Текст книги "Почему мы не проваливаемся сквозь пол"
Автор книги: Джеймс Эдвард Гордон
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 20 страниц)
Разбухание
Несомненно, природа при желании могла бы химически соединить молекулы целлюлозы вдоль “боков”. Но тогда они были бы увязаны между собой очень надежно, и материал имел бы примерно одинаковую прочность во всех направлениях. Как мы уже видели в предыдущей главе, наличие слабых плоскостей, параллельных прочнейшему направлению, является, по-видимому, условием прочности и вязкости для материалов такого типа. Если бы такие поверхности отсутствовали, древесина походила бы на глыбу сахара – была бы однородной, но непрочной и хрупкой. Если судить по удельному весу древесины, то нет ничего плохого в ее механических свойствах. Обычно вес деревянных конструкций сравним по крайней мере с весом сооружений из металла. Плохо в древесине другое – она подвержена воздействию влаги. Вода может попадать в древесину под дождем, в реке, в море и т. д., но хуже всего то, что на древесину действует атмосферная влага.
При каждой данной температуре воздух может содержать определенное количество влаги. Любой избыток влаги выпадает в виде дождя, тумана, дымки или росы. Воздух в этом случае называется пересыщенным, и, следовательно, относительная влажность в сырой день равна примерно 100%. В сухую погоду или в помещении относительная влажность меньше, но она редко падает многим ниже 30%, даже в местах с сухим жарким климатом.
Древесина всегда стремится быть в равновесии с относительной влажностью окружающего воздуха. После длительной выдержки во влажном воздухе древесина может содержать 22-23% воды. В очень сухом воздухе содержание влаги в дереве может упасть до 5%. Однако связанные с этим колебания веса материала имеют второстепенное значение по сравнению с влиянием влажности на свойства древесины, в частности на ее усадку или разбухание. Каждый процент изменения влажности дает около половины процента усадки или разбухания. Обычные колебания влажности воздуха могут вызвать колебания поперечных размеров от 5 до 10%, то есть до 1 см на доску шириной 10 см. И если плотники-любители, располагая выбором, предпочтут использовать широкие доски, то профессионалы будут мудрее: они возьмут узкие доски, чтобы уменьшить перемещения в каждом отдельном стыке. Конечно, 5-10% усадки или разбухания не так уж часто случаются, но и 1-2% могут вызвать много неприятностей. Краски и лаки снижают колебания влажности в дереве, но не исключают их, так как нет красок, совершенно не проницаемых для паров воды.
Даже в помещении относительная влажность непрерывно изменяется, особенно между дневным и ночным временем. Полы и мебель “следят” за влажностью воздуха, а отсюда – скрипы и треск по ночам. Если каким-то образом удержать древесину от усадки при уменьшении влажности, она будет расщепляться: ведь она почти не имеет прочности на разрыв поперек волокон. Если геометрически ограничить возможность древесины разбухать, то при увеличении влажности может возникнуть весьма значительное давление. Египтяне использовали это давление для откалывания огромных глыб в каменоломнях, так была получена игла Клеопатры[37].
Предварительно форма будущего куска размечалась канавкой на поверхности, эта же канавка служила концентратором напряжений. Затем вдоль канавки долбились глубокие отверстия, в которые загонялись сухие деревянные колья. Их заливали водой, и, пропитавшись влагой, дерево раскалывало камень вдоль требуемой линии.
Усадка морских канатных снастей и парусной ткани – в принципе то же самое. Отдельные волокна с изменением влажности изменяют не длину свою, а толщину, а остальное делает геликоидная геометрия каната и текстильной пряжи: веревки и одежда, намокая, становятся короче. Льняные паруса были особенно пористыми, и, чтобы уменьшить пористость, их замачивали.
Итак, мы видим, что самым важным следствием воздействия влажности на древесину является ее разбухание. С практической точки зрения влияние влажности на механические свойства, пожалуй, менее существенно. До предела намоченное дерево сохраняет примерно третью часть прочности и жесткости совершенно сухого дерева. Биологические материалы всегда работают в насыщенном состоянии – таким образом, ценою потери прочности снимается проблема усушки и разбухания. В технике целлюлоза никогда не используется в идеально сухих условиях, поэтому величины прочности и жесткости ее совсем не так плохи, как иногда это может показаться,
Сырую древесину гнуть немного легче, чем сухую; но больше всего облегчает гибку дерева нагрев. Так, прежде чем гнуть древесину для теннисных ракеток или шлюпочных шпангоутов, ее пропаривают. Часто считают, что пар делает с древесиной что-то особенное. Это неверно, просто пропаривание – всего лишь удобный путь нагрева древесины без ее высушивания, и механизм действия здесь в точности тот же, какой используют парикмахеры для завивки волос. Иногда древесину перед гибкой оборачивают влажными горячими тряпками. Эта операция помогает термической изоляции древесины, сохраняет ее тепло, предохраняет от слишком быстрого охлаждения. Древесина может без особого для себя вреда выдержать “влажный” нагрев примерно до 140°С, однако сухой нагрев, конечно, вызовет растрескивание вследствие усушки.
(обратно)
Выдержка древесины
Можно услышать довольно много вздора, о так называемой выдержке древесины. Об этом любят толковать старые мастера и романтичные, но несведущие любители. Древесина, как мы уже знаем, состоит из закрытых трубок, которые в живом растении частично заполнены водой или, точнее, соком. В свежесрубленном дереве содержание воды может быть различным, оно может даже превышать по весу количество сухого вещества. Примерно 25% этой воды абсорбировано, притянуто гидроксильными группами к стенкам волокон, остальная жидкость содержится внутри клеток. Во время выдержки большая часть воды удаляется. Выдержка в основном представляет собой операцию сушки и ничего более. Просто содержание влаги в дереве приводится к условиям, примерно равновесным с условиями окружающей среды, в которых ему предстоит работать: если этого не сделать, то изделие всегда будет под угрозой коробления от усушки. Для использования под открытым небом приемлема влажность 20%, для неотапливаемых помещений – около 15%, а для помещений с паровым отоплением – примерно 8-10%.
Клетки дерева представляют собой закрытые веретенообразные трубки, поэтому заключенной внутри них воде не так-то легко выйти наружу. Единственная возможность – медленное проникновение воды через стенки трубок. Такой процесс не представляет трудностей, если иметь дело с единичной клеткой. Но ведь бревно содержит многие тысячи таких клеток, и вода из внутренних клеток должна просочиться через стенки большинства других клеток, лежащих на ее пути наружу. Для этого необходимо поддерживать разницу влажностей между внутренним объемом древесины и окружающей средой. Чем больше эта разница, тем быстрее будет удаляться влага. С другой стороны, при слишком резком перепаде влажности наружные слои в ходе сушки окажутся заметно суше внутренних, будут больше сжиматься и, следовательно, расщепляться и растрескиваться. Поэтому, чтобы не повредить древесину, ее нельзя сушить слишком быстро. Традиционный способ выдержки – на открытом воздухе или под навесом. При сушке таким путем для досок толщиной 20-50 мм требуется около года, а для крупных дубовых заготовок для судов – около семи лет. С примитивными методами и знаниями ничего другого и не придумаешь, В былые времена лучшие судоверфи и хорошие каретники держали залежи ценной древесины, уже выдержанной или находящейся в процессе выдержки – это было одной из причин высокой стоимости их изделий.
В последние годы было предпринято много технологических исследований по выдержке лесоматериалов, в результате разработан ряд способов ускоренной безопасной сушки для древесины всех сортов и размеров. Тщательный контроль скорости сушки в больших сушильных печах позволяет свести время процесса к дням и неделям. Другой путь, также сокращающий время сушки,– современная тенденция применять пиломатериал меньших сечений, используя надежные клеи. Древесина, которая подобающим образом сушилась в печах (печи эти довольно дороги и требуют квалифицированного обслуживания), нисколько не хуже “натурально” выдержанной. Более того, в процессе сушки для нее менее вероятно подхватить грибковую инфекцию.
Содержание влаги в дереве можно определить путем взвешивания небольшого образца до и после печной сушки. В промышленности процент влажности определяется портативными приборами, которые измеряют электрическое сопротивление между двумя вбитыми в бревно иглами. Такая процедура дает ответ намного быстрее.
Если содержание воды в древесине меньше 25%, то вся она связана с гидроксильными группами в стенках клеток. Когда влажность достигает примерно 25%, гидроксилы оказываются насыщенными и стенки клеток не могут больше принимать воду; в таком случае говорят, что достигнута точка насыщения волокон. До этой точки полости клеток остаются пустыми, выше нее практически вся добавочная влага идет на заполнение трубчатых клеток. Все изменения размеров и механических свойств, обусловленные колебаниями влажности, проявляются только ниже точки насыщения волокон, то есть между 0 и 25% влажности. По достижении точки насыщения никакого дальнейшего разбухания не происходит, и добавочная вода просто увеличивает, причем весьма заметно, вес древесины.
Удельный вес вещества дерева около 1,45 г/cм3, однако свежесрубленное дерево в воде не тонет (за исключением очень тяжелых пород), потому что даже в невыдержанной древесине очень много воздуха. Но если оставить дерево в воде, то, пропитавшись водой, оно в конце концов затонет, хотя для этого и потребуется, как и в случае естественной сушки, довольно много времени. В свое время экипаж “Кон-Тики” беспокоило, как поведут себя в плавании пробковые бревна плота, хотя скорость их пропитки не была очень высокой. Американские клиперы середины прошлого века с тремя впившимися в небо мачтами, сделанные из легкого, “мягкого” дерева, пропитывались водой, не прослужив и десяти лет. Однако за годы службы они, вне всяких сомнений, сполна окупали себя. Твердая древесина, которая обычно шла на постройку английских кораблей, была гораздо более водостойкой: можно привести несколько примеров, когда деревянные суда служили больше столетия.
(обратно)
Разложение древесины
Гниение древесины вызывается грибком, который паразитирует за счет целлюлозы: грибки вообще не имеют хлорофилла и не могут производить для себя сахар путем фотосинтеза. Споры различных грибков практически всегда имеются на дереве, подобно тому, как многие болезнетворные микробы живут в организме человека, оставаясь пассивными до той поры, пока не наступят подходящие условия. Болезнь дерева, гниение не может развиваться при влажности меньше 18%, хотя споры сохраняют жизнеспособность в довольно сухой древесине, дожидаясь дождливого дня. Однако и при влажности выше 18% грибок еще не растет, если обеспечена хорошая вентиляция. С другой стороны, если влажность будет около 15%, то нужно совсем немного затхлости в каком-нибудь невентилируемом углу, чтобы началось гниение. Контролировать влажность древесины удается не всегда, но всегда можно обеспечить хорошую вентиляцию, и это будет гарантировать сохранность конструкции.
Сейчас существует много химикатов, убивающих активные споры и грибок в древесине, но их не всегда удобно применять в старых и сложных строениях: до пораженных частей не доберешься без дорогостоящей разборки конструкции. Однако почти всегда можно позаботиться об эффективной вентиляции.
В кругообороте веществ в природе некоторые процессы разложения очень существенны; не будь их, Земля не только была бы завалена стволами ранее живших на ней растений, но и все земные запасы углерода оказались бы связанными в целлюлозе – жизнь не могла бы продолжаться. С этим связано главное возражение против использования биологических материалов человеком: “планы” природы относительно отживающих организмов могут вступить в конфликт с нашими намерениями.
(обратно)
Деревянные суда
Деревянный парусник обеспечил в свое время экспансию Запада и потому более, чем какой-либо другой продукт техники, определил сегодняшние условия в нашем мире. Деревянные парусники открывали новые земли, они делали карту Земли. Они перевозили пассажиров и войска, эмигрантов и каторжников, путешественников и рабов. На них грузили золото и уголь, станки и книги, чай и шерсть, хлопок и дешевую жесть. Они везли это не только за тридевять земель, но и вдоль побережья, по рекам. Многие сотни лет военный корабль был самым веским аргументов королей, которые часто пускали его в ход.
Деревянные корабли – отнюдь не дела давно минувших дней, на памяти нашего поколения существовали первоклассные пассажирские парусные суда, плававшие в Австралию[38]. Живы адмиралы, которые начинали службу на деревянных парусниках.
Хотя примерно в середине прошлого века как корпуса, так и оснастка судов были значительно усовершенствованы, в течение предшествующих трех-четырех столетий основные принципы конструирования оставались неизменными. Они определялись двумя факторами: разбуханием древесины и высокой стоимостью металлов.
Несущая конструкция большого корабля делалась из естественно изогнутой древесины, для таких элементов как шпангоуты, выбирались стволы деревьев, на корню принявших подходящую форму. Водонепроницаемая обшивка и палуба накладывались поверх частой решетки шпангоутов и продольных балок примерно квадратного сечения, пересекающихся со шпангоутами под прямым углом. Эта решетка не имела диагональных связующих элементов, способных воспринимать сдвиг. Кромки примыкающих одна к другой планок обшивки не связывались между собой механически, зазор между ними имел форму V-образной канавки. В эту канавку с помощью специального конопаточного зубила и деревянного молотка загонялась пакля, которую делали из отслуживших свое канатов обитатели тюрем и работных домов.
Поверх пакли между планками оставался открытый зазор шириной примерно 1 см. На палубах его заливали потом с помощью специального черпака горячей смолой. После того как смола застывала, ее излишки легко соскребались – в холодном состоянии смола становится достаточно хрупкой. В итоге палуба расчерчивалась изящными черными линиями. Для днища и боков судна использовалась специальная замазка. Смысл всех этих операций заключался в том, чтобы заставить паклю компенсировать усушку и разбухание деревянной обшивки, а также – в некоторой степени – деформацию корпуса без заметного нарушения герметичности.
Вся конструкция была – в известной мере это делалось умышленно – довольно гибкой, вроде большой корзинки. Вероятно, не без оснований считалось, что, кроме компенсации усушки и разбухания древесины, такая гибкость корпуса вносила свой вклад в скоростные качества и добротность корабля. По-видимому, суда викингов и полинезийские каноэ были еще менее жесткими. Уже в викторианские времена, когда корабли комбинированной конструкции стали намного жестче, было специально построено несколько гоночных клиперов с корпусами, жесткость которых можно было изменять по желанию. Об одном из таких судов, когда оно вырывалось вперед, в экипажах соперников шутили: “Они там развинтили болты, и мы их уже никогда не увидим”.
В гаванях деревянные суда были, как правило, водонепроницаемыми, но все они, без исключений, начинали течь, когда выходили в море. Иногда течь бывала незначительной, а порой грозила опасностью. Несмотря на вековой опыт, корабельных дел мастера никак не могли, кажется, понять, что такое сдвиг. Любая конструкция типа оболочки, подвергнутая изгибу и кручению, претерпевает значительные сдвиги в обшивке, а ведь этому как раз и подвергается корабль в море, особенно парусник. Но традиционная корабельная конструкция была подобна раме ворот без диагональных брусьев.
Поскольку в конструкции судна никаких специальных элементов, эффективно воспринимающих сдвиг, не было, он воспринимался все той же паклей, которая попеременно то сжималась, то возвращалась в прежнее состояние, подобно губке. Время от времени (правда, на удивление редко) плывущий корабль выплевывал шпаклевку из какого-нибудь подводного шва. Случалось, что судно после этого тонуло. Однако чаще оно начинало течь и текло, текло… В этих случаях опасность была не столько в том, что корабль немедленно затонет, сколько в том, что непрерывная откачка воды измотает силы команды, доведя матросов до такого состояния, при котором может случиться все что угодно.
Когда ситуация грозила катастрофой, можно было попытаться “подпоясать” корабль, обвязав его с помощью тросов, пропущенных под корпусом, подобно тому как об этом сказано в Новом Завете. С тех пор эта уловка повторялась много раз, и очень может быть, что именно сейчас где-нибудь в океане ее проделывают с каким-нибудь суденышком. Смысл этой операции заключается только в одном – снабдить корпус судна воспринимающими сдвиг элементами. Но пока она не будет выполняться со знанием дела и точностью, которые, пожалуй, невероятны в подобных обстоятельствах (например, следует направить трос под углом примерно 45° к оси судна), она, надо думать, будет не более успешной, чем на корабле “Св. Павел”.
Что касается британского военного флота, то основные неприятности с течами кончились где-то около 1830 года, когда Роберт Сеппингс (1764-1840) предложил делать в деревянных корпусах кораблей железные диагональные крепления, Сеппингс, который часто приговаривал, что “частичная прочность приводит к общей непрочности”, был, вероятно, одним из первых кораблестроителей, понявших картину напряженного состояния корабельного корпуса. В торговом флоте деревянные корпуса были в основном заменены комбинированными и металлическими конструкциями лишь во второй половине прошлого века. Однако продолжали строиться и деревянные суда без соответствующего укрепления корпуса против напряжений сдвига. Старея, такие суда текли все больше. Они текли, а их эксплуатировали, пока это было экономически выгодным в условиях почти исключительно ручной откачки. Между прочим, вплоть до 1914 года норвежские судовладельцы покупали английские парусные суда и эксплуатировали их с ветряными помпами.
Несмотря на недостатки, деревянные военные парусники находились на вооружении флотов на протяжении трех-четырех веков, и адмиралтейства расставались с ними с сожалением, так как эти корабли были по-своему очень эффективны и экономичны. Они имели хороший радиус действия, были выносливы, независимость от морских баз позволяла им бесследно исчезать в океанских просторах – все эти достоинства флоты обрели вновь лишь недавно, с приходом атомных подводных лодок.
Активные действия флота случались не часто, угрозой был сам факт его существования. Однако до середины XVIII века считалось непрактичным круглый год держать флот в море, так как зимой корабли быстрее портились. Правда, усилиями преданных своему делу офицеров эти трудности преодолевались. Каждому, кто знаком с характером побережья, парусными судами и молекулой целлюлозы, длившаяся круглый год блокада Бреста и Тулона должна показаться почти невероятной. “Эти стоящие вдали избитые штормами корабли, которых Великая армия никогда не видела, стояли между нею и мировым господством”[39].
Канаты и рангоуты балтийского происхождения доставляли морякам блокирующих судов много хлопот. И хотя французов они видели очень редко, им приходилось сражаться денно и нощно, их врагами были канаты, паруса, реи, которые вытягивались, гнили, рвались. Адмирал Нельсон писал: “Ко мне обращались с разных кораблей с жалобами на большую часть парусов и оснастки, но просьбы о замене выполнить было невозможно, так как в запасе был лишь такой же непригодный к службе хлам. Надо было искать другие пути борьбы с этим злом”. И все же “двадцать два месяца флот Нельсона не заходил в порт, – и, когда в конце концов возникла необходимость преследовать неприятеля четыре тысячи миль, корабли оказались во всех отношениях готовыми к этому неожиданному и столь далекому походу”.
Когда парусное судно идет при крепком попутном ветре будь это даже шторм, нагрузки в оснастке не слишком велики. Однако, когда корабль бросает из стороны в сторону на его пути против ветра, общая нагрузка в тросах на которых держатся мачты, может достигать нескольких тысяч тонн. Вплоть до середины XIX века вся эта нагрузка, эквивалентная весу многих железнодорожных составов, приходилась на долю пеньковых канатов, которые всегда подвержены разбуханию и усушке, вытяжке и гниению, поэтому требовалось большое искусство для того, чтобы не лишиться нескольких – а того и гляди, всех – мачт и гренгоутов. Понятно, что моряки всегда стремились избегать длительных походов навстречу ветру в бурную погоду. Пройти, например, мыс Горн всегда было гораздо опаснее, чем следовать знакомой дорогой к восточному побережью Америки или даже в Индию. Известен случай, когда экипаж (то был экипаж капитана Блая на корабле “Баунти”), взбунтовавшись, отказался повторять попытку обогнуть злополучный мыс: после первой попытки корабль едва не разнесло в щепки. В конце концов Блай должен был повернуть назад, держа курс в прямо противоположном направлении, в Тихий океан, вокруг Земли. Блай был превосходным моряком, и если уж он не преуспел здесь, то вряд ли кто-нибудь другой смог бы добиться успеха.
На английских военных кораблях металлические тросы для оснастки начали использовать с 1838 года. В торговом флоте стальные канаты внедрялись очень медленно (этот процесс продолжался до 60-х годов прошлого века), потому что как раз в это время была усовершенствована технология скрутки пеньковых канатов: механическая скрутка делала канаты более плотными, отчего они значительно меньше вытягивались. Появление лучшей оснастки случайно почти совпало с открытием золота в Калифорнии. Около половины эмигрантов и все тяжелые грузы были доставлены туда морем. В те годы быстроходные парусники могли пройти путь от Нью-Йорка до Сан-Франциско за сто дней. В 1849-1850 годах 760 парусных судов обогнуло мыс Горн, провезя 27 тысяч пассажиров. Трудно определить, какая часть этих судов была оборудована стальными канатами, а какая – пеньковыми, ясно только, что покорение американского Запада во многом обязано улучшенным тросам[40].
Еще одним не менее важным шагом вперед явилась якорная цепь. Пеньковый кабельный трос имел определенные достоинства, однако для его хранения требовалось особое место на судне; весьма впечатляют громадные вентилируемые бухты на корабле “Виктория”. Цепь, которая появилась на судах в 1811 году, могла храниться в небольших сырых помещениях; можно сказать, что цепь освободила место для машин и угольных бункеров.
Во времена малых скоростей, когда Новый Свет еще не имел судоверфей, серьезную проблему составляло обрастание днища судна растительностью и разрушение древесины животными-вредителями. Однако она была в основном решена медной облицовкой корпуса (примерно 1770 год). Это было самым крупным усовершенствованием XVIII века, увеличившим скорость и радиус действия судов, и настолько успешным, что судовладельцы впоследствии были весьма резко настроены против использования железа для корабельных корпусов – железо нельзя покрывать медью непосредственно из-за электрохимического взаимодействия между двумя металлами в соленой воде. Иногда железные корпуса обшивались деревом, а уже потом покрывались медью. Чаще других так строили корпуса военных кораблей, но конструкция получалась тяжелой. Много лучших быстроходных парусников имело комбинированный корпус. “Катти Сарк” (1869 год) была обшита тиком, обшивка болтами крепилась к железному каркасу с соответствующими подкреплениями против сдвига. Днище корабля было покрыто сплавом типа латуни, мунтц-металлом. Некоторые специалисты считают такую конструкцию наиболее совершенной для судов средних размеров. Вполне возможно, что это так, но она, к сожалению, еще и очень дорога.
Рис. 40. Клипер «Великая Австралия»
Подешевление чугунных и стальных плит в 70-х годах прошлого века сделало постройку комбинированных корпусов неэкономичной, и к концу столетия большая часть морского грузооборота уже приходилась на большие парусные суда почти стандартной конструкции со стальными корпусами, стальными палубами, стальными рангоутами, стальной оснасткой. Такие суда были полностью герметичными, их мог обслуживать небольшой экипаж. Несколько меньшая скорость из-за более грубого днища компенсировалась возможностью идти под парусами в плохую погоду. Столетиями моряки привыкали лелеять деревянные суда, беречь их, никогда не перегружая сверх меры. Капитаны же стальных парусников считали свои корабли неуязвимыми просто потому, что они были стальными. Немало стальных кораблей затонуло в результате таких настроений.
Пароходы не составляли большинства на флоте примерно до 1890 года. Во всяком случае, они, как правило, использовались на более коротких маршрутах. Конечно, было построено предостаточно и деревянных пароходов, но тенденция к переходу на сталь выявилась здесь раньше, чем в случае парусных судов. Так получилось отчасти потому, что стальной корпус лучше деревянного сопротивлялся вибрациям паровых машин того времени, а также потому, что при непрерывном движении и более коротких маршрутах обрастание днища было не столь сильным. Ведь наиболее интенсивно обрастает попавший в штиль парусник.
Классическая деревянная конструкция все еще используется и сегодня для рыболовных судов, минных тральщиков и яхт водоизмещением до 400-500 т. Обычно она обеспечивает минимум веса для гоночных яхт; кроме тоге, это самая простая и дешевая конструкция яхты.
В простейших своих формах такая конструкция и сейчас страдает все тем же старым недугом – недопустимые течи в плохую погоду. Этот недостаток усугубляется намного большим весом современной оснастки и, следовательно, большими нагрузками на корпус. Конечно, все это можно преодолеть мастерством и усложнением конструкции, но тогда стоимость деревянного корпуса будет больше, чем стального или сделанного из пластика.
(обратно) (обратно)
