Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи
Приложения
Приложение 1. О справочниках и формулах
За полтораста лет развития теории упругости были исследованы напряжения и перемещения, возникающие в телах почти всех мыслимых форм при действии самых разнообразных нагрузок. Однако результаты этих исследований первоначально публикуются, как правило, в слишком сложной форме, они до предела математизированы, и это затрудняет их применение широким кругом инженеров. Сегодня значительная часть этих данных сведена к набору определенных стандартных задач, решения которых могут быть представлены в виде достаточно простых формул. Формулы эти, охватывающие почти все возможные случаи проектирования, можно найти в соответствующих справочниках[134]. Ими может пользоваться всякий, кто располагает здравым смыслом и знаком с элементарной алгеброй, а также с содержанием гл. 2. Некоторые из этих формул приведены в приложениях 2 и 3.
Если этими формулами пользоваться осмотрительно, они могут оказаться чрезвычайно полезными и послужить незаменимым инструментом для большинства инженеров. Прибегая к ним, не следует смущаться; все мы практически ими пользуемся. Но их следует применять осмотрительно!
1) Убедитесь, что вы действительно понимаете смысл данной формулы.
2) Убедитесь, что она действительно применима к вашему конкретному случаю.
3) Помните, помните и еще раз помните, что эти формулы не принимают в расчет концентрации напряжений или другие особые локальные условия.
Теперь подставьте в формулы соответствующие нагрузки и размеры, предварительно убедившись, что они выражены в одной системе единиц и не напутаны порядки чисел. Затем проделайте элементарные вычисления, и вы получите нужное вам напряжение или перемещение. Затем посмотрите на полученный результат строгим и недоверчивым взглядом и подумайте, выглядит ли он правильным, кажется ли он вам правильным. В любом случае лучше повторить вычисления еще раз - вдруг вы потеряли где-нибудь двойку.
Естественно, что ни математика, ни формулы из справочника не "спроектируют" за нас конструкцию. Проектировать должны мы сами на основе собственного опыта, здравого смысла и интуиции; по окончании проектирования с помощью расчетов проверьте конструкцию и, хотя бы приблизительно, определите, каких напряжений и перемещений можно в ней ожидать.
На практике процесс конструирования часто протекает примерно так. Сначала определяют наибольшие нагрузки, действию которых может подвергнуться конструкция, и перемещения, которые можно считать допустимыми. И то и другое иногда устанавливается существующими нормами и правилами, если же это не так, то определить их иногда бывает непросто. Такое положение требует от конструктора принятия решения, и в случае сомнений лучше несколько перестраховаться. Иногда, правда, при этом можно зайти слишком далеко, и увеличение веса конструкции лишь увеличит опасность. Такого рода примеры мы уже приводили.
После того как основные нагрузки определены, можно приступить к первым достаточно грубым наброскам будущей конструкции - на этой стадии конструктор делает эскиз чаще всего на миллиметровке. Затем с помощью соответствующих формул следует прикинуть, какими примерно будут напряжения и перемещения. С первой попытки они могут оказаться слишком малы или слишком велики, поэтому вносятся соответствующие изменения в проект, и так продолжается до тех пор, пока все не будет в порядке. После этого делается уже комплект чертежей по всем правилам. Они служат руководством при изготовлении конструкции в металле. Оформленные в соответствии со стандартом чертежи совершенно необходимы, когда детали должны изготовляться обычным заводским способом, но для достаточно простых или любительских разработок без них вполне можно обойтись. Однако на основании собственного опыта я могу сказать, что в случае серьезных разработок "чертеж", сделанный на обратной стороне конверта, недопустим.
Если вы дошли уже до рабочих чертежей и предлагаемая вами конструкция действительно важна, то вы обязаны забыть о покое и постоянно думать и беспокоиться о ней. Когда я занимался внедрением пластмассовых деталей в конструкцию самолета, я не мог заснуть ночами, думая об этих деталях. Тот факт, что ни одна из этих деталей ни разу не подвела, я отношу почти целиком на счет благотворного действия этого беспокойства. Именно самонадеянность приводит к авариям, а тревога за конструкцию предотвращает их. Так что проверяйте все не раз и не два, а снова, снова и снова.
Приложения 2-4
Приложение 2. Теория изгиба балок
Приложение 3. Кручение
Приложение 4. Эффективность стержней (колонн) и пластин при сжатии
Рекомендации для дальнейших занятий
В конце концов, наилучший способ изучения конструкций - это наблюдения и практический опыт, который приобретается при создании и разрушении конструкций. Конечно, возможности любителя довольно ограничены, ему вряд ли удастся построить настоящий самолет или мост, но не надо стыдиться играть с механическим конструктором или даже старомодными кубиками. Эти игры гораздо поучительнее современных пластмассовых безделушек, которые можно соединять друг с другом самыми хитроумными способами. Когда вы построите свой мост, нагрузите его и пронаблюдаете, как он будет разрушаться, даже сухие книги, посвященные прочности конструкций, покажутся вам интереснее.
В строительстве мостов для любителя, конечно, не открывается особенно широкого поля деятельности, а вот в такой новой области, как биомеханика, где еще очень многое не известно ни инженерам, ни биологам, инициативный любитель, вероятно, может многого добиться.
Хотя хороших книг по биомеханике, совсем немного, по теории упругости, сопротивлению материалов и материаловедению их сколько угодно. Небольшая и довольно произвольная их подборка приведена ниже.
Материалы
Cottrell A. The Mechanical Properties of Matter. - John Wiley (current edition).
Alexander W., Street A. Metals in the Service of Man. - Penguin Books (current edition).
Sarnans C. H. Engineering Metals and their Alloys. - Macmillan, New York, 1953.
Patton W. J. Materials in Industry. - Prentice-Hall, 1968.
Hayden H. W., Moffatt W. G., Wuiff J. The Structure and Properties of Materials, Vol. 3. Mechanical Behavior. - John Wiley, 1965.
Parratt N. J. Fibre-Reinforced Materials Technology. - Van Nostrand, 1972.
Anderson J. C., Leaver K. D. Materials Science. - Nelson, 1969.
Теория упругости
Olsen G. A. Elements of the Mechanics of Materials (2nd ed.). - Prentice-Hall, 1966.
Black P. The Strength of Materials. - Pergamon Press, 1966.
Timoshenko S. P. History of the Strength of Materials. - McGraw-Hill 1953.
Torroja E. Philosophy of Structures. - University of California Press, 1962.
Rosenthal H. W. Structure. - Macmillan, 1972. Pugsiey A. The Satefy of Structures. - Edward Arnold, 1966.
Pippard A. J. S., Baker J. The Analysis of Engineering Structures. - Edward Arnold (current edition).
Johnson R. P. Structural Concrete. - McGraw-Hill, 1967.
Heyman J. Beams and Framed Structures. - Pergamon Press, 1964.
Scott R. F. Principles of Soil Mechanics. - Addison-Wesley, 1965.
Baker J., Home M. R., Heyman J. The Steel Skeleton (2 vols.). - Cambridge University Press, 1960-1965.
Биомеханика
Du’arcy Thompson (abridged edition). On Growth and Form. - Cambridge University Press, 1961.
McNeil A. R. Biomechanics. - Charnpan and Hall, 1975.
Wainwright S. A., Biggs W. D., Currey J. D., Gosline J. M. Mechanical Design of Organisms. - Edward Arnold, 1976.
Искусство стрельбы из лука
Hardy R. Longbow. - Patrick Stephens, 1976.
Строительные материалы
Smith S. Brickwork. - Macrnillan, 1972.
Davey N. A History of Building Materials. - Phoenix House, 1961.
Smith R. C. Materials of Construction. - McGraw-Hill, 1966.
O’Neill H. Stone for Building. - Heinemann, 1965.
Tirmuss F. H. Commercial Trimbers (3rd ed.). - Technical Press, 1965.
Архитектура
Pevsner N. An Outline of European Architecture. - Penguin Books (current edition).
The Appearance of Bridges (Ministry of Transport). - H.M.S.O., 1964.
1
Интересные рассуждения по этому поводу содержатся в книге: Murray G. Five Stages of Greek Religion (O.U.P, 1930). Анимизм заслуживает изучения.
2
Его заставили отрицать, что Земля обращается вокруг Солнца, В 1600 г, за эту "ересь" был сожжен Джордано Бруно.
