Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи

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.

Даже допустив такую возможность, следует признать, что техническое развитие первобытного человека прошло столь же гигантский путь, как и его история. Тонкие и прекрасные изделия позднего неолита не идут в сравнение с палками и камнями первых людей, которые были не многим лучше орудий, используемых другими высшими животными. Уцелевшие предметы культуры каменного века, которые мы видим в музеях, не могут не вызывать восхищения. Чтобы изготовить прочные конструкции, не опираясь на достоинства металлов, требовалось интуитивное чувство распределения напряжений. Таким чувством отнюдь не всегда обладают современные инженеры, поскольку использование металлов, удобных своей пластичностью и однородностью, в известной степени изгнало интуицию, а также творческое мышление из инженерного дела. Изобретение стеклопластиков и других композитных материалов возвращает нас порой к волокнистым неметаллическим конструкциям, подобным тем, которые создавали полинезийцы и эскимосы. В результате этого мы, с одной стороны, стали сознавать, что недостаточно хорошо представляем себе распределение напряжений в конструкциях, а с другой стороны, прониклись большим почтением к первобытной технике.

В действительности, когда цивилизация подошла к применению металлов (что случилось, возможно, между вторым и первым тысячелетиями до нашей эры), это не произвело скачкообразных изменений в большинстве применяемых конструкций: металлы использовались редко из-за высокой стоимости и трудности обработки. Использование металлов произвело революцию в изготовлении режущего инструмента, оружия и отчасти средств защиты в бою, однако большинство силовых конструкций продолжали делать из камня, дерева, кожи, веревок и тканей.

Применение разнородных материалов, которые нуждались в различных приемах обработки, требовало от мастеров, делавших мельницы и корабли, кареты и парусную оснастку, великой искусности, хотя, конечно, об очень многих вещах, имевших отношение к их ремеслу, они и не подозревали, совершая ошибки, вполне естественные для людей, не имеющих представления о каких-либо расчетах. Появление пара и машинной индустрии в целом привело к упадку мастерства и свело все многообразие материалов, характерных для "передовой" технологии того времени, к ограниченному числу стандартных твердых веществ, таких, как сталь и бетон.

В первых двигателях давление было немногим выше давления крови в наших сосудах. Но такие материалы, как кожа, не могут выдерживать горячий пар, поэтому нечего было и помышлять о паровом двигателе из мягких камер, мембран и гибких труб. Чтобы система воспроизводила движения, которые с легкостью и, вероятно, с гораздо меньшими усилиями выполняют животные (сравните поршни с кузнечными мехами!), инженер был вынужден применить металлы и механические сочленения. Здесь необходимы были колеса, пружины, соединительные стержни и скользящие в цилиндрах поршни. Хотя все эти довольно неуклюжие средства поначалу были навязаны инженеру используемым материалом, со временем он стал смотреть на них как на единственно правильный и заслуживающий уважения путь. Утвердившись в своей привычке к металлическим балкам и зубчатым колесам, инженер отстранился от многого другого. Более того, такое отношение к материалам захватило и широкую публику. Недавно во время коктейля миловидная супруга одного американского ученого сказала мне: "Вы серьезно говорите, что в порядке вещей строить самолеты из дерева? Из бревен? Я вам не верю, вы надо мной смеетесь".

В какой мере такая точка зрения объективно оправдана и в какой степени она основана на предрассудках и необоснованных пристрастиях - вот один из вопросов, которые мы обсудим в этой книге. Нам нужно достичь сбалансированного взгляда на предмет. Традиционное развитие инженерных конструкций, сделанных из кирпича, камня, бетона, а также из стали и алюминия, было весьма успешным; и, конечно же, мы должны относиться серьезно и к самим этим конструкциям, и к тому, чему они должны научить нас в более широком плане. Однако не стоит забывать, что, например, надувные шины изменили лицо наземного транспорта, явившись, быть может, более важным изобретением, чем двигатель внутреннего сгорания. И тем не менее мы нечасто рассказываем студентам о шинах, а в обучении будущих инженеров всегда присутствует тенденция прятать подальше все, что имеет отношение к гибким конструкциям. Посмотрев же на все это другими глазами, нельзя не попытаться частично переориентировать традиционную технику на модели, в какой-то мере навеянные живой природой.

Как бы ни смотреть на проблему в целом, нам никуда не уйти от того факта, что каждая область техники в большей или меньшей степени связана с вопросами прочности и жесткости, и мы должны считать каждый раз, что нам повезло, когда наши ошибки в этих вопросах стоили лишь денег и волнений, а не жизни. Специалистам-электротехникам не грех напомнить, что отказы в работе электрических и электронных устройств очень часто бывают вызваны механическими повреждениями.

Конструкции могут рушиться и рушатся в действительности, и это порой имеет важные, а иногда и драматичные последствия. Однако не меньшее значение имеют жесткость конструкции и перемещения ее элементов еще до разрушения в технике. Плохо, если шатается дом, пол или стол, но никуда не годится оптическое устройство, скажем, микроскоп или фотокамера, если его прекрасные по качеству, линзы неточно и нежестко фиксированы. К сожалению, дефекты такого рода встречаются сплошь и рядом.

Конструкции и эстетика

В сегодняшнем мире, нравится нам это или нет, мы привязаны к той или иной форме современной техники и обязаны стремиться к тому, чтобы эта техника работала надежно и эффективно, а это немыслимо без грамотного расчета конструкций. Но человек жив не одной только надежностью и эффективностью, и надо взглянуть правде в глаза: слишком часто окружающие нас предметы не могут не наводить тоску. Дело, пожалуй, не столько в том, что встречаются вещи, которые можно назвать уродливыми, сколько в преобладании серости и однообразия. Слишком редко современные изделия веселят душу, так что при взгляде на них чувствуешь себя лучше и счастливей.

На этом фоне даже самые скромные и простые предметы XVIII в. в большинстве своем кажутся нам если не прекрасными, то привлекательными. И в этом отношении жизнь людей XVIII в. представляется нам счастливее современной. Ведь недаром так ценятся сегодня старинные дома и вещи. Более творческое и уверенное в себе общество не чувствовало бы такой ностальгии по жилью и домашней утвари своих прадедов.

Хотя такая книга, как эта, - не совсем подходящее место для обсуждения сложных и, возможно, противоречивых теорий прикладного искусства, мы не можем полностью обойти этот вопрос. Как мы уже говорили, почти каждый предмет является того или иного рода конструкцией, и хотя большинство из этих конструкций и не предназначалось специально для оказания эмоционального или эстетического воздействия, очень важно осознать, что все, в чем выражает себя человек, не может быть эмоционально нейтральным. Это справедливо независимо от того, является ли средством выражения устное или письменное слово, живопись или техническое изделие. Сознаем мы это или нет, но каждый отдельный предмет, изготовление которого мы продумываем и осуществляем, оказывает на нас некоторое субъективное воздействие, положительное или отрицательное, не только очевидной рациональностью своего назначения.

Здесь, как мне кажется, мы подошли к еще одному аспекту инженерии. У большинства инженеров отсутствует какая-либо эстетическая подготовка, а в учебных заведениях зачастую имеется тенденция презирать подобные вещи как пустые и незначительные. Во всяком случае в перенасыщенных учебных программах им уделяется крайне мало времени. Наряду с этим совершенно ясно, что современные зодчие не желают отрывать время от своих крайне важных для общества дел для того, чтобы задумываться о столь незначительных моментах, как прочность возводимых ими зданий. Не желают они также тратить много времени и на эстетику, которой их клиенты, возможно, не очень интересуются. А будущих проектировщиков мебели, как ни странно, не учат тому, как вычислить, насколько прогнется под грузом книг обычная книжная полка. Так что неудивительно, что большинство из них, по-видимому, даже не сознают, что объекты их творчества относятся к конструкциям.