На протяжении всей книги профессор Гордон, как заядлый детектив, занимаетсяпоисками преступника, разрушающего все, встречающееся на его пути - дома,мосты, корабли, плотины…
Книга посвящена проблемам конструирования и физическим основам теориипрочности. Материал излагается очень доходчиво и популярно, с минимумом формул(насколько это вообще возможно).
Содержание:
От редактора перевода 1
Предисловие 1
Введение 2
Часть I. Трудное рождение теории упругости 5
Часть II. Конструкции, нагруженные растяжением 20
Часть III. Конструкции в условиях сжатия и изгиба 31
Часть IV. И последствия были… 57
Приложения 74
Рекомендации для дальнейших занятий 74
От редактора перевода
Человек, как и все живое, неотделим от силовых конструкций. Будучи самконструкцией, доведенной природой до достаточной степени совершенства,он и производит конструкции - орудия труда, с помощью которых в свою очередьлибо создаются, либо разрушаются другие конструкции. Создавая всякую конструкцию,будь то самолет, мост, дорожное покрытие, мы хотим, чтобы она надежно намслужила, то есть прежде всего была прочной, не разрушалась; как правило,для нас немаловажно достичь этого с минимальными затратами труда, материала,энергии. Разрушая конструкции (занимаясь, к примеру, заготовкой дров, бурениемскважины), мы опять-таки стремимся к минимальным затратам труда и энергии.Таким образом, прочность и разрушение материалов и конструкций в той илииной степени касаются каждого из нас, и тем удивительнее отсутствие популярныхкниг на эту тему.
Предлагаемая вниманию читателя книга написана ученым, который обладаетредким даром: он пишет о вещах важных и сложных так, что его книги оказываютсяпо-настоящему увлекательными и в то же время поучительными не только длявесьма широкого круга читателей, но и для специалистов. Об этом я могусудить и по собственному опыту и по многочисленным отзывам коллег, прочитавшихпервую изданную несколько лет назад в русском переводе книгу автора "Почемумы не проваливаемся сквозь пол" (М. Мир, 1971), а также по свидетельствамлюдей, чьи профессиональные интересы далеки от области материаловеденияи механики материалов и конструкций.
Помимо несомненного таланта, профессор Гордон обладает глубоким знаниемпредмета и огромным практическим опытом; читателя покоряет и широта егоинтересов: техническое мастерство древних греков, парусные яхты, фотография,биомеханика. И хотя в своем предисловии профессор Гордон пишет, что необо всем ему удалось сказать достаточно популярно, сохранив безукоризненнуюточность, а потому специалист найдет, за что его упрекнуть, нам представляется,что человек с широким взглядом на вещи не будет слишком придирчив: он пойметстремление автора сделать общепонятными основные идеи. Автор искренне хотелзаинтересовать читателя предметом, который традиционно считается сложными не пользуется особой популярностью. И, следует признать, делает он этовесьма профессионально.
Касаясь прочности конструкций, невозможно обойти молчанием конструкциииз композиционных материалов: это направление развития материалов и конструкцийприносит сегодня наиболее интересные плоды. Профессор Гордон был однимиз первых, кто начал понимать очевидную сейчас перспективность этих материалов.Дело в том, что металлические материалы в своем традиционном виде несмотряна все их достоинства обладают одним принципиальным недостатком: в нихс ростом прочности ограничиваются возможности пластической деформации,а вместе с этим падает сопротивление трещине и, стало быть, надежность.Поэтому в поисках компромисса между весом конструкции и ее надежностьюприходится соглашаться на применение сравнительно малопрочных сплавов.Правильно построенная композиционная структура лишена этого недостатка,более того, можно так сконструировать материал, что одновременно будутрасти и его прочность и его надежность. За словами "сконструировать материал"стоит многое: материалы будущего невозможно представить себе вне конструкции,как нельзя представить себе сегодня материал конструкции живого организмавне самого организма.
Писать о композитах можно было бы очень много, но ограничимся сказанным,поскольку читателя ждет книга, которую мы рекомендуем и школьнику, и студентуи инженеру, и биологу.
С. Милейко
Предисловие
Моим внукам Тимоти и Александеру
Многое в жизни показывает нам, сколь неоправданна человеческая самонадеянность.Взять хотя бы наше непонимание большинства обычных объектов и явлений - изъян,который делается еще более ощутимым при каждой попытке его исправить.Неразвитые и ленивые умы путают обыденную осведомленность со знанием иполагают, что им известна природа вещей, коль скоро они видят их внешние формыи знают их назначение. Мыслитель же, не удовлетворяющийся объяснениемсуществующего сверхъестественными силами, изводит себя бесплодным любопытством,и чем больше он пытается проникнуть в суть вещей, тем яснее осознает всю безднусвоего непонимания.
"Праздный" (суббота, 25 ноября 1758 г.)
Сэмюэль Джонсон
Я полностью отдаю себе отчет в том, сколь опрометчива попытка написатькнигу о конструкциях на элементарном уровне. Только изгнав математику предмета,начинаешь сознавать, как трудно описать суть тех понятий, на которых онстроится, - понятий, которые часто называют элементарными, хотя, я полагаю,на самом деле считают их основными, или фундаментальными. Порой читательможет не обнаружить в книге каких-то важных, на его взгляд, сведений илистолкнуться с излишними упрощениями; иногда это сделано намеренно, а иногдаможет оказаться следствием моего невежества и недостаточного пониманияпредмета.
Хотя настоящая книга в какой-то мере является продолжением моей книги"Почему мы не проваливаемся сквозь пол", ее можно читать и совершенно независимоот последней. В связи с этим в начальных главах были неизбежны некоторыеповторения.
Я считаю своим долгом поблагодарить всех тех, кто помог мне при работенад книгой ценными сведениями и советами или участием в горячих дискуссиях,которые не могли не способствовать ее написанию. Из ныне здравствующихмне великодушно помогали коллеги по Редингскому университету, особеннопроф. В.Б. Биггс (он строитель по специальности); д-р Р. Чаплин, д-рДж. Еронимидис, д-р Ю. Винсент и д-р Г. Блют. Профессор философии А. Флудал мне полезные советы относительно содержания последней главы. Я благодарентакже Дж. Бартлету, консультанту-нейрохирургу Брукской больницы. ПрофессорТ. Хьюджес из Вестиндского университета помог мне в целом ряде вопросов,в том числе в вопросе, касающемся ракет. В трудную минуту поддержкой мнебыла мой секретарь г-жа Джейн Коллинз. Г-жа Нетеркот из журнала "Вог" любезнопомогла в вопросах кройки и шитья. Неизменно благожелательными и… терпеливымико мне были Дж. Лич и другие сотрудники издательства "Пингвин".
Очень многим я обязан покойному д-ру Марку Прайеру (Тринити-колледж,Кембриджский университет), с которым на протяжении почти тридцати летя обсуждал вопросы биомеханики. В заключение же по причинам, надо думать,вполне очевидным, я должен смиренно поклониться Геродоту, гражданину древнегоГаликарнаса.
Дж. Гордон.
Мы выражаем глубокую признательность за любезное разрешение цитировать многимавторам и издательствам "Панч пабликейшнз лимитед" (Дуглас - "Английскаяпоэма), "Уильям Блэквуд лимитед" (В. Мартин- "Моряк из южных морей"), "Э.П. Уотт энд сан" (Р. Киплинг - "Хлеб, отпущенный по водам"), а также праводержательнице, ныне покойной, г-же Бэмбридж ииздательству "Макмиллан компани" (Лондон и Бейзингсток). Кроме того, мыблагодарим г-на X.Л. Кокса, который позволил воспользоваться его книгой"Проектирование конструкций минимального веса", и издательства "Оксфордюниверсити пресс" и "Кембридж юниверсити пресс", любезно разрешившие привестивыдержки из Новой английской библии (2-е изд. (c) 1970).
Мы глубоко благодарны также всем лицам и организациям, которые предоставилииллюстрации и позволили воспроизвести их, в том числе: д-ру Р. Чаплину,д-ру Дж. Винсенту, проф. А. Хорриджу, Институту гражданскихинженеров, фирме "Бритиш стил корпорейшн", Музею военного корабля "Виктория",г-же Нетеркот и журналу "Вог", фирме "Фейри компани лимитед", Лондонскомунаучному музею, фирме "Г.Л. Уотсон энд компани лимитед".
Мы приносим свои извинения тем, кого случайно здесь не упомянули.
Введение
Конструкции в нашей жизни, или как общаться с инженерами
Двинувшись с Востока, они нашли в земле Сеннаар равнину и поселились там.
И сказали друг другу: наделаем кирпичей и обожжем огнем. И сталиу них кирпичи вместо камней, а земляная смола вместо извести.
И сказали они: построим себе город и башню, высотою до небес; исделаем себе имя, прежде нежели рассеемся по лицу всей земли.
И сошел Господь посмотреть город и башню, которые строили сыны человеческие.
И сказал Господь: вот, один народ, и один у всех язык; и вот чтоначали они делать, и не отстанут от того, что задумали сделать.
Сойдем же и смешаем там язык их, так чтобы один не понимал речидругого.
И рассеял их Господь оттуда по всей земле; и они перестали строитьгород.
Посему дано ему имя: Вавилон; ибо там смешал Господь язык всей землии оттуда рассеял их Господь по всей земле.
11, 2-9
Книга Бытие
Конструкцию можно определить как материальное образование любого рода,предназначенное для того, чтобы выдерживать нагрузки. Изучение конструкций- одна из традиционных областей науки. Поскольку при разрушении инженерныхконструкций возможны человеческие жертвы, поведение конструкций исследуетсяс предельной тщательностью. Однако, когда инженеры пытаются поведать широкойпублике о своем предмете, дело зачастую оканчивается полным провалом. Бедазаключается в том, что они пользуются при этом каким-то странным языком,который рождает убеждение, будто изучение конструкций и всего того, чтоопределяет их сопротивление нагрузкам,- это непостижимый, несуразный искорее всего скучный предмет.
Но ведь конструкции проходят через всю нашу жизнь, н мы не можем позволитьсебе ничего о них не знать. Кроме того, любое растение и животное и почтилюбой продукт человеческого труда должны выдерживать большие или меньшиемеханические нагрузки, не разрушаясь, так что практически все предметывокруг нас представляют собой того или иного рода конструкции. Говоря оконструкциях, мы задумываемся не только о том, почему порой рушатся зданияи мосты и разваливаются машины и самолеты, но и о том, отчего черви имеютименно присущую им форму тела и почему летучие мыши, не повреждая крыльев,летают в кустах роз? Как работают наши сухожилия? Отчего возникают "прострелы"и боли в пояснице? Как птеродактили могли иметь столь малый вес? Почемуу птиц оперенье? Как работают наши артерии? Что можно сделать для детейс врожденными дефектами опорно-двигательного аппарата? Случайно ли парусныесуда имеют именно известную нам оснастку? Почему лук Одиссея должен былбыть столь тугим? Отчего древние по ночам снимали колеса со своих колесниц?Как действовала греческая катапульта? Почему тростник колеблется под дуновениемветра и почему столь прекрасен Парфенон? Могут ли инженеры что-либо перенятьу природных конструкций? Чему медики, биологи, художники и археологи могутнаучиться у инженеров?
Как оказалось, понимание истинных причин того, почему вообще могут работатьконструкции и почему ломаются вещи, дается со значительно большим трудоми требует значительно большего времени, чем можно было бы ожидать. Толькосовсем недавно удалось в такой мере заполнить пробелы в наших знаниях,чтобы на некоторые из поставленных выше вопросов дать сколько-нибудь полезныеи разумные ответы. Чем больше частных загадок удается решить, тем яснее,естественно, становится и общая картина, а потому и весь предмет в целомне остается уделом лишь узкой группы специалистов.
Настоящая книга отражает современную точку зрения на конструктивныеэлементы в природе, технике и повседневной жизни. Конструкции должны бытьпрочными, выдерживающими определенные нагрузки, и мы рассмотрим, как этитребования повлияли не только на совершенствование всякого рода рукотворныхсооружений, но и на развитие живых существ, в том числе и человека.
Живые конструкции
Биологические конструкции возникли несравненно раньше искусственных.Пока на Земле не существовало жизни, не существовало и конструкции, котораяслужила бы определенным целям, - были лишь горы, скалы и песок. Но дажесамые простые, примитивные формы жизни сбалансированы весьма тонко; такоеравновесие, а также протекающие при этом самоподдерживающиеся химическиереакции нуждаются в том, чтобы отгородиться и защититься от "нежизни".Изобретая жизнь, природа оказалась перед необходимостью создать для неекакое-то вместилище: этого требовал индивидуальный характер живого организма.Соответствующие пленки или мембраны должны были обладать хотя бы минимальноймеханической прочностью как для того, чтобы удерживать живую материю, таки для того, чтобы противостоять внешним воздействиям.
Если говорить о возможных наиболее ранних формах жизни в виде крошечныхкапелек на поверхности воды, то для указанных целей, вероятно, было достаточноочень простого и слабого барьера, каким явилось поверхностное натяжение,возникающее на поверхностях раздела между различными средами. Постепенно,по мере роста числа живых существ, обострялась конкуренция, шансы выжитьдля слабых, неповоротливых и малоподвижных существ падали. Оболочки становилисьпрочнее, совершенствовались способы передвижения. Появились большие многоклеточныеорганизмы, которые уже могли кусаться и быстро плавать. Охотиться и бытьпреследуемым, есть и быть съеденным - вот что определяло выживание. Аристотельназвал это аллелофагией - взаимным поеданием, а Дарвин - естественным отбором.В процессе эволюции появлялись более прочные биологические материалы иболее хитрые живые конструкции.
Примитивные существа наиболее раннего периода были большей частью измягких материалов не только потому, что это позволяло им легче извиватьсяи менять форму, но и потому, что мягкие ткани обычно оказываются вязкими(это мы увидим впоследствии), тогда как твердые, подобные костям, зачастуювесьма хрупки. К тому же жесткие материалы менее приспособлены к нуждамроста и воспроизводства. Известно, что деторождение сопряжено с большимидеформациями и перемещениями. К тому же развитие зародыша позвоночных (подобноэволюции природных конструкций в целом) есть в определенном смысле развитиеот мягкого к твердому, причем этот процесс продолжается и после рождения.
Создается впечатление, что природа использует жесткие материалы довольнонеохотно, однако с ростом размеров и выходом животных из воды на сушу эволюция,как правило, награждала их твердыми скелетами, зубами, а иногда рогамии панцирем. Все же в отличие от большинства современных механизмов животныеникогда не становились полностью твердыми. Обычно скелет составляет лишьнебольшую часть туловища и, как мы увидим ниже, мягкие части туловища оченьчасто ограничивают приходящиеся на него нагрузки, защищая скелет от неблагоприятныхпоследствий собственной хрупкости.
В то время как у животных большую часть тела составляют, как правило,гибкие, податливые материалы, у растений это не всегда так. Небольшие инаиболее примитивные растения обычно бывают мягкими - ведь им не приходитсяни добывать себе пропитание охотой, ни убегать от врага. Зато для растенияважно быть высоким, что до некоторой степени уберегает от недругов и позволяетполучать больше света и влаги. Так, деревьям особенно хорошо удается нетолько тянуться вверх, собирая рассеянную световую энергию, но и противостоятьпорывам ветра, притом, заметьте, наиболее экономным образом. Превосходядругие живые конструкции по срокам жизни и размерам, деревья порой дотягиваютсядо 110 метров. Чтобы растение могло достигнуть хотя бы десятой доли такойвысоты, его несущая конструкция должна быть не только прочной, но и легкой;мы увидим в дальнейшем, что здесь содержится несколько важных уроков инженерам.
Хотя, должно быть, достаточно очевидно, что вопросы прочности, жесткостии вязкости имеют отношение к медицине, зоологии и ботанике, врачи и биологидолгое время со всей присущей им страстью и не без успеха не хотели этогопонимать. Надо думать, такое отношение отчасти объясняется разницей в темпераментахи отсутствием общего с инженерами языка, а возможно, здесь сказываютсятакже неприязнь к математизированным инженерным понятиям и страх передними. Зачастую биологи просто не могут заставить себя достаточно серьезноизучить те стороны стоящих перед ними проблем, которые относятся к областиконструкций. Но нет никаких оснований полагать, что при столь тонких химическихмеханизмах регуляции в природе характер самих конструкций может быть менеетонок.
Технические конструкции
Много есть чудес на свете,
Человек - их всех чудесней.
Он зимою через море
Правит путь под бурным ветром
И плывет, переправляясь
По ревущим вкруг волнам.
Землю, древнюю богиню,
Что в веках неутомима,
Год за годом мучит он
И с конем своим на поле
Плугом борозды ведет.
Муж, на выдумки богатый,
Из веревок вьет он сети
И, сплетя, добычу ловит:
Рыб морских во влажной бездне,
И зверей в лесу дремучем,
Ловит он в дубравах темных...Пер. С. Шервинского и Н. Познякова
"Антигона" (440 г. до н.э)
Софокл
Бенджамен Франклин (1706-1790) имел обыкновение определять человекакак "животное, производящее орудия". В самом деле, немало животныхделают и используют примитивные орудия, а порою строят себе жилища, болеесовершенные, чем у многих нецивилизованных народов. Наверное, непростоточно указать тот момент в развитии человека, когда применяемая им техникастала заметно превосходить "технику" вымирающих ныне диких зверей. Возможно,это произошло позже, чем мы думаем, особенно если первоначально люди жилина деревьях.