И еще большая их доля развалилась в море или в гавани. В Англии за обе мировые войны было изготовлено очень много деревянных самолетов, которые, надо думать, также всегда были подвержены того или иного рода неприятностям, связанным с соединениями. Правда, в последнем случае это было не очень удивительно, так как, помнится, я сам несколько раз был свидетелем того, как в жизненно важных клеевых соединениях в несущей конструкции прямо внутри соединения были обнаружены ножницы, карманное руководство по оказанию первой помощи и полное отсутствие клея.
    Я не думаю, что виною тому были какие-то тупые или сверхрассеянные лица. Боюсь, что на склейке работали самые обычные люди, но в этом-то и состоит несчастье. Людям свойственно отвлекаться из-за усталости или от скуки, но я полагаю, что суть дела здесь гораздо глубже.
    Очень немногие из тех, кто проклеивал или только делал вид, что проклеивал, эти соединения, когда-либо сами попадали в ситуацию, когда плохо выполненное соединение может привести к несчастному случаю с фатальным исходом - все они привыкли иметь дело с предметами вроде шкафов и садовых навесов, где прочность соединений реально значит очень мало. Все наши усилия убедить их, что плохо выполненное соединение с моральной точки зрения равносильно убийству, разбивались о их глубокое убеждение, что глупо волноваться по подобным поводам. Все это не было бы столь важным, если бы не то обстоятельство, что проверить надлежащим образом соединение после того, как оно выполнено, практически невозможно.
    В недавнее время были созданы очень эффективные клеи, пригодные для соединения металла с металлом. Их применение весьма эффективно, но только при условии, что соединения на самом деле выполнены на совесть. К несчастью, применение этих клеев в современном авиастроении сдерживается тем обстоятельством, что требуются специальные контролеры, каждый из которых следил бы за одним из рабочих в течение всей операции склейки, а также инспекторы - уже для контроля за этими контролерами. Все это, естественно, оказалось дорогим делом. Однако мне говорили, что, несмотря на это, при строительстве современных металлических самолетов клей используется все в большей и большей степени.

Распределение напряжений в соединениях

    Поскольку в задачи соединения входит передача нагрузки от одного элемента конструкции к другому, то и напряжение должно каким-то образом перейти от одного из присоединяемых элементов на другой. В таком случае весьма возможны сильная концентрация напряжений, а отсюда и угроза разрушения материала. Однако можно сделать так, чтобы напряжения переходили от одного из присоединяемых элементов к другому с возникновением только небольшой концентрации напряжений или вовсе без нее, как это происходит в случае косого соединения на клею деревянных брусьев (рис. 36) и в случае соединения двух кусков металла встык сварным швом (рис. 37).
   
    Рис. 36. Косое клеевое соединение деревянных брусьев.
   
    Рис. 37. Сварное соединение двух металлических брусков встык.
    Однако использование таких соединений отнюдь не всегда оказывается практичным, и соединение двух планок или пластинок внахлест, как правило, тоже часто находит применение. Но именно расположение соединяемых элементов внахлест сразу приводит к значительной концентрации напряжений, и почти не играет роли, какими средствами оно выполнено, с помощью ли клея, гвоздей, винтов, сварки, болтов или заклепок. Во всех случаях наибольшая интенсивность передачи нагрузки приходится на концы соединения (рис. 38).
   
    Рис. 38. Распределение касательных напряжений в соединении внахлест.
    По этой причине прочность подобных соединений зависит главным образом от ширины соединяемых пластинок и почти не зависит от длины взаимного их перекрытия. В связи с этим уже наиболее простые и обычные формы сварных и заклепочных соединений двух металлических пластинок (рис. 39 и 40) сравнительно эффективны, а их усложнение не дает большого выигрыша.
   
    Рис. 39. Заклепочное соединение внахлест.
   
    Рис. 40. Сварное соединение внахлест.
    Очень часто требуется закрепить растягиваемый сгержень в отверстии или как-то иначе на твердой опоре. В этом случае происходит то же, что и при соединении внахлест, с той разницей, что здесь концентрация напряжений возникает только в одном месте - обычно там, где стержень входит в углубление (рис. 41). Если, например, стержень ввинчивается в опору, то почти вся нагрузка приходится на последние две или три нитки резьбы, и любое увеличение длины нарезки почти ничего не дает. Поэтому те усилия, которые должен приложить дрозд, чтобы вытащить червяка из грунта, не зависят от длины червяка: вытащить короткого червяка столь же трудно, как и длинного[42].
   
    Рис. 41.
    Распределение напряжений такого типа, как представлено на рис. 41, возникает, если оба элемента соединения имеют близкие модули Юнга. Обычно так обстоит дело при соединении металла с металлом. Подобное же распределение напряжений возникает в случаях, когда материал стержня или растягиваемого бруска менее жесток, чем материал основы, в которой они закреплены (случай с вытягиваемым из земли червем). Если же, наоборот, материал стержня существенно более жесток, чем материал основы, то ситуация с распределением напряжений обратна предыдущей, и концентрация напряжений происходит главным образом вблизи конца стержня или другого включения (рис. 42).
   
    Рис. 42. Передача нагрузки от стержня к заделке.
    На практике оба случая концентрации напряжений в равной степени делают соединение непрочным. Возможно, существует такое соотношение между модулями Юнга материала включения и окружающего материала, при котором распределение напряжений в соединении будет оптимальным. Но если это и так, то его очень трудно обеспечить на практике.
    Одно время я занимался разработкой узлов крепления крыла из армированного пластика с металлическим фюзеляжем самолета. Хотя мне было хорошо известно о существовании концентраций напряжений, о червяках в земле и многом прочем, у меня хватило глупости, чтобы для начала заформовать в тело крыла прочные проволочные тросы, распадающиеся на концах на отдельные запутанные проволочки. Когда образцы этой плохо продуманной конструкции растянули в испытательной машине, проволочки стали вытягиваться из пластика одна за другой с характерным треском, хотя нагрузки были смехотворно малыми. В следующем эксперименте вместо тросов в пластик были заделаны покрытые предварительно подходящим клеем суживающиеся на концах стальные зубцы, похожие на клинки или сабли (рис. 43). На этот раз образцы разрушались, издавая не продолжительный треск, а один громкий короткий хлопок; происходило это при столь же малых нагрузках.
   
    Рис. 43. Неправильная конструкция заделки (соединение непрочно).
    После перерыва, заполненного обдумыванием ситуации и глубокомысленными рассуждениями о червяках, мы испытали серию стальных креплений в форме лопаты (рис. 44). Все они разрушались при значительно больших нагрузках, каждая из которых была пропорциональна ширине "лопаты" в данном образце. После доработки этой конструкции нам удалось довести нагрузку, передаваемую с этой пластиковой конструкции, до 40-50 т за счет совсем небольших стальных узлов крепления.
   
    Рис. 44. Правильная конструкция заделки (достаточно прочное соединение).
    Эффективность подобных соединений целиком зависит от качества сцепления между металлом и пластмассой, и поэтому металлические включения должны быть заделаны на совесть и проверены. При их проектировании следует не забывать, что во всех подобных случаях сцепление между металлом и неметаллом полностью нарушается, когда металл достигает предела текучести и перестает вести себя упругим образом[43]. Поскольку напряжения, возникающие в рассматриваемых случаях в металле, много выше, чем можно было бы думать, узел крепления необходимо изготовлять из высокопрочной стали, подвергнутой тщательной термической обработке. Причем хвостовик стального вкладыша должен заостряться подобно долоту.

Заклепочные соединения

    — Но я, во всяком случае, подался на одну небольшую частицу дюйма, — торжествующе провозгласил шпунтовый пояс.
    Действительно, так и было, и все дно корабля почувствовало себя легче.
    — В таком случае мы никуда не годимся, — зарыдали нижние заклепки. — Нам приказали… нам приказали ни в каком случае не подаваться. А мы подались, и вода зальет корабль, и мы все вместе пойдем ко дну! Сперва нас бранили напрасно, а теперь у нас даже нет утешения, что мы выполнили свой долг.
    — Не говорите, что я вам это сказал, — прошептал в утешение пар, — но, между нами говоря, это должно было рано или поздно случиться. Вы должны были податься на маленькую частицу и вы подались, не зная этого. А теперь держитесь крепко, как раньше.
    Перевод Э. К. Бродерсен
Душа корабля
Р. Киплинг
    Заклепочные соединения в стальных конструкциях в общем вышли из моды главным образом из-за своей высокой стоимости, а также потому, что они тяжелее сварных соединений. Это достойно сожаления, поскольку у заклепочных соединений есть некоторые преимущества[44]. Заклепочные соединения надежны, и их легко контролировать, а в больших конструкциях они способны до некоторой степени останавливать рост трещин. Распространение в конструкции действительно большой и опасной трещины очень часто (хотя и не всегда) может быть остановлено или замедлено областью заклепочного соединения, которая выделяется по своим свойствам из окружающего материала.
    Даже более важным является то, что заклепки допускают небольшие взаимные смещения соединяемых элементов. За счет этого может происходить перераспределение нагрузки, позволяющее избежать последствий концентрации напряжений - бича всех видов соединений. Этот процесс навеки запечатлен в киплинговской "Душе корабля". То, как Киплинг за много лет до Инглиса и Гриффитса смог почувствовать суть проблем концентрации напряжений и распространения трещин в конструкциях, воистину замечательно, и прочесть некоторые его рассказы о конструкциях было бы полезно студентам-механикам.
    Каждая отдельная заклепка может чуть-чуть смещаться, ослабляя тем самым наихудшие последствия концентрации напряжений. Иногда целесообразно использовать соединение с несколькими заклепками, поставленными в ряд одна за другой, так как концевые заклепки могут испытать смещения, достаточные для того, чтобы после этого часть нагрузки могли принять на себя заклепки, стоящие посредине. После того как свежее заклепочное соединение двух стальных или железных пластин подверглось нагружению, которое в итоге привело к удовлетворительному распределению напряжений, положительную роль может сыграть ржавчина. Постепенно образующиеся продукты коррозии, оксиды и гидроксиды железа, расширяясь, как бы замыкают соединение и исключают проскальзывание соединяемых элементов относительно друг друга при разгрузке. Далее, ржавчина, подобно клею, частично передает сдвиговые усилия между пластинками, и поэтому со временем прочность заклепочного соединения внахлестку, как правило, повышается.
    Отверстия под заклепки в больших стальных конструкциях, таких, как корабли и котлы, обычно пробивают. Хотя это быстрый и дешевый способ, он не вполне удовлетворителен, поскольку металл на краях отверстия становится хрупким и часто содержит небольшие трещины. А это уже плохо, так как в областях около отверстий заведомо будет возникать концентрация напряжении. Поэтому лучше пробивать отверстия меньшего размера, а затем их рассверливать. Хотя это увеличивает стоимость изделий, но в то же время прибавляет соединению прочность и надежность.
    Заклепочные и болтовые соединения могут иметь самую разную форму и размеры, но возможные пути их разрушения сводятся к трем формам: сдвиг по самим заклепкам (рис. 45, а), заклепки вырываются из одной из пластинок (то есть круглые отверстия превращаются в удлиненные) (рис. 45, б), разрыв материала одной из пластинок вдоль линии заклепок - как при отрывании почтовой марки (рис. 45, в).
   
    Рис. 45. Три возможных варианта разрушения заклепочного соединения. а - сдвиг по самим заклепкам; б - заклепки вырываются из одной пластинки; в - разрыв материала одной из пластинок.
    Во всех случаях, когда используется заклепочное соединение, необходимо проверить с помощью расчетов, не разрушится ли оно каким-либо из этих трех путей. "Правила" проектирования заклепочных соединений можно найти почти во всех технических справочниках.

Сварные соединения

    Сварка всех видов в настоящее время широко используется в стальных конструкциях. Она не только дешевле клепки, но и дает некоторый выигрыш в прочности и весе. Кроме того, на кораблях заклепочные головки, располагающиеся ниже ватерлинии, немного увеличивают сопротивление движению.
    Наиболее сложной является электрическая дуговая сварка. Выполняя ее, сварщик посредством изолирующего зажима держит в правой руке стальной электрод, а в левой - защитный щиток или экран, снабженный очень темными стеклами, сквозь которые можно без вреда для зрения наблюдать за электрической дугой между концом электрода и выполняемым швом. При обычно используемом напряжении в 30-50 В дуга имеет длину около 7 мм, благодаря ей на конце электрода образуется небольшое количество расплавленного металла, которым сварщик заполняет шов, двигаясь вдоль соединения. В результате образуется непрерывная полоска - сварной шов шириной 5-10 мм, который застывает, образуя соединение. При необходимости увеличить ширину шва процесс повторяют несколько раз.
    Сварка, выполненная надлежащим образом, как правило, очень прочна и служит надежно, но недостаточное мастерство или недостаточное внимание сварщика к работе влекут за собой дефекты сварных швов, к их числу принадлежат включения из шлака, которые уменьшают прочность соединения и наличие которых трудно проконтролировать. Неумелый сварщик легко может перегреть металл вокруг соединения, вызвав тем самым серьезные поводки конструкции. Это особенно часто происходит при сварке тяжелых и толстых деталей. Именно такого рода дефекты сварки в основаниях двигателей послужили причиной серьезных неприятностей с линкором "Граф Спи".
    Теоретически сварные соединения в цистернах или корпусах судов должны быть полностью водонепроницаемы без дальнейшей их обработки, но на практике сварка в этом отношении доставляет больше хлопот, чем клепка. Заклепочное соединение внахлест можно легко герметизировать, зачеканив края нахлеста с помощью специального пневматического или ручного инструмента. Этого нельзя сделать в случае сварного соединения, между двумя сварными швами нахлеста рекомендуется ввести под давлением жидкую герметизирующую смесь. При всем том мне, помнится, пришлось повидать при испытаниях на водонепроницаемость помещений сварных кораблей немало течей.
    В свое время мне довелось поработать несколько недель клепальщиком и сварщиком на одной из Королевских верфей, там я и научился кое-чему, чего, думаю, не найти в учебниках. Хотя вогнать пятисантиметровую заклепку в броневую плиту палубы корабля пневматическим молотком - тяжелая и шумная работа, это на удивление интересно, и большинство видов клепки, на мой взгляд, в некотором смысле столь же привлекательно, как и игра в гольф, с той лишь разницей, что клепка более полезна. Элементы спорта содержались, кроме того, и в контроле качества заклепок. В то время нам платили по числу поставленных заклепок, однако за каждую забракованную контролером заклепку, которую нужно было высверлить и заменить новой, вычитали в пятикратном размере.
    Конечно, нельзя сказать, что клепальщики работали в раю, но что касается сварки, то она определенно была похожа на ад. Сварка может быть достаточно любопытным занятием в течение часа или двух (осмелюсь предположить, что на такие сроки любопытным может быть и ад), но по прошествии этого времени следить за шипящей и мерцающей дугой и струйкой стекающего расплавленного металла становится невыносимо скучно, и скуку не особенно развеивают искры и капельки металла, вдруг оказавшиеся у вас за шиворотом или в башмаках. Уже через несколько дней проклинаешь эту работу, и чувство скуки утверждается настолько прочно, что становится очень трудным сосредоточиться и сделать удовлетворительный шов.
    В настоящее время сварные швы в трубах и сосудах высокого давления выполняют автоматы, которым, я думаю, не становится скучно, а потому эти швы обычно и надежны. Однако автоматическая сварка часто нерентабельна в случае больших конструкций, таких, как корабли и мосты, и здесь сварные швы нередко заставляют желать много лучшего. К тому же сварные швы почти не препятствуют распространению трещин, и это - одна из причин катастроф, которые произошли со многими большими стальными конструкциями в недавнее время.

Ползучесть

    Гомер знал, что для того, чтобы подготовить колесницу к выезду, нужно было в первую очередь надеть на нее колеса.
Расшифровка удлиненной буквы Б
Дж. Чедвик
    У микенских и древнегреческих колесниц были очень легкие и гибкие колеса обычно только с четырьмя спицами, сделанные из тонкого изогнутого дерева - ивы, вяза или кипариса (рис. 46). Колеса такой конструкции были очень эластичными и, по-видмому, позволяли мчаться в этих повозках по пересеченным склонам греческих холмов, где экипажи с более тяжелыми и жесткими колесами были бы бесполезны. В самом деле, обод колеса под действием веса колесницы изгибается подобно луку, но так же как и лук не следует хранить с надетой на него тетивой, так и колеса древних колесниц не следовало оставлять под нагрузкой. Поэтому по вечерам колесницы либо запрокидывали и прислоняли к стене, как делал это Телемах в четвертой книге "Одиссеи", либо совсем снимали с них колеса. Даже на Олимпе богиня Геба по утрам прилаживала колеса к колеснице сероглазой Афины. Когда в более поздние времена колеса стали тяжелее, эта процедура перестала быть столь необходимой, хотя можно предположить, что колеса экипажа нынешних лорд-мэров имеют заметный эксцентриситет, так как они подолгу находятся под нагрузкой без движения[45].
   
    Рис. 46. Колеса гомеровских времен делались из тонких деревянных планок. Продолжительное действие постоянной нагрузки легко изменяет их форму, колеса "ползут".
    Изменение формы луков и колес колесниц в результате продолжительного действия нагрузки является результатом процесса, называемого инженерами ползучестью. Приняв понятие простого гуковского материала, мы полагаем, что, если материал выдерживает некоторое напряжение, он сможет выдержать его бесконечно долго, кроме того, мы считаем, что, если напряжения в твердом теле не меняются со временем, деформации также остаются постоянными. В реальных обстоятельствах оба этих предположения лишь относительно справедливы, поскольку всякое вещество при действии постоянной по величине нагрузки с течением времени будет "ползти", то есть деформироваться.
    Однако разные материалы подвержены ползучести совершенно по-разному. Среди материалов, используемых в технике, особенно заметно ползут дерево, бетон и канаты, и этого нельзя не учитывать. Ползучесть тканей - одна из причин, по которым одежда теряет свою форму и образуются мешки на брюках в области колен. Причем ползучесть натуральных волокон, например шерстяных и хлопковых, больше ползучести современных искусственных волокон. Поэтому териленовые паруса не только сохраняют свою форму, но и не требуют столь тщательной натяжки, как паруса из хлопка или льна.
    Металлы, вообще говоря, меньше подвержены ползучести, чем неметаллы, и хотя сталь заметно ползет при больших напряжениях и высоких температурах, эффектом ползучести при небольших нагрузках и обычных температурах часто можно пренебречь.
    Вследствие ползучести напряжения в материале некоторым образом перераспределяются, и это часто играет положительную роль, поскольку области более высоких напряжений подвержены ползучести в большей степени. По этой причине старые ботинки удобнее новых. Точно так же, если за счет ползучести уменьшается концентрация напряжений в соединении, то его прочность может расти со временем. Но, естественно, если внешняя нагрузка начнет действовать в противоположном направлении, роль ползучести поменяется на обратную и соединение окажется менее прочным.
    Перекосы, вызванные ползучестью в старых деревянных конструкциях, особенно бросаются в глаза. В зданиях зачастую живописно оседают крыши, а старые деревянные корабли нередко "выгибают спину" - концы судна опускаются, а его середина поднимается. Это очень заметно, например, на батарейных палубах корабля "Виктория"[46]. С ползучестью металлов, в частности стали, мы сталкиваемся, когда "садятся" и требуют замены рессоры автомобиля.
    Хотя эффект ползучести в различных твердых телах проявляется с разной силой, форма его проявления практически для всех материалов одинакова. Если мы будем откладывать зависимость деформации данного материала от логарифма времени (переход к логарифму удобен для сокращения шкалы времени) при постоянных напряжениях, равных s1, s2 и т.д., мы получим график, приведенный на рис. 47. Из него видно, что существует критическое напряжение (на графике это напряжение, близкое к s3), ниже которого материал, по-видимому, никогда не разрушится, сколь долго ни держать его под нагрузкой. При напряжениях больше критического деформации не только растут со временем, но и материал все более и более приближается к состоянию, в котором происходит его разрушение, - результат, которого обычно стараются избежать.
   
    Рис. 47. Типичные кривые ползучести (зависимости деформации от времени) материала, нагруженного постоянным напряжением.
    Грунты и горные породы, подобно другим материалам, также подвержены ползучести. Поэтому требуется следить за оседанием фундаментов зданий, если только они построены не на скале или очень твердом грунте. Оседание фундаментов крупных сооружений может быть особенно значительным, поэтому их воздвигают на бетонной "подушке". Обратите внимание, как осели основания арок моста Клэр-на-задах - рис. 76.

Глава 7

Мягкие материалы и живые конструкции, или как сконструировать червяка

    — Мне очень приятно, — радостно сказал Пух, — что я догадался подарить тебе Полезный Горшок, куда можно складывать какие хочешь вещи!
    —  А мне очень приятно, — радостно сказал Пятачок, — что я догадался подарить тебе такую Вещь, которую можно класть в этот Полезный Горшок!
Винни-пух
А. А. Милн
    Когда природа изобрела нечто, именуемое жизнью, она, наверное, не могла не оглядеться озабоченно по сторонам в поисках Полезного Горшка, в который эту жизнь можно было бы положить, поскольку, оставаясь незащищенной, жизнь очень быстро захирела бы. В те времена на нашей планете, вероятно, имелись камни, песок, вода и разного рода газы, но все это вряд ли было подходящим материалом, чтобы изготовить для жизни требуемые "контейнеры". Можно было бы сделать твердые оболочки из минералов, но мягкие оболочки, по-видимому, имели бы перед ними огромные преимущества, особенно на ранних стадиях эволюции.
    Физиология требует от стенок клеток и других мембран в живых организмах довольно строго управляемой проницаемости для одних молекул и полной непроницаемости для других. Механические функции этих мембран сводились к функциям некоторого подобия эластичного мешка. Они должны сопротивляться силам растяжения и сильно увеличивать свои размеры, не лопаясь и не разрываясь. Кроме того, в большинстве случаев после того, как растягивающая их сила прекратила свое действие, они должны принимать сами по себе свои первоначальные размеры[47][48].
    Деформации, которые без вреда для себя и по многу раз могут испытывать существующие в настоящее время живые мембраны, довольно значительны, но, как правило, лежат в пределах 50-100%. Для обычных же технических материалов предельные деформации, не представляющие опасности в эксплуатации, как правило, имеют величину менее 0,1%. Таким образом, биологические ткани должны вести себя упругим образом при деформациях, примерно в 1000 раз больших, чем те, которые испытывают обычные конструкционные материалы.
    Этот гигантский скачок величин деформации опрокидывает многие традиционные предвзятые представления инженера об упругости и о поведении конструкций. Вполне очевидно, что упругие деформации такой величины не могут обеспечить твердые тела кристаллического или стеклообразного строения - минералы, металлы или другие твердые вещества. Поэтому естественно, по крайней мере для ученого-материаловеда, предположить, что живые клетки могли возникнуть в виде капелек, удерживаемых силами поверхностного натяжения. Однако до уверенности в том, что дело обстояло именно таким образом, нам очень далеко - на самом деле все могло происходить совсем иначе, или, во всяком случае, гораздо сложнее. Что несомненно, так это то обстоятельство, что упругое поведение мягких тканей животных напоминает поведение поверхности жидкости, и поэтому, вероятно, его можно описать, основываясь на анализе последнего.

Поверхностное натяжение

    Если мы увеличиваем площадь поверхности жидкости, то тем самым мы увеличиваем число молекул, имеющихся на ее поверхности. Эти дополнительные молекулы могли попасть на поверхность только из внутренних областей жидкости, и чтобы их вытащить оттуда, требуется совершить работу против сил, стремящихся удержать их внутри жидкости; можно показать, что эти силы достаточно велики. По этой причине создание новой поверхности требует затрат энергии, и поверхность оказывается натянутой, причем натянутой вполне реальными силами[49]. Это проще всего наблюдать на капельках воды или ртути, где силы поверхностного натяжения заставляют капельку принимать более или менее сферическую форму, несмотря на действие сил тяжести.
    Когда капля свисает из отверстия крана, вес воды в капле уравновешивается силами поверхностного натяжения. Это лежит в основе простого школьного эксперимента, в котором определяют поверхностное натяжение воды и других жидкостей, подсчитывая число упавших капелек и находя их общий вес.
    Хотя натяжение на поверхности жидкости столь же реально, как напряжение в струне или в любом другом твердом теле, оно отличается от упругого, или гуковского, напряжения по крайней мере в трех важных пунктах:
    1) сила поверхностного натяжения не зависит от величины деформации, а является постоянной, как бы сильно ни увеличивалась площадь поверхности;
    2) в отличие от ситуации в твердом теле поверхность жидкости можно увеличивать, по существу, до бесконечности и создавать сколь угодно большие деформации без разрушения;
    3) сила поверхностного натяжения в каком-либо поперечном сечении жидкости не зависит от площади этого поперечного сечения, а зависит только от длины контура поверхности в этом сечении.
    Поверхностное натяжение имеет точно ту же величину и в случае глубокой ванны или толстого слоя жидкости, и в случае мелкой ванны или тонкого слоя жидкости. Капли жидкости в воздухе вряд ли можно себе представить как биологический объект: они существуют, лишь пока не упадут на землю, но капельки одной жидкости, взвешенные внутри другой, могут существовать бесконечно долго, и они играют большую роль в биологии и в технике. Системы такого рода называются эмульсиями. Известными примерами эмульсий служат молоко, смазочные материалы и многие виды красок.
    Капельки имеют в общем сферическую форму, и в то время как объем сферы пропорционален кубу ее радиуса, площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату радиуса. Отсюда следует, что, если бы две одинаковые капельки объединились и образовали капельку вдвое большего объема, это привело бы к заметному уменьшению общей площади поверхности содержащейся в них жидкости и, следовательно, к уменьшению поверхностной энергии. Это уменьшение энергии побуждает капельки в эмульсии сливаться друг с другом, а всю систему - разделяться на две однородные жидкости.
    Если мы хотим, чтобы капельки не сливались и существовали раздельно, мы должны сделать так, чтобы они отталкивались друг от друга. Это называется "стабилизацией эмульсии", и этот процесс довольно сложен. Одним из стабилизирующих факторов служит электрический заряд, создаваемый на поверхности капель, для чего эмульсии подвергаются воздействию электролитов, таких, как кислоты и щелочи. Если стабилизация выполнена надлежащим образом, то, чтобы заставить капли слиться друг с другом, требуется произвести значительную работу, несмотря на выигрыш в поверхностной энергии. Именно поэтому так трудно взбивать сливки при приготовлении масла - Природе довольно хорошо удается создавать стабилизированные эмульсии.
    О поверхностном натяжении в роли оболочки, мембраны или контейнера для очень маленьких округлых живых веществ, хотя оно и имеет в этом плане некоторые серьезные недостатки, можно было бы сказать многое. Следует отметить, что такая оболочка очень легко растягивается и в то же время обладает свойством "самозалечиваемости". С другой стороны, она очень упрощает задачу размножения, поскольку, если капелька увеличивает свои размеры, она может поделиться надвое и превратиться в две капельки.

Поведение существующих в природе мягких тканей

    Насколько мне известно, в наше время практически нет клеток, стенки которых созданы просто механизмом поверхностного натяжения. Однако с механической точки зрения стенки многих реально существующих клеток ведут себя довольно близко к тому, как вели бы себя подобные стенки. Одна из трудностей, которые могли бы возникнуть, если бы использовалось просто поверхностное натяжение, состоит в том, что сила поверхностного натяжения постоянна, - ее нельзя увеличить, сделав оболочку толще, и это накладывает ограничение на наибольшие размеры "контейнеров", построенных по такой схеме.
    Однако Природа вполне способна создавать материалы, которые имеют свойства поверхностного натяжения, так сказать, "по всей их толщине". Испытывая некоторое смущение, приведу все же в качестве примера следующий многим знакомый факт. Когда зубной врач просит сплюнуть в его ванночку, струйка слюны иногда бесконечно растягивается и практически не разрывается. Молекулярный механизм такого поведения остается совершенно непонятным, а в терминах напряжения и деформации это поведение выглядит примерно так, как показано на рис. 48.
   
    Рис. 48. Кривые деформирования стали, кости и слюны.
    Большинство тканей животных не так растяжимы, как слюна, но вплоть до пятидесятипроцентных деформаций очень многие из них обнаруживают аналогичное поведение. Более или менее похожим образом мочевой пузырь у молодых людей может растягиваться до деформаций примерно 100%, а у собак - 200%. Как упоминалось в гл. 2, мой коллега д-р Юлиан Винцент недавно показал, что, в то время как мягкая кожица самца саранчи и молодой самки саранчи могут переносить деформации приблизительно до 100%, мягкая кожица беременной самки саранчи может растягиваться до неправдоподобно большой величины - до деформаций 1200% и после этого не теряет способности полностью возвращаться к своему первоначальному состоянию.
    Хотя зависимость напряжения от деформации для большинства пленок и других мягких тканей и не выражается строго горизонтальной прямой, она часто приближается к ней, во всяком случае вплоть до деформаций около 50%. Представляется интересным выяснить, каковы следствия такой зависимости. Действительно, любая конструкция из подобных материалов должна с необходимостью напоминать нечто состоящее из пленок жидкости, на которые действует поверхностное натяжение. Принимая ванну, вы без труда можете понаблюдать за поведением таких пленок - мыльных пузырей.
    Важно то обстоятельство, что упомянутого рода материал или оболочка - это, по существу, "устройство постоянного напряжения", то есть напряжение в нем может принимать только одно-единственное значение, и это напряжение будет действовать во всех направлениях. Единственной формой оболочки, совместимой с этим условием, является сфера или часть сферы. Это хорошо демонстрирует мыльная или пивная пена. Если из таких оболочек нужно создать удлиненное существо, то, по-видимому, лучшим, что можно сделать, будет "сегментированная" конструкция типа той, что показана на рис. 49, и на самом деле создания типа червя часто имеют подобное строение.
   
    Рис. 49. "Сегментированное" существо. Напряжения в оболочке в обоих направлениях одинаковы.
    Как бы ни были хороши подобные оболочки для червей, их нельзя использовать, если нужно получить ровную цилиндрическую трубку, такую, как кровеносный сосуд. Для труб, как мы видели в гл. 5, окружное напряжение всегда вдвое больше осевого напряжения, и именно из-за этого различия в напряжениях оболочки такого рода здесь не подходят. Здесь требуется материал, для которого напряжение растет с ростом деформации, как, например, это показано на рис. 50.
   
    Рис. 50. Для образования оболочки цилиндрического контейнера напряжение пленки материала должно расти с ростом деформации, что позволит окружному напряжению быть вдвое больше осевого.
    К сильно растяжимым твердым телам, которые удовлетворяют этому условию, относится, совершенно очевидно резина, и в настоящее время существует множество материалов типа резины, как натуральных, так и синтетических. Некоторые из них способны испытывать упругие деформации до 800%. Материаловеды называют их эластомерами.
    Резиновые трубы широко используются в технике, и можно было бы предположить, что Природе для вен и артерий следовало бы создать материал типа резины. Однако Природа не пошла таким путем - и у нее были на это веские основания. Для материалов типа резины зависимость напряжения от деформации имеет очень характерную S-образную форму (рис. 51).
   
    Рис. 51. Кривая деформирования, типичная для резины.
    Мои собственные не очень строгие расчеты показывают, что если из материала с такой кривой деформирования сделать цилиндрическую трубку и накачивать в нее газ или жидкость, создавая внутреннее давление, то после того, как окружная деформация достигнет величины 50% или несколько больше, процесс деформирования станет неустойчивым и на трубке образуется сферическая выпуклость (в медицине такого рода выпуклость квалифицируется как "аневризм"), так что трубка станет похожа на змею, проглотившую футбольный мяч. Этот результат легко воспроизвести экспериментально, надувая резиновый детский "шарик" цилиндрической формы (рис. 52), так что выполненные мною расчеты, вероятно, правильны.
   
    Рис. 52. Продолговатый воздушный "шарик", иллюстрирующий образование сферической выпуклости при увеличении внутреннего давления.
    Вот почему упругое поведение стенок артерий не похоже на поведение резины.
    Но поскольку в венах и артериях на самом деле возникают деформации порядка 50%, а с другой стороны, как вам скажет любой врач, появление аневризмов в кровеносных сосудах крайне нежелательно, упругие характеристики материалов типа резины совершенно неподходящи для большинства оболочек внутри нашего тела, они редко встречаются у животных тканей.
    Если выполнить соответствующие расчеты, то оказывается что упругими характеристиками, обеспечивающими полную устойчивость при больших деформациях рассматриваемой системы с внутренним давлением, являются только характеристики типа тех, что представлены на рис. 53. Такая форма зависимости напряжения от деформации (с небольшими вариациями) и в самом деле является весьма обычной для тканей животных, в особенности для пленок. Почувствовать это можно, потянув себя за мочку уха.
   
    Рис. 53. Кривая деформирования, типичная для мягких тканей животных.
    В связи с рис. 53 возникает вопрос, проходит ли для рассматриваемых материалов кривая зависимости напряжения от деформации через начало координат (точку, где и напряжение, и деформация равны нулю) или при обращении деформации в нуль в материале все еще остается некоторое конечное напряжение. (Вопрос, несомненно, рассчитан на некоторое замешательство инженеров, воспитанных на гуковских материалах, подобных стали.) Однако, насколько можно судить по экспериментам, для живого организма эта точка нулевых напряжении и деформаций не соответствует какому-либо реальному начальному состоянию (так же обстояло бы дело в любой конструкции, состоящей, скажем, из мыльных пленок). Во всяком случае, артерии постоянно находятся в организме в натянутом состоянии, и, если их извлечь из живого или только что умершего животного, они очень значительно сократятся.
    Как мы увидим ниже, это натяжение артерий может служить дополнительным средством для предотвращения тенденции к изменению их длины при изменении давления крови. Иначе говоря, оно служит целям выравнивания осевого и окружного напряжений в стенках артерии, то есть стремится вернуть систему к тому состоянию, которое характерно для поверхностного натяжения, и поэтому, возможно, существовало в живой природе в очень далеком прошлом. У людей, испытывающих сильную и продолжительную вибрацию, например у лесорубов, работающих цепными пилами, это натяжение может быть утрачено, тогда артерии у них удлиняются и становятся изогнутыми, скрученными или зигзагообразными.

Коэффициент Пуассона, или как работают наши артерии

    Сердце - это, по существу, насос, который вгоняет кровь в артерии посредством довольно резких пульсаций. Работа сердца облегчается тем обстоятельством (которое идет и на благо организма в целом), что в нагнетательной, или систолической, фазе сердечного цикла справиться с избытком крови высокого давления помогает упругое растяжение аорты и больших артерий. Это сглаживает колебания давления и в целом улучшает циркуляцию крови. В действительности упругость артерий во многом играет ту же роль, что и воздушный рессивер, который конструктор часто ставит в системе, содержащей механический поршневой насос. В этом простом устройстве волна давления, которая сопровождает нагнетательный ход поршня, сглаживается за счет того, что нагнетаемой жидкости временно приходится сжимать воздух, удерживаемый над жидкостью в закрытом сосуде. Когда после окончания нагнетательного хода поршня клапан насоса закрывается (то же происходит и в диастолической фазе сердечного цикла), жидкость продолжает движение в гидросистеме за счет расширения сжатого воздуха (рис. 54).
   
    Рис. 54. Упругое растяжение аорты и артерий играет ту же роль в сглаживании колебаний давления, что и наличие воздушного рессивера в поршневом насосе.
    Это ритмичное чередование расширения артерий и их возвращения в исходное состояние благотворно и необходимо. Если с возрастом стенки артерий становятся более жесткими и менее эластичными, то давление крови повышается и сердцу приходится производить большую работу, что может отрицательно сказаться на его состоянии. Об этом знает большинство из нас, но о имеющейся здесь связи с деформациями стенок артерий задумываются немногие.
    Как мы нашли в гл. 5, осевое напряжение в цилиндрической оболочке, такой, как стенка артерии, составляет ровно половину окружного напряжения. Это справедливо всегда, независимо от материала оболочки или трубы. Поэтому если бы закон Гука выполнялся в приведенной выше грубой формулировке, то осевая деформация также составляла бы половину окружной и общее удлинение артерии происходило бы в соответствующих пропорциях к ее первоначальным размерам.
    Вспомним теперь, что главные артерии, такие, как артерии ног, могут иметь диаметр где-то около сантиметра, а длину около метра. Если упомянутые деформации действительно относились бы как два к одному, то, как показывает простой расчет, изменению диаметра артерии на 0,5 мм, которое без труда "умещается" в организме, соответствовало бы изменение длины на 25 мм.
    Очевидно, что такого порядка изменения длины с частотой 70 раз в минуту невозможны и их на самом деле нет. Если бы такое происходило, наше тело вообще не могло бы функционировать. Достаточно только представить себе, что такое происходит с сосудами мозга.
    К счастью, на самом деле продольные удлинения в находящихся под давлением трубах всех видов и размеров много меньше, чем можно было бы ожидать или опасаться. Доказательством того, что дело обстоит именно таким образом, является так называемый коэффициент Пуассона.
    Если вы натянете резиновую ленту, она станет заметно тоньше, то же самое происходит и со всеми другими твердыми телами, хотя для большинства материалов это не так бросается в глаза. Напротив, если вы уменьшите длину куска материала, сжав его, поперечные размеры увеличатся. И то и другое происходит благодаря действию упругих сил, и первоначальная форма тела восстанавливается при снятии нагрузки.
    Мы не замечаем этих поперечных перемещений в таких веществах, как сталь или кость, в силу малости как продольной, так и поперечной деформаций, но фактически и здесь дело обстоит точно так же. То обстоятельство, что подобные эффекты характерны для всех твердых тел и такое поведение существенно для практических задач, было впервые отмечено французом С.Д. Пуассоном (1781-1840). Он родился в очень бедной семье и в детстве не получил сколько-нибудь систематического образования, но в возрасте тридцати одного года стал академиком, а во Франции это одна из наивысших почестей, и он удостоился ее за свои работы в области теории упругости. Как было сказано в гл. 2, закон Гука гласит, что модуль Юнга = E = (напряжение / деформация) = s/e.
    Поэтому, если мы приложим к плоской пластинке растягивающее напряжение s1, она удлинится упругим образом, так что в направлении растяжения деформация будет иметь величину e1 = s1/E.
    Однако, кроме того, пластинка сократится в поперечном направлении (то есть в направлении под прямым углом к напряжению s1), и величину соответствующей деформации мы обозначим e2. Пуассон обнаружил, что для каждого материала отношение деформаций e1 и e2 есть величина постоянная, и это отношение теперь принято называть коэффициентом Пуассона. Ниже мы всюду будем использовать для этой величины обозначение ν. Таким образом, для данного материала, подвергаемого простому одноосному нагружению напряжением s1, ν=e2/e1 = коэфициент Пуассона[50]
    Деформацию e1 в направлении напряжения s1 можно назвать первичной деформацией, а деформацию e2, вызванную напряжением s1 в перпендикулярном ему направлении, - вторичной деформацией (рис. 55). Согласно этому, e2 = νe1, а так как e1 = s1 / E (это - закон Гука), то e2 = νs1 / E.
   
    Рис. 55. При одноосном нагружении твердого тела растягивающим напряжением s1 тело испытывает в направлении этого нагружения деформацию e1, а в поперечном направлении сокращается, при этом деформация равна e2.
    Таким образом, если мы знаем значения величин ν и E, мы можем вычислить и первичную, и вторичную деформации.
    Для материалов, используемых в технике, таких, как металлы, камень и бетон, значения ν лежат всегда между 1/4 и 1/3. Для твердых биологических материалов значения коэффициента Пуассона обычно выше, и часто они лежат вблизи 1/2. Преподаватели элементарной теории упругости сказали бы вам, что коэффициент Пуассона не может принимать значений больше 1/2, иначе происходили бы разного рода абсурдные и неприемлемые вещи. Это справедливо лишь отчасти, и значения коэффициента Пуассона для некоторых биологических материалов являются очень высокими, часто они больше единицы[51]. Экспериментальное значение коэффициента Пуассона для моего живота, измеренное недавно мною в ванне, составляет примерно единицу (см. сноску выше).
    Таким образом, как сказано выше, благодаря коэффициенту Пуассона, если мы растягиваем в каком-либо одном направлении кусок материала, такой, как пленка или стенка артерии, он удлиняется в этом направлении, но одновременно сокращается в перпендикулярных. Поэтому в случаях, когда растягивающее напряжение действует не в одном, а в двух взаимно перпендикулярных направлениях, возникающие деформации будут разностью тех деформаций, которые создало бы каждое из этих напряжений в отдельности, и окажутся поэтому меньше последних.
    При одновременном действии напряжений s1 и s2 суммарная деформация в направлении действия s1 будет e1 = (s1 - νs2)/E, а суммарная деформация в направлении действия s2 будет e2 = (s2 - νs1)/E.
    Отсюда, используя результаты, приведенные в гл. 5[52], с учетом коэффициента Пуассона получаем, что продольная деформация стенок трубы, находящейся под внутренним давлением и сделанной из материала, подчиняющегося закону Гука, будет e2 = (rp/2tE)(1 - 2ν), где r - радиус, р - давление, t - толщина стенок.
    В результате увеличение длины трубы оказывается значительно меньшим, чем можно было бы ожидать; для гуковского же материала с коэффициентом Пуассоны, равным 1/2, продольные перемещения вообще отсутствуют. В действительности, как говорилось выше, материал стенок артерий не подчиняется закону Гука, в то же время коэффициент Пуассона для него, вероятно, больше 1/2. Возможно, эти два фактора взаимно компенсируются, поскольку соответствующие удлинения, фактически наблюдаемые в эксперименте, очень малы[53]. Несомненно, тот факт, что артерии постоянно находятся в организме в натянутом состоянии, свидетельствует о мерах предосторожности, принятых Природой против любых возможных остаточных удлинений кровеносных сосудов.
    Эффекты, связанные с коэффициентом Пуассона, по-видимому, играют важную роль в поведении тканей животных; но они важны и в технике, о чем свидетельствуют все новые факты, возникающие, как правило, неожиданно и в самых разных сочетаниях.
    Возможно, следует также добавить, что, в то время как аорта и главные артерии расширяются и сокращаются упругим образом в такт с биением сердца, с артериями меньшего размера дело обстоит несколько иначе. Стенки этих артерий соединены с мышечной тканью, которая может увеличивать их эффективную жесткость и таким образом, ограничивая диаметр этих артерий, влиять на количество крови, подводимое к каждому из участков тела. Таким путем регулируется кровоснабжение тела.

Надежность, или о вязкости тканей животных

    У животных довольно часто случаются переломы костей и разрывы сухожилий; упругие свойства костей и сухожилий отличаются от свойств тканей, рассматриваемых в этой главе. Примечательно, однако, что механические разрушения мягких тканей животных происходят довольно редко. На это имеется несколько причин. Шкура и мягкие части тела животного, будучи очень нежесткими, могут не получить серьезных повреждений при ударе; подвергаясь большим деформациям, животное отделывается только синяками. Более интересен, однако, вопрос о концентрации напряжений, поскольку мягкие ткани животных практически не боятся концентрации, этой главной причины катастроф инженерных сооружений. Ткани животных не требуют большого коэффициента запаса, поэтому конструктивная эффективность, то есть выдерживаемая конструкцией нагрузка, приходящаяся на единицу веса конструкции, может быть очень высокой.
    Такой иммунитет к концентрации напряжений определяется отнюдь не мягкостью тканей и малым модулем Юнга. Резина тоже мягкая, и ее модуль Юнга тоже очень мал, однако все мы помним с детства, как выпущенные в сад воздушные шарики очень скоро с шумом лопались, наткнувшись на шипы первого же куста. Детьми мы не понимали, что из-за концентрации напряжений и малой величины работы разрушения от прокола в натянутой резине очень быстро распространяется трещина, а если бы и понимали, то вряд ли это уменьшило бы наши огорчения. Перепонка же крыла летучей мыши ведет себя иначе, хотя также сильно натягивается в полете. При проколе крыла разрыв от этого места распространяется редко и повреждение скоро заживает, несмотря на то что мышь не перестает летать.
    Объяснение этого кроется, я думаю, в существенных различиях упругих свойств и величин работы разрушения резины и биологических тканей. В настоящее время данные о работе разрушения мягких биологических тканей, по существу, отсутствуют, однако зависимости напряжения от деформации в большинстве случаев известны очень хорошо, а между формой этих зависимостей и работой разрушения, по-видимому, имеется тесная связь.
    Интересный пример составляет пленка куриного яйца - пленка, которую мы видим за завтраком сразу под скорлупой вареного яйца. Это одна из немногих биологических мембран, которые подчиняются закону Гука, в данном случае - вплоть до деформаций около 24%, когда происходит разрыв пленки. Простой (правда, грозящий легкими неприятностями) эксперимент с сырым яйцом показывает, что эта пленка легко рвется. Так, конечно, и должно быть, поскольку иначе цыпленку было бы трудно вылупиться из яйца. Между прочим, округлая форма самой скорлупы такова, что ее трудно разрушить снаружи, но легко разбить изнутри.
    Яичная пленка - ткань, по-видимому, исключительная; по самому своему предназначению она подлежит разрушению после того, как сделает свое дело, сохранив в яйце влагу и защитив его от инфекции. Вероятно, именно по этой причине она обладает, как мы говорили, особыми упругими свойствами. Однако упругие свойства подавляющего большинства мягких тканей совершенно другие, их характеризует зависимость, показанная на рис. 53, и, для того чтобы выполнять свое назначение, большинству из этих тканей необходимо быть "вязкими". На практике оказывается, что материалы с зависимостью напряжения от деформации подобного типа рвутся с очень большим трудом; следует заметить, что внутренние причины этого не вполне ясны. Одна из причин, возможно, состоит в том, что запасаемая упругая энергия, которая может идти на развитие трещины (а она дается площадью под кривой деформирования - см. гл. 4), меньше, чем для других типов кривой деформирования[54].
    Как мы уже говорили, упругое поведение большинства тканей животных близко к показанному на рис. 53. Должен сознаться, когда я впервые обратил на это внимание, мне показалось, что это некая странность или причуда Природы, которая, увы, не смогла придумать ничего лучшего, не получив приличного инженерного образования. Однако после довольно путаных попыток исследовать проблему на основе грубых расчетов мне становится все более ясным, что в случаях, когда конструктивная система должна надежно работать, испытывая действительно большие обратимые деформации, такая зависимость напряжения от деформации - единственно приемлемая. Появление тканей животных с такого типа кривой деформирования было весьма важным для эволюции и существования высших форм жизни. Биологам это полезно иметь в виду.

Строение мягких тканей

    Отчасти, возможно, по указанным причинам молекулярная структура тканей животных редко напоминает структуру резины или синтетических полимеров. Строение большинства тканей животных очень сложное, чаще всего они являются составными (композитными) и включают по крайней мере два компонента. В их состав входит сплошная фаза, или матрица, в которой распределены армирующие ее прочные нити, или волокна, из другого вещества. Во многих случаях эта сплошная фаза содержит вещество, называемое эластином, который имеет очень малый модуль Юнга и кривую деформирования такого типа, как показана на рис. 56. Другими словами, по своим упругим свойствам эластин лишь на одну ступеньку отличается от жидкостной пленки с поверхностным натяжением. Эластин, однако, армирован прочными зигзагообразными волокнами коллагена (рис. 56а), представляющего собой разновидность протеина - вещества, близкого к веществу сухожилий и имеющего большой модуль Юнга и почти гуковское поведение. Вследствие того что армирующие волокна сильно перекручены, они вносят очень малый вклад в сопротивление материала растяжению при малых деформациях, и упругое поведение материала в этом случае весьма близко к поведению эластина. Однако по мере того, как композитная ткань вытягивается, коллагеновые волокна постепенно становятся все более туго натянутыми, и, таким образом, модуль Юнга материала в растянутом состоянии будет определяться модулем Юнга коллагена. Описанное поведение материала более или менее соответствует кривой, изображенной на рис. 53.
   
    Рис. 56. Примерный вид кривых деформирования эластина и коллагена.
   
    Рис. 56а. Поперечный разрез артерии под микроскопом. Упругие свойства артерии обеспечивает эластин, укрепленный перекрученными коллагеновыми нитями. (Артерии, освобожденные от крови, делаются плоскими.)
    Роль коллагеновых волокон не сводится только к увеличению жесткости ткани при больших деформациях, они, по-видимому, нужны и для того, чтобы обеспечить "вязкость" ткани, то есть ее трещиностойкость. Когда на живой ткани возникает порез в результате травмы или под действием скальпеля, на первой стадии процесса заживления на заметных расстояниях вокруг раны коллагеновые волокна временно исчезают. Только после того, как полость раны заполняется эластином, коллагеновые волокна образуются вновь и восстанавливается полная первоначальная прочность ткани. Этот процесс может продолжаться 3 или 4 недели, и пока он не закончится, величина работы разрушения ткани в окрестности раны чрезвычайно мала. Поэтому, если в течение двух-трех недель после хирургической операции требуется вновь вскрыть зашитую полость, в этом месте бывает трудно наложить надежные швы.
    Коллаген существует в различных формах, в частности, он может состоять из перекрученных нитей протеиновых молекул. Его сопротивление деформированию определяется главным образом натяжением связей между атомами в молекулах, и потому он ведет себя, по Гуку, подобно нейлону или стали. А почему эластин ведет себя почти так же, как пленки жидкости с поверхностным натяжением? Краткий ответ на этот вопрос состоит в том, что на самом деле этого никто не знает. Однако профессоры Вейс-Фог и Андерсен выдвинули предположение, что такое поведение может быть обязано некоей модифицированной форме поверхностного натяжения. Согласно их гипотезе эластин состоит из сети гибких длинных цепочек молекул, находящихся внутри эмульсии. Капельки жидкости в составе эмульсии смачивают эти молекулярные цепочки, в то время как основное вещество эмульсии их не смачивает. В связи с этим молекулярным цепям энергетически выгодно почти по всей их длине свернуться в клубки внутри капелек жидкости (рис. 57, а). При действии растягивающих нагрузок они вытягиваются из капель и распрямляются (рис. 57, б)[55].
   
    Рис. 57. Предполагаемое строение эластина. а - недеформированное состояние, цепи молекул находятся главным образом в скрученном состоянии внутри капелек; б - деформированное состояние, цепи молекул вытянуты из капелек.
    Наше тело состоит по большей части из мышц, являющихся биологически активной тканью, способной сокращаться и тем самым вызывать растяжения сухожилий и других тканей. Мышцы, однако, содержат коллагеновые нити, упругие свойства которых могут играть только пассивную роль. Если растягивать умерщвленную мышцу, получается зависимость напряжения от деформации, опять-таки очень похожая на приведенную на рис. 53, и представляется вероятным, что коллаген в мышце несет функцию ограничения ее растяжения в расслабленном состоянии. Другими словами, он действует как некий тормоз, обеспечивающий безопасность.
    Как мы уже говорили, другое назначение коллагеновых волокон в тканях - это обеспечить сравнительно большую величину работы разрушения. Для животных это хорошо, но это неудобно для людей, которые едят мясо. Другими словами, именно коллаген делает мясо "вязким". Однако представляется, что Природа не на стороне вегетарианцев, поскольку она, к ее мудрости, устроила так, что коллаген превращается в желатин - вещество, обладающее в жидком состоянии малой прочностью, при такой температуре, которую еще выдерживает эластин, или мышечная ткань. Поэтому процесс приготовления пищи заключается в превращении большей части коллагеновых волокон в желатин (представляющий собой желеобразную массу) с помощью жарения, варки или кипячения. Таким образом, мы имеем здесь дело с наукой, укрепляющей веру в мудрость Природы.

Часть III. Конструкции в условиях сжатия и изгиба

Глава 8

Стены, арки и плотины, или башни, уходящие в облака, и устойчивость каменной кладки

Что б ты построить из кубиков мог?
Замки и виллы, церковь и док.

Детский цветник стихов
Р. Л. Стивенсон
    Как мы уже убедились, простых смертных, не наделенных сверхъестественным разумом Природы, на пути создания конструкций, подвергающихся растяжениям, подстерегают трудности, осложнения и хитроумные ловушки. Особенно это относится к случаям, когда мы хотим создать конструкцию из нескольких кусков материала и сталкиваемся с проблемой прочности соединений. Не случайно наши предки старались по возможности избегать конструкций, подвергающихся растяжениям, и стремились использовать такие конструкции, в которых всюду действуют только сжимающие нагрузки.
    Этому требованию лучше всего удовлетворяет каменная кладка. Тот замечательный успех, который во все времена сопутствовал ее применению, обязан двум факторам. Первый вполне очевиден - это возможность избежать растягивающих напряжений, особенно в соединениях. Второй менее очевиден - это удивительная совместимость задач конструирования больших строений, сложенных из камней, с ограниченностью возможностей "донаучного" подхода.
    Из всех конструкций самых различных видов только каменные сооружения допускают слепое копирование традиционных пропорций, которой не ведет автоматически к беде. Именно поэтому на протяжении всей истории строения из камня далеко превосходили по своим размерам и внушительности все остальное, что было создано руками человека. Желание строить теряющиеся в облаках башни и величественные храмы уходит своими корнями в глубины истории и даже в предысторию человечества. Эпиграфом к началу этой книги послужили строки из книги Бытие о Вавилонской башне. Напомним, что там говорилось о намерении построить "башню, высотою до небес". Впрочем, я думаю, ни один богослов не задавался вопросом, какой высоты можно было бы ее построить на самом деле.
    Почти вся нагрузка, приходящаяся на стены такой башни, определялась бы их собственным весом, и можно вычислить то напряжение сжатия, которое создавала бы у основания башни действующая вертикально вниз статическая нагрузка каменной кладки. В этом случае предельной явилась бы та минимальная высота башни, при которой ее кирпичи были бы раздавлены приходящимся на них весом.
    Плотность камня и кирпича составляет около 2500 кг/м3, а их прочность на сжатие, вообще говоря, несколько больше 5 кгс/мм2 или 50 МН/м2.
    Элементарный расчет показывает, что высоту башни с вертикальными стенами можно довести до 2 км, и кирпичи в ее основании все еще не будут раздавлены. Башня же, имеющая суживающиеся кверху стены, могла бы быть значительно выше; примерно такой принцип избрала Природа для горообразования. Высота Джомолунгмы около 9 км, и пока не похоже, чтобы она собиралась обвалиться. Так что суживающаяся кверху башня простой формы с широким основанием вполне могла бы быть доведена до такой высоты, на которой людям Сеннаара стало бы трудно дышать из-за нехватки кислорода, прежде чем статическая нагрузка ее стен раздавила бы кирпичи в основании.
    Хотя в такого рода вычислениях не содержится ничего принципиально неправильного, в действительности высота всех построенных когда-либо башен и близко не доходила до теоретически предельной. Так, самое высокое из существующих сегодня зданий, Нью-йоркский центр международной торговли, лишь на 400 м возвышается над землей, да и это для нас не самый удачный пример, поскольку, подобно всем небоскребам, оно построено из стали. Пирамида Хеопса и шпили самых высоких кафедральных соборов достигают немногим более 150 м, и лишь некоторые из огромного множества каменных строений достигают хотя бы половины этой высоты, подавляющее же большинство зданий намного ниже.
    Поэтому обычно напряжения сжатия, возникающие в каменной кладке под действием ее собственного веса, весьма малы. Как правило, они редко превышают 0,01 прочности камня на сжатие и на практике не накладывают ограничений на высоту зданий или на их прочность. Тем не менее известно, что, начиная с библейской Силоамской башни, которая, не будучи особенно высокой, упала и убила 18 человек, они все же время от времени неожиданно рушатся (несмотря на уверенность архитекторов и строителей в их прочности). Такое происходило во все времена, а иногда происходит и сегодня. И под тяжестью каменной кладки (а она немалая) нередко гибнут люди.
    Но если стены рушатся не под давлением сжимающих напряжений, так под действием чего? Ответить на этот вопрос помогают детские игры. Все мы в детстве строили башни из кубиков, довольно неустойчивым образом поставленных друг на друга. Достигнув некоторой высоты, такое сооружение неизменно разваливалось. Даже дети понимают, хотя и не могут выразить этого в научных терминах, что виной тому отнюдь не сжимающие напряжения. Эти напряжения на деле ничтожно малы, а башня опрокидывается потому, что ее стены не строго вертикальны. Другими словами, речь здесь должна идти не о недостатке прочности, а о недостатке устойчивости. Хотя разница между этими двумя понятиями очевидна маленьким детям, она не всегда ясна строителям и архитекторам и тем более историкам искусства, которые пишут о кафедральных соборах и подобных им сооружениях.

Линии давлений и устойчивость стен

Внушает трепет и благоговенье
Весь облик этой каменной громады.
Уходят в небо древние колонны,
Главами мраморными подпирая
Изогнутый дугою тяжкий свод.
Недвижно все, покоем дышит камень
И, ужасая, привлекает взор.

Утренний мост
Уильям Конгрив
    Во времена королевы Анны культурная жизнь Англии не могла быть особенно разрозненной и можно быть почти уверенным в том, что Конгрив (1670-1729) имел беседы и делил застолье с Ванбруфом, автором многочисленных пьес и создателем Бленхеймского дворца, а также с самим Кристофером Реном. Для этих людей в общих чертах было совершенно ясно, что устойчивость зданий определяет не столько прочность камня и скрепляющего "раствора", сколько распределение их веса.
    Однако одно дело понимать это и совсем другое - конкретно представлять себе все в деталях и уметь определить заранее, будет ли здание безопасным или нет. Чтобы достичь научного понимания того, как ведет себя каменная кладка, ее необходимо рассматривать как упругий материал, то есть следует учесть то обстоятельство, что материал камня деформируется под действием нагрузки и что он подчиняется закону Гука. Полезно также, хотя это и не абсолютно необходимо, использовать понятия напряжения и деформации.
    На первый взгляд все же, конечно, кажется невероятным, что твердый кирпич и камень могут деформироваться в сколько-нибудь заметной степени под действием нагрузки, создаваемой зданием. И в самом деле, еще столетие после Гука к этой мысли не могли привыкнуть даже строители, архитекторы и инженеры. Они упорно игнорировали закон Гука и считали каменную кладку абсолютно жесткой. В результате их расчеты оказывались неверными и здания иногда рушились.
    Однако в действительности модуль Юнга для кирпича и камня не очень велик (в этом можно убедиться, посмотрев на изогнутые колонны собора в Солсбери на рис. 4), а потому упругие перемещения каменной кладки отнюдь не так малы, как можно было бы предполагать. Даже стены обычного небольшого дома сжаты в вертикальном направлении своим собственным весом примерно на миллиметр. В больших зданиях эти перемещения, естественно, значительно больше. А когда вам кажется, что дом сотрясается под порывами сильного ветра, это не так далеко от истины. Верхушка небоскреба Эмпайр стэйт билдинг раскачивается при сильном ветре более чем на 0,5 м[57].
    Современный расчет каменной кладки основан на простом законе Гука, а также на следующих четырех допущениях, которые оказываются справедливыми на практике:
    1) сжимающие напряжения столь малы, что материал не может разрушаться за счет сжатия (мы уже обсуждали этот вопрос);
    2) благодаря использованию строительного раствора или цемента соединения выполнены достаточно тщательно, так что силы сжатия действуют по всей площади соединения, а не в нескольких выступающих точках;
    3) трение в соединениях столь велико, что не может произойти разрушения конструкции вследствие взаимного проскальзывания кирпичей или камней (на самом деле никаких проскальзываний до разрушения конструкции не происходит);
    4) соединения не обладают сколько-нибудь заметной прочностью на растяжение; даже если случайным образом раствор обладает некоторой прочностью на разрыв, на нее нельзя полагаться и ею следует пренебречь.
    Таким образом, назначение строительного раствора состоит не в том, чтобы "склеивать" кирпичи или камни, а в том, чтобы сжимающие нагрузки передавались через соединение более равномерно.
    Насколько мне известно. Юнг был первым, кто стал учитывать упругие деформации каменной кладки. Он рассмотрел, что происходит в прямоугольном блоке каменной кладки, скажем в участке стены, когда он подвергается действию вертикальной сжимающей нагрузки Р. Мы приведем его рассуждения в упрощенной форме, переведя их для этого на язык напряжений и деформаций, которого во времена Юнга, конечно, не существовало.
    До тех пор пока нагрузка P действует вертикально вниз в плоскости симметрии, то есть посредине стены, кладка будет сжата равномерно и, согласно Гуку, соответствующее распределение сжимающих напряжений по толщине стены также будет равномерным (рис. 58).
   
    Рис. 58. Нагрузка P действует в плоскости симметрии стены.
    Рис. 59. Нагрузка P действует в пределах "средней трети" стены.
   
    Рис. 60. Нагрузка P действует на краю "средней трети" соединения AB.
    Рис. 61. Нагрузка P действует вне "средней трети" соединения AB.
    Предположим теперь, что вертикальная нагрузка P немного сместилась в сторону и действует не точно в плоскости симметрии стены. В этом случае сжимающее напряжение не будет постоянным вдоль ее сечения: для того чтобы в точности уравновесить действующую нагрузку, оно должно быть с одной стороны больше, чем с другой. Юнг показал, что если материал подчиняется закону Гука, то напряжения по толщине стены будут изменяться линейно и распределение напряжений будет выглядеть так, как показано на рис. 59.
    Пока что соединению, которое мы видим на рис. 59, ничто не угрожает: по всему сечению АВ действуют только сжимающие напряжения. Однако если приложение нагрузки сместится еще дальше от середины стены - на границу так называемой "средней трети" стены, то возникнет ситуация, изображенная на рис. 60, в которой распределение напряжений имеет треугольную форму и сжимающее напряжение на одном из краев соединения обращается в нуль.
   
    Рис. 62. Вот что происходит, если возникает ситуация, изображенная на рис. 61. В соединении возникает трещина ВС, и вся нагрузка теперь распределена по площади, соответствующей отрезку АС, - эффективная толщина стены уменьшается.
    Рис. 63. Если линия действия нагрузки проходит за пределами отрезка АВ, то стена будет поворачиваться вокруг точки A, - опрокинется и упадет.
    Само по себе это пока еще не опасно, но для вдумчивого человека вполне очевидно, что при этом что-то готово вот-вот произойти. И действительно, если нагрузка сместится еще немного к краю, "что-то" и в самом деле произойдет - возникнет ситуация, изображенная на рис. 61.
    Сжимающее напряжение вблизи одной из поверхностей стены теперь сменилось на растягивающее. Здесь уже нельзя быть уверенным в том, что раствор сможет выдержать растягивающее напряжение. Обычно он и в самом деле не выдерживает и происходит то, чего и следовало ожидать, - в соединении возникает трещина. Конечно, если стена трескается, это плохо и этого лучше не допускать, однако такая трещина еще не означает, что стена непременно и без промедления рухнет. Весьма вероятно, что края трещины несколько разойдутся, но стена останется стоять, покоясь на той части соединения, где контакт не нарушен (рис. 62).
    Но все это не сулит спокойной жизни, и наступит день, когда линия действия силы окажется за пределами стены, и нетрудно догадаться, что произойдет. В стене не может возникнуть необходимых растягивающих напряжений, ее часть начнет свисать над основанием, и тогда стена опрокинется и упадет (рис. 63).
    В 1802 г., когда Юнг пришел к этим заключениям, он был двадцатидевятилетним человеком, начинающим приобретать известность и только что получившим кафедру натуральной философии в Королевском институте в Лондоне. Его коллегой и в определенном смысле соперником был Гемфри Дэви[58], который в том же году, в невероятно молодом возрасте - ему было 24 года, - стал там же профессором химии.
    Как и сегодня, в те времена существовала традиция, согласно которой профессора Королевского института читали публичные лекции. Правда, в то время эти лекции по своему характеру были близки к сегодняшним выступлениям по телевидению и для института служили источником денежных средств, а также создавали ему паблисити.
    Юнг отнесся к своей просветительской миссии весьма серьезно и, полный энтузиазма, затеял серию лекций об упругом поведении разного рода конструкций, в том числе стен и арок, которым он посвятил свои последние исследования.
    Публика на этих собраниях на Албемарл-стрит была фешенебельной и, как говорят, состояла главным образом из "глупых женщин и философствующих дилетантов". Юнг отнюдь не пренебрег женской частью аудитории, заметив в своей вводной лекции:
    "Значительную часть моей аудитории - и я горю желанием донести до нее эти лекции - составляют лица того пола, который, согласно традициям цивилизованного общества, в известной степени избавлен от тяжелых обязанностей, поглощающих время и внимание лиц противоположного пола. Те многие часы досуга, которыми располагают женщины высших слоев общества, можно посвятить совершенствованию ума и приобретению знаний, и это несомненно принесло бы большее удовлетворение, чем развлечения, придуманные лишь для того, чтобы немного скрасить однообразие ничем не занятого времени".
    Однако фортуна не всегда благосклонна к сеятелям знаний, и можно подозревать, что некоторые из представительниц прекрасного пола все же сбежали с этих лекций, отдав предпочтение однообразию "ничем не занятого времени". Так или иначе, но Дэви, демонстрировавший на своих лекциях необыкновенно захватывающие опыты с "новой электрической жидкостью" и яркие химические эксперименты, был, как мы бы сейчас сказали, прямо-таки создан для экрана. Этот энергичный молодой человек имел к тому же весьма привлекательную внешность, так что молодые дамы стекались на его лекции по причинам, которые нельзя назвать вполне академическими, Одна из них, говорят, заметила, что "эти глаза созданы не только для того, чтобы сосредоточенно разглядывать пробирки". В итоге кассовый успех лекций Дэви превзошел все ожидания, и администрация резюмировала: "Хотя д-р Юнг, чьи глубокие познания в предмете, который он предложил своим слушателям, не вызывают сомнений, читал свои лекции той же аудитории, что и Дэви, число его слушателей уменьшалось раз от раза, чего нельзя объяснить ничем иным, кроме слишком сухой и назидательной манеры изложения".
    Провал такого рода не много бы значил, вызови работа Юнга интерес и поддержку инженеров-практиков. Однако вождем и даже кумиром тогдашних инженеров был Томас Телфорд (1757-1834), взгляды которого, как мы уже упоминали, отличались прагматичностью и отвергали теорию. Все это способствовало тому, чтобы Юнг почти немедленно отказался от кафедры и вернулся к медицинской практике[59].
    Развитие теории упругости на много лет переместилось во Францию, где как раз в это время Наполеон активно поощрял исследования в области конструкций.
    Учение об упругом сжатии, "средней трети" и неустойчивости, которое вызывало такую скуку у фешенебельных дам на лекциях Юнга, в действительности содержит практически все, что нужно знать о поведении стыков в каменной кладке, при условии, что нам известна также линия действия силы веса. Другими словами, мы должны знать, на каком расстоянии от серединной плоскости стены на самом деле действует нагрузка.
   
    Рис. 64. В простейшем случае, когда имеется симметрия, "линия давлений", проходит через середину стены.
    Здесь как раз уместно ввести понятие "линии давлений", которая определяется как линия, проходящая по стене здания от ее верхней точки до основания и пересекающая все стыки в тех точках, где приложена равнодействующая вертикального давления. Линия давлений - это французское изобретение, и, по-видимому, первым ее рассматривал Кулон (1736-1806).
    Для стены, колонны или опоры простых симметричных форм, таких, как показаны на рис. 64, линия давлений проходит, очевидно, через середину, и здесь нет никаких трудностей. Однако если речь идет о сколько-нибудь более сложном сооружении, то тогда скорее всего имеется хотя бы одна наклонная сила, возникающая из-за бокового давления крыши, арки, сводов или других конструктивных элементов. В таких случаях линия давлений уже не проходит точно через середину стены, а смещается на одну сторону и часто принимает искривленную форму, как показано на рис. 65[60].
   
    Рис. 65. В результате действия наклонной нагрузки линия давлений отклоняется от плоскости симметрии стены.
    Рис. 66. Действие на стену дополнительной вертикальной нагрузки уменьшает отклонение линии давлений от середины стены.
    Если, проводя линию давлений, мы обнаружим, что имеется опасность того, что она в какой-либо точке достигнет поверхности стены, то следует призадуматься, и крепко, поскольку у сооружения, спроектированного таким образом, велики шансы рухнуть.
    Один из способов исправить положение (и, вероятно, это один из наиболее эффективных способов) состоит в том, чтобы на верхнюю часть стены добавить дополнительный вес. Тогда дело обернется таким образом, как это показано на рис. 66. В противоположность тому, что можно было бы предположить, этот дополнительный вес способствует большей, а не меньшей, устойчивости стены и возвращает "заблудшую" линию давлений более или менее туда, где ей следует находиться.
    Требуемый дополнительный вес можно создать, просто надстроив стену больше, чем в действительности необходимо; годятся также такие вещи, как тяжелые баллюстрады и парапеты. Всегда могут выручить и поставленные в ряд статуи (рис. 67), если, конечно, это совместимо с назначением здания и позволяют средства! С конструкционной точки зрения бывает обоснованным использование башенок и статуй в готических церквях и соборах. Они возвышаются там словно насмешка над приверженцами функциональности и унылыми ревнителями "эффективности".
    Обычно считается абсолютно необходимым, чтобы линия давлений[61] проходила в пределах "средней трети" стены, поскольку иначе при появлении трещины она может обвалиться.
   
    Рис. 67. Требуемую дополнительную вертикальную нагрузку могут создавать башенки, статуи и т. п.
    Такой осторожный подход правилен, он служит безопасности, и его необходимо придерживаться, но я боюсь, что в наш век вседозволенности это делается редко. Посмотрите на стену современного жилого дома или нового учебного заведения, и вы увидите массу трещин, а там, где трещины, непременно действовали когда-то растягивающие напряжения. Правда, хотя эти трещины вредят штукатурке и внутренней отделке здания[62], на деле они редко представляют какую-либо опасность для несущей конструкции. Основным условием надежности каменной кладки является то, чтобы линия давлений нигде и никогда не подходила к поверхности стены, или колонны.

Плотины

    Подобно стенам, каменные плотины обычно разрушаются не из-за недостатка прочности, а из-за недостатка устойчивости - они, как и стены, могут опрокидываться. Боковое давление на плотину со стороны запруженной воды, как правило, сравнимо с весом каменной кладки плотины. Поэтому положения активной линии давлений могут резко меняться в зависимости от уровня запруженной воды. Для плотин в отличие от обычных зданий недопустимы никакие вольности в обращении с правилом "средней трети". Их каменная кладка ни в коем случае не должна содержать трещин, особенно со стороны, обращенной к запруживаемой воде. Присутствие трещины позволило бы воде под давлением войти внутрь конструкции, что повлекло бы за собой два