Стены, арки и плотины,

или

башни, уходящие в облака, и устойчивость каменной кладки

Как мы уже убедились, простых смертных, не наделенных сверхъестественным разумом Природы, на пути создания конструкций, подвергающихся растяжениям, подстерегают трудности, осложнения и хитроумные ловушки. Особенно это относится к случаям, когда мы хотим создать конструкцию из нескольких кусков материала и сталкиваемся с проблемой прочности соединений. Не случайно наши предки старались по возможности избегать конструкций, подвергающихся растяжениям, и стремились использовать такие конструкции, в которых всюду действуют только сжимающие нагрузки.

Этому требованию лучше всего удовлетворяет каменная кладка. Тот замечательный успех, который во все времена сопутствовал ее применению, обязан двум факторам. Первый вполне очевиден - это возможность избежать растягивающих напряжений, особенно в соединениях. Второй менее очевиден - это удивительная совместимость задач конструирования больших строений, сложенных из камней, с ограниченностью возможностей "донаучного" подхода.

Из всех конструкций самых различных видов только каменные сооружения допускают слепое копирование традиционных пропорций, которой не ведет автоматически к беде. Именно поэтому на протяжении всей истории строения из камня далеко превосходили по своим размерам и внушительности все остальное, что было создано руками человека. Желание строить теряющиеся в облаках башни и величественные храмы уходит своими корнями в глубины истории и даже в предысторию человечества. Эпиграфом к началу этой книги послужили строки из книги Бытие о Вавилонской башне. Напомним, что там говорилось о намерении построить "башню, высотою до небес". Впрочем, я думаю, ни один богослов не задавался вопросом, какой высоты можно было бы ее построить на самом деле.

Почти вся нагрузка, приходящаяся на стены такой башни, определялась бы их собственным весом, и можно вычислить то напряжение сжатия, которое создавала бы у основания башни действующая вертикально вниз статическая нагрузка каменной кладки. В этом случае предельной явилась бы та минимальная высота башни, при которой ее кирпичи были бы раздавлены приходящимся на них весом.

Плотность камня и кирпича составляет около 2500 кг/м3, а их прочность на сжатие, вообще говоря, несколько больше 5 кгс/мм2 или 50 МН/м2.

Элементарный расчет показывает, что высоту башни с вертикальными стенами можно довести до 2 км, и кирпичи в ее основании все еще не будут раздавлены. Башня же, имеющая суживающиеся кверху стены, могла бы быть значительно выше; примерно такой принцип избрала Природа для горообразования. Высота Джомолунгмы около 9 км, и пока не похоже, чтобы она собиралась обвалиться. Так что суживающаяся кверху башня простой формы с широким основанием вполне могла бы быть доведена до такой высоты, на которой людям Сеннаара стало бы трудно дышать из-за нехватки кислорода, прежде чем статическая нагрузка ее стен раздавила бы кирпичи в основании.

Хотя в такого рода вычислениях не содержится ничего принципиально неправильного, в действительности высота всех построенных когда-либо башен и близко не доходила до теоретически предельной. Так, самое высокое из существующих сегодня зданий, Нью-йоркский центр международной торговли, лишь на 400 м возвышается над землей, да и это для нас не самый удачный пример, поскольку, подобно всем небоскребам, оно построено из стали. Пирамида Хеопса и шпили самых высоких кафедральных соборов достигают немногим более 150 м, и лишь некоторые из огромного множества каменных строений достигают хотя бы половины этой высоты, подавляющее же большинство зданий намного ниже.

Поэтому обычно напряжения сжатия, возникающие в каменной кладке под действием ее собственного веса, весьма малы. Как правило, они редко превышают 0,01 прочности камня на сжатие и на практике не накладывают ограничений на высоту зданий или на их прочность. Тем не менее известно, что, начиная с библейской Силоамской башни, которая, не будучи особенно высокой, упала и убила 18 человек, они все же время от времени неожиданно рушатся (несмотря на уверенность архитекторов и строителей в их прочности). Такое происходило во все времена, а иногда происходит и сегодня. И под тяжестью каменной кладки (а она немалая) нередко гибнут люди.

Но если стены рушатся не под давлением сжимающих напряжений, так под действием чего? Ответить на этот вопрос помогают детские игры. Все мы в детстве строили башни из кубиков, довольно неустойчивым образом поставленных друг на друга. Достигнув некоторой высоты, такое сооружение неизменно разваливалось. Даже дети понимают, хотя и не могут выразить этого в научных терминах, что виной тому отнюдь не сжимающие напряжения. Эти напряжения на деле ничтожно малы, а башня опрокидывается потому, что ее стены не строго вертикальны. Другими словами, речь здесь должна идти не о недостатке прочности, а о недостатке устойчивости. Хотя разница между этими двумя понятиями очевидна маленьким детям, она не всегда ясна строителям и архитекторам и тем более историкам искусства, которые пишут о кафедральных соборах и подобных им сооружениях.

 

Линии давлений и устойчивость стен

Во времена королевы Анны культурная жизнь Англии не могла быть особенно разрозненной и можно быть почти уверенным в том, что Конгрив (1670-1729) имел беседы и делил застолье с Ванбруфом, автором многочисленных пьес и создателем Бленхеймского дворца, а также с самим Кристофером Реном. Для этих людей в общих чертах было совершенно ясно, что устойчивость зданий определяет не столько прочность камня и скрепляющего "раствора", сколько распределение их веса.

Однако одно дело понимать это и совсем другое - конкретно представлять себе все в деталях и уметь определить заранее, будет ли здание безопасным или нет. Чтобы достичь научного понимания того, как ведет себя каменная кладка, ее необходимо рассматривать как упругий материал, то есть следует учесть то обстоятельство, что материал камня деформируется под действием нагрузки и что он подчиняется закону Гука. Полезно также, хотя это и не абсолютно необходимо, использовать понятия напряжения и деформации.

На первый взгляд все же, конечно, кажется невероятным, что твердый кирпич и камень могут деформироваться в сколько-нибудь заметной степени под действием нагрузки, создаваемой зданием. И в самом деле, еще столетие после Гука к этой мысли не могли привыкнуть даже строители, архитекторы и инженеры. Они упорно игнорировали закон Гука и считали каменную кладку абсолютно жесткой. В результате их расчеты оказывались неверными и здания иногда рушились.

Однако в действительности модуль Юнга для кирпича и камня не очень велик (в этом можно убедиться, посмотрев на изогнутые колонны собора в Солсбери на рис. 4), а потому упругие перемещения каменной кладки отнюдь не так малы, как можно было бы предполагать. Даже стены обычного небольшого дома сжаты в вертикальном направлении своим собственным весом примерно на миллиметр. В больших зданиях эти перемещения, естественно, значительно больше. А когда вам кажется, что дом сотрясается под порывами сильного ветра, это не так далеко от истины. Верхушка небоскреба Эмпайр стэйт билдинг раскачивается при сильном ветре более чем на 0,5 м.

Современный расчет каменной кладки основан на простом законе Гука, а также на следующих четырех допущениях, которые оказываются справедливыми на практике:

1) сжимающие напряжения столь малы, что материал не может разрушаться за счет сжатия (мы уже обсуждали этот вопрос);

2) благодаря использованию строительного раствора или цемента соединения выполнены достаточно тщательно, так что силы сжатия действуют по всей площади соединения, а не в нескольких выступающих точках;

3) трение в соединениях столь велико, что не может произойти разрушения конструкции вследствие взаимного проскальзывания кирпичей или камней (на самом деле никаких проскальзываний до разрушения конструкции не происходит);

4) соединения не обладают сколько-нибудь заметной прочностью на растяжение; даже если случайным образом раствор обладает некоторой прочностью на разрыв, на нее нельзя полагаться и ею следует пренебречь.

Таким образом, назначение строительного раствора состоит не в том, чтобы "склеивать" кирпичи или камни, а в том, чтобы сжимающие нагрузки передавались через соединение более равномерно.

Насколько мне известно. Юнг был первым, кто стал учитывать упругие деформации каменной кладки. Он рассмотрел, что происходит в прямоугольном блоке каменной кладки, скажем в участке стены, когда он подвергается действию вертикальной сжимающей нагрузки Р. Мы приведем его рассуждения в упрощенной форме, переведя их для этого на язык напряжений и деформаций, которого во времена Юнга, конечно, не существовало.

До тех пор пока нагрузка P действует вертикально вниз в плоскости симметрии, то есть посредине стены, кладка будет сжата равномерно и, согласно Гуку, соответствующее распределение сжимающих напряжений по толщине стены также будет равномерным (рис. 58).

Рис. 58. Нагрузка P действует в плоскости симметрии стены.

Рис. 59. Нагрузка P действует в пределах "средней трети" стены.

Рис. 60. Нагрузка P действует на краю "средней трети" соединения AB.

Рис. 61. Нагрузка P действует вне "средней трети" соединения AB.

Предположим теперь, что вертикальная нагрузка P немного сместилась в сторону и действует не точно в плоскости симметрии стены. В этом случае сжимающее напряжение не будет постоянным вдоль ее сечения: для того чтобы в точности уравновесить действующую нагрузку, оно должно быть с одной стороны больше, чем с другой. Юнг показал, что если материал подчиняется закону Гука, то напряжения по толщине стены будут изменяться линейно и распределение напряжений будет выглядеть так, как показано на рис. 59.

Пока что соединению, которое мы видим на рис. 59, ничто не угрожает: по всему сечению АВ действуют только сжимающие напряжения. Однако если приложение нагрузки сместится еще дальше от середины стены - на границу так называемой "средней трети" стены, то возникнет ситуация, изображенная на рис. 60, в которой распределение напряжений имеет треугольную форму и сжимающее напряжение на одном из краев соединения обращается в нуль.

Рис. 62. Вот что происходит, если возникает ситуация, изображенная на рис. 61. В соединении возникает трещина ВС, и вся нагрузка теперь распределена по площади, соответствующей отрезку АС, - эффективная толщина стены уменьшается.

Рис. 63. Если линия действия нагрузки проходит за пределами отрезка АВ, то стена будет поворачиваться вокруг точки A, - опрокинется и упадет.

Само по себе это пока еще не опасно, но для вдумчивого человека вполне очевидно, что при этом что-то готово вот-вот произойти. И действительно, если нагрузка сместится еще немного к краю, "что-то" и в самом деле произойдет - возникнет ситуация, изображенная на рис. 61.

Сжимающее напряжение вблизи одной из поверхностей стены теперь сменилось на растягивающее. Здесь уже нельзя быть уверенным в том, что раствор сможет выдержать растягивающее напряжение. Обычно он и в самом деле не выдерживает и происходит то, чего и следовало ожидать, - в соединении возникает трещина. Конечно, если стена трескается, это плохо и этого лучше не допускать, однако такая трещина еще не означает, что стена непременно и без промедления рухнет. Весьма вероятно, что края трещины несколько разойдутся, но стена останется стоять, покоясь на той части соединения, где контакт не нарушен (рис. 62).

Но все это не сулит спокойной жизни, и наступит день, когда линия действия силы окажется за пределами стены, и нетрудно догадаться, что произойдет. В стене не может возникнуть необходимых растягивающих напряжений, ее часть начнет свисать над основанием, и тогда стена опрокинется и упадет (рис. 63).

В 1802 г., когда Юнг пришел к этим заключениям, он был двадцатидевятилетним человеком, начинающим приобретать известность и только что получившим кафедру натуральной философии в Королевском институте в Лондоне. Его коллегой и в определенном смысле соперником был Гемфри Дэви, который в том же году, в невероятно молодом возрасте - ему было 24 года, - стал там же профессором химии.

Как и сегодня, в те времена существовала традиция, согласно которой профессора Королевского института читали публичные лекции. Правда, в то время эти лекции по своему характеру были близки к сегодняшним выступлениям по телевидению и для института служили источником денежных средств, а также создавали ему паблисити.

Юнг отнесся к своей просветительской миссии весьма серьезно и, полный энтузиазма, затеял серию лекций об упругом поведении разного рода конструкций, в том числе стен и арок, которым он посвятил свои последние исследования.

Публика на этих собраниях на Албемарл-стрит была фешенебельной и, как говорят, состояла главным образом из "глупых женщин и философствующих дилетантов". Юнг отнюдь не пренебрег женской частью аудитории, заметив в своей вводной лекции:

"Значительную часть моей аудитории - и я горю желанием донести до нее эти лекции - составляют лица того пола, который, согласно традициям цивилизованного общества, в известной степени избавлен от тяжелых обязанностей, поглощающих время и внимание лиц противоположного пола. Те многие часы досуга, которыми располагают женщины высших слоев общества, можно посвятить совершенствованию ума и приобретению знаний, и это несомненно принесло бы большее удовлетворение, чем развлечения, придуманные лишь для того, чтобы немного скрасить однообразие ничем не занятого времени".

Однако фортуна не всегда благосклонна к сеятелям знаний, и можно подозревать, что некоторые из представительниц прекрасного пола все же сбежали с этих лекций, отдав предпочтение однообразию "ничем не занятого времени". Так или иначе, но Дэви, демонстрировавший на своих лекциях необыкновенно захватывающие опыты с "новой электрической жидкостью" и яркие химические эксперименты, был, как мы бы сейчас сказали, прямо-таки создан для экрана. Этот энергичный молодой человек имел к тому же весьма привлекательную внешность, так что молодые дамы стекались на его лекции по причинам, которые нельзя назвать вполне академическими, Одна из них, говорят, заметила, что "эти глаза созданы не только для того, чтобы сосредоточенно разглядывать пробирки". В итоге кассовый успех лекций Дэви превзошел все ожидания, и администрация резюмировала: "Хотя д-р Юнг, чьи глубокие познания в предмете, который он предложил своим слушателям, не вызывают сомнений, читал свои лекции той же аудитории, что и Дэви, число его слушателей уменьшалось раз от раза, чего нельзя объяснить ничем иным, кроме слишком сухой и назидательной манеры изложения".

Провал такого рода не много бы значил, вызови работа Юнга интерес и поддержку инженеров-практиков. Однако вождем и даже кумиром тогдашних инженеров был Томас Телфорд (1757-1834), взгляды которого, как мы уже упоминали, отличались прагматичностью и отвергали теорию. Все это способствовало тому, чтобы Юнг почти немедленно отказался от кафедры и вернулся к медицинской практике.

Развитие теории упругости на много лет переместилось во Францию, где как раз в это время Наполеон активно поощрял исследования в области конструкций.

Учение об упругом сжатии, "средней трети" и неустойчивости, которое вызывало такую скуку у фешенебельных дам на лекциях Юнга, в действительности содержит практически все, что нужно знать о поведении стыков в каменной кладке, при условии, что нам известна также линия действия силы веса. Другими словами, мы должны знать, на каком расстоянии от серединной плоскости стены на самом деле действует нагрузка.

Рис. 64. В простейшем случае, когда имеется симметрия, "линия давлений", проходит через середину стены.

Здесь как раз уместно ввести понятие "линии давлений", которая определяется как линия, проходящая по стене здания от ее верхней точки до основания и пересекающая все стыки в тех точках, где приложена равнодействующая вертикального давления. Линия давлений - это французское изобретение, и, по-видимому, первым ее рассматривал Кулон (1736-1806).

Для стены, колонны или опоры простых симметричных форм, таких, как показаны на рис. 64, линия давлений проходит, очевидно, через середину, и здесь нет никаких трудностей. Однако если речь идет о сколько-нибудь более сложном сооружении, то тогда скорее всего имеется хотя бы одна наклонная сила, возникающая из-за бокового давления крыши, арки, сводов или других конструктивных элементов. В таких случаях линия давлений уже не проходит точно через середину стены, а смещается на одну сторону и часто принимает искривленную форму, как показано на рис. 65.

Рис. 65. В результате действия наклонной нагрузки линия давлений отклоняется от плоскости симметрии стены.

Рис. 66. Действие на стену дополнительной вертикальной нагрузки уменьшает отклонение линии давлений от середины стены.

Если, проводя линию давлений, мы обнаружим, что имеется опасность того, что она в какой-либо точке достигнет поверхности стены, то следует призадуматься, и крепко, поскольку у сооружения, спроектированного таким образом, велики шансы рухнуть.

Один из способов исправить положение (и, вероятно, это один из наиболее эффективных способов) состоит в том, чтобы на верхнюю часть стены добавить дополнительный вес. Тогда дело обернется таким образом, как это показано на рис. 66. В противоположность тому, что можно было бы предположить, этот дополнительный вес способствует большей, а не меньшей, устойчивости стены и возвращает "заблудшую" линию давлений более или менее туда, где ей следует находиться.

Требуемый дополнительный вес можно создать, просто надстроив стену больше, чем в действительности необходимо; годятся также такие вещи, как тяжелые баллюстрады и парапеты. Всегда могут выручить и поставленные в ряд статуи (рис. 67), если, конечно, это совместимо с назначением здания и позволяют средства! С конструкционной точки зрения бывает обоснованным использование башенок и статуй в готических церквях и соборах. Они возвышаются там словно насмешка над приверженцами функциональности и унылыми ревнителями "эффективности".

Обычно считается абсолютно необходимым, чтобы линия давлений проходила в пределах "средней трети" стены, поскольку иначе при появлении трещины она может обвалиться.

Рис. 67. Требуемую дополнительную вертикальную нагрузку могут создавать башенки, статуи и т. п.

Такой осторожный подход правилен, он служит безопасности, и его необходимо придерживаться, но я боюсь, что в наш век вседозволенности это делается редко. Посмотрите на стену современного жилого дома или нового учебного заведения, и вы увидите массу трещин, а там, где трещины, непременно действовали когда-то растягивающие напряжения. Правда, хотя эти трещины вредят штукатурке и внутренней отделке здания, на деле они редко представляют какую-либо опасность для несущей конструкции. Основным условием надежности каменной кладки является то, чтобы линия давлений нигде и никогда не подходила к поверхности стены, или колонны.

 

Плотины

Подобно стенам, каменные плотины обычно разрушаются не из-за недостатка прочности, а из-за недостатка устойчивости - они, как и стены, могут опрокидываться. Боковое давление на плотину со стороны запруженной воды, как правило, сравнимо с весом каменной кладки плотины. Поэтому положения активной линии давлений могут резко меняться в зависимости от уровня запруженной воды. Для плотин в отличие от обычных зданий недопустимы никакие вольности в обращении с правилом "средней трети". Их каменная кладка ни в коем случае не должна содержать трещин, особенно со стороны, обращенной к запруживаемой воде. Присутствие трещины позволило бы воде под давлением войти внутрь конструкции, что повлекло бы за собой два нежелательных последствия. Во-первых, вода повреждала бы каменную кладку. В больших плотинах для предотвращения всякого просачивания воды в тело плотин обычно предусматривается специальный дренаж. Во-вторых, давление воды внутри трещины создавало бы направленную вверх силу (ее величина на глубине 30 м составляет около 0,5 МН/м2), которая в критической ситуации опрокидывает дамбу.

Так, разрушение британской авиацией плотин Мопе и Эдер в 1943 г. происходило в две стадии, разделенные коротким промежутком времени. Вначале взорвались бомбы, сброшенные Барнсом Уоллисом возле плотины со стороны верхнего бьефа (прежде чем взорваться, они затонули). Взрывы бомб образовали в теле плотины глубокие трещины, а уже опрокидывание плотин произошло через некоторый промежуток времени и было вызвано проникновением в эти трещины воды, давление которой было достаточно велико. Те, кто читал отчет об этих операциях, помнят, что между взрывами бомб и видимым разрушением плотины была заметная пауза. Разрушения эти нанесли огромный ущерб районам Рура.

Разрушение плотины в мирное время - страшный сон для инженера. Даже если плотина сделана из неармированного бетона, а не из камня, было бы неразумным положиться на сопротивление материала плотины растягивающим нагрузкам. Поэтому во всех плотинах, построенных из неармированных материалов, линия давлений, смещаясь в сторону верхнего бьефа при незаполненном водохранилище и в противоположную сторону, когда водохранилище заполнено до предела, не должна выходить из "средней трети", и не лишне при этом иметь еще некоторый запас. Чтобы удовлетворить этим требованиям, обычно строят суживающиеся кверху плотины асимметричной формы. Эта форма хорошо известна, вы видите ее на рис. 68.

Рис. 68. Каменная плотина без армирования.

Рис. 69. Армированная плотина.

Однако стоимость удержания воды с помощью плотины весьма высока, и инженеры постоянно ищут более дешевые способы сооружения плотин. Заметно снизить общий вес плотины и стоимость цемента позволяет применение бетона, армированного стальными прутьями, в особенности предварительно натянутыми, Однако если армирующие прутья не закреплены в твердой породе под основанием плотины, имеется реальная опасность, что плотина будет опрокинута как целое, вместе с арматурой и всем прочим.

Одно из возможных конструктивных решений показано на рис. 69. Здесь простые вертикальные стальные стягивающие стержни закреплены в твердой породе, лежащей в основании плотины, и проходят через бетон до ее верха, где они натягиваются с помощью устройства типа домкрата. Очевидно, что эти прутья работают так же, как и фигуры святых и башенки на кафедральных соборах. Любую обычную тяжелую каменную кладку также можно рассматривать как "предварительно напряженную" ее собственным весом. Тяжелые статуи, поставленные в ряд по верхней кромке плотины, несомненно были бы эффективны и, возможно, не так уж плохо и выглядели бы, но, боюсь, они оказались бы куда как дороже стальных стержней.

 

Арки

Хотя арки не столь стары, как каменная кладка, тем не менее они тоже ведут свое начало из глубокой древности. Имеются свидетельства, восходящие примерно к 3600 г. до н.э., о существовании вполне совершенных арок из кирпича как в Египте, так и в Месопотамии. Арки из камня, по-видимому, имели отдельную и, возможно. независимую линию развития, возникающую из идеи об устройстве выступов; такие выступы, образованные выдававшимися все дальше последовательными рядами каменной кладки, строились навстречу друг другу, пока не сходились. Своды помещений (рис. 70), над которыми возвышаются крепостные стены микенского города Тиринфа, - уже тогда, когда ими восхищался Гомер, они были старыми, - построены именно таким образом. Боковые ворота в этих громадных стенах (рис. 71) можно рассматривать как пример дальнейшего развития техники устройства выступов. Все это, вероятно, было построено ранее 1800 г. до н. э.

Рис. 70. Своды, образуемые посредством выступов каменной кладки. Тиринф, приблизительно 1800 г. до н. э.

Рис. 71. Боковые ворота в крепостных стенах Тиринфа.

Однако способ устройства арок с помощью серии выступов, подобный примененному при строительстве ворот в Тиринфе, довольно примитивен. Арки скоро развились в конструкцию, в которой кирпичи или камни имеют слегка клинообразную форму, такие камни носят название клинчатых. Детали обычной арки показаны на рис. 72.

Клинчатый камень на вершине, или шелыге, арки или свода называется замковым камнем, и иногда его делают большим, чем остальные. Хотя поэты, политики и представители гуманитарных наук склонны приписывать замковому камню особые свойства, употребляя его название в переносном смысле, в действительности замковый камень, если и имеет какие-либо отличия от других камней, то только декоративного характера.

Рис. 72. Элементы конструкции арки.

Назначение арочной конструкции состоит в том, чтобы выдерживать нагрузки, которые действуют на нее сверху вниз, преобразуя их в боковое давление, действующее вдоль арочного кольца и сжимающее по бокам клинчатые камни. Последние, конечно, в свою очередь давят на пяту арки. Как все это происходит, можно понять из рис. 73.

Кольцо арки, образованное кладкой из клинчатых камней, очень похоже на искривленную стену, и для нее также можно построить линию давлений, указывающую линии действия равнодействующих сил, как это делалось выше для обычных стен. В данном случае линия давлений должна искривляться, более или менее повторяя форму кольца арки. О линиях давлений в арках мы поговорим в следующей главе, пока же отметим сам факт существования линии давлений. Как и в случае стены, здесь также можно считать, что клинчатые камни не могут проскальзывать относительно друг друга и что соединения не способны выдерживать растягивающих напряжений.

Рис. 73. Распределение нагрузок в арке. Арка принимает на себя вертикальные нагрузки и преобразует их в боковые давления, которые действуют вдоль арочного кольца. Им оказывает противодействие пята арки.

Стыки между клинчатыми камнями ведут себя примерно так же, как и соединения в обычной кладке. Если линия давлений паче чаяния выйдет за пределы "средней трети", то появится трещина. Если же линия давлений сдвинется к поверхности кольца арки, то образуется "шарнир". Но что радикально отличает арку от тривиальной стены, так это то, что, в то время как в подобной ситуации стена бы рухнула, с аркой этого не происходит. Из рис. 74 видно, что в арке может возникнуть до трех шарниров, и при этом не происходит ничего страшного. В действительности в конструкциях многих современных мостов предусмотрены три шарнира, которые воспринимают тепловые расширения.

Чтобы мост обвалился, ему требуется четыре шарнира, тогда арка оказывается цепью из трех шарнирно связанных звеньев - механизмом, имеющим ту степень свободы, которая позволяет ему "складываться", то есть разрушаться (рис. 75). Кстати, поэтому, если вы хотите разрушить мост - из добрых или злых побуждений, - то взрывчатку лучше всего подложить в месте, отстоящем примерно на треть пролета арки. Для того чтобы добраться до верхней поверхности арки, обычно необходимо сначала сделать подкоп со стороны проезжей части моста. Но земляные работы всегда требуют времени, вот почему так часто срывались планы взорвать мост вслед за отступающей армией.

Рис. 74. Арка с тремя шарнирными точками.

Рис. 75. Появление четвертого шарнира влечет за собой разрушение арки.

Все это свидетельствует об исключительной устойчивости арок и о том, что они не слишком чувствительны к смещениям в основаниях. В то время как смещения в фундаменте стены могут вызвать обвал, смещения в основании арки вызовут в ней только перекосы, которые для арок довольно обычны.

Так, мост Клэр-на-задах в Кембридже весьма заметно изогнут посредине из-за смещений в основаниях арки (рис. 76). Это произошло уже давно, и тем не менее мост абсолютно безопасен.

Рис. 76. Мост Клэр-на-задах в Кембридже. Смещения в основаниях привели к перекосу арки, что совершенно не повлияло на безопасность моста.

Точно так же арки очень хорошо выдерживают землетрясения и такого рода напасти, как современные потоки транспорта.

Так что не удивительно, что наши предки часто были более чем привержены к аркам: арка может устоять, даже если вы серьезно ошиблись в вычислениях при ее проектировании (или вообще обошлись без всяких вычислений) и вдобавок решили строить все сооружение на болоте. Последнее на самом деле случилось с несколькими английскими кафедральными соборами.

Следует заметить, что среди развалин чаще всего наиболее сохранившимися оказываются арки. Отчасти это связано с присущей им устойчивостью, хотя не исключено и то, что клинчатые камни арок меньше интересовали окрестных крестьян, чем прямоугольные камни стен. (Последним объясняется и сохранность круглых колонн на развалинах греческих храмов.)

Добиться того, чтобы линия давлений проходила заведомо внутри стены или арки, как правило, легче в случае толстостенной кладки. Но сплошной кирпич и каменные работы очень дороги. Чтобы увеличить толщину стен без больших затрат, римляне стали использовать монолитный бетон. Он представлял собой смесь вулканического туфа (pulvis puteolanis), весьма распространенного в Италии, с известью и добавками песка и гравия.

Если стены и арки делать более толстыми, они становятся более устойчивыми и нет нужды увеличивать их вес. Но чем легче материал, требующий транспортировки и обработки, тем меньше, по-видимому, будет стоимость конструкции. Витрувий, выдающийся ученый древности (расцвет его творчества приходится на 20-е годы до н.э.), известный своими трудами по архитектуре и баллистике, свидетельствует о том, что в его время легковесный бетон нередко получали, добавляя порошок пемзы. Величественный Софийский собор в Константинополе (528 г.) построен именно из такого материала.

Уменьшение веса и стоимости бетона может быть достигнуто также и путем заполнения цементной массы самыми разными сосудами. В древнем мире в виноделии и виноторговле использовались амфоры. Эти большие глиняные сосуды скапливались в огромных количествах. Очевидно, само собою напросилось решение бросать их в бетон. Это обнаружилось во многих поздних римских постройках. В частности, имеются свидетельства, что из такого рода "тары" были сделаны стены прекрасных ранневизантийских церквей в Равенне.

 

Масштаб, пропорции и надежность

Хотя, как утверждают, одни конструкции поддерживают силы небесные, а другие не разваливаются благодаря краске или ржавчине, проектировщик, если он сознает свою ответственность, всегда стремится получить объективные гарантии прочности и устойчивости того, что он предлагает строить. Если он не в состоянии произвести соответствующие расчеты на современном уровне, тогда, очевидно, необходимо либо сделать модель конструкции, либо определить ее размеры, увеличивая в определенном масштабе размеры какого-то уже существующего образца, который оказался удачным.

Именно такими методами пользовались вплоть до самого недавнего времени. Возможно, к ним прибегают еще и сейчас. Но модели хороши лишь тогда, когда мы хотим посмотреть, как будет выглядеть вещь, а для предсказания прочности этот метод слишком ненадежен. Дело в том, что вес конструкции изменяется пропорционально кубу ее размеров. Так, если мы увеличим все размеры вдвое, вес возрастет в 8 раз. Площади же поперечных сечений тех или иных элементов конструкции, которые должны выдерживать нагрузку, изменяются пропорционально квадрату размеров конструкции, и при увеличении всех размеров вдвое площади всех поперечных сечений увеличатся только вчетверо. Поэтому с увеличением размеров напряжения растут линейно. Это означает, что если, например, мы вдвое увеличили все размеры, то получили и удвоенные напряжения со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Прочность конструкции, которая может развалиться вследствие разрушения материала, нельзя предсказать, наблюдая лишь поведение моделей или применяя операцию изменения масштаба к уже существующим образцам.

Это правило, установленное Галилеем, известно как "закон двух третей"; оно является веским основанием для применения современных методов расчета при проектировании автомобилей, кораблей, самолетов, станков. Возможно, именно поэтому всех этих конструкций до недавнего времени и не существовало, по крайней мере в их современной форме. Однако при создании больших каменных сооружений мы можем не обращать внимания на закон двух третей, поскольку, как уже говорилось, здания обычно рушатся вовсе не из-за разрушения материала при сжатии. Напряжения в каменной кладке столь малы, что мы можем позволить себе практически неограниченно увеличивать размеры сооружений. Однако в отличие от большинства других конструкций здания разрушаются потому, что их стены теряют устойчивость и опрокидываются, а устойчивость при любых размерах может быть предсказана путем исследования модели. В принципе устойчивость здания сродни устойчивости весов или безмена (рис. 77).

Рис. 77. Устойчивость здания подобна устойчивости весов, на нее не влияет изменение масштаба.

Опрокидывающие моменты, действующие на каждую из сторон такого устройства, с изменением размеров будут изменяться как их четвертая степень, и все устройство будет по-прежнему находиться в равновесии. Таким образом, если не заваливается маленькое здание, можно не беспокоиться и об устойчивости его копии, если она увеличена в соответствующем масштабе; именно этот факт лежит в основе "таинств" средневековых строителей, которые сводятся к набору определенных правил и пропорций. Известно, что эти строители использовали сделанные из гипса или сложенные из камня модели, порою их высота достигала 18 м. Такая методика, как правило, оказывалась плодотворной даже в случаях чрезвычайно сложных конструкций, подобных Реймскому кафедральному собору (рис. 78).

Рис. 78. Контрфорсы Реймского собора.

В классической греческой архитектуре арки, как правило, не встречаются, им предпочитали каменные балки или перемычки. Растягивающие напряжения в этих балках, или архитравах, были довольно велики и нередко приближались к предельным. Многие из архитравов треснули еще в древние времена. С этим связано армирование мраморных балок железом, например в Пропилеях. Дорические храмы не обваливались благодаря тому, что их короткие и высокие в сечении каменные балки, треснув, превращались в арки (рис. 79 и 80).

Рис. 79. Короткая каменная перемычка (архитрав) под действием растягивающих напряжений, треснув, превращается и арку с тремя шарнирными точками и продолжает держать нагрузку.

Для греческой трабейской архитектуры требовались очень большие каменные блоки. По мере того как цивилизация приходила в упадок, сложнее становилось перевозить большие грузы, возможно, именно это послужило одной из причин пристрастия средневековых строителей к готическим аркам и сводам, которые можно было строить из камней совсем малого размера.

Еще два столетия назад Джон Соун в своих лекциях по архитектуре отметил, что, несмотря на трудности, связанные с применением каменных балок, сооружения древних часто имели гигантские размеры, намного превосходившие современные ему здания. Так, Парфенон, например, значительно больше собора св. Мартина-на-полях. Тем не менее Парфенон, имея размеры 69 на 30 м, невелик по сравнению с построенным Адрианом храмом Зевса Олимпийского (138 г.), размеры которого составляют 108 на 52 м, - он занял бы большую часть Трафальгарской площади. Но и этот храм кажется меньше, чем он есть на самом деле, на фоне находящихся поблизости стен Акрополя (рис. 80). Точно так же впечатляют размеры каменной кладки римских мостов и акведуков.

Рис. 80. Развалины храма Зевса Олимпийского в Афинах (видна трещина на архитраве).

К разрушению этих античных конструкций люди приложили руку в значительно большей степени, чем природа, но некоторые из них хорошо сохранились и до наших дней. Однако в постройке этих сооружений древние в большей или меньшей степени следовали известным образцам. Если почему-либо этого не делалось, сооружения нередко оказывались "плохо склеенными". Корабли и повозки древних представляются нам сейчас крошечными и непрочными, а здания новой и необычной формы, подобные римским инсулам, которые представляли собой отдельно стоящие многоквартирные дома, к прискорбию, рушились столь часто, что император Август был вынужден издать закон, ограничивающий их высоту 18 м.

 

О позвоночнике и скелете

Позвоночник людей и животных состоит из набора позвонков из твердой костной ткани, по форме напоминающих маленькие барабаны. Между ними имеются "межпозвоночные диски", которые состоят из сравнительно мягкого материала, что позволяет позвонкам получать некоторые ограниченные взаимные смещения. Как правило, позвоночный столб подвергается общему сжатию - как под действием веса организма, который на нем держится, так и под действием натяжения различных мышц и сухожилий.

У молодых людей материал межпозвоночных дисков обладает гибкостью и вязкостью и в случае необходимости может выдерживать значительные растягивающие напряжения. Поэтому при повреждениях позвоночника под действием растягивающих сил разрушения обычно происходят в костях, а не в дисках. Однако с годами, начиная примерно с двадцати лет, материал дисков постепенно теряет свою гибкость, его прочность на разрыв падает, а достигнув почтенного возраста, наш позвоночник становится очень похож на колонну в храме. Позвонки уподобляются каменным барабанам, а диски - соединяющему их непрочному строительному раствору. Хотя диски все еще могут воспринимать небольшие растягивающие напряжения, таких напряжений следует избегать.

Вот почему людям среднего возраста рекомендуется удерживать линию давлений возможно ближе к центру позвоночного столба, именно в этом секрет правильного и неправильного способов поднятия тяжестей. Если груз поднимется неправильно, то в соединениях возникают слишком большие растягивающие силы и одно из соединений может поломаться. Результатом этого будет "соскользнувший диск" или одна из тех разнообразных и довольно таинственных неприятностей, которые мы объединяем под общим названием "люмбаго", прострел, и которые обычно причиняют сильную боль. Поскольку поведение позвоночника в какой-то степени похоже на поведение стены или каменной колонны и допустимые ситуации определяются "правилом средней трети", все сказанное о пропорциональном увеличении размеров зданий применимо и к размерам животных. Вообразите, как будут меняться размеры маленького животного. По мере увеличения его параметров толщина позвонков будет изменяться пропорционально характерному размеру. Однако большинство других костей, таких, как ребра и кости конечностей, подвергаются главным образом действию изгибающих нагрузок (подобно перемычкам храма), и эти нагрузки в основном пропорциональны массе животного. Это приводит к тому, что зависимость толщины таких костей от размеров животного должна быть более сильной, чем просто линейная.

Если мы посмотрим в музее на скелеты нескольких близких видов животных разного размера, например обезьян, то окажется, что, в то время как размеры позвонков мелких и средних видов обезьян, горилл и человека в основном пропорциональны росту особей данного вида, толщина и вес костей конечностей и в особенности ребер растут гораздо быстрее, чем размеры животного (рис. 81).

Рис. 81. Скелеты гиббона (слева) и гориллы (справа) иллюстрируют действие закона двух третей: с увеличением размеров животных толщина их ребер и костей конечностей растет быстрее, чем толщина позвоночника.

Природа в этом отношении оказалась мудрее римских архитекторов: с увеличением размеров сооружавшихся храмов они отказались от надежного приземистого дорического стиля и стали строить их в витиеватом и великолепном коринфском стиле с тонкими архитравами, которые часто не выдерживали непропорциональных нагрузок.

 

Кое-что о мостах,

или

святой Бенезе и святой Изамбар

Поразмыслив над этим незатейливым детским стишком, понимаешь, что это - порождение боязливого суеверия. Хотя первые определенные упоминания о нем относятся ко временам не столь и ранним, к XVII в., он несомненно родился гораздо раньше, и в "Оксфордском сборнике детских стихов" ему посвящено несколько страниц довольно отвратительного текста. По всему миру был распространен обычай танцев на мосту (on у danse, on у danse, sur le pont d’Avignon - там танцуют, там танцуют на Авиньонском мосту) и жертвоприношений при его закладке. И это не только легенды. Так, однажды в основании моста был обнаружен замурованный скелет ребенка.

Возможно, с этим как-то связано появление в Средние века в Европе монашеских орденов строителей мостов - fratres pontifices. В таком ордене состоял святой Бенезе, по замыслам которого, как предполагают, был построен Авиньонский мост. В детстве Бенезе, как и позже Телфорд, был пастушонком, и хочется думать, что, став строителем, он обходился без жертвоприношений и от него пошли те танцы и мелодия, под которую французские дети танцуют до сих пор. У французской ветви ордена строителей мостов был монастырь вблизи Парижа с очаровательным названием Святой-Жак-с-большим-шагом.

На практике мосты предназначены для того, чтобы тяжелые самодвижущиеся экипажи преодолевали по ним провалы и расщелины. Это может быть достигнуто с помощью различных технических средств, и здесь допустимо большое разнообразие конструктивных решений.

Метод, избираемый в каждом конкретном случае, зависит не только от физических и экономических требований, но также от моды и прихоти инженера. Почти каждый мыслимый способ, которым можно построить мост, был хотя бы однажды опробован на практике. Естественно предположить, что какой-то один из принципов постройки, оказавшийся "наилучшим", мог бы стать общепринятым, однако это не так, и чем дальше, тем больше становится получивших широкое применение конструктивных схем.

На территориях развитых стран мостов очень много и они очень разнообразны. Вместе взятые, они могли бы образовать интереснейшую экспозицию, наглядно демонстрирующую различные конструктивные решения. В большинстве других конструкций их элементы трудно разглядеть, они могут быть скрыты обшивкой, изоляцией, электрическим монтажом, украшениями. Мосты же хороши тем, что достаточно взгляда, чтобы понять особенности конструкции и то, как она работает.

 

Арочные мосты

Арочные мосты были популярными всегда, и до сих пор различные их формы все еще остаются в большой моде. Можно построить вполне надежную простую каменную арку, расстояние между опорами которой более 60 м. Все возражения против арочной конструкции моста обычно связаны с его стоимостью, высотой арок, величиной нагрузки на опоры или на фундамент.

Если говорить о простых арках в форме полукруга, широко применявшихся во времена древнего Рима и в Средние века, то в них неукоснительно выполнялось одно непременное требование: высота арки составляла около половины длины пролета. Таким образом, пролет в 30 м требовал высоты арки по крайней мере в 15 м. На практике это довольно много, однако не связано с особыми трудностями, если требуется построить мост над расщелиной глубиной более 15 м, поскольку в этом случае арка может быть опущена в расщелину так, чтобы ее вершина находилась на уровне подходящей к мосту дороги. Но вот если мост нужно построить на плоской местности, то он будет либо слишком "горбат", а потому неудобен и опасен, либо потребует длинных и дорогих наклонных съездов.

Проблема стала особенно острой с появлением железных дорог: для поездов нежелательны "горбатые" мосты, как и вообще перепады высоты, а для строительства пологих съездов серьезным препятствием служит высокая стоимость земляных работ. Один из способов обойти эту трудность, по крайней мере отчасти, - построить арку сравнительно небольшой высоты. В 1837 г. в связи с прокладкой Великой западной железной дороги Изамбар-Кингдом Брюнель построил мост через Темзу в Майнхеде, состоящий из двух кирпичных арок. Каждая арка моста имеет пролет 39 м при высоте всего в 7,3 м (рис. 82).

Рис. 82. Мост в Майнхеде, построенный Брюнелем в 1837 г. Он имеет самые длинные и плоские каменные арки в мире. Предсказания, что такие арки обязательно должны обвалиться, не сбылись по сей день, хотя мост выдерживает вес поездов, вдесятеро больший, чем во времена его постройки.

Как публика, так и специалисты были в ужасе, в газеты потоками шли письма с пророчествами, что мост обязательно рухнет. Чтобы отвести от себя эти потоки негодования, а возможно, и из чувства юмора Брюнель не спешил убрать деревянные леса и опоры, на которых собирались арки. Естественно, говорили, что он боится это сделать. Но когда, спустя год, опалубку разрушил шторм, арки стояли как ни в чем не бывало. Тогда Брюнель открыл секрет: оказывается, после завершения строительства монтажные опоры опустили на несколько сантиметров, так что в течение многих месяцев они никак не соприкасались с мостом. Мост стоит и поныне, хотя вес проходящих по нему поездов бывает в 10 раз большим, чем тот, на который рассчитывал Брюнель.

Если мы придаем арке менее крутую форму, уменьшая отношение ее высоты к пролету, боковое давление вдоль арки на клинчатые камни, как и следовало ожидать, увеличивается. Однако сжимающие напряжения, как правило, все еще гораздо ниже предела прочности каменной кладки и камням редко грозит опасность разрушения, хотя, когда арка вводится в строй и монтажные опоры убираются, ее перемещения бывают довольно значительны и могут достигать нескольких сантиметров.

Наиболее опасными для невысокой арки являются последствия большого бокового давления на опоры. Если фундаментом служит достаточно твердая порода, например скала, то все обходится, но если опоры построены на мягком грунте, то при слишком большом боковом давлении могут возникнуть серьезные неприятности. К сожалению, нужда в длинных, не очень крутых арках возникает именно тогда, когда мосты строятся через реки, протекающие по низменным, болотистым равнинам. Именно этим вызвано строительство мостов со множеством небольших арок. Не случайно почти все длинные средневековые мосты многоарочные. Недостатками таких мостов являются высокая стоимость возведения многочисленных быков (обычно под водой и часто в топком грунте), а также большое количество перегораживающих фарватер опор, которые создают неудобства и опасность для судоходства.

 

Чугунные мосты

Некоторые недостатки арочных мостов можно преодолеть, если при их создании отойти от традиционных материалов. К 70-м годам XVIII в. благодаря усовершенствованию доменного процесса значительно удешевилось производство чугуна, что позволило отливать из него клинчатые "камни". По своим свойствам чугун сильно отличается от железа и стали: он весьма хрупок и, выдерживая большие сжимающие нагрузки, весьма непрочен и ненадежен при растяжении. Этим он напоминает камень. Поэтому в строительстве с ним следует обращаться примерно так же, как с каменной кладкой.

Преимущество чугуна в сравнении с традиционной каменной кладкой состоит в том, что из него можно отливать ажурные решетчатые архитектурные детали, а это позволяет сильно снизить вес конструкции. Кроме того, лить чугун куда как дешевле, чем обтесывать камень. Наконец, чугунные мосты были весьма изящными (до той поры, пока не начали портиться вкусы, - приблизительно до первого билля о реформах).

Чугун принес в мостостроение двойную пользу. Во-первых, он сократил затраты труда и транспортные расходы; во-вторых, что значительно важнее, уменьшились вес арок и, следовательно, нагрузка на опоры, а это позволило строить менее крутые арки с более дешевыми фундаментами.

Любопытно, что преимущества новой техники мостостроения одним из первых оценил американец Томас Пейн (1737-1809), известный в истории как автор "Декларации о правах человека". Пейн спроектировал большой чугунный мост через реку Скуокилл у Филадельфии. Он приехал в Англию, чтобы заказать чугунное литье, и пока его заказ был в работе, решил навестить в Париже своих друзей-якобинцев. Симпатии к французской революции не помешали Пейну оказаться не только в тюрьме, но и почти на гильотине. Спасло его падение Робеспьера.

В отсутствие Пейна его финансовые дела пришли в упадок, чугунное литье было продано и пошло на постройку моста через Вер в Сандерленде. Арка, законченная в 1796 г., имела пролет длиной около 70 м при высоте всего около 10 м. Причиной того, что сорока годами позже Брюнель не решился использовать чугун для моста в Майнхеде, вероятнее всего, было опасение, что возникающие при движении поездов вибрации могут привести к растрескиванию этого хрупкого материала. Во всяком случае, его каменные арки работали прекрасно.

В XIX в. было построено множество чугунных арочных мостов. Хотя в большинстве случаев они были удачными, в наше время такие мосты строятся очень редко. Дело в том, что сегодня существуют более дешевые пути достижения тех же целей. Приземистые чугунные арочные мосты на первый взгляд весьма похожи на балку (см. гл. 10). Конструктивно же это совершенно различные элементы: материал арки всюду находится (или должен находиться) в состоянии сжатия, в то время как нижняя сторона балки подвергается растяжению. Если материал может выдерживать растягивающие напряжения, то конструкция в виде балки будет всегда и легче, и дешевле, чем арка, несущая ту же предельную нагрузку.

Некоторые из первых инженеров, в том числе и знаменитый Роберт Стефенсон (1803-1859), соблазнившись возможной экономией, пошли на весьма рискованное применение чугунных балок. Используя свою чрезвычайно высокую профессиональную репутацию, Стефенсон уговорил железнодорожные компании построить несколько сотен чугунных балочных мостов. Но мы уже говорили, что чугун непрочен и коварен при растяжениях, поэтому эти мосты действительно оказались очень опасными. В конце концов все их пришлось заменить, невзирая на расходы.

 

Арочные мосты с подвесной проезжей частью

Современная тенденция в строительстве больших арочных мостов - создание подвесной проезжей части. Если поставить параллельно две арки из стали или железобетона, то между ними на любом нужном нам уровне можно подвесить проезжую часть (рис. 83). В этом случае не возникнет ограничений на высоту арки. Мост Хелл-Гейт в Нью-Йорке (1915 г.) длиной в 300 м и мост в Сидней-Харбор (1930 г.), где длина пролета достигает 500 м, - стальные мосты именно такого типа. Основная нагрузка в них воспринимается сжатыми арками, а подвесная проезжая часть свободна от продольных напряжений. Давление на опоры в больших мостах весьма велико, поэтому необходимы очень надежные основания. Оба упомянутых моста построены на скальном основании.

Рис. 83. Арка с подвесной проезжей частью.

 

Подвесные мосты

Каменные арки имеют много достоинств. Как мы видели в предыдущей главе, их сравнительно легко проектировать, полагаясь на предыдущий опыт строительства и изменяя масштабы сооружения.

Как заметил профессор Хейман, очень трудно спроектировать арку, которая бы действительно рухнула. Тем не менее этот подвиг был совершен неким Вильямом Эдвардсом в Понтиприте в 1751 г., но я думаю, что письменных свидетельств о событиях такого рода, относящихся к более поздним временам, просто не существует. Наконец, арки не слишком чувствительны к довольно большим смещениям фундамента. И все же строить для них какой-то достаточно надежный фундамент все же приходится, в случае мягкого грунта это может оказаться сложно и дорого.

Хотя эксплуатация каменной кладки не требует больших затрат, ее первоначальная стоимость всегда велика, особенно при постройке больших мостов, которые требуют сложной опалубки. Поэтому мостостроители издревле стремились создать что-то более легкое и дешевое. В отсталых странах были весьма распространены подвесные мосты самых разных типов, обычно построенные с помощью веревок или других видов растительных волокон. Подвесные канатные мосты использовались также для военных переправ, особенно саперами Веллингтона во время войны в Испании.

Однако только новые веревки прочны и надежно выдерживают растягивающие усилия, канаты из растительных волокон чрезвычайно быстро портятся на открытом воздухе и теряют свою надежность (как могли убедиться в этом некоторые персонажи романа Торнтона Уайлдера "Мост короля Людовика Святого"). Для строительства подвесных мостов необходимы стальные или железные канаты. Чугун слишком хрупок, сталь до относительно недавнего времени была слишком дорога, тогда как железо обладает достаточной прочностью и трещиностойкостью; кроме того, оно хорошо противостоит коррозии.

Пешеходный мост длиной в 20 м на железных цепях был переброшен через реку Тис в 1741 г., однако кованое железо было тогда слишком дорого для широкого применения в строительстве мостов. После того как в конце XVIII в. был изобретен процесс пудлингования, кованые железные цепи стали сравнительно дешевы.

На мосту через Тис настил примитивным образом крепился прямо к цепям, поэтому он был непригоден для экипажей и слишком крут и опасен для пешеходов. Современная система больших башен, поддерживающих канаты, на которые подвешивается проезжая часть (рис. 84), была изобретением Джеймса Финлея из Пенсильвании, который начал строить мосты такого типа примерно с 1796 г.

Рис. 84. Современная ферма подвесного моста с горизонтальной проезжей частью, подвешенной к канатам; эта схема была предложена Финлеем в 1796 г.

Подвесная горизонтальная проезжая часть в сочетании с достаточно дешевыми коваными железными цепями сделала подвесные мосты весьма удобными для переброски колесного транспорта через широкие реки. В большинстве случаев эти мосты были гораздо дешевле и практичнее, больших каменных мостов. Идею подхватили быстро во многих странах. В Англии Томас Телфорд построил подвесной мост через пролив Менай (1825 г.). Его центральный пролет длиной в 166 м долгое время оставался непревзойденным (рис. 85).

Рис. 85. Подвесной мост через пролив Менай построенный Телфордом в 1819 г. Длина его пролета 166 м.

Цепи, использованные Телфордом, как и большинство подвесных цепей в мостах того времени, состояли из пластин, или звеньев, соединенных между собой болтами подобно цепям современных велосипедов. Концентрация напряжений в местах соединений требовала применения такого вязкого и пластичного материала, каким было кованое железо. Цепи получались весьма надежными, и какие-либо неприятности почти не возникали. Хотя кованое железо может работать на растяжение, его прочность не особенно велика, поэтому Телфорд предусмотрительно допускал наибольшее номинальное напряжение в цепях на уровне около 55 МН/м2 (5 кгс/мм2, что составляет менее 1/2 от предела прочности. В этих условиях большая часть прочности цепей предназначалась для того, чтобы выдерживать их собственный вес, и Телфорд считал, что мост через Менай имеет максимально возможную для подвесного моста длину пролета (для материалов того времени). Хотя Брюнель в свое время показал, что Телфорд был слишком осторожен (Клифтонский мост Брюнеля имел пролет 190 м), все же в течение многих лет пролет моста через Менай оставался рекордным. Во всяком случае, ограничения на длину, которые возникают при применении железных кованых цепей, достаточно очевидны.

Современные успехи в строительстве больших автодорожных подвесных мостов стали возможны в результате появления высокопрочной стальной проволоки. Высокопрочная сталь гораздо прочнее кованого железа или мягкой стали, и поэтому она может выдержать собственный вес при гораздо большей длине канатов. Правда, она более хрупка, чем кованое железо, но это не страшно, поскольку канат сплошной и не имеет отдельных звеньев с болтовыми соединениями, которые особенно уязвимы для трещин. Кроме того, в отличие от цепного каната, в котором работают в параллель три или четыре звена, проволочный канат состоит из многих сотен отдельных нитей, так что разрыв одной из них совершенно не опасен (рис. 86).

Рис. 86. Подвесной мост через Северн.

Примером того, что можно делать в наши дни, служит мост через Хамбер на новой автомагистрали, длина пролета которого 1388 м, то есть в 8 раз превышает длину, которую Телфорд считал предельной. Это оказалось возможным благодаря канатам в подвеске, которые работают (и вполне надежно) при напряжениях около 600 МН/м2 (60 кгс/мм2), более чем в 10 раз превышающих напряжения в кованых цепях Телфорда.

 

Линия давления в арках и подвесных мостах

Форма, которую принимают канаты подвесных мостов, является оптимальной, так как гибкий трос в любом данном месте не может быть направлен иначе, чем по равнодействующей всех нагрузок, действующих на него в данном сечении. Поэтому определить форму каната подвесного моста мы можем, либо нагрузив его модель, как это делал Телфорд, либо без особых затруднений построив на листе ватмана так называемый "веревочный многоугольник". Его используют как при проектировании подвесных мостов, например в случае, когда нам нужно знать точную длину подвесок для проезжей части, так и при проектировании арок.

Не требуется большого воображения для того, чтобы, посмотрев на подвесной мост и на арку, понять, что подвесной мост - это перевернутая вверх ногами арка, и наоборот. Другими словами, если мы изменим знак всех напряжений в арке, то есть заменим сжатие на растяжение, то все эти натяжения могут быть выдержаны одним искривленным канатом, форму которого можно считать "линией давления" при растяжении. Сделав так, мы довольно легко находим линию давления при сжатии, например для арочных мостов и куполообразных крыш.

Форма линии давления может слегка изменяться в зависимости от особенностей нагружения, например от присутствия транспорта на мосту. Проектируемая арка будет безопасна в тех и только в тех случаях, когда все возможные линии давления целиком лежат в пределах конструкции арки. Иногда даже люди со специальным образованием считают, что получаемые таким образом линии давления имеют форму цепной линии, и поэтому форма круглой арки является "неправильной". Конечно же, это не всегда верно, и в большинстве случаев линия давления довольно близка к дуге окружности - в оправдание древних римлян, имевших обыкновение строить вполне надежные полукруглые арки. Однако если мы захотим сделать очень тонкую арку - такие арки обычны для современных железобетонных мостов, - то лучше прибегнуть к точному расчету ее формы, ибо здесь свободное пространство для линии давления весьма мало.

 

Мостовые фермы с верхним криволинейным поясом

Хотя подвесные мосты взяли блестящий старт в начале XIX в., их распространение было прервано на сотню лет появлением железных дорог. Большинство из 25 тыс. мостов, построенных в викторианской Англии, были железнодорожными. Подвесной мост - слишком гибкая конструкция, и под действием больших сосредоточенных нагрузок он может опасно деформироваться. Эта особенность подвесных мостов не очень существенна для шоссейных дорог, но железнодорожный состав по меньшей мере раз в сто тяжелее телеги или грузовика, поэтому он вызывает в сто раз больший прогиб, что, конечно, совершенно не допустимо.

Те несколько подвесных железнодорожных мостов, которые были построены в Англии, оказались явно неудачными. Американцы, у которых реки были шире, денег меньше, а веры в успех больше, некоторое время упорствовали, но в конце концов и они были вынуждены от них отказаться.

Следовательно, требовались не только легкие и дешевые, но и достаточно жесткие мосты, к тому же с большими пролетами. Это привело к разработке мостовой фермы с верхним криволинейным поясом, или стянутой арки (рис. 87).

Рис. 87. Мостовая ферма с верхним криволинейным поясом, или "стянутая арка".

Арка, конечно, обладает значительной жесткостью, но ее давление на опоры оказывается весьма большим. Это не столь существенно, когда опоры представляют собой прочные скальные породы, но в железнододорожном строительстве в большинстве случаев таких условий нет. Особенно сложно установить арку или серию арок на высоких и тонких опорах, они могут оказаться совершенно не способными выдерживать большие боковые нагрузки. Но от инженеров викторианского времени порой требовалось именно это: они смело прокладывали железнодорожные пути через глубокие долины, порой на высоте более 30 м. Один из способов решения проблемы состоит в том, чтобы чем-то стянуть концы арки. Оказалось, это можно сделать с помощью самого подвешенного железнодорожного полотна, которому здесь приходится работать, обеспечивая свою же собственную безопасность: полотно будет находиться в состоянии растяжения.

По внешнему виду описанная конструкция похожа на обычную арку с подвесной дорогой, но работает она совершенно иначе. Здесь нет никаких боковых давлений на опоры, они должны выдерживать только вертикальные нагрузки, вызванные весом самой фермы и проходящего по ней транспорта. Вместо твердого закрепления все сооружение может покоиться на роликах, что часто и делается для компенсации температурного расширения и сжатия металла. Такие фермы не производят никакого бокового давления, поэтому их можно устанавливать на относительно тонких каменных колоннах.

Мостовая ферма в форме стянутой арки представляет собой отдельную готовую деталь, что позволяет существенно упростить строительство больших мостов. Ее можно собрать на земле, где-нибудь в стороне от моста, затем перевезти к опорам на плотах или баржах и поставить на место с помощью домкратов. Именно так возводил Брюнель пролеты Солташского моста. Как мы увидим в следующей главе, стянутая арка на самом деле является одним из членов многочисленного семейства ферм и решетчатых балок, которыми изобилует современная техника.

 

Чем хороши балки,

или

о крышах, фермах и мачтах

Надежная крыша над головой - одно из первостепенных условий цивилизованного существования, но крыша тяжела, а потому проблема поддержки ее так же стара, как и сама цивилизация. Смотрим ли мы на знаменитое прекрасное сооружение или просто на какое-то здание, всегда поучительно обратить внимание на архитектурное решение крыши, ибо оно определяет не только конструкцию самой крыши, но и вид стен, окон да и весь внешний облик здания.

На самом деле проектирование крыши, по существу, очень схоже с конструированием моста, с той лишь разницей, что стены здания в, отличие от мостовых опор стремятся сделать как можно тоньше, а потому и боковое давление на стены необходимо рассчитывать более тщательно. Как мы видели в гл. 8, если крыша оказывает слишком сильное боковое давление на верхнюю часть стены, на которую она опирается, то линия давления попадает в опасную зону, в результате чего стена может рухнуть.

Многие римские здания, а также все византийские культовые сооружения имели сводчатые или арочные перекрытия, создающие сильное боковое давление. Поэтому поддерживающие их стены обычно имеют очень большую толщину, так что линия давления находится в безопасной зоне. Как уже говорилось, эти толстые стены часто делались монолитными, иногда их облегчали, замуровывая в них пустые винные кувшины. Кроме того, что такие стены были, конечно, весьма устойчивыми, у них имелось и еще одно немаловажное для жаркого климата преимущество - они обеспечивали отличную теплоизоляцию. Зачастую византийская церковь оказывалась единственным прохладным местом в греческом селении. Ослабить толстые стены большими оконными проемами было рискованно, поэтому в римских и византийских зданиях окна обычно малы и расположены довольно высоко от земли.

Средневековые замки тоже часто строились без существенных отклонений от римских традиций, как замок на Корф-Кэстл с монолитными стенами многометровой толщины. Такие стены могли, конечно, выдержать давление сводчатых перекрытий, а по вполне понятным соображениям военного характера защитники замка предпочли бы вовсе обойтись без окон. Ранние норманские или романские церкви не отличаются разнообразием архитектуры и своими толстыми стенами, маленькими круглыми арками и оконцами непосредственно восходят к римскому прототипу. Почти все ранние романские церкви были неплохо построены, и многие из них сохранились и по сей день. Трудности появились позднее и связаны были в основном с растущей модой на большие и светлые окна.

Естественно, что жители жарких стран относятся к окнам иначе, чем северяне, многие из них и поныне предпочитают жить в сумерках за закрытыми ставнями. Нет сомнения, что устройство небольших, пропускающих мало света окон - средиземноморский обычай, он восходит к Древней Греции, Риму, Византии. Надо думать, это никак не связано с дефицитом стекла.

В Северной Европе даже любившие повоевать рыцари и бароны не желали проводить время в мрачных, лишенных окон замках. Они хотели солнца и света, не по душе им была архитектура по римским образцам. Жажда света породила прямо-таки культ окон, и очень скоро строители, стараясь перещеголять друг друга, создают залы и соборы, окна которых становятся все громадней и красивей. Хотя средневековые мастера могли быть безнадежно далеки от какого-то научного подхода, среди них, без сомнения, были люди с гораздо более яркими творческими началами, чем это обычно принято считать. И мы в большом долгу перед ними за то, что они показали нам, сколь прекрасными могут быть окна.

Однако эффект от таких окон в значительной мере теряется, если их вставлять в похожие на тоннель отверстия в толстой стене. Попытки же делать большие окна при тонких стенах неизбежно приводили к катастрофам. В основе норманской архитектуры лежит архитектура романская, а она не допускает таких отклонений, ибо по ее законам устойчивость и надежность определяются толщиной стен. Тем не менее это не всегда останавливало строителей, и, наверное, именно позднероманские постройки породили афоризм: "Вопрос не в том, упадет ли, а в том, когда именно?"

Сейчас уже трудно определить, насколько ясно средневековые каменщики понимали смысл происходящего. Вероятнее всего, их понимание сути вещей было путаным и субъективным, иначе они не повторяли бы из поколения в поколение одни и те же ошибки. Однако рано или поздно кто-то понял, что совместить стремление к большим окнам стойкими стенами можно с помощью контрфорсов, которые должны поддерживать стены, подпирая их снаружи и сопротивляясь распирающему давлению крыши. Контрфорсы как бы увеличивали эффективную толщину стен, выполняя ту же задачу, что и римские кувшины, только по-иному.

Обычные контрфорсы на самом деле представляют собой лишь местные утолщения стен между окнами. Там где имелся только один зал, как в капелле Королевского колледжа в Кембридже (рис. 88 и 89), они были очень эффективны. Но как только понадобились боковые приделы, тут же возникли трудности. Чтобы поддерживать крышу нефа, не затеняя чрезмерно верхних окон, мастера готики ввели аркбутаны (рис. 90).

Рис. 88-89. Контрфорсы капеллы Королевского колледжа в Кембридже.

В этом случае вертикальная часть контрфорса отнесена от стены и удерживается серией арок, которые передают нагрузку, не слишком загораживая свет. Аркбутаны в сочетании с большими окнами обладают огромными декоративными возможностями, особенно при разумном расположении статуй и башенок, вес которых, как, должно быть, понимали строители, помогает контрфорсам в их нелегкой задаче - благополучно провести линию давления вниз через кружевной лес каменной кладки. В конце концов окна стали так велики, что от стен, поддерживающих здание, почти ничего не осталось. Имея дело с узкими полосками каменной кладки, как и с современными мачтами, невозможно обойтись без боковой поддержки. И как устойчивость высокой тонкой мачты обеспечивается весьма изощренной оснасткой корабля, так и устойчивость этих изящных стен целиком зависит от их поддержки арками и контрфорсами.

Рис. 90. Появление боковых приделов потребовало изобретения аркбутанов.

После того как все эти идеи проникли в сознание зодчих, были поняты ими и реализованы, строительство и архитектура достигли совершенно небывалых и впечатляющих высот. Ко времени создания позднеготических построек их архитектура потеряла всякую видимую связь с классическими образцами, от которых она произошла. Трудно найти менее схожие сооружения, чем, скажем, Кентерберийский собор и римская базилика. И все же линия общего развития здесь прослеживается ясно.

Постройки, о которых мы здесь говорили, прекрасны, но все они чрезвычайно дороги, и, конечно, куполообразные своды и арочные перекрытия обычно не годятся для частных домов. Вместо арок гораздо дешевле и проще применять для поддержания кровли какие-нибудь балки. Если над пролетом между стенами положить длинные наклонные балки, или стропила, то они будут передавать вес крыши через свои концы вертикально вниз, не оказывая никакого распирающего давления. В результате нежелательных отклонений линии давления от вертикали не возникнет, стены могут быть достаточно тонкими и отпадает необходимость в контрфорсах (рис. 91).

Рис. 91. Ферма перекрытия. На схеме показано шарнирное опирание (на роликах), чтобы подчеркнуть необходимость избежать распирания стен.

Уже по одной только этой причине балка является одним из важнейших элементов всех строительных конструкций. На самом же деле применение балок и ферм выходит далеко за рамки задач, связанных с крышами зданий; балки и теория изгиба балок сыграли в действительности чрезвычайно важную роль в обеспечении самой возможности технического прогресса. Неожиданно все это оказалось важным и в биологии.

Слово "балка" (beam) на староанглийском означает "дерево", оно до сих пор сохранилось в английских названиях отдельных деревьев, например березы и граба (whitebeam, hornbeam). Сегодня балки чаще всего делают из стали и железобетона, однако в прошлом на протяжении столетий при строительстве слово "балка" означало деревянный брус, часто даже целый ствол дерева. Хотя дешевле и проще срубить дерево, чем построить каменную арку или куполообразный свод, раздобыть нужное количество больших деревьев тоже порой было нелегко, больше того, настали времена, когда длинные брусья стали редкостью. Вот тогда и возникла необходимость в поисках способов, которые позволили бы строить крыши из деталей небольшой длины.

 

Фермы перекрытий

Современному человеку кажется совершенно очевидным, что стропила и перекрытия из коротких брусьев лучше всего делать, как в детском конструкторе, соединяя эти брусья в конструкцию треугольной формы (рис. 92).

Рис. 92. Ферма из коротких деталей.

Мы пришли к решетчатой ферме. Всем нам примелькались подобные конструкции стальных железнодорожных мостов. Любая конструкция такого рода, составленная из треугольников, называется фермой. Как и длинная сплошная балка, правильно сконструированная ферма позволяет экономно перекрывать длинные пролеты, не оказывая опасного бокового давления на поддерживающие ее стены. Применение ферм (и теория ферм), как и применение балок (и теория балок), в современной технике не ограничивается строительством зданий, оно гораздо шире. Фермы используются в конструкциях судов, самолетов, мостов и многих других машин и сооружений. Как мы видели в предыдущей главе, стянутая арка представляет собой еще одну реализацию той же идеи.

Однако в архитектуре ферма, или решетка из балок, внедрялась удивительно медленно. В наиболее простой ферме - в виде деревянных стропил крыши - эта идея может показаться совершенно очевидной, однако нашим предкам потребовалось немало времени для ее освоения. Они ведь никогда не видели железнодорожных мостов и не играли с детским конструктором. Стропила и фермы были, как оказалось, изобретением позднего Рима, хотя вплоть до средневековья никогда по-настоящему не применялись. Архитектуре удавалось обходиться без ферм на протяжении почти всей античной эпохи.

Греческим строителям никогда не приходила в голову сама идея ферм. Великие афинские архитекторы Мнесикл, построивший Пропилеи, и Иктин, создатель Парфенона и храма Аполлона в Бассах, сознательно отвергли использование арок и куполообразных сводов для перекрытий. И все же они оказались не способны придумать стропила или какой-либо достойный их эквивалент. Блеск эллинской архитектуры меркнет, как только нам попадается архитрав. Греческие кровли говорят о некотором недомыслии античных архитекторов.

Обычные каменные балки или перемычки нельзя использовать для надежного перекрытия пролетов длиной более 2,5 м - они могут обвалиться. Сознавая это, древние греки встали перед необходимостью использовать для перекрытий храмов и других зданий деревянные балки, хотя в античной Греции деловая древесина становилась столь же дефицитной, как и в современной.

В тех случаях, когда для храма можно было найти необходимое количество деревянных брусьев во всю длину перекрытия, эти балки укладывали горизонтально прямо на стены и каменные перемычки перистиля. Сверху накладывался достаточный настил, так что получался сплошной потолок над всей площадью здания (рис. 93).

Рис. 93. Крыша древнегреческого храма.

Но крышу, естественно, нужно было сделать водонепроницаемой, для этого над потолком сооружали большой холм из глины, смешанной с соломой и водой. Таким образом, на храм средних размеров наваливали кучу глины весом около 3 тыс. т. Затем весь этот "агротехнический" материал хорошо утрамбовывали и выравнивали, так чтобы холм приобрел треугольную форму с плоским скатом. После этого прямо поверх глины примерно так, как укладывают плитки на садовых дорожках, укладывали черепицу. Надо думать, строители рассчитывали на то, что огромная масса сырой глины высохнет прежде, чем начнет гнить поддерживающий ее потолок. Высыхая и растрескиваясь, глина, должно быть, становилась превосходным убежищем для всякого рода паразитов; но она же обеспечивала и прекрасную термоизоляцию, что особенно ценно в условиях жаркого климата. Однако чаще приходилось довольствоваться короткими бревнами небольшой длины. Царь Соломон, чтобы получить ливанский кедр для своего дворца, заключил даже политическое соглашение с царем Хирамом, и несмотря на это балки на крыше его дворца были длиной лишь по 17 локтей (примерно 7 м). В греческих храмах эти балки были еще короче, чем во дворце Соломона и подпирались снизу рядами колонн, хотя зачастую это было довольно неудобно. В одном большом дорическом храме (около 550 г. до н. э.) в Пестуме, на юге Италии, линия колонн проходит прямо посреди зала, разделяя его на два равных крыла. Это не могло не мешать проведению религиозных церемоний. В более поздних храмах встречается уже симметричное расположение колонн, которое было удобнее (рис. 94), но даже Парфенон разделен изнутри колоннами, которые нам кажутся излишними.

Рис. 94. В храмах V в. крышу удавалось соорудить без использования ферм.

Наиболее простым видом ферм, используемых для перекрытий, является конструкция А-образной формы, появившаяся в Средние века. Нижнюю часть фермы, воспринимающую горизонтальные нагрузки, строители называют ригелем. Обычно не представляет труда найти для ригеля достаточно длинные бревна, чтобы сделать простую треугольную ферму (рис. 95) для небольших пролетов.

Однако уже двухэтажные дома с такими перекрытиями непропорциональны и выглядят довольно нелепо. При этом бесполезно пропадает большое пространство под крышей. Поэтому строители стараются более высоко располагать ригель, что позволяет размещать внутри крыши комнаты, используя, где необходимо, слуховые окна. Но у ферм с высоко расположенными ригелями под действием веса крыши выгибаются и пружинят стропила, создавая боковую нагрузку на стены (рис. 96), что в конечном счете может дорого обойтись. Чем выше расположен ригель, тем, естественно, эта опасность больше.

Рис. 95. Обычный двухэтажный дом

Рис. 96. Последствия использoвания фермы с высоко поднятым ригелем (преувеличено, но не слишком).

Серьезной проблемой было сооружение крыши для средневековых залов и соборов, имевших зачастую большие пролеты. Использование в них ферм, возможно, было бы дешевле, чем сооружение арочных или куполообразных сводов. Однако, окажись даже под рукой достаточно длинные бревна для ригелей и стропил, они нависли бы почти над головой и весь архитектурный эффект зала или нефа был бы потерян, в частности, были бы закрыты большие восточное и западное окна. Поскольку в те времена внешнему виду придавали большее значение, чем функциональности, то строители континентальной Европы оставались верными каменным сводам, используя для поддержки арочных крыш изощренную и дорогую систему контрфорсов.

В этой связи интересно отметить, что английские строители выработали компромиссный вариант деревянной крыши, который можно назвать скорее гениальным, чем научно обоснованным: перекрытие с подблочником (рис. 97).

Рис. 97. Компромиссный английский вариант перекрытия.

Подобные крыши больших зданий стали в Англии довольно популярными; их можно увидеть на таких зданиях, как Вестминстер-холл, и на многих колледжах Оксфорда и Кембриджа, а также на некоторых больших частных домах. Выглядят они очень хорошо и этим, вероятно, отчасти обязаны тем возможностям, которые предоставляют в распоряжение резчиков по дереву многочисленные "суставы" ферм. Почитатели Дороти Сойерс вспомнят приключения Питера Вимсея среди ангелов и херувимов, вырезанных на деревянных балках церкви св. Павла в Фенчерче.

От обычных стропил с высоким ригелем перекрытие с подблочником отличается тем, что в нем точка приложения распирающего давления к наружным стенам существенно смещается вниз, а это уменьшает опасные смещения линии давления. Хотя этот тип перекрытий хорошо себя зарекомендовал на практике, континентальные архитекторы никогда им не увлекались и вне Англии он применялся считанное число раз.

В традиционных деревянных фермах соединения обычно выполнялись с помощью деревянных нагелей, а иногда железных хомутов. Такие соединения вообще-то не отличаются особыми качествами, но главным требованием к таким конструкциям была скорее жесткость, чем прочность.

В больших современных сооружениях - заводских цехах, ангарах и складах - фермы перекрытий часто делаются из стальных деталей, например уголкового профиля, и в этом случае особых проблем с прочностью соединений не возникает. В небольших домах фермы перекрытия в наши дни почти всегда делают деревянными, обычно брусья выбираются минимально возможной толщины. Жесткости потолочных балок порой может хватать только на то, чтобы с потолка не сыпалась штукатурка. При модной сейчас переделке чердака в дополнительную комнату наибольшие осложнения сулит недостаточная жесткость пола. Хотя балки перекрытия едва ли треснут, вес людей и мебели может вызвать серьезные и дорогостоящие повреждения дома. Мастерам-любителям это полезно иметь в виду.

 

Фермы в кораблестроении

Корабелы использовали фермы разных типов за много столетий до того, как к той же идее пришли строители и архитекторы. Почти все трактаты по истории судостроения начинаются с древнеегипетских лодок, предназначенных для плавания по Нилу. Как уже было известно пророку Исайе, они делались из плотно связанных воедино снопов тростника. Их возникновение относится к временам более древним, чем времена Исайи (около 740 г. до н. э.) - IV-III тысячелетиям до нашей эры. Подобные лодки используются и сейчас на Белом Ниле, а также на озере Титикака в Южной Америке. Эти лодки приобретали нужную форму, если можно так выразиться, естественным путем - за счет того, что снопы тростника суживаются к концам. Их длинные концы часто стягивались так, что они загибались кверху и служили украшением носа и кормы. С незначительными изменениями эта форма сохранилась и до наших дней у средиземноморских гребных лодок, в частности у венецианских гондол и мальтийских джайс.

Хотя плавучесть судна обеспечивается в основном средней частью корпуса и в меньшей степени его суживающимися концами, сознание этого никак не служит препятствием для установки тяжелых грузов на носу и корме корабля. В результате судно выгибается - середина его корпуса поднимается, а нос и корма погружаются в воду - в противоположность фермам и мостам, где середина фермы, наоборот, провисает ниже уровня ее концов. И хотя выгибание и провисание отличаются прямо противоположными направлениями нагрузок и прогибов, к обоим случаям применимы одни и те же законы и рассуждения.

С конструктивной точки зрения корпус судна - это та же балка, и результат действия выгибающих сил на податливый корпус тростниковой египетской лодки совершенно очевиден. Выгнутая лодка производит не лучшее впечатление, да и многие другие не менее важные причины не позволяли с этим мириться, так что уже в 3000 г. до н. э. приходилось принимать какие-то меры. Египтяне решили эту проблему чрезвычайно остроумно. Они придумали систему, которая состояла в следующем. Крепкий канат протягивали по верху вертикальных стоек, а петлями на его концах охватывали нос и корму. Канат можно было натягивать с помощью некоторой разновидности "испанского ворота", скручивая его (и укорачивая там самым) с помощью продетого в петлю рычага. Таким способом можно было придать большой тростниковой лодке ту степень кривизны (или "прямизны"), которую захочет шкипер (рис. 98).

Рис. 98. Египетское морское судно (2500 г. до н. э.). Оно сделано из дерева, но сохранило характерные для тростниковых лодок вертикальные детали на носу и корме. Отдельные доски очень коротки и плохо соединены между собой, поэтому корабль сохранил также традиционную египетскую выгнутую форму (обратите внимание на А-образную мачту).

По мере развития кораблестроительного искусства египтяне, оставив тростник, принялись строить свои корабли из дерева. Поскольку доски были достаточно короткими, а соединения довольно хлипкими, описанное выше изгибающее устройство оставалось по-прежнему необходимым.

Греческие корабелы оказались искуснее египетских, они строили превосходные триремы, боевые галеры, составляющие основу морской мощи Афин. Но делались они из таких же коротких досок, их корпуса легко прогибались и давали течь. Для борьбы с этим греки использовали устройство, основанное на том же принципе, но в несколько усложненном виде. Они изобрели так называемую гипосому. Прочный канат проходит снаружи вокруг всего корпуса корабля чуть ниже палубы и стягивается все тем же испанским воротом в той мере, в какой это нужно кормчему.

В ту пору военные корабли во время сражений таранили друг друга, поэтому им необходимо было выдерживать большие и внезапные нагрузки. И гипосома была тут незаменима: без нее немыслимо было не только сражаться, но и просто выходить в открытое море. Если в современной практике при разоружении военных кораблей вынимают замки из орудий, то в античные времена, чтобы обезоружить триремы, достаточно было просто снять гипосомы.

Совершенно очевидно, что афинские корабелы были хорошо знакомы с основами сооружения ферм, поэтому естественно напрашивается вопрос, почему же такие знаменитые афинские архитекторы, как Мнесикл и Иктин, не подхватили ту же идею при постройке своих храмов. Возможно, аналогия между провисанием и выгибанием не приходила им в голову, а может быть, они просто никогда не сидели за одним столом с корабельными мастерами. В конце концов, сколько архитекторов сегодня хоть раз беседовало о своих конструкциях с судостроителями?

Когда хрупкие весельные боевые галеры вышли из употребления, надолго исчезли и выгибающие устройства. Однако американские речные пароходы XIX в. прогибались почти так же, как и греческие триремы или египетские суда на Ниле. Их деревянные с небольшой осадкой корпуса рождали те же проблемы, и американцы разрешали их тем же способом, что и древние египтяне. Все американские речные пароходы были снабжены "египетской" оснасткой. Отличие состояло лишь в том, что растягиваемые части были выполнены из железных стержней, а не из папирусных канатов, и натягивались они с помощью винтовых пар, а не испанского ворота. Участвовавшие в гонках шкиперы утверждали, что могут "выжать" из своих пароходов лишние пол-узла, просто регулируя натяжение тросов и изменяя тем самым форму корпуса. Тот факт, что корпуса у этих пароходов текли еще сильнее, чем у греческих трирем, не имел особого значения, ибо все они были снабжены паровыми помпами.

Во множестве разновидностей фермы присутствуют и в оснастке любого парусного корабля. Весьма вероятно, что парус - тоже египетское изобретение, ибо на Ниле почти весь год ветры дуют против течения и грузовые суда могли подниматься по реке с попутным ветром, а спускаться вниз по течению, как они это делают и сейчас.

Первая задача при сооружении парусного корабля - это воздвигнуть мачту, чтобы поднять на нее парус. Вторая и гораздо более трудная задача - удержать эту мачту в вертикальном положении. Вообще мачты парусного корабля - это обыкновенные столбы или стойки, удерживаемые с разных сторон системой натянутых канатов, которую моряки называют "стоячим такелажем" - вантами и штагами. Если жесткость корпуса позволяет в нужной мере натянуть ванты, то почти всегда такая конструкция оказывается наилучшей. Расчет показывает (мы увидим это в гл. 13), что она имеет наименьший вес и стоимость. Египтяне не делали подобных расчетов; больше того, они о них и не задумывались. Их заботило только то, как найти какой-нибудь способ для поддержки этой новой штуки - паруса - над сделанным из тростника корпусом, чтобы не выбиваться из сил от гребли.

Потратив немало времени на разработку парусного оснащения надувных спасательных лодок, которыми снабжались бомбардировщики, я могу посочувствовать древним египтянам, занимавшимся этим делом.

Надувной корпус резиновой лодки почти так же гибок и податлив, как и корпус египетского тростникового судна. Трудно ожидать, что к предмету вроде мокрого мяча или хлипкой вязанки тростника удастся прикрепить туго натянутые канаты. При этих обстоятельствах сама идея стоячего такелажа становится довольно смехотворной. Поэтому египтяне весьма разумно помещали поверх корпуса своей каракатицы нечто вроде треугольника, или фермы А-образной формы (см. рис. 98). Эта конструкция прекрасно работала на Ниле; я завидовал древним египтянам, нашедшим решение проблемы, но, к несчастью, оно не годилось для спасательных лодок. Египтянам не нужно было делать складной оснастки, упаковывать ее в небольшой ящик, который необходимо было еще втиснуть в самолет, и без того набитый сверх всякой меры.

Греческие и римские торговые суда имели уже достаточно прочные и жесткие корпуса, которые могли выдержать создаваемую стоячим такелажем нагрузку. Мачты у них располагались посередине корабля и поддерживались обычными вантами и штагами. Однако даже большие римские корабли редко несли больше одной мачты, на которой кренилась одна длинная рея с большим квадратным парусом. И так продолжалось вплоть до бурного расцвета мореплавания в эпоху Возрождения. Именно тогда стала усложняться оснастка больших кораблей, увеличилось число мачт и парусов. Примерно в это время одиночная мачта была заменена тремя мачтами, называемыми фок-, грот- и бизань-мачтами. Затем мачты стали подрастать в вышину и в дополнение к нижнему квадратному, курсовому, парусу над ним располагались квадратный марсель, затем брамсель и наконец бом-брамсель. (Еще более высокие "небесный" и "лунный" паруса появились много позднее, в разгар эры клиперов.)

Традиционно каждый парус - курсовой, марсель, брамсель и бом-брамсель - крепится на отдельной секции мачты. Над нижней частью мачты идет стеньга, затем брам-стеньга и т. д. Каждая секция мачты делается из отдельного бревна и удерживается в нужном положении сложной и хитроумной системой вант и растяжек. Система устроена таким образом, что при необходимости все верхние части мачты и реи могут быть разобраны и спущены на палубу. Так как самые большие брусья весят по нескольку тонн, требуется не только мастерство, но и немалое присутствие духа, чтобы опускать и поднимать такие громоздкие предметы на качающемся корабле. Большой корабль имел команду примерно из 800 человек, большинство из них могло бы посрамить как верхолазов, так и тренированных атлетов.

Парусные учения британского флота на Средиземном море в 40-х годах прошлого века стали легендой. Адмирал, закончив завтрак, мог подать сигнал: "Всем кораблям сменить стеньги. О затраченном времени и числе несчастных случаев доложить". Очень возможно, что так оно и было. Известно, что парусное снаряжение таких линкоров британского военно-морского флота, как "Марлборо", за считанные минуты могло быть снято вплоть до нижних мачт силами самого экипажа и столь же быстро поставлено снова. Такие учения не были пустой тратой сил. Корабли обычно были снабжены достаточным запасом брусьев, и безопасность в случае аварии или повреждения в бою, как правило, зависела от того, как быстро могут быть заменены поврежденные мачты. С некоторым числом несчастных случаев на учениях и маневрах в мирное время приходилось мириться, так же как мы миримся о несчастными случаями при занятиях верховой ездой и альпинизмом.

Строительная механика, на которой все это зиждилось, в своем роде была совершенной. Она заслуживает внимания и уважения современных инженеров, склонных задирать нос перед предками. Сложность оснастки последних парусных кораблей вы оцените, посмотрев на "Викторию" (рис. 99) или "Катти Сарк". Общая высота грот-мачты "Виктории" была, например, около 67 м. Длина ее главной реи составляла 30 м, но при необходимости ее можно было увеличить до 59 м с помощью выдвижных рей. Весь этот огромный механизм работал, и работал безотказно, годами, в тяжелых условиях бурного моря и ветра, будучи куда как надежнее большинства современных машин.

Рис. 99. Военный корабль "Виктория". Его мачты представляют собой прекрасный пример консольной балочной конструкции очень больших размеров.

Среди всего обилия самых разных типов ферм мачты больших парусных кораблей - одна из самых прекрасных и совершенных конструкций, когда-либо созданных человеком. Ценой значительных усложнений удалось довести вес всей устремленной вверх конструкции до безопасных значений. Но когда около 1870 г. на парусных военных судах были введены тяжелые орудия, устанавливаемые во вращающихся башнях, то оказалось, что сеть вант и других канатов чересчур ограничивает сектор стрельбы. Поэтому некоторые броненосцы, например знаменитый "Кэптэн", имели мачты в форме треноги, что позволяло несколько увеличить сектор обстрела. Если хотите, это было возвратом к египетскому методу сооружения мачт. Однако чрезмерный вес этих конструкций плохо влиял на и без того недостаточную остойчивость таких кораблей. Высокие тяжелые мачты, несомненно, сыграли свою роль, когда штормовой ночью в Бискайском заливе перевернулся шедший под парусами "Кэптэн". Погибло почти пятьсот человек экипажа.

 

Консоли и шарнирно опертые балки

Длинная, в виде сплошного куска материала балка (деревянный брус, стальной стержень, труба) в функциональном отношении ничем не отличается от фермы, которая может быть деревянным перекрытием, морской конструкцией из брусьев и канатов или современной решетчатой конструкцией из металла - мостом или опорой линии электропередач. Как мы увидим в дальнейшем, и в живой природе также имеются конструктивные элементы и типа ферм, и типа балок. Тот факт, что мосты, перекрытия крыш и спина лошади или таксы обычно более или менее горизонтальны, а корабельные мачты, опоры линий электропередач, телеграфные столбы и шеи страусов обычно более или менее вертикальны, существенного значения на самом деле не имеет. Основное назначение всех этих конструкций одно и то же - выдерживать нагрузку, направленную под прямым углом к направлению самой балки; продольных нагрузок на опоры балки при этом не возникает.

Можно было бы подумать, что мачты корабля и все похожие на них конструкции являются исключением, так как сильно давят вниз на корпус. Но ванты и штаги с такой же силой тянут корпус корабля вверх, так что, за исключением веса самой мачты, на весь корабль не действует никакой суммарной силы и его погружение в воду не увеличивается и не уменьшается.

Аналогичные рассуждения применимы и к многим конструкциям живой природы. Шея лошади в этом смысле очень похожа на мачту, позвонки в ней сжаты и давят вниз, но они удерживаются шейными сухожилиями, которые действуют на тело с силой, равной по величине и противоположной по направлению.

Все балки, и "живые", и искусственные, в сущности делают одну и ту же работу. Среди балок чаще всего встречаются консоли и шарнирно опертые балки. На самом деле существует и более подробная классификация, но мы оставим ее для экзаменаторов и пока не будем рассматривать.

Консоль - это балка, один конец которой закреплен в какой-то жесткой основе, например в стенке или в земле (рис. 100). Инженеры называют условия на этом конце просто "заделкой". Свободный вылет консоли подвергается нагружению.

Рис. 100. Консоль с распределенной нагрузкой.

Рис. 101. Шарнирно опертая балка.

Опоры электропередач и телеграфные столбы, корабельные мачты и лопатки турбин, рога, зубы, шеи животных, деревья, башни и одуванчики - все это консоли, так же как крылья птиц, самолетов и бабочек, хвосты мышей и павлинов.

Шарнирно опертая балка (рис. 101) - это балка, которая обоими концами свободно покоится на опорах. Конструктивно два этих случая тесно связаны между собой. Из рис. 102 вы можете заключить, что шарнирно опертая балка эквивалентна двум соединенным "заделанными" концами и перевернутым консолям.

Рис. 102. Шарнирную балку можно рассматривать как две соединенные вместе и перевернутые вверх ногами консоли.

 

Фермы мостов

Английские железные дороги тянулись ровно и прямо через холмистый английский ландшафт благодаря щедрому использованию насыпей, выемок и прекрасных каменных и чугунных виадуков. Вся эта инженерная роскошь определялась наличием средств и рабочих рук, которыми в изобилии располагала викторианская Англия. Совершенно другие условия были в Америке: расстояния были гигантскими, капиталы скудными, зарплата даже неквалифицированных рабочих весьма велика, множество дилетантов, квалифицированные мастера европейского типа были чрезвычайно редки.

Железо было дорого, но дешевое дерево имелось в неограниченных количествах. Кроме того, американские путейцы, подобно своим коллегам - судостроителям, готовы были в такой мере рисковать жизнью и собственностью людей, что у британских инженеров от одной мысли об этом волосы под котелками встали бы дыбом. И это при том, что британских инженеров тех времен отнюдь нельзя назвать особенно осторожными, сегодня мы скорее назвали бы их опрометчивыми. Американцы XIX в. привыкли жить в состоянии постоянной опасности, но за это они должны благодарить скорее своих инженеров, чем бандитов или индейцев.

Железные дороги прокладывались на запад весьма быстро и с минимальным использованием дорогостоящих земляных работ - выемок и насыпей. Часто долины пересекали виадуки в виде длиннейших деревянных эстакад, которые так напугали преподобного доктора Мэннинга. Многие из них сохранились и до наших дней, и они всегда будут ассоциироваться с американскими железными дорогами (рис. 103).

Рис. 103. Деревянная железнодорожная эстакада.

После того как все было построено, американские железные дороги сделались чрезвычайно прибыльными предприятиями - говорят, что на Центральной тихоокеанской дороге дивиденды достигали 60%. Это позволило вскоре заменить большинство ненадежных эстакадных мостов сплошными земляными насыпями. Грунт из специально сконструированных вагонов ссыпался с эстакады, пока вся деревянная конструкция не скрывалась под землей, чтобы спокойно там сгнить.

Широкие и бурные реки нельзя было пересечь с помощью деревянных эстакад, поэтому возникла необходимость в больших мостах с длинными пролетами.

Стационарные мосты европейского типа не подходили здесь ввиду отсутствия денег и квалифицированной рабочей силы. В связи с этим возникла насущная потребность в длинных (и дешевых) деревянных фермах, которые были бы по силам обычным плотникам. Поскольку их постройка была потенциально доходным делом, а американцы - народ чрезвычайно находчивый, создается впечатление, будто в XIX в. чуть ли не каждый американец приложил руку к изобретению мостовых ферм. Вы можете обнаружить в учебниках немалое количество разновидностей мостовых ферм, конструкции которых лишь незначительно отличаются друг от друга, но зато каждая из ферм носит имя ее изобретателя. Нет нужды детально рассматривать их все, так как принципы работы этих конструкций весьма сходны, но несколько типов заслуживают внимания.

Одной из первых появилась ферма Больмана (рис. 104), она получила в Америке широкое распространение благодаря скорее политическим, чем техническим талантам ее создателя. Больману каким-то образом удалось убедить американское правительство в том, что его конструкция фермы "единственно надежная" и одно время ее там внедряли даже принудительно. Последнее, возможно, не столь курьезно, как могло бы показаться непосвященному: профессиональные инженеры уже давно исходят из убеждения, что техническое невежество американских конгрессменов не имеет границ.

На рис. 104 показана упрощенная ферма Больмана с тремя секциями. На самом деле это было весьма сложное сооружение с гораздо большим числом секций. Кроме того, работающие на растяжение части конструкции были без какой-либо нужды непомерно удлинены.

Рис. 104. Ферма Больмана.

Ферма Финка (рис. 105), используемая в тех же целях, состояла из более коротких деталей и на практике оказалась гораздо лучше. Если в нижней части фермы Финка проложить сплошную балку, она станет фермой Пратта или Хова (рис. 106). Точно такую же конструкцию обычно используют и в традиционном биплане. Ферма Пратта-Хова одинаково хорошо работает при воздействии нагрузки и сверху, снизу, то есть, можно сказать, она одинаково хорошо ведет себя и с точки зрения выгибания, и с точки зрения провисания. Далее, если использовать детали, которые могут работать как на сжатие, так и на растяжение, то можно упростить конструкцию такой фермы, получив в результате ферму Уоррена (рис. 107). Именно эта ферма особенно часто используется в конструкциях, сделанных из обычного стального проката.

Рис. 105. Ферма Финка.

Рис. 106. Ферма Пратта - Хова.

Рис. 107. Ферма Уоррена.

Рис. 108. Консольный мост с центральной секцией в виде шарнирно опертой балки.

До сих пор мы говорили о мостах как о шарнирно опертых балках, каковыми большинство из них, конечно, и является. Однако в ряде случаев в конструкциях мостов работают и консоли. Во времена деревянных конструкций они были не очень популярны, но теперь стальные и железобетонные мосты такого типа получили широкое распространение. Особенно часто железобетонные консольные мосты используются над автострадами. Обычно они имеют центральную секцию, выполненную в виде балки, по концам шарнирно опертой на две консоли (рис. 108). Такая конструкция менее чувствительна к взаимному смещению элементов. Есть мосты, в которых выступающие с двух сторон консоли встречаются посередине.

Во времена приверженности к очень длинным железнодорожным мостам было модным строить их в виде огромных стальных консолей. Наиболее известный мост такого типа -это железнодорожный мост через Форт, который был закончен в 1890 г. Это был первый большой мост, построенный из мартеновской стали, вес его составлял 51 тыс. т.

Автомобильные мосты требуют меньшей жесткости, чем железнодорожные, поэтому большинство современных мостов - подвесные. Автомобильный мост через Форт, который имеет такую же длину, как и расположенный рядом железнодорожный, построен в 1965 г. На его сооружение пошло только 22 тыс. т. стали.

 

Напряженное состояние балок

Теперь нам ясно, что фермы и балки играют чрезвычайно важную роль в нашей жизни и несут на себе немалую долю мирских тяжестей. Но пока мы не совсем хорошо представляем себе, как они с этим справляются, как распределены в них напряжения и деформации и что же на самом деле определяет их несущую способность. Мы уже говорили, что решетчатая ферма и сплошная балка с точки зрения назначения почти всегда взаимозаменяемы. Естественно предположить, что и распределение напряжений у них должно быть весьма схожим. Но на примере решетчатой фермы легче понять, что происходит в балке под действием нагрузки.

Консоль же проще рассматривать, чем шарнирно опертую балку, хотя, как мы видели (см. рис. 102), оба эти случая тесно связаны.

Поэтому рассмотрим ферму в виде консоли, один конец которой заделан в стену, а к другому, свободному, концу приложена какая-то сила W . Давайте начнем с некоего "зародыша" фермы, который представляет собой треугольную конфигурацию, показанную на рис. 109. В этом случае груз W удерживается от падения направленной вверх компонентой силы натяжения наклонного элемента 1 . Сила сжатия в горизонтальном элементе 2 может действовать только горизонтально, поэтому она не вносит непосредственного вклада в удерживание груза. Однако работают и те элементы, которые нагружены горизонтально направленными силами, и элемент 2 играет хотя и косвенную, но чрезвычайно важную роль. в работе всей конструкции, противодействуя, "складыванию" фермы, то есть делая консоль консолью.

Рис. 109 - 111.

Теперь добавим еще одну секцию фермы, как показано на рис. 110. Ясно, что теперь груз поддерживается совместным действием направленных вверх компонент сил растяжения в элементе 1 и сжатия в элементе 3 . Элемент 4 , конечно, растянут, но, подобно элементу 2 (который по-прежнему сжат), он не вносит непосредственного вклада в поддержание груза, хотя без него ферма не будет работать.

Если мы построим ферму из нескольких секций (рис. 111), общая ситуация практически не изменится: диагональные элементы 1 и 5 растянуты, а 3 и 7 сжаты. Опять же именно диагональные элементы непосредственно удерживают нагрузку. Взятые вместе, они сопротивляются тому, что называют сдвигом. О сдвиге мы должны будем говорить подробнее в следующей главе. Между тем можно заметить, что силы, действующие в упомянутых диагональных элементах, равны между собой. Это остается верным независимо от длины консоли и числа составляющих ее секций.

Однако это не так для горизонтальных сил. Сила сжатия в элементе 2 больше, чем в элементе 6 , и точно так же растягивающее усилие в элементе 4 больше, чем в элементе 8 . Чем длиннее мы делаем консоль, тем больше сжимающее усилие в элементе 2 и растягивающее - в элементе 4 . При очень большой длине фермы горизонтальные сжимающие усилия и растягивающие усилия вблизи места заделки могут оказаться весьма значительными. Иными словами, такая консоль разрушится скорее всего возле основания, что в общем довольно очевидно. Кажется парадоксальным, однако, что самые большие усилия возникают в элементах, которые не дают прямого вклада в поддержание нагрузки.

На рис. 111 действующая вниз нагрузка, или "перерезывающая сила", непосредственно воспринимается, как мы говорили, зигзагообразной конфигурацией диагональных элементов 1, 3, 5, 7 . Но ничто не мешает усложнить эту диагональную решетку, введя дополнительные наклонные элементы, которые будут работать таким же образом, как и уже имеющиеся. Обычно по тем или иным причинам так часто и делают (рис. 112).

Рис. 112. Сдвигу одинаково хорошо может противостоять как решетка, так и сплошная балка.

То же самое нередко можно встретить и в самой природе. Туловище и грудную клетку большинства позвоночных можно рассматривать как своего рода шарнирно опертую балку. Это достаточно очевидно на примере лошади. Кости ее позвоночника и ребра представляют собой сжатые элементы довольно хитроумной фермы Финка (рис. 105 и 113), а пространство между ребрами перекрещено сетью мышц, которые располагаются под углом примерно +45° к ребрам.

Рис. 113. Скелет лошади. Многие позвоночные животные представляют собой нечто вроде фермы Финка, в которой мышцы и сухожилия образуют довольно сложную систему диагональных растяжек между ребрами.

Следующим шагом в развитии инженерных конструкций было заполнение площади внутри фермы не решеткой, а того или иного вида пластинами или стенками из таких материалов, как сталь или фанера. Балки такого типа могут иметь разнообразную форму, но наиболее известна обычная двутавровая балка (рис. 114).

Рис. 114. Двутавровая балка. Во многих балках касательные напряжения воспринимаются сплошными стенками, соответствующие им сжимающие и растягивающие напряжения по-прежнему направлены под углом +45° к оси балки.

Назначение вертикальной стенки в этой балке примерно то же, что и зигзагообразной решетки в ферме: распределение усилий в диагональных стержнях фермы и напряжений растяжения - сжатия в стенке в общем схожи. Таким образом, в двутавровой балке ее "полки" (горизонтальные плоскости снизу и сверху) нагружены продольными (горизонтальными) напряжениями растяжения или сжатия, в то время как "стенка" между полками нагружена главным образом вертикальной перерезывающей силой.

 

Продольные напряжения в изгибаемой балке

Как мы уже говорили, напряжения сжатия и растяжения, действующие в направлении продольной оси балки, часто гораздо больше и гораздо опаснее, чем напряжения сдвига, или касательные напряжения, даже несмотря на то, что они сами по себе не вносят прямого вклада в сопротивление внешней нагрузке. В случае шарнирно опертых балок, с которыми чаще всего приходится иметь дело на практике, как правило, именно продольные напряжения приводят к разрушению, и поэтому инженер начинает расчет балки с вычисления именно этих напряжений.

Хотя двутавровые балки (рис. 114) встречаются очень часто, вообще говоря, балка может иметь поперечное сечение любой формы, и теория балок, как правило, рассматривает простейшие из них . Распределение продольных напряжений по сечению балки, по существу, очень похоже на распределение напряжений в сечении каменной стены (см. гл. 8) с той существенной разницей, что каменная кладка не может выдерживать растягивающих напряжений.

Каждая балка под действием приложенной к ней нагрузки должна прогибаться, принимая изогнутую, искривленную форму. Материал на вогнутой, или сжатой, поверхности искривленной балки будет претерпевать деформацию сжатия, укорачиваться. Материал на выпуклой, или растянутой, поверхности будет удлиняться (рис. 115).

Рис. 115. Распределение напряжении по высоте балки.

Если материал балки подчиняется закону Гука, то распределение напряжений в поперечном сечении балки будет изображаться прямой линией и будет существовать некоторая нулевая точка, в которой материал не сжат и не растянут, а напряжение равно нулю. Эта точка лежит на так называемой нейтральной оси балки. Знать расположение нейтральной оси весьма важно и, к счастью, его легко определить. Довольно просто доказать, что нейтральная ось должна проходить через "центр тяжести" поперечного сечения балки. Для простых симметричных сечений, таких, как прямоугольник, круг или сечения трубы и двутавровой балки, нейтральная ось лежит посредине балки на равном расстоянии от ее верхней и нижней поверхностей. Для несимметричных сечений, таких, как сечения железнодорожного рельса, корпус судна или крыло самолета, требуются не очень сложные расчеты.

Из рис. 115 ясно, что продольные напряжения возрастают прямо пропорционально расстоянию от нейтральной оси. В теории изгиба балок это расстояние обычно обозначается у (См. приложение 2). Стремясь повысить эффективность конструкции, которая может связываться, например, с ее стоимостью, весом материала, энергетическими затратами при обмене веществ (метаболической стоимостью), мы "не станем держать котов, которые не ловят мышей". Другими словами, нам нерационально заполнять сечение материалом, который не несет никакой или несет очень маленькую нагрузку. Это означает, что материал следует распределить так, чтобы возможно меньшая его часть находилась вблизи нейтральной оси и возможно большая - вдали от нее. Конечно, приходится оставлять какое-то количество материала и вблизи нейтральной оси, чтобы противостоять сдвиговым, или касательным, усилиям, но практически для этого его не нужно слишком много. Обычно достаточно довольно тонкой стенки (рис. 116). Именно поэтому стальные балки имеют обычно двутавровое (рис. 114) или Z-образное сечение.

Рис. 116. Напряжение при изгибе в точке на расстоянии "y" от нейтральной оси есть s = My/l, где М - изгибающий момент, l - момент инерции поперечного сечения (подробнее см. приложение 2).

Подобные профили довольно легко изготавливать на прокатных станах из малоуглеродистой стали. Стальной прокат сегодня можно производить практически любых размеров. Преимущество Z-образных профилей перед двутавровыми состоит в том, что к их полкам легко клепать стальной лист. Именно поэтому они широко используются в качестве шпангоутов судовых корпусов. В случаях, если простые профили не подходят, применяют балки коробчатого сечения. Впервые их применил Стефенсон в 1850 г. при строительстве моста "Британия" через пролив Менай (рис. 117 и 145). С появлением водостойких клеев и прочной фанеры коробчатые балки стали широко использоваться в различных деревянных конструкциях, в частности в лонжеронах крыла деревянных планеров (рис. 139).

То же самое относится и к листам. Тонкий металлический лист под действием изгибающих нагрузок легко гнется. Получить большее поперечное сечение такого листа, не увеличив особенно его веса, позволяет гофрированная прокатка. Раньше гофрированный прокат использовался для внешней обшивки кораблей и самолетов, в частности Юнкере применил его в свое время для моноплана. Недостатки гофрированных листов достаточно очевидны и теперь для создания большей прочности и жесткости обшивки в судостроении и самолетостроении применяются приклепанные или приваренные металлические уголки, упрятанные внутрь обшивки, - стрингеры.

Во всех этих случаях нагрузка обычно действует на балку только в одном направлении, и форма поперечного сечения балки оптимизируется, исходя именно из этого условия. В некоторых же инженерных и в большинстве биологических конструкций нагрузка может действовать в различных направлениях. Приблизительно так распределяются нагрузки в фонарном столбе, ножке стула, бамбуке или кости ноги. В этих случаях надежнее ведут себя круглые полые трубы. Промежуточный случай представляют собой мачты яхт типа "Бермуды". Для них используются трубы овального или грушевидного сечения. Это делается вовсе не для того, чтобы уменьшить сопротивление воздуха, как думают многие, а потому, что закрепить современную мачту в направлении вдоль палубы гораздо труднее, чем в поперечном направлении, и форма сечения мачты обеспечивает большую жесткость и прочность именно в направлении нос - корма.

Рис. 117. Железнодорожный мост "Британия" (1850) представляет собой стальную балку коробчатого сечения. Поезда идут внутри балки. При строительстве пришлось преодолеть большие трудности, связанные с потерей устойчивости тонких листов железа. На переднем плане группа инженеров того времени: слева за столом сидит Стефенсон, крайний справа - Брюнель.

 

Тайны сдвига и кручения,

или

"Поларис" и вечерние туалеты

Помнится, одно из книжных обозрений Дороти Паркер начиналось словами: "Эта книга рассказала мне о принципах бухгалтерского учета больше, чем мне хотелось бы знать". Осмелюсь предположить, что поведение материалов и конструкций при сдвиге многие из нас склонны оставить специалистам. Кажется, что с растяжением и сжатием можно еще справиться, но относительно сдвига уверенности такой нет. Вдобавок к этому, если в учебниках по сопротивлению материалов говорится о сдвиге, то непременно в связи с какими-нибудь коленчатыми валами или балками особенно хитрых типов. После этих учебников, несмотря на их несомненную пользу, предмет нередко теряет всякую привлекательность и вдобавок при этом как-то ускользает от внимания тот простой факт, что напряжения сдвига и деформации сдвига возникают не только в балках и коленчатых валах, а практически во всех предметах, с которыми нам приходится иметь дело, и иногда это приводит к неожиданным последствиям. Именно из-за них дают течь суда, шатаются столы, в неожиданных местах вытягивается одежда. Если бы не напряжения сдвига, жить было бы легче и приятней не только инженерам, но и биологам, хирургам, плотникам-любителям и даже тем, кто выпускает болтающиеся чехлы для мебели.

Если растяжение - это когда тянут, сжатие - когда сдавливают, то сдвиг - это когда происходит взаимное проскальзывание. Другими словами, напряжение сдвига служит мерой тенденции к скольжению одной части твердого тела относительно другой. (Обратите внимание на скольжение карт в брошенной на стол колоде или ковра, когда его выдергивают у вас из-под ног.) Почти всегда сдвиг возникает и при скручивании, например в лодыжке, рулевой колонке или любой другой детали механизма. В условиях сдвига или кручения материалы обычно ведут себя довольно просто. Но прежде чем перейти к обсуждению особенностей этого поведения, нам необходимо договориться о терминологии. Поэтому мы начнем с нескольких определений.

 

Терминология

Упругие свойства вещества при сдвиге очень похожи на его свойства при сжатии и растяжении, а такие понятия, как напряжение сдвига и деформация сдвига, аналогичны и не сложнее соответствующих понятий в случае растяжения.

Напряжение сдвига, или касательное напряжение, -τ. Как мы уже говорили, касательное напряжение служит мерой тенденции одной части твердого тела скользить относительно другой его части, как это схематически показано на рис. 118, а. Следовательно, если на поперечное сечение материала, имеющее площадь А , действует сдвигающая сила Р , то напряжение сдвига в некоторой точке материала будет: касательное напряжение = (перерезывающая сила / площадь ) = Р / А = τ .

Касательное напряжение τ имеет ту же размерность, что и растягивающее напряжение, например МН/м2 (кгс/мм2).

Деформация сдвига - γ. Все твердые тела при действии напряжения сдвига деформируются аналогично тому, как это происходит и при растяжении. Однако в этом случае деформация представляет собой искажение углов и измеряется поэтому, как все углы, в градусах или радианах, чаще в радианах (рис. 118, б). Радиан, конечно, не имеет размерности, будучи просто числом или отношением двух длин. Мы будем обозначать деформацию сдвига буквой γ: подобно относительной деформации растяжения, обозначаемой ε, γ - безразмерное число.

Рис. 118. Напряжение сдвига, или касательное напряжение, и деформация сдвига.

а - касательное напряжение = (перерезывающая сила / площадь) = Р / А = τ .

б - деформация сдвига - это угол γ, на который искажается прямой угол в результате действия касательного напряжения τ.

Рис. 119. Кривая деформирования при сдвиге похожа на соответствующую зависимость при растяжении.

Тангенс угла наклона прямолинейной части равен модулю сдвига: G = τ/γ.

Для таких твердых тел, как металл, бетон или кость, упругая деформация сдвига обычно меньше 1° (1/57 радиана). При больших деформациях материалы этого типа либо разрушаются, либо испытывают необратимые пластические деформации - текут подобно сливочному маслу.

Однако такие материалы, как резина, текстильные ткани или мягкие биологические ткани, могут испытывать гораздо большие упругие и обратимые деформации сдвига - примерно до 30-40°. Для жидкостей и вязких материалов вроде патоки, крема или пластилина деформации сдвига не ограничены, но они и необратимы.

Модуль сдвига - G . Как и при растяжении, при малых и умеренных напряжениях большинство твердых тел следуют закону Гука при сдвиге. Так, построив график зависимости напряжения сдвига τ от деформации γ, мы получим кривую, которая по крайней мере на ее начальном участке близка к прямой линии (рис. 119). Наклон этой прямой характеризует сдвиговую жесткость материала; тангенс угла наклона называется модулем сдвига. Он обозначается G . Таким образом,

модуль сдвига = (касательное напряжение / деформация сдвига) = τ/γ=G

Модуль сдвига G аналогичен по смыслу модулю Юнга Е и, подобно последнему, имеет размерность единиц напряжения, например МН/м2 (кгс/мм2).

 

Стенка балки в условиях сдвига - изотропные и анизотропные материалы

Как мы уже видели в предыдущей главе, хотя в верхней и нижней полках балки (или верхних и нижних стержнях фермы) возникают большие растягивающие или сжимающие напряжения (или усилия в стяжках), которые уравновешивают направленную вниз нагрузку и позволяют балке выполнять возложенную на нее миссию, - это напряжения сдвига, возникающие в стенке балки, соединяющей верхнюю и нижнюю ее полки. Стенка балки обычно представляет собой сплошную металлическую пластину, в ферме те же самые функции выполняет какая-либо решетчатая структура.

Так как между материалом и конструкцией нельзя провести четкой грани, то и здесь не очень важно, чем воспринимается перерезывающая сила в балке, сплошной ли стенкой или же решеткой, которая может быть из стержней, проволоки, деревянных брусьев или чего-либо другого. Правда, одно важное отличие здесь есть. Если стенка сделана, скажем, из металлической пластины, то не имеет никакого значения, под каким углом она была вырезана из большого листа, так как свойства металла по всем направлениям одинаковы. Такие материалы, а к ним относятся металлы, кирпич, бетон, стекло и большинство видов камня, называются изотропными, что по-гречески означает "одинаковые во всех направлениях", Тот факт, что металл изотропен (или почти изотропен) и имеет одинаковые по всем направлениям свойства, упрощает жизнь инженеров и объясняет их особое пристрастие к металлам.

Рассмотрим теперь стенку в виде решетки. Очевидно, что ее стержни должны располагаться под углом около +45° к оси балки. В противном случае стенка не будет иметь достаточной сдвиговой жесткости (рис. 120 и 121), под нагрузкой решетка сложится, и ферма скорее всего разрушится. Материалы, поведение которых напоминает поведение нашей решетки, называются анизотропными (или иногда аллотропными), что по-гречески означает "различные в различных направлениях".

Рис. 120. Сдвиг приводит к сжатию и растяжению под углом +45° к направлению сдвига.

Рис. 121. Системы, подобные той, что изображена справа, являются жесткими на сдвиг, а системы, подобные изображенной слева, плохо ему сопротивляются.

Дерево, ткани и почти все биологические материалы анизотропны, причем каждый по-своему; это обстоятельство весьма усложняет жизнь, и не только инженерам. Ткань для одежды является самым распространенным рукотворным материалом, и она в высшей степени анизотропна. Как мы уже не раз говорили, различия между материалом и конструкцией довольно туманны, и ткань, хотя портные и называют ее материалом, на самом деле представляет собой конструкцию, состоящую из отдельных нитей, перекрещивающихся под прямым углом, и ведет себя при действии нагрузкой почти так же, как и решетчатая стенка балки или фермы.

Взяв в руки квадратный кусок обыкновенной ткани - это может быть носовой платок, - вы увидите, что в зависимости от направления приложенной растягивающей силы она деформируется совершенно по-разному. Если вы тянете строго вдоль нитей основы или утка, ткань почти не растягивается; другими словами, ее жесткость на растяжение в этих направлениях велика. Более того, внимательно присмотревшись, вы заметите, что при этом сужение ткани в поперечном направлении тоже невелико (рис. 122), так что коэффициент Пуассона (о котором мы говорили в гл. 7 в связи с артериями) мал.

Рис. 122. При растяжении ткани параллельно нитям основы или утка материал оказывается жестким и его поперечное сокращение незначительно.

Но если вы теперь потянете ткань под углом 45° к направлению нити, то есть по диагонали, или, как говорят портные, "по косой", то она растянется гораздо больше; можно сказать, что в этом случае модуль Юнга весьма невелик. Одновременно произойдет большое поперечное сокращение, так что в этом направлении величина коэффициента Пуассона станет гораздо больше, а он может достигать величин порядка 1 (рис. 123). В целом же, чем более свободно соткана ткань, тем больше будет различие между ее поведением в диагональном и продольно-поперечном направлениях.

Рис. 123. Если ткань растягивается по диагонали, то материал легко поддается растяжению, коэффициент Пуассона для этого направления велик и соответственно поперечное сокращение значительно.

Думаю, что немногие слышали слово "анизотропия", но такое поведение тканей на протяжении веков, должно быть, было известно почти каждому. Довольно удивительно, однако, что анизотропные свойства тканей до недавнего времени не только не использовались в технике и обыденной жизни, но даже не были осознаны.

Оставим пока в стороне существо анизотропии и обратимся к ее проявлениям. Первое, что нам совершенно ясно, это то, что мы можем свести к минимуму искажения формы текстильных изделий, если нам удастся направить главные напряжения по возможности вдоль нитей основы и утка. Обычно это приводит к продольно-поперечному раскрою материала. Если обстоятельства таковы, что ткань тянется под углом 45°, по косой, возникают гораздо большие искажения первоначальной формы, но они симметричны. А вот если мы окажемся настолько непредусмотрительными, что рабочие нагрузки будут приложены не в продольном или поперечном и не в диагональном, а в некотором промежуточном направлении, тогда возникнут не только большие, но и совершенно не симметричные искажения. Одежда в этом случае растянется и примет странный и почти наверняка непривлекательный вид.

Изготовление парусов почти во все времена было важной отраслью хозяйства, и тем не менее европейские мастера никогда до конца не понимали сути поведения парусины. Столетиями они делали паруса таким образом, что их материал растягивался в косом по отношению к нитям основы и утка направлении. Такие паруса быстро делались мешковатыми и плохо работали при встречном ветре. Свою лепту внесло здесь европейское пристрастие к льняной парусине, которая особенно легко деформировалась из-за неплотного переплетения нитей.

Изготовление парусов на современном уровне относится к началу XIX в. Приоритет здесь принадлежит американским мастерам, которые использовали туго сотканную парусину из хлопка и так располагали швы, чтобы направление нитей более или менее соответствовало направлению возникающих напряжений. Вследствие этого американские корабли могли плавать быстрее и круче к ветру, чем британские. Потребовалась, однако, основательная встряска, прежде чем все эти простые факты дошли до сознания английских мастеров. Это произошло благодаря шуму вокруг яхты "Америка", которая в 1851 г. пришла из Нью-Йорка в Ковец для участия в гонках с быстроходнейшими английскими яхтами.

Гонки происходили вокруг острова Уайт. В качестве приза победителю предназначался довольно безобразный предмет из серебра, подаренный королевой Викторией. (Эта кувшиноподобная штука впоследствии получила известность как "Кубок Америки".) Когда королеве доложили, что первой пересекла финишную черту "Америка", она спросила:

— А второй?

И услышала в ответ:

— Второй еще не видно, ваше величество.

После этого английские мастера пересмотрели свою технологию и подтянулись настолько, что через несколько лет американские яхтсмены уже покупали паруса у Ратсея из Ковеца. Урок, преподанный американцами, запомнился надолго, и, хотя современные паруса в большинстве своем делаются из терилена, кроятся они таким образом, чтобы нити утка, насколько это возможно, были параллельны свободным краям паруса, в направлении которых обычно действуют наибольшие напряжения (рис. 124).

Рис. 124. В современных парусах нити утка направлены параллельно свободному краю паруса.

Задачи, связанные с приданием ткани желаемой трехмерной формы, не сильно различаются, шьем ли мы паруса или одежду. Однако портные и модельеры оказались здесь более сведущими, чем строители судов. Всегда, когда это было практически возможно, они резали ткань лишь вдоль и поперёк, чтобы наибольшие окружные напряжения действовали в направлении нитей. Если же требовалось, чтобы одежда тесно прилегала к телу, то это достигалось с помощью системы сосредоточенных нагрузок, иными словами, с помощью шнуровки. Молодая леди викторианских времен порой имела не меньшую оснастку, чем парусный корабль. В годы, последовавшие за правлением короля Эдуарда, от системы шнуровок стали отказываться (возможно, в связи с недостатком горничных), так что над женщинами нависла угроза "бесформенности".

Но вот в 1922 г. мадемуазель Вионе, открывшая магазин в Париже, изобрела "диагональный крой". Вряд ли мадемуазель Вионе слышала о своем знаменитом соотечественнике Пуассоне и тем более о коэффициенте его имени, но она интуитивно поняла, что добиться нужного облегания можно не только с помощью шнурков, крючков и кнопок. В материале платья действуют вертикальные растягивающие напряжения, связанные как с весом самой ткани, так и с движениями его владельца. И если ткань расположить так, чтобы ее нити составляли угол 45° с этими вертикальными нагрузками, то можно использовать большое поперечное сокращение и добиться эффектного облегания фигуры. Такого рода наряды были, несомненно, дешевле и удобней, чем решения времен Эдуарда, но тем не менее тоже могли разорить (рис. 125 и 126).

Рис. 125. Одно из первых платьев с новым кроем по диагонали, созданное мадемуазель Вионе (1926).

Рис. 126. Платье с прямым кроем, созданное мадемуазель Вионе.

Аналогичные проблемы возникают и при конструировании больших ракет. Существуют ракеты на жидком топливе, например на керосине, для сжигания которого требуется жидкий кислород. Но жидкостные ракетные двигатели имеют сложную систему подачи топлива и окислителя, которая работает не всегда надежно. Поэтому лучше, наверное, использовать двигатели на твердом топливе (на полимерной основе). Оно горит очень хорошо, но относительно медленно, выделяя огромное количество горячих газов, которые со страшным шумом вылетают из сопла двигателя, толкая ракету вперед.

Как топливо, так и производимые им газы находятся в прочном цилиндрическом корпусе или сосуде давления, стенки которого не следует подвергать действию пламени и высоких температур. По этой причине заряду топлива придается форма толстостенной полой трубы, которая плотно прилегает к корпусу ракеты. Когда ракету запускают, горение начинается с внутренней поверхности трубы и распространяется затем в направлении корпуса. В результате благодаря наличию еще не сгоревшего топлива материал корпуса оказывается защищенным от воздействия пламени вплоть до последнего момента.

Твердое топливо на полимерной основе и выглядит, и ведет себя подобно пластилину и, как и пластилин, склонно к растрескиванию, особенно при низких температурах. При запуске ракеты ее корпус, естественно, стремится расшириться вследствие давления газа, так же как расширяются артерии от давления крови; но вместе с корпусом должно расширяться и твердое топливо. Если заряд еще не нагрелся, в нем могут возникнуть трещины, когда окружная деформация корпуса достигнет примерно 1%, после чего пламя проникнет через трещины и разрушит корпус. Это приводит иногда к сенсационным взрывам, подобным тому, когда развалилась одна из ракет Поларис.

Примерно около 1950 г. кому-то пришло в голову, что корпус ракеты лучше делать не из металла, а в виде цилиндрической трубы, полученной геликоидной намоткой двух семейств прочных стекловолокон, связанных между собой смолой. Если правильно рассчитать углы намотки, то можно добиться того, чтобы изменение диаметра трубы под давлением было мало. Правда, при этом осевая деформация такого корпуса будет больше, чем металлического (как и талии в платьях мадемуазель Вионе). Однако по ряду причин продольное удлинение менее опасно для топлива. Если не ошибаюсь, эта идея берет свое начало от диагонального кроя вечерних туалетов, популярных в то время.

Допустимые деформации корпуса ракеты отнюдь не допустимы для кровеносных сосудов. Как мы видели в гл. 7, при колебаниях давления крови артерия должна при значительных изменениях ее диаметра сохранять более или менее постоянную длину. Оба эти требования может удовлетворить конструкция трубы с соответствующей геликоидной намоткой волокон. С такого рода проблемами, как ни странно, постоянно сталкиваются биологи. Примечательно, что Стив Вейнрайт, профессор университета Дюка, изучающий червей, совершенно независимо провел те же самые расчеты, которыми мы занимались лет 20 назад в области ракетной техники. Заинтересовавшись этим обстоятельством, я выяснил через профессора Биггса, что и в этом случае толчком послужил крой по косой.

Изобретение косого кроя принесло мадемуазель Вионе. славу в мире модельеров. Она дожила до глубокой старости и умерла недавно в возрасте 98 лет, так, по-видимому, и не узнав о своем весьма значительном вкладе в космическую и военную технику и биомеханику червей.

 

Касательное напряжение - это растяжение и сжатие, действующие под углом +45°, и наоборот

Если еще немного подумать о стенках балок, решетчатых стенках ферм и о вечерних туалетах косого кроя, то становится очевидным, что касательное напряжение представляет собой просто комбинацию напряжений растяжения и сжатия, действующих под углом +45° (рис. 120). Более того, любое напряжение сжатия и растяжения приводит к появлению под углом 45° касательного напряжения.

Действительно, твердые тела, особенно металлы, очень часто при растяжении разрушаются вследствие касательных напряжении под углом 45° к направлению растяжения. Именно эти напряжения приводят к появлению "шеек" в металлических стержнях и пластинах при растяжении и к пластичности металлов (рис. 127 и гл. 4). Как мы увидим в следующей главе, почти то же самое может происходить и при сжатии. Многие твердые вещества при сжатии разрушаются путем скольжения, вызванного касательными напряжениями.

Рис. 127. В пластичных металлах наблюдается тенденция к разрушению путем сдвига.

 

Складкообразование

Толстая пластина или просто кусок металла способны хорошо сопротивляться сжатию, так что если их нагрузить сдвигом, то возникающие под углом +45° напряжения сжатия и растяжения будут для них неопасны. Тонкие панели, мембраны, пленки и ткани плохо сопротивляются сжатию в их плоскости, поэтому при сдвиге на этих элементах образуются складки. Это весьма обычно для тонких металлических панелей, широко используемых в конструкциях самолетов, образование таких складок часто можно наблюдать на поверхности их крыла и фюзеляжа (рис. 128). Инженеры называют это "вагнеровским полем".

Рис. 128. Местные выпучивания обшивки фюзеляжа вертолета.

Еще чаще такие складки можно видеть на одежде, просторных чехлах, скатертях и плохо скроенных парусах. Вряд ли портные так уж часто говорят о вагнеровском поле, но иногда они упоминают о некоем довольно таинственном качестве, известном в текстильном товароведении как сминаемость. Сминаемость ткани зависит главным образом от ее модуля сдвига, и хотя немногие из модельеров могут указать с системе СИ или других единицах величину модуля сдвига G для используемых ими шелковых или хлопчатобумажных тканей, но, чем меньше модуль сдвига материала, тем меньше у него тенденция к образованию нежелательных складок, или сминаемость.

Причина того, что мы не можем использовать для одежды бумагу или целлофан, не показавшись при этом смешными, заключается главным образом в слишком большой жесткости на сдвиг, которой обладают эти материалы, именно поэтому они не могут принимать нужные формы. А вот трикотажные ткани, наоборот, имеют как малый модуль Юнга, так и малый модуль сдвига, поэтому при их использовании легко добиться плотного облегания фигуры. Девушки быстро открыли это качество в вязаных свитерах. Точно так же у молодых людей кожа имеет малый модуль Юнга и модуль сдвига и поэтому легко "подстраивается" под форму тела. В старости кожа становится более жесткой на сдвиг, печальные результаты чего бывают, к сожалению, слишком очевидными. Недавно профессор М. Кенеди из Стрэтклайдского университета провел широкие исследования упругих свойств кожи человека. В результате старческие морщины, кажется, впервые получили количественное описание.

 

Кручение

Самолет превратился из чего-то, чего "вообще не может быть", в грозное военное оружие за каких-нибудь 10 лет. Это случилось почти без помощи науки. Пионеры авиации зачастую были талантливыми любителями и заядлыми спортсменами, но лишь немногие из них имели какую-то теоретическую подготовку. Как и современных автомобилистов, их скорее интересовали шумные и ненадежные двигатели, чем несущая конструкция, о которой они мало что знали и еще меньше заботились. Естественно, выжав из двигателя достаточную мощность, вы можете поднять в воздух почти любой самолет. А вот что с ним будет дальше, зависит от управления, устойчивости в полете и прочности конструкции, существо которых весьма сложно.

На заре авиации слишком многие храбрецы, такие, как К. С. Ролле и С. Ф. Коди, поплатились жизнью за столь легкомысленный подход. Теоретические основы аэродинамики были разработаны Ф. В. Ланчестером еще в 90-х годах прошлого столетия, но очень немногие из инженеров-практиков представляли себе, о чем там вообще идет речь. Катастрофы того времени часто происходили из-за срыва потока и штопора, но почти столь же часто виной тому было разрушение конструкций, а так как первые пилоты редко использовали парашюты, катастрофы эти почти всегда заканчивались трагически.

Требование к инженерной конструкции быть одновременно и надежной, и легкой было тогда внове. На крыло самолета действуют изгибающие нагрузки, весьма напоминающие нагрузки на мост. Предшествующий опыт позволял с этими нагрузками управиться без особых опасений за надежность. Но что было совершенно новым, так это действующие на крыло самолета крутящие моменты. Если не принять должных конструктивных мер, крыло самолета будет скручено.

Применение самолетов с началом первой мировой войны возросло - резко увеличилось и число аварий. К счастью, в Англии в Фарнборо этими вопросами занималась небольшая группа блестящих молодых инженеров, чьи имена впоследствии стали широко известны, - это лорд Черуелл, Джеффри Тейлор, Генри Тизард и "Иегова" Грин. Благодаря их усилиям к 1918 г. традиционный биплан сделался самой надежной из всех конструкций, так что его считали почти неразрушающимся. Немцам в этом отношении повезло меньше. Их технические авиационные эксперты не могли похвастать репутацией людей с широким кругозором. Во всяком случае, у них долгое время одна за другой следовали катастрофы, причина которых крылась главным образом в непонимании действия на крыло самолета крутящего момента.

К началу 1917 г. благодаря высоким техническим данным своих истребителей страны Антанты достигли на западном фронте явного превосходства в воздухе.

Однако тем временем немецкий конструктор Антони Фоккер работал над созданием нового истребителя - моноплана "Фоккер Д-8", который по своим качествам превосходил не только то, что было у союзников, но и то, чего они ждали в перспективе. Из-за критической ситуации на фронтах производство Д-8 было ускорено. Они поступили на вооружение нескольких немецких эскадрилий без проведения достаточной программы летных испытаний. И вскоре после того, как эти самолеты начали полеты в боевых условиях, обнаружилось, что в воздушных боях при выводе машины из пике у него ломалось крыло. Было много жертв, в том числе среди опытнейших летчиков-истребителей. Все это заставило проанализировать причины неудач.

В те дни большинство самолетов были бипланами, ибо конструкция этого типа считалась самой легкой и надежной. Однако при двигателе той же мощности моноплан развивает большую скорость, так как не испытывает дополнительного сопротивления воздуха из-за аэродинамического взаимодействия двух близко расположенных крыльев. Это настойчиво побуждало к разработке истребителей-монопланов. Но, хотя и без понимания действительных причин, монопланы считались конструктивно ненадежными уже с 1903 г., когда в США над Потомаком отвалилось крыло знаменитого самолета Сэмюеля Ленгли.

Крыло Д-8, как и большинства монопланов того времени, было обшито тканью с целью придания ему желаемой аэродинамической формы. Ткань была просто натянута на силовой каркас и сама не должна была нести основных изгибающих нагрузок. Эти нагрузки воспринимались двумя параллельными деревянными лонжеронами - консольными балками, идущими в сторону от фюзеляжа. Они были соединены через каждые несколько дюймов рядом легких деревянных нервюр определенной формы, на которые и натягивалась проклеенная ткань (рис. 129).

Рис. 129. Крыло моноплана, обтянутое тканью.

Когда стало известно о катастрофах с Д-8, командование немецких военно-воздушных сил отдало приказ провести испытания конструкции. Как это обычно делалось в те времена, готовый самолет перевернули вверх ногами и установили на испытательный стенд, нагружая мешками с дробью, расположенными так, чтобы имитировать возникающие в полете аэродинамические нагрузки. Испытанное таким образом крыло не обнаружило признаков слабости, оно разрушалось лишь при нагрузке, эквивалентной шестикратному весу самолета. Правда, в настоящее время требуется, чтобы истребители выдерживали двенадцатикратные перегрузки, но в 1917 г. шестикратной перегрузки считалось вполне достаточно, и она определенно превышала те перегрузки, которые могли возникнуть в тогдашних боевых условиях. Другими словами, самолет, казалось бы, был вполне надежен.

Однако при стендовых испытаниях Д-8 обратили внимание на то, что разрушение самолета начиналось в заднем лонжероне. Решили перестраховаться, и задние лонжероны на всех самолетах Д-8 заменили более толстыми и прочными. Но и после замены число аварий не сократилось, а, напротив, увеличилось. Командование немецких военно-воздушных сил оказалось перед фактом, что "усиление" крыла путем добавления конструкционного материала на самом деле приводит к его ослаблению.

К тому времени Фоккеру стало ясно, что на помощь от официальных умов рассчитывать не приходится, и он сам подверг Д-8 испытаниям на своем заводе. На этот раз догадались измерить перемещения крыла под нагрузкой. Оказалось, что приложенная нагрузка не только изгибает (при выводе самолета из пике концы крыла поднимаются относительно фюзеляжа), но и скручивает крылья, хотя к ним явным образом не приложено никаких крутящих нагрузок. И, что особенно важно, направление скручивания было таким, что значительно увеличивался угол атаки крыла, то есть его подъемная сила.

Обдумав эти результаты, Фоккер внезапно понял, что именно здесь лежит причина не только загадочных аварий с Д-8, но и большинства неприятностей со многими другими монопланами. Когда пилот берет ручку на себя, нос самолета поднимается и нагрузка на крыло растет. Но одновременно крыло закручивается, и это приводит к дальнейшему увеличению подъемной силы крыла, то есть нагрузки на крыло; оно закручивается еще больше, еще больше растет нагрузка и так до тех пор, пока пилот полностью не теряет контроль над ситуацией и крыло не отваливается. Фоккер обнаружил здесь ту форму неустойчивости, которая часто приводит к "летальному" исходу.

Что же в действительности происходит с крылом с точки зрения теории упругости?

 

Центр изгиба и центр давления

Рассмотрим пару одинаковых параллельных консольных балок, или лонжеронов, соединенных через определенные интервалы горизонтальными нервюрами (рис. 129). Пусть к одной из этих нервюр у кончика крыла приложена сосредоточенная сила, направленная вверх. Если эта сила не приложена точно посередине между лонжеронами (рис. 130), нагрузка не распределится поровну между ними и сила, действующая на один из лонжеронов, будет больше .силы, действующей на другой. Если это произойдет, то один из двух лонжеронов (тот, который более нагружен) отклонится вверх больше другого (рис. 131). В таком случае нервюры, соединяющие лонжероны, отклонятся от горизонтального положения, а все крыло окажется закрученным. В любом сечении балки можно указать точку, называемую центром изгиба. Если линия действия силы проходит через эту точку, то сила не вызывает кручения балки.

Рис. 130. Взаимосвязанные изгиб и кручение возникают в случае, если равнодействующая подъемных сил в каждом поперечном сечении крыла проходит через точку, называемую центром изгиба (в данном случае посередине между двумя лонжеронами), тогда крыло будет изгибаться без кручения.

Рис. 131. Если равнодействующие подъемных сил не проходят через центр изгиба, а смещены, например, в направлении передней кромки крыла, то крыло (или любая другая балка) будет скручиваться при изгибе.

Естественно, когда в сечении крыла больше двух лонжеронов или если пара лонжеронов имеет разную жесткость, то центр изгиба будет находиться не посередине, а где-то между передней и задней кромкой крыла. Однако в каждой балке любого типа центр изгиба всегда существует. Сила, линия действия которой проходит через эту точку, не вызывает закручивания балки или крыла, тогда как любая иная нагрузка обязательно приводит не только к перемещениям крыла вследствие изгиба, но и к закручиванию крыла на некоторый угол.

До сих пор мы рассматривали случай сосредоточенной силы, приложенной к балке или крылу. Естественно, что аэродинамическая подъемная сила, которая в полете направлена вверх и удерживает машину в воздухе, представляет собой нагрузку, распределенную по всей поверхности крыла. Однако, чтобы упростить расчеты, всю эту нагрузку можно заменить одной равнодействующей, приложенной в точке, которую называют центром давления (ЦД) крыла.

Несведущему человеку может показаться, что ЦД подъемной силы, действующей на крыло в полете, лежит где-то посередине между передней и задней кромкой крыла, скажем, возле середины хорды крыла. На самом же деле, как хорошо известно из аэродинамической практики, это совсем не так. Как правило, центр давлений подъемной силы расположен недалеко от передней кромки крыла - обычно на расстоянии примерно в четверть длины хорды.

Следовательно, пока крыло не спроектировано таким образом, чтобы центр изгиба был расположен примерно на расстоянии одной четвертой длины хорды от передней кромки, оно обязательно будет закручиваться. Угол поворота крыла при этом будет, конечно, зависеть от крутильной жесткости крыла (жесткости на кручение). Но, вообще говоря, всякое закручивание крыла - вещь вредная и опасная, так что конструкторы стремятся свести его к минимуму. Именно поэтому и стержень пера в крыле птицы расположен обычно на расстоянии в четверть хорды от его передней кромки (рис. 132).

Рис. 132. Распределение подъемных сил вдоль профиля крыла.

В простом крыле моноплана с тканевой обшивкой как положение центра изгиба, так и его крутильная жесткость почти целиком зависят от относительной жесткости лонжеронов на изгиб. В самолете Д-8 центр изгиба находился значительно дальше центра давлений, где-то около середины хорды. Крыло не имело достаточной жесткости, чтобы сопротивляться закручиванию, в результате чего оно разрушалось. После модификации крыла, когда задний лонжерон был сделан более жестким и прочным, центр изгиба передвинулся еще дальше назад, что еще больше ухудшило ситуацию.

Осмыслив все это, Фоккер предпринял теперь уже очевидный шаг: уменьшил толщину и жесткость заднего лонжерона и передвинул тем самым центр изгиба вперед, ближе к центру давления. После этого Д-8 превратился в сравнительно надежную машину, опасную для британских и французских военно-воздушных сил.

По законам аэродинамики центр давления подъемной силы, действующей на крыло самолета, должен всегда находиться примерно на расстоянии четверти хорды от передней кромки крыла. Для уменьшения крутящего момента, действующего на крыло, его необходимо сконструировать таким образом, чтобы передвинуть центр изгиба вперед, как можно ближе к центру давления. Однако элероны, с помощью которых самолет получает крен и выполняет виражи, действуют на конец крыла большими вертикальными силами, приложенными вверх или вниз вблизи задней кромки, то есть далеко сзади от центра изгиба. Тем самым элероны неизбежно вызывают большие крутящие нагрузки на крыло всякий раз, когда летчик закладывает вираж.

Рис. 133. Элерон действует с большой направленной вниз силой на заднюю кромку крыла. Эта сила приложена довольно далеко от центра изгиба, она стремится закрутить крыло таким образом, что возникающие аэродинамические силы будут противоположны тем, к которым стремился летчик, отклоняя элерон.

Из рис. 133 видно, что направление закрутки изменяет величину подъемной силы в направлении, противоположном действию элеронов, уменьшая производимый ими эффект. Если крыло имеет недостаточную крутильную жесткость, его элероны могут оказать на самолет обратное действие: выполнив операции, необходимые для крена вправо, летчик может вдруг обнаружить, что самолет делает крен влево. Этот не только неожиданный, но и весьма опасный эффект носит название "обратные элероны". С ним связаны серьезные трудности при проектировании современных скоростных самолетов. Профилактической мерой здесь является достаточная крутильная жесткость конструкции крыла.

В ранних обшитых тканью монопланах, таких, как Д-8, крутильная жесткость крыла почти целиком определялась относительной жесткостью на изгиб двух главных лонжеронов и их расположением. Однако это не очень эффективное средство, и величина крутильной жесткости, достигаемая в таких конструкциях даже с помощью системы проволочных растяжек, довольно ограничена. По этой причине такие самолеты были довольно опасны, и правительственные органы почти каждой страны были настроены против монопланов, а кое-где они даже были запрещены.

Предпочтение, отдаваемое бипланам, не было следствием консерватизма некоторой части чиновников соответствующих ведомств; скорее оно явилось следствием характерных для биплана больших прочности и жесткости, особенно на кручение. На практике бипланы были и легче, и безопасней монопланов в течение многих лет, а разница в скоростях поначалу у них была не так уж велика. Конструкция крыла биплана с растяжками и распорками представляет собой, по существу, некоторую коробчатую, или кессонную, балку, которая обеспечивает большую прочность и жесткость не только на изгиб, но и на кручение. Из рис. 134 видно, что четыре главных лонжерона (по два в каждом крыле) идут вдоль ребер короба, а расположенные между ними элементы образуют решетчатую ферму. На самолете диагональные распорки на верхнем и нижнем крыле, конечно, не видны, так как скрыты обшивкой. Однако на самом деле эти горизонтально расположенные элементы имеются, и их назначение состоит в том, чтобы воспринимать сдвиг, возникающий при кручении крыла.

Рис. 134. Схематическая конструкция пары крыльев биплана с проволочными растяжками, на которую действуют крутящие моменты, возникающие, например, от элеронов.

На рис. 134 схематически показано, как такая конструкция работает на кручение. Видно, что каждая сторона короба нагружена сдвигом подобно решетчатой стенке при изгибе фермы. Заметим, что сдвиг всех четырех сторон короба происходит совместно и взаимозависимо. Если разрезать или убрать одну из четырех сторон, конструкция вовсе не сможет сопротивляться кручению. В биплане эти работающие на сдвиг панели по необходимости делаются из стержней и тросов. Но если конструкция призвана не летать, а работать на земле, то решетка из стержней и тросов может быть заменена сплошными металлическими панелями или листами фанеры. С чисто конструктивной точки зрения работать она будет точно так же, как и рассмотренные нами выше фермы.

Кручению может противостоять короб или трубы любого типа как со сплошными стенками, так и со стенками решетчатой конструкции. И в том и в другом случае в стенках действуют касательные напряжения. Если же сравнивать прочность и жесткость с весом, то крыло биплана с точки зрения крутильных характеристик гораздо более эффективно, чем конструкция, в которой все зависит от пары соединенных между собой балок.

Формулы для прочности и жесткости на кручение стержней и труб различных типов приведены в приложении 3. Следует отметить, что жесткость на кручение трубы или короба определяется квадратом площади поперечного сечения. Поэтому короб большого поперечного сечения (такой, как в старомодных бипланах) требует мало материала и имеет очень небольшой вес. Когда мы строим современный моноплан, то, по существу, заставляем работать всю конструкцию крыла вместе с ее обшивкой, будь она металлической или фанерной. Хотя мы вынуждены делать крыло гораздо толще, чем крылья бипланов, все же площадь его поперечного сечения гораздо меньше, чем у крыла биплана. Поэтому, чтобы добиться необходимой жесткости и прочности, мы вынуждены применять относительно толстую и тяжелую обшивку. Таким образом, довольно большая доля веса всей конструкции современного самолета предназначена для того, чтобы сопротивляться кручению.

Недостаток крутильной жесткости для автомобиля не так опасен, как для самолета, хотя качество подвески автомобиля и его способность "держать дорогу" также определяются жесткостью корпуса. Автомобили довоенного времени были порой великолепны, но, как и самолеты прошлого, страдали от того, что их создатели гораздо больше внимания уделяли двигателю и трансмиссии, чем кузову или шасси. Действительно, крутильная жесткость их кузова целиком зависела от разницы изгибов двух длинных довольно гибких балок, как и в старом Д-8. Именно малая крутильная жесткость кузова приводила к тому, что автомобиль так плохо "держал дорогу", и управление им было трудным и утомительным делом.

Чтобы удержать колеса от потери контакта с дорогой, рессоры и амортизаторы спортивных автомобилей тех времен делались все более жесткими, пока не превратились в практически недеформируемые элементы. В результате, конечно, езда сделалась почти невыносимой из-за резких толчков и подпрыгиваний. Как и громкий выхлоп, все это, без сомнения, производило впечатление на тогдашних пассажирок, но в действительности не очень-то помогало удерживать автомобиль на дороге. Решение, принятое большинством конструкторов современных автомобилей, состоит в том, что они выбросили не выдерживавшее кручения шасси, а изгибающие и крутящие нагрузки переложили на стальной штампованный кузов. Вместе с крышей он образует коробку, которая в принципе не очень сильно отличается от крыльев старых бипланов. Имея в своем распоряжении такую жесткую конструкцию, инженер может сосредоточить свои усилия на разработке научно обоснованной системы подвески, которая одновременно была бы и безопасной, и комфортабельной.

Как мы уже говорили, крутильная жесткость конструкции пропорциональна квадрату ее поперечного сечения. В этом отношении с такими крупными предметами, как крыло самолета, корпус корабля или кузов автомобиля, все обстоит более или менее неплохо. А вот вращающиеся валы двигателей или других механизмов часто имеют совершенно недостаточную прочность, хотя и делаются обычно из сплошной стали, так как площадь поперечного сечения у них обычно жестко ограничена. В этом одна из причин огромного веса таких машин. Как скажет вам всякий опытный конструктор, именно требования к жесткости и прочности на кручение, когда они становятся определяющими, являются бичом их создателей. Сразу возрастают вес и стоимость, и все это вместе приводит к непропорциональному росту трудностей и забот инженера.

Природа, кажется, не заботится об экономии времени и своих усилий, а тем более о деньгах, но она очень чувствительна к "метаболической стоимости", то есть стоимости конструкции в терминах пищи и энергии, кроме того, она вообще довольно тонко "чувствует" вес конструкции. Не удивительно поэтому, что она избегает кручения как яда. Действительно, ей почти всегда удается увернуться от любой серьезной необходимости обеспечить большую жесткость и прочность на кручение. Животные, как правило, пока на них не действуют "нерасчетные" нагрузки, могут позволить себе быть "слабыми" на кручение. Никто из нас не любит, когда ему выкручивают руки, а крутящие нагрузки на ноги обычно достаточно малы. Однако, когда мы крепим к своим ногам длинные рычаги, называемые лыжами, то при неважной езде легко возникают действующие на ноги большие крутящие моменты. Поскольку в этом причина большинства переломов ног, для горнолыжников были разработаны современные безопасные крепления, автоматически освобождающие ногу при кручении.

Не только ноги, но и практически все кости удивительно слабы на кручение. При надобности убить курицу или другую домашнюю птицу проще всего, как хорошо известно, свернуть ей шею. Но не все знают, как слаб на кручение позвоночник, а сей малоприятный прием очень наглядно демонстрирует это. Но сворачивание голов, как и катание на лыжах, - это опасности, совершенно не предусмотренные природой. В отличие от инженеров она никогда не проявляла интереса к вращательному движению и (подобно африканцам) даже не позаботилась об изобретении колеса.

 

Различные виды разрушения при сжатии,

или

сэндвичи, весла и Леонард Эйлер

Как и следовало ожидать, при действии сил сжатия конструкции разрушаются иначе, чем при растяжении. Когда мы нагружаем твердое тело растяжением, расстояния между образующими его атомами и молекулами увеличиваются. При этом натягиваются и межатомные связи, но они могут растягиваться лишь в ограниченных пределах. Если деформации превышают примерно 20%, химические связи ослабевают и в конце концов исчезают совсем. Хотя в действительности полная картина процесса разрыва твердого тела достаточно сложна, можно, вообще говоря, утверждать, что, когда растяжение какой-то большой части межатомных связей достигнет предельного значения, произойдет и разрушение материала в целом. Нечто подобное происходит и тогда, когда материал разрушается при кручении. Однако при сжатии происходит несколько иное.

Если сжимать твердое тело, то расстояния между его атомами и молекулами будут уменьшаться, а межатомные силы отталкивания в любых нормальных условиях с ростом деформации сжатия будут возрастать почти безгранично. И только в случае, когда действуют огромные гравитационные силы, существующие в некоторых звездах, называемых астрономами белыми карликами, силы отталкивания уже не могут противостоять фантастическим силам гравитационного сжатия, причем с катастрофическими последствиями.

Тем не менее множество обычных земных конструкций при сжатии все-таки разрушается. Дело в том, что сжимающие напряжения в любой данной конструкции никогда не могут расти беспредельно, материал или конструкция всегда находит способ избежать этого, просто "выскользнув" из-под нагрузки куда-нибудь в боковом направлении. С энергетической точки зрения конструкции выгодно избавиться от избытка упругой энергии при сжатии с помощью того или иного механизма обмена энергией, удобного в данной конкретной ситуации.

Из-за этого сжатые конструкции обладают весьма прихотливыми свойствами и изучение их разрушения - это изучение способов, какими можно выбраться оттуда, где на тебя давят. Как известно, это можно сделать разными способами. Выбор возможного способа определяется формой, пропорциями и материалом самой конструкции.

О каменной кладке мы говорили уже довольно много. И хотя здания - это по сути своей сжатые конструкции и кладка всегда должна находиться в сжатом состоянии, следует сказать, что от сжатия они не разрушаются никогда. Как ни парадоксально, но они могут разрушиться, только если в них возникнут растягивающие напряжения. При этом у стены появляется бурная тенденция к порождению "шарнирных" точек; поворачиваясь вокруг этих точек, стены рушатся.

Арки - конструкции, гораздо более прочные и надежные, чем стены, но и в них иногда могут образоваться четыре "шарнирные" точки, после чего арка может уменьшить как свою упругую энергию, так и потенциальную энергию, сложившись вначале как механизм и свалившись затем грудой камней. Во всяком случае, согласно расчетам, проводимым нами в гл. 8, существующие напряжения сжатия в каменной кладке фактически очень невелики, они гораздо ниже общепринятого предела прочности материала на сжатие.

 

Предел прочности на сжатие,

или

разрушение коротких стержней и колонн при сжатии

Если взять кирпич или небольшой бетонный блок и подвергнуть их действию значительной сжимающей нагрузки (в испытательной машине или любым другим методом), материал в конце концов, разрушится тем способом, который условно называют "разрушением при сжатии". Хрупкие материалы, например камень, кирпич, бетон или стекло, обычно при этом рассыпаются на куски, а иногда и в пыль. Но, строго говоря, это вовсе не разрушение сжатием, так как в действительности оно почти всегда происходит из-за сдвига. Как мы видели в предыдущей главе, сжатие и растяжение образца с необходимостью приводят к появлению напряжений сдвига, действующих под углом 45°, и именно этот сдвиг по наклонным площадкам и служит обычно причиной разрушения коротких образцов при их сжатии.

Как мы уже говорили, практически во всех хрупких материалах существует множество микротрещин, царапин и того или иного рода дефектов. Если даже они не возникли при изготовлении материала, то практически неизбежно появятся потом из-за самых разнообразных причин. Естественно, что эти трещины и царапины в материале имеют всевозможные направления. Значительное число их окажется направленным под углом +45° к напряжению сжатия, то есть они будут более или менее параллельны возникающим напряжениям сдвига (рис. 135).

Рис. 135. Разрушение хрупких материалов (цемент или стекло) при сжатии происходит на самом деле путем сдвига.

Как и в случае растяжения, для этих сдвиговых трещин существует критическая длина по Гриффитсу. Другими словами, трещина данной длины начинает распространяться, когда касательное напряжение достигает некоторого критического значения. Если в хрупком материале, например бетоне, достигаются эти критические условия, то сдвиговые трещины распространяются практически мгновенно, процесс может носить почти взрывной характер. Когда сдвиговая трещина пройдет по диагонали поперек всего образца, две его части начинают скользить относительно друг друга. Образец уже не может больше сопротивляться сжимающей нагрузке, материал разгружается, выделяя большое количество упругой энергии, и именно поэтому, когда хрупкие материалы (стекло, бетон, камень) сжимают или разбивают молотком, разлетаются осколки, которые могут быть опасными. Выделенной энергии деформации часто оказывается достаточно для превращения материала в пыль. Именно это происходит, когда мы толчем кусочки сахара в ступке.

Разрушение сжатием пластичного металла (скажем, масла или пластилина) происходит по аналогичным причинам. Под действием касательных напряжений слои металла начинают проскальзывать по дислокационному механизму. И снова скольжение происходит вдоль плоскостей, расположенных примерно под углом 45° к сжимающей нагрузке, короткий металлический образец расползается, приобретая бочкообразную форму (рис. 136). Благодаря большой работе разрушения пластичного металла вероятность выброса осколков в этом случае невелика и непосредственные следствия разрушения бывают менее опасными и драматичными. Когда мы бьем молотком по головке заклепки или используем для этого гидравлический пресс, мы рассчитываем именно на эту склонность металла расплющиваться при сжатий.

Рис. 136. Разрушение пластичного материала (металла) при сжатии происходит вследствие сдвига, но в этом случае сдвиг приводит к расплющиванию образца.

Материалы типа дерева или искусственных волокнистых композитов, например стеклопластика или углепластика, при сжатии обычно разрушаются иначе. Армирующие волокна под действием сжимающих нагрузок изгибаются все вместе, "коллективно", образуя складку, бегущую поперек образца. Эти складки могут проходить под углом 90° к направлению сжимающих сил или наклонно под различными углами (рис. 137). К сожалению, в композиционных материалах складки часто образуются уже при сравнительно небольших напряжениях, то есть на сжатие эти материалы работают плохо, что следует иметь в виду при использовании их в конструкциях.

Рис. 137. Разрушение волокнистых материалов (дерево или стеклопластик) при сжатии. Поперечная складка (а) под углом 90°приводит к уменьшению объема, а потому возникает только в материалах, содержащих пустоты, например в дереве. Косая складка (б) характерна для композитных материалов, так как ее формирование не требует уменьшения объема.

 

Сравнение прочности материалов на растяжение и на сжатие

Содержимое многочисленных учебников и справочников - обширные таблицы прочности на разрыв практически всех конструкционных материалов. Как правило, книги эти гораздо более сдержанны в отношении прочности на сжатие. Одна из причин этого в том, что экспериментальные значения прочности при сжатии в большей мере зависят от формы испытуемого образца. Иногда материал оказывается столь чувствительным к ней, что становится почти бессмысленным приводить какие-либо цифры. Хотя обращаться с величинами прочности на сжатие мы обязаны очень осторожно и это оправданно, использование данного понятия все же позволяет лучше постигнуть работу конструкции. Прежде всего мы должны иметь в виду, что на самом деле не существует никакой однозначной зависимости между прочностью материала на сжатие и его прочностью на растяжение.

Весьма приблизительные величины прочности некоторых распространенных материалов приведены в табл. 5. Величины прочности на сжатие получены на образцах, имеющих отношение длины к толщине от 1 до 3-4. Прочность более толстых или более тонких образцов может быть совершенно другой.

Таблица 5 Приблизительные значения предела прочности на сжатие и растяжение для некоторых материалов

Материал / Предел прочности на растяжение, МН/м 2 / Предел прочности на cжатие, МН/м 2

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 которой есть 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 обычно гораздо 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 балка обычно на растянутой полке делается более толстой, чем на сжатой, потому что прочность чугуна на разрыв меньше его прочности на сжатие.

Рис. 139. Деревянный лонжерон 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

В реальной жизни различие между балкой и длинной колонной обычно довольно неясно. Вытянутая колонна, например кость ноги животного, почти всегда подвергается изгибу, в результате чего материал ее вогнутой стороны сжат больше, чем в других местах. С другой стороны, в балках или фермах особенно сложной конфигурации сжатый пояс всегда следует проверять с точки зрения его 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. Лучшим примером колонн, которые, кроме сжатия, подвергаются и изгибу, служат деревья и мачты парусных кораблей. Ствол дерева должен выдерживать сжимающий вес всех своих ветвей и листвы, но в жизни дерева изгибающие нагрузки, вызванные давлением ветра, могут быть больше и опаснее. Точно так же и мачты, которые номинально являются сжатыми колоннами, испытывают значительный изгиб из-за неравномерного 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 старые мастера предпочитали использовать один ствол сосны или ели, по возможности оставляя его в первозданном виде. Эти специалисты не только встречали в штыки любые предложения о том, что следует делать пустотелые мачты, имеющие "более эффективное" трубчатое сечение; они старались вообще избегать какой-либо обработки дерева, кроме удаления коры.

В течение многих лет образованные инженеры, которые знали все об изгибе балок, нейтральных осях и моментах инерции второго порядка, презирали эти традиции, считая их обычно чепухой. Первое, что делает с деревом современный инженер, - это режет его вдоль на маленькие кусочки, которые затем снова склеивает вместе, стараясь получить нечто пустотелое в сечении. И только недавно мы стали осознавать, что в том, как устроен ствол растущего дерева, заключена некая высшая мудрость. Среди других хитростей у древесины есть такая: в различных частях ствола она растет таким образом, что ствол оказывается "предварительно напряженным".

В такой балке, как лонжерон крыла планера, где наибольшие изгибающие нагрузки практически имеют всегда одно и то же направление, сжатую полку можно сделать толще растянутой, имея в виду, что при сжатии дерево значительно более непрочно, чем при растяжении. Но деревья или мачты должны выдерживать изгибающие нагрузки, действующие в самых различных направлениях, - все здесь определяется прихотью ветра, - поэтому для них такое решение не подходит. Во всяком случае, ствол дерева должен иметь симметричное сечение, обычно круглое. При изгибе распределение напряжений по сечению предварительно ненагруженной балки линейно, как показано на рис. 140, а. В этом случае, когда напряжение сжатия достигнет величины около 30 МН/м2 (3 кгс/мм2), балка, то есть дерево, начнет ломаться.

И вот тут-то выступает предварительно напряженная конструкция ствола. Каким-то образом дерево ухитряется расти так, что внешние слои древесины обычно растянуты (примерно до 15 МН/м2), то есть до 4,5 кгс/мм2 в то время как внутренние сжаты. Примерное распределение напряжений в сечении ствола в обычных условиях показано на рис. 140, б. Теперь напомним одно из важных следствий линейности закона Гука, состоящее в том, что мы можем смело складывать одно распределение напряжений с другим. Тогда, если мы прибавим к распределению напряжений, показанному на рис. 140, а, распределение, показанное на рис. 140, б, то получим распределение, изображенное на рис. 140, в.

Рис. 140.а - поведение под ветром дерева, в древесине которого нет предварительных напряжений; распределение напряжений по сечению ствола линейно и наибольшие растягивающие и сжимающие напряжения одинаковы; б - предварительно напряженное дерево в безветренную погоду; наружные слои ствола растянуты, внутренние - сжаты; в - предварительно напряженное дерево при сильном ветре; сжимающие напряжения уменьшились наполовину, так что дерево может выдержать вдвое большие нагрузки, чем в случае а.

Таким образом, дерево уменьшает наибольшую величину сжимающего напряжения примерно вдвое и тем самым удваивает эффективное сопротивление ствола на изгиб. Правда, при этом возрастает максимальное растягивающее напряжение, но дерево вполне с ним может справиться. То, к чему стремится дерево, создавая предварительно напряженную структуру ствола, противоположно целям, которые мы преследуем в случае предварительно напряженного железобетона. Бетон непрочен при растяжении и сравнительно прочен при сжатии, так что бетонную балку при изгибе опасность подстерегает на растянутой стороне. Чтобы избежать этого, мы армируем бетон стальными стержнями, находящимися под натяжением, так что сам бетон оказывается сжатым. Поэтому балку нужно гнуть довольно сильно, прежде чем сжимающие напряжения в бетоне вблизи от одной из поверхностей балки сменятся растягивающими. Тем самым отодвигается момент начала растрескивания бетона, так как балку следует продолжать гнуть, прежде чем будет достигнут предел прочности бетона на растяжение.

Мы уже говорили, что дерево и волокнистые композиционные материалы при сжатии разрушаются, образуя складки изогнутых волокон. Мой коллега д-р Ричард Чаплин показал, что эти складки имеют много общего с трещинами, которые возникают при растяжении. В частности, они часто начинаются в местах концентрации напряжений у отверстий и дефектных включений. Гвозди и шурупы, вообще говоря, не сильно ослабляют древесину, но только в том случае, если они плотно в ней сидят. Как только вы вытащите гвоздь или вывернете шуруп, получившееся отверстие станет опасным местом. То же самое справедливо и для сучков в древесине. В сильно нагруженных деревянных конструкциях, таких, как планер или мачта яхты, разумно поэтому оставлять ненужные гвозди и шурупы в покое и не пытаться их вытаскивать. При острой необходимости их лучше срезать заподлицо с поверхностью дерева.

Далее, как показал Ричард Чаплин, образование складок при сжатии волокнистых материалов требует больших энергетических затрат, чем работа разрушения при растяжении. Следовательно, для развития складок необходимо подводить к ним упругую энергию, и их поведение должно быть чем-то похоже на поведение трещин Гриффитса. Однако здесь имеется и несколько важных различий.

Мы уже говорили, что в материалах, которые мы сейчас рассматриваем, складки изогнутых волокон могут появляться как под углом 45°, так и под углом 90° к направлению действия нагрузки (они могут быть и под другими углами между 45° и 90°). Поведение складки под углом 45° похоже на поведение трещины сдвига, при подходящих условиях она распространяется через весь образец подобно трещине Гриффитса. Однако складка под углом 90° короче наклонной, и поэтому она потребляет меньше энергии при равной глубине, отсчитываемой по нормали от образца.

По этой причине складки под углом 90° в целом более вероятны. Однако, хотя такая складка начинает распространяться легче, она и скорее прекращает свой рост, продвинувшись на сравнительно небольшую длину. Происходит это потому, что при увеличении длины складки две ее стороны прижимаются друг к другу, в результате чего высвобождение упругой энергии прекращается. Поэтому полное разрушение образца, по крайней мере немедленное, становится маловероятным. В этих условиях может возникнуть целая цепочка коротких складок, протянувшаяся вдоль сжатой поверхности балки. Их можно иногда увидеть на поверхности деревянного лука или весла (рис. 141).

Рис. 141. Складки на сжатой стороне круглого изогнутого бревна.

Инженеры обычно уповают на эффективность двутаврового или коробчатого сечения балок, но иногда это не что иное, как заблуждение. По ряду причин в балках круглого сечения (как древесный ствол) высвобождение упругой энергии, необходимое для распространения трещин или складок сжатия, оказывается менее благоприятным для развития процессов разрушения. Этим, быть может, определяется рациональность круглого сечения большинства деревянных луков, и, несомненно, с этим связана округлая форма поперечного сечения костей животных.

Пока на материал действуют только сжимающие нагрузки, развитию складок препятствует довольно много причин. Отчасти поэтому дерево обычно является таким надежным строительным материалом. Однако, если нагрузка реверсируется, ситуация может стать чрезвычайно опасной. Дело в том, что система согнутых волокон, которая образует складку, имеет практически нулевую прочность на растяжение и в условиях растяжения складки ведут себя подобно трещинам. Это особенно опасно потому, что при растяжении теперь уже ничто не препятствует высвобождению упругой энергии, так как две стороны "трещины" теперь могут свободно разойтись.

Один из безотказных способов сломать крыло деревянного планера в полете - это совершить грубую посадку при предыдущем вылете. Если при посадке машину сильно ударить о землю, то крыло резко изогнется вниз. Это может привести к образованию складок сжатия в полке лонжерона, нагруженной растяжением в полете. Невероятно, чтобы возникшие складки были обнаружены при обычном осмотре, так что в следующем полете лонжерон сломается именно в этом месте, после чего, конечно, отвалится и все крыло.

 

Леонард Эйлер и выпучивание тонких стержней и пластин

Все, о чем мы говорили до сих пор, применимо лишь к относительно коротким и толстым стержням и другим сжатым элементам. Мы видели, что при сжатии они обыкновенно разрушаются вследствие сдвига или образования локальных складок. Однако огромное количество сжатых конструкций содержит длинные и тонкие элементы, которые выходят из строя совершенно по-другому. Длинный стержень, тонкий лист металла или страница этой книги выпучиваются при сжатии, теряя способность нести нагрузку. В этом легко убедиться с помощью простейшего эксперимента: возьмите лист бумаги и попытайтесь сжать его в продольном направлении. Такой вид потери несущей способности (с ним связаны важные технические и экономические последствия) называется потерей устойчивости. Впервые он был изучен Леонардом Эйлером (1707-1783), и потому нередко говорят об устойчивости (или неустойчивости) по Эйлеру.

Эйлер имел немецко-швейцарское происхождение, в его семье были известные математики. Он рано приобрел имя в той же области, и еще очень молодым был приглашен Екатериной II в Россию. Большую часть жизни он провел при дворе в Петербурге, лишь по временам, в моменты острой политической ситуации, находя пристанище у Фридриха II в Потсдаме. Жизнь при дворах просвещенных деспотов в середине XVIII в. была, должно быть, интересна и колоритна, однако в многотомных сочинениях Эйлера мы не найдем каких-либо упоминаний об этом. Насколько я мог выяснить, ни одному из его биографов не удалось установить хотя бы одного случая или происшествия в его жизни, которые могли бы удовлетворить обычное человеческое любопытство. Он просто в течение очень многих лет постоянно занимался математикой, описывая свои результаты в огромном количестве научных статей, которые и после его смерти все еще публиковались в течение сорока лет.

Конечно, Эйлер совсем не собирался заниматься несущей способностью сжатого стержня как конструкционного элемента. Просто среди многих других своих математических открытий он изобрел то, что теперь называется вариационным исчислением, и он искал задачи, к которым можно было бы применить этот новый математический метод. Один из его друзей предложил попробовать этот метод для определения наименьшей высоты тонкого вертикального стержня, при которой этот стержень начнет выпучиваться под собственным весом. Такая формулировка этой не очень реальной задачи объясняется тем, что, как мы уже упоминали в гл. 2 понятия напряжения и деформации возникли лишь в значительно более поздние времена. Для ее решения нужно было применить вариационный метод. Если переложить полученный Эйлером результат на современный язык, то получится то, что сейчас называется формулой Эйлера для критической нагрузки потери устойчивости продольно сжатого стержня, а именно: P =π 2 (EI /L 2 ), где P - нагрузка, при которой выпучиваются стержень или панель; E - модуль Юнга материала; I - момент инерции поперечного сечения стержня или панели (гл. 10); L - длина стержня. Естественно, все эти величины должны быть выражены в одной и той же системе единиц. (Удивительно, что так много важных расчетных формул имеют столь простой вид.)

Формула Эйлера применима к длинным и тонким колоннам и стержням всех видов - как сплошным так и пустотелым, а что, быть может, и более важно - к тонким панелям и пластинам, которые встречаются в конструкциях самолетов, кораблей и автомобилей. Если мы построим график зависимости критической нагрузки стержня или панели от длины, то получится нечто похожее на рис. 142, на котором показаны два возможных механизма разрушения.

Короткие стержни разрушаются описанным выше путем с образованием бочки или дроблением на мелкие куски. Когда отношение длины к толщине стержня достигает величины 5-10, эта линия пересекает кривую, соответствующую эйлеровой форме потери устойчивости. Теперь более опасным становится выпучивание, и длинный стержень выходит из строя вследствие выпучивания. В действительности переход от разрушения материала к потере устойчивости происходит не так резко, существует некая переходная область, отмеченная на рис. 142 пунктиром.

Рис. 142. Зависимость предельного сжимающего напряжения от длины стержня.

Приведенная выше формула Эйлера относится к тому случаю, когда стержень или панель имеют шарнирное закрепление и могут свободно поворачиваться (рис. 143). Обычно все, что препятствует концам стержня или панели поворачиваться приводит к увеличению критической нагрузки потери устойчивости. В крайнем случае, когда оба конца стержня жестко заделаны, его критическая нагрузка увеличивается в 4 раза. Очень часто, однако, для жесткой заделки необходимо существенное стеснение концов, а это приводит к увеличению веса, сложности и стоимости всей конструкции, поэтому она становится невыгодной.

Рис. 143. Различные условия эйлеровой формы потери устойчивости. а - оба конца шарнирно оперты; б - оба конца заделаны; в - один конец заделан, а второй шарнирно оперт и может перемещаться в горизонтальном направлении.

Далее, жесткая заделка концов передает любые монтажные несоосности самому стержню. При этом стержень может оказаться изогнутым еще до нагружения и его предельная нагрузка упадет. Вот почему жесткая установка мачты, при которой она одновременно крепится и к палубному перекрытию, и к килю, сейчас уже вышла из употребления (рис. 144).

Рис. 144. Изогнутый до нагружения стержень (в данном случае мачта) теряет устойчивость при меньшей нагрузке.

Следует отметить, что в выписанную нами формулу Эйлера не входит предел прочности материала. Нагрузка, при которой стержень или панель данной длины теряет устойчивость, зависит только от момента инерции сечения I и модуля Юнга (жесткости) материала. Длинный стержень не разрушается при выпучивании. Он только упруго изгибается таким образом, чтобы "выскользнуть" из-под нагрузки. Если при выпучивании не был достигнут "предел упругости" материала, то после снятия нагрузки стержень опять выпрямится, и, спружинив, как ни в чем не бывало примет свою прежнюю форму.

Это свойство часто может быть весьма полезным, поскольку, основываясь на нем, можно создавать "неразрушающиеся" конструкции. Ковры и ковровые дорожки не портятся именно по этой причине, и природа, конечно же, широко использует этот принцип, особенно в отношении низкорослых растений, например травы, которую всегда довольно трудно вытоптать. Так, мы спокойно гуляем по лужайке, не причиняя ей большого вреда. Именно гениальная комбинация острых колючек с открытием д-ра Эйлера делает живую изгородь одновременно неразрушаемой и труднопреодолимой для людей и скота. С другой стороны, для комаров и других насекомых, использующих в качестве оружия длинное и тонкое жало, природа вынуждена была "изобрести" прямо-таки невообразимое количество самых разных конструкционных уловок, чтобы предотвратить потерю устойчивости этих тонких, жалящих нас стержней.

При жизни Эйлера его формула не могла найти сколько-нибудь значительного использования в технике. Практически ее могли применить лишь при проектировании корабельных мачт и других стоек. Однако корабельные мастера тех времен уже справились с этой проблемой. В замечательных справочниках XVIII в. по кораблестроению, таких, как "Основы изготовления мачт, парусов и такелажа" Стила, содержатся подробные таблицы, где приведены размеры брусьев любого типа, основанные на опыте, и сомнительно, чтобы эти рекомендации могли быть существенно улучшены с помощью вычислений.

Серьезный интерес к явлению потери устойчивости возник лишь столетие спустя и был связан с возросшим использованием листовой стали. Стальные листы были, естественно, тоньше, чем каменная кладка и деревянные детали, к которым так привыкли инженеры. В 1848 г. при постройке железнодорожного моста через пролив Менай расчеты на устойчивость впервые делались для серьезных практических целей. Этот мост явился совместным детищем трех выдающихся людей: Роберта Стефенсона (1802-1859), Итона Ходжинсона (1789-1861), математика и одного из первых профессоров-инженеров, и Вильяма Фейрберна (1789-1874), пионера конструкционного использования листовой стали.

Подвесные мосты Стефенсона оказались неудачными из-за своей излишней гибкости. К тому же адмиралтейство настаивало, и не без оснований, на тридцатиметровой высоте пролета, чтобы под мостом могли проходить корабли. Удовлетворить требованиям как жесткости, так и высоты можно было лишь единственным путем - спроектировав мост балочного типа невиданной до этого длины. По ряду соображений наилучшим вариантом казалась балка в форме трубы, собранная из листовой стали, внутри которой двигался бы поезд. Длина каждой секции должна была составлять около 140 м.

Вскоре стало очевидным, что труднее всего справиться с проблемой устойчивости стальных панелей, образующих верхнюю, сжатую сторону балки. Для простых панелей и стержней формула Эйлера является точной, но здесь речь шла о мостовых балках достаточно сложной формы, для расчета которых в то время не было еще соответствующей теории. Выход был только один - эксперименты на моделях. Как и можно было ожидать, результаты оказались довольно путаными и ненадежными, причем до такой степени, что все три проектировщика перессорились между собой. Казалось, их партнерство распадется, так и не породив конструкции действительно надежного моста. В конце концов порешили делать для моста клетчатые коробчатые балки (рис. 145). Ко всеобщему облегчению, мост оказался удачным и служит по сей день.

Рис. 145. Балка в виде трубы коробчатого сечения (мост "Британия").

Со времен Стефенсона проделано огромное количество математических расчетов устойчивости тонких оболочек, но проектирование таких конструкций все еще сопровождается значительно большей, чем обычно, неопределенностью. Поэтому разработка ответственных конструкций такого типа может обходиться достаточно дорого из-за возможных натурных испытаний в процессе проектирования и доводки.

 

Трубы, корабли и бамбук,

или

кое-что о локальной потере устойчивости

Согласно Эйлеру, нагрузка, при которой стержень теряет устойчивость, определяется величиной EI /L 2 , и поэтому критические нагрузки длинных колонн на сжатие обычно очень и очень малы. Единственное, что можно здесь сделать, - это увеличивать EI по возможности пропорционально L 2 . Для большинства материалов модуль упругости Юнга Е практически постоянен, так что в действительности мы можем лишь увеличивать момент инерции поперечного сечения I . Это значит, что колонны следует делать толще. Именно так и поступают при использовании каменной кладки, например в мощных колоннах дорических храмов. Но вес при этом получается чрезмерно большим, и если мы хотим сделать легкую конструкцию, то должны каким-то образом развить поперечное сечение. Иногда его делают в форме швеллера, а иногда придают коробчатую форму. Но, как правило, лучшим и наиболее эффективным оказывается стержень в виде трубы.

Трубы очень популярны не только среди инженеров - природа тоже повсеместно отдает предпочтение трубчатым стержням. Однако труба при сжатии может терять устойчивость, и происходит это двумя путями. Один путь мы уже описали - это эйлерова, или длинноволновая, форма выпучивания. Другой путь - коротковолновая форма выпучивания, когда в каком-то месте на стенке трубы образуются вмятины и выпучины. Если радиус трубы велик, а стенки тонки, труба может быть совершенно устойчива к длинноволновой форме выпучивания, но она выйдет из строя из-за локального сморщивания (рис. 146). Это легко продемонстрировать на примере тонкостенного мундштука папиросы. Именно этот эффект накладывает ограничения на использование простых труб и тонкостенных цилиндров при сжатии.

Рис. 146. Локальная потеря устойчивости в тонкостенной трубе при осевом сжатии.

Обычный способ борьбы с потерей устойчивости такого типа состоит в подкреплении стенок конструкции с помощью таких элементов, как шпангоуты и стрингеры и т.п. Шпангоуты - это ребра жесткости, идущие по периметру сечения, а ребра жесткости, идущие в продольном направлении, - это стрингеры. Жесткость корпуса корабля чаще всего увеличивают с помощью шпангоутов и переборок, хотя с недавних пор большие танкеры строят по системе Ишервуда с использованием продольных стрингеров. Сложная оболочечная конструкция, подобная фюзеляжу самолета, обычно подкрепляется и стрингерами, и шпангоутами. Пустотелые стебли травы и бамбука, которые имеют тенденцию сплющиваться при изгибе, очень изящно подкреплены "узлами", или перегородками, размещенными через определенные интервалы по всей длине стебля (рис. 147 и 148).

Рис. 147. Два способа увеличения жесткости стеблей растений с целью предотвращения локальной потери устойчивости: а - продольные стрингеры; б - узлы, или перегородки, характерные для травы и бамбука.

Рис. 148. Подкрепленная конструкция корпуса судна, часто используемая в нефтяных танкерах.

 

Листья, сэндвичи и сотовые конструкции

Пластины, панели и оболочки широко используются и природой, и техникой, но, чем они протяженнее и тоньше, тем меньше их жесткость на изгиб и критические нагрузки потери устойчивости. В принципе все, что увеличивает жесткость стержня или пластины на изгиб, увеличивает и ее сопротивление выпучиванию при продольном сжатии. Один из методов повышения устойчивости состоит в установке панели или стержня с помощью тросов и растяжек (метод, никогда не используемый в растениях). Другой и, возможно, более предпочтительный метод состоит в устройстве ребер жесткости, гофрировании для использовании ячеистых конструкций.

Древесина имеет ячеистое строение, так же как и большинство других растительных тканей, среди которых следует обратить внимание на стенки стеблей травы и бамбука. Кроме того, в борьбе растения за существование важную роль играет конструктивная эффективность листьев, которые должны использовать для фотосинтеза как можно большую площадь своей поверхности при минимальных метаболических затратах. Лист - весьма важная конструкция типа панели. Чтобы увеличить свою жесткость при изгибе, листья используют большинство из известных конструкционных решений. Почти все листья имеют развитую систему ребер жесткости, в то время как пленки между ними представляют собой ячеистую структуру, увеличивающую жесткость; в некоторых случаях они, кроме того, и гофрированы. Вдобавок к этому жесткости листа как целого способствует осмотическое давление в нем сока.

В инженерных конструкциях жесткость панелей и оболочек увеличивается с помощью стрингеров и шпангоутов, которые приклеиваются, приклепываются или привариваются к обшивке, хотя это и не всегда самый простой или самый дешевый путь. Другой путь решения проблемы состоит в изготовлении оболочки из двух разнесенных слоев, пространство между которыми содержит возможно более легкий наполнитель. Конструкции такого типа называют "сэндвич".

Панели типа сэндвича впервые были использованы известным конструктором Эдвардом Бишопом, главным конструктором фирмы Хэвиленд. В 1930 г. он применил их в фюзеляже теперь уже забытого самолета "Комета". Возможно, более известно использование их в самолете "Москито", преемнике "Кометы". В обоих этих самолетах в качестве наполнителя использовалась легкая бальсовая древесина, а внешние слои сэндвича делались из прочной и тяжелой березовой фанеры, которая приклеивалась к наполнителю.

"Москито" был одним из наиболее удачных самолетов, но наполнитель из бальсы легко впитывал воду и гнил; кроме того, поставки этой довольно мягкой и хрупкой древесины тропического происхождения были ограничены, а ее качество не отличалось постоянством. Случилось, однако, так, что изыскание материалов для наполнителей панелей и оболочек типа сэндвича было стимулировано главным образом не этими обстоятельствами, а внедрением самолетных локаторов. Вращающуюся, или сканирующую, антенну локатора нужно было поместить внутри защитного куполообразного обтекателя. Естественно, что такой обтекатель должен был быть прозрачен для радиоволн высокой частоты, его следовало делать из какой-либо пластмассы, например из стеклопластика. Однако оказалось, что прозрачность оболочки обтекателя значительно увеличивается - по крайней мере теоретически - благодаря использованию материала типа сэндвича, толщина которого строго определяется длиной волны, на которой работает локатор, точно так же, как толщина поверхностной пленки в современной "просветленной" оптике определяется длиной волны видимого света.

Но сырая бальса, как и любая сырая древесина, практически непрозрачна для радиоволн, поэтому требовалось создать более водостойкие и легкие материалы. Такие материалы были получены путем "вспенивания" искусственных смол. Сэндвич с таким наполнителем выглядит так, как показано на рис. 149. Было получено довольно много "вспененных" смол различных типов, которые использовались не только в качестве наполнителя в трехслойных локаторных обтекателях, но также и во всех других трехслойных конструкциях. Некоторые из них применяются еще и сегодня при изготовлении лодок, поскольку стенки их ячеек практически водонепроницаемы.

Рис. 149. Конструкция типа сэндвича со вспененным наполнителем.

Однако для использования в качестве наполнителя панелей типа сэндвича, работающих в условиях, когда требуется наивысшая эффективность, вспененные смолы довольно тяжелы и обладают меньшей жесткостью, чем хотелось бы. Таким образом, с изобретением пеноматериалов голод на легкие наполнители не был ликвидирован.

Однажды, где-то в конце 1943 г., мне позвонил в Фарнборо один владелец цирка, некто Джордж Мэй, и попросил о встрече. После нескольких историй в духе Джеральда Даррелла о том, как трудно содержать обезьян в передвижном цирке, он извлек из кармана нечто похожее на помесь книги и гармошки. Когда Мэй потянул за концы своего изобретения, оно раскрылось подобно бумажной гирлянде, подвешиваемой на рождество. На самом деле это было какое-то подобие бумажных сот, очень легких, но совершенно удивительных по своей прочности и жесткости. Не думаю ли я, что такая штука может быть использована в конструкции самолета? Препятствие, как честно признался Джордж Мэй, состояло в том, что, поскольку эти соты были сделаны всего лишь из оберточной бумаги и обычного клея, они очень боялись воды и тут же расползались, стоило их только слегка намочить.

Это был тот редкий случай, когда авиационные инженеры испытывали серьезное искушение расцеловать владельца цирка всем коллективом. Однако, преодолев первый порыв, мы сказали Мэю, как защитить бумажные соты от воды с помощью синтетических смол.

Именно так поступили и мы (рис. 150). Бумагу, из которой изготовлялись соты, предварительно пропитывали раствором фенольной смолы. Сделанные из нее и расправленные соты помещались в печь для отверждения смолы. Бумага после этого делалась не только водостойкой, но и более прочной и жесткой. Материал получился очень удачный и нашел широкое применение в военной технике. Хотя теперь он почти не используется в самолетостроении, зато около половины дверей в мире имеют его между слоями фанеры или пластмассы. Особенное распространение нашел этот способ в США, велико и мировое производство бумажных сот.

Рис. 150. Бумажные соты. а - на пропитанную мономером бумагу наносятся параллельные полосы клея; б - листы склеиваются в толстый блок; полосы клея чередуются; в - блок растягивается в сотовую конструкцию, после чего мономер подвергается полимеризации; г - плита из сот вклеивается между листами фанеры, пластмассы или металла, образуя структуру типа сэндвича.

Хотя инженеры начали применять конструкции типа сэндвича и наполнители из вспененных смол и бумажных сот сравнительно недавно, они с незапамятных времен используются в природе (рис. 151). Примером тому служат так называемые "плоские" кости нашего черепа, подвергающиеся действию изгибающих и сжимающих нагрузок.

Рис. 151. Плоская кость.