Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

Предисловие

Предлагаемая советскому читателю книга профессора Гордона, пожалуй, единственная в своем роде.

Она написана совершенно популярно, для самого широкого круга читателей, но ее прочтет с интересом и специалист, во всяком случае автор предисловия читал ее, как роман, не отрываясь.

Написать популярную книгу о прочности материалов и конструкций очень трудно, эта область науки мало эффектна, в ней нет таких захватывающих идей и впечатляющих открытий, которые поражают воображение каждого. Когда на воздушной трассе появляется новый реактивный самолет, когда на Луну или одну из планет отправляется космический корабль, это понятно и интересно всем, но мало кто представляет себе, что великолепные технические достижения последних лет в значительной мере связаны с преодолением основной трудности - сделать конструкцию достаточно прочной. Это относится не только к новой технике. Человечество было вынуждено решать проблему прочности в течение всей истории своего существования, но делалось это на ощупь, эмпирически. Если библейское предание о вавилонской башне не лишено исторической достоверности, неуспеху древних строителей способствовало совсем не смешение языков, просто слишком высокое сооружение развалилось в процессе постройки под действием собственного веса.

Опыт строительства прочных сооружений накапливался веками, притом дорогой ценой. Шедевры архитектуры прошлых эпох восхищают нас и сейчас как памятники человеческого гения, но история не сохранила памяти о бесчисленных неудачах. В наше время учение о прочности - это большая и разветвленная наука о свойствах материалов и принципах их создания, с одной стороны, и о рациональном использовании материала в конструкции, с другой. Эти две стороны неразрывно связаны между собой, и сейчас мы отчетливо понимаем, что для дальнейшего прогресса в создании прочных материалов и прочных конструкций необходимо объединение ученых разных специальностей: химиков, физиков и механиков. Необходима общая точка зрения, объединяющая взгляды представителей различных областей науки.

Следует отметить, что британская научная школа внесла большой вклад как в теорию прочности материалов и конструкций, так и в практику их создания. Британские физики сумели соединить высокий теоретический уровень с пониманием реальных задач и четкой прикладной направленностью исследований.

Профессор Гордон - крупный ученый, воспитанный в традициях этой школы. Он был одним из пионеров применения пластиков в авиастроении, много и успешно работал над созданием высокопрочных нитевидных кристаллов-усов. Книга в значительной мере отражает личные взгляды и пристрастия автора, о чем он предупреждает в предисловии. Она субъективна в лучшем смысле этого слова, при чтении книги у специалиста возникает желание спорить с профессором Гордоном по многим вопросам, но в предисловии к переводу этого делать нельзя: всякая дискуссия предусматривает продолжение диалога.

В английском издании книги имеется краткая биографическая справка, в ней сообщаются сведения об авторе, которые, казалось бы, не имеют непосредственного отношения к делу. В частности, там говорится, что в свободное время Дж. Гордон занимается управлением яхтой (это традиционно), фотографией, лыжами и греческим языком (совсем нетрадиционно). Последнее увлечение наложило отпечаток и на предлагаемую книгу: профессор Гордон свободно оперирует знаниями мифологии и античной истории, но главное состоит в том, что за страницами книги виден живой и мыслящий человек с широким кругом идей и интересов. Причем обсуждение чисто специальных вопросов чередуется у него с размышлениями общего характера.

Последняя глава книги названа «Материалы будущего». За три года, прошедшие со дня появления английского издания, произошло многое. Нитевидные кристаллы по существу не вышли за стены лабораторий, пока еще не удалось найти способов промышленного производства усов в достаточных количествах и реализация их высокой прочности по-прежнему встречает трудности. Зато непрерывные высокопрочные и высокомодульные волокна, а именно волокна бора и углерода, уже выпускаются промышленностью. Пока они еще очень дороги, стоимость волокон бора и углерода примерно одинакова, но по оценке большинства специалистов при усовершенствовании технологии стоимость массового производства угольных волокон будет существенно снижена.

Уже сейчас из углепластиков изготовляются части самолетов и реактивных двигателей. По прогнозам зарубежной печати за счет применения углепластиков вес транспортного самолета может быть уменьшен за 4-5 лет на 20% и за 10-15 лет на 50%.

В авиации и реактивной технике снижение веса особенно необходимо и покупается любой ценой. Но с расширением производства стоимость новых материалов будет снижаться и они найдут применение не только в воздухе, но также на земле и на воде, в конструкциях автомобилей, судов, в химической аппаратуре, в строительстве.

Энтузиасты утверждают, что мы стоим на пороге новой технической революции того же масштаба, что и промышленная революция начала прошлого столетия, так красочно описанная Гордоном. Скептики предпочитают термин «эволюция» и дают более скромную оценку открывающимся перспективам. Жизнь покажет, сколь глубоки будут технические, а возможно, и социальные последствия появления новых высокопрочных материалов, но ясно одно: новые материалы жизненно необходимы для человечества, поиски этих новых материалов и новых принципов конструирования — увлекательная и благородная задача, которой стоит посвятить жизнь. Хочется надеяться, что эта книга поможет некоторым молодым людям определить свой жизненный путь.

Академик Ю. Работнов

Введение

Кто бы ни взялся писать книгу, посвященную столь обширной области знаний, как наука о прочности материалов, он всегда будет чувствовать, что специалисты найдут в такой книге много ошибок, упрощений и просто невежества. Такая книга непременно явится отражением авторской индивидуальности, и в первую очередь это коснется отбора материала.

Я писал о том, что интересовало меня в то или иное время. Надеюсь, меня за это не осудят. Ведь не мог я писать о легированных сталях, например, или о титане: есть люди, которые сделают это гораздо лучше меня.

Наука о материалах и теория упругости считаются довольно математизированными дисциплинами. Однако я опустил всю математику, за исключением совершенно элементарной алгебры, которая доступна каждому.

Новая наука о прочных материалах, или как задавать трудные вопросы

Какую пищу нашему уму дает созерцание сил сцепления! Как много новых явлений открывается здесь! Именно эти силы обеспечивают прочность всего того, что сооружаем мы на земле, используя железо, камень и другие прочные материалы. И только подумайте, что все наши конструкции - взять хотя бы "Грейт Истерн"[1], размеры которого и мощь, кажется, лежат за пределами человеческого воображения, - существуют постольку, поскольку существуют силы сцепления.[2]

Почему ломаются вещи? Почему вообще материалы обладают прочностью? Почему одни твердые тела прочнее других? Почему сталь вязкая, а стекло - хрупкое? Почему древесина расщепляется? Что означают такие понятия, как прочность, вязкость, хрупкость? Использованы ли все резервы прочности, скрытые в материалах? Можно ли улучшить существующие типы материалов и создать совершенно новые, отличные от них, которые были бы намного прочнее? Если да, то каким образом это сделать и как они будут выглядеть? Если мы в самом деле будем располагать лучшими материалами, то как и где их следует применять?

Фарадея в последние годы его жизни стали занимать некоторые из этих вопросов, но ответить на них он не смог, да, признаться, и мы лишь совсем недавно оказались в состоянии это сделать. Однако уже самой постановкой вопроса Фарадей значительно опередил свое время; впоследствии еще долгое время исследования прочности и сил сцепления не были в чести у ученых. Эта книга рассказывает о том, как мы пришли к пониманию природы прочности материалов, как связаны между собой прочностные свойства металлов, древесины, керамики, стекла, костей, как эти материалы ведут себя в различных конструкциях - станках, кораблях, самолетах, зданиях, мостах.

Новая наука о материалах очень важна, потому что все наши технические достижения всегда были ограничены недостаточной прочностью материалов. И если еще совсем недавно человек принимал материалы как нечто ниспосланное свыше, то сегодня мы можем не только понять характер поведения материалов, но и найти способы улучшения их свойств. Уже видны пути получения несравненно лучших материалов, не похожих на существующие. Они откроют инженерам совершенно новые возможности.