Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард. Страница 55
Разрушение сжатием пластичного металла (скажем, масла или пластилина)происходит по аналогичным причинам. Под действием касательных напряжений слоиметалла начинают проскальзывать [99] по дислокационному механизму. И снова скольжениепроисходит вдоль плоскостей, расположенных примерно под углом 45° к сжимающейнагрузке, короткий металлический образец расползается, приобретая бочкообразнуюформу (рис. 136). Благодаря большой работе разрушения пластичного металлавероятность выброса осколков в этом случае невелика и непосредственныеследствия разрушения бывают менее опасными и драматичными. Когда мы бьеммолотком по головке заклепки или используем для этого гидравлический пресс, мырассчитываем именно на эту склонность металла расплющиваться при сжатий.
Рис. 136. Разрушение пластичного материала (металла) при сжатии происходитвследствие сдвига, но в этом случае сдвиг приводит к расплющиванию образца.
Материалы типа дерева или искусственных волокнистых композитов, напримерстеклопластика или углепластика, при сжатии обычно разрушаются иначе. Армирующиеволокна под действием сжимающих нагрузок изгибаются все вместе, "коллективно",образуя складку, бегущую поперек образца. Эти складки могут проходить подуглом 90° к направлению сжимающих сил или наклонно под различными углами(рис. 137). К сожалению, в композиционных материалах складки часто образуютсяуже при сравнительно небольших напряжениях, то есть на сжатие эти материалыработают плохо, что следует иметь в виду при использовании их в конструкциях.
Рис. 137. Разрушение волокнистых материалов (дерево или стеклопластик) присжатии. Поперечная складка (а) под углом 90°приводит к уменьшению объема, апотому возникает только в материалах, содержащих пустоты, например в дереве.Косая складка (б) характерна для композитных материалов, так как ееформирование не требует уменьшения объема.
Сравнение прочности материалов на растяжение и на сжатие
Содержимое многочисленных учебников и справочников - обширные таблицы прочностина разрыв практически всех конструкционных материалов. Как правило, книги этигораздо более сдержанны в отношении прочности на сжатие. Одна из причин этого втом, что экспериментальные значения прочности при сжатии в большей мере зависятот формы испытуемого образца. Иногда материал оказывается столь чувствительнымк ней, что становится почти бессмысленным приводить какие-либо цифры. Хотяобращаться с величинами прочности на сжатие мы обязаны очень осторожно и этооправданно, использование данного понятия все же позволяет лучше постигнутьработу конструкции. Прежде всего мы должны иметь в виду, что на самом деле несуществует никакой однозначной зависимости между прочностью материала на сжатиеи его прочностью на растяжение [100].
Весьма приблизительные величины прочности некоторых распространенныхматериалов приведены в табл. 5. Величины прочности на сжатие получены наобразцах, имеющих отношение длины к толщине от 1 до 3-4. Прочность болеетолстых или более тонких образцов может быть совершенно другой.
Таблица 5 Приблизительные значения предела прочности на сжатиеи растяжение для некоторых материалов
Материал / Предел прочности на растяжение, МН/м2 / Предел прочности на cжатие, МН/м2
Дерево / 100 / 27
Чугун / 40 / 350
Литой алюминий / 40 / 300
Литые цинковые сплавы / 35 / 300
Бакелит, полистирол и другие хрупкие пластмассы / 15 / 55
Цемент / 4 / 40
Один из очевидных выводов, который следует из табл. 5, состоит в том,что если мы конструируем элемент, например изгибаемую балку, в которойесть и область растяжения, и область сжатия, то нужно "глядеть в оба".Лучшим проектом может оказаться балка с совершенно асимметричным сечением.В чугунных балках викторианских времен площадь растягиваемой зоны обычногораздо больше, чем сжимаемой, потому что чугун лучше работает на сжатие,чем на растяжение (рис. 138). И наоборот, лонжерон крыла деревянного самолета,например планера, всегда гораздо толще сверху, то есть на сжатой стороне,так как при сжатии дерево менее прочно, чем при растяжении (рис. 139).
Рис. 138. Чугунная балкаобычно на растянутой полке делается более толстой, чем на сжатой, потомучто прочность чугуна на разрыв меньше его прочности на сжатие.
Рис. 139. Деревянныйлонжерон крыла планера обычно на сжатой стороне толще, чем на растянутой,потому что дерево при сжатии менее прочно, чем при растяжении.
Прочность дерева и композиционных материалов при сжатии
Он сказал, что делает мачты вот уже пятьдесят лет и, насколько знает, ихвсегда делали из целого дерева. Он сказал, что из всех, кого он встречал, япервый и единственный, кто хочет умышленно погубить хорошую мачту, вырезав еесердцевину, самое чувствительное место. Он сказал, что всякий, кто можетсделать это (и здесь я немного смягчаю его выражения), может ругаться в церкви,сморкаться в скатерть, издавать неприличные звуки и портить инструменты.
…Такие вот дела. Мы оба, Джордж и я, в душе думали, что брус выглядитчересчур гибким и поэтому не могли чувствовать себя спокойно, но передлицом этих знатоков решили, что поступим мудро, оставив эти мысли при себе.И это было правильно. Ибо знатоки есть знатоки. Позднее, когда наши главныеванты были сорваны свирепым шквалом в Гольфстриме, эта мачта гнулась игнулась, и гнулась, пока не стала похожа на букву S, но она стояла.
В реальной жизни различие между балкой и длинной колонной обычно довольнонеясно. Вытянутая колонна, например кость ноги животного, почти всегдаподвергается изгибу, в результате чего материал ее вогнутой стороны сжатбольше, чем в других местах. С другой стороны, в балках или фермах особенносложной конфигурации сжатый пояс всегда следует проверять с точки зренияего прочности на сжатие. В любом случае, идет ли речь о балке или о колонне,если материал недостаточно прочен на сжатие, разрушение начнется тогда,когда наибольшее сжимающее напряжение достигнет опасного уровня. Лучшимпримером колонн, которые, кроме сжатия, подвергаются и изгибу, служат деревьяи мачты парусных кораблей. Ствол дерева должен выдерживать сжимающий весвсех своих ветвей и листвы, но в жизни дерева изгибающие нагрузки, вызванныедавлением ветра, могут быть больше и опаснее. Точно так же и мачты, которыеноминально являются сжатыми колоннами, испытывают значительный изгиб из-занеравномерного натяжения удерживающих их тросов. Этот изгиб особенно велик,если в оснастке что-нибудь рвется.
Мачты таких больших кораблей, как "Виктория", делались из кусков дерева,соединенных вместе железными обручами, но для мачт средних размеров старыемастера предпочитали использовать один ствол сосны или ели, по возможностиоставляя его в первозданном виде. Эти специалисты не только встречали вштыки любые предложения о том, что следует делать пустотелые мачты, имеющие"более эффективное" трубчатое сечение; они старались вообще избегать какой-либообработки дерева, кроме удаления коры.
В течение многих лет образованные инженеры, которые знали все об изгибебалок, нейтральных осях и моментах инерции второго порядка, презирали этитрадиции, считая их обычно чепухой. Первое, что делает с деревом современныйинженер, - это режет его вдоль на маленькие кусочки, которые затем сновасклеивает вместе, стараясь получить нечто пустотелое в сечении. И тольконедавно мы стали осознавать, что в том, как устроен ствол растущего дерева,заключена некая высшая мудрость. Среди других хитростей у древесины естьтакая: в различных частях ствола она растет таким образом, что ствол оказывается"предварительно напряженным".
99
Словно карты в колоде, - Прим. ред.
100
Если разрушение как при сжатии, так и при растяжении определяется сдвигами, как, например, в пластичных металлах, величины прочности на сжатие и растяжение в принципе должны быть одинаковы. Однако из этого правила есть слишком много исключений, что делает его практически неприменимым.