Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи
Грубо говоря, это - дарвиновский метод; так природа совершенствовала свои собственные конструкции, правда, она имела на то больше времени и меньше задумывалась о ценности жизни, чем нынешние инженеры. Аналогичный метод с замечательным размахом используют автомобильные фирмы, а также фирмы, выпускающие дешевые изделия массового производства. Они порой умышленно выбрасывают на прилавки менее прочную продукцию, чтобы на основании жалоб покупателей постепенно выявить дефекты своих изделий.
Таким образом, значительная доля проектирования элементов с заданной прочностью сводится к своеобразной игре, в которой последовательно латаются слабые места нагружаемой системы. Чем сложнее конструкция, тем это становится труднее и ненадежнее. Но, к счастью, проектирование большинства изделий, от мебели до самолетов, не становится совершенно невозможным благодаря тому, что требования нужной жесткости часто оказываются значительно важнее требований прочности. И конструкция, имеющая достаточную жесткость, зачастую автоматически оказывается и достаточно прочной. Так как перемещения конструкции зависят скорее от ее общего вида, чем от существования "слабейших" мест, то расчеты на жесткость делать проще и они гораздо надежнее расчетов на прочность. Именно это мы имеем в виду, говоря о проектировании "на глаз".
Сколько она будет служить?
В основу рассмотрения прочности и устойчивости каменных соборов профессор Жак Хейман положил любопытный принцип: "если строение простоит пять минут, то оно простоит пять веков". Для каменных сооружений, построенных на скальном грунте, это, наверное, так и есть. Однако множество зданий строится на мягком грунте, и если почва ползет (см. гл. 6), а это происходит довольно часто, то возникают такие феномены, как падающая Пизанская башня. Подобные смещения можно предвидеть, и происходят они достаточно медленно, но борьба с ними чрезвычайно дорогостояща, и многие здания, как древние, так и современные, либо развалились, либо были разобраны по этой причине.
Для большинства конструкций гниение и коррозия являются очень активными факторами разрушения. Отчасти именно страх перед гниением заставил английских архитекторов и инженеров отвернуться от древесины. Однако "бедные невежественные" жители США, Канады, Скандинавских стран и Швейцарии строят около 1500 тыс. деревянных домов в год, по-видимому ни мало не беспокоясь о гниении, и было бы неплохо посмотреть, как же они с ним справляются. Использование древесины в этих странах растет.
Разные породы деревьев подвержены гниению в весьма различной степени, и регистр "Ллойда"[122] устанавливает определенный срок службы для каждого сорта древесины, используемой в кораблестроении. Однако при современном уровне знаний и технологии можно добиться практически неограниченного срока службы любой древесины.
Большинство металлов ржавеет, причем современная мягкая сталь ржавеет гораздо быстрее, чем викторианское кованое железо или чугун, поэтому борьба с коррозией является в некотором смысле проблемой последнего времени. Ручной труд сейчас очень дорог, поэтому велика стоимость окраски и содержания стальных конструкций. Одна из важных причин широкого распространения железобетона заключается в том, что армирующая бетон сталь не ржавеет.
Такие большие корабли, как современные танкеры, рассчитаны на эксплуатацию в течение примерно 15 лет, и, как правило, их дешевле разрезать на металлолом, чем красить. Срок службы автомобилей по той же причине обычно еще меньше. Правда, для некоторых конструкций можно использовать нержавеющую сталь, но она не всегда спасает от коррозии, к тому же она дорого стоит и значительно труднее обрабатывается. Кроме того, нержавеющую сталь отличают невысокие усталостные свойства.
Именно это послужило одной из причин широкого использования алюминиевых сплавов. Но во многих случаях жесткость алюминия оказывается все же недостаточной, не говоря уже о его высокой стоимости. Существенным недостатком являются также и трудности со сваркой. Некоторые социалистические страны видят за алюминием большое будущее и вкладывают значительные средства в развитие его производства. В 1961 г. лондонская биржа была взволнована контрактами между "Тьюб инвестментс" и "Бритиш алюминиум". Однако рынок алюминия не расширился в той мере, которой ожидали заинтересованные в этих сделках бизнесмены. Кроме того, производство алюминия требует значительно больших энергетических затрат, чем производство стали.
Даже если свойства материала, используемого в конструкции, со временем не ухудшаются, ее надежность все же зависит от различного рода случайностей, которые не всегда можно предвидеть. Многие конструкции разрушаются только при исключительных обстоятельствах (корабль - при чрезвычайно высоких волнах, самолет - при бешеном порыве ветра) и может пройти очень много времени, прежде чем это произойдет. Для некоторых сооружений фатально лишь необычное стечение нескольких обстоятельств. Для моста это может быть совпадение сильного ветра с чрезмерно интенсивным потоком транспорта. Хотя вероятность подобных ситуаций необходимо предвидеть, зачастую проходят годы, прежде чем они реализуются, и действительно, ненадежное сооружение может простоять долгие годы лишь потому, что оно так и не испытало настоящих нагрузок.
Конечно, инженеры, с ответственностью относящиеся к делу, в своих расчетах пытаются предвидеть необычайные ситуации, но очень часто пиковые нагрузки являются результатом того, что страховые компании называют "волей божьей"[123].
Если корабль врежется в большой мост и при этом пострадает и мост, и корабль, как это произошло не так давно в Тасмании, то трудно сказать, что же именно нужно было учесть проектировщикам и моста, и корабля. Эта проблема относится не к конструкторам, а к местному отделению ассоциации судоводителей. Нельзя также сделать самолет, на котором не отразилось бы столкновение с горой. Мы хотим (до определенной степени, конечно) иметь такой автомобиль, чтобы, налетев на кирпичную стену, не нанести ущерба здоровью пассажиров, но не следует думать, что сам автомобиль после этого окажется годным к дальнейшему использованию.
Усталость металла, мистер Хани и пр.
Одной из наиболее коварных причин, при которой конструкция теряет свою прочность, является так называемая "усталость" - постепенно накапливающийся эффект действия циклических нагрузок. Возможные драматические последствия усталости металла впервые обыграл Киплинг в 1895 г. в репортаже о событиях в Бискайском заливе, когда из-за появления усталостной трещины на конце гребного вала отвалился винт "Гроткау". Киплинг вышел из моды, но интерес широкой публики к усталости металлов был возрожден в 1948 г. романом Невила Шьюта "Путь закрыт". Отчасти своим успехом эта книга, как и поставленный по ней фильм, несомненно, обязаны характеру героя - мистера Хани, этого типичнейшего ученого, а отчасти трем катастрофам самолетов "Комета", которые произошли вскоре одна за другой. Как заметил когда-то Вистлер, "Природа крадется за искусством". Обстоятельства аварий с "Кометами" отличались от описанных в романе только значительно большим числом жертв, эти катастрофы нанесли серьезный урон английской авиационной промышленности.
В действительности, первые инженерные знания об усталостных эффектах носят столетнюю давность. Уже вскоре после промышленной революции было замечено, что движущиеся части машин выходят из строя при таких нагрузках, которые были бы совершенно безопасны в случае, если бы они были неподвижными. Чрезвычайно опасными были разрушения осей железнодорожных вагонов, которые неожиданно ломались без видимых причин после некоторого времени эксплуатации. Этот эффект вскоре стал известен как "усталость".
В середине XIX в. служащий немецких железных дорог Вёлер (1819-1914) провел классические исследования этой проблемы. На фотографии герр Вёлер выглядит именно так, как должен был, на наш взгляд, выглядеть типичный немецкий железнодорожный служащий того времени, но это не помешало ему проделать весьма полезную работу.
Как уже отмечалось в гл. 4, даже большие локальные напряжения не приведут к росту трещины, если ее длина не превышает "критической длины Гриффитса", поскольку рост трещины в этих условиях потребовал бы затрат энергии, превышающих работу разрушения материала. Однако в случае циклических нагрузок внутри кристаллической структуры металла происходит постоянная перестройка, в чем-то похожая на перестройку, возникающую в местах концентрации напряжений. Это приводит к уменьшению работы разрушения металла, и трещина, хотя и очень медленно, растет, даже если ее длина значительно меньше "критической".
