Конструкции, или почему не ломаются вещи

Древесина обычно требовала длительной и дорогостоящей выдержки в специальныхсушилках, которые потребляют значительное количество энергии. Сегодня оказалосьвозможным сократить срок выдержки сортовой мягкой древесины до 24 ч принизкой стоимости процесса сушки. Это имеет очень важное значение не толькодля строительного дела, но и в связи с мировым энергетическим кризисом.

Анализ весовой эффективности различных материалов в различных конструкцияхприведен в приложении 4. Проектирование большинства технически совершенныхконструкций, таких, как, например, самолет, во многом определяется величинойE / ρ,которая называется удельным модулем Юнга и определяет, так сказать, весовую"стоимость" деформаций конструкции. Оказывается, однако, что для большинстваобычных конструкционных материалов - молибдена, стали, титана, магния,алюминия и дерева - величина E / ρприблизительно одинакова. Именно поэтому в течение последних 15-20 летправительства разных стран затратили столь большие суммы на разработкуновых материалов, основой которых служат такие экзотические волокна, какнити бора и карбида кремния, углеволокна.

Материалы этого типа могут быть более или менее эффективными в авиакосмическойпромышленности, но одно можно сказать с уверенностью - они не только дороги,но и требуют больших затрат энергии для своего производства. По этой причинеони, вероятно, будут применяться только в специальных целях и, по моемумнению, не найдут широкого применения в обозримом будущем.

Требование высокой жесткости конструкции может очень ограничивать нашивозможности. Однако, как мы уже видели, стоимость сжатой конструкции - весовая,а часто и денежная - во многих случаях тоже очень высока. Весоваястоимость [118] сжатой колонны определяется не отношением E / ρ, авеличиной (E)^1/2 / ρ. Весовая стоимость панели зависит от(E)^1/3 / ρ (приложение 4). Эти параметры приведены в табл. 7.

Таблица 7. Критерии эффективности некоторых материалов в различных условиях

Материал / Модуль Юнга Е / Плотность ρ / E/ρ /(E )^1/2/ρ / (E)^1/3/ρ

Сталь / 210000 / 7,8 / 25000 / 190 / 7,5

Титан / 120000 / 4,5 / 25000 / 240 / 11

Алюминий / 73000 / 2,8 / 25000 / 310 / 15

Магний / 42000 / 1,7 / 24000 / 380 / 20,5

Стекло / 73000 / 2,4 / 25000 / 360 / 17,5

Кирпич / 21000 / 3,0 / 7000 / 150 / 9

Бетон / 15000 / 2,5 / 6000 / 160 / 10

Углеволокнистые композиты / 200000 / 2,0 / 100000 / 700 / 29

Дерево (сосна, ель) / 14000 / 0,5 / 25000 / 500 / 48

Можно заметить, что малая плотность материала дает ему большие преимущества,и сталь в этом смысле хуже кирпича и бетона. Кроме того, во многих легкихизделиях, таких, как дирижабли или протезы конечностей, дерево превосходитдаже армированный углеволокном пластик, не говоря уже о том, что оно значительнодешевле.

Таблица 8. Конструктивная эффективность различных материалов, выраженная взатратах энергии, необходимых для их производства [119]

Материал / Энергия, необходимая для обеспечения заданной жесткостиконструкции в целом / Энергия, необходимая для изготовления сжатой панелизаданной критической нагрузкой

Сталь / 1 / 1

Титан / 13 / 9

Алюминий / 4 / 2

Кирпич / 0,4 / 0,1

Бетон / 0,3 / 0,05

Дерево / 0,02 / 0,002

Углеволокнистые композиты / 17 / 17

В табл. 8 приведены характеристики конструктивной эффективности материаловв терминах энергетических затрат. Видно, что обычные материалы - дерево,кирпич и бетон - имеют здесь подавляющее преимущество, и таблица заставляетзадуматься, действительно ли оправданна погоня за материалами, в основекоторых лежат экзотические волокна. Во многих случаях рентабельнее использоватьне углеволокна, а пустоты. Природа поняла это очень давно, когда изобреладерево; это понимали и римляне, которые облегчали кладку пустыми виннымикувшинами. Пустоты несравненно дешевле как в стоимостном, так и в энергетическомотношении, чем любые мыслимые высокомодульные материалы. Возможно, лучшетратить больше времени и средств на разработку пористых и ячеистых материалов,чем на волокна бора или углерода.

Глава 14

Катастрофы, или очерк об ошибках, прегрешениях и усталости металла

Весь окружающий мир можно рассматривать как огромную энергетическую систему:величественный рынок, где одна форма энергии по определенным ценам и правиламнеминуемо переходит в другую. Энергетически предпочтительное обязательнопроизойдет. В этом смысле каждая конструкция существует лишь для того,чтобы отдалить что-то неизбежное, энергетически выгодное. Так, поднятыйгруз должен упасть, упругая энергия - выделиться и т.п. И действительно,рано или поздно груз падает, а упругая энергия выделяется. Задача конструкции- отложить это событие на год, на век или на тысячелетие. В конечном счетевсе сооружения будут разбиты или разрушатся сами, так же как и всем намв конце концов суждено умереть. Отложить это на некий приличный срок -задача медиков и инженеров.

Весь вопрос заключается в том, каков же этот "приличный срок". Каждаяконструкция должна быть надежной в течение определенного времени службы.Для ракеты это могут быть несколько минут, для автомобиля или самолета- 10-20 лет, для собора - тысячелетия.

Старый фаэтон Оливера Вандела Холмса, сконструированный ровно на столет, - ни на день больше, ни на день меньше, - развалился, как и было задумано,1 ноября 1855 г., лишь только священник добрался в своей проповеди до слов"в-пятых"… Ясно, что это вздор. Эксцентричный герой романа Невила Шьюта"Путь закрыт" предсказывает, что хвост авиалайнера "Райндер" отвалитсяиз-за "усталости металла" после 1440 полетных часов плюс минус один день.И это тоже вздор, о чем наверняка знал Нэвил Шьют, опытный авиационныйинженер.

Практически невозможно с такой точностью планировать время надежнойработы изделия. Возможен лишь статистический, основанный на опытных данных,подход к этой проблеме. Причем по самой природе вещей мы можем дать толькоболее или менее разумные вероятностные оценки надежности. Ослабив конструкциюсверх меры, ее можно сделать легкой и дешевой, но тогда недопустимо возрастаетвероятность частых поломок. И наоборот, слишком прочная, "вечная" с человеческойточки зрения - а именно этого всегда жаждет публика - конструкция можетоказаться слишком тяжелой и дорогой. Как мы увидим ниже, дополнительныйвес чаще увеличивает опасность, чем дополнительная прочность ее уменьшает.Поскольку все учесть невозможно, то, разрабатывая реальную конструкциюдля реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей - пустьмалой, но конечной - вероятностью преждевременного выхода ее из строя.

Как указывает Альфред Пагсли в своей книге "Надежность конструкции",этот довольно интересный момент в рассуждениях как раз и может заставитьнас отказаться от строго логического подхода к проблеме. Как говорит Пагсли,человеку присуща боязнь разрушения - вот почему обыватель цепко и упрямодержится за мысль, что любая конструкция, с которой он лично связан, вообщене должна разрушаться. Последствия такой точки зрения могут быть самымиразличными; иногда это не приносит вреда, но иногда приводит к печальнымрезультатам.