Текст книги "Конструкции, или почему не ломаются вещи"
Автор книги: Джеймс Эдвард Гордон
Жанр:
Строительство и сопромат
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]
Глава 4
Упругая энергия и современная механика разрушения, с отступлениями о луках, катапультах и кенгуруЧеловек 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 стиховР. 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]18
1 терм = 105,5 МДж. – Перев.
[Закрыть], 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]19
Дж = 107эрг = 0,239 калории. 1 Дж – энергия среднего яблока, упавшего со стола обычной высоты.
[Закрыть].
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 кенгуруВсе 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]20
Поскольку при занятиях горными лыжами расход кислорода в организме больше, чем при любых других видах человеческой деятельности, много энергии должны принимать на себя и мускулы. Однако большая часть поглощаемой мускулами энергии необратима, так что сухожилия в качестве аккумулятора упругой энергии незаменимы.
[Закрыть]. 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 XXIГомер
Лук – одно из наиболее эффективных приспособлений, способных аккумулировать мускульную энергию человека. Английские большие луки, которые принесли победу при Креси (1346) и Азенкуре (1415)[21]21
Речь идет о битвах во время Столетней войны. – Прим. перев.
[Закрыть], почти всегда делались из тиса.
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]22
Согласно легенде, Филоктет получил свой лук от умирающего Геракла. – Прим. перев.
[Закрыть] 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]23
Рисунки 14 и 16, конечно, схематичны. График зависимости силы от натяжения в общем случае не является прямой линией, но использованный здесь принцип расчета остается применимым.
[Закрыть].
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".
