Текст книги "Конструкции, или почему не ломаются вещи"
Автор книги: Джеймс Эдвард Гордон
Жанр:
Строительство и сопромат
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]
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, 2-9Книга 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.
