Текст книги "Конструкции, или почему не ломаются вещи"
Автор книги: Джеймс Эдвард Гордон
Жанр:
Строительство и сопромат
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]
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.
ПолзучестьГомер знал, что для того, чтобы подготовить колесницу к выезду, нужно было в первую очередь надеть на нее колеса.
Расшифровка удлиненной буквы БДж. 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]45
Упомянутое обстоятельство лежит в основе большинства историй о том, как высокое лицо страдает морской болезнью от поездки в государственной карете. (Карета лорд-мэра Лондона используется лишь раз в году для торжественного выезда вновь избранного. – Ред.)
[Закрыть].
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]46
«Виктория» – флагманский корабль адмирала Нельсона в Трафальгарском сражении (1805). В настоящее время является музеем. – Прим. перев.
[Закрыть]. 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-пухА. 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]47
Механическую задачу часто усложняют связи таких мембран с мышечной тканью и другими источниками активных сокращений, однако мы пока не будем принимать это во внимание.
[Закрыть][48]48
Простим автору путаницу: мембраны, окружающие клетки, представляют собой липидные пленки толщиной в две молекулы (порядка 50 ангстремов), тогда как «другие мембраны» – сложно устроенные ткани, состоящие из множества клеток и межклеточного вещества – V.V.
[Закрыть].
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 натяжениеЕсли 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]49
Теория поверхностного натяжения была разработана Юнгом и Далласом независимо друг от друга около 1805 г.
[Закрыть]. 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 тканейНасколько 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.
