Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард. Страница 29

В настоящее время сварные швы в трубах и сосудах высокого давления выполняютавтоматы, которым, я думаю, не становится скучно, а потому эти швы обычнои надежны. Однако автоматическая сварка часто нерентабельна в случае большихконструкций, таких, как корабли и мосты, и здесь сварные швы нередко заставляютжелать много лучшего. К тому же сварные швы почти не препятствуют распространениютрещин, и это - одна из причин катастроф, которые произошли со многимибольшими стальными конструкциями в недавнее время.

Ползучесть

У микенских и древнегреческих колесниц были очень легкие и гибкие колеса обычнотолько с четырьмя спицами, сделанные из тонкого изогнутого дерева- ивы, вяза или кипариса (рис. 46). Колеса такой конструкции были очень эластичными и, по-видмому, позволяли мчаться в этих повозках по пересеченнымсклонам греческих холмов, где экипажи с более тяжелыми и жесткими колесами былибы бесполезны. В самом деле, обод колеса под действием веса колесницыизгибается подобно луку, но так же как и лук не следует хранить с надетой нанего тетивой, так и колеса древних колесниц не следовало оставлять поднагрузкой. Поэтому по вечерам колесницы либо запрокидывали и прислоняли кстене, как делал это Телемах в четвертой книге "Одиссеи", либо совсем снимали сних колеса. Даже на Олимпе богиня Геба по утрам прилаживала колеса к колесницесероглазой Афины. Когда в более поздние времена колеса стали тяжелее, этапроцедура перестала быть столь необходимой, хотя можно предположить, что колесаэкипажа нынешних лорд-мэров имеют заметный эксцентриситет, так как они подолгунаходятся под нагрузкой без движения [45].

Рис. 46. Колеса гомеровских времен делались из тонких деревянных планок.Продолжительное действие постоянной нагрузки легко изменяет их форму, колеса"ползут".

Изменение формы луков и колес колесниц в результате продолжительногодействия нагрузки является результатом процесса, называемого инженерамиползучестью. Приняв понятие простого гуковского материала, мы полагаем,что, если материал выдерживает некоторое напряжение, он сможет выдержатьего бесконечно долго, кроме того, мы считаем, что, если напряжения в твердомтеле не меняются со временем, деформации также остаются постоянными. Вреальных обстоятельствах оба этих предположения лишь относительно справедливы,поскольку всякое вещество при действии постоянной по величине нагрузкис течением времени будет "ползти", то есть деформироваться.

Однако разные материалы подвержены ползучести совершенно по-разному.Среди материалов, используемых в технике, особенно заметно ползут дерево,бетон и канаты, и этого нельзя не учитывать. Ползучесть тканей - одна изпричин, по которым одежда теряет свою форму и образуются мешки на брюкахв области колен. Причем ползучесть натуральных волокон, например шерстяныхи хлопковых, больше ползучести современных искусственных волокон. Поэтомутериленовые паруса не только сохраняют свою форму, но и не требуют стольтщательной натяжки, как паруса из хлопка или льна.

Металлы, вообще говоря, меньше подвержены ползучести, чем неметаллы,и хотя сталь заметно ползет при больших напряжениях и высоких температурах,эффектом ползучести при небольших нагрузках и обычных температурах частоможно пренебречь.

Вследствие ползучести напряжения в материале некоторым образом перераспределяются,и это часто играет положительную роль, поскольку области более высокихнапряжений подвержены ползучести в большей степени. По этой причине старыеботинки удобнее новых. Точно так же, если за счет ползучести уменьшаетсяконцентрация напряжений в соединении, то его прочность может расти со временем.Но, естественно, если внешняя нагрузка начнет действовать в противоположномнаправлении, роль ползучести поменяется на обратную и соединение окажетсяменее прочным.

Перекосы, вызванные ползучестью в старых деревянных конструкциях, особеннобросаются в глаза. В зданиях зачастую живописно оседают крыши, а старыедеревянные корабли нередко "выгибают спину" - концы судна опускаются, а егосередина поднимается. Это очень заметно, например, на батарейных палубахкорабля "Виктория" [46]. С ползучестью металлов, в частности стали, мы сталкиваемся,когда "садятся" и требуют замены рессоры автомобиля.

Хотя эффект ползучести в различных твердых телах проявляется с разнойсилой, форма его проявления практически для всех материалов одинакова.Если мы будем откладывать зависимость деформации данного материала от логарифмавремени (переход к логарифму удобен для сокращения шкалы времени) при постоянныхнапряжениях, равных s₁, s₂и т.д., мы получим график, приведенный на рис. 47. Из него видно, что существуеткритическое напряжение (на графике это напряжение, близкое к s₃),ниже которого материал, по-видимому, никогда не разрушится, сколь долгони держать его под нагрузкой. При напряжениях больше критического деформациине только растут со временем, но и материал все более и более приближаетсяк состоянию, в котором происходит его разрушение, - результат, которогообычно стараются избежать.

Рис. 47. Типичные кривые ползучести (зависимости деформации от времени)материала, нагруженного постоянным напряжением.

Грунты и горные породы, подобно другим материалам, также подверженыползучести. Поэтому требуется следить за оседанием фундаментов зданий,если только они построены не на скале или очень твердом грунте. Оседаниефундаментов крупных сооружений может быть особенно значительным, поэтомуих воздвигают на бетонной "подушке". Обратите внимание, как осели основанияарок моста Клэр-на-задах - рис. 76.

Глава 7

Мягкие материалы и живые конструкции, или как сконструировать червяка

Когда природа изобрела нечто, именуемое жизнью, она, наверное, не моглане оглядеться озабоченно по сторонам в поисках Полезного Горшка, в которыйэту жизнь можно было бы положить, поскольку, оставаясь незащищенной, жизньочень быстро захирела бы. В те времена на нашей планете, вероятно, имелиськамни, песок, вода и разного рода газы, но все это вряд ли было подходящимматериалом, чтобы изготовить для жизни требуемые "контейнеры". Можно былобы сделать твердые оболочки из минералов, но мягкие оболочки, по-видимому,имели бы перед ними огромные преимущества, особенно на ранних стадиях эволюции.

Физиология требует от стенок клеток и других мембран в живых организмахдовольно строго управляемой проницаемости для одних молекул и полнойнепроницаемости для других. Механические функции этих мембран сводились кфункциям некоторого подобия эластичного мешка. Они должны сопротивляться силамрастяжения и сильно увеличивать свои размеры, не лопаясь и не разрываясь. Крометого, в большинстве случаев после того, как растягивающая их сила прекратиласвое действие, они должны принимать сами по себе свои первоначальныеразмеры [47] [48].