Конструкции, или почему не ломаются вещи

Глава 6

О соединениях, креплениях и людях, а также о ползучести и колесах колесниц

Пароход, о котором говорится в истории Вестона Мартира, затонул, затонулдовольно неожиданно, и случилось это оттого, что слишком слабыми оказалисьсоединения его деревянных деталей, хотя строившие судно плотники - людидобросовестные, но до того имевшие дело лишь с домами, - были, вероятно,довольны делом своих рук. Действительно, когда плотник строит дом или столярделает мебель, они обычно применяют такие способы соединения деталей, которыекорабелы сочли бы непрочными и весьма неэффективными. Соединения эти насамом деле нельзя назвать прочными, а являются ли они "неэффективными",зависит от того, где мы их используем. Ведь цели, которые преследуют строителидомов, далеко не всегда совпадают с целями строителей кораблей и самолетов.

Инженеры, возможно, слишком часто полагают, что эффективность конструкцииопределяется прочностью каждого ее компонента и каждого соединения, в точностидостаточной для того, чтобы выдерживать требуемые нагрузки, а потому используютминимальное количество материала, обеспечивающее заданную прочность, достигаяодновременно и минимального веса конструкции. Такая конструкция с равнойвероятностью может как сломаться в любом месте, так и, подобно "старомуфаэтону", развалиться вся сразу. Стремление к эффективности такого родатребует особого внимания со стороны инженера, поскольку малейшая ошибкапри проектировании или неточность в изготовлении может привести к опаснойслабине.

Создание подобных конструкций может быть оправдано при строительствекораблей и самолетов, а также других машин, для которых очень важным параметромявляется низкий вес. Однако такое толкование понятия эффективности оченьузко и не учитывает требований жесткости, не говоря уже о требованиях экономии.Конструкции типа "старого фаэтона" иногда необходимы, но они всегда дорогообходятся и при постройке, и в эксплуатации. Уменьшение веса конструкцииза счет "конструктивной безупречности" - один из факторов, делающих стольдорогостоящими космические путешествия. Но даже на уровне поверхности землистоимость кубометра используемого пространства при переходе от обычногодома к небольшому кораблю возрастает в 20 раз, а стоимость такого же пространствав самолете еще более высокая.

У строителей и монтажников наземных сооружений хватает здравого смыслане стремиться к изощренным конструкциям. Дома и так достаточно дороги,а на практике известно, что в обыденной жизни в подавляющем большинствеслучаев жесткость конструкции играет большую роль, чем ее прочность. Иименно требования к жесткости и прочности и лежат в основе вопроса о стоимостии эффективности конструкций. В тех случаях, когда особые требования предъявляютсяк жесткости, а не к прочности, вся задача становится намного проще, а стоимостьизделий сильно уменьшается.

Так почти всегда обстоит дело, когда речь идет о мебели, перекрытиях,лестницах и зданиях в целом, а также о плитах, холодильниках, многих типахинструмента и машин, некоторых деталях автомобилей. Эти вещи ломаются неочень часто, однако если сильно уменьшить толщину их материала, то прогибы,перемещения и общая хлипкость сделают эти предметы неприемлемыми в эксплуатации.Таким образом, чтобы быть достаточно жесткими, различные части конструкциидолжны, вообще говоря, иметь настолько большую толщину, чтобы возникающиев них напряжения были очень, до смешного малыми с инженерной точки зрения.

Таким образом, для конструкций, о которых идет речь, даже содержаниев материале массы дефектов и концентраторов напряжений обычно не имеетзначения. Кроме того, и прочность соединений здесь не является критической:в большинстве случаев вполне достаточно нескольких гвоздей. Именно этолежит в основе интуитивного подхода к конструированию. Миллионы людей,никогда не слышавшие ни о законе Гука, ни о модуле Юнга, могут лишь наосновании опыта и здравого смысла достаточно точно определить, какой будетжесткость стола или клетки для цыплят, а если эти предметы сделаны достаточножесткими, то очень маловероятно, что они сломаются при действии обычныхповседневных нагрузок.

Далее, небольшая "податливость" некоторых соединений отнюдь не являетсяих недостатком, она в большей степени присуща обычным соединениям, чемболее изощренным. В частности, некоторая податливость соединений способствуетполезному выравниванию нагрузок. Ломать мебель приходится не слишком часто,поэтому рекомендую хороший способ попытаться сделать это: сядьте на стул,три ножки которого стоят на ковре, а четвертая - на голом полу. Если этообычный старый стул, нагрузка может перераспределиться относительно равномернона все четыре ножки за счет перекоса в имеющихся соединениях на шипах.Но если это современный стул фабричного изготовления с "эффективными" соединениямина клею, то эти соединения как раз и могут сломаться, после чего стул труднобудет починить.

Некоторая податливость соединений полезна и по другой причине. Деревоможет усыхать или разбухать в зависимости от погоды, то же относится ик некоторым другим материалам. Для древесины колебания размеров в направлениипоперек волокон достигают 5 или даже 10%. Традиционные "неэффективные"пазовые соединения совместимы с такими колебаниями. Но в Черчилль-колледжеу нас был прекрасный Высокий стол, сделанный из лучшего и самогодорогого дерева, с выполненными по науке прочными и жесткими соединениямина клею. После того как этот стол несколько месяцев простоял в зале (отапливаемомтакже по науке), он усох и треснул посредине. Это была не скромная небольшаятрещина, а многометровая расщелина, в которую можно было бы свободно засыпатьбольшое количество горошин среднего диаметра.

Прочные соединения и человеческие слабости

Многие конструкции, которые строили крестьяне, обеспечивая, как описановыше, лишь необходимую жесткость, отлично работают на своем месте, но кактолько мы начинаем стремиться к уменьшению их веса, увеличению их прочностии мобильности, тут же возникают разного рода трудности, связанные главнымобразом с надежностью соединений различных их частей. Исторически так сложилось,что именно это всегда было наиболее серьезной проблемой при строительствекораблей, а также водяных и ветряных мельниц. Великая искусность старыхкорабельных и мельничных мастеров проявлялась в их умении сочетать прочность,достаточную для безопасности, с небольшой податливостью, необходимой длятого, чтобы дерево могло "работать". Более старые корабельные мастера грешилиуклоном в сторону податливости, и хотя их корабли часто слишком текли,они редко разламывались в море. Чтобы создать деревянные корабли, которыеразваливались в море, потребовались административные усилия правительстввоенного времени.

Неприятности с соединениями в конструкциях кораблей и самолетов во времяобеих мировых войн получили широкую огласку. Во время первой мировой войныамериканцы, зачастую используя неортодоксальные методы, построили большоеколичество деревянных кораблей, как пароходов, так и парусников. Многиеиз этих судов развалились. В годы второй мировой войны они произвели ещебольшее количество сваренных из стали кораблей. И еще большая их доля развалиласьв море или в гавани. В Англии за обе мировые войны было изготовлено оченьмного деревянных самолетов, которые, надо думать, также всегда были подверженытого или иного рода неприятностям, связанным с соединениями. Правда, впоследнем случае это было не очень удивительно, так как, помнится, я самнесколько раз был свидетелем того, как в жизненно важных клеевых соединенияхв несущей конструкции прямо внутри соединения были обнаружены ножницы,карманное руководство по оказанию первой помощи и полное отсутствие клея.