Философия конструирования,

или

форма, вес и стоимость

Мы уже видели, что расчеты на прочность применяются для анализа поведения конкретных конструкций - либо тех, которые предполагается строить, либо тех, которые уже существуют, но их надежность находится под сомнением, либо тех, которые нас озадачили (успев сломаться). Другими словами, если мы знаем размеры конструкции и свойства материала, из которого она сделана, то можем по меньшей мере попытаться предсказать, сколь прочной она будет и как она будет деформироваться под нагрузкой.

Такие расчеты весьма полезны в конкретных задачах. Но они вряд ли помогут, если мы захотим понять, почему тот или иной предмет имеет именно присущую ему форму и сделан именно так, а не иначе, или если нам понадобится выбрать из широкого класса возможных конструкций наиболее подходящую для нашего случая. Например, если мы проектируем самолет или мост, то что лучше сослужит, оболочка ли из сплошных пластин или панелей или же конструкция типа решетки из стержней или труб, связанных, скажем, тросами? Почему у нас так много мышц и сухожилий и относительно мало костей? Как выбрать из огромного количества конструкционных материалов именно тот, который нужен? Делать ли конструкцию из стали или из алюминия, пластмассы или дерева?

Привычные для нас "конструкции" растений, животных и типичных творений наших рук приняли свой нынешний вид не сразу. Как правило, форма и материал любой живой конструкции, прошедшей длительный путь развития в условиях борьбы за существование, приобрели свой вид в результате оптимизации по отношению к нагрузкам, которым они обычно подвергаются, с одной стороны, и к энергетическим затратам, связанным с обменом веществ, - с другой. В технике хотелось бы достичь такой же оптимизации, но это удается нам далеко не всегда. И далеко не все понимают, что этот предмет, который иногда называют "философией конструирования", можно исследовать научными методами. Об этом остается только сожалеть, ибо полученные здесь результаты представляются важными как для биологии, так и для инженерного дела.

Хотя философия конструирования - предмет, не очень почитаемый, он уже имеет довольно длинную историю. Впервые серьезные исследования этой проблемы с инженерной точки зрения были предприняты около 1900 г. А. Мичеллом.

Хотя биологи и публиковали отдельные работы, связанные с законом двух третей, сформулированным еще Галилеем (см. гл. 8), первой значительной работой на эту тему была вышедшая в 1917 г. прекрасная книга Арки Томпсона "Рост и форма", в которой он с общих позиций рассмотрел влияние конструкционных требований на форму животных и растений. Несмотря на бесспорные достоинства, эта книга не во всем безупречна с инженерной точки зрения. Получив справедливо высокую оценку, "Рост и форма" не оказала тем не менее реального влияния на биологическую мысль ни в свое время, ни значительно позже. Кажется, она не произвела должного впечатления и на инженеров. Просто тогда еще не настало время для плодотворного обмена идеями между инженерами и биологами.

В наши дни основной вклад в математическое исследование философии конструирования внес X.Л. Кокс. Будучи большим специалистом по теории упругости, Кокс обладает и еще одним достоинством - он большой знаток произведений Беатрис Поттер. Надеюсь, он простит меня, если я скажу, что в некоторых отношениях он несколько напоминает великого Томаса Юнга: подобно последнему, демонстрирует не только ярко выраженную одаренность, но и значительную неясность изложения. Боюсь, что не всякий смертный разберется в его идеях без "переводчика", а потому работы Кокса получили меньшее признание, чем они заслуживают. Многое из того, о чем я буду говорить дальше, прямо или косвенно основано на идеях Кокса. Начнем с его анализа конструкций, подвергающихся растяжению.

 

Проектирование конструкций, работающих на растяжение

Принципы проектирования конструкций, работающих на растяжение, были бы крайне просты, если бы все дело не портили законцовки - детали, передающие нагрузку на обоих концах растягиваемого элемента. Во-первых, вес такой конструкции, рассчитанный на заданную нагрузку, был бы пропорционален ее длине. Скажем, канат, длиной 100 м, рассчитанный на то, чтобы держать груз весом в 1 т, будет весить в 100 раз больше, чем канат длиной 1 м, выдерживающий такую же нагрузку в 1 т. Более того, если нагрузка распределена поровну, то безразлично, будет ли она удерживаться одним тросом или стержнем или двумя, каждый из которых имеет вдвое меньшее поперечное сечение.

Столь простой анализ нарушается необходимостью иметь детали, передающие нагрузку на обоих концах троса или стержня. Даже простая веревка должна иметь по узлу или петле на каждом конце. Узел или место сращения могут быть довольно тяжелыми и дорогостоящими. При точном расчете вес и стоимость узлов и стыков следует прибавить к весу и стоимости самой растягиваемой детали. Вес и стоимость законцовок будут одинаковыми как для длинных, так и для коротких канатов. Поэтому при прочих равных условиях вес и стоимость работающих на растяжение элементов конструкции на единицу длины с увеличением длины будет уменьшаться. Таким образом, вес не растет пропорционально длине элемента. Можно показать также, что общий вес законцовок двух растянутых стержней, работающих параллельно, меньше, чем общий вес законцовок одного стержня, рассчитанного на ту же нагрузку. Следовательно, можно сэкономить общий вес, распределив нагрузку между двумя, тремя и более растягиваемыми деталями, тросами или канатами.

Кокс подчеркивает, что распределение напряжений в законцовках обычно весьма сложно, в них обязательно появляются зоны концентрации напряжений, в которых при соответствующих условиях распространяются трещины. Поэтому вес и стоимость таких деталей определяются как искусством конструктора, так и трещиностойкостью материала. Чем больше величина работы разрушения материала, тем легче и дешевле будут законцовки. Однако, как мы видели в гл. 4, с ростом прочности трещиностойкость материала обычно падает. Для распространенных конструкционных материалов, таких, как сталь, работа разрушения катастрофически падает при увеличении прочности на растяжение.

Тем самым при выборе материала для конструкционного элемента, работающего на растяжение, мы находимся перед лицом двух противоречивых требований. Чтобы уменьшить вес средней части конструкции, нужно использовать материал с большой прочностью на растяжение. Для законцовок же обычно требуется более вязкий материал, весьма вероятно, что он будет иметь невысокую прочность на растяжение. Как это нередко бывает, здесь следует идти на компромисс. В данном случае выбор материала в основном определяется длиной детали. Для очень длинных деталей, например канатов современных подвесных мостов, следует выбрать высокопрочную сталь, даже если при этом придется мириться с дополнительным весом и сложностями, связанными с закреплением концов каната. Все-таки их всего лишь два - на одном и другом берегу, зато между ними может быть целая миля троса. Поэтому экономия веса на средней части конструкции более чем компенсирует любые потери на ее концах.

Ситуация полностью меняется, если мы будем иметь дело с такими деталями, как цепи с короткими звеньями. В каждом звене вес стыка может быть даже больше веса средней части. Возьмем, например, поддерживающие цепи в старых подвесных мостах. Обычно они делались из вязкого и пластичного кованого железа с небольшой прочностью на растяжение. Как мы уже говорили в гл. 9, именно по этой вполне убедительной причине растягивающие напряжения в плоских звеньях цепей моста через Менай составляют всего десятую часть напряжений в тросах современных подвесных мостов. Примерно то же справедливо и в отношении оболочечных конструкций, таких, как корпуса судов, резервуары и котлы, изготовленные из относительно небольших листов железа, или стали. Те же аргументы применимы и к таким клепаным алюминиевым конструкциям, как современный самолет. Все они могут рассматриваться в большей или меньшей степени как двумерные цепи с достаточно короткими звеньями. В таких случаях целесообразно использовать менее прочный, но более пластичный материал, иначе вес соединений был бы недопустимо велик (см. гл. 4, рис. 25).

Увеличение числа канатов и тросов в конструкциях судов, бипланов (а также палаток) приводит обычно к экономии веса. Но за это приходится платить повышением лобового сопротивления, общим усложнением конструкции и высокой стоимостью ее эксплуатации. Похожий принцип можно встретить и в животном мире, где природа не скупилась на детали, например мышцы и сухожилия, работающие на растяжение. Для уменьшения веса законцовок она использовала тот же принцип, что и моряки елизаветинских времен. Концы многих сухожилий разветвляются в некоторую веерообразную конструкцию, которую Френсис Дрейк назвал бы "птичьей лапой". Каждая веточка сухожилия имеет отдельное крепление к кости. Так минимизируется вес (и, возможно, метаболическая стоимость).

 

Сравнения веса сжатых и растянутых конструкций

Мы уже говорили в предыдущей главе, что для ряда материалов величины прочности на сжатие и растяжение часто сильно различаются, но для многих весьма распространенных материалов, таких, как сталь, это различие не очень велико, так что массы коротких растянутых и сжатых элементов должны быть более или менее одинаковыми. На самом деле сжатый короткий стержень может быть даже легче растянутого, так как для него иногда не нужны законцовки, совершенно необходимые в случае растяжения.

Однако с увеличением длины такого стержня дает себя знать эйлерова потеря устойчивости. Напомним, что критическая нагрузка, при которой сжатый стержень длиной L начинает выпучиваться, изменяется пропорционально 1/L 2 . Это означает, что для стержня с заданным поперечным сечением предельное напряжение при сжатии с увеличением L убывает очень быстро. Чтобы выдержать заданную нагрузку, длинный стержень должен быть гораздо толще и, следовательно, тяжелее короткого. Как мы установили в предыдущем параграфе, в случае растяжения все происходит как раз наоборот.

Очень поучительно сравнить, как конструкционный элемент длиной 10 м выдерживает нагрузку весом 1 т (104 Н) в условиях растяжения и сжатия.

Растяжение. Для стального троса допустимое напряжение примем равным 350 МН/м2 (35 кгс/мм2). Принимая во внимание крепления на его концах, найдем общий вес конструкции равным примерно 3,5 кг.

Сжатие. Попытаться удержать нагрузку в 1 т (104 Н) с помощью одного сплошного стального стержня длиной 10 м было бы просто глупо: чтобы избежать потери устойчивости, его пришлось бы сделать очень толстым и, следовательно, очень тяжелым. На практике можно, например, использовать стальную трубу диаметром около 16 см с толщиной стенок около 5 мм. Такая труба будет весить около 200 кг. Другими словами, ее вес будет в 50-60 раз больше, чем у стального стержня, работающего в тех же условиях на растяжение. Стоимость конструкции увеличится примерно в той же пропорции. Далее, если мы захотим распределить нагрузку между несколькими деталями, то ситуация не только не станет лучше, а значительно ухудшится. Если мы попробуем держать нагрузку в 1 т не с помощью одной колонны, а, скажем, с помощью похожей на стол конструкции на четырех стержнях 10-метровой высоты, то общий их вес удвоится и достигнет 400 кг. Чем на большее число элементов мы распределим данную нагрузку, тем больше будет вес всей конструкции: он растет как n 1/2 , где n - число элементов (см. приложение 4).

С другой стороны, если мы будем увеличивать нагрузку при фиксированной длине, то ситуация в случае сжатой конструкции будет выглядеть получше. Например, если увеличить нагрузку в сто раз, с 1 т до 100 т, то, если вес растянутой конструкции увеличится соответственно с 3,5 до 350 кг, вес одной колонны высотой в 10 м увеличится только десятикратно, с 200 до 2000 кг. Поэтому в случае сжатия гораздо экономичнее поддерживать большую нагрузку, чем малую (рис. 152). Все эти рассуждения справедливы также и для панелей, пластин и оболочек (см. приложение 4).

Рис. 152. Зависимость относительного веса (и стоимости) детали, которая должна передать заданную нагрузку, от ее длины.

Приведенный анализ подтверждает рациональность таких конструкций, как палатки и парусные суда. В них сжимающие нагрузки действуют концентрированно на небольшое количество по возможности коротких мачт или шестов. В то же время растягивающие нагрузки, как мы уже говорили, лучше распределить среди большого количества канатов и тросов. Поэтому шатер, имеющий единственный шест и множество растяжек, является самым легким "зданием", которое только можно построить при заданном объеме. Любая палатка будет легче и дешевле капитального здания из дерева или камня. Точно так же катер или шлюп с единственной мачтой имеет более легкую и эффективную оснастку, чем шхуна, кеч или любой более сложный корабль с большим количеством мачт. Именно поэтому были тяжелы и неэффективны А-образные или треугольные мачты древних египтян и конструкторов викторианских броненосцев (см. гл. 10).

Конструкция человеческого тела имеет много общего с конструкцией шатра и парусного корабля. Небольшое количество сжатых деталей, то есть костей, расположенных примерно в центре конструкции, окружено множеством мышц, сухожилий и связок, работающих на растяжение, причем эта система гораздо сложнее системы парусов и канатов полностью оснащенного корабля. Кстати, с конструкционной точки зрения две ноги лучше, чем четыре, а сороконожка может существовать только потому, что ноги у нее весьма коротки.

 

Масштабные эффекты, или еще раз о законе двух третей

Напомним, что уже столетия назад Галилею пришла мысль о том, что, поскольку вес конструкции растет, как куб ее размеров, а поперечное сечение несущих деталей увеличивается пропорционально квадрату размеров, то напряжения в материале геометрически подобных конструкций должны расти пропорционально их размерам. Если разрушение конструкции происходит из-за растягивающих напряжений, прямо или косвенно определяемых ее собственным весом, то это означает, что с увеличением размеров относительная толщина и вес несущих деталей должны расти не пропорционально размерам и весу всей конструкции, а гораздо быстрее. Поэтому размеры таких конструкций не могут превышать некоторого предела.

Закон двух третей долгое время был общепринятым как среди биологов, так и среди инженеров. Герберт Спенсер и позднее Арки Томпсон утверждали, что этот закон ограничивает размеры животных, а инженеры в свою очередь прибегали к нему, чтобы показать, почему неразумно строить корабли и самолеты значительно больших размеров, чем уже существующие. Однако, несмотря на это, размеры кораблей и самолетов продолжали увеличиваться.

В действительности закон двух третей в полной мере применим, по-видимому, лишь к оконным и дверным перемычкам греческих храмов (они делались из непрочного тяжелого камня), к айсбергам и плавучим льдинам (они состоят из непрочного тяжелого льда), а также ко всякого рода предметам типа желе или бланманже.

Мы уже видели, что во многих сложных конструкциях вес сжатых элементов во много раз превышает вес элементов, подвергающихся растяжению. Поскольку сжатые элементы обычно выходят из строя вследствие потери устойчивости, с увеличением нагрузки их эффективность возрастает, иными словами, их эффективность растет с увеличением размеров сооружения. Поэтому, хотя вес силовой конструкции и увеличивается быстрее ее размеров, но происходит это все же значительно медленнее, чем предписывает закон двух третей. На практике этот рост может быть вполне оправдан тем полезным эффектом, который дает увеличение размеров. Например, для кораблей или рыб, самолетов или птиц сопротивление движению примерно пропорционально площади их поверхности, и отношение этой площади к весу будет падать с увеличением размеров. Именно этим руководствовался Брюнель при проектировании корабля "Грейт Истерн". Хотя его огромный корабль и оказался неудачным, подход был правильным, именно поэтому мы строим теперь такие гигантские корабли, как современные супертанкеры. Размеры же больших животных, как мы видели в гл. 4, скорее связаны с "критической длиной трещин Гриффитса" в их костях, а не с законом двух третей.

 

Каркасные конструкции против монокока

Очень часто инженер стоит перед проблемой выбора между решетчатой каркасной конструкцией, сделанной, как в детском конструкторе, из отдельных стержней и брусьев (ее называют пространственной фермой), и оболочечной конструкцией, в которой нагрузки воспринимаются более или менее непрерывными панелями (такой тип конструкции называют монококом). Иногда различие между двумя этими формами конструкций смазывается, это происходит в тех случаях, когда каркасная система покрывается какой-нибудь обшивкой, которая на самом деле воспринимает лишь незначительную долю нагрузки. Примером того могут служить обычные обшитые деревом домики, современные каркасные ангары и склады, покрытые гофрированным железом, и, наконец, животные, покрытые чешуей или панцирем.

Иногда выбор между двумя этими типами конструкций бывает продиктован не только конструкционными соображениями. Так, опоры для линий электропередач делают только решетчатого типа, поскольку они испытывают меньшее давление ветра и имеют меньшую площадь окраски, а водяные цистерны предпочитают делать в виде оболочки из более толстых стальных листов, а не в виде решетчатой силовой конструкции, поддерживающей водонепроницаемую оболочку из более тонкого материала, хотя такая форма может иметь меньший вес и используется природой в '"конструкции" желудка и мочевого пузыря.

В одних случаях различие в весе и стоимости двух возможных типов конструкций незначительно, и поэтому безразлично, какую из них использовать. В других - разница очень велика. Как мы уже видели, палатка или шатер всегда значительно легче и дешевле, чем любое здание такого же объема, сделанное из бетона или кирпича. Кузов автобуса "Вейман" (модель 1930 г.) имел деревянный каркас, обтянутый тканью, и был гораздо легче любого из штампованных металлических кузовов оболочечной конструкции, вошедших в употребление позже. При нынешних ценах на бензин подобный кузов вполне может обрести вторую жизнь.

Существует, однако, мнение, будто оболочечные конструкции типа монокока более современны и прогрессивны, чем якобы примитивные и устаревшие пространственные каркасные конструкции. Такого мнения придерживаются даже опытные инженеры, но в действительности для этого нет объективных оснований. В тех случаях, когда нагрузка носит в основном сжимающий характер, пространственные каркасные системы всегда легче и обычно дешевле монокока. Однако весовые издержки при использовании конструкций типа монокока не так уж велики, если большие нагрузки воспринимаются конструкцией относительно малых размеров. Это оправдывает в ряде случаев их применение. Но для больших слабо нагруженных конструкций, таких, как дирижабль с жестким корпусом, каркасная конструкция практически является единственно возможной. Реальный воздухоплавательный аппарат будет не огромным монококовым дирижаблем, сделанным из блестящих листов алюминия, которыми бредят инженеры, а наполненным газом баллоном.

Переход от палочек, проволочек и ткани в конструкциях первых самолетов к современным монококам был продиктован не внезапной сменой моды. Это был необходимый и совершенно логичный шаг, связанный с резко возросшими скоростями и нагрузками. Как мы уже говорили, в условиях сжимающих и изгибающих нагрузок монокок всегда окажется тяжелее каркасной конструкции, хотя при увеличении нагрузок этот избыточный вес и уменьшается. С другой стороны, в условиях нагрузок, приводящих к сдвигу и создающих крутящий момент, монокок оказывается предпочтительнее каркасной конструкции.

С ростом скоростей самолетов росли и требования к прочности и жесткости на кручение. Наконец наступил момент (это было в 30-е годы), когда из-за требований к весу конструкций пришлось окончательно перейти от каркасной системы к монококу, в первую очередь при конструировании монопланов. Поэтому современные самолеты обычно делают в виде сплошной оболочечной конструкции из листов алюминия, фанеры или стеклопластика. Возврат к пространственной каркасной системе, который мы наблюдаем в конструкциях современных планеров, действительно чрезвычайно легких, столь же логичен. Большие крутящие нагрузки встречаются лишь в созданных человеком конструкциях, таких, как корабли или самолеты. Мы уже говорили в гл. II, что природе почти всегда удается избежать кручений, и поэтому монокок или внешний скелет встречаются не часто, во всяком случае у крупных животных. Большинство из них позвоночные, и они представляют собой весьма сложную и эффективную пространственную ферму, конструкционно весьма мало отличающуюся от бипланов и парусных кораблей. Очень показательны с этой точки зрения конструкции птиц, летучих мышей и птеродактилей. Они устроены таким образом, что их легкие каркасные конструкции не требуют большой крутильной жесткости, поэтому они не разрушаются в полете. Это полезно иметь в виду авиаконструкторам.

 

Надувные конструкции

Иногда интересно поразмышлять над некоторыми "если бы" и "но" в истории техники. Если бы Исамбард Кингдом Брюнель возник на "железнодорожном" небосклоне всего несколькими годами раньше, то весьма вероятно, что большинство железных дорог в мире имело бы колею шириной в 2150 вместо чаще всего используемой сейчас колеи в 1435 мм. Такая ширина была введена его конкурентом Джорджем Стефенсоном как ширина "колеи угольной вагонетки", которая в свою очередь исходила от ширины колеи римских колесниц. Стефенсоновская колея имела некоторое начальное преимущество в возникшем соревновании - такую возможность предвидел и Брюнель. Но будь сегодня железнодорожная колея шире, железнодорожный транспорт, возможно, и в техническом, и в экономическом отношении занимал бы сейчас большее место в нашей жизни. Не исключено, что в этом случае картина мира была бы несколько иной.

С другой стороны, если бы надувные шины появились к 1830 г., можно было бы тогда прямо перейти к безрельсовому транспорту, миновав стадию железных дорог. И в этом случае современный мир был бы совсем другим. На самом деле изобретение надувной шины опоздало на 15 лет. Она была запатентована в 1845 г. двадцатитрехлетним Р.В. Томсоном. Шина Томсона технически была удивительно удачной, однако к этому времени железные дороги уже вошли в жизнь. Интересы железнодорожных компаний, совпавшие с интересами владельцев гужевого транспорта, привели к абсурдному законодательству, которое через систему запретов отодвинуло развитие автомобильного транспорта до рубежа прошлого и нынешнего столетий.

Нельзя было и помыслить, что велосипед может составить какую-либо конкуренцию поездам или лошадям, поэтому его появление было официально признано и разрешено в викторианские времена. Надувная шина с успехом пережила свое возрождение в 1888 г. для использования в велосипеде. Дж.Б. Данлоп сделал на этом состояние, так как Томсон к этому времени уже умер и его патент потерял силу. Скорость грузовика со сплошными шинами была бы ограничена примерно 20 км/час, не намного быстрее двигался бы и легковой автомобиль. Изобретение Томсона не только сделало практически возможным быстрый и дешевый шоссейный транспорт, но и позволило самолетам подниматься с суши и садиться на нее. Без надувных шин мы были бы вынуждены пользоваться, вероятно, какими-то гидропланами.

Шины, смягчающие и выравнивающие ударные нагрузки, которые действуют на колеса экипажа, - это лишь один из видов силовых надувных конструкций. Разного рода силовые надувные конструкции позволяют избежать серьезных затрат материала и снизить стоимость в тех случаях, когда необходимо передавать небольшие изгибающие и вжимающие нагрузки на значительные расстояния. В таких конструкциях сжатию подвергаются не твердые панели или колонны, которые легко выпучиваются, а воздух или вода. Твердые же части конструкции подвергаются только растягивающим напряжениям, что, как мы уже могли убедиться, и легче, и дешевле.

Остроумная идея использования надувных конструкций в технике отнюдь не нова. Примерно за тысячелетие до нашей эры в верховьях Тигра и Евфрата делали лодки и плоты из надувных шкур. Они спускались вниз по течению, нагруженные товарами, на них, как правило, находились также мулы и ослы. По прибытии на место назначения воздух выпускался из шкур, и лодки возвращались обратно домой по суше на спинах этих вьючных животных. Сегодня надувные лодки получили широкое распространение, так же как и надувные палатки и мебель, в упакованном виде их просто перевозить.

Поддерживаемая воздухом крыша была предложена в 1910 г. крупным инженером Ф. Ланчестером. Она представляла собой надувную оболочку, края которой крепились к земле. Оболочка поднималась и держалась в воздухе благодаря очень небольшому избыточному давлению, создаваемому простым вентиляторным компрессором. Хотя входить и выходить приходилось через специальный воздушный шлюз, это не умаляло достоинств конструкции. Крыша Ланчестера позволяет просто и дешево создать перекрытие над большой площадью, однако в настоящее время ее применение ограничивается такими сооружениями, как оранжереи и крытые теннисные корты, применению в строительстве производственных и жилых зданий препятствуют давно устаревшие нормы.

Конечно, в надувных конструкциях не обязательно использовать только воздух. На том же принципе "работает" мешок с песком, так же как и баржи типа "Дракон", которые представляют собой просто большие удлиненные плавающие мешки, наполненные водой или нефтью. Они используются в верховьях Амазонки для транспортировки нефти, и после опорожнения возвращаются назад по суше (только не на ослах), как и древние надувные лодки на Евфрате. В таких мешках доставляется пресная вода в туристские отели, расположенные на островах Греции.

Техника надувных конструкций, вероятно, заслуживает более интенсивного развития, чем это было до сих пор. По-настоящему эксплуатируют принцип надувных конструкций лишь растения и животные, организм которых работает подобно химическому заводу и содержит много самых разных и сложных жидкостей. Нет ничего более естественного и экономичного, чем спроектировать червяка в форме длинного мешка, туго нафаршированного внутренностями. Конструкции такого типа так хорошо работают и представляются настолько естественными, что можно только удивляться, почему животным понадобилось обзавестись скелетом из хрупких и тяжелых костей. Не было ли бы куда как удобнее, если бы человек был устроен наподобие осьминога, каракатицы или хобота слона?

Существует мнение, как сообщил мне профессор Симкис, что в животном мире на самом деле никто и никогда не замышлял обзаводиться скелетом; вполне возможно, что самые ранние кости были просто свалкой ненужных организму мельчайших частиц металлов. Но коль скоро живой организм хоть однажды произвел внутри своего тела твердое неорганическое образование, он мог затем попытаться использовать его и для прикрепления мускулов.

 

Колеса со спицами

В обычном деревянном колесе телеги весь ее вес воспринимается спицами, поочередно работающими на сжатие. В этом смысле телега очень похожа на сороконожку с огромным количеством длинных ног. Вместе взятые, они много весят, но работа их неэффективна. Впервые, кажется, этот факт стал ясен Джорджу Кэйли (1773-1857), замечательному и эксцентричному человеку. Кэйли был одним из самых блестящих зачинателей авиации, он задался вопросом, как сделать колеса шасси своего самолета более легкими. Уже в 1820 г. он понял, что можно сильно сэкономить на весе, если изобрести такое колесо, в котором спицы работают не на сжатие, а на растяжение. Эта мысль привела в конце концов к разработке современного велосипедного колеса, в котором проволочные спицы постоянно растянуты, в то время как сжимающая нагрузка воспринимается ободом, который можно сделать весьма тонким и легким, так как он оказывается весьма устойчивым.

Колесо с проволочными спицами и надувными шинами сделало велосипед чрезвычайно удобным и практичным. Однако экономия веса достигается только в случае больших и слабо нагруженных колес, таких, как колеса велосипеда. Когда колесо становится меньше, а нагрузка больше, натянутые спицы обычно почти не дают преимуществ. В современных спортивных автомобилях штампованные стальные колеса лишь чуть тяжелее колес со спицами, которые в данном случае не стоят связанных с ними хлопот и расходов.

 

О выборе лучшего материала, или что такое "лучший материал"

Можно предположить, что природа знала свое дело, когда выбирала между различными возможными вариантами биологических тканей, но простые смертные, а порой и даже великие, имеют очень странные представления о материалах. Согласно Гомеру, лук Аполлона был сделан из серебра - металла, в котором можно запасти лишь ничтожное количество упругой энергии. В более поздние века поэты говорили, что полы на небесах сделаны из золота или из стекла; оба вещества - чрезвычайно неподходящий стройматериал для полов. Правда, поэты почти всегда безнадежны в отношении материалов, но и большинство из нас не многим лучше. В действительности очень редко кто-либо всерьез задумывается о подобных вещах.

Выкрутасы моды и соображения престижа, кажется, играют здесь главную роль. Золото не очень подходит для часов, так же как и сталь для мебели оффисов. В викторианскую эпоху увлекались чугуном, из него делали даже такие предметы обихода, как подставки для зонтиков. Говорят, вождь одного африканского племени весь свой дворец построил из чугуна. Хотя выбор материала иногда является следствием эксцентричности, чаще он основан на традициях и консерватизме. Конечно, в основе традиционного выбора материала нередко лежат весьма веские причины, но во многих случаях он обусловлен случайными обстоятельствами, а порой обоснованность и случайность так тесно переплетены, что трудно понять, насколько он оправдан. Люди искусства, от Льюиса Кэррола до Сальватора Дали, открыли, что можно вызвать сильный психологический шок одной мыслью о том, что самые знакомые предметы могут быть сделаны из явно неподходящего материала, например резины или хлеба с маслом. Инженеры очень восприимчивы к таким эффектам; их бы сегодня также шокировала идея сделать большой деревянный корабль, как наших предков - идея сделать корабль из железа.

Очень любопытно проследить, как меняется со временем отношение к тем или иным материалам. Возьмем, например, соломенные крыши. Солома была самым дешевым и потому самым непрестижным кровельным материалом, однако в беднейших сельских районах ею часто приходилось покрывать даже крыши церквей. В течение XVII в., когда церковные приходы сделались побогаче, по подписке собирали деньги на замену соломы шифером или черепицей. Иногда денег на всю крышу не хватало, и тогда приходилось оставлять солому в тех местах, где она была меньше заметна для прохожих, - черепицей покрывалась только сторона, обращенная к главной дороге. Сегодня престижность обернулась другой стороной - соломенная крыша в английских графствах служит предметом гордости весьма богатых бизнесменов.

 

Материалы, топливо и энергия

В будущем XX в., возможно, назовут веком стали и бетона. Но не исключено, что о нем будут говорить и как о веке уродств или расточительства. Однако не только инженеры одержимы сталью и бетоном (и почти безразличны к последствиям этой одержимости), ими заразились и политики, и широкая публика.

Болезнь, по-видимому, началась лет двести назад со времен промышленной революции и появления дешевого угля; это привело к дешевому железу и железным паровым машинам, превращавшим дешевый уголь в дешевую механическую энергию и т. д., круг за кругом, раскручивалось колесо производства и потребления энергии. В угле и нефти в малом объеме запасено большое количество энергии. Машины очень быстро перерабатывают заметную часть этой энергии, но также в малом объеме. Затем они выдают эту энергию в концентрированной форме в виде электричества или механической работы. На этой концентрации энергии основывается вся наша современная техника. Материалы этой техники - сталь, алюминий и бетон - сами требуют больших количеств энергии для своего производства (табл. 6).

Таблица 6. Количество энергии, необходимое для производства различных материалов

Материал / Энергозатраты для производства 1 т материала, Дж х 10 9 /т / Нефтяной эквивалент, т

Сталь (мягкая) / 60 / 1,5

Титан / 800 / 20

Алюминий / 250 / 6

Стекло / 24 / 0,6

Кирпич / 6 / 0,15

Бетон / 4 / 0,1

Углеволокнистые композиты / 4000 / 100

Дерево (сосна, ель) / 1 / 0,025

Полилиэтилен / 45 / 1,1

Поскольку производство этих материалов весьма энергоемко, их можно эффективно использовать только в условиях высокой энерговооруженности экономики. Сооружая технические устройства, мы затрачиваем не только денежные средства, но и энергию, а потому необходимо обеспечить возврат того и другого.

Несмотря на высокую стоимость энергии и оскудение ее запасов, потребление энергии скорее увеличивается, чем уменьшается. Такие совершенные машины, как газовые турбины, все более и более лихорадочно производят все больше и больше энергии внутри все меньшего и меньшего объема. Совершенные устройства требуют совершенных материалов, и такие новые материалы, как высокотемпературные сплавы и пластики, армированные углеволокном, требуют для своего производства огромного количества энергии.

Весьма вероятно, что такое положение вещей не может продолжаться бесконечно, ибо вся эта система полностью зависит от дешевых и концентрированных источников энергии, таких, как нефть и уголь.

Живую природу можно считать совершенно уникальной системой, приспособленной для извлечения энергии не из концентрированных, а из "размазанных" источников, причем использует она эту энергию с величайшей экономией. Сейчас предпринимается много попыток собирать энергию для технических целей из таких неконцентрированных источников, как солнечный свет, ветер или океан. Многие из них, вероятно, окончатся неудачей, потому что энергетические затраты на постройку соответствующих систем из стали, бетона и других материалов могут оказаться слишком велики и даже не компенсируются при их эксплуатации. Очевидно, необходим совершенно другой подход ко всей проблеме "эффективности". Природа смотрит на эти проблемы с точки зрения "метаболических затрат", и, быть может, мы должны перенять ее опыт.

Дело не только в том, что для производства одной тонны металла или бетона требуется много энергии. Сами эти громоздкие, но слабо нагруженные конструкции, обычно необходимые для систем с малой плотностью перерабатываемой энергии, могут оказаться в несколько раз тяжелее, если их делать из стали и бетона, а не из более подходящих требующих специальной разработки материалов.

Мы вскоре увидим, что одним из самых эффективных в конструкционном смысле материалов может быть дерево. При больших размерах и малых нагрузках конструкция из дерева во много раз легче, чем конструкция из бетона или стали. В прошлом затруднения с использованием древесины во многом определялись медленным ростом леса и необходимостью дорогостоящей выдержки древесины.

Возможно, самое важное достижение в области материалов за последнее время принадлежит генетикам, которые вывели быстрорастущие породы деревьев, дающих коммерческую древесину. Сейчас разводят разновидности сосны (Pinus radiata), ствол которой при благоприятных условиях дает прирост до 12 см в диаметре в год, так что лес готов для рубки на деловую древесину уже через 6 лет после посадки. Появились реальные перспективы превратить дерево в техническую культуру с коротким периодом созревания. Важно, что почти вся энергия, необходимая для выращивания древесины, поступает бесплатно, от Солнца. Кроме того, деревянную конструкцию можно сжечь за ненадобностью, получив большую часть энергии, накопленной деревом во время роста, чего, конечно, нельзя сказать ни о стали, ни о бетоне.

Древесина обычно требовала длительной и дорогостоящей выдержки в специальных сушилках, которые потребляют значительное количество энергии. Сегодня оказалось возможным сократить срок выдержки сортовой мягкой древесины до 24 ч при низкой стоимости процесса сушки. Это имеет очень важное значение не только для строительного дела, но и в связи с мировым энергетическим кризисом.

Анализ весовой эффективности различных материалов в различных конструкциях приведен в приложении 4. Проектирование большинства технически совершенных конструкций, таких, как, например, самолет, во многом определяется величиной E / ρ, которая называется удельным модулем Юнга и определяет, так сказать, весовую "стоимость" деформаций конструкции. Оказывается, однако, что для большинства обычных конструкционных материалов - молибдена, стали, титана, магния, алюминия и дерева - величина E / ρ приблизительно одинакова. Именно поэтому в течение последних 15-20 лет правительства разных стран затратили столь большие суммы на разработку новых материалов, основой которых служат такие экзотические волокна, как нити бора и карбида кремния, углеволокна.

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

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

Таблица 7. Критерии эффективности некоторых материалов в различных условиях

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

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

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

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

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

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

Кирпич / 21000 / 3,0 / 7000 / 150 / 9

Бетон / 15000 / 2,5 / 6000 / 160 / 10

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

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

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

Таблица 8. Конструктивная эффективность различных материалов, выраженная в затратах энергии, необходимых для их производства

Материал / Энергия, необходимая для обеспечения заданной жесткости конструкции в целом / Энергия, необходимая для изготовления сжатой панели заданной критической нагрузкой

Сталь / 1 / 1

Титан / 13 / 9

Алюминий / 4 / 2

Кирпич / 0,4 / 0,1

Бетон / 0,3 / 0,05

Дерево / 0,02 / 0,002

Углеволокнистые композиты / 17 / 17

В табл. 8 приведены характеристики конструктивной эффективности материалов в терминах энергетических затрат. Видно, что обычные материалы - дерево, кирпич и бетон - имеют здесь подавляющее преимущество, и таблица заставляет задуматься, действительно ли оправданна погоня за материалами, в основе которых лежат экзотические волокна. Во многих случаях рентабельнее использовать не углеволокна, а пустоты. Природа поняла это очень давно, когда изобрела дерево; это понимали и римляне, которые облегчали кладку пустыми винными кувшинами. Пустоты несравненно дешевле как в стоимостном, так и в энергетическом отношении, чем любые мыслимые высокомодульные материалы. Возможно, лучше тратить больше времени и средств на разработку пористых и ячеистых материалов, чем на волокна бора или углерода.

 

Катастрофы,

или

очерк об ошибках, прегрешениях и усталости металла

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

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

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

Практически невозможно с такой точностью планировать время надежной работы изделия. Возможен лишь статистический, основанный на опытных данных, подход к этой проблеме. Причем по самой природе вещей мы можем дать только более или менее разумные вероятностные оценки надежности. Ослабив конструкцию сверх меры, ее можно сделать легкой и дешевой, но тогда недопустимо возрастает вероятность частых поломок. И наоборот, слишком прочная, "вечная" с человеческой точки зрения - а именно этого всегда жаждет публика - конструкция может оказаться слишком тяжелой и дорогой. Как мы увидим ниже, дополнительный вес чаще увеличивает опасность, чем дополнительная прочность ее уменьшает. Поскольку все учесть невозможно, то, разрабатывая реальную конструкцию для реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей - пусть малой, но конечной - вероятностью преждевременного выхода ее из строя.

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

Во время войны английские авиаконструкторы были поставлены перед необходимостью разумного компромисса между прочностью и другими качествами самолета. Потери бомбардировщиков от действий немецкой противовоздушной обороны были очень большими, примерно один из 20 самолетов не возвращался из каждого боевого вылета. Напротив, потери самолетов вследствие разрушения конструкции были незначительными - много меньше одного самолета из 10 тыс. Вес силовой конструкции самолета составляет примерно треть его общего веса, и было бы, видимо, разумным еще уменьшить его в обмен на другое оборудование, дающее самолету дополнительные преимущества. В этом случае число катастроф несколько увеличилось бы, но сэкономленный таким образом вес позволил бы увеличить число и калибр пушек или толщину брони, что привело бы к существенному общему снижению потерь. Но авиаторы не хотели даже слышать об этом. Они предпочитали больший риск быть сбитыми гораздо меньшему риску аварии по техническим причинам.

Чувство возмущения поломкой конструкции, по мнению Пагсли, унаследовано нами от далеких предков, испытывавших постоянный страх, кроме всего прочего, и оттого, что сук или ветка дерева, на котором они жили, сломаются, и их дети, да и они сами, окажутся в пасти какого-нибудь саблезубого тигра или пещерного медведя. Как бы то ни было, инженеры не могут не считаться с этим чувством, хотя возникающий вследствие этого дополнительный вес может зачастую привести и к увеличению опасности.

 

О точности расчетов на прочность

Любой рациональный подход к вопросам прочности и надежности требует от инженера умения предсказать с достаточной точностью прочность предлагаемой им новой конструкции, даже если он толком не знает, на сколько времени этой прочности хватит. Как мы видели в гл. 3, прочность таких простых конструкций, как канаты, цепи, прямые колонны или балки, можно рассчитать достаточно надежно. Но этого не получается в случае весьма сложных конструкций, таких, как самолеты и корабли, для которых вопросы прочности особенно важны. Зная, что имеется огромный опыт проектирования различных сооружений, что существует обширная и математически изощренная литература на эту тему, что читаются бесконечные лекции по теории конструкций, мы можем не поверить последнему утверждению. Но это действительно так.

Рассмотрим, например, статистику прочности самолетов. Так как экономия веса здесь очень важна, а последствия разрушения всегда ужасны, проектирование самолетов, естественно, ведется со всей тщательностью. Дотошно проверяется каждая деталь. Чертежи и расчеты делают высококвалифицированные специалисты, используя при этом самые передовые научные методы.

После окончания работы все расчеты совершенно независимо проверяются другой группой специалистов. Таким образом, окончательные результаты настолько безошибочны и точны, насколько это вообще в человеческих силах. Наконец, для полной надежности полномасштабная модель самолета испытывается на стендах до разрушения.

За последние годы было разработано лишь несколько новых моделей самолетов, так что современные данные статистически недостоверны. Однако, когда самолеты были проще и дешевле, сравнительно большое число моделей разрабатывалось по крайней мере до стадии опытного образца. В Англии между 1935 и 1955 гг. было построено и испытано на прочность около ста типов самолетов. Поэтому результаты, полученные в этот период, позволяют делать статистически достоверные выводы.

Естественно, что величина требуемой прочности зависит от размеров и назначения самолета. Однако можно сказать, что каждое конструкторское бюро стремится к такой прочности, при которой самолет разрушится только при нагрузке, составляющей 120% от предельной эксплуатационной нагрузки.

Если бы проектирование конструкций хоть сколько-нибудь походило на точную науку, можно было бы ожидать, что результаты различных испытаний, нанесенные на график, или гистограмму, тесно соберутся вокруг величины, равной 120% от расчетной нагрузки, с очень небольшим разбросом. Другими словами, результаты должны изображаться узким "нормальным распределением", примерно таким, как показано на рис. 153. Однако известно, что в жизни ничего подобного не происходит. Реальная гистограмма скорее похожа на рис. 154.

Рис. 153. Ожидаемое статистическое распределение величины разрушающей нагрузки самолета (схематическая диаграмма).

Рис. 154. Действительное распределение прочности самолетов, испытанных на разрушение в течение 1935-1955 гг. (весьма приближенно).

Экспериментальная прочность оказывается почти равномерно распределенной между 50 и 150% от требуемой расчетной нагрузки. Поэтому можно утверждать, что даже наиболее выдающиеся конструкторы могут ошибиться в предсказании прочности самолета в 2-3 раза. Некоторые из испытанных самолетов имели меньше половины нужной прочности; некоторые были слишком прочны и поэтому оказались значительно тяжелее, чем могли бы быть.

Что касается кораблей, то, оказывается, для них вообще не существует данных, на которые можно было бы опереться, так как корабли почти никогда не подвергались испытаниям на разрушение в лабораторных условиях. Поэтому невозможно сказать, хорошо или плохо делают свою работу конструкторы кораблей, по крайней мере в отношении расчетов на прочность. Однако, как мы видели в гл. 4, число аварий, вызванных конструктивными недостатками судов, весьма значительно, и в настоящее время количество катастроф на тонно-милю, по-видимому, растет.

Что касается мостов, то расчеты на прочность здесь проще, чем в предыдущих случаях, в основном благодаря более определенным нагрузкам. И все же количество аварий современных мостов также довольно велико.

 

Проектирование с помощью эксперимента

Погрешности теоретического проектирования делают, конечно, необходимыми экспериментальные исследования прочности всех разрабатываемых самолетов. Однако выгоды эмпирического подхода оказываются даже шире. Мы полагали, что целью конструктора является такая ситуация, при которой конструкция разрушается, как только нагрузка достигнет расчетной величины. Но маловероятно, что даже тщательным образом рассчитанная конструкция окажется равнопрочнее.

На испытательном стенде конструкция разрушается в одном, самом слабом месте, следовательно, во всех остальных точках прочность конструкции выше. Если силовая конструкция самолета разрушается как раз при требуемых 120% расчетной нагрузки, то это значит, что большая часть конструкции обладает излишней прочностью, в которой просто нет необходимости. Но при этом мы ничего не можем сказать о том, где и насколько можно облегчить конструкцию. Хотя повторные испытания больших сооружений требуют непомерных затрат времени и денег, но там, где это возможно, все-таки лучше сделать так, чтобы первое разрушение произошло при меньших нагрузках, чем требуемые. Такое испытание обнаруживает слабое место, которое следует усилить, затем испытание повторяют и т. д.

Один из самых удачных самолетов в истории авиации - бомбардировщик времен второй мировой войны "Москито" - первоначально разрушался в заднем лонжероне крыла при 86% расчетной нагрузки. Постепенным упрочнением конструкции самолета была достигнута величина 118%. Своими выдающимися боевыми качествами этот самолет был в значительной степени обязан чрезвычайно легкой и прочной силовой конструкции.

Грубо говоря, это - дарвиновский метод; так природа совершенствовала свои собственные конструкции, правда, она имела на то больше времени и меньше задумывалась о ценности жизни, чем нынешние инженеры. Аналогичный метод с замечательным размахом используют автомобильные фирмы, а также фирмы, выпускающие дешевые изделия массового производства. Они порой умышленно выбрасывают на прилавки менее прочную продукцию, чтобы на основании жалоб покупателей постепенно выявить дефекты своих изделий.

Таким образом, значительная доля проектирования элементов с заданной прочностью сводится к своеобразной игре, в которой последовательно латаются слабые места нагружаемой системы. Чем сложнее конструкция, тем это становится труднее и ненадежнее. Но, к счастью, проектирование большинства изделий, от мебели до самолетов, не становится совершенно невозможным благодаря тому, что требования нужной жесткости часто оказываются значительно важнее требований прочности. И конструкция, имеющая достаточную жесткость, зачастую автоматически оказывается и достаточно прочной. Так как перемещения конструкции зависят скорее от ее общего вида, чем от существования "слабейших" мест, то расчеты на жесткость делать проще и они гораздо надежнее расчетов на прочность. Именно это мы имеем в виду, говоря о проектировании "на глаз".

 

Сколько она будет служить?

В основу рассмотрения прочности и устойчивости каменных соборов профессор Жак Хейман положил любопытный принцип: "если строение простоит пять минут, то оно простоит пять веков". Для каменных сооружений, построенных на скальном грунте, это, наверное, так и есть. Однако множество зданий строится на мягком грунте, и если почва ползет (см. гл. 6), а это происходит довольно часто, то возникают такие феномены, как падающая Пизанская башня. Подобные смещения можно предвидеть, и происходят они достаточно медленно, но борьба с ними чрезвычайно дорогостояща, и многие здания, как древние, так и современные, либо развалились, либо были разобраны по этой причине.

Для большинства конструкций гниение и коррозия являются очень активными факторами разрушения. Отчасти именно страх перед гниением заставил английских архитекторов и инженеров отвернуться от древесины. Однако "бедные невежественные" жители США, Канады, Скандинавских стран и Швейцарии строят около 1500 тыс. деревянных домов в год, по-видимому ни мало не беспокоясь о гниении, и было бы неплохо посмотреть, как же они с ним справляются. Использование древесины в этих странах растет.

Разные породы деревьев подвержены гниению в весьма различной степени, и регистр "Ллойда" устанавливает определенный срок службы для каждого сорта древесины, используемой в кораблестроении. Однако при современном уровне знаний и технологии можно добиться практически неограниченного срока службы любой древесины.

Большинство металлов ржавеет, причем современная мягкая сталь ржавеет гораздо быстрее, чем викторианское кованое железо или чугун, поэтому борьба с коррозией является в некотором смысле проблемой последнего времени. Ручной труд сейчас очень дорог, поэтому велика стоимость окраски и содержания стальных конструкций. Одна из важных причин широкого распространения железобетона заключается в том, что армирующая бетон сталь не ржавеет.

Такие большие корабли, как современные танкеры, рассчитаны на эксплуатацию в течение примерно 15 лет, и, как правило, их дешевле разрезать на металлолом, чем красить. Срок службы автомобилей по той же причине обычно еще меньше. Правда, для некоторых конструкций можно использовать нержавеющую сталь, но она не всегда спасает от коррозии, к тому же она дорого стоит и значительно труднее обрабатывается. Кроме того, нержавеющую сталь отличают невысокие усталостные свойства.

Именно это послужило одной из причин широкого использования алюминиевых сплавов. Но во многих случаях жесткость алюминия оказывается все же недостаточной, не говоря уже о его высокой стоимости. Существенным недостатком являются также и трудности со сваркой. Некоторые социалистические страны видят за алюминием большое будущее и вкладывают значительные средства в развитие его производства. В 1961 г. лондонская биржа была взволнована контрактами между "Тьюб инвестментс" и "Бритиш алюминиум". Однако рынок алюминия не расширился в той мере, которой ожидали заинтересованные в этих сделках бизнесмены. Кроме того, производство алюминия требует значительно больших энергетических затрат, чем производство стали.

Даже если свойства материала, используемого в конструкции, со временем не ухудшаются, ее надежность все же зависит от различного рода случайностей, которые не всегда можно предвидеть. Многие конструкции разрушаются только при исключительных обстоятельствах (корабль - при чрезвычайно высоких волнах, самолет - при бешеном порыве ветра) и может пройти очень много времени, прежде чем это произойдет. Для некоторых сооружений фатально лишь необычное стечение нескольких обстоятельств. Для моста это может быть совпадение сильного ветра с чрезмерно интенсивным потоком транспорта. Хотя вероятность подобных ситуаций необходимо предвидеть, зачастую проходят годы, прежде чем они реализуются, и действительно, ненадежное сооружение может простоять долгие годы лишь потому, что оно так и не испытало настоящих нагрузок.

Конечно, инженеры, с ответственностью относящиеся к делу, в своих расчетах пытаются предвидеть необычайные ситуации, но очень часто пиковые нагрузки являются результатом того, что страховые компании называют "волей божьей".

Если корабль врежется в большой мост и при этом пострадает и мост, и корабль, как это произошло не так давно в Тасмании, то трудно сказать, что же именно нужно было учесть проектировщикам и моста, и корабля. Эта проблема относится не к конструкторам, а к местному отделению ассоциации судоводителей. Нельзя также сделать самолет, на котором не отразилось бы столкновение с горой. Мы хотим (до определенной степени, конечно) иметь такой автомобиль, чтобы, налетев на кирпичную стену, не нанести ущерба здоровью пассажиров, но не следует думать, что сам автомобиль после этого окажется годным к дальнейшему использованию.

 

Усталость металла, мистер Хани и пр.

Одной из наиболее коварных причин, при которой конструкция теряет свою прочность, является так называемая "усталость" - постепенно накапливающийся эффект действия циклических нагрузок. Возможные драматические последствия усталости металла впервые обыграл Киплинг в 1895 г. в репортаже о событиях в Бискайском заливе, когда из-за появления усталостной трещины на конце гребного вала отвалился винт "Гроткау". Киплинг вышел из моды, но интерес широкой публики к усталости металлов был возрожден в 1948 г. романом Невила Шьюта "Путь закрыт". Отчасти своим успехом эта книга, как и поставленный по ней фильм, несомненно, обязаны характеру героя - мистера Хани, этого типичнейшего ученого, а отчасти трем катастрофам самолетов "Комета", которые произошли вскоре одна за другой. Как заметил когда-то Вистлер, "Природа крадется за искусством". Обстоятельства аварий с "Кометами" отличались от описанных в романе только значительно большим числом жертв, эти катастрофы нанесли серьезный урон английской авиационной промышленности.

В действительности, первые инженерные знания об усталостных эффектах носят столетнюю давность. Уже вскоре после промышленной революции было замечено, что движущиеся части машин выходят из строя при таких нагрузках, которые были бы совершенно безопасны в случае, если бы они были неподвижными. Чрезвычайно опасными были разрушения осей железнодорожных вагонов, которые неожиданно ломались без видимых причин после некоторого времени эксплуатации. Этот эффект вскоре стал известен как "усталость".

В середине XIX в. служащий немецких железных дорог Вёлер (1819-1914) провел классические исследования этой проблемы. На фотографии герр Вёлер выглядит именно так, как должен был, на наш взгляд, выглядеть типичный немецкий железнодорожный служащий того времени, но это не помешало ему проделать весьма полезную работу.

Как уже отмечалось в гл. 4, даже большие локальные напряжения не приведут к росту трещины, если ее длина не превышает "критической длины Гриффитса", поскольку рост трещины в этих условиях потребовал бы затрат энергии, превышающих работу разрушения материала. Однако в случае циклических нагрузок внутри кристаллической структуры металла происходит постоянная перестройка, в чем-то похожая на перестройку, возникающую в местах концентрации напряжений. Это приводит к уменьшению работы разрушения металла, и трещина, хотя и очень медленно, растет, даже если ее длина значительно меньше "критической".

Таким образом, крошечные, не видимые глазом трещинки могут появиться в любом отверстии, выемке или нерегулярности в напряженном металле и начать распространяться дальше, никак не изменяя внешнего вида детали. Рано или поздно такая "усталостная трещина" достигает критической длины. При этом скорость ее распространения возрастает и трещина быстро проходит через весь материал, часто с очень серьезными последствиями. Уже после разрушения усталостную трещину сравнительно легко распознать по характерному полосчатому виду поверхности усталостного разрушения. Однако до разрушения начало усталостного процесса проследить практически невозможно.

Естественно, металловеды проводят многочисленные испытания материалов на усталость, для чего разработано очень много различных типов испытательных машин. Общепринято рассматривать усталостные свойства материала при знакопеременных напряжениях (±s), которые обычно возникают, например, во вращающихся осях любого транспортного средства. (Существуют способы преобразования этих результатов применительно к другим условиям циклического нагружения.) Величину знакопеременного напряжения ±s обычно откладывают на графике в зависимости от логарифма числа n циклов нагружения, при котором произошло разрушение образца. Этот график называют усталостной кривой (или ±s-n-диаграммой). Типичная усталостная кривая для обычной стали показана на рис. 155.

Рис. 155. Типичная усталостная кривая для железа или стали.

Можно заметить, что с увеличением n разрушающее напряжение сначала падает, но после примерно миллиона циклов выходит на постоянный уровень, называемый "пределом усталости". Миллион циклов нагружения для осей автомобиля или вагона эквивалентен пробегу примерно 3000 км, а для двигателя машины, коленчатый вал которого, конечно, вращается быстрее ее колес, - примерно 10 ч работы.

Существование определенного предела усталости для материалов типа железа и стали весьма удобно для инженера. Если машина сделала 106 или 107 оборотов, для чего может понадобиться лишь несколько часов, то появляется надежда, что она будет работать почти бесконечно. Но усталость материала - это опасность, которая всегда нуждается в специальном рассмотрении.

Алюминиевые сплавы не имеют определенного предела усталости, их усталостная прочность непрерывно падает с ростом n, как показано на рис. 156. Вследствие этого они более опасны в применении, что в какой-то мере оправдывает стародавнее предубеждение к ним и предпочтение им стали.

Рис. 156. Сплавы цветных металлов, например сплавы алюминия или латунь, обычно не имеют фиксированного предела усталости.

Катастрофы с "Кометами", которые произошли в 1953 и 1954 гг., вызвали, конечно, вполне оправданную тревогу. Расследование этих инцидентов, предпринятое Арнольдом Холлом совместно с большой группой экспертов, представляет собой классический образец не только инженерного исследования, но и глубоководных спасательных работ. Разрозненные части одного из самолетов, упавшего в Средиземное море, приходилось собирать на дне и поднимать с глубины около сотни метров. Спасателям удалось собрать практически все, и бесчисленные обломки самолета покрыли пол большого ангара в Фарнборо. При этом, насколько я помню, максимальный размер обломка не превышал 60-90 см.

"Комета" была одним из первых самолетов, имевших фюзеляж с наддувом, чтобы избавить пассажиров от дискомфорта, связанного с резким перепадом атмосферного давления при изменении высоты. Сегодня мы уже забыли, что прежде, пролетая над горами, приходилось обедать в кислородной маске. В самолетах с наддувом фюзеляж представляет собой цилиндрический сосуд с тонкими стенками, перепад внутреннего и наружного давления для этого сосуда растет с каждым набором высоты и падает с каждым снижением самолета.

Роковая ошибка конструкторов "Кометы" состояла в том, что в этих условиях они не обратили достаточного внимания на опасность "усталости" металла в местах концентрации напряжений. Фюзеляж "Кометы" был изготовлен из алюминиевых сплавов, а предыдущий опыт фирмы "Хэвиленд" относился к производству в основном деревянных самолетов, в том числе и триумфального "Москито". Я не хочу предположить даже на минуту, что конструкторы фирмы "Хэвиленд" ничего не знали об усталости, но, возможно, именно опасность усталости алюминиевых сплавов не проникла достаточно глубоко в сознание коллектива. Дерево гораздо менее чувствительно к усталости, и в этом заключается одно из больших его преимуществ.

В каждой из этих аварий трещины, образуясь скорее всего около небольших отверстий в фюзеляже, медленно и незаметно развивались, пока их длина не достигала "критической длины Гриффитса". После этого обшивка мгновенно разрушалась и весь самолет взрывался, словно надутый воздушный шар. Многократно надувая воздухом фюзеляж "Кометы" в наполненном водой бассейне в Фарнборо, Арнольду Холлу удалось воспроизвести этот эффект так, что его можно было наблюдать, как при замеделенной съемке.

Одна из основных причин описанных аварий крылась в том, что усталостных трещин никто никогда не замечал. Скорее всего, на них трудно было обратить внимание из-за очень малой длины: они были невидимы при обычном осмотре. В настоящее время самолеты проектируются в расчете на сохранность фюзеляжа при трещине длиной в десятки сантиметров, а такую трещину нельзя не заметить даже при самом поверхностном осмотре. Тем не менее известна анекдотичная история о двух уборщицах лондонского аэропорта. Поздно ночью, закончив уборку пустого салона самолета и закрыв дверь, они остановились на ступеньках трапа, и здесь между ними произошел такой разговор.

— Мэри, ты не выключила свет в туалете.

— Откуда ты знаешь?

— Разве ты не видишь - вон светится трещина в стенке?

 

Катастрофы деревянных кораблей

Во времена, когда еще не было железных дорог, почти все тяжелые грузы доставлялись по воде. Кроме океанской и континентальной торговли, а также внутренней торговли, осуществлявшейся по рекам и каналам, процветала интенсивная прибрежная торговля. Тысячи маленьких бригов и шхун, запечатленных на карикатурах У.У. Джекобса, перевозили всех и вся не только между прибрежными гаванями и портами, но и между самыми разными точками берега. Корабль приставал к берегу во время прилива, а с наступлением отлива разгружал свой груз (уголь, кирпич, известку или мебель) прямо в телеги, выстраивавшиеся вдоль его бортов. С приливом судно опять уходило в море, чтобы повторить все сначала где-нибудь в другом месте.

Естественно, это было довольно рискованным занятием, но в XVIII в. большинство этих маленьких посудин в самые суровые зимние месяцы позволяло себе отдохнуть, подремонтироваться, а команда тем временем навещала свои семьи и местные питейные заведения. Это довольно идиллическое и не связанное со слишком уж большими опасностями течение дел в XIX в. было нарушено возросшей конкуренцией. Под давлением условий коммерции суда были вынуждены плавать в течение всего года, не позволяя себе, как правило, дожидаться хорошей погоды. Регулярность плавания этих корабликов заставила бы краснеть служащих многих современных железных дорог.

Но, конечно, за все приходится платить. В середине 30-х годов XIX в. у побережья Англии ежегодно происходило в среднем 567 кораблекрушений, в результате чего в год погибало в среднем 894 человека. Не мне судить, хуже ли это или лучше, на тонну-милю перевезенного груза, чем у современных грузовиков, но, во всяком случае, общественное мнение было взволновано и парламент образовал специальный комитет для расследования причин кораблекрушений. Заслушав огромное количество свидетелей, комитет установил, что, за незначительным исключением, причиной случившегося послужили: 1) дефекты конструкции, 2) недостатки в оснастке судов, 3) отсутствие своевременного ремонта.

В докладе комитета утверждалось, что дефекты в конструкции судов в значительной степени стимулированы использовавшейся в период с 1798 по 1834 г. системой их классификации (то есть правилами, определяющими постройку и ремонт), установленной ассоциацией страховых компаний. Предполагалось, чтобы система установления правительственного налога на тоннаж судна заставляла бы придавать судам определенную форму корпуса. Бюрократический ум, надо думать, вовсе не изменился за последние сто лет.

Честно говоря, проблема регламентации строительства кораблей или любых других конструкций, обеспечивающая требуемую их прочность и безопасность, необычайно сложна. Без сомнения, с 30-х годов прошлого века здесь достигнут определенный прогресс. Но в то же время ничто так не мешает развитию техники, как строгая регламентация конструирования и постройки. Пагсли в уже упоминавшейся книге "Надежность конструкций" указывает, что в принципе невозможно установить систему регламентаций прочности, направленную против дураков и жуликов, которая одновременно не тормозила бы или по крайней мере не отодвигала применение усовершенствований и полезных нововведений. Правила контроля безопасности конструкций, вероятно, необходимы, однако некоторые из них не только смешны, но и могут стать действительной причиной катастроф.

Однако вернемся к деревянным кораблям. Не только клиперы, но и маленькие бриги, бригантины, шхуны и барки, которые были так же прекрасны, как и совершенны, канули в Лету, а на верфях, где их строили, теперь делают яхты. Конструировать деревянные яхты и проще, и сложнее, чем большие суда. Конечно, корпуса яхт не бьются о береговые камни, пока их грузят щебнем и углем, но здесь есть другая проблема - их тонкая обшивка с трудом выдерживает местные нагрузки и удары.

Теперь, когда так популярны длительные океанские путешествия на маленьких яхтах, проблема сосредоточенных нагрузок стала очень важной, и виноваты в этом кашалоты. При весе 6 т и скорости до 30 узлов эти животные испытывают особую ненависть к маленьким суденышкам, атакуют их, таранят и пробивают корпус ниже ватерлинии. В последнее время это случается так часто, что уже не может рассматриваться как "воля божья" (точнее Посейдонова), и к этой опасности следует относиться серьезно и серьезно от нее защищаться.

По-видимому, нецелесообразно делать корпус маленькой яхты настолько толстым и прочным, чтобы он мог выдержать удар кашалота. Лучше, вероятно, предусмотреть некоторые надувные устройства, которые в случае получения пробоины удерживали бы яхту на плаву, а еще лучше, позволяли бы ей продолжать идти под парусом. До сих пор пострадавшие от встреч с кашалотами были вынуждены спасаться на шлюпках, в которых они проводили много неприятных дней и даже недель, прежде чем их подбирал какой-нибудь пароход.

 

Еще о котлах, сосудах давления и о кипящем в них масле

На протяжении многих лет, еще до того, как получила достаточное развитие сеть железных дорог, львиная доля пассажиров и срочных грузов перевозилась по воде. В первой половине XIX в. не только больше, чем сейчас, пароходов ходило из Англии в самые разные порты Европы, но и существовало весьма развитое пароходное сообщение между городами Великобритании. Самым дешевым и часто самым быстрым и удобным способом добраться из Лондона в Ньюкасл, Эдинбург или Абердин было путешествие на пароходе.

Аварии на пароходах случались реже, чем на парусных судах, просто потому, что последних было намного больше. Тем не менее, между 1817 и 1839 гг. в британских водах произошли 92 крупные пароходные аварии. Из них 23 были вызваны взрывом котлов. Хотя, конечно, это не шло ни в какое сравнение с американским рекордом, установленным речными пароходами несколькими годами позже, но было все же достаточно печально.

Некоторые из первых котлов делались из совершенно неподходящих материалов, например из чугуна. Так, при взрыве чугунного котла на "Норвиче" погибло несколько человек. Даже если котлы были сделаны из железа и более или менее так, как надо, обращались с ними довольно небрежно, позволяя ржаветь до тех пор, пока они, наконец, не взрывались. Это послужило причиной гибели "Форфэршира" у берегов Исландии в 1838 г. Пять человек были спасены исключительно благодаря мореходному искусству и мужеству Грейс Дарлинг.

Снова парламент назначил специальный комитет, который в 1839 г. выпустил обширный, изобилующий фактами скрупулезно составленный документ, который выглядит сейчас почти неправдоподобно. В те годы бурного распространения паровых машин найти честного, знающего, ответственного и умного механика было почти невозможно даже за очень приличное жалованье. И невежды обращались с машинами и котлами столь безответственно, что в это просто невозможно поверить.

"Капитан парохода, шедшего ночью при спокойном море из Ирландии в Шотландию, заметил, что скорость судна значительно превышает обычную. Механика на месте не оказалось, и капитан приказал кочегару объяснить, почему машина так работает. Кочегар ничего вразумительного не сказал, кроме того, что пар очень маленький и ему непрерывно приходится подбрасывать уголь. Капитан начал осматривать машину и, подойдя к трубе, на которой были расположены предохранительные клапаны, обнаружил там спящего в теплом местечке пассажира. Этот человек с помощью нехитрой поклажи умудрился сделать себе постель прямо на плоских грузах предохранительного клапана и давил на них весом всего своего тела. Когда его растолкали и подняли, клапан открылся и пар начал выходить с ревом, свидетельствовавшим об очень высоком давлении.

Здесь не было ртутного манометра, и кочегар привык поддерживать давление примерно на том уровне, когда пар начинал выходить из предохранительного клапана; не слыша этого звука, он продолжал шуровать в топке. Он был слишком невежественным, чтобы по увеличивающимся оборотам машины сообразить, что происходит что-то неладное.

Несколько свидетелей сообщили нам также, что часто видели кочегаров, машинистов и даже механиков сидящими или стоящими на грузах предохранительных клапанов, нередко они подвешивали дополнительные грузы или повисали сами на рычагах предохранительного клапана, чтобы "поднять пар" в момент старта".

Это выдержка из упомянутого выше доклада. Далее говорится, что "… было принято также ставить на рычаг клапана угольную корзину". Это послужило причиной взрыва на пароходе "Геркулес". Удивительно только, что за рассматриваемый период из-за взрывов котлов на английских пароходах погибло лишь 77 человек. На железных дорогах положение было примерно таким же и причины были в основном те же. Непрерывная цепь серьезных катастроф растянулась на 70 или 80 лет. Наверное, последняя из них произошла в 1909 г. Взорвался котел паровоза, хотя манометр показывал нулевое давление. Оказалось, что рабочий неправильно собрал предохранительный клапан, так что он не мог стравливать пар. Манометр показывал нуль потому, что его стрелка сделала полный оборот и уперлась в стопор с противоположной стороны. Три человека было убито и трое тяжело ранено.

В наши дни котлы взрываются значительно реже. Отчасти это связано с тем, что их производство и эксплуатация тщательно регламентируются законом и страховыми компаниями, но в еще большей степени из-за того, что сейчас почти не осталось паровых машин. Действующие паровые котлы находятся, как правило, на больших предприятиях, таких, как электростанции, и обслуживаются, по-видимому, достаточно компетентными людьми.

Но что называть котлом? Это довольно интересный юридический вопрос. В промышленности существует множество типов сосудов высокого давления, использующихся в различных технологических процессах. Многие из них выглядят совершенно непохожими на традиционные котлы, вследствие чего их опасность зачастую бывает не столь очевидна. Вообще говоря, контроль за их производством и эксплуатацией менее строг, чем в случае обычных котлов. Однако, поскольку многие из этих сосудов нагреваются технологическим паром или горячим маслом под давлением, последствия аварии могут быть не менее драматичными, чем для обычных котлов. Следует иметь в виду, что предел усталости металла сварного шва в конструкциях из обычной стали, подвергающихся воздействию влажного пара, может быть не больше 20 МН/м2 (1,5 кгс/мм2).

В одном случае, с которым мне пришлось разбираться, два больших вращающихся барабана для изготовления покрытой пластиком бумаги перевели с подогрева маслом низкого давления на технический пар высокого давления. Надо сказать, что инспектор страховой компании настаивал на том, что барабаны должны быть "усилены" с помощью треугольных косынок из мягкой стали, приваренных изнутри к поверхности цилиндра и к плоским крышкам барабана.

Вскоре после переоборудования оба барабана взорвались во время работы. Имея в руках чертежи, я рассчитал, что в этих барабанах было по крайней мере 48 мест, где должна была бы произойти авария. Но моя оценка оказалась слишком пессимистической - на самом деле разрыв произошел только в 47 местах. Слава богу, никто не был убит и никто серьезно не пострадал; все это явилось ударом для инспектора страховой компании, который был, надо полагать, прилежным и достаточно рассудительным маленьким человеком.

Другой случай оказался более трагическим. Фирма химического машиностроения закупила где-то на стороне сосуд-смеситель, который предполагалось использовать как часть строящегося для заказчика завода. Так как смеситель должен был нагреваться маслом под давлением, то нагревательная рубашка была подвергнута контрольным испытаниям холодной водой. Она выдержала давление в 5 ат без каких-либо видимых повреждений. Однако, когда установка была поставлена заказчику и рубашка заполнена очень горячим маслом под давлением всего в 1,5 ат, она взорвалась после нескольких часов работы, обрызгав человека маслом температурой 280°С, в результате чего тот умер через несколько дней.

Согласно докладу официального инспектора, авария могла произойти только вследствие халатности моего клиента - фирмы химического машиностроения. В результате фирма была вовлечена в очень сложный и дорогостоящий судебный процесс.

В действительности же официальный доклад об аварии был основан на неверных выводах, сделанных на основании осмотра осколков. Резервуар взорвался не потому, что мои клиенты использовали его неподобающим образом, причиной аварии явились ошибки в проекте и изготовлении. И хотя природа технических причин аварии была довольно сложной, как мои клиенты, так и непосредственные изготовители сосуда полагали, что конструирование такого сооружения - задача тривиальная. На самом деле сосуд по-настоящему даже не проектировался, а был "скроен на глазок" и сварен в какой-то третьеразрядной мастерской.

В результате произошло следующее. Во время испытаний под высоким давлением сварные швы нагревательной рубашки сильно пострадали, но никто этого не заметил. Швы были настолько близки к разрушению, что нескольких циклов нагружения при гораздо меньших давлениях оказалось достаточно для усталостного разрушения, приведшего к трагическим последствиям. Знающий и опытный инженер должен был бы предусмотреть такую возможность. По закону и, возможно, по справедливости основная тяжесть вины ложилась на изготовителей сосуда, но я не мог избавиться от мысли, что компетентная фирма, располагавшая опытными инженерами-химиками, могла бы предотвратить беду. Когда я оказался на этой фирме, директор пригласил меня обедать. В ходе беседы я между прочим спросил его:

— Сколько в вашей фирме дипломированных инженеров, мистер…?

И услышал в ответ:

— Ни одного, слава богу!

 

О вырезании дыр

Вообще говоря, вырезать дырки в уже существующих конструкциях довольно безрассудно, и тем не менее некоторые просто не могут противиться соблазну проделать это. Случай, о котором пойдет речь, произошел с самолетом "Мастер", построенным перед войной в качестве учебного самолета Королевских военно-воздушных сил. По характеру исполнения и стилю управления он был похож на "Харрикейн" и "Спитфайер". В трудные дни 1940 г. некоторые из этих самолетов были переоборудованы в истребители, для чего в крыле поставили шесть скорострельных пушек. Первоначальный учебный вариант машины имел тросовый привод механизмов управления, который хотя и прекрасно работал, но был слишком "мягким" для настоящего истребителя. Поэтому кто-то решил заменить в истребительном варианте "Мастера" тросы на металлические тяги. Чтобы пропустить тяги, управляющие рулями высоты и поворота, в шпангоуте хвостовой части были сделаны соответствующие вырезы.

Прошло совсем немного времени, и последовала серия из трех катастроф со смертельным исходом. Во всех трех случаях у самолета в полете отваливался хвост. При стендовых испытаниях фюзеляжа выяснилось, что его прочность упала до 45% расчетной нагрузки. Мораль, я думаю, ясна.

Гораздо более известная катастрофа такого же типа с огромным количеством жертв произошла с транспортом "Биркенхед". Этот металлический пароход был спущен на воду в 1846 г. как военный корабль. Он имел должную прочность и был снабжен в нужном количестве водонепроницаемыми переборками. Когда его переоборудовали в транспорт, военное ведомство настояло, чтобы в поперечных переборках были сделаны большие отверстия, дабы в помещениях для солдат было больше места и света.

В 1852 г. "Биркенхед" отправился в Индию через Кейптаун, имея на борту 648 человек, в том числе 20 женщин и детей. В результате навигационной ошибки судно налетело на одинокую скалу в 4 милях от побережья Южной Африки. Корабль получил огромную пробоину в носовой части, и поскольку переборки корпуса были практически вырезаны, все люди, находившиеся в носовой части корабля, были затоплены водой почти мгновенно. Многие солдаты не успели проснуться: было 2 часа ночи. Под напором заполнившей корабль воды передняя часть его обломилась и быстро пошла ко дну. Было темно, море кишело акулами, спасательных шлюпок не хватало. Оставшиеся в живых сгрудились на корме, которая тонула медленнее. Солдаты вели себя храбро и дисциплинированно: они собрались на верхней палубе, в то время как женщин и детей посадили в немногие уцелевшие шлюпки и отправили на берег. Все женщины и дети были спасены. Уцелело лишь 173 человека, остальные утонули или были съедены акулами.

Быстрое затопление водой большинства отсеков корабля явилось очевидным следствием того, что во многих переборках были вырезаны отверстия, что и послужило, конечно, причиной гибели судна. Жертв было бы, наверное, значительно меньше, если бы корабль не разломился надвое, что произошло, по-видимому, в результате ослабления корпуса как целого.

История с "Биркенхедом" стала широко известна как пример дисциплины и героизма экипажа. Когда известие достигло Берлина, прусский король приказал зачитать его перед строем в каждой армейской части. Возможно, было бы лучше, если бы он заставил военное министерство не вмешиваться в вопросы конструкции кораблей - предмет, в котором армейские чины всегда мало что понимали.

Как отмечает К. Барнэби, известный кораблестроитель, представление о том, что в транспортах свежий воздух и свободное пространство важнее безопасности, было весьма живучим. Он говорит, что даже в 1882 г. судовладельцы жаловались, что, когда они, согласно требованиям адмиралтейства, устанавливали дополнительные переборки, военные власти отказывались принимать суда на том основании, что пространство между переборками слишком мало.

 

Об излишнем весе

Почти каждая конструкция почему-то оказывается тяжелее, чем предполагал ее автор. Отчасти это происходит из-за слишком оптимистических оценок тех, кто занимается весом будущей конструкции, но отчасти благодаря заботе почти каждого участника о ее "безопасности". Каждый делает свою деталь чуть-чуть толще и чуть-чуть тяжелее, чем это в действительности необходимо. В глазах многих это своего рода добродетель, признак честности и порядочности. В словах "построено основательно" сквозит оттенок похвалы, в то время как слова "легкая конструкция" звучит скорее как "легковесная", "ненадежная".

Иногда все это не играет роли, но иногда от этого зависит очень многое. Вес самолета имеет тенденцию постоянно возрастать от самой чертежной доски. Лишний вес, естественно, ограничивает запас горючего и радиус действия самолета. Кроме того, увеличение общего веса почему-то всегда приводит к смещению центра тяжести самолета назад. Другими словами, вес хвоста всегда растет быстрее, чем вес всех остальных частей .аппарата. Это может иметь серьезные последствия. Если центр тяжести слишком сильно переместится назад, то самолет будет иметь весьма опасные летные характеристики. Он легко срывается в штопор, из которого не может потом выйти. По этой причине удивительно много самолетов - в том числе и самых знаменитых - пролетало всю свою жизнь с постоянно прикрученным болтами свинцовым грузом на носу. Не стоит и говорить, насколько это плохо.

Излишний вес судов может оказаться еще более вредным. В этом случае не только увеличивается общий вес корпуса, но и смещается центр тяжести, причем всегда только вверх. Остойчивость корабля, то есть его способность плавать так, как надо, а не вверх килем или на боку, определяется так называемой "метацентрической высотой". Она представляет собой расстояние по вертикали между несколько мистической, но очень важной точкой, называемой метацентром, и его центром тяжести. По весьма веским причинам метацентрическая высота даже большого корабля обычно довольно мала, она составляет 30-60 см или даже меньше, поэтому подъем центра тяжести всего на 10 см значительно меняет метацентрическую высоту, что может сильно сказаться на остойчивости и, следовательно, на безопасности судна. Многие корабли переворачивались из-за этого уже при спуске на воду, причем ни корабельные мастера, ни все остальные, кто несет ответственность за излишний вес корабля, почему-то не считали себя в этом виноватыми.

В гл. 10 мы уже упоминали о гибели корабля "Кэптэн". История с ним носила политический характер и вызвала в то время много дискуссий. Я полагаю, немногие катастрофы имели столь далеко идущие последствия. "Кэптен" знаменует собой поворотную точку в развитии паровых линкоров и, возможно, в развитии современной концепции "мировой державы". Слабо разбирающиеся в кораблестроении историки не раз упрекали Британское адмиралтейство в излишней медлительности при переходе от паруса к пару. Историки же рьяно критиковали "империалистическую экспансию" и т.п.

Однако следует иметь в виду, что вплоть до сравнительно недавнего времени из-за ненадежных машин, большого расхода угля и малого радиуса действия паровые военные корабли, стоило им только покинуть родные воды, оказывались целиком зависимыми от баз, пунктов заправки углем и т.д. Реализация концепции "мировой державы" с помощью парового военного флота была в корне отличной от политики и стратегии, осуществлявшейся с помощью парусного флота в XVIII в. Именно по этой причине Британское адмиралтейство так долго настаивало на сохранении почти на каждом линкоре в дополнение к паровым машинам парусного снаряжения.

Технические трудности комбинирования паруса и пара определялись не столько самими парусами и паровыми машинами, сколько необходимостью пушек и брони, возраставшей в течение всего XIX в. Башенные орудия были не только тяжелы, но и требовали широкого сектора обстрела. Еще тяжелее была необходимая защитная броня. Комбинирование большого сектора обстрела, необходимой остойчивости и полного парусного вооружения создавало чрезвычайно трудные задачи.

Понимавшее все это адмиралтейство в 60-е годы прошлого века намерено было вести в этом направлении весьма осторожную политику. Если бы ему позволили ее осуществить, технические трудности были бы преодолены и, возможно, некоторые страницы истории оказались бы совершенно иными. Эти планы были нарушены неким военным моряком Купером Коулсом, принадлежавшим к тому типу неглупых людей, звездные часы которых наступают в пылу полемики и саморекламы. Он изобрел орудийную башню нового типа и поставил перед собой цель убедить адмиралтейство "пристроить" к ней линкор с полным парусным снаряжением и, следовательно, неограниченной дальностью плавания. Коулсу удалось вовлечь в это дело не только адмиралтейство, но и обе палаты парламента, королевскую семью, редактора "Таймс" и практически всех англичан. Устав в конце концов от постоянных обвинений в косности со стороны половины газет и больше чем половины политиков страны, адмиралтейство уступило. Оно сделало то, чего никогда не делало раньше и наверняка никогда не сделает вновь: разрешило строевому морскому офицеру, не имеющему навыка в кораблестроении, спроектировать его собственный линкор и построить его за счет налогоплательщиков.

Корабль строился на верфях Лэйрда в Биркенхеде под руководством Коулса без обычных в таких случаях проверок проекта. Более того, строительство велось в атмосфере поношений и полемики. Сам Коулс большую часть времени был болен и не покидал своего дома на острове Уайт. В результате вес корабля оказался на 15% выше расчетного. Не случись этого, корабль, быть может, оказался бы удачным и сравнительно безопасным. Но в том виде, в каком "Кэптен" был спущен на воду, он имел слишком большую осадку и недопустимо высоко расположенный центр тяжести. Последующие расчеты показали, что он должен был бы перевернуться при крене около 21°. Тем не менее корабль с большой помпой был принят флотом в 1869 г. Он совершил два океанских плавания, к большому удовлетворению "Таймс" и первого лорда адмиралтейства, сын которого служил на нем мичманом. Казалось, что проблемы на пути "мировой державы" снова будут решаться одна за другой и можно будет избавиться от трудностей, связанных с разбросанными по всему миру портами и базами снабжения.

В третьем плавании (1870 г.), возвращаясь с эскадрой из Гибралтара, во время довольно обычного шторма в Бискайском заливе "Кэптен" внезапно перевернулся и затонул. Погибло 472 человека - больше, чем англичане потеряли в битве при Трафальгаре. Сам Купер Коулс и сын первого лорда адмиралтейства утонули. Спаслись лишь 17 матросов и один офицер.

Гибель "Кэптена" значительно повлияла на ускорение перехода от паруса к пару, точнее на изгнание парусного снаряжения с больших линкоров. Какими бы ни были технические последствия этого перехода, политические следствия оказались весьма резвыми. Напомним, что Сузцкий канал, открытый чуть ранее спуска на воду "Кэптена", первоначально принадлежал Франции. В 1874 г. Дизраэли купил акции Суэцкого канала для английского правительства, и строительство раскинутой по всему миру сети баз снабжения сделалось политической необходимостью. Вся история создания и гибели "Кэптена" довольно запутана, но непосредственная техническая причина катастрофы несомненно заключалась в стремлении, несмотря на излишний вес, сделать мачты и корпус корабля одинаково прочными. Это была одна из многих катастроф, когда ничто не разрушилось, но корень зла был именно в недостатках конструкции.

 

Аэроупругость, или тростник, колеблемый на ветру

Позади какого-либо препятствия, например дерева или каната, поток воздуха или воды образует завихрения. Такие завихрения можно увидеть, посмотрев на тростник или камыш, растущий в медленно текущей реке. Завихрения чаще всего образуются попеременно то с одной, то с другой его стороны. Это приводит к возникновению периодических колебаний давления в потоке: давление попеременно становится большим то на одной, то на другой стороне препятствия. Возникающая последовательность, или "дорожка" вихрей, называется "дорожкой Кармана" по имени впервые описавшего ее ученого-механика. Довольно часто можно видеть вихри на гладкой поверхности воды; воздушные вихри обычно невидимы, но их можно заметить по движению дыма, опадающих листьев или с помощью других индикаторов. В действительности такая же дорожка вихрей возникает и в потоке воздуха за флагом, деревом или проводом.

В результате такого попеременного образования вихрей то по одну, то по другую сторону препятствия полощутся на ветру флаги, качаются деревья, гудят и поют телеграфные провода. Именно поэтому свободное полотнище паруса хлопает на ветру и вполне может разорваться или ушибить. Я однажды сам видел, как человека сбила с ног вырвавшаяся рея шкота; в ней была запасена довольно большая энергия. Когда в свежий ветер большой корабль поворачивает на другой галс, издаваемый парусами хлопок бывает громче пушечного выстрела.

Если частота аэродинамического воздействия, вызванного вихрями, совпадет с одной из собственных частот колебаний обтекаемого тела, то амплитуда колебаний в этом теле может возрастать до тех пор, пока что-нибудь в нем не сломается. Именно благодаря этому механизму, а не постоянному давлению ветра ломаются в бурю деревья. То же самое довольно часто происходит с самолетами и подвесными мостами. Этого можно избежать, если сделать конструкцию достаточно жесткой, особенно на кручение. Как мы уже отмечали, именно требования достаточной крутильной жесткости в основном определяют проектирование и вес конструкции современного самолета.

Хотя подвесной мост Телфорда через Менай уже вскоре после своей постройки довольно сильно пострадал от вызванных ветром колебаний, потребовалось около ста лет, чтобы строители мостов осознали реальную опасность этого явления. Классическая катастрофа такого рода произошла в 1940 г. с мостом Тэкома Нэрроуз в США. Этот мост с пролетом в 840 м не имел достаточной жесткости на кручение. Уже при среднем ветре размах колебаний достигал такой величины, что местные жители прозвали его "скачущей Гертой". Довольно скоро после постройки при ветре всего около 70 км/час амплитуда его раскачки и крутильных колебаний достигла критической величины и он обвалился. Случилось так, что рядом оказался кто-то с заряженной кинокамерой в руках. Камера работала, и стоимость пленки оказалась прекрасно вложенным капиталом, поскольку с тех пор ее показывают по всему миру практически во всех инженерных институтах (рис. 157).

Рис. 157. Кадры, запечатлевшие разрушение подвесного места Тэкома Нэрроуз.

Этот опыт учли, и современные подвесные мосты имеют достаточную жесткость, особенно на кручение. Как и в случае самолетов, вес элементов, обеспечивающих нужную жесткость моста, составляет довольно значительную долю его общего веса. Так, пролет автомобильного моста через Северн (рис. 86) выполнен из огромных стальных труб шестигранного сечения, изготовленных из листов малоуглеродистой стали. При сооружении моста они секциями сплавлялись по воде, поднимались на место и затем сваривались в сплошную конструкцию.

 

Проектирование как прикладная теология

Причины любой катастрофы лежат на двух уровнях. Первый связан с непосредственными механическими или технологическими факторами, второй - с факторами субъективного характера. Не подлежит сомнению утверждение, что проектирование - не очень точный предмет, иногда случаются неожиданности, допускаются ошибки и т.д., однако в большинстве случаев "истинные" причины катастроф кроются в оплошностях, сделанных теми или иными людьми, и этих оплошностей вполне можно было бы избежать.

Сегодня довольно распространено мнение, что оплошность относится к разряду тех слабостей, за которые человека нельзя по-настоящему осуждать, ведь он "сделал все, что мог", он жертва своего воспитания, среды или социальной системы и т.д. и т.п. Но оплошность незаметно переходит в то, что называется очень непопулярным сейчас словом "грех". В течение своей долгой профессиональной жизни, потраченной (или растраченной) на изучение прочности материалов и конструкций, мне пришлось разбираться в немалом количестве катастроф, нередко сопровождавшихся гибелью людей. Мой опыт привел меня к убеждению, что лишь немногие из катастроф случаются сами по себе на морально нейтральной почве. Девять из десяти происходят не по технически сложным причинам, а в результате стародавних человеческих прегрешений, часто опускающихся до очевидной безнравственности.

Конечно, я не имею в виду такие грязные грехи, как умышленное убийство, особо крупное мошенничество или сексуальные преступления. Причинами гибели людей в авариях являются более жалкие грехи: "не знал", "не побеспокоился", "не спросил", "вы ничего мне не сказали", "не подумал", гордыня, зависть и жадность, легкомыслие и бездеятельность. Хотя многие технические фирмы имеют прекрасный штат конструкторов, персонал слишком многих фирм в Англии все еще технически некомпетентен, и часто в преступной мере. Многие сотрудники таких фирм не получили должного образования и из-за присущей им спеси в сочетании с невежеством обижаются на любое предложение послушаться хорошего совета или нанять квалифицированный персонал.

Мой опыт свидетельствует о том, что далеко не все аварии попадают на страницы газет и что обычно они вызваны отсутствием должной добросовестности в работе и профессиональной компетентности. Сильно сомневаюсь, что лекарство от этой болезни можно сыскать на пути большей регламентации всех операций. Что действительно необходимо, так это воспитание такого общественного мнения, чтобы на виновных в подобных "ошибках" смотрели как на людей аморальных. Человек не там, где нужно, просверлил отверстие в деревянном лонжероне крыла, просто заткнул его и никому ничего не сказал. Он был оправдан. Возможно, присяжные сочли его вину с моральной точки зрения незначительной.

Хотелось бы также большей гласности. Ведь если действительные причины аварии сделать известными широкой публике, то кое-кому придется не только покраснеть, но и понести урон - деловая и профессиональная репутация этих людей сильно пострадает. Большинство профессиональных инженеров это очень остро осознает, и они либо вынужденно ведут себя тихо, либо рискуют понести серьезные убытки. По-моему, эту трудность следовало бы попытаться как-то обойти. Хотя большинство аварий обычно происходит далеко не на центральных улицах, а на задворках, о которых многие даже не слышали, случаются и весьма громкие драматичные катастрофы, которые подолгу не сходят с первой полосы газет. Такими были катастрофа с мостом через Тай в 1879 г., гибель "Кэптена" в 1870 г. и крушение дирижабля R101. Подобные катастрофы часто несут на себе отпечаток человеческих и политических страстей, имеющих в своей основе главным образом амбицию и спесь. Такова была гибель "Кэптена". Два человека, которые несли наибольшую моральную ответственность за катастрофу, дорого заплатили за свои ошибки, один - собственной жизнью, другой - жизнью своего сына. К несчастью, погибли и многие другие.

Крушение дирижабля R101, сгоревшего в Бюво в 1930 г. после удара о землю, имело в своей основе те же причины. Подробно эти события описаны Невилом Шьютом в его книге "Логарифмическая линейка". Технической причиной аварии был разрыв оболочки, которая протерлась в результате неправильного обращения. Однако истинными причинами катастрофы были гордость, зависть и политические амбиции. Министр авиации лейбористского правительства Томсон, на котором лежала основная ответственность, сгорел при аварии вместе со своим лакеем и экипажем в количестве 50 человек. События, предшестовавшие катастрофе, развивались как раз таким образом, как, согласно моему собственному опыту, это обычно и происходит в подобных ситуациях. Сразу бросается в глаза атмосфера неизбежности всего происходящего. Из-за гордости и зависти, амбиции и политического соперничества внимание концентрируется только на каждодневных мелочах. Здесь уже не до широты суждений и здравого смысла - основы инженерного проектирования. Все становится неуправляемым и на глазах катится к катастрофе.

Людей, работающих в мире техники, не минуют извечные человеческие слабости. Многие катастрофы несут на себе отпечаток драматичности и неизбежности, присущие греческим трагедиям. Быть может, некоторые наши учебники должны быть написаны пером, похожим на перо Эсхила и Софокла, которые не были гуманистами.

 

Эффективность и эстетика,

или

мир, в котором мы должны жить

Как-то мне пришлось работать в лаборатории взрывчатых веществ. Естественно, руководство принимало все возможные меры предосторожности против вторжения в лабораторию посторонних лиц, которые могли не только украсть и продать взрывчатку, но и взлететь на воздух вместе с нами. Поэтому все учреждение было окружено колючей проволокой, сигнализацией, вооруженной охраной, полицейскими собаками и всем тем, что только может придумать изобретательный ум представителей службы безопасности.

Многие взрывчатые вещества основаны на нитроглицерине, который представляет собой жидкость, чрезвычайно опасную как в обращении, так и при хранении. Малейшая фамильярность в обращении, например встряхивание бутыли, может вызвать детонацию со всеми ее ужасными последствиями. Обычная безопасная взрывчатка, например динамит, содержит в большом количестве нитроглицерин, и безопасным в обращении его делают различные добавки, разработанные многолетними усилиями целого ряда довольно смелых ученых, таких, как Абель и Нобель. Экспериментаторы, вынужденные работать с чистым нитроглицерином, должны принимать совершенно фантастические меры предосторожности, их работа столь опасна, что многие из них нередко страдают нервными расстройствами.

Лаборатории нитроглицерина отделены от других строений земляными насыпями и широкими свободными пространствами. Персонал обычно носит специальную одежду и особую обувь, сделанную так, чтобы мягко ступать и не создавать статического электричества, дабы исключить малейшую опасность возникновения электрической искры.

Однажды в выходной день несколько местных ребят проникли через все заграждения, не замеченные охраной, собаками и сигнализацией. Обнаружив, что вокруг никого нет, дети забрались в одну из нитроглицериновых лабораторий. Однако там для них не оказалось ничего особенно интересного. Они уронили какие-то бутылки и мензурки на пол и, прихватив несколько пар специальной обуви, улизнули тем же путем, который остался неизвестным и по сей день.

Это вполне достоверная история, но, я думаю, она может служить и некоей притчей, ибо возможно, что инженеры и те, кто составляет планы, администрация, рационализаторы, словом, вся компания "идущих впереди", похожи на детей, играющих в лаборатории, полной нитроглицерина, ни в малейшей степени не сознавая, что они могут вызвать разрушительный взрыв. Можно, разумеется, сосредоточить все свои усилия на "эффективности" всего сущего, чтобы все служило удовлетворению наших материальных потребностей, хотя в действительности наши материальные потребности - понятие, гораздо более растяжимое и в большей мере приспосабливаемое к обстоятельствам, чем мы склонны думать. Однако люди имеют и индивидуальные духовные потребности, которые не менее важны и скорее приводят к социальным взрывам, если их постоянно грубо игнорировать или пренебрегать ими.

Иногда, слушая разговоры некоторых моих коллег-инженеров, я буквально содрогаюсь. Не столько потому, что они придают слишком малое значение эстетическим последствиям своей работы, сколько из-за того, что они считают абсолютно пустым и несерьезным даже касаться этой темы. И все же я думаю, что, чем больше мы увеличиваем свое материальное благосостояние, тем более серьезной катастрофой это в конце концов завершится, если только люди не смогут найти эстетическое удовлетворение в окружающем их мире.

Будучи студентом инженерного факультета, я часто убегал с лекций и виновато прокрадывался в местный музей. Много лекций по математике я пропускал, рассматривая картины в Художественной галерее Глазго. Без сомнения, картины в музеях - это спасение, иногда они были мне в высшей степени необходимы как последнее прибежище в отчаянии, вызванном не столько сухостью теоретических лекций, сколько всепроникающим уродством городов вроде Глазго.

Конечно, держать "искусство" в отдельных коробочках, называемых музеями и театрами, весьма импонирует аккуратному обывательскому и административному образу мыслей. Но такие формы искусства, как живопись, музыка и балет, могут воздействовать на жизнь человека лишь эпизодически. Они могут служить убежищем, но не заменой всего того, что постоянно окружает нас и должно приносить нам удовлетворение само по себе. Большинство из нас находит некий освежающий источник в общении с природой, но мы покорно воспринимаем мрачность и унылость наших городов, фабрик, переполненных станций и аэропортов - всего того, в окружении чего мы вынуждены проводить почти всю свою жизнь. Возможно, что рыба, вынужденная постоянно жить в грязной воде, в конце концов привыкнет к ней, но человек, "выдерживаемый" в таких условиях, должен конце концов восстать.

Как пишет профессор В. Диксон, "Возрождение, этот уникальный период нашей европейской истории, противостоит как средневековью, так и последовавшим за ним векам. Как различаются их взгляды на мир, насколько противоположны их системы ценностей! Каждая всеобъемлющая доктрина воспринимается как нечто неизбежное и неуязвимое. Каждая эпоха думает, что именно ей свойственны правильные и единственно возможные для разумного человека взгляды".

Итак, на важные вещи каждая эпоха имеет свои установившиеся взгляды. Будучи материалистами, сегодня мы, как и подобает, ужасаемся тому, что наши предки были готовы выносить физическую нищету и физическую боль. Но наши предки, в свою очередь, не в меньшей степени ужаснулись бы тому, что должны терпеть мы, тому, что испытывают каждый день сотни миллионов людей в ужасных городах вроде Лондона и Нью-Йорка. Они ужаснулись бы тому, что работающие на наших мрачных "фабриках Сатаны" готовы терпеть весь этот дьявольский грохот и это уродство, чего вполне можно было бы избежать. Даже убранство и атмосфера современных больниц внушили бы им еще больший страх перед смертью.

Поэтому многие из нас ищут своего рода облегчения в слиянии с природой и при первой же возможности бегут в сельскую местность. Мы находим, что она больше подходит нам, чем города, заводы и дороги. Многие действительно верят, что природа не только прекрасна и это ее неотъемлемое свойство, но в некотором смысле она и "добра". Эти взгляды, доведенные до крайности, приводят к чему-то вроде пантеизма - к "Лесам Вестермейна" Мередита. Но мне кажется, что если мы сможем избавиться от романтических предрассудков и взглянуть на вещи трезво, то должны будем признать, что эстетически природа также нейтральна, как она нейтральна и морально. Горы, озера и закаты, возможно, и прекрасны, но море часто бывает грозным и неприютным. А первобытный лес, как мне известно по собственному опыту, во многих случаях - это обитель ужаса. Европейский ландшафт нельзя назвать естественным. Растения и деревья, которым позволено здесь расти, тщательно отобраны человеком, а многие их сегодняшние разновидности выведены искусственно, как и большинство домашних животных. То, как посажены растения, общее расположение полей, лесов, изгородей и деревень - не говоря уже о дренаже и улучшении земель,- все это результат человеческого отбора и человеческих действий.

До XVIII в., когда ланшафт был более диким, образованные люди страшились "природы" и смотрели на нее только как на источник физического дискомфорта и на склад сырья. Города были для них привлекательны и привычны, сельская же местность негостеприимна и опасна. Сегодня, восхищаясь прелестным английским пейзажем, мы на самом деле восхищаемся результатами продуманной и целенаправленной деятельности культурных и толковых английских землевладельцев XVIII в.

Если эстетическая привлекательность сельской местности со временем возросла, то города в значительной степени ее утратили. Когда сегодня мы сетуем на трущобы и фабрики нашей Англии, мы в действительности должны были бы сетовать на результаты деятельности поколений мещанских преобразователей - инженеров и архитекторов, бизнесменов, маленьких сереньких политиков, представлявших местные органы власти, и неменее серых политиков покрупнее, заседавших в парламенте. Вред, причиненный этими людьми, превышает то, о чем можно было бы сказать: "Они не ведали, что творили". Ведь мы всегда делаем только то, что присуще нашей натуре, - это хорошо знал еще Платон. По меньшей мере спорно, что сельская местность выглядит привлекательнее городов только из-за того, что она более естественна, а не потому, что облик города определяла деятельность совершенно иных людей, чем те, кто определял облик деревни. Нам следует осознать уродливость окружающего нас мира, а не воспринимать ее как часть естественного положения вещей.

Мы склонны делать лишь то, к чему внутренне предрасположены. Живя в мире, который бездумно восхищается рациональным мышлением, мы часто забываем, что человеческий разум похож на айсберг. Рацио, сознание, - лишь небольшая видимая часть психики, оно покоится на подсознании, составляющем большую, невидимую ее часть.

Я отдаю себе отчет в том, что вторгаюсь в область, относящуюся к компетенции художников, философов и психологов. Конечно, я могу в ней просто заблудиться, но в свое оправдание могу только сказать, что нужда не знает законов, а созданный человеком современный мир вещей отвратителен, и только абсолютная безнадежность положения заставляет меня, кораблестроителя по образованию, подставить свою голову под удар. Я считаю действительно важным, чтобы вопросы эстетики в технике, в конструировании были поставлены перед инженерами и технократами одним из их коллег, даже ли его взгляды и не будут бесспорно верными. Во всем дальнейшем я вверяю себя Афине и Аполлону - и пусть их красота вдохновит кого-нибудь более сведущего в этих материях лучше справиться с подобной задачей.

Мы начнем с того, что подумаем о процессе восприятия, то есть о том, как и почему мы реагируем на те или иные неодушевленные объекты. В глубине подсознания имеется огромный запас потенциальных реакций и "забытых" ассоциаций. Частично он приходит к нам генетически из отдаленного прошлого ("коллективное подсознание Юнга"), а частично приобретается каждым человеком на протяжении всей его жизни. В основном это результат его прошлого опыта, о котором сознание не помнит, тем более что этот опыт может быть довольно печальным. Наши органы чувств - зрение, слух, обоняние и осязание - непрерывно посылают в мозг значительно больше информации об окружающем мире, чем может воспринять сознание. Но подсознание постоянно руководит сбором и сортировкой сигналов, поступающих от рецепторов. Оно реагирует на каждую форму и каждую линию, каждый цвет и каждый запах, каждое касание и каждый звук. Мы можем абсолютно этого не сознавать, но этот процесс происходит постоянно, и внутри нас формируется некий субъективный эмоциональный опыт - хороший или плохой.

Такого типа процесс может в некоторой степени объяснить то, как субъективно мы воспринимаем неодушевленные предметы, в нашем случае - продукты человеческой деятельности. Создавая что-либо, человек на какой-то стадии этого процесса встает перед выбором внешней формы или схемы конструкции.

Невозможно создать ни один объект, не вложив в него определенной совокупности утверждений. Даже прямая линия как бы говорит: "Смотрите, я прямая, а не изогнутая". Даже самое простое изделие содержит набор утверждений, который заложен в нем людьми.

Как не может быть совершенно объективного опыта, так не может быть и совершенно объективного утверждения без соответствующей эмоциональной окраски. Это относится ко всем утверждениям, сделаны ли они посредством слова, музыки, цвета, формы или того, что инженеры называют конструированием.

Это ведет нас от "процесса эстетического восприятия" к тому, что можно назвать "процессом эстетического воздействия". Иными словами, каким образом вещи конструируются именно такими, какие они есть? Что же именно вкладывает в свое изделие его создатель, чтобы заставить его производить должное эстетическое впечатление? Короткий ответ будет, наверное, таким: свой собственный характер и свои собственные внутренние ценности.

Что бы мы ни делали и как бы мы ни поступали, практически все наши произведения и поступки несут на себе отпечаток нашей личности, выраженный на языке, который может быть воспринят на уровне подсознания. Например, наш голос, наш почерк, походка всегда индивидуальны, их очень трудно спутать с чьими-либо еще, и им очень трудно подражать. Но сказанное распространяется и намного дальше этих известных примеров.

Однажды вечером я находился на яхте, стоявшей на якоре на озере в глубине Шотландии. В трех или четырех милях от нас появилась еще одна яхта под парусом, которая огибала длинный мыс. Прежде я никогда не видел ее, и с такого расстояния невозможно было разглядеть ни ее названия, ни экипажа, тем не менее я сказал жене, что управляет яхтой профессор Том. И это в самом деле оказалось так, ибо то, как человек ведет яхту против ветра, так же индивидуально, как его голос и его почерк, и это запоминается обычно с первого взгляда. Так же легко летчики различают друг друга по стилю пилотирования, поскольку он тоже несет отпечатки их личностей и характеров. Даже работа начинающего художника-любителя может рассказать гораздо больше о нем самом, чем о предмете его картины. А чтобы по-настоящему подделать полотно большого художника, требуется незаурядное и изощренное мастерство. Конечно же, между рисованием, живописью и конструированием нет резкой грани и почти все, созданное в этих областях, содержит какой-то отпечаток личности автора.

То, что верно для отдельных личностей, скорее всего, верно и для общества в целом, культуры или эпохи. По особенностям стиля археологи могут датировать с точностью до нескольких лет даже черепки сосудов. Побродив по Геркулануму и Помпеям, уходишь с совершенно удивительным и необоримым чувством, ясно представая себе людей, которые когда-то здесь жили. Такое восприятие практически ничего общего не имеет с техникой или технологией, с техническими средствами эпохи, его нельзя получить из исторических книг. Этот тип восприятия недоступен пока и компьютеру; и вряд ли это скоро изменится.

Недавно мы пили пиво с одним весьма уважаемым коллегой. Я довольно глупо, не без самодовольства, заметил, что пивная банка символизирует для меня худшие черты современной техники - ее убогость и мелкий расчет. Мой весьма уважаемый коллега обрушился на меня словно тонна кирпича: "Я полагаю, вам хотелось бы, чтобы пиво продавалось в кувшинах, деревянных бочках или в бурдюках. В чем еще можно продавать сегодня пиво, кроме как в жестянках? Как можно быть столь непрактичным и консервативным?"

При всем уважении к моему коллеге я все же должен отметить, что совсем не понял, о чем идет речь. Вопрос не в том, что вы делаете, вопрос в том, как вы это делаете. Емкость для пива не может быть красивой или безобразной только из-за материала, из которого она сделана, или даже из-за массовости ее производства. На самом деле все определяется людьми, которые ее делали. Мы оказались обществом, которое не может производить красивых банок для пива. Вообще, мне кажется, нам недостает естественного изящества и обаяния.

Греческие амфоры красивы, но не потому, что в них было вино и они были сделаны из глины, а потому, что делали их греки. В свое время они были просто самыми дешевыми сосудами для вина. Если бы греки делали жестяные банки для пива, то, возможно, в наших музеях сейчас были бы коллекции классических пивных банок, вызывающих восхищение художников.

Я уверен, что лишь немногие изделия могут быть красивыми или безобразными только из-за их назначения. Они являются скорее отражением эпохи, ее системы ценностей. В этом смысле XVIII в. имеет много общего с античной Грецией. И это неудивительно, поскольку он сознательно подражал античному миру. Почти все, к чему прикасалась рука мастера XVIII в., было прекрасно. Это относится не только к предметам роскоши, но и почти ко всему, что сделано в пору классицизма.

Здесь возникает важный вопрос об "абсолютных" нормах в эстетике. Следует ли считать, что "мое" мнение в принципе ничем не хуже, чем "ваше", хотя мой вкус может показаться вам плачевно неразвитым и ограниченным? Я полагаю, что в эстетике есть абсолютные нормы, которые могут меняться только постепенно, в течение веков. Современная демократичность моды представляется мне нигилистической и порочной, основанной на желании так или иначе нанести удар эстеблишменту. Я придерживаюсь того взгляда, что существует непрерывная традиция в системе эстетических ценностей, так же как и этических. Развитие этих традиций - процесс итерационный, развивающийся болезненно и медленно, от века к веку и от моды к моде, опираясь, как и наука, на опыт прошлого. Как иначе вообще могла бы возникнуть цивилизация со всей ее системой ценностей?

Другой спорный тезис можно сформулировать так: положим, что такие повседневные предметы, как греческие амфоры, прекрасны в некотором абсолютном смысле, но сознавали ли это сами греки? По этому поводу я хочу привести одно замечание из передовой статьи газеты "Таймс": "Хороший шрифт должен быть похож на чистое стекло - с его помощью можно видеть все, не замечая его самого. Но если мы вдруг обратим на него внимание, то тут должны проступить присущие ему черты красоты и элегантности, не бросающиеся нам в глаза сами по себе". Я думаю, именно этим объясняется тот феномен, что многие изделия получают эстетическое признание лишь после того, как они выходят из обыденного обихода. Но это вовсе не означает, что при использовании они не обладали абсолютной и непреходящей красотой.

Восемнадцатый век породил промышленную революцию. По-моему, важно отметить, что многие ее лидеры не шли на поводу у обывателя, это были тонко чувствующие люди с развитым и взыскательным вкусом, люди типа М. Боултона (1728-1809) и Дж. Веджвуда (1730-1795). Созданные ими предметы удивительно красивы, а сами они являют собой образец предпринимателя того времени. Однако, я думаю, черные силы промышленной революции породили не этика и культура классицизма XVIII в., а алчность и пошлость, которые лежат вне этики.

Уродливость не является атрибутом ни продукции массового производства, ни машин, ее выпускающих. Первые машины для по-настоящему массового производства, например оборудование для изготовления блоков, установленное на Портсмутской верфи Марком Брюнелем около 1800 г., и внешне привлекательны, и производительны. Именно на этих машинах изготовлены были миллионы блоков, необходимых парусным судам времен наполеоновских войн и еще долгие годы спустя. Они сберегли огромные средства, ибо блоки - дорогая вещь, а только одному военному кораблю их требовалось около полутора тысяч. Некоторые из этих механизмов можно увидеть теперь в Музее науки (рис. 158), но очень многие из них все еще продолжают служить в Портсмуте, вот уже 180 лет обеспечивая теперь, правда, уменьшившиеся потребности современного флота в блоках. Не только машины, но и их продукция, сами блоки - солидные и красивые вещи. Не знаю, можно ли назвать блок прекрасным, - это зависит от точки зрения, - но на него действительно приятно смотреть.

Рис. 158. Впервые оборудование для действительно массового производства было установлено в доках Портсмута и предназначалось для изготовления блоков. Как машины, так и сами блоки выглядят привлекательно, вероятно, их можно считать и красивыми.

Марк Брюнель, отец известного Изамбарда Кингдома Брюнеля, был французским эмигрантом-роялистом; по общему мнению современников, он был очаровательным человеком; гораздо более сердечным, чем это свойственно людям того круга, к которому он принадлежал. Но в манерах, поведении, обращении, костюме он оставался французским аристократом старых времен. Даже старомодное платье, в котором он ходил, очень ему шло. "При первой встрече я был совершенно им очарован, - писал о нем один из современников. - Меня восхищало в старом Брюнеле разнообразие его интересов и его любовь или, вернее, пылкая симпатия к вещам, которые он не понимал или не имел времени изучить. Но больше всего я восхищался его подкупающей простотой и немногословием, его безразличием к явным барышам и его гениальной рассеянностью. Он жил так, как если бы в мире совершенно не было мошенников и негодяев".

Вряд ли при столь непрактическом складе характера Брюнель-отец без затруднений получил бы работу в современной преуспевающей фирме. А вот созданные им механизмы почти двести лет спустя все еще производят прекрасные блоки.

Великие инженеры, которые работали до и непосредственно после 1800 г., заложили фундамент не только китайского промышленного процветания, но и современного индустриального общества. Многие из них обладали прекрасным вкусом, но ко временам королевы Виктории во всем возобладали испорченные вкусы широкой публики. Эстетические потребности общества к 1851 г. достигли минимума. Проницательные наблюдатели вроде лорда Пфайфера (1818-1898) уже во время Всемирной выставки заметили, что промышленность Британии постепенно утрачивает свои творческие начала. Сейчас широко распространено и общепринято мнение - оно сделалось своего рода аксиомой, - что уродливость продукции пришла вместе с индустриализацией и является неизбежным следствием массового производства. Я сомневаюсь, что такая точка зрения могла бы выдержать серьезную фактическую проверку. Я лично склонен полагать, что и элегантность, и деловая инициатива шли к упадку рука об руку, виной чему послужили все те же спесь и самодовольство, которые всплыли в британском характере в связи с промышленным преуспеванием.

Шумный протест 70-80 гг. прошлого века против безобразных промышленных порождений практически не достиг цели. Я думаю, что его результаты оказались ничтожными скорее потому, что движением руководили со страниц "Панча" и "Пэйшенс", чем потому, что оно уводило от основных жизненных проблем и било по неверным мишеням. Те, кто возглавлял движение, оказались неспособными разглядеть, что корни всех тех явлений, которые они так сильно ненавидели и против которых выступали, кроются не в самих машинах, а в складе нашего ума. Подобно многим другим реформаторам эстетики, они отвергали технику, вместо того чтобы включить ее в свою систему. Возможно, если бы они сумели изучить технику и инженерное дело, то они могли бы воздействовать на всю систему изнутри. Но для этого нужна та дисциплина труда, подчиняться которой многие люди искусства почему-то считают ниже своего достоинства. Конечно, Уильям Моррис и его последователи изучали и развивали некоторые технические ремесла, но на самом деле нужно было заниматься техникой массового производства и экономическими проблемами высокопроизводительного общества.

 

Об эффективности и функциональности

Хотя современных инженеров справедливо можно обвинить в мещанстве, большинство из них остаются верными нескольким очень важным ценностям, которые не слишком модны и популярны во времена вседозволенности. Главные из них - это объективность и ответственность. Инженеры имеют дело не только с людьми со всеми их слабостями и прихотями, но также и с физическими явлениями. Если с людьми иногда можно спорить и в некоторых случаях их легко обмануть, то спорить с физическими явлениями бесполезно. Их нельзя третировать, их нельзя подкупить, нельзя издать против них закон, нельзя сделать вид, что чего-то никогда не было и истина совершенно в другом.

Обыватели и политики могут создавать любые мифы, какие им только заблагорассудится, но что касается инженеров, то "это их забота, чтобы двигатель заводился, а выключатель срабатывал". Существенно, что этот человеческий материал должен работать надежно и экономно, как их машины. Именно инженер должен был сказать, что король-то голый, как бы неприятно кому-то это ни было; в действительности от нас, инженеров, требуется не меньше, а больше реализма.

В исканиях, присущих их профессии, инженеры разработали систему оценок, которая помогает объективно представить результат их деятельности. Одним из методов такой оценки является определение эффективности. Очень полезно знать, например, какая доля энергии, подводимой в виде топлива, преобразуется затем двигателем в полезную работу. Эта доля, выраженная в процентax, носит название коэффициента полезного действия и представляет собой одну из главных характеристик работы двигателя. Столь же ценно, например, уметь сравнивать вес, стоимость и способность конструкций различных типов выдерживать нагрузку. В гл. 13 мы говорили о количественных способах делать это.

Определение эффективности настолько полезно и иногда экономически действенно, что возникает опасное желание расширить область его применения. Эффективность ситуации в целом можно определить лишь в случае, если человек наделен необыкновенной мудростью и знанием всех фактов, а это недоступно простому смертному. Об эффективности двигателя можно говорить, если речь идет о потребляемом горючем и получаемой работе, но, говоря о его "эффективности вообще", мы становимся на неверный путь. Многое при этом может остаться за пределами нашего внимания, например шум и чад, создаваемые двигателем, или то, что человек, которому приходится его заводить, рискует получить инфаркт. Если даже мы знаем все факты, относящиеся к данной технической ситуации (что невозможно), то все равно не сможем взвесить их должным образом, ибо чаще всего они несоизмеримы.

Не так давно было много шума вокруг предложения построить огромный аэропорт на побережье Эссекса. По этому проекту огромная масса бетона, ангаров и машин должна была задушить мокрые волнистые пески лимана в устье Темзы, где плещутся, кружатся и кричат чайки. Политики, администраторы, экономисты и инженеры приводили неисчислимые цифры и факты в пользу необходимости строительства второго аэропорта. Но не существует никакого количественного критерия, с помощью которого можно было бы сравнить доводы экономистов и чиновников с правами чаек и красотой песков и воды. Лично я целиком на стороне чаек, и мне доставляет огромное удовольствие думать об этих милях мокрых песков и болот, которые, как я с удовольствием сообщаю, совершенно бесполезны и непродуктивны. Пока, кажется, пески и чайки одерживают верх.

Я думаю, что эффективность аэропорта можно измерить, соотнося количество самолетов и пассажиров, которые он может принять, с капитальными затратами и эксплуатационными расходами. Эти величины будут иметь определенное практическое значение, даже если они никак не связаны с миром чаек и мокрых песков. Но для многих вещей оценка эффективности просто неуместна. Бессмысленно говорить об эффективности ювелирного украшения или собора. И тем не менее инженеры цепляются за идею так или иначе измерить эффективность всего на свете. Это, конечно, чепуха.

"Хорошо, - скажет инженер, - но вещи должны быть функциональными; красота техники заключается в ее функциональности". Если под этим он подразумевает, что изделие должно работать и работать должным образом, то это совершенно очевидное утверждение. Однако оно нередко понимается в том смысле, что функциональность может служить эстетическим критерием. Это может завести слишком далеко. Назначение некоторых сооружений, например мостов, настолько очевидно, что говорит само за себя. Но одни из них красивы, а другие - нет. Есть также довольно дорогие изделия, которые выглядят весьма привлекательно, например "Конкорд" или "Роллс-Ройс". Но есть ли у нас уверенность, что, глядя на них, мы не восхищаемся лишь совершенством мастерства людей, купленным практически за бесценок? Должны ли мы при оценке их функциональности не принимать во внимание их стоимость?

Автомобиль Форда сейчас можно купить за десятую часть стоимости "Роллс-Ройса", хотя многие считают "Форд" более функциональным, чем "Роллс-Ройс". Внешний вид "Форда" мало связан с его механическим содержимым. Все, что мы видим, - это не более чем жестяная коробка, сооруженная усилиями конструкторов кузовов и дизайнеров вокруг основных механизмов машины. Все механические, можно сказать, функциональные части современных автомобилей выглядят вовсе непривлекательно. Эти куски металла сложной формы едва ли способны вызвать у нас чувство восхищения, как бы полезны они ни были.

Точно так же большинство электро- и радиоустройств в обнаженном виде выглядит довольно страшно, и мы вынуждены прятать их внутрь черных, серых или отделанных под орех коробок. В целом, если говорить честно, чем функциональнее делается современная техника, тем меньше мы способны выносить ее вид.

Но не происходит ли то же самое и в природе? Внешний вид человека или животного может быть очень красивым, но внутреннее содержимое (в прямом смысле этого слова) обычно выглядит отталкивающе. Наше восхищение природой в высшей степени селективно. Нам нравятся определенные стадии роста (ягненок, но не эмбрион), нас пугают гниение и разложение. Но гниение и разложение так же функциональны и необходимы, как и рост.

Что касается вопроса об эффективности и функциональности, то здесь, кажется, природа проявила если не чувство юмора, то чувство пропорции. Она с величайшей метаболической экономией конструирует стебель растения, который является чудом конструктивной эффективности. Совершив это, она сажает на него огромный цветок, не иначе чтобы посмеяться. Точно так же павлины носят хвосты, а девушки волосы, что нельзя считать вполне функциональным. Если какая-нибудь унылая личность ответит, будто все это делается, чтобы способствовать воспроизводству, то это будет не ответом, а лишь видимостью его. Ибо почему все эти украшения должны быть привлекательными сексуально или как-нибудь еще?

Хотя многие инженеры свято верят в тесную связь между функциональной эффективностью и внешним видом, сам я отношусь к этому скептически. Конечно, нечто чрезвычайно неэффективное обязательно будет оскорблять наш взор, но я сильно сомневаюсь, что постоянное техническое совершенствование существенно улучшает внешний вид. Очень часто все получается просто наоборот.

Погоня за последней каплей совершенства приводит к внешнему виду, вызывающему только скуку, что легко увидеть на примере современных яхт. Лично я твердо верю, что эстетическое восприятие изделия определяется личностью его создателя и общепринятыми ценностями его эпохи. Если пройти по любой улице с открытыми глазами и непредвзятым мнением, то легко составить и свое собственное суждение относительно и того, и другого.

Начиная со времен Ренессанса, наука подвергалась атакам почти со всех мыслимых позиций. Большинство этих атак были весьма неосновательны. Но меня всегда удивляло, что один сильный аргумент никогда не высказывался вслух, по крайней мере прямо. Наука искусно извращает нашу систему оценки ценностей тем, что учит строить наши суждения на чрезмерно функциональной основе. Современный человек скорее спросит, для чего эта вещь или этот человек, чем что есть эта вещь или этот человек. Здесь, без сомнения, кроются причины многих наших современных болезней. Эстетика пытается ответить, хотя и нестрого, на общие и важные для всех нас вопросы. Слишком часто сегодня наши субъективные суждения вступают в конфликт с суждениями научными. Но мы заметаем под ковер наши эстетические суждения на свой же страх и риск.

Естественно, ничто не мешает прекрасной вещи быть одновременно и эффективной. Я просто настаиваю на том, что два эти качества являются, как сказал бы математик, независимыми переменными. В этой связи мне приходит на ум высказывание одного ирландского яхтсмена: "Безобразная яхта не более привлекательна, чем безобразная женщина, какой бы быстрой она ни была".

 

О стилях и напряжениях

Современное искусство и архитектура любят выставлять напоказ свою свободу от традиционных форм и условностей - возможно, именно поэтому их достижения так невелики. Следование определенному стилю не является помехой ни для художника, ни для конструктора; условности стиля защищают слабых и помогают сильным.

Все самые красивые суда были построены в традиционной манере, и я не могу даже предположить, чтобы их создатели чувствовали себя как-то связанными ею. Драматурги Древней Греции писали пьесы по строгим правилам и канонам, но столь же абсурдно было бы думать, что "Антигона" стала хуже из-за соблюдения правила трех единств, как и предполагать, что Джейн Остин могла бы создать еще более значительные шедевры, если бы она чувствовала себя свободной пользоваться бранными выражениями и описывать интимные подробности.

Чтобы полностью оценить формальные достижения, сначала необходимо хорошо изучить правила. Это относится к оценке соборов, кораблей и мостов в такой же степени, как и к суждениям об игре в крикет, и служит весомым аргументом в пользу изучения как принципов конструирования, так и истории искусства и архитектуры.

Когда Иктин проектировал Парфенон (446 г. до н.э.), он работал в рамках хорошо развитого дорического архитектурного стиля. Парфенон - это бесспорно одно из самых прекрасных сооружений мира, и он, возможно, величайшее из творений рук человеческих. Хотя храм и посвящен божественной Афине, для меня он является высшим проявлением гуманизма, того, что ученый-химик Гемфри Дэви назвал "сверкающей, но призрачной мечтой о бесконечном совершенствовании человека". Парфенон был построен во времена, когда Афины достигли вершин могущества и славы, и, казалось, говорил всему миру: "Богатые, славные, венценосные Афины, вызывающие зависть народов".

Но Немезида уже тогда поджидала за углом, как это было и в 1914 г. Когда Парфенон был новым, весь из белого мрамора, в красной и синей росписи и позолоченной бронзе, он, вероятно, не отличался изысканностью и казался несколько вульгарным (как и кое-что у Киплинга!). Но не свойственно ли это в какой-то мере всякому великому произведению искусства?

Если Парфенон является для меня символом гуманизма, то некоторые более ранние дорические храмы, например храм в Пестуме, выражают, как мне кажется, движение религиозного чувства. Напротив, храм Гефеста в Афинах говорит мне очень немногое, разве что возникает неясное ощущение духа торгашества, свойственного и городской ратуше в Бирмингаме. И все эти совершенно разные ощущения вызывают у нас произведения архитекторов, работавших в строгих рамках одного и того же стиля.

Как все великие произведения искусства, Парфенон можно воспринимать и истолковывать по-разному. Бесспорна лишь грандиозность достигнутого. Но как Иктин добился этого, не погрешив против строгих условностей стиля? Ответить на этот вопрос мог бы только один человек - сам Иктин; он написал об этом книгу, которая не дошла до нас. Однако мы можем попытаться высказать по этому поводу кое-какие, быть может весьма надуманные, суждения.

В традиционной классической паровой яхте грация и величественность достигаются утонченностью, неуловимой гармонией обводов корпуса и всего силуэта, любовным и точным размещением мачт, труб и надстроек (рис. 159). Mutatus mutandis - это похоже на точное и любовное размещение слов в стихотворной строке. Проектирование корабля отличается от поэтического творчества только по содержанию, но не по духу.

Рис. 159. Паровая яхта классической формы, предложенной Дж. Л. Уотсоном.

Точно так же в дорической архитектуре важно именно любовное отношение к деталям. Хотя Парфенон кажется прямоугольным, в нем едва ли можно найти абсолютно прямую линию, в нем не найдешь и двух линий, которые в действительности были бы параллельными, хотя они и кажутся нам такими. Его 72 колонны наклонены друг к другу, и если мысленно их продолжить, то все линии пересекутся в одной точке, на высоте около 8 км над землей. Ожидая сначала увидеть обычную конструкцию в виде параллелепипеда, обманываешься, и все эти неуловимые тонкости притягивают взор. Как привлекательная женщина, Парфенон воздействует на нас и зачаровывает нас, хотя мы едва ли понимаем, за счет чего это достигается и вообще делается ли что-либо для этого (рис. 160).

Рис. 160. О Парфеноне в целом нельзя судить по единичной фотографии; здесь показан юго-западный угол, быть может, он даст хоть какое-то представление об этом шедевре. (Обратите внимание: слева в перемычке - трещина, вот почему архитрав состоит из трех параллельных балок.)

Но какое отношение все это имеет к напряжениям? С одной стороны, почти никакого, с другой - весьма непосредственное. Еще в XVII в. Фенелон заметил, что сооружения классической архитектуры обязаны своим воздействием тому, что они кажутся тяжелее, а готические сооружения - тому, что они кажутся легче, чем оказываются в действительности. В эстетическом плане все это очень далеко от чистого функционализма, стремящегося к тому, чтобы вещи выглядели настолько тяжелыми, насколько это есть на самом деле.

Здания классического стиля, в особенности дорические, кажутся почти качающимися под тяжестью собственного веса. Однако большинство их колонн на самом деле несет очень небольшую нагрузку, но им придана некоторая выпуклость, которая должна убедить нас, что выпячиваются они в результате действия огромных сжимающих сил. Этот эффект подчеркивается выпуклыми, похожими на подушки капителями, которые передают сжимающие нагрузки от перемычек вершинам колонн. Эффект тяжести еще более усиливается чрезмерной толщиной архитравов.

Хотя классическая архитектура воздействует на эмоции, используя субъективное ощущение предельной напряженности, нагруженности всех деталей, ее красота не имеет почти никакой связи с современными идеями конструктивной эффективности, олицетворением которых может служить "старый фаэтон". Все эти классические сооружения в действительности чрезвычайно неэффективны. Сжимающие напряжения в них абсурдно малы, в то время как растягивающие напряжения в перемычках между колоннами слишком велики и часто просто опасны (см. гл. 8). Крыши классических зданий, как мы уже видели, можно рассматривать только как конструкционное недоразумение. Но с эстетической точки зрения в них почти всегда нет ничего неверного.

Если мы перейдем теперь к готической архитектуре, то увидим, что напряжения сжатия в каменной кладке здесь, как правило, существенно выше, чем в классических зданиях, и вся конструкция в целом гораздо более прочная, несмотря на то что она выглядит воздушной, устремленной вверх. Этот эффект достигался благодаря широкому использованию стреловидных арок, которые, в свою очередь, тоже весьма неэффективны. Современному функционалистскому уму готическая архитектура кажется чрезмерно усложненной. Настоящими же тружениками в готических соборах следует считать многочисленные скульптуры, вознесенные высоко на бельведеры и арочные контрфорсы. Вес этих скульптур позволяет линии давления пройти от крыши к фундаменту, не создавая опасностей.

Чтобы получить удовлетворение при виде конструкции, нам, видимо, непременно необходимо некоторое субъективное ощущение ее напряженности и прочности, такое ощущение обычно вызывают античные сооружения. В большинстве современных зданий несущая конструкция, часто сделанная из железобетона, спрятана от нашего взора внутри здания. Все, что мы можем видеть снаружи, это лишь тонкая кирпичная облицовка или стекло; ни то ни другое, очевидно, вообще не может нести сколько-нибудь серьезной нагрузки. Думаю, я не одинок в неудовлетворенности видом этих зданий, они часто представляются мне откровенно уродливыми.

Какими же будут казаться нам конструкции, все несущие части которых обнажены и подчеркнуто функциональны в современном понимании этого слова? Ясно, что на эту тему можно много и долго спорить. Но если судить по виду тех конструкций, которые были разработаны для посадки на Луну в погоне за минимальным весом, то ответ, вероятно, может быть только одним - ужасно уродливыми.

 

Об имитации, подделках и украшениях

Самые ранние из сохранившихся крупных сооружений Греции находятся в Микенах и датируются приблизительно 1500 г. до н.э.н. э. Они были построены из камня и производят впечатление конструкций, спроектированных разумно и осторожно, с полным учетом свойств этого материала. Микенцы, например, прекрасно понимали опасность чрезмерных растягивающих напряжений в каменных блоках - перемычках. Они использовали весьма остроумные приемы, чтобы уменьшить изгибающие нагрузки, действующие на каменные балки их сооружений, примером чему могут служить Львиные ворота в Микенах (рис. 161). В этом смысле микенская архитектура может считаться достаточно функциональной.

Рис. 161. Перемычка над Львиными воротами в Микенах, снабженная дополнительным треугольным каменным блоком, уменьшающим нагрузки растяжения; архитрав представляет собой один каменный блок, испытывающий лишь небольшие напряжения.

Когда микенская цивилизация пришла в упадок, примерно около 1400 г. до н.э., Греция опять на века погрузилась в темноту и невежество. От этих времен не сохранилось никаких значительных сооружений, хотя, конечно, люди продолжали жить и поклоняться богам, но делали это в каких-то деревянных хижинах. В период возрождения греческой архитектуры (около 800 г. до н. э.) храмы обычно строились из дерева (так же как и церкви Новой Англии). Естественно, что ни одного такого деревянного храма не сохранилось. Однако переход от дерева к камню был достаточно медленным и постепенным. По мере того как становилось меньше строевого леса, погнившие деревянные детали заменяли каменными копиями.

Посаниус рассказывает о храме в Олимпии, который существовал еще во II в., что в нем более новые каменные колонны чередовались с еще сохранившимися деревянными.

В основе дорических построек мы можем обнаружить балки, оставшиеся от практики деревянных сооружений. Даже когда храмы начали строиться целиком из камня, архитекторы оставались верными формам и пропорциям, естественным для деревянных построек. Архитекторы классического V в. до н.э. не только использовали непрочные каменные балки вместо деревянных перемычек, но и старательно копировали в мраморе и все другие уже несущественные здесь конструкционные детали, например законцовки брусьев, которые когда-то соединяли деревянные элементы.

Казалось бы, результаты всего этого должны были быть нелепыми, но они оказались чрезвычайно удачными и в течение двух тысячелетий служили образцом для всего цивилизованного мира. Пережитки прежних форм, а также подражания им или имитации в том или ином виде часто встречаются и в технике. Так, например, мы часто имитируем рисунок дерева на поверхности пластмассовых изделий и мебели.

Имитация не обязательно представляет собой вульгарную подделку, как это думают приверженцы функциональности в технической эстетике. На практике, конечно, дело обстоит часто именно так, но это происходит не из-за внутренних пороков, якобы присущих самой идее имитации, а скорее из-за грубого и безвкусного ее исполнения.

Прекрасным примером имитации и успешного подражания минувшему может служить паровая яхта Уотсона. Классическая форма большой паровой яхты была разработана в конце викторианской эпохи крупнейшим из конструкторов яхт, Дж.Л. Уотсоном. (Эпитафия на его могиле гласит: "Воздал должное линии и отвесу".) В своем судне, приводимом в движение только паровой машиной, Уотсон сохранил не только грациозный "клиперный" нос парусного корабля, но и совершенно нефункциональный бушприт, в результате чего получился один из самых прекрасных из всех когда-либо построенных кораблей (рис. 159).

Итак, если говорить о "честности" в проектировании, что же следует из всего сказанного? Честность заставляет меня признать, что немногое. Если имитации позволительны в греческих храмах и паровых яхтах, то что следует думать о "подделках" вообще? Почему бы нам не разукрасить наши подвесные мосты подобно средневековым замковым мостам и не делать автомобили, подобные дилижансам?

Лично мне эта идея не претит. В конце концов все это выглядело бы едва ли хуже и вряд ли производило бы более гнетущее впечатление, чем плоды современного функционализма; многое воспринималось бы как шутка. Что плохого в "псевдоготических" зданиях XVIII в.? Лучшие из них просто прелестны. Павильон в Брайтоне, созданный Горацием Уолполом, на самом деле удивительно хорош.

Есть люди, которые стонут по поводу "этих бессмысленных украшений", но это выражение само по себе довольно нелепо, ибо украшение не может быть бессмысленным, даже если оно кажется ужасным. Если критик подразумевает под этим, что украшение не подходит или никак не связано с украшаемым предметом,- это, возможно, справедливо, но тем не менее любые украшения производят некий эффект. Мне кажется, что мы нуждаемся в большем, а не в меньшем их количестве. Истина, кажется, состоит в том, что мы боимся выразить себя в украшениях. Мы не знаем, как к ним подойти, и страшимся обнажить наши серые мелкие души. Средневековые строители не страдали комплексами такого рода, возможно будучи душевно более здоровыми.

Не справедливо ли потребовать от технократов, чтобы создаваемые ими вещи не только работали, но и радовали своим внешним видом? Иначе в окружении этой техники мы погибнем от скуки. Пусть у нас будут украшения. Пусть будут резные фигуры на носах кораблей, позолоченные розетки на парапетах мостов, статуи на зданиях, кринолины на женщинах и повсюду много-много флагов. Поскольку мы уже создали целый мир новых изделий - автомобилей, холодильников, радиоприемников и бог знает чего еще, - давайте посидим и подумаем, как все-таки их можно было бы украсить и сделать более приятными и радующими глаз.