Текст книги "Почему мы не проваливаемся сквозь пол"

Автор книги: Джеймс Эдвард Гордон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 19 (всего у книги 20 страниц)

Чего можно ожидать от материалов будущего?

Невозможно пророчествовать подробно о том, как будут выглядеть новые материалы. Но мы можем оговорить вполне определенные верхние пределы механических свойств пассивных конструкционных материалов (глава 1). Ясно, что ключевое свойство есть модуль Юнга, поскольку он определяет не только жесткость, но и, в конечном счете, прочность. Наибольшей жесткостью обладает углеродная связь, причем она максимальна как в абсолютном, так и в удельном выражении (относительно плотности). Правда, некоторые ковалентные связи по жесткости мало отличаются от углеродных связей в алмазе. Но в общем-то максимум Е должен быть около 12x104 кГ/мм2, а максимальная величина удельного модуля Юнга – на порядок выше, чем для стали.

Следовательно, возможности улучшения удельных свойств больше, чем абсолютных. Но, вероятно, к этому и следует стремиться.

Можно было бы, наверное, как-то приблизиться к теоретической прочности, то есть примерно к E/10 если бы такая цель имела реальный смысл. Но все дело в том что если бы эта громадная прочность и была получена в большинстве случаев соответствующая ей упругая деформация, которая достигала бы 10%, оказалась бы недопустимой. Более того, такой материал неизбежно был бы хрупким, даже, пожалуй, слишком хрупким.

Более приемлемой следует считать деформацию около 1-2% (такой материал имел бы некоторый запас для торможения трещин – см. главу 4). Это дало бы удельную прочность, на один-два порядка превосходящую удельную прочность стали. Таким образом, мы вправе ожидать максимальную величину удельной жесткости порядка 12-14 жесткостей древесины, стали и других металлов, а для удельной прочности ориентироваться в пределе на 10-100 удельных прочностей стали.

Вероятно, как-то приблизиться к этим свойствам вначале можно будет с помощью материала, армированного параллельными волокнами. Если же прочность и жесткость нужны более чем в одном направлении, тогда придется распределить волокна по разным направлениям и удовлетвориться более низкими свойствами. Но рано или поздно, я думаю, мы получим изотропные материалы, свойства которых во всех трех направлениях будут одинаково хороши.

Это, кажется, и будет пределом, которого мы сможем добиться с пассивными материалами. Продвижение по этому пути – вот занятие, которое занимает в наши дни целую армию материаловедов. Но картина изменится, если мы займемся активными материалами (то есть такими, которые каким-то образом подпитываются энергией) Несколько лет назад к этой идее независимо пришли профессор Бернал и я. В самом деле, снабжая материал энергией, можно придать ему бесконечную эффективную жесткость (как это бывает у животных). А сделать это можно, по-видимому, с помощью пьезоэлектричества.

Важным следствием реализации этой идеи было б не столько повышение прочности, сколько использование бесконечной жесткости. Можно было бы делать очень жесткие конструкции, работающие на сжатие, – телеграфные столбы могли бы быть тонкими, как проволока; крылья самолетов стали бы тоже очень тонкими, почти любая техническая операция выполнялась бы легче и дешевле. Насколько мне известно, в этом направлении никто сейчас не работает. Но если бы даже и начались такие исследования, потребовалось бы весьма много времени, прежде чем удалось получить что-нибудь реальное; но этот путь отвергать, по-видимому, не следует.

Другая очень привлекательная идея связана с самоподстраивающимися конструкциями. По сути своей она также биологическая. Основной принцип здесь заключается в том, что конструкция сама утолщается в местах большего напряжения, и опять-таки сама уменьшается в слабо нагруженных частях. Почти все небиологические конструкции спроектированы неоптимальным способом, они неэффективны и топорны. Можно было бы начать с того, что попробовать оптимизировать какую-нибудь грубо спроектированную оболочку или раму, нагружая ее, например, в гальванической ванне. Но, как и предыдущая идея, сегодня это всего лишь мечта. Я хотел лишь сказать, как велики потенциальные возможности сокращения времени проектирования и изготовления.

(обратно)

Ближайшее будущее

В 80-х годах прошлого века идея использования электричества в широких масштабах висела еще в воздухе и привлекала внимание лишь ученых и некоторого числа предпринимателей; история биржи оживляется серией паник газовых компаний, которые возникали после каждого объявления о новом усовершенствовании динамомашины или электрической лампочки. Но оказалось, что акции газовых компаний оставались в безопасности в течение жизни почти целого поколения: трудности разработки и внедрения совершенно новой области техники были очень велики, несмотря на то что научные принципы были уже довольно хорошо поняты, да и экспериментальная проверка проходила довольно удачно. Конечно, маловероятно, что разработка и восприятие новых необычных материалов будет идти столь же медленно, как и внедрение электротехники, но все-таки, видимо, это будет тянуться долго, и на пути встретятся как взлеты, так и падения. Несомненно, что ставить вопрос о радикальной замене традиционных материалов (сталь, древесина) еще очень и очень рано.

Однако мне кажется, что новые армированные материалы, о которых мы говорили в этой главе, доведены уже до такого уровня, когда их технические достоинства оправдывают попытки использования этих материалов на практике. Такие попытки предпринимаются, и вполне возможно, что в специальных конструкциях (компрессорные лопатки газовых турбин и другие авиационные детали) современные армированные материалы будут работать уже ко времени выхода этой книги[51]. Сегодня эти материалы дороги, на них к тому же скептически смотрят инженеры-практики. Однако, если они выдержат испытания и покажут свои преимущества на практике, на их стороне будет то, в чем они нуждаются,– интерес и одобрение конструкторов. После этого пойдет постепенный процесс удешевления, расширится область применения, хотя они будут оставаться достаточно специальными в течение длительного времени.

Широкое применение дает реальные выгоды, но, вероятно, главным результатом будет переворот в области инженерного мышления. Идея о материале, который с самого начала разрабатывается с определенным назначением и строится, исходя из первых принципов, а не путем модификаций традиционных веществ,– эта идея нова и всеобщего признания еще не заслужила. Но стоит ей добиться всеобщего признания, и трудно сказать, что за этим последует. Ведь вплоть до настоящего времени технические идеи основывались (сознательно или подсознательно) на характеристиках и недостатках небольшого списка веществ; но стоит воображению инженеров проститься с мыслью о том, что все эти ограничения обязательны, а взамен этого понять, сколь созидающим может быть союз конструктора и материаловеда, – границы техники необычайно раздвинутся.

Необходимые исследования и опытные разработки могут стоит очень дорого, но это по силам бюджету развитого государства. Ведь некоторые другие области техники сейчас обходятся гораздо дороже. Если эти расходы приведут к созданию новой отрасли техники, в которой мы так нуждаемся, – игра стоит свеч.

(обратно) (обратно) (обратно)

Приложение I

О различных типах твердого тела, или кое-что о патоке

Атомы и молекулы

Грубо говоря, существует сотня различных сортов атомов, не считая изотопов (то есть атомов с одинаковыми химическими свойствами, но несколько различными ядрами). Около десятка атомов – вещи эфемерные, их получают ученые-ядерщики путем превращений других атомов. Остальные, вероятно, всегда существовали в природе в более или менее неизменном виде. Из них около двадцати-тридцати достаточно распространены, чтобы интересовать нас в рамках этой книги. Каждый вид атомов зовется элементом. Все атомы одного элемента в основном идентичны, но атомы разных элементов сильно различаются по своим свойствам. Это основная причина того, почему материя представляется нам в таком бесконечном разнообразии.

Атомы элемента могут существовать в чистом однородном “элементарном” состоянии, например железо (Fe), углерод (С) и т.д. Они могут также существовать в виде смеси или раствора, свойства которых представляют собой, как правило, комбинацию свойств компонентов. Наконец, элементы могут образовать определенное химическое соединение, которое оказывается уже совершенно новым веществом со своими собственными характерными свойствами. Например, хлор (Сl) в нормальном состоянии представляет собой зеленый ядовитый газ, натрий (Na) – мягкий блестящий металл. Равное число атомов этих двух элементов образуют хлористый натрий (NaCl), белый безвредный порошок, обычную поваренную соль.

Два-три десятка распространенных элементов могут комбинироваться и комбинируются с образованием громадного количества веществ, твердых, жидких и газообразных,– этим и занимается химия. Комбинация всего лишь четырех элементов – углерода, водорода, кислорода и азота – может дать необозримое множество почти всех веществ, которые мы находим в живой материи. Они же составляют основу большого числа синтетических материалов (например, пластмасс), а также бензина, масел, медикаментов, красок и т. д. Соединения этого типа называются органическими. К неорганическим соединениям относятся минералы, керамика и т.п.

Основными строительными единицами твердых тел служат атом и молекула. Например, кристалл хлористого натрия (NaCl) построен из атомов натрия и хлора. Молекула бензола C6H6 содержит шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Кроме того, многие элементы существуют в форме молекул, например I2 (иод). Молекулы могут быть очень разных размеров – от весьма малых, содержащих пару атомов, до сложнейших структур, состоящих из сотен, а иногда и тысяч атомов.

Самые большие органические молекулы могут достигать нескольких сотен ангстрем в длину. Неорганические молекулы обычно (хотя и не всегда) меньше, их типичный размер – что-нибудь около десятка ангстрем. Существуют, однако, длинные неорганические цепи молекул (например, асбеста), которые по длине не уступают органическим.

(обратно)

Химические связи

Атомы и молекулы, образующие вещества, удерживаются вместе химическими связями. Существуют несколько типов связей, сильно отличающихся по своим свойствам.

Ковалентная связь. Эта связь возникает, когда электрон, двигаясь по эллиптической орбите, охватывает сразу два атома. Связь такая возникает труднее других, но, раз возникнув, она часто бывает очень прочной и жесткой. Такого типа связи существуют между атомами органических молекул, атомами углерода в графите и алмазе и в ряде других случаев.

Ионная связь. Индивидуальные атомы элементов в целом электрически нейтральны, поскольку заряды образующих их частиц сбалансированы. Но когда натрий реагирует с хлором, металл отдает внешний электрон газу – натрий оказывается заряженным положительно, а хлор отрицательно. В результате два атома взаимно притягиваются. Ионная связь в твердых телах особенно характерна для соединений, содержащих металлы. Довольно часто встречаются соединения, в которых связи имеют и ионный, и ковалентный характер. В то время как ковалентная связь строго направленная, ионная связь действует более равномерно в пространстве, окружающем заряженный атом.

Металлическая связь. Эта связь, как правило, держит вместе атомы металлов, когда они не образуют определенных химических соединений. В этом случае некоторая часть внешних электронов не удерживается непрерывно на орбитах вокруг фиксированных атомов, а свободно странствует по материалу, будучи коллективной собственностью всех атомов данного куска металла. Они образуют так называемый электронный газ. Металлическая связь довольно легко возникает, разрушается и восстанавливается. Так как электроны свободно движутся в металлах, последние являются хорошими проводниками электричества.

Водородные связи. Молекула воды H2О в целом электрически нейтральна, но распределение электрического заряда в ее объеме неоднородно. Местные нарушения баланса зарядов могут обеспечивать большие силы притяжения. Многие соединения, особенно органические, имеют вдоль молекул многочисленные группы -ОН, каждая из которых способна притягивать другие группы -ОН, молекулы воды и т. д. Так осуществляется связь между молекулами растений и животных.

Силы Ван-дер-Ваальса. Они намного слабее других сил и возникают вследствие малых местных колебаний заряда, которые имеют тенденцию возникать по всей поверхности молекулы и не связаны с какими-то определенными химическими группами. Сцепление, основанное на вандерваальсовых силах, встречается в природе не очень часто, но оно довольно обычно для пластмасс и других искусственных органических молекул. Силы Ван-дер-Ваальса обеспечивают возможность слабенькой “склейки” почти любой пары веществ при условии, что поверхности достаточно чистые и находятся в хорошем контакте.

(обратно)

Теплота и плавление

Температура может подниматься вверх сколько угодно, но она не может падать ниже абсолютного нуля, положение которого впервые вычислил Кельвин и который соответствует -273° Цельсия. При абсолютном нуле все атомы и молекулы любого вещества находятся в покое и все вещества находятся в твердом состоянии[53].

Как только температура начинает расти, все атомы у молекулы начинают вибрировать. Чем выше температура, тем интенсивнее их движения – теплота определяется просто беспорядочными колебаниями атомов и молекул в теле. Вода, например, остается твердым телом, льдом, вплоть до температуры 0° С, хотя его внутренние связи все больше и больше атакуются термическими возбуждениями с ростом температуры. Наконец, при 0°С борьба заканчивается не в пользу сил сцепления и молекулы получают свободу перемены мест, которая характерна для жидкости – лед плавится, образуя воду. Если температура продолжает расти, перемещения молекул становятся все более энергичными; так продолжается до 100° С, когда вода закипает, образуя газ, или пар, в котором молекулы, освобожденные от какого бы то ни было взаимного сцепления, носятся совершенно произвольно, словно рой пчел. Когда температура понижается, те же самые события происходят в обратном порядке, пар конденсируется и рано или поздно замерзает. Эти изменения состояния обычно рассматриваются как физические события, поскольку единственной связью, которая при этом разрушается и восстанавливается, является водородная связь между молекулами воды, которые сами по себе остаются неизменными.

Хотя температуры плавления и кипения различных веществ изменяются в очень широком диапазоне, основные принципы во многом остаются неизменными для всех веществ. Некоторые вещества (иод, хлористый аммоний NH4Cl и др.) переходят сразу из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Многие сложные твердые соединения химически разлагаются при нагреве еще до того, когда наступят условия для их плавления или испарения.

(обратно)

Кристаллизация

Как мы уже говорили, все молекулы с большей или меньшей силой притягиваются одна к другой, и, если тепловые толчки не помешают им в этом стремлении, они объединяются в некоторое тело, которое мы воспринимаем как твердое. Поскольку молекулы притягивают одна другую, они, естественно, пытаются сблизиться как можно теснее, а этого можно достичь, не наваливаясь способом “куча мала”, а путем некоторой правильной упаковки. Куча наваленного кирпича занимает больший объем, чем те же кирпичи, сложенные в штабель. Но, поскольку молекулы имеют более или менее свободный выбор места для себя, они стремятся при затвердевании расположиться упорядочение, подобно кирпичам в стене. Такая возможность существует, если жидкость остается совершенно текучей вплоть до момента “замерзания”, как это имеет место в случае воды и металлов. В этих условиях молекула в поисках подходящей позиции будет долго шнырять вокруг, пока не окажется в месте, которое отвечает условию плотной упаковки. В нем она и оседает.

Такой ход событий приводит к образованию кристаллов, которые представляют собой в высшей степени упорядоченную систему атомов или молекул. Поразительна регулярность расположения большого числа атомов в хорошем кристалле.

Все твердые тела имеют тенденцию быть кристаллическими, но не все достигают такого состояния. Так, металлы и многие простые неорганические вещества имеют кристаллическую структуру. Некоторые вещества могут быть кристаллическими в той или иной степени. Хорошие кристаллы часто бывают довольно большими, до нескольких сантиметров в поперечнике. Они имеют характерные, часто простые геометрические формы.

(обратно)

Стекла

Если жидкость перед затвердеванием очень вязкая (то есть густая) или же она очень быстро охлаждается, молекулы не имеют возможности стать в положения плотной упаковки, и материал затвердевает в форме беспорядочного нагромождения молекул. Такой материал называется аморфным или стеклообразным. Высокая вязкость жидкости при приближении ее к точке замерзания связана, как правило, с тем, что молекулы объединяются в малоподвижные цепи или сетки. Именно такой процесс идет при затвердевании некоторых окислов, например двуокиси кремния SiO2, иначе говоря -песка, который плавится, превращаясь в вязкую жидкость, а при последующем охлаждении легко образует стекло. Точка плавления чистой двуокиси кремния очень высока (1600°С) поэтому для большинства стекол используют смесь песка, извести и соды, которая может плавиться в обычных печах.

Купленный в магазине сахар обычно кристаллический. Однако, если сахар расплавить и затем довольно быстро охладить, получится стеклообразная конфета. Патока очень вязкая, густая жидкость, при затвердевании она может перейти в стеклообразное состояние.

(обратно)

Полимеры

Металлы, а также вещества, подобные сахару и соли, имеют кристаллическое строение. К числу кристаллических тел относится также большая часть горных пород, имевших предостаточно времени на охлаждение. Стекло, обсидиан и ириска – аморфны. Некоторые материалы являют собой смесь этих двух структур. Например, керамическая посуда состоит из небольших кристалликов металлических окислов и силикатов, которые в процессе обжига склеиваются воедино тонкими прослойками аморфного стеклообразного материала. Глазурь на такой посуде получают наплавлением слоя легкоплавкого стекла.

Вещества живой природы, ткани растений и животных, а также все пластмассы существуют в форме полимеров. Полимеры – удобный строительный материал как для живой природы, так и для химиков-технологов. Основной принцип состоит здесь в том, что малые единичные молекулы пристраиваются одна к другой, так что образуются длинные цепочки или развитые сетки.

(обратно)

Эластомеры

Сюда относятся вещества, подобные натуральной и синтетической резине. Они до некоторой степени напоминают полимеры, так как их молекулы образуют длинные цепи. Но эти цепи не очень плотно прилегают одна к другой с боков. Поэтому цепи могут складываться и свиваться. Огромные механические удлинения резины определяются распутыванием этих цепочек.

(обратно) (обратно) (обратно)

Приложение II. Простые формулы теории балок, или как сделать расчет на прочность

(обратно)

1

"Грейт Истерн" – судно, построенное знаменитым английским инженером Брюнелем в середине XIX века. Во времена Фарадея оно было непревзойденным по своим размерам (водоизмещение 27000 т). – Прим. перев.

(обратно)

2

Эпиграф взят из работы М. Фарадея "On the various forces of Nature", которая была издана на русском языке под названием "Силы материи и их взаимоотношения" (М., Государственное антирелигиозное издательство, 1940). Настоящий перевод отличается от изданного. – Прим. перев.

(обратно)

3

См., например, книгу A. Kelly, Strong Solids, Oxford, 1966, а также гл. 10 настоящей книги.

(обратно)

4

Искусство наводить скуку состоит в стремлении рассказать обо всем (франц.).

(обратно)

5

Для воспитанного на идиомах английского читателя мел и сыр представляют собой образцовый пример совершенно различных веществ: в английском языке существует выражение as different as chalk is from cheese. – Прим. перев.

(обратно)

6

Железнодорожный мост через реку Тэй в ее устье (длиною почти 3 км) был построен Т. Баушем в 1879 г. Его считали одним из величайших технических достижений своего времени. Однако через несколько месяцев после открытия, зимней ночью мост не выдержал тяжести пассажирского поезда. Все пассажиры утонули. Расследование установило серьезные дефекты использованных материалов, ошибки в проекте и небрежности при постройке. Драматические обстоятельства катастрофы и число погибших сделали это событие печально знаменитым в английской истории. – Прим. автора к русск. изд.

(обратно)