Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи

И рассеял их Господь оттуда по всей земле; и они перестали строить город.

Посему дано ему имя: Вавилон; ибо там смешал Господь язык всей земли и оттуда рассеял их Господь по всей земле.

Конструкцию можно определить как материальное образование любого рода, предназначенное для того, чтобы выдерживать нагрузки. Изучение конструкций - одна из традиционных областей науки. Поскольку при разрушении инженерных конструкций возможны человеческие жертвы, поведение конструкций исследуется с предельной тщательностью. Однако, когда инженеры пытаются поведать широкой публике о своем предмете, дело зачастую оканчивается полным провалом. Беда заключается в том, что они пользуются при этом каким-то странным языком, который рождает убеждение, будто изучение конструкций и всего того, что определяет их сопротивление нагрузкам,- это непостижимый, несуразный и скорее всего скучный предмет.

Но ведь конструкции проходят через всю нашу жизнь, н мы не можем позволить себе ничего о них не знать. Кроме того, любое растение и животное и почти любой продукт человеческого труда должны выдерживать большие или меньшие механические нагрузки, не разрушаясь, так что практически все предметы вокруг нас представляют собой того или иного рода конструкции. Говоря о конструкциях, мы задумываемся не только о том, почему порой рушатся здания и мосты и разваливаются машины и самолеты, но и о том, отчего черви имеют именно присущую им форму тела и почему летучие мыши, не повреждая крыльев, летают в кустах роз? Как работают наши сухожилия? Отчего возникают "прострелы" и боли в пояснице? Как птеродактили могли иметь столь малый вес? Почему у птиц оперенье? Как работают наши артерии? Что можно сделать для детей с врожденными дефектами опорно-двигательного аппарата? Случайно ли парусные суда имеют именно известную нам оснастку? Почему лук Одиссея должен был быть столь тугим? Отчего древние по ночам снимали колеса со своих колесниц? Как действовала греческая катапульта? Почему тростник колеблется под дуновением ветра и почему столь прекрасен Парфенон? Могут ли инженеры что-либо перенять у природных конструкций? Чему медики, биологи, художники и археологи могут научиться у инженеров?

Как оказалось, понимание истинных причин того, почему вообще могут работать конструкции и почему ломаются вещи, дается со значительно большим трудом и требует значительно большего времени, чем можно было бы ожидать. Только совсем недавно удалось в такой мере заполнить пробелы в наших знаниях, чтобы на некоторые из поставленных выше вопросов дать сколько-нибудь полезные и разумные ответы. Чем больше частных загадок удается решить, тем яснее, естественно, становится и общая картина, а потому и весь предмет в целом не остается уделом лишь узкой группы специалистов.

Настоящая книга отражает современную точку зрения на конструктивные элементы в природе, технике и повседневной жизни. Конструкции должны быть прочными, выдерживающими определенные нагрузки, и мы рассмотрим, как эти требования повлияли не только на совершенствование всякого рода рукотворных сооружений, но и на развитие живых существ, в том числе и человека.

Живые конструкции

Биологические конструкции возникли несравненно раньше искусственных. Пока на Земле не существовало жизни, не существовало и конструкции, которая служила бы определенным целям, - были лишь горы, скалы и песок. Но даже самые простые, примитивные формы жизни сбалансированы весьма тонко; такое равновесие, а также протекающие при этом самоподдерживающиеся химические реакции нуждаются в том, чтобы отгородиться и защититься от "нежизни". Изобретая жизнь, природа оказалась перед необходимостью создать для нее какое-то вместилище: этого требовал индивидуальный характер живого организма. Соответствующие пленки или мембраны должны были обладать хотя бы минимальной механической прочностью как для того, чтобы удерживать живую материю, так и для того, чтобы противостоять внешним воздействиям.

Если говорить о возможных наиболее ранних формах жизни в виде крошечных капелек на поверхности воды, то для указанных целей, вероятно, было достаточно очень простого и слабого барьера, каким явилось поверхностное натяжение, возникающее на поверхностях раздела между различными средами. Постепенно, по мере роста числа живых существ, обострялась конкуренция, шансы выжить для слабых, неповоротливых и малоподвижных существ падали. Оболочки становились прочнее, совершенствовались способы передвижения. Появились большие многоклеточные организмы, которые уже могли кусаться и быстро плавать. Охотиться и быть преследуемым, есть и быть съеденным - вот что определяло выживание. Аристотель назвал это аллелофагией - взаимным поеданием, а Дарвин - естественным отбором. В процессе эволюции появлялись более прочные биологические материалы и более хитрые живые конструкции.

Примитивные существа наиболее раннего периода были большей частью из мягких материалов не только потому, что это позволяло им легче извиваться и менять форму, но и потому, что мягкие ткани обычно оказываются вязкими (это мы увидим впоследствии), тогда как твердые, подобные костям, зачастую весьма хрупки. К тому же жесткие материалы менее приспособлены к нуждам роста и воспроизводства. Известно, что деторождение сопряжено с большими деформациями и перемещениями. К тому же развитие зародыша позвоночных (подобно эволюции природных конструкций в целом) есть в определенном смысле развитие от мягкого к твердому, причем этот процесс продолжается и после рождения.

Создается впечатление, что природа использует жесткие материалы довольно неохотно, однако с ростом размеров и выходом животных из воды на сушу эволюция, как правило, награждала их твердыми скелетами, зубами, а иногда рогами и панцирем. Все же в отличие от большинства современных механизмов животные никогда не становились полностью твердыми. Обычно скелет составляет лишь небольшую часть туловища и, как мы увидим ниже, мягкие части туловища очень часто ограничивают приходящиеся на него нагрузки, защищая скелет от неблагоприятных последствий собственной хрупкости.

В то время как у животных большую часть тела составляют, как правило, гибкие, податливые материалы, у растений это не всегда так. Небольшие и наиболее примитивные растения обычно бывают мягкими - ведь им не приходится ни добывать себе пропитание охотой, ни убегать от врага. Зато для растения важно быть высоким, что до некоторой степени уберегает от недругов и позволяет получать больше света и влаги. Так, деревьям особенно хорошо удается не только тянуться вверх, собирая рассеянную световую энергию, но и противостоять порывам ветра, притом, заметьте, наиболее экономным образом. Превосходя другие живые конструкции по срокам жизни и размерам, деревья порой дотягиваются до 110 метров. Чтобы растение могло достигнуть хотя бы десятой доли такой высоты, его несущая конструкция должна быть не только прочной, но и легкой; мы увидим в дальнейшем, что здесь содержится несколько важных уроков инженерам.

Хотя, должно быть, достаточно очевидно, что вопросы прочности, жесткости и вязкости имеют отношение к медицине, зоологии и ботанике, врачи и биологи долгое время со всей присущей им страстью и не без успеха не хотели этого понимать. Надо думать, такое отношение отчасти объясняется разницей в темпераментах и отсутствием общего с инженерами языка, а возможно, здесь сказываются также неприязнь к математизированным инженерным понятиям и страх перед ними. Зачастую биологи просто не могут заставить себя достаточно серьезно изучить те стороны стоящих перед ними проблем, которые относятся к области конструкций. Но нет никаких оснований полагать, что при столь тонких химических механизмах регуляции в природе характер самих конструкций может быть менее тонок.

Технические конструкции

Много есть чудес на свете,Человек - их всех чудесней.Он зимою через мореПравит путь под бурным ветромИ плывет, переправляясьПо ревущим вкруг волнам.Землю, древнюю богиню,Что в веках неутомима,Год за годом мучит онИ с конем своим на полеПлугом борозды ведет.Муж, на выдумки богатый,Из веревок вьет он сетиИ, сплетя, добычу ловит:Рыб морских во влажной бездне,И зверей в лесу дремучем,Ловит он в дубравах темных...

Пер. С. Шервинского и Н. Познякова

Бенджамен Франклин (1706-1790) имел обыкновение определять человека как "животное, производящее орудия". В самом деле, немало животных делают и используют примитивные орудия, а порою строят себе жилища, более совершенные, чем у многих нецивилизованных народов. Наверное, непросто точно указать тот момент в развитии человека, когда применяемая им техника стала заметно превосходить "технику" вымирающих ныне диких зверей. Возможно, это произошло позже, чем мы думаем, особенно если первоначально люди жили на деревьях.