Глава 1

Конструкции в нашей жизни,

или Как разговаривать с инженерами

Двинувшись с востока, они нашли в земле Сеннаар равнину и поселились там.

И сказали друг другу: наделаем кирпичей и обожжем огнем. И стали у них кирпичи вместо камней, а земляная смола вместо извести.

И сказали они: построим себе город и башню, высотою до небес, и сделаем себе имя, прежде нежели рассеемся по лицу всей земли.

И сошел Господь посмотреть город и башню, которые строили сыны человеческие.

И сказал Господь: вот, один народ, и один у всех язык; и вот что начали они делать, и не отстанут они от того, что задумали делать;

сойдем же и смешаем там язык их, так чтобы один не понимал речи другого.

И рассеял их Господь оттуда по всей земле;
и они перестали строить город.

Конструкцией мы называем сооружение из различных материалов, предназначенное для того, чтобы выдерживать нагрузки. Наука о конструкциях — одна из традиционных дисциплин современного знания. Если конструкции рушатся, велика вероятность гибели людей, поэтому инженеры всегда с пристрастием изучают их поведение. Однако, к большому сожалению, когда доходит до передачи этих знаний простым людям, дело не клеится: инженеры начинают говорить на птичьем языке и оставляют слушателей в убежденности, что учение о конструкциях и их работе — это нечто невразумительное, малозначительное да к тому же удивительно скучное.

Тем не менее конструкции так тесно вплетены в нашу жизнь, что мы не можем позволить себе не замечать их — любое растение, животное или изделие человека несет бóльшую или меньшую нагрузку. Практически все вещи, что нас окружают, являются конструкциями того или иного типа. В разговоре о них уместен не только вопрос, почему падают мосты, рушатся дома или ломаются машины, но и почему червяк имеет форму червяка и почему летучая мышь пролетает сквозь куст шиповника без ущерба для крыльев. Каков принцип действия сухожилий? Отчего появляется люмбаго? Почему птеродактили весили так мало? Зачем птицам перья? Как работают артерии? Как помочь детям-инвалидам? Почему у парусников такой сложный такелаж? Почему женихи Пенелопы никак не могли натянуть лук Одиссея? Зачем древние люди снимали на ночь колеса с колесниц? Как действовала древнегреческая катапульта? Почему тростник колышется на ветру? Отчего так красив Парфенон? Могут ли инженеры учиться у природы? А чему сами инженеры могут научить врачей, биологов, художников и археологов?

Случилось так, что попытки понять, как работают конструкции и почему они ломаются, оказались гораздо более трудоемкими и заняли гораздо больше времени, чем можно было рассчитывать. Лишь недавно мы смогли заполнить пробелы в знаниях настолько, чтобы ответить на некоторые из этих вопросов более или менее толково и внятно. Чем больше фрагментов головоломки собирается воедино, тем яснее становится общая картина — и предмет из науки для узких специалистов превращается в полезное и общедоступное знание, применимое в разных жизненных ситуациях.

Эта книга — современный взгляд на конструкции в природе, технике и повседневной жизни. Мы поговорим о том, как необходимость в прочности и способности выносить нагрузки повлияла на все виды механизмов и живых существ, включая человека.

Если, как кажется вероятным, некоторые из самых ранних форм жизни представляли собой плавающие в воде мелкие капельки, для решения этой задачи вполне годился даже самый ничтожный барьер, вероятно просто поверхностное натяжение на границе двух жидкостей. По мере того как живые твари множились, существование становилось более соревновательным, и слабые, шарообразные и малоподвижные организмы оказывались в проигрышном положении. Покровы становились толще, развивались органы передвижения. Появлялись многоклеточные животные, способные кусать и быстро плавать. Выживание определялось формулой «догони или убеги», «съешь или стань едой». Аристотель называл это аллелофагией, или взаимным поеданием, а Дарвин — термином естественный отбор. Эволюционные преимущества достигались за счет появления более прочных биологических материалов и более замысловатых живых конструкций.

Организмы первых примитивных животных состояли из мягких материалов не только потому, что такое тело позволяло извиваться и растягиваться в разные стороны. Это было обусловлено еще и тем, что мягкие ткани обычно весьма прочны (как мы увидим далее), тогда как твердые материалы, например кости, напротив, довольно хрупки. Кроме того, твердые материалы накладывают определенные ограничения на рост и размножение. Как известно женщинам, технология деторождения связана с сильным напряжением и деформациями. И все же развитие некоторых частей плода позвоночного животного начиная с момента зачатия, подобно всей эволюции природных конструкций, проходит путь от мягкого к твердому, и процесс этот продолжается после появления новорожденного на свет.

Складывается впечатление, что природа согласилась на применение твердых материалов скрепя сердце, однако по мере того, как животные становились крупнее и выбирались из воды на сушу, большинство обзаводилось жесткими скелетами, зубами, а иногда даже рогами и панцирями. Тем не менее в отличие от механизмов, придуманных человеком, животные в процессе эволюции так и не стали конструкциями, полностью состоящими из твердых элементов. Жесткий скелет в их организме составляет лишь небольшую часть целого, причем, как мы убедимся в дальнейшем, мягкие части тела весьма хитроумно приспособлены для того, чтобы свести к минимуму нагрузку на скелет и тем самым избежать последствий его хрупкости.

Если тела большинства животных главным образом состоят из мягких тканей, то в случае с растениями это не всегда так. Гибкими и мягкими обычно являются мелкие и примитивные виды. Растение не способно ни преследовать добычу, ни убегать от преследования. Что оно может, так это вытягиваться высоко, тем самым и защищая себя, и отвоевывая причитающуюся ему долю солнца и дождевой воды. Особенно преуспели в этом деревья — они вырастают высоко вверх, аккумулируют рассеянную и поступающую с перерывами энергию солнца и противостоят нападкам ветра, причем делают это технически наиболее эффективным и экономичным способом. Самые высокие деревья достигают в высоту 110 метров и являются самыми крупными и выносливыми живыми созданиями на Земле. Чтобы достичь даже десятой доли этой высоты, конструкция растения должна быть одновременно и легкой, и жесткой. Как мы увидим в дальнейших главах, деревья могут преподать нашим инженерам несколько хороших уроков.

Кажется очевидным, что проблемы прочности, гибкости и жесткости имеют отношение и к медицине, и к зоологии, и к ботанике. Однако долгое время и врачи, и биологи всеми силами и с удивительным успехом этих вопросов избегали. Безусловно, отчасти это легко списать на различия в темпераменте и научном языке. Возможно, дело также в неприятии и страхе перед математическими и инженерными выкладками. Часто биологи просто не в состоянии усадить себя за серьезное изучение инженерной стороны своей профессии. Но, в конце концов, не можем же мы всерьез полагать, что Природа, проявив бесконечную проницательность в химии и регулировании всего живого, пренебрегла конструкторской стороной своей работы.

Он зимою через море

Правит путь под бурным ветром

И плывет, переправляясь

По ревущим вкруг волнам.

Землю, древнюю богиню,

Что в веках неутомима,

Год за годом мучит он

И с конем своим на поле

Плугом борозды ведет.

Муж, на выдумки богатый,

Из веревок вьет он сети

И, сплетя, добычу ловит:

Птиц он ловит неразумных,

Рыб морских во влажной бездне,

И зверей в лесу дремучем,

Ловит он в дубравах темных,

И коней с косматой гривой

Укрощает он, и горных

Бенджамин Франклин (1706–1790) дал человеку определение: «Животное, производящее орудия». На самом же деле примитивные орудия делают и используют многие другие животные, не говоря уже о том, что жилища некоторых из них конструктивно гораздо совершеннее хижин людей, которых еще не коснулась цивилизация. Точно указать тот момент развития человека, когда его технологии превзошли технологии «зверей смертных», довольно сложно. Вполне вероятно, это случилось позже, чем нам кажется, особенно если древние люди обитали на деревьях.

Так или иначе, временной и технологический промежуток между палками и камнями древнего человека (которые немногим лучше простейших орудий, используемых высокоразвитыми животными) с одной стороны, и сложными, изысканными объектами материальной культуры позднего каменного века — с другой, огромен. В отдаленных уголках мира дометаллические культуры просуществовали до недавнего времени, и многие артефакты выставлены на всеобщее обозрение в музеях. Создание устойчивых конструкций без использования преимуществ металла требует инстинктивного понимания нагрузок, их направления и распределения — навыка, которым современные инженеры совсем не владеют: обхождение с металлами, такими удобными, прочными и однородными, несколько выветрило из их умов интуицию и привычку мыслить. С появлением стекловолокна и других композитных материалов мы вновь периодически обращаемся к конструкциям из волокнистых неметаллических материалов, подобным тем, что разработали в своем время полинезийцы и эскимосы, и начинаем осознавать пробелы в представлениях о напряженных системах и более уважительно относиться к первобытным технологиям.

Собственно говоря, знакомство цивилизованного мира с технологическими металлами примерно в 2000–1000 годах до нашей эры не оказало такого уж сильного и непосредственного эффекта на большинство искусственных сооружений, так как металл был редок, дорог и сложен в обработке. Изменились режущие инструменты, оружие и в некоторой степени воинские доспехи, но большинство несущих нагрузку конструкций по-прежнему изготавливались из камня, дерева, кожи, веревок и ткани.

Мастерам прошлого, строителям и каретникам, корабелам и такелажникам, требовался высочайший уровень владения ремеслом. Естественно, они многого не знали и совершали ошибки, вполне объяснимые при отсутствии системного технического образования. Появление паровых двигателей и машин способствовало снижению уровня ремесленных навыков, а применение материалов в «прогрессивной» промышленности сузилось до стандартизированного набора жестких субстанций, таких как сталь и бетон.

В ранних паровых двигателях создавалось рабочее давление, которое не слишком-то превышало давление крови в кровеносной системе человека, но, поскольку такие материалы, как кожа, не выдерживают высокой температуры пара, инженер не мог изобрести паровой двигатель из мягких резервуаров, перепонок и трубок. Ему приходилось средствами механики заставлять металл выполнять те действия, которые живые существа совершали гораздо проще и с использованием гораздо менее тяжелых приспособлений [1]. Он вынужден был добиваться результата с помощью колес, пружин, шатунов, поршней и цилиндров.

Несмотря на то что использование всех этих неуклюжих снарядов было по сути дела продиктовано несовершенством материала, инженер стал рассматривать такой технологический подход как единственно верный и должный. А крепко вставшего на привычные рельсы инженера уже непросто сдвинуть в сторону. Более того, такое отношение к материалам и технологиям распространилось и в обывательской среде. Недавно на званом приеме симпатичная жена одного американского ученого заявила: «Вы хотите сказать, что раньше самолеты делали из дерева? Из древесины? Я не верю, вы смеетесь надо мной!»

Насколько подобный подход объективно обоснован, а насколько вызван болезненной страстью соответствовать духу времени — одна из тем, которую мы обсудим в этой книге. Но здесь важно взвешенное отношение. Традиционные инженерные сооружения из кирпича, камня или бетона, стали или алюминия доказали свою успешность, и, безусловно, мы должны воспринимать их серьезно — не только из-за их непосредственных заслуг, но и потому, что на их примере мы можем многому научиться в более широком инженерном контексте.

В то же время нелишне вспомнить, что такая вещь, как пневматическая шина, полностью изменила облик всего наземного транспорта и в этом смысле стала гораздо более значимым изобретением, чем двигатель внутреннего сгорания. Однако же мы нечасто рассказываем студентам-инженерам о резиновых шинах, более того, в технических вузах сложилась традиция обходить молчанием все, что касается конструкций из гибких материалов. Возможно, при более широком рассмотрении проблемы станет очевидно, что существуют вполне твердые, математически обоснованные причины переосмыслить часть инженерной науки, ориентируясь на природные, биологические аналоги.

Независимо от наших взглядов на эти материи нам никуда не деться от того факта, что в каждой из технологических областей необходимо в большей или меньшей степени учитывать вопросы прочности и деформаций. Нам остается только радоваться, если ошибки в этих вопросах вызывают лишь неудобства или убытки, а не увечья или человеческие жертвы. Инженерам, чья работа связана с электричеством, не лишне напомнить, что значительное количество поломок электрических или электронных приборов имеют сугубо механическую природу.

Конструкции могут ломаться и ломаются постоянно, что имеет серьезные и подчас катастрофические последствия. Однако с точки зрения технологической практичности более важны жесткость и деформации конструкции до ее разрушения. Никому не нужны шатающиеся столы и хромые стулья, более того, качество работы точного оптического прибора, например микроскопа или фотоаппарата, обусловлено не столько качеством самих линз, сколько точностью и жесткостью механических конструкций, которые перемещают эти линзы. Дефекты подобного рода встречаются слишком уж часто.

Как ольха, горит питомец каждый леса,

В блеске — как жасмин, колеблясь — как тростник.

Как ольха, горя, что в октябре румяна,

Как тростник, струясь, когда подул зюйд-вест,

Сегодня, нравится нам это или нет, мы привязаны к той или иной разновидности современных технологий, и наша задача сделать их работу максимально безопасной и эффективной. Это подразумевает, помимо всего прочего, взвешенные инженерные расчеты. Однако человеку недостаточно лишь безопасности и эффективности, ему нужна красота. И тут приходится признать, что с эстетической точки зрения окружающий нас мир выглядит все более удручающе. Возможно, проявления «отъявленного уродства» не столь уж и часты, сколь повсеместное однообразие и серость. Слишком редко сердце и глаз радуются внешнему виду творений современного человека.

Этого нельзя сказать о большинстве артефактов XVIII века, многие из которых, даже самые скромные и тривиальные, кажутся нам как минимум приятными глазу, а иногда и просто прекрасными. В эстетическом смысле люди XVIII столетия жили гораздо более насыщенной жизнью, чем мы, и это сказывается на стоимости старинных домов и антикварных предметов в наши дни. Общество, уверенное в себе и своих творческих способностях, вряд ли испытывало бы столь сильную ностальгию по постройкам и предметам быта пращуров.

Хотя тематика нашей книги и не предполагает обширной многосторонней дискуссии о прикладном искусстве, сам вопрос нельзя полностью игнорировать. Как уже было отмечено, почти каждый артефакт — это конструкция того или иного типа, и хотя большинство этих конструкций не предполагали эмоционального или художественного отношения к ним, важно понимать, что эмоционально нейтральных предметов и «высказываний» не существует. Это одинаково справедливо по отношению к любым выразительным средствам, будь то текст, живопись или продукт промышленного дизайна. Независимо от намерений создателя любое наше произведение в дополнение к своему рациональному предназначению будет оказывать то или иное субъективное эмоциональное воздействие, негативное или позитивное.

Кроме того, существует еще одна проблема коммуникации. Большинство инженеров не имеет никакой подготовки в эстетических дисциплинах — в технических учебных заведениях такие предметы воспринимаются как легкомысленные и ненужные, да и учебные планы не оставляют на это времени. Из разговоров с современными архитекторами я сделал вывод, что они не в силах пожертвовать своими общественно полезными делами ради мелких занятий вроде расчета прочности зданий. Что уж там говорить об эстетике, в которой их клиенты все равно не особенно заинтересованы? Невероятно, но дизайнеры мебели в процессе обучения не проходят даже элементарной методики расчета деформации книжной полки под грузом книг. Стоит ли удивляться тому, что большинство из них даже не представляют, как соотносится конструкция изделий с их внешним видом.

Я не утверждаю, что для того, чтобы сколотить обычный сарай, нужно годами штудировать теорию, однако инженерное ремесло таит в себе множество ловушек для новичка, и некоторые нюансы не так просты, как может показаться на первый взгляд. Увы, довольно часто профессиональных инженеров привлекают к проекту слишком поздно — чтобы разобраться с «достижениями практиков» (вместе с адвокатами и работниками похоронных контор). Тем не менее в течение многих веков практикам как-то удавалось управляться на свой лад, по крайней мере в некоторых областях строительства. Подчас, глядя на старинный собор, сомневаешься, что впечатляет больше — мастерство создателей или их вера. Эти здания поражают не только своими размерами и высотой, они словно преодолевают тусклость и тяжесть материала, из которого они сделаны, и взмывают к вершинам искусства и поэзии.

На первый взгляд кажется очевидным, что средневековые каменщики должны были обладать обширными знаниями о том, как строить церкви и соборы, ведь они действительно весьма преуспели в этом деле. Однако, если бы представилась возможность задать главному каменщику вопрос о том, как же удалось построить собор и почему собор стоит и не падает, полагаю, он ответил бы примерно так: «Здание удерживает длань господня, ибо мы возвели его, ревностно следуя традиции и таинствам нашего ремесла». Естественно, восхищаться мы можем только теми сооружениями, которые дожили до наших дней, ведь, несмотря на всю искусность и все «таинства ремесла», успех сопутствовал средневековым каменщикам далеко не всегда. Значительная часть их дерзновенных построек рушилась сразу же после окончания строительства, если не прямо в процессе. Катастрофы эти аналогичным образом списывались на волю небес и воздаяние грешникам, а никак не на техническую безграмотность строителей (обратите внимание на эпиграф о Силоамской башне [3]).

Возможно, из-за озабоченности лишь нравственной стороной своего ремесла строители, кровельщики и корабелы древности не особенно задумывались (в научном смысле этого слова), а почему же, собственно, конструкция способна выдерживать нагрузку.

Профессор Жак Хейман убедительно продемонстрировал, что в старину каменщики вовсе не проектировали и не мыслили так, как это делаем сегодня мы. Несмотря на то что некоторые из этих мастеров создали поистине грандиозные постройки, интеллектуальная основа их «таинств» и «канонов» не сильно превосходит уровень поваренной книги. По сути дела, все, чем они занимались, — это повторяли сделанное ранее.

Как мы увидим в главе 9, каменное строительство представляет собой исключительный случай, и по ряду причин именно в этой области возможно простое масштабирование здания — например, увеличение маленькой церкви до размеров большого собора на основе испытанных пропорций и опыта предков. Для других конструкций такой метод неприемлем и небезопасен — заметьте, что в течение долгого времени, пока здания становились все больше и больше, максимальные размеры кораблей оставались прежними. Без научных способов определения надежности инженерных конструкций попытки соорудить нечто радикально новое могли обернуться катастрофой.

Таким образом, люди поколение за поколением игнорировали рациональный подход к проблеме устойчивости и прочности конструкций. Не секрет, что, если откладывать в долгий ящик проблему, важность которой в глубине души понимаешь, неизбежны неприятные психологические последствия. Бурным цветом расцвели мракобесие и суеверие. Такие процедуры, как «крещение» корабля благородной матроной при помощи бутылки шампанского или «закладка первого камня» толстым мэром города, — не что иное как далекие отголоски древних кровавых ритуалов жертвоприношения. В Средние века церкви удалось практически полностью искоренить практику жертвоприношений, однако развитие научного подхода это никак не стимулировало. Чтобы полностью отказаться от суеверий (или поверить в то, что бог являет свою волю посредством законов науки), требовалась полная перестройка сознания, умственное усилие, масштаб которого современному человеку почти не по силам оценить. Необходимо было исключительное сочетание воображения и интеллектуальной дисциплины, причем в ситуации, когда даже научного вокабуляра как такового не существовало.

В итоге профессионалы-ремесленники так и не взялись за решение этих задач, и первые результативные попытки серьезных исследований физики конструкций стали следствием мракобесия и преследований инквизиции. В 1633 году Галилей (1564–1642) впал в немилость церкви за открытия в области астрономии, подрывавшие самые основы церковной и светской власти. Его настойчиво убедили больше астрономией не заниматься, и после знаменитого покаяния [4] он почел за счастье подобру-поздорову с позволения властей удалиться на виллу в Арчетри неподалеку от Флоренции. Находясь фактически под домашним арестом, Галилей, как мне кажется, избрал тему прочности материалов просто как самую безобидную и наименее крамольную область науки.

Собственные открытия Галилея в этой области получили весьма скромное признание, хотя следует иметь в виду, что он начал заниматься предметом, будучи почти семидесятилетним стариком, прошедшим через суровые испытания, находясь фактически в заключении. Тем не менее ему было позволено переписываться с другими учеными Европы, а его имя и репутация сообщали престиж и внимание общества любой научной проблематике, за которую он брался.

Конструкциям посвящено несколько писем из множества дошедших до нас документов Галилея, а особый интерес представляет его переписка с французским ученым Мерсенном. Марен Мерсенн (1588–1648) был священником-иезуитом, но, вероятно, никто не мешал ему заниматься исследованиями прочности металлической проволоки. Галилей переписывался и с другим священнослужителем, Эдмом Мариоттом (1620–1684), в то время еще совсем молодым человеком, приором монастыря Сен-Мартен-су-Бон близ Дижона в винном краю Бургундии. Большую часть жизни Марриот изучал законы «земной механики» [5] и прочность стержней при растяжении и изгибе. Под покровительством Людовика XIV он участвовал в создании Французской академии наук и был в фаворе и у церкви, и у государства. Надо заметить, ни Мерсенн, ни Мариотт не принадлежали к числу профессиональных строителей или корабельщиков.

Во времена Мариотта весь предмет, а именно поведение нагруженных материалов и конструкций в состоянии нагрузки, начали называть «наукой об упругости» (по причинам, которые станут ясны в следующей главе), именно этим термином мы будем неоднократно пользоваться в книге. Поскольку этот предмет приобрел популярность у математиков почти полтора века назад, я боюсь, с того момента было написано слишком много нечитабельных и невразумительных книг, а на лекциях о материалах и конструкциях полегло со скуки слишком много студентов. По моему мнению, весь мистицизм теории упругости преувеличен и священные танцы вокруг нее не совсем уместны. Действительно, «высшие материи» в теории упругости с математической точки зрения весьма сложны, но эти теоретические пласты на практике используются очень редко, да и то лишь избранными инженерами и конструкторами. То, что действительно полезно для решения повседневных практических задач, вполне доступно пониманию обычного разумного человека, если он уделит этому должное внимание.

Человек «с улицы» или человек «от станка» обычно полагает, что теоретические знания ему почти ни к чему. Ученый-физик, скорее всего, слукавит, что конструировать нечто без знания высшей математики не только невозможно, но и безнравственно, даже если что-то получится. Мне же представляется, что простым смертным вроде нас с вами вполне достаточно некоторого количества знаний среднего уровня сложности — и, как я надеюсь, весьма интересных.

Тем не менее мы не сможем полностью отвернуться от математики (которая, как полагают ученые, родилась в древнем Вавилоне, примерно в тот период, когда случился конфуз с Вавилонской башней). Математика для инженера — это инструмент, для ученого-математика — религия, а для обывателя — камень преткновения. На самом же деле математикой мы пользуемся каждое мгновение нашей жизни. Играя в теннис или спускаясь по лестнице, мы решаем целые «простыни» дифференциальных уравнений, причем делаем это легко и быстро, не задумываясь, — при помощи аналогового компьютера, спрятанного в мозгу. Сложным кажется лишь формальное и символическое представление математики, которое преподносят нам склонные к догматизму, садизму и непонятным закорючкам преподаватели.

Если по ходу изложения будут действительно необходимы математические аргументы, я прибегну к простейшим графикам и рисункам. Тем не менее нам явно понадобится арифметика и немножко элементарной алгебры, которая (сколь ни грубо это прозвучит для математиков) является простым, эффективным и удобным мыслительным инструментом. Не надо ее пугаться, даже если вы рождены (или полагаете, что рождены) с аллергией на алгебру. Если совсем уж никак, можно и пропустить эти места — вы вполне уловите логику повествования без особой потери смысла.

Еще одно замечание. Конструкции сделаны из материалов, поэтому мы будем говорить и о конструкциях, и о материалах. Однако на деле четкого разделения «вот здесь конструкции, а вот тут материалы» не существует. Сталь, несомненно, является материалом, а Форт-Бридж — конструкцией, но такие сложно устроенные вещи, как армированный бетон, дерево или человеческая плоть, можно рассматривать и как материал, и как конструкцию. Боюсь, что мне придется уподобиться Шалтаю-Болтаю — когда я буду употреблять в тексте слово «материал», это будет значить все что угодно. Забавный урок о том, что под словом «материал» другие люди понимают нечто совсем другое, я получил на одном из приемов от прекрасной дамы. Вот наш диалог:

— Скажите, а чем вы занимаетесь?

— Материаловедением, изучаю материалы.

— Как это здорово, наверное, подбирать ткани для платьев!

Глава 2

Почему конструкции несут нагрузку,

или О пружинистости твердых тел

Давайте начнем с самого начала, с Ньютона (1642–1727), который сформулировал основной закон механики: действие равно противодействию по величине и противоположно ему по направлению. Это означает, что каждая сила должна быть сбалансирована точно такой же по величине силой противоположного направления. При этом природа сил не имеет никакого значения. Например, сила может быть создана каким-либо неподвижным грузом. Предположим, я стою на полу, мой вес 75 кг. Следовательно, мои подошвы давят на пол с силой 75 кг, которая направлена вниз; это дело моих ступней. В то же самое время пол должен давить на мои подошвы с той же силой 75 кг, направленной вверх; эта сила исходит от пола. Если доски пола окажутся подгнившими и не смогут обеспечить силу 75 кг, я неминуемо провалюсь. Но если каким-то чудом пол сообщит мне силу, большую, чем та, которую требовал мой вес, скажем, 75,5 кг, то я — ни много ни мало — взлечу.

Джеймс Гордон. Почему мы не проваливаемся сквозь пол [6]

Вопрос, который напрашивается первым: почему неодушевленное твердое тело, будь то сталь или камень, древесина или пластик, вообще способно сопротивляться механической силе и выдерживать собственный вес? Этому вопросу посвящена моя книга «Почему мы не проваливаемся сквозь пол», и ответ на него далеко не очевиден. Он затрагивает основы всего учения о конструкциях и довольно сложен для понимания. В частности, он оказался слишком сложным для Галилея, поэтому реальное понимание этой проблемы — заслуга вздорного человека по имени Роберт Гук (1653–1702).

Первым делом Гук установил, что если материал или конструкция противостоят нагрузке, это происходит за счет возникновения равной, но противоположной по направлению силе. Когда вы стоите на полу и ваши ступни давят на пол по направлению вниз, то пол давит на ваши ступни по направлению вверх. Если собор давит на фундамент сверху, то фундамент давит на собор снизу. Именно это подразумевает Третий закон Ньютона, который, как мы помним, гласит, что действию всегда соответствует равное и противоположное противодействие.

Иными словами, сила не может уйти в никуда. Всегда и в любой ситуации каждой силе в любой точке конструкции должна противостоять равная и противоположно направленная сила. Это справедливо по отношению ко всем типам конструкций — малым и простым, большим и сложным. Это справедливо не только для полов и соборов, но и для мостов, самолетов, воздушных шаров, мебели, львов, тигров, капустных кочанов и дождевых червяков.

Если это условие не выполняется, то есть силы не находятся в равновесии друг с другом, то сооружение либо сломается, либо взмоет в небеса и окажется в открытом космосе. Последнее довольно часто следует из экзаменационных ответов многих студентов технических вузов.

Давайте рассмотрим пример простейшей конструкции из возможных. Допустим, мы подвесили груз, обыкновенный кирпич, на ветку дерева при помощи веревки. Вес кирпича, равно как и вес знаменитого ньютоновского яблока, обусловлен действием гравитационного поля Земли на массу кирпича, и сила, с которой кирпич стремится вниз, постоянно направлена вниз. Чтобы кирпич не упал, он должен удерживаться в воздухе постоянно действующей и направленной в противоположную сторону силой, в нашем случае натяжением веревки. Если веревка недостаточно прочная и не сможет обеспечить вертикально направленную силу, эквивалентную весу кирпича, то она оборвется, и кирпич свалится на Землю — опять же подобно яблоку Ньютона.

Если же наша веревка так крепка, что мы сможем подвесить на ней не один кирпич, а целых два, то она будет обеспечивать в два раза большую вертикально направленную силу, то есть силу, эквивалентную весу двух кирпичей. Принцип остается тем же самым для любой другой нагрузки. Более того, груз не обязательно должен быть «мертвым», как кирпич. Активные нагрузки, например давление ветра, должны встречать точно такое же сопротивление.

В случае с нашим кирпичом нагрузка удерживается растяжением веревки, иначе говоря, натяжением. Во многих конструкциях, например домах, нагрузка удерживается сжатием, то есть давлением. В обоих случаях действует один и тот же принцип. Таким образом, чтобы конструкция выполняла свою функцию, а именно выдерживала нагрузку без приключений, она должна каким-то образом противопоставить такое натяжение или давление, которое уравновесит приложенную силу. Иначе говоря, она должна дать достойный отпор толчкам и натяжениям, которые заявятся на порог, посредством эквивалентных ответных и противоположно направленных натяжений и толчков.

Все это прекрасно и довольно хорошо понятно, когда мы говорим о нагрузке, которая оказывает воздействие на конструкцию. Сложнее понять, как конструкция может оказывать ответное воздействие — давление или натяжение — на нагрузку. Иногда в понимании этого явления могут помочь диалоги с детьми:

— Не тяни Мусю за хвост, сейчас же прекрати!

— Я не тяну, Муся сама тянет свой хвост!

В случае с Мусиным хвостом натяжение обеспечивается живой работой мышц кошки в ответ на воздействие мышц ребенка, однако, безусловно, подобное активное мышечное сопротивление происходит далеко не во всех случаях, да и не является обязательным.

Случись так, что хвост был бы присоединен не к кошке, а к чему-нибудь неподвижному, например к кирпичной стене, то ответное натяжение выполняла бы эта стена, а активным является это воздействие, в случае с кошкой, или пассивным, в случае со стеной, совершенно не имеет значения для девочки и хвоста.

Каким же образом неподвижный или пассивный объект вроде стены или веревки — или, если уж на то пошло, кость, стальная ферма или кафедральный собор — может производить необходимые ответные силы?

1. Любое твердое тело, к которому приложена механическая сила, меняет свою форму, растягиваясь или сжимаясь.

2. Именно это изменение формы дает телу возможность сопротивляться воздействию извне.

Таким образом, когда мы подвешиваем кирпич за веревку, веревка становится длиннее, и именно за счет этого растяжения веревка тянет кирпич вверх и кирпич не падает. Под действием нагрузки в различной степени деформируются все материалы (рис. 4 и 5).

Важно понимать, что вызванная нагрузкойдеформация совершенно нормальна для любой конструкции. Если деформация не препятствует непосредственным функциям конструкции, она является не недостатком или браком, а скорее неотъемлемой ее характеристикой, без которой конструкция просто не будет работать. Теория упругости посвящена взаимодействию сил и деформаций в материалах или конструкциях.

Несмотря на то что любое твердое тело в той или иной степени меняет свою форму под действием веса или механической силы, на практике степень деформации варьируется довольно сильно. В случае, например, с растением или резиной деформация весьма велика и вполне наблюдаема, но если мы подвергнем умеренной нагрузке твердый материал вроде металла, бетона или кости, изменения формы будут ничтожно малы. И хотя подвижки практически невозможно увидеть невооруженным взглядом, они всегда существуют и абсолютно реальны, даже если для измерения требуются специальные приспособления. Когда вы взбираетесь на колокольню собора, колокольня становится короче — на мизерное расстояние, но действительно короче. Кстати говоря, каменная или кирпичная кладка на самом деле куда более гибкая вещь, чем принято думать. Взгляните на четыре главные колонны внутри Солсберийского собора — они довольно ощутимо изогнуты (илл. 1).

Гук сделал еще один важный шаг в цепи своих рассуждений, который даже сейчас довольно сложен для широкого понимания. Он предположил, что, когда та или иная конструкция деформируется под действием нагрузки, материал, из которого она сделана, также подвергается внутреннему растяжению или сжатию даже на самом мельчайшем уровне (сейчас мы понимаем, что речь идет о молекулярном уровне). Таким образом, когда мы деформируем деревянную палку или металлическую пружину, сгибая ее, атомы и молекулы, из которых состоит материал, разъезжаются в стороны или сближаются, а вещество таким образом растягивается или сжимается.

Сегодня мы знаем, что химические связи, которые удерживают атомы и таким образом обеспечивают цельность твердого тела, довольно сильны. Когда материал растягивается или сжимается, происходит растяжение или сжатие миллионов химических связей, которые отчаянно сопротивляются даже мельчайшей деформации. Именно эти связи и производят в итоге достаточные для противодействия силы (рис. 6).

Гук мало понимал в химических связях и не очень-то знал об атомах и молекулах, однако, прекрасно отдавал себе отчет в том, что на уровне тонкой структуры материала что-то подобное творится, и решил установить природу видимого невооруженным глазом соотношения между силами и деформацией твердых тел.

Он провел множество экспериментов с предметами из разных материалов и разной геометрической формы — пружинами, веревками и балками. Подвешивая на них разные грузы и замеряя деформацию, он продемонстрировал, что деформация каждого из этих предметов обычно пропорциональна весу груза. Например, деформация при подвешивании 60 килограммов будет в два раза больше, чем при подвешивании 30 килограммов, и так далее.

Более того, он обнаружил, что в пределах точности измерений (которая во времена Гука была невысокой) большинство твердых тел возвращаются к своей первоначальной форме, когда нагрузка, вызывавшая деформацию, перестает действовать. Он раз за разом нагружал конструкции и снимал нагрузку, убеждаясь, что постоянного изменения формы не происходит. Такое поведение предметов называется упругостью, и оно хорошо нам знакомо. Слово «упругость» обычно ассоциируется с резинками и трикотажем, однако оно применимо и к строительным материалам, стали, камню или кирпичу, и к материалам биологического происхождения, таким как дерево, кости или сухожилия. Именно в таком широком смысле понимают упругость инженеры. К слову, писк комара вызван работой очень упругих «пружинок», приводящих в движение его крылья и состоящих из белка резилина.

При этом множество твердых и «околотвердых» веществ, таких как пластилин или оконная замазка, не возвращаются полностью к своей форме, а остаются в деформированном состоянии, даже когда нагрузка прекращает свое действие. Такое поведение называется пластичностью. Слово это применяется не только к материалам, из которого делают шариковые ручки и детских кукол, но и к глине или мягким металлам. Также термин распространяется на сливочное масло, овсяную кашу и патоку. Более того, некоторые материалы, которые Гук отнес к упругим, оказываются не совсем упругими, если проверять их свойства с помощью более точных современных методов.

Так или иначе, в качестве широкого обобщения наблюдения Гука справедливы и составляют базис современной теории упругости. В наши дни мы задним умом понимаем, что большинство материалов и конструкций на Земле — речь не только о машинах, мостах и зданиях, но и о животных, камнях и горах и самой планете Земля — действуют по большому счету как пружины, и эта аналогия кажется понятной и дураку. Однако Гуку, судя по его дневникам, осознание этого факта стоило огромных умственных усилий и тягостных сомнений. Так или иначе, это достижение можно смело отнести к величайшим прорывам науки.

«Обкатав» свои идеи в беседах с сэром Кристофером Реном, в 1679 году Гук опубликовал результаты экспериментов в статье под названием «О восстановительной способности или об упругости». В ней он сформулировал знаменитый принцип «каково растяжение, такова и сила», который вот уже триста лет известен под названием «закон Гука».

Если задуматься, становится очевидно, что деформация конструкции зависит одновременно и от ее размеров и геометрической формы, и от материалов, из которых она сделана. Своей внутренней жесткостью материалы существенно различаются. Одни, например резина или живая плоть, довольно мягкие и деформируются простым нажатием пальцев; другие, такие как дерево, кость, камень и большинство металлов, намного тверже; и хотя в мире не существует «абсолютно твердого» вещества, некоторые, например алмаз или сапфир, обладают чрезвычайной жесткостью.

Можно сделать предметы совершенно одинакового размера и формы, допустим, обыкновенные сантехнические прокладки, из стали и из резины. Очевидно, что стальная прокладка получится гораздо тверже резиновой (если быть точным, то в 30 тысяч раз). Можно из одного и того же материала, например стали, изготовить тонкую пружину и массивную балку. Очевидно, что пружина окажется гораздо более гибкой, чем балка. Поскольку в инженерном деле мы постоянно сталкиваемся с изменением этих переменных, необходимо разделять и количественно учитывать подобные факторы и понимать, как с ними разбираться.

После такого многообещающего начала кажется довольно странным, что строго научный способ решения этих задач появился лишь через 120 лет после смерти Роберта Гука. За весь XVIII век никакого ощутимого прогресса в изучении явления упругости достигнуто не было. Несомненно, причины этой «остановки» весьма многообразны, но в целом можно сказать, что если ученые XVII века рассматривали науку в контексте технологического прогресса (и это был принципиально новый взгляд на задачи науки), то многие мыслители XVIII столетия считали себя философами, стоящими выше низменных проблем производства и коммерции. Такая позиция являлась возвратом к древнегреческому пониманию науки. Закон Гука давал широкое общефилософское объяснение обыденным явлениям, которое вполне подходило для философа-джентльмена, не желавшего углубляться в технические детали.

На этом фоне нельзя обойти стороной влияние личности Ньютона (1642–1727) и последствия его ожесточенной вражды с Гуком. С точки зрения интеллектуальных способностей Гук, возможно, не уступал Ньютону, но отличался куда большей раздражительностью и тщеславием. То были люди совершенно разного темперамента и интересов. И хотя оба имели весьма скромное происхождение, Ньютон слыл отъявленным снобом, а Гук, друживший с Карлом II [7], снобизмом вовсе не страдал.

В отличие от Ньютона, Гук был абсолютно земным человеком и пытался решать бесчисленные практические задачи, связанные с упругостью, пружинами, часами, зданиями, микроскопами и строением блох. Среди используемых по сей день изобретений Гука — карданный вал, который применяется в автомобилестроении, и ирисовая диафрагма, которая установлена в большинстве фотоаппаратов. Каретный фонарь Гука, в котором пламя постепенно сгорающей свечи удерживалось в центре оптической системы посредством подающей пружины, вышел из широкого употребления лишь в 1920-е годы. Такие фонари и сейчас встречаются над дверьми жилых домов. В своей частной жизни он переплюнул даже своего друга Сэмюэла Пипса [8]: в порядке вещей были не только интрижки со служанками, но и многолетние интимные отношения с племянницей по имени Грейс.

Что касается понимания законов вселенной, Ньютон, возможно, мыслил масштабнее Гука, однако его научные интересы были куда менее практическими. Ньютона, как и многих ученых мужей того времени, можно охарактеризовать, как «антипрактика». Хотя Ньютон и стал управителем Монетного двора и весьма неплохо справлялся со своими обязанностями, тот факт, что он согласился на этот пост, объясняется скорее не стремлением применять науку на практике, а самим статусом правительственной должности, по тем временам гораздо более социально значимой, чем членство в совете Тринити-колледжа (не говоря уже про хорошую зарплату). Значительную часть сил Ньютон отдавал своему собственному миру, рассуждая о запутанных теологических проблемах, например о «числе зверя». Не думаю, что у него оставалось время и желание потворствовать плотским грехам.

Короче говоря, у Ньютона имелись все основания относиться к Гуку как к личности с неприязнью, а к его убеждениям и идеям, включая упругость, — с пренебрежением. Вышло так, что Ньютону повезло пережить Гука на двадцать пять лет, каковыми годами он успешно воспользовался, чтобы очернить память последнего и принизить значимость прикладной науки. Учитывая, что в научном мире того времени Ньютон имел статус, близкий к божественному, а его действия еще больше усиливали социальные и научные тенденции того времени, такие прикладные сферы знания, как изучение конструкций, сильно потеряли в популярности на многие годы после его кончины.

Таким образом, в XVIII веке ситуация сложилась так, что, несмотря на предложенное Гуком общее понимание принципов действия конструкций, его работу никто не стал продолжать и внедрять. Предмет в целом оказался в таком состоянии, что его практическое применение в виде конкретных вычислений представлялось едва ли возможным. Практическая польза теоретических открытий в области упругости для инженеров при таком положении вещей была крайне ограниченна. Французские инженеры знали об этом, сожалели об этом и пытались строить свои сооружения (которые частенько рушились), основываясь на теории в том виде, в котором она пребывала. Британские инженеры, которые тоже знали об этом, к «теориям» относились безразлично и свои конструкции эпохи промышленной революции строили проверенным «практическим» способом. Их детища тоже рушились, но не так часто.

Глава 3

Изобретение напряжения и деформации,

или Барон Коши и расшифровка модуля Юнга

Чем была бы жизнь без арифметики, если не сущим кошмаром?

Преподобный Сидней Смит,
письмо юной леди 22 июля 1835

Помимо Ньютона и предрассудков XVIII века, главной причиной длительного «топтания на месте» в вопросах упругости был тот факт, что ученые, которые ею занимались, пытались рассматривать силы и деформации конструкции в целом — как делал и Гук, — вместо того чтобы анализировать силы и деформации, которые обнаруживаются в каждой точке материала. На протяжении всего XVIII столетия и значительную часть XIX-го весьма умные люди, такие как Леонард Эйлер (1707–1783) и Томас Юнг (1773–1829), в своих попытках решить задачи, для современного инженера совершенно незатейливые, занимались самой невероятной интеллектуальной эквилибристикой.

Концепция об упругих состояниях в конкретной точке материала — это концепция напряжения и деформации. Впервые подобную идею в 1822 году в общем виде высказал Огюстен Коши (1789–1857) в статье для Французской академии наук. Эта статья стала, возможно, самым важным событием в развитии представлений об упругости со времен Гука. С этого момента теория упругости начала подавать надежды на превращение из веселой песочницы для нескольких эксцентричных философов в инструмент практической деятельности инженеров. На портрете, написанном при жизни, Коши выглядит скорее не ученым, а молодым нахалом, тем не менее это был прикладной математик невероятных дарований.

Когда британские инженеры XIX века наконец удосужились ознакомиться с идеями Коши, они осознали не только то, что базовые понятия о напряжении и деформации довольно легко понять, но и то, что если их понять, сильно упрощается видение конструкций в целом. Сегодня их с легкостью может понять каждый, и довольно странно сталкиваться с озадаченностью, а иногда и раздражением обывателей при упоминании напряжения и деформации. У меня даже была аспирантка со свежеполученным дипломом по зоологии, которую напряжение и деформация огорчили настолько, что она вообще сбежала из университета и больше не появлялась. Причина остается для меня загадкой до сих пор.

Коши понял, что понятие напряжения можно использовать не только для предсказания условий разрушения того или иного материала, но и для того, чтобы в более общем виде описать состояние в любой точке твердого тела. Другими словами, «напряжение» в твердом теле подобно «давлению» в жидкости или газе. Оно определяет, насколько сдвинуты или растащены в стороны атомы и молекулы материала под воздействием внешнего усилия.

Таким образом, выражение «напряжение в данной точке этого бруска стали составляет 500 килограммов на квадратный сантиметр» ничуть не более загадочно и так же доступно для понимания, как и фраза «давление в колесах моей машины составляет 2 килограмма на квадратный сантиметр». При этом мы понимаем, что при всей схожести понятий напряжения и давления давление в жидкости распространяется во всех трех измерениях, в то время как напряжение — только в одном, оно направленно. Даже если это не вполне так, в дальнейшем мы будем считать, что это так.

В числовом виде напряжение в любом направлении в определенной точке — это просто сила или нагрузка, действующая в этой точке, разделенная на площадь применения этой силы [9]. Если обозначить напряжение в заданной точке как s, тогда

где P — нагрузка или сила, а А — площадь на которую действует эта сила.

Вернемся к нашему кирпичу, который в прошлой главе мы подвесили на веревке. Если кирпич весит 5 килограммов, а сечение веревки составляет 2 квадратных миллиметра, то напряжение веревки составит:

или, если удобнее, 250 килограмм-сил на квадратный сантиметр, или кгс/см2.

1 ньютон (Н) = 0,102 килограмм-силы (кгс)
= 0,225 фунта (примерный вес яблока).

1 меганьютон (МН) = 1 000 000 ньютонов, что составляет почти 100 тонна-сил.

Перевод единиц измерения

1 МН/м2 = 10,2 кгс/см2 = 146 psi

1 psi = 0,00685 МН/м2 = 0,07 кгс/см2

1 кгс/см2 = 0,098 МН/м2 = 14,2 psi

Следовательно, напряжение нашего куска веревки с кирпичом, которое, как мы выяснили, составляет 250 кгс/см2, равно 24,5 МН/м2 или 3600 psi. Поскольку вычисления напряжений довольно часто приблизительны, нет смысла беспокоиться об абсолютно точных коэффициентах для перевода единиц.

На всякий случай напомню: важно понимать, что напряжение в материале, подобно давлению в жидкости — это состояние, которое существует в точке и не связано с какой-либо конкретной плоскостью сечения, будь она равна квадратному сантиметру, квадратному метру или квадратному фунту.

Таким образом, если брусок длиной L приложенной к нему силой растягивается на расстояние l, то деформация, или пропорциональное увеличение длины бруска, составит e:

Возвращаясь к нашей веревке, если ее изначальная длина составляла 2 метра (200 сантиметров), а под весом кирпича она растянулась на 1 сантиметр, то деформация веревки составила

Деформации в инженерном деле довольно незначительны, поэтому часто обозначаются в процентах, чтобы избежать путаницы с нулями и десятичными дробями.

Как и напряжение, деформация не связана с длиной, определенным сечением или формой предмета и является состоянием материала в определенной точке.

Повторимся: поскольку для вычисления деформации мы делим одну длину на другую, а именно длину отрезка приращения предмета на его изначальную длину, то деформация выражается отношением и не имеет единиц измерения (ни в системе СИ, ни в британской, ни в какой-либо другой). Все это, естественно, применимо не только к растяжению, но и к сжатию.

В наши дни, если нужно провести испытание того или иного материала, мы используем тестовый образец, сделанный из этого материала. Формы этих изделий могут сильно различаться, однако типичный тестовый образец, как правило, имеет стержень постоянного сечения, на котором, собственно, и проводятся измерения, и утолщенные концы для закрепления в испытательной машине. Пример такого образца показан на рис. 3.

Испытательное оборудование тоже бывает разным и по размеру, и по конструкции, но принципиально — это некое механическое устройство, способное прикладывать к образцу заданные нагрузки (на сжатие или растяжение).

Напряжение в стержне тестового образца получают делением приложенной нагрузки на площадь сечения стержня. Растяжение, а следовательно и деформацию, материала замеряют специальным устройством под названием экстензометр, которое крепится к двум точкам на стержне.

При помощи такого оборудования легко измерить напряжение и деформацию материала по мере увеличения нагрузки. Соотношение напряжения и деформации для того или иного материла приводится в виде графика, который называется диаграммой деформирования. Форма этой кривой обычно напоминает график на рис. 4. Она типична для того или иного материала и, как правило, не зависит от размеров тестового образца.

Если мы посмотрим на графики напряжения-деформации для металлов и ряда других распространенных твердых тел, то обнаружим, что они, по крайней мере при умеренных нагрузках, представляют собой прямые линии. В этом случае о материале говорят, что он «подчиняется закону Гука», и называют гуковским материалом.

Также мы увидим, что прямой участок графика для разных материалов имеет разный угол наклона (рис. 5). Очевидно, что наклон кривой напряжения-деформации показывает, насколько податлив материал к упругому растяжению при определенной нагрузке, иными словами — показывает меру упругой жесткости того или иного материала.

Для любого материала, подчиняющегося закону Гука, наклон графика соотношения напряжения и деформации постоянен. Таким образом

Модуль Юнга иногда называют модулем упругости или просто E, в разговорной речи часто употребляют просто слово «жесткость». (А слово «модуль» образовано от латинского modulus, что означает «малая мера».)

Деформация нашей веревки, как мы помним, составила 0,5% или 0,005 под весом кирпича, создавшего напряжение 24,5 МН/м2, или 3600 psi. Следовательно, модуль Юнга веревки составит:

Легко заметить, что множества мягких биологических материалов в списке нет. Дело в том, что упругое поведение этих материалов не подчиняется закону Гука, поэтому вычислить модуль Юнга в том смысле, в котором мы его сейчас обсуждаем, для них не представляется возможным. К этой разновидности упругости мы еще вернемся.

Модуль Юнга сегодня считается фундаментальным понятием, он повсеместно используется в инженерном деле и материаловедении, его начинают применять в биологии. Тем не менее прошла добрая половина XIX века, пока до инженеров наконец дошло, как это понятие можно использовать на практике. Отчасти причина заключалась в чрезмерном консерватизме, а отчасти — в том, что более или менее применимое на практике представление о напряжении и деформации сформировалось довольно поздно.

Если отталкиваться от этих понятий, то вряд ли можно найти что-то проще и очевиднее, чем модуль Юнга, однако без них понимание упругости — штука невообразимо сложная. Самому Юнгу, который, помимо всего прочего, участвовал в расшифровке египетских иероглифов и вообще был одним из великих умов своего времени, открытие стоило огромного интеллектуального напряжения.

Тогда, на рубеже XVIII и XIX веков, Юнг подошел к проблеме совсем не тем путем, который мы только что рассматривали. Он зашел со стороны, говоря современным языком, «удельного модуля упругости» — то есть насколько столб материала укоротится под своим собственным весом. Вот оригинальное определение модуля, опубликованное Юнгом в 1807 году: «Модуль упругости любого вещества — это столп этого вещества, способный создать давление на свое основание, которое так относится к весу, приводящему к определенной степени сжатия, как длина вещества относится к уменьшению его длины» [12].

Пожалуй, неудивительно, что после такого египетская иероглифика казалась ему детским садом.

Один из современников Юнга отзывался о нем так: «Он употреблял слова, которые не используются в обиходе, а строй его идей редко совпадал с образом мысли тех, с кем он беседовал. Поэтому из всех, кого я знал, он был наименее всего приспособлен к передаче знаний другим». Тем не менее важно понимать, что Юнг бился с понятием, которое едва ли возможно толково сформулировать без представления о напряжении и деформации, появившегося лишь пятнадцать или двадцать лет спустя. Современное выражение модуля Юнга (E = напряжение/деформация) привел французский инженер Навье (1785–1836) за три года до смерти Юнга. Первооткрывателю напряжения и деформации, Коши, французское правительство даровало титул барона — и вполне заслуженно.

Прочность материала — это такое напряжение (в МН/м2, кгс/см2 или psi), которое необходимо для разрушения фрагмента самого материала. Прочность материала будет примерно одинаковой для всех его образцов. Чаще всего необходимо знать прочность материала при растяжении, или, как ее часто называют, предельную прочность при растяжении. Обычно ее определяют разрывом небольших тестовых образцов в специальных испытательных устройствах. Естественно, целью большинства вычислений прочности является определение прочности конструкции исходя из прочности тех материалов, из которых конструкция состоит.

В таблице 2 приведены значения прочности на растяжение самых разнообразных материалов. Как и в случае с жесткостью, легко видеть, что диапазон значений и для биологических, и для технических материалов весьма широк. Например, контраст между значениями прочности мышцы и сухожилия просто разителен, что объясняет различие в сечениях мышц и соответствующих им сухожилий. Когда мы идем или прыгаем, массивная, а иногда и выпирающая икроножная мышца сообщает натяжение пяточной кости посредством ахиллесова (или пяточного) сухожилия, которое, даром что толщиной с карандаш, вполне справляется со своей задачей. Также из таблицы очевидно, что для инженера весьма опрометчиво применять бетон там, где предполагается растягивающая нагрузка, если только он не армирован стальными прутьями.

В целом прочные металлы обладают более высокими значениями прочности, чем прочные неметаллы. Однако почти все металлы гораздо плотнее большинства биологических материалов (удельная плотность стали составляет 7,8, а большинства тканей животных — всего 1,1). Таким образом, по соотношению прочности к весу металлы выглядят не так впечатляюще на фоне растений и животных.

Резюмируем сказанное в этой главе:

Эта формула описывает, насколько сильно (то есть с приложением какой силы) атомы в определенной точке твердого тела растягиваются или сжимаются под действием нагрузки.

Эта формула описывает, как далеко растаскиваются или сдвигаются атомы в определенной точке твердого тела.

Напряжение — не то же самое, что и деформация.

Прочность. Под прочностью материала мы обычно понимаем напряжение, которое необходимо для его разрушения.

Эта формула описывает, насколько материал жесткий или гибкий, но прочность и жесткость — не одно и то же.

Приведу цитату из своей книги «Почему мы не проваливаемся сквозь пол»: «Печенье — жестко, но непрочно; сталь — и жесткая, и прочная; нейлон — нежесткий, гибкий, но прочный; малиновое желе — и нежесткое, и непрочное. Вряд ли можно ожидать большей информации о свойствах твердого тела, если пользоваться лишь двумя его характеристиками» [13].

Если сейчас вы поняли, что испытываете сомнения, или почувствовали, что чего-то не улавливаете, могу вас успокоить. Не так давно в Кембридже я убил целый вечер на то, чтобы объяснить двум выдающимся ученым с мировыми именами, которые собирались консультировать правительство по одному грандиозному и дорогостоящему строительному проекту, чем же отличается напряжение от деформации, а прочность — от жесткости. До сих пор не уверен, хорошо ли у меня получилось.

Глава 4

Безопасное конструирование,

или Можно ли доверять расчетам прочности

В полнозвучные размеры

Заключить тогда б я мог

Эти льдистые пещеры,

Этот солнечный чертог.

Их все бы ясно увидали

Над зыбью, полной звонов, дали,

И крик пронесся б, как гроза:

Сюда, скорей сюда, глядите,

[О, как горят его глаза!]

Сэмюэль Тэйлор Кольридж. Кубла Хан, или Видение во сне. Пер. К. Бальмонта [14]

Естественно, вся эта суета с напряжением и деформацией есть всего лишь средство для достижения цели, а именно понимания того, как создавать безопасные и эффективные конструкции и какие принципы лежат в основе их функционирования.

Похоже, Природа не сильно обеспокоена этими вопросами. Птицы небесные не сеют, не жнут, не производят вычислений, что не мешает им быть прекрасными конструкциями, да и вообще Природа — гораздо более искусный инженер, чем человек. Прежде всего потому, что она гораздо терпеливее, да к тому же подходит к процессу конструирования совершенно иначе.

Общие принципы конструкции, то есть строения, живых существ в процессе роста определяются механизмом РНК-ДНК — знаменитой двойной спиралью, расшифрованной Уилкинсоном, Криком и Уотсоном [15]. Однако после того, как концептуальное конструирование завершено, остается довольно широкий диапазон, в котором конструктивные характеристики каждого конкретного растения или животного варьируются. Не только размер, но структура каждого несущего нагрузку компонента определяется в значительной степени его функциональным назначением и силами, которым этот компонент должен противостоять на протяжении своей жизни [16]. Так природа оптимизирует живые конструкции с учетом прочности. В своей работе она скорее прагматичный, а не математически расчетливый инженер. В конце концов, плохие конструкции пойдут в пищу хорошим — все польза.

К сожалению, такие методы конструирования пока что недоступны нашим инженерам, которым приходится действовать либо наугад, либо пользуясь математическими расчетами, а чаще всего — комбинацией того и другого. Желательно и ради безопасности, и из экономических соображений, уметь предсказывать, каким образом детали того или иного инженерного сооружения будут участвовать в распределении нагрузки, и исходя из этого определить, насколько большими или маленькими, толстыми или тонкими должны быть эти детали. Кроме того, нужно понимать, какой степени деформации нам ожидать от конструкции: излишне гибкая конструкция может быть ничем не лучше конструкции непрочной.

Поскольку труды этих ученых в основном имели сугубо теоретический и абстрактный характер, до середины XIX века они не находили понимания и признания в среде инженеров-практиков, особенно инженеров из Англии и Америки, где практики всегда ценились выше «простых теоретиков». Ну и, как известно, «за одного англичанина трех французов дают». О шотландском инженере Томасе Телфорде (1757–1834), мостами которого мы восхищаемся по сей день, отзывались так: «Он испытывал исключительную неприязнь к математическим наукам и так и не удосужился освоить даже азов геометрии. Эта его черта была настолько удивительна, что, когда нам случилось рекомендовать ему молодого знакомого в качестве работника и отметить, что тот преуспел в математике, он ответил, что такие познания никоим образом не характеризуют его положительно, а, наоборот, говорят о непригодности к делу».

Телфорд тем не менее являлся человеком великим и, подобно Нельсону, сочетал самоуверенность с трогательной скромностью. Когда в присутствии большого скопления зевак тяжелые цепи подвесного моста через пролив Менай (илл. 2) наконец натянулись, Телфорда заметили в отдалении молящимся на коленях и возносящим благодарение Господу [18].

Не все инженеры были столь богобоязненны, как Телфорд, и англосаксонский подход к делу часто характеризовался не только интеллектуальной леностью, но и самонадеянностью. И все же этот скептицизм по поводу достоверности расчетов прочности нельзя назвать безосновательным. Важно понимать, что Телфорд и его единомышленники противились не математическому подходу как таковому (они не хуже других понимали, что на материалы воздействуют различные силы), а способам получения результатов вычислений. Они полагали, что теоретики ослеплены красотой метода и игнорируют исходные посылки, таким образом получая правильные ответы для неправильных задач. Иными словами, они боялись, что самонадеянность математиков гораздо опаснее самонадеянности прагматиков — в конце концов, самонадеянность последних хоть как-то дисциплинируется практическим опытом.

Проницательные инженеры-северяне понимали, как и должно всем хорошим инженерам, что, анализируя ситуацию математическим путем, мы создаем для себя искусственную рабочую модель исследуемого объекта и надеемся, что этот алгебраический аналог будет вести себя подобно реально существующему объекту и таким образом поможет лучше его понять и предсказать его поведение.

В случае с изысканными материями вроде физики и астрономии соответствие модели и реальности является настолько точным, что многие считают Природу этаким божественным математиком. Как бы ни импонировал этот образ математикам земным, существуют явления, применять к которым математические модели следует с величайшей осторожностью. Пути орла в небе, пути змея на скале, пути корабля среди моря и пути мужчины к девице весьма сложно предсказать аналитически [19]. Иногда даже удивляешься, как это математики умудряются жениться. Возведя свой храм, царь Соломон, вероятно, добавил, что пути конструкции под нагрузкой во многом схожи с путями корабля и орла — так же мало постижимы.

Проблема подобных объектов состоит в том, что множество реальных ситуаций, которые могут с ними произойти, слишком сложны и многозначны и не могут быть воссозданы лишь одной математической моделью. Как правило, конструкции имеют несколько возможных путей разрушения, и естественно, что «где тонко, тами рвется», а это часто там, где никто не предполагал и, уж конечно, не считал.

Глубокое интуитивное понимание устойчивости и «упрямства» материалов и сооружений — одно из наиболее ценных качеств инженера, которое не заменить никакими интеллектуальными аналитическими способностями. Мосты, сконструированные в соответствии с самыми передовыми теориями такими знаменитыми выпускниками Политехнической школы, как Навье, иногда рушились. Однако, насколько мне известно, ни один мост, построенный Телфордом за его долгую профессиональную карьеру, никому серьезных неприятностей не доставил. Таким образом, пока французская теория процветала, мосты и железные дороги на континенте строили неотесанные, немногословные и не испытывающие должного пиетета к точным расчетам инженеры из Англии и Шотландии.

Поломки обычно списывали на «бракованный материал», и не исключено, что в некоторых случаях причина состояла действительно в этом. Различные изделия из одного металла могут варьироваться по качеству и прочности, и риск, что в конструкции будет использован некачественный металл, есть всегда. Однако в случае с железом и сталью разброс прочности крайне мал — обычно он составляет несколько процентов, в крайне редких случаях он достигает коэффициента трех-четырех, не говоря уж о семи или восьми. Такое значительное различие между номинальной и фактической прочностью почти всегда имеет другие причины. Это означает, что в некоей, никому не известной, точке конструкции напряжение может быть значительно выше расчетного. Вот почему коэффициент безопасности часто называют еще коэффициентом незнания.

Для изготовления конструкций, подверженных растягивающему напряжению, таких как паровые котлы, балки или корпуса кораблей, инженеры XIX века применяли чугун или мягкую сталь, имевшие репутацию материалов довольно надежных. С большим коэффициентом незнания в расчетах такие конструкции действительно получались вполне удовлетворительного качества, хотя несчастные случаи происходили довольно регулярно.

Все чаще неприятности случались с кораблями. Требования к скорости и легкости судов доставляли массу хлопот Адмиралтейству и судостроителям — корабли буквально разламывались пополам, притом что все расчеты напряжений и прочности беды не предвещали. В 1901 году потерпел крушение новейший эсминец британского флота «Кобра» — он неожиданно разрушился и затонул при вполне сносной погоде. В катастрофе погибло тридцать шесть человек. Ни последовавшее разбирательство военного суда, ни старания специального комитета Адмиралтейства так и не смогли пролить свет на технические причины трагедии.

В 1903 году Адмиралтейство решило провести испытания абсолютно аналогичного судна, эсминца «Волк», в условиях шторма и опубликовать результаты. Данные продемонстрировали, что показатели деформации корпуса в реальной ситуации оказались изрядно ниже расчетных, заложенных при проектировании корабля. Поскольку оба набора значений, расчетные и реальные, были куда ниже общепринятого предела прочности той стали, из которой был построен корпус (коэффициент безопасности был между пятью и шестью) информативность эксперимента оказалась весьма скромной.

Инглис говорил об инженерах примерно то же самое, что и лорд Солсбери о политиках, а именно: нельзя использовать только карты малого масштаба. На протяжении целого столетия инженеры ограничивались весьма общим, поистине наполеоновским видением того, как распределяются напряжения в конструкции или материале. Инглис указал, что такой подход допустим только в том случае, если объект имеет гладкие поверхности и лишен неожиданных изгибов формы.

Геометрические неоднородности, то есть отверстия, трещины, острые углы, на которые раньше никто и внимания не обращал, повышают напряжение в том или ином участке, причем площадь этого места может быть очень маленькой, а напряжение — весьма значительным. Отверстия и выемки создают вокруг себя локальные напряжения, которые значительно превосходят предел прочности материала даже в том случае, если нагрузка в целом незначительна и, согласно общим вычислениям, никакой опасности не представляет.

И ведь нельзя сказать, что это явление не было известно на обыденном уровне. В плитках шоколада давно делались канавки, в почтовых марках — перфорация, а портные слегка надрезали ткань по краю, чтобы разорвать ее. Тем не менее великие умы не проявляли интереса к этому сермяжному феномену, так как он не относился к «настоящей» механике.

Почему любая дырка, трещина или углубление вызывает локальное напряжение, объясняется довольно просто. На рис. 1а изображен однородный и гладкий брусок, или пластина, на который действует растягивающее напряжение s. Пунктирные линии изображают так называемые «траектории напряжений» — проще говоря, линии, по которым напряжение передается от одной молекулы к другой. В данном случае эти линии параллельны и распределены равномерно.

Если же мы нарушим несколько линий трещиной, надрезом или отверстием, то изменим баланс сил, которые изображаются нашими траекториями. Произойдет довольно очевидное: силы начнут огибать выемку, и траектории напряжений сблизятся друг с другом, причем степень их близости будет зависеть от формы выемки (рис. 1б). Если выемка представляет собой длинную трещину, вокруг ее «вершины» сожмется довольно много таких линий. Сила на единицу площади будет здесь весьма значительна, именно этот участок и станет местом высокого локального напряжения (илл. 3).

Инглис смог вычислить, насколько возрастает напряжение на вершине эллиптического отверстия в твердом теле, подчиняющемся закону Гука [21]. Несмотря на то что расчеты Инглиса, строго говоря, справедливы только для отверстий эллиптической формы, с достаточной точностью их можно применить и для выемок других очертаний, то есть не только для иллюминаторов и люков кораблей и самолетов, но и для разного рода дырок, трещин и царапин в других материалах и устройствах, вплоть до зубных пломб.

Говоря простым алгебраическим языком, установленная Инглисом закономерность звучит так. Пусть фрагмент некоего материала подвергается воздействию напряжения s. Если мы проделаем в нем отверстие или выемку длиной или глубиной L, а радиус вершины выемки будет составлять r, то напряжение в районе вершины будет значительно превышать s и составит

Для полукруглой выемки или круглого отверстия (где r = L) напряжение составит 3s, но если мы говорим о люках или дверях с углами, то L будет большим, а r — маленьким, поэтому напряжение в углах будет очень высоким и вполне достаточным, чтобы разломить корабль пополам.

В эксперименте с эсминцем «Волк» на обшивку корабля в различных местах и положениях установили экстензометры, то есть датчики деформации. Таким образом была получена информация о растяжении стальных листов обшивки, а исходя из нее вычислено и напряжение. Однако поблизости от иллюминаторов или углов люков ни одного датчика не оказалось. А вот если бы они там были, экспериментаторы получили бы весьма пугающие данные во время плавания «Волка» в приливных волнах близ Портландского мыса [22].

Если переходить от люков к трещинам, ситуация еще драматичнее, поскольку длина трещины может составлять несколько сантиметров, а то и метров, при радиусе ее вершины всего в несколько молекул, то есть менее одной миллионной доли сантиметра. Значение

в таком случае становится просто огромным, и напряжение в районе вершины трещины превышает напряжение на остальной поверхности материала в сотни и тысячи раз.

Если результаты Инглиса принимать в расчет буквально, то создание безопасной в натяжении конструкции неосуществимо в принципе. На самом же деле используемые в натяжении материалы — металлы, дерево, веревки, стекловолокно, ткани и большинство биологических материалов — обладают таким свойством, как пластичность или изломостойкость. Как мы увидим в следующей главе, это означает, что в них заложены довольно сложные механизмы защиты от последствий концентрации напряжений. Тем не менее даже в случае с самыми крепкими из этих материалов действенность этих механизмов весьма относительна и любая натяжная конструкция в той или иной мере уязвима.

Используемые в строительстве хрупкие материалы, например стекло, камень или цемент, таких механизмов защиты не имеют. Иначе говоря, их поведение практически в точности соответствует расчетам Инглиса. Более того, нет нужды проделывать в этих материалах дырки искусственно — природа сама позаботилась об этом: еще до начала всякого строительства они испещрены отверстиями, трещинами и зазубринами. Поэтому использовать хрупкие материалы в ситуациях, где они могут подвергнуться ощутимому растягивающему напряжению, довольно опрометчиво. Естественно, они широко применяются в строительстве зданий и дорог, но там они находятся в напряжении сжатия (по крайней мере теоретически). Там, где растяжения полностью избежать невозможно, например в случае со стеклянными окнами, такую нагрузку стараются свести к минимуму и использовать большой коэффициент безопасности.

Говоря о концентрации напряжений, нужно иметь в виду, что ослабление материала далеко не всегда обусловлено дырками, трещинами и другими дефектами. Повышенное напряжение можно спровоцировать «добавлением» или «усилением» материала, то есть локальным увеличением прочности. Если пришить заплату из новой ткани на ветхие штаны или приделать лист брони к легкому корпусу судна, ничего хорошего из этого не выйдет [23].

Причина заключается в том, что траектории напряжения с тем же успехом искривляются и на участке материала с низкой степенью растяжения, как в случае с заплатой на штанах, и на участке с высокой, как в случае с дыркой. Образно говоря, все, что «идет не в ногу» с материалом, вызывает концентрацию напряжений и может быть опасно.

Всякий раз, когда возникает желание усилить конструкцию добавлением материала, нужно подумать о том, чтобы не сделать хуже и не ослабить ее. По моему опыту, в некоторых авариях ответственность лежит на инспекторах государственных служб и страховых компаний, которые настаивали на «укреплении» сосудов высокого давления и других конструкций различными косынками и перемычками. Их действия лишь спровоцировали то, что они силились предотвратить.

Природа довольно хорошо умеет избегать концентрации разного рода напряжений. Однако эту проблему нужно учитывать в таких областях, как ортопедическая хирургия, когда такой довольно гибкий материал, как кость, усиливается металлическим протезом.

NB: В формуле Инглиса L — это длина или глубина поверхностной трещины, уходящей вглубь материала, или же половина общей длины в случае внутренней трещины или дефекта.

Глава 5

Энергия деформации и современная механика разрушений

с экскурсом в область луков, катапульт и кенгуру

Человек несмысленный не знает,
и невежда не разумеет того.

Псалом 91

Как мы говорили в прошлой главе, математики XIX века совершили большое дело и открыли способ расчета нагрузки и ее распределения в большинстве конструкций — в общенаучном, теоретическом ключе. Практические инженеры, тем не менее, никак не могли научиться пользоваться этой методикой, пока Инглис не заронил в их умы зерно сомнения. Пользуясь все теми же методами теоретиков, он определил, что даже самые незначительные дефекты, казалось бы, вполне безопасной конструкции обычно приводят к возникновению локальных концентраций напряжения, которые могут оказаться выше допустимого предела прочности этого материала, что чревато преждевременным разрушением конструкции.

Уж если на то пошло, с помощью формулы Инглиса довольно легко убедить себя в том, что если мы как следует поцарапаем железнодорожный мост через пролив Форт острой булавкой, концентрации напряжений вокруг царапины будет достаточно, чтобы он обрушился прямо в море. Скажем прямо, мосты крайне редко разваливаются от булавочных царапин. Более того, все знакомые нам конструкции — тяжелые машины, станки, корабли и самолеты — буквально напичканы концентрациями напряжений от мелких зазубрин, дырочек и отверстий, которые в большинстве случаев никакой угрозы не представляют. Тем не менее периодически конструкции ломаются, иногда с весьма серьезными последствиями.

Когда смысл расчетов Инглиса начал доходить до инженеров 50–60 лет назад, они были склонны закрывать глаза на эту проблему, ссылаясь на пластичность металлов, с которыми привыкли работать. Большинство пластичных металлов имеют диаграмму деформирования, весьма похожую на график, приведенный на рис. 9. Обычно считалось, что перенапряженный металл пластически перетекает, то есть фактически острая вершина трещины как бы «зарастает», избыточное напряжение сходит на нет и проблема безопасности решается сама собой.

Подобно многим «официальным версиям», эта частично правдива, однако описывает положение вещей далеко не полностью. Во множестве случаев пластичность металла не устраняет концентрации напряжений и локальная нагрузка по-прежнему намного превосходит предел прочности материала, установленный с помощью тестовых образцов в лабораторных условиях и приведенный в справочниках.

В течение длительного времени «неудобные» спекуляции, которые могли подорвать доверие к общепринятым методам расчетов прочности конструкций, не поощрялись. В мою бытность студентом имя Инглиса практически нигде не упоминалось, а высказывать сомнения, связанные с концентрацией напряжений, считалось в приличном обществе инженеров моветоном. С прагматических позиций такой подход можно даже признать частично оправданным, поскольку при взвешенно подобранных коэффициентах запаса традиционный способ расчета прочности (игнорирующий концентрацию напряжений) является вполне надежным и безопасным для большинства обыденных металлических конструкций. По сути дела, именно этот способ лежит в основе всех требований по безопасности, исходящих от правительства и страховых компаний.

Однако и в приличном техническом обществе случаются скандалы. В 1928 году на самом грандиозном и великолепном океанском лайнере своего времени «Маджестик» водоизмещением в 56 561 тонну установили дополнительный пассажирский лифт. Для этого в нескольких прочных палубах судна прорезали квадратные отверстия с прямыми незакругленными углами. Во время рейса, где-то между Нью-Йорком и Саутгемптоном, когда на борту находилось 3 тысячи пассажиров, от одного из этих отверстий по палубе пошла трещина. Она достигла борта и порядочно спустилась по обшивке вниз, пока по счастливой случайности не уперлась в иллюминатор. Лайнер благополучно прибыл в Саутгемптон, ни пассажиры, ни пресса не узнали о случившемся. По удивительному совпадению примерно в то же время точно такая же беда стряслась со вторым по грандиозности трансатлантическим круизным судном — американским «Левиафаном». И на этот раз все обошлось, и удалось избежать огласки. Если бы чуда не произошло и трещины прошли дальше, оба корабля в буквальном смысле развалились бы пополам, унеся в пучину огромное количество людей.

Подобные весьма драматические катастрофы с участием больших конструкций — кораблей, мостов, нефтяных платформ — во время и после Второй мировой войны стали делом обычным, и число их только растет. С годами приходит довольно болезненное, оплаченное огромными убытками и людскими потерями осознание того, что традиционных представлений об упругости (безусловно, полезных и нужных), выкованных трудами Гука, Юнга, Навье и плеяды математиков XIX века, не хватает для того, чтобы с достаточной определенностью предсказать разрушение конструкций, особенно больших.

До недавнего времени феномен упругости изучался и преподавался в категориях прочности и жесткости или, проще говоря, через призму сил и расстояний. Именно в таком ключе развивался и наш рассказ, и для большинства из нас это наиболее легкий и понятный формат разговора об упругости. Однако, говоря о природе и технике, гораздо уместнее рассуждать с позиции энергии. Такой подход плодотворнее, более того, именно он служит основой современных методов исследования прочности материалов и поведения конструкций или, говоря современным языком, «механики разрушений». «Энергетический» взгляд позволяет не только узнать многое о том, почему ломаются конструкции, но и понять множество других явлений — к примеру, в биологии и даже в истории человечества.

Досадно, что восприятие термина «энергия» у большинства людей замутнено и смешивается с разговорным значением этого слова, то есть с неким состоянием человека (что роднит его со словом «напряжение»). В этом случае обычно имеется в виду манера некоторых людей в суете и спешке делать какие-то дела и постоянно докучать окружающим. Такое толкование имеет лишь отдаленную связь с вполне конкретным научным понятием энергии как объективной и точно измеряемой физической величины, о которой мы сейчас и поговорим.

Энергия в ее научном понимании — это способность совершать работу, которая определяется произведением силы на расстояние. Чтобы поднять груз весом 5 килограммов на высоту 2 метра, мы должны совершить работу 10 кгс.м. В результате этого действия в грузе будет запасена так называемая потенциальная энергия — 10 кгс.м. До поры до времени эта энергия «заперта» в системе, но ее можно высвободить, отпустив груз. Эти 10 кгс.м энергии падения мы можем использовать для совершения полезных действий — например, привести в движение механизм часов или разбить лед в пруду.

Существует великое множество видов энергии: потенциальная, тепловая, химическая, электрическая и так далее. В нашем материальном мире любое событие или явление подразумевает процесс превращения энергии из одного из ее многочисленных видов в другой. В этом и заключается смысл любого события или явления с точки зрения физики. Превращение энергии имеет свои четкие правила и законы, главный из которых состоит в том, что нельзя получить нечто из ничего. Энергию невозможно создать или уничтожить, суммарное количество энергии до и после любого физического взаимодействия всегда остается одним и тем же. Этот принцип называется законом сохранения энергии.

Энергию можно назвать «универсальной научной валютой», которая имеет хождение во всех научных дисциплинах, а за ее «конвертацией» мы можем проследить с помощью весьма информативной «бухгалтерии». Для этого необходимо использовать правильные единицы измерения, но, как вы, вероятно, догадались, в этой сфере царит восхитительный бардак. Механики используют килограмм-сила-метры, физики пристрастились к эргам и электрон-вольтам, химики и диетологи полюбили калории, счета за электричество приходят в киловатт-часах. Все эти единицы, безусловно, свободно конвертируются туда и обратно, но сегодня удобнее всего пользоваться единицей системы СИ, а именно джоулем, то есть работой, которую совершает сила в 1 ньютон для перемещения на 1 метр расстояния [24].

Несмотря на то что энергия поддается точному измерению, для многих это понятие кажется гораздо менее очевидным, чем сила или расстояние. Энергия подобна ветру из стихотворения Стивенсона — мы можем ощутить ее присутствие лишь по тем действиям, которые она производит. Возможно, именно поэтому понятие энергии довольно поздно вошло в научный обиход — в современном виде его предложил в 1807 году Томас Юнг, а закон сохранения энергии получил всеобщее признание только в конце XIX века. Лишь после Эйнштейна и атомной бомбы научный мир признал чрезвычайную важность концепции энергии как фундаментального и универсального начала нашего мира.

Есть разнообразные способы накопления энергии до той поры, когда она понадобится, — химический, электрический тепловой и другие. Если нужно сохранить энергию механическими средствами, можно прибегнуть к описанному выше методу накопления потенциальной энергии с помощью поднятого груза. Однако это довольно топорный метод. С практической точки зрения гораздо более удобна энергия деформации (или энергия пружины), которая часто применяется в инженерном деле и природой, и человеком.

Довольно очевидно, что в заведенной пружине накапливается потенциальная энергия, однако, как отмечал Гук, пружина является лишь частным случаем поведения твердого тела под воздействием нагрузки. Таким образом, любой упругий материал при наличии нагрузки содержит потенциальную энергию деформации, при этом совершенно неважно, какого рода напряжение — растяжение или сжатие — он испытывает.

Если соблюдается закон Гука, напряжение в материале нарастает от нуля и достигает максимума, когда материал растягивается до предела. На рис. 1 энергия деформации на единицу объема материала отображена заштрихованной областью, а именно площадью треугольника под кривой напряжения-деформации. То есть

Инженеры потратили массу времени, изобретательности и усилий на усовершенствование автомобильных подвесок. При этом автомобили все же предназначены для перемещения по дорогам, главная задача которых — обеспечить ровную езду. Назначение подвески лишь в том, чтобы компенсировать толчки от случайных ухабов и мелких выбоин. А вот задача сконструировать подвеску для езды на большой скорости по пересеченной местности была бы чрезвычайно трудной. Пригодные для накопления такого количества энергии стальные пружины достигли бы огромных размеров, а их собственный «неподрессоренный вес», скорее всего, сделал бы всю конструкцию просто бессмысленной.

А теперь посмотрим на горнолыжника. Несмотря на мягкий снег, большинство лыжных спусков представляют собой гораздо более ухабистую поверхность, чем асфальтовая дорога. Если покрыть обычную горнолыжную трассу нескользящим покрытием, например песком, и пустить по ней автомобиль со средней скоростью лыжника, порядка 80 километров в час, поездка будет иметь трагические последствия — подвеска автомобиля просто не способна погасить такие толчки. А тело лыжника с удовольствием только этим и занимается. На самом деле бóльшую часть энергии поглощают сухожилия ног, которые суммарно весят менее полукилограмма [25]. Таким образом, для безопасных занятий скоростным спуском и другими спортивными геройствами наши сухожилия должны запасать и возвращать огромные объемы энергии. В том числе для этих целей они и предназначены.

Приблизительные данные о способности различных материалов накапливать энергию деформации приведены в таблице 3. Сравнение характеристик некоторых природных материалов и металлов, вполне возможно, удивит инженеров, а значения для сухожилий и стали прольют свет на механику лыжников и других животных. Соотношение запасаемой энергии на единицу веса у сухожилия в двадцать раз больше, чем у современной стали, которая используется для производства амортизаторов. И все же даже несмотря на то, что лыжник как машина для накопления энергии гораздо эффективнее большинства механических машин, он не сможет потягаться с оленем на склоне холма или мартышкой на дереве. Было бы крайне интересно сравнить, какая доля веса тела приходится на сухожилия у этих животных и у человека.

Кенгуру перемещаются прыжками, и при каждом ударе о землю сухожилия животного запасают энергию. Один коллега из Австралии писал мне, что объем энергии, запасаемый сухожилиями кенгуру, исключительно высок, но, к сожалению, точными данными я не располагаю. Тем не менее тому, кто решит сделать улучшенную модификацию тренажера «Кузнечик», я порекомендовал бы использовать в конструкции не стальные пружины, а именно сухожилия кенгуру — ну или просто чьи-нибудь сухожилия. В амортизаторах шасси легких самолетов, разработанных специально для посадок на необорудованные аэродромы, часто применяются резиновые шнуры. Способность запасать энергию деформации у резины гораздо выше, чем у стальных пружин, и даже выше, чем у сухожилий, хотя резина менее долговечна.

Энергия деформации важна не только для работы автомобильных подвесок и самолетных шасси, она оказывает определяющее влияние на прочность и разрушение любых конструкций. Однако, прежде чем перейти к теме механики разрушений, имеет смысл обсудить использование энергии деформации в оружейном деле, а именно в работе луков и катапульт.

Лук, чья стрела пролетит через все
(их не тронув) двенадцать

Колец, я с тем удалюся из этого милого дома,

Лук представляет собой одно из наиболее эффективных приспособлений для накопления мышечной энергии и ее высвобождения для выстрела. Английский длинный лук, положивший немало врагов в битвах при Креси (1346) и Азенкуре (1415), традиционно делали из тисового дерева. Поскольку тис сейчас крайне редко используется в промышленности, до недавнего времени исследований его свойств не проводилось. Мой коллега доктор Генри Блайт, который занимается изучением древнего оружия, установил, что строение древесины тиса (Taxus Baccata) на микроуровне довольно своеобразно и идеально приспособлено для сохранения упругой энергии, что делает тис лучшим материалом для изготовления луков.

Вопреки распространенному поверью английские луки все же обычно не делали из английского тиса, росшего на церковных погостах. В большинстве случаев в ход шла испанская древесина. Существовало даже правило, согласно которому купцы в нагрузку к каждой партии испанского вина должны были импортировать и партию тисовых болванок — будущих «дуг» для луков. Тис в изобилии растет не только в Испании, но и во всех странах Средиземноморья. Сегодня, например, он встречается на знаменитых руинах Помпей. Тем не менее нам практически неизвестно о тисовых луках в южных странах — ни в Средние века, ни в античный период. Область применения тиса ограничивалась Англией, Францией, отчасти Германией и Нидерландами. Вторжения англичан обычно не распространялись на юг дальше Бургундии, вряд ли когда-либо английские лучники пересекали Альпы или Пиренеи.

Эти факты, на первый взгляд, кажутся весьма странными. Однако, как отмечает Генри Блайт, тисовые луки применяли в основном в северных странах из-за того, что тис, в отличие от многих других пород древесины, довольно быстро утрачивает свои привлекательные механические свойства при высоких температурах. Уже при 35 градусах Цельсия тисовый лук становится ненадежен, поэтому воевать с ним жарким средиземноморским летом не получится. В Средиземноморье из тиса иногда делали стрелы, но луки — крайне редко.

В этих странах использовали так называемые составные, или «композитные», луки. Такой лук состоял из деревянной сердцевины, которая располагалась в средней, самой толстой части лука и испытывала лишь незначительную нагрузку, и накладных элементов. Внешняя накладная часть из высушенных сухожилий предназначалась для растяжения, а внутренняя, из рогового материала, — для сжатия. С точки зрения способности запасать энергию деформации оба эти материала даже превосходят тисовое дерево. Более того, они имеют животное происхождение и прекрасно сохраняют свои механические свойства при высокой температуре (в конце концов, нормальная «рабочая» температура животного — порядка 37 градусов). На практике температура ниже 55 градусов не производит на сухожилия никакого негативного воздействия, а вот при повышенной влажности они слабеют.

Композитные луки использовались в Турции и ряде других стран до сравнительно недавнего времени. Лорд Абердин (1784–1860) по дороге на Венский конгресс [27] писал в 1814 году о татарах, которые принимали участие в сражениях с отступающей через Восточную Европу наполеоновской армией и были вооружены чем-то похожим на композитные луки. Согласно многочисленным свидетельствам, эти луки по своим боевым характеристикам превосходили длинные английские. В то же время английский лук был, по сути, довольно прост и дешев в производстве, а вот изготовление композитного лука представляло собой мудреное предприятие — и, надо полагать, накладное. Коль скоро в Древней Греции использовались именно композитные луки, то луки Одиссея или Филоктета, скорее всего, были истинными произведениями оружейного искусства.

Вернемся к нашей страдалице Пенелопе и ее заданию для женихов — натянуть лук Одиссея. Как мы знаем, это оказалось не по силам ни одному из претендентов, даже технически подкованному Эвримаху:

Лук Одиссеев держал Эвримах и его над пылавшим

Жарко огнем поворачивал, грея. Не смог он, однако,

Крепость его победить. Застонало могучее сердце… [28]

Но, в конце концов, зачем так мучиться? Женихи, Одиссей или кто-либо другой могли просто использовать более длинную тетиву. Ответ: на то была весомая научная причина, и заключалась она в следующем. Энергия, которую может сообщить луку стрелок, ограничена возможностями человеческого организма. На практике стрелу получится оттянуть примерно на 0,6 метра, и даже физически развитому человеку не удастся приложить к тетиве силу больше 350 ньютонов. Таким образом, мышечная энергия составит 0,6 м × 350 Н = около 210 джоулей. Это весь возможный объем энергии, и мы хотим запасти максимальную его часть в виде энергии деформации лука.

Предположим, наш лук находится в ненапряженном состоянии, и тетива почти болтается. Тогда усилие стрелка в самом начале натягивания будет практически нулевым и достигнет своего максимума, когда тетива оттянется до предела (это схематично изображено на рис. 2). В этом случае энергия, запасенная в луке, эквивалентна площади треугольника ABC, то есть половине всего возможного объема энергии, а именно 105 джоулям.

На самом деле энергия, которую могли запасать английские длинные луки, была немного меньше этой величины. Гомер же отдельно оговаривает, что лук Одиссея был palintonos, в переводе с греческого «обратно натянутый».

Иными словами, лук в неснаряженном исходном состоянии (без тетивы) был выгнут в обратную сторону, так что для его натягивания требовалось приложить значительное усилие. Стреляя из такого оружия, лучник в начале выстрела прикладывает уже совсем не нулевое усилие. Благодаря этой хитроумной конструкции график напряжения-деформации будет напоминать рис. 4 [29]. Площадь прямоугольника ABCD под графиком составит гораздо бóльшую долю от возможной энергии, примерно 80%. То есть обратно загнутый лук способен запасти уже примерно 170 джоулей, а не 105, как в случае с длинным английским луком, что, безусловно, является весомым преимуществом для стрелка (не говоря уже о преимуществах для Пенелопы).

В действительности лук любого типа находится в более или менее «преднапряженном» состоянии, то есть для его натягивания нужно приложить то или иное усилие. Однако английский лук — так называемый простой, или дугообразный, сделанный из планки или щепы, отколотой от большого бревна, и изначально прямой, поэтому эффект предварительного напряжения не так уж и велик. Композитному же луку возможно придать нужную форму для создания напряжения. Она довольно характерна и обычно зовется «лук с двойным изгибом» или иногда — «лук Купидона» (рис. 5).

Поскольку такие материалы, как рог и сухожилия, способны запасать больше энергии деформации, чем дерево, композитные луки были гораздо меньше и легче. Именно поэтому мы и называем английский деревянный лук «большим». Размеры композитных луков вполне позволяли стрелять сидя в седле, что с успехом делали парфяне и татаро-монголы. Луки парфян были настолько удобны, что всадники могли стрелять даже назад, отступая от преследователей-римлян (отсюда фразеологизм о парфянской стреле).

Началось все на принадлежавшей тогда грекам Сицилии. Тиран Сиракуз Дионисий I был выдающимся историческим персонажем, начавшим свой путь мелким чиновником. За время своего правления, продолжавшегося с 405 по 367 год до н. э., он превратил Сиракузы в одно из самых могущественных государств Европы. В ходе программы военных преобразований он учредил первую в своем роде государственную «исследовательскую лабораторию» по разработке вооружений и собрал в ней лучших математиков и мастеров со всего греческого мира.

Естественным образом исследования экспертов Дионисия начались с композитного лука. Если положить такой лук на некое подобие ложа, а для натягивания тетивы приспособить механический привод или систему рычагов, конструкция станет жестче и сможет запасать и высвобождать в несколько раз больше энергии. Таким образом мы получим арбалет — оружие, стрелы которого пробивают доспехи практически любой толщины [30]. Арбалет с незначительными изменениями остается на вооружении до наших дней. Поговаривают, что в Северной Ирландии им пользуются до сих пор. Но примечательно, что решающей роли в сражениях арбалет никогда не играл.

Более того, арбалет — это, по сути дела, пехотное оружие, применявшееся для поражения живой силы противника. Этот тип конструкции так и не приобрел боевых характеристик, необходимых для причинения весомого вреда корпусам судов или наземным фортификационным сооружениям. Несмотря на то что сиракузские мастера масштабировали арбалет и сделали катапульту на мощном лафете, напоминавшем пушечный, это направление развития, по-видимому, имело непреодолимые физические ограничения — катапульта не обладала нужной мощью, чтобы разрушить каменную кладку крепостей или укреплений [31].

Следующим логичным шагом стал отказ от конструкции типа лука и решение запасать потенциальную энергию деформации в жгутах из скрученных сухожилий (которые напоминают резиновые жгуты, используемые в конструкции «моторов» авиамоделей). Когда жгут скручивается, натяжению подвергаются все нити сухожилий, то есть весь материал в целом, поэтому он представляет собой весьма эффективное приспособление для сохранения энергии.

Известно несколько способов использования жгутов из сухожилий в оружейном деле, однако наиболее эффективной была конструкция, известная под греческим названием палинтон или под римским — баллиста. В этом смертоносном орудии две пружины из сухожилий, расположенные вертикально, закручивались при помощи двух жестких рычагов, напоминавших корабельные якорные кабестаны (рис. 6). Концы рычагов соединялись прочной тетивой, и устройство работало по принципу лука. Свое греческое название орудие получило именно потому, что в ненатянутом положении оба рычага были выгнуты вперед, как концы неснаряженного композитного лука (который, как мы помним, Гомер называл palintonos). Снаряд, в этом качестве обычно выступало каменное ядро, перемещался по желобу, на который крепилась лебедкадля приведения орудия в боевое положение. Усилие лебедки могло достигать 100 тонн.

Римляне скопировали греческую конструкцию, и Витрувий, служивший военным механиком под началом Юлия Цезаря, оставил весьма любопытные записки о баллистах. Орудия различных размеров были приспособлены для стрельбы ядрами от 2 до 150 килограммов, а эффективная дальность составляла около 400 метров. Типичная для римской армии баллиста, по всей видимости, стреляла ядрами весом около 40 килограммов.

Во время последней решающей осады Карфагена в 146 году до н. э. римляне засыпали часть мелкой лагуны, расположенной напротив городской стены, и обстреливали город из баллист. Археологи нашли на этом месте более 6 тысяч каменных ядер, каждое примерно 40 килограммов весом.

Хотя и Цезарь, и Клавдий во время высадок на Британские острова применяли установленные на кораблях баллисты, чтобы очистить пляжи от древних бриттов, катапульта так и не стала полноценным орудием морского боя между судами. Баллиста такого размера и мощности, чтобы потопить корабль противника с одного выстрела, должна была обладать слишком низкой скоростью стрельбы для попадания по движущейся цели. Иногда катапульты стреляли зажигательными снарядами, однако на простом корабле, полном людей, пожар довольно легко потушить. Один премудрый адмирал в 184 году до н. э. выиграл морское сражение, применив в качестве снарядов горшки с ядовитыми змеями, но его примеру, похоже, не спешили следовать. Короче говоря, катапульты не имели особого успеха на море.

Тем не менее в сухопутных сражениях палинтоны и баллисты отличались чрезвычайной эффективностью, хотя их постройка и обслуживание были делом весьма и весьма мудреным, а римские артиллеристы, скорее всего, обладали завидной специальной подготовкой. После упадка Римской империи подобные технологичные виды оружия оказались невостребованны ввиду их чрезмерной сложности и вскоре забыты [32].

В Средние века осадные орудия деградировали до пращевых катапульт, или требушетов. Требушет представлял собой конструкцию, основанную на принципе маятника, где использовалась потенциальная энергия поднятого груза. Даже большое орудие подобного рода вряд ли могло поднять больше тонны (10 000 ньютонов) на высоту 3 метра. То есть максимально возможная энергия, которое оно могло запасти, не превышало 30 000 джоулей. Такое же количество энергии можно запасти в 10–12 килограммах сухожилий. Таким образом, даже большой требушет располагал не более чем одной десятой энергии палинтона. Кроме того, невысока была и эффективность преобразования энергии. Максимальный боевой эффект от требушета состоял разве что в назойливом перекидывании камней через крепостную стену, а сколько-нибудь значительных разрушений каменным укреплениям противника он причинить не мог.

Как устройства по преобразованию энергии лук и палинтон работают по схожему принципу, причем не все понимают, насколько эффективен здесь механизм преобразования энергии. В таких примитивных машинах, как требушет, бóльшая часть энергии, которая высвобождается в момент выстрела, уходит на ускорение тяжелого метательного рычага и в конечном счете теряется, когда рычаг упирается в стопор. В случае же с луком или палинтоном, когда тетива отпущена, лишь незначительное количество кинетической энергии сообщается непосредственно стреле или ядру. Бóльшая же часть запасенной энергии уходит на ускорение рычагов катапульты (или концов лука), где она временно запасается в форме кинетической энергии, примерно так же, как и в требушете. Однако в этом случае процесс выстрела не останавливается, а развивается дальше — движение рычагов замедляется, но не за счет вынужденной остановки, а за счет распрямления и «напружинивания» тетивы, которая в результате еще больше подталкивает снаряд и придает ему дополнительное ускорение. Таким образом бóльшая часть кинетической энергии рычагов сообщается снаряду.

Математика луков и катапульт весьма сложна, и, даже выписав уравнения движения, их нельзя решить аналитически. Однако, по счастью, еще один мой коллега, доктор Тони Претлов, настолько заинтересовался задачей, что перепоручил ее компьютеру. В результате, к нашему удивлению, обнаружилось, что теоретически преобразование энергии близко к 100%. Иными словами, практически вся потенциальная энергия деформации, которую запасает лук (или палинтон), превращается в кинетическую энергию снаряда. Теряется или остается невостребованной, то есть уходит в отдачу или разрушение самой конструкции, лишь малая часть энергии. Во всяком случае, в этом отношении луки и катапульты превосходят огнестрельное оружие.

Практические последствия этих выкладок хорошо известны каждому лучнику: никогда, ни за что на свете и ни в коем случае нельзя стрелять из лука (или катапульты) вхолостую или неправильной стрелой (или ядром). В таком случае запасенная энергия деформации не будет иметь безопасного выхода, что чревато не только поломкой лука, но и травмой лучника.

И ветер бьет, и мачту гнет,

Вздувает паруса.

Аллан Каннингем. Морская песня.
Пер. Е. Фельдмана

Когда Галилей в 1633 году поселился в Арчетри, первыми вопросами, которыми он задался, были: какие факторы влияют на прочность веревки или стержня в натяжении и зависит ли прочность веревки, например, от ее длины? Простейшие эксперименты показали, что в постоянном натяжении длина равномерной веревки никак не влияет на силу или вес, которые необходимо приложить для ее разрыва. В общем-то, такой ответ подсказывает нам простой здравый смысл, но, видимо, подсказывает недостаточно убедительно — до сих пор можно встретить людей, убежденных, что длинная веревка крепче короткой.

Конечно, нельзя просто взять и сказать, что эти люди идиоты. Все дело в том, что именно понимать под словом «крепче». Равномерное натяжение, необходимое для разрыва длинной веревки, будет точно таким же, как и для короткой, просто длинная веревка, перед тем как разорваться, растянется на большее расстояние, то есть потребуется больше работы, или энергии, чтобы ее разорвать, хотя прилагаемая сила и напряжение материала останутся неизменными. Иначе говоря, длинная веревка смягчит рывок и упруго растянется под действием нагрузки, таким образом компенсируя напряжение, то есть будет действовать наподобие подвески автомобиля.

Поэтому в ситуации, когда нагрузка прилагается рывками, длинная веревка будет действительно в некотором смысле «крепче» короткой. Именно поэтому корпуса карет XVIII века подвешивали на раму шасси при помощи длинных кожаных ремней, которые намного лучше коротких компенсировали тряску от рытвин и ухабов на не очень хороших дорогах того времени. Опять же, якорные канаты и буксировочные тросы страдают не от равномерного натяжения, а от резких рывков, именно поэтому их нужно делать как можно более длинными. Тем, кто рискует встретить в море буксируемые сухие доки или нефтяные платформы в ночное время или в тумане, следует иметь в виду, что между ними и буксиром километр-полтора стального троса. Такие процессии в море занимают огромную площадь, и встреча с ними может произвести неизгладимое впечатление на случайного мореплавателя [33].

Такая способность запасать энергию деформации и упруго менять форму под действием нагрузки, не разрушаясь, называется резильянс [34] и является очень важной характеристикой конструкции. Резильянс можно определить как количество энергии деформации, которую способна запасти конструкция, не разрушившись.

Безусловно, чтобы добиться резильянса, необязательно брать длинную веревку или стальной трос. Гораздо удобнее использовать более короткие предметы, например витые пружины, которые ставят в буферах железнодорожных вагонов, или подушки из мягких материалов, например швартовочные кранцы кораблей, или материалы с низким модулем Юнга, такие как пенорезина или пенопласт, используемые для упаковки сложной аппаратуры и хрупких товаров. Эти объекты способны гораздо сильнее растягиваться или сжиматься относительно собственной длины и запасать больше энергии деформации на единицу собственного веса. Высокая эффективность «подвески» горнолыжников и подобных им по поведению животных частично объясняется сравнительно низким модулем Юнга их сухожилий и других тканей, а также способностью к сильному растяжению.

С другой стороны, хоть низкая жесткость и высокая растяжимость и способствуют поглощению энергии и предохраняют конструкцию от разрушений, существует опасность сделать конструкцию слишком гибкой и податливой для ее непосредственных функций. Это существенно ограничивает величину резильянса, который мы можем себе позволить при проектировании. Такие сооружения, как самолеты, здания, инструменты и оружие, должны быть достаточно жесткими. Поэтому в проектировании конструкций всегда должен соблюдаться компромисс между жесткостью и прочностью, с одной стороны, и резильянсом — с другой. Такой компромисс — серьезная проверка мастерства конструктора.

Оптимальные условия этого компромисса варьируются не только для различных типов конструкций, но и для разных компонентов одной конструкции. В этом отношении Природа находится в более выигрышном положении, ведь в ее распоряжении огромный диапазон упругих свойств самых разнообразных биологических тканей. Очень простой, но вместе с тем очень интересный пример — паутина. Она постоянно подвергается ударным нагрузкам от застревающих на лету мух, и энергия этих нагрузок должна поглощаться за счет резильянса нитей. Выяснилось, что длинные радиальные нити, которые формируют несущую структуру всей конструкции, в три раза жестче, чем более короткие круговые нити, задача которых, собственно, и состоит в ловле мух.

Естественно, помимо элементов, работающих на растяжение (таких, как паутина) или на сжатие (как буфера вагонов или кранцы судов), существует множество способов запасти упругую энергию и добиться резильянса. Фактически эту функцию может выполнять любая разновидность конструкции, способная к упругой деформации. Наиболее распространенное явление — запасание упругой энергии сгибанием, как в луке или мачте парусного судна. То же самое происходит со стеблями растений, стволами деревьев и автомобильными амортизаторами. Хорошо выкованный меч должен сгибаться так, чтобы кончик доставал до рукоятки, и восстанавливать свою первоначальную форму.

Все упругие материалы, испытывающие действие нагрузки, запасают тот или иной объем энергии деформации, и эта энергия потенциально всегда может быть обращена в процесс разрыва или разрушения. Проще говоря, запасенная «валюта» энергии деформации или резильянса может покрыть те затраты энергии, которые необходимы для образования трещины, и вызвать разрушение конструкции. В упругих конструкциях обычно запасено значительное количество потенциальной энергии. Точно такая же энергия, которую римляне использовали для разрушения стен Карфагена, вполне может разломить пополам и потопить супертанкер в открытом океане.

Согласно современному взгляду на предмет, когда конструкция разрушается в натяжении под действием нагрузки, мы не должны рассматривать это событие как прямое следствие приложения нагрузки, растягивающей связи между атомами материала. То есть разрушение не вызвано простым воздействием растягивающего напряжения, как рассказывают нам обычные учебники [35]. Прямым следствием увеличения нагрузки будет лишь увеличение объема запасаемой энергии деформации в материале. Вопрос на миллион — сломается ли конструкция в конкретном стыке или шве — сводится к тому, сможет ли потенциальная энергия деформации преобразоваться в кинетическую энергию разрушения, вызвав образование трещины, или не сможет.

Таким образом, современная механика разрушений изучает скорее не силы и напряжения, а вопросы «как», «почему» и «где» энергия деформации преобразуется в энергию разрыва. Конечно, в простых случаях с палками и веревками классические критерии прочности на разрыв вполне сгодятся, однако, если рассматривать сложные конструкции — мосты, суда или сосуды под давлением, — классический подход, как мы убедились, выглядит чересчур опасным упрощением. С точки зрения современной науки разрушение или стабильность конструкции при растяжении (под действием ли резкого рывка или постоянной нагрузки) главным образом зависит от ряда факторов.

1. Затраты энергии, необходимые на образование трещины.

2. Объем энергии деформации, который может возникнуть в конструкции, достаточный или нет для того, чтобы покрыть эти затраты.

3. Размеры наиболее опасных отверстий или трещин в данной конструкции.

Безусловно, для разрушения разных тел требуются совершенно разные объемы энергии, и разброс тут чрезвычайно широк. За подтверждением не надо далеко ходить: достаточно сначала стукнуть молотком по стеклянной банке, а затем, для сравнения, — по жестянке из-под консервов. Количество энергии, необходимое для разрушения определенного сечения материала, определяет его «ударную вязкость», «изломостойкость», или, как чаще говорят сегодня, «работу разрушения». Это свойство не стоит путать с прочностью материала, которая выражается через напряжение (но не энергию), необходимое для разрушения материала. Работа разрушения материала играет очень важную роль для практической прочности всей конструкции, особенно большой, поэтому уделим немного времени разговору об этой характеристике применительно к разным твердым телам.

Количество энергии, необходимое для разрушения связей в большинстве твердых тел, хорошо известно, во всяком случае химикам. На самом деле для значительной части материалов, используемых в конструировании, количество энергии для разрушения всех связей между атомами на любой поверхности и в любом поперечном сечении [36] практически одинаково и составляет около 1 джоуля на квадратный метр.

Когда мы имеем дело с материалами, которые по очевидным причинам называются «хрупкими», — камнем, кирпичом, стеклом или керамикой — этой энергии вполне достаточно, чтобы вызвать разрушение. Кстати говоря, 1 Дж/м2 — просто жалкая величина. Для лучшего понимания реальности заметим, что энергии, которую запасает 1 килограмм сухожилий, по грубым прикидкам, достаточно, чтобы разбить 2500 квадратных метров поверхности стекла. Это будет похлеще, чем слон в посудной лавке. Именно поэтому каменщик ломает кирпич пополам легким ударом мастерка, а нам хватает одного неловкого движения, чтобы разбить тарелку или винный бокал.

Естественно, в этом главный резон по возможности избегать применения хрупких материалов там, где они могут находиться в состоянии натяжения. Эти материалы хрупки не столько по причине своей низкой прочности на разрыв (иначе говоря, чтобы их разрушить, нужно приложить небольшую силу), сколько потому, что для их разрушения необходимо лишь незначительное количество энергии.

Для разрушения и образования поверхности разрыва в тех инженерных и биологических субстанциях, которые сравнительно успешно и безопасно используются в натяжении, требуется гораздо большее количество энергии. Иначе говоря, их работа разрушения во много-много раз больше, чем в случае с хрупкими веществами. На практике работа разрушения для изломостойких материалов варьируется в пределах от 103 до 106 Дж/м2 (таб. 4). Таким образом, количество энергии, необходимое для разрушения сварочной или мягкой стали, в миллион раз выше, чем для разрушения стекла или керамики аналогичного сечения, притом что статическая прочность на разрыв у этих материалов различается не слишком сильно. Вот почему сравнительная таблица прочности материалов (таб. 2) может быть крайне обманчива, когда дело доходит до выбора материалов для практического конструирования. Также поэтому классическая теория упругости — с усердием созданная трудами поколений ученых и с не меньшим усердием преподаваемая студентам и в основе которой лежат силы и напряжения — не способна предсказать поведение материалов и конструкций в реальной жизни.

В деталях механизм поглощения такого громадного количества энергии в виде работы разрушения сложен и заумен, однако общий принцип достаточно прост. Для повреждения хрупкого твердого тела вполне достаточно той работы разрушения, которая необходима для разрыва связей между атомами, находящимися непосредственно в месте разрыва или совсем рядом с ним. Как было замечено выше, речь идет о небольшом объеме энергии, около 1 Дж/м2. Если же мы говорим об изломостойком материале, несмотря на то что прочность и энергия отдельных атомных связей составляет примерно ту же величину, нарушение структуры на атомном уровне затрагивает намного больший объем материала.

На самом деле глубина воздействия может составлять до 1 сантиметра, то есть до 50 миллионов атомов вглубь от поверхности разрушения. Таким образом, если в процессе такого воздействия нарушается одна из 50 атомных связей, то работа разрушения — то есть энергия, необходимая для образования трещины — возрастает в миллион раз, что, как мы убедились, в действительности и происходит. Молекулы, располагающиеся в глубине материала, участвуют в поглощении энергии и сопротивляются разрыву.

Высокая работа разрушения для мягких металлов в первую очередь обусловлена их «тягучестью». Это означает, что при растяжении кривая напряжения-деформации на определенной отметке, при сравнительно невысоком напряжении, перестает подчиняться закону Гука, и материал начинает деформироваться пластически, как пластилин (рис. 9). Когда стержень (или лист) такого металла разрушается в растяжении, он сперва вытягивается подобно патоке или жевательной резинке, а концы разрыва истончаются, как показано на рис. 10. Такую форму разрыва называют образованием шейки.

Разрушение на такой мягкий манер происходит потому, что слои атомов в кристаллической структуре металла сдвигаются друг относительно друга. Этот процесс называется дислокацией. Благодаря дислокационному механизму слои атомов не только перемещаются подобно картам в колоде, но и поглощают довольно большое количество энергии. Результатом этих сдвижек, скольжений и растяжений в кристаллической структуре и является способность металла менять форму и поглощать энергию.

Механизм дислокации [37], который постулировал в 1934 году Джефри Тэйлор, в последние 30 лет стал предметом интенсивного изучения и оказался явлением довольно сложным и неочевидным. Внутреннее устройство такой, на первый взгляд, простой вещи, как кусок металла, оказалось настолько же хитроумным, как механизмы живых биологических тканей. Самое же парадоксальное состоит в том, что это хитроумное устройство, похоже, не имеет никакой цели, хотя бы потому, что самой природе от него никакого проку — она не использует металлы для своих конструкторских задач, да и сам металл в его «металлическом» виде в естественном залегании встречается редко.

Так или иначе, дислокация в металлах сослужила инженерам настолько хорошую службу, что кажется, будто Природа изобрела ее специально для инженеров — благодаря этому явлению металлы не только обладают изломостойкостью, но и поддаются ковке, обработке и закалке.

Искусственно созданные пластмассы и композитные материалы имеют собственные, не менее эффективные механизмы поглощения энергии при разрушении. Свои поистине хитроумные и весьма результативные методы достижения высоких показателей работы разрушения есть и у биологических материалов, например у древесины. Ее работа разрушения на единицу веса намного выше, чем у большинства видов стали [38].

А теперь давайте поговорим о том, как энергия деформации в упругой конструкции превращается в работу разрушения — или, если хотите, в чем истинная причина того, что вещи ломаются.

Как и почему на фоне таких напряжений нам в основном удается избегать катастроф, предположил английский инженер Алан Гриффитс (1893–1963) в своей работе, опубликованной в 1920 году, всего через 20 лет после выхода прекрасной истории Киплинга о трещине. Гриффитс тогда был совсем юн, и на его статью почти никто не обратил внимания. Так или иначе, его взгляд на проблему разрушения через призму энергии (а не сил и напряжений) являлся не просто новаторским для своего времени, но довольно экзотическим для самого образа мышления инженеров — и тогда, и даже много лет спустя. Даже сейчас многие специалисты не особенно понимают, в чем суть теории Гриффитса.

А говорил Гриффитс вот о чем. Если смотреть с точки зрения энергии, то концентрация напряжений, о которой писал Инглис, это всего-навсего механизм (наподобие молнии в брюках) для преобразования энергии деформации в энергию разрушения, точно так же, как электромотор является механизмом для преобразования электрической энергии в движение, а консервный нож — механизмом использования мышечной энергии для разрезания металла. Ни один из этих механизмов не будет работать сам по себе без постоянного притока энергии нужного типа. Концентрация напряжений — механизм весьма эффективный, но чтобы в клочья разнести атомы какого-нибудь вещества, этот механизм нужно снабдить достаточным количеством энергии. Когда поступление энергии прекращается, прекращается и процесс разрушения.

Теперь давайте рассмотрим практический случай. У нас есть кусок упругого материала, в растяжении закрепленный с обоих концов. В таком состоянии материал не может ни получать, ни отдавать энергию — таким образом, мы имеем замкнутую систему, содержащую некое количество энергии деформации.

Чтобы в нашем образце возникла трещина, нужно «оплатить» работу разрушения определенным количеством «энергетической валюты», и условия этой сделки весьма просты — наличный расчет на месте. Если для удобства вычислений мы примем, что наш образец является пластиной толщиной в 1 единицу, тогда энергетический «счет» составит W × L, где W — работа разрушения, а L — длина трещины. Обратите внимание, что это «дебет», то есть сумма в расходной части нашего энергетического бухгалтерского баланса, а в доходной части у нас пока ничего нет. Дебет линейно зависит от L, то есть от длины трещины.

Энергию нужно получить непосредственно и немедленно из внутренних источников, а поскольку система у нас закрытая, то появиться она может только за счет снятия, или релаксации, напряжения энергии внутри самой системы. То есть в каком-то участке нашего образца напряжение должно уменьшиться.

Произойдет это вот как. Когда трещина немного раскроется в результате напряжения, и в участках материала в непосредственной близости от нее (примерно показаны затененными треугольниками на рис. 11), напряжение упадет. Именно эти участки и отдадут энергию. Очевидно, что площадь этих треугольников будет увеличиваться пропорционально длине трещины L и приблизительно составит квадрат длины трещины, то есть L 2, следовательно, объем высвобождаемой энергии увеличится как L 2.

Таким образом, главный принцип теории Гриффитса состоит в том, что, в то время как дебет процесса образования трещины растет как L, кредит будет расти как L 2. Графически ситуация изображена на рис. 12. Линия ОА — прямая, она показывает необходимую потребность в энергии по мере увеличения трещины. Линия ОB отражает количество высвобождаемой энергии по мере увеличения трещины и представляет собой параболу. Линия ОС выражает энергетический баланс, то есть сумму ОА и OB.

До точки X вся система потребляет энергию, а после нее энергия начинает высвобождаться. Из этого следует, что существует значение L, обозначим его Lg, которое называется «критической длиной трещины по Гриффитсу». Трещины короче этого отрезка безопасны, стабильны и, как правило, не увеличиваются, а вот более длинные трещины являются «самораспространяющимися» и поэтому опасными [39]. Такие трещины стремительно удлиняются в материале и ведут к «взрывному» разрушению — очень шумному и драматическому. Фигурально выражаясь, «последний вздох» сооружения с такой трещиной звучит скорее как грохот и довольно часто приводит к совсем не фигуральным похоронам.

Самое важное следствие из всего вышесказанного заключается вот в чем. Даже в том случае, если локальное напряжение на вершине трещины очень велико — даже когда оно значительно превышает номинальный предел прочности материала, — разрушения конструкции не произойдет до тех пор, пока длина трещины не превысит критической длины Lg. Именно этот принцип позволяет нам несильно расстраиваться и тревожиться по поводу концентраций напряжения, о которых говорил Инглис. Именно поэтому опасность дырок, трещин и царапин не стоит преувеличивать.

Естественно, хотелось бы выразить длину Lg математически. На самом деле для рядовых условий сделать это гораздо проще, чем кажется. Хотя способ, с помощью которого Гриффитс вывел свою формулу, выглядит несколько устрашающе, конечный результат обезоруживает своей простотой и красотой:

что алгебраически можно выразить как

где

W — работа разрушения для каждой поверхности (Дж/м2);

E — модуль Юнга (Н/м2);

Lg — критическая длина трещины в метрах;

s — среднее напряжение растяжения вблизи трещины без учета концентраций напряжения (Н/м2).

(Обратите внимание, в формуле указаны ньютоны, а не меганьютоны.)

Таким образом, критическая длина трещины зависит от отношения работы разрушения к энергии деформации, запасенной в материале, иначе говоря — обратно пропорциональна резильянсу. Чем выше резильянс, тем меньше допустимая безопасная длина трещин. Это еще один пример того, что нельзя усидеть на двух стульях одновременно.

Как мы видели, резина способна запасать огромный объем энергии деформации. В то же время она обладает низкой работой разрушения, критическая длина трещины Lg для растянутой резины довольно мала и составляет доли миллиметра. Именно поэтому, если мы воткнем булавку в надутый воздушный шарик, он с грохотом лопнет. Таким образом, хотя резина и обладает высоким резильянсом и перед разрушением способна к сильному растяжению, когда момент наконец наступает, процесс разрушения развивается по «хрупкому» сценарию — совсем как у стекла.

Один из способов добиться и резильянса, и изломостойкости одновременно подскажут такие изделия, как ткань, плетеные корзины, деревянные корабли или конные экипажи. Соединения в этих изделиях не жесткие, а более или менее подвижные, и энергия поглощается за счет трения в них (вот чем объясняется скрип телеги). Тем не менее, несмотря на то что плетеные изгороди и птичьи гнезда весьма устойчивы к внешним нагрузкам, этот способ нечасто используется современными инженерами. Исключение составляют лишь автомобильные шины, резину которых укрепляют кордовой тканью.

Далее мы увидим, что Lg очень быстро сокращается по мере увеличения напряжения s. Таким образом, чтобы безопасно себя чувствовать с длинной трещиной и большим напряжением, материал должен иметь наибольшее значение W, то есть работы разрушения, и быть при этом довольно жестким, то есть с хорошим значением модуля Юнга E. Именно сочетанием этих качеств, а также сравнительной дешевизной объясняется столь важная экономическая и политическая роль такого материала, как мягкая сталь.

Хотя, как мы убедимся далее, применение описанного уравнения Гриффитса имеет много подводных камней и оно ни в коем случае не является панацеей от всех конструкторских бед, с его помощью проясняется множество инженерных ситуаций, которые ранее не имели рационального решения.

Скажем, сегодня вместо того, чтобы мудрить с надуманными коэффициентами безопасности, современный инженер спроектирует конструкцию, которая выдерживает без катастрофических последствий трещину определенной длины. Эта длина должна пребывать в разумном соотношении с размером конструкции, а также учитывать условия эксплуатации и проверки сооружения. Для тех сооружений, разрушение которых чревато человеческими жертвами, необходимо, чтобы «безопасная трещина» была довольно длинной и заметной даже усталому, скучающему и туповатому инспектору в условиях плохого освещения в пятницу вечером.

Если мы проектируем что-то очень большое, например мост или судно, то, скорее всего, заложим в расчеты безопасную трещину длиной 1–2 метра. Допустим, мы хотим, чтобы наша безопасная трещина составляла 1 метр. Тогда, сделав весьма осторожное допущение, что работа разрушения стали составляет 105 Дж/м2, мы придем к выводу, что трещина останется стабильной при напряжении 110 МН/м2. Если же мы перестрахуемся и возьмем длину трещины 2 метра, то допустимое значение напряжения уменьшится до 80 МН/м2.

На самом деле 80 МН/м2 представляет собой довольно стандартное напряжение, с учетом которого проектируются большие конструкции, и допустимый коэффициент безопасности для такого напряжения у мягкой стали находится в пределах между 5 и 6. Рассмотрим, как это работает на практике, на следующем примере. На плановую проверку в доках отправлено 4694 судна. У 1289 судов, то есть примерно у четверти, обнаружились серьезные трещины в конструкции прочного корпуса (после чего суда, естественно, отремонтировали). Примерно одно судно из 500 впоследствии потерпело крушение в море. Это все равно много в абсолютных величинах, но процент от общего количества незначительный. Так вот, если бы при конструировании в этих судах было предусмотрено более высокое напряжение и если бы они были сделаны из более хрупких материалов, то все те трещины просто не были бы обнаружены во время проверки, и судов утонуло бы гораздо больше.

Если следовать теории Гриффитса буквально, трещина короче критической вообще не будет удлиняться, а поскольку все трещины начинаются как короткие, то в мире ничего не должно ломаться в принципе. На самом же деле металлурги и материаловеды могут рассказать о множестве причин, благодаря которым у коротких трещин хорошо получается удлиняться, и мы поговорим об этом в главе 15. Тем не менее удлиняются они довольно медленно, и, как правило, хватает времени, чтобы заметить это и принять нужные меры.

К сожалению, так случается далеко не всегда. Профессор Конн, до недавнего времени преподававший теорию кораблестроения в Университете Глазго, рассказывал мне поучительную историю. Как-то утром кок большого грузового судна, зайдя к себе на камбуз, обнаружил посреди пола здоровенную трещину. Кок вызвал главного буфетчика, тот посмотрел на трещину и вызвал старшего помощника, который тоже посмотрел на трещину и вызвал капитана. Капитан в свою очередь тоже посмотрел на трещину и сказал: «Ерунда! А где завтрак?!»

Наш кок обладал научным складом ума и, покончив с приготовлением завтрака, взял немного краски и поставил у вершины трещины отметку с датой. После того как судно попало в небольшой шторм и трещина удлинилась на несколько сантиметров, он поставил новую отметку и новую дату. Будучи человеком последовательным, он продолжал фиксировать длину трещины и дальше.

Когда наконец судно потерпело-таки крушение и развалилось, фрагмент, который остался на плаву и был отбуксирован в порт, по счастью, оказался именно с той стороны трещины, где кок ставил свои отметки. Так, по словам профессора Конна, мы получили самое лучшее и достоверное задокументированное свидетельство того, как большая трещина докритической длины прогрессировала.

Хотя точное значение работы разрушения материала во многом зависит от методики испытания и непротиворечивые данные получить бывает сложно, в целом изломостойкость большинства металлов значительно снижается с увеличением прочности на разрыв. На рис. 13 показана взаимная зависимость этих свойств у обыкновенной углеродистой стали при комнатной температуре.

Увеличить прочность стали вдвое можно довольно легко и относительно недорого, просто повысив содержание углерода. Однако, поступив таким образом, мы снизим величину работы разрушения раз этак в 15. В этом случае критическая длина трещины уменьшится примерно в этой же пропорции — то есть вместо 1 метра мы получим 6 сантиметров при том же напряжении.

Если же мы вдвое увеличим напряжение, ради которого, собственно, эксперимент и затевается, критическая длина трещины уменьшится в 15 × 22 = 60. То есть если изначальная критическая длина трещины составляла 1 метр, то теперь она будет равняться 1,5 сантиметра, что чрезвычайно опасно для больших конструкций.

Для относительно мелких деталей вроде болтов и коленчатых валов картина выглядит по-другому, поскольку закладывать в расчеты трещины метровой длины совсем неуместно. Если принять допустимую длину трещины за 1 сантиметр, такая трещина будет безопасной при напряжении до 280 МН/м2, и в этом случае вполне годится высокопрочный материал. Таким образом, одно из следствий теории Гриффитса состоит в том, что высокопрочные материалы при больших напряжениях более надежны в малых конструкциях, нежели в больших. Чем больше размер конструкции, тем меньшее напряжение допустимо в интересах безопасности. Это один из факторов, который ограничивает максимальные размеры кораблей и мостов.

Зависимость работы разрушения и прочности, показанная на рис. 13, примерно соответствует характеристикам простых углеродистых сталей, используемых в промышленности. Более выгодной комбинации прочности и изломостойкости можно добиться у специальных легированных сталей, в состав которых добавлены другие элементы помимо углерода, однако эти материалы слишком дороги для применения в больших конструкциях. Именно поэтому порядка 98% всей производимой стали представляет собой так называемую мягкую сталь — мягкий вязкий металл с прочностью порядка 450 МН/м_idGenCharOverride-1">2.

Стивенсон, конечно, написал милую чепуху — детские косточки вовсе не ломки [40]. В эмбриональном состоянии кости еще представляют собой коллаген или хрящевую ткань, прочную, но не очень жесткую (ее модуль Юнга около 600 МН/м2). По мере развития плода коллаген укрепляется неорганическими волокнами, остеонами, состоящими в основном из соединений кальция и фосфора и имеющими приблизительную формулу 3 Ca3(PO4)2 × Ca(OH)2. Модуль Юнга полностью сформировавшейся кости увеличивается в 30 с лишним раз и составляет порядка 20 000 МН/м2. Тем не менее наши кости полностью кальцинируются лишь спустя продолжительное время после рождения. Естественно, маленькие дети — существа довольно ранимые, но они скорее склонны к ушибам, нежели к переломам, в чем легко убедиться на горнолыжных склонах.

И все же по сравнению с мягкими тканями любая кость представляет собой довольно хрупкий материал, а работа разрушения кости, по-видимому, меньше, чем у дерева. Поэтому хрупкость костей накладывает на поведение крупных животных серьезные ограничения. Как было отмечено выше в контексте разговора о судах и мостах, критическая длина трещины по Гриффитсу — это величина абсолютная, а не относительная. Иначе говоря, для кости мыши и кости слона она одинакова. Более того, прочность и жесткость костей всех животных тоже примерно одинакова. Учитывая это обстоятельство, максимально безопасным размером для животного представляется размер человека или, скажем, льва. Мышь, кошка или физически здоровый человек вполне могут безболезненно спрыгнуть со стола, а вот слон вряд ли. На самом деле слонам приходится быть весьма осторожными — вы не увидите, как они скачут через заборы подобно овцам или собакам. Самые большие животные, китообразные, вообще предпочитают жить в океане. Интересный случай представляют собой лошади. Древние дикие лошади небольшого роста, скорее всего, редко страдали от повреждений костей, а вот их потомки, несчастные долговязые создания, выведенные человеком специально, чтобы ездить верхом, ломают себе ноги постоянно.

Известно, что пожилые люди особенно подвержены переломам костей, и обычно это объясняется тем, что кости с возрастом становятся более хрупкими. Несомненно, увеличение хрупкости влияет на частоту переломов, однако важность этого фактора, по всей видимости, не так уж велика. Насколько я знаю, не существует достоверных данных об изменении работы разрушения костной ткани с возрастом, однако известно, что прочность кости у человека 75 лет на 22% ниже, чем у 25-летнего, что выглядит вовсе не катастрофически. Профессор Дж. Пол из Университета Стратклайда утверждает, что, согласно результатам его исследований, более весомая причина частых переломов у пожилых людей заключается в утрате контроля над мышечным тонусом. Внезапный испуг может спровоцировать сокращение, вполне способное сломать шейку бедра, при отсутствии всякого внешнего физического воздействия. Когда подобное случается, человек, естественно, падает (возможно, на какое-то препятствие), и причину перелома ошибочно списывают на факт падения, а не на мышечный спазм. Известно, что аналогичные переломы задних конечностей случаются у некоторых видов африканских копытных при внезапном нападении льва.

Глава 6

Натяжные конструкции и сосуды под давлением

с отступлениями о котлах, летучих мышах и китайских джонках

Ясно было, что корабль стал быстрее пробиваться сквозь волны и держался лучшего ветра; но в ту самую минуту, как мы подошли к мысу, буря усилилась.

— Если что сломается теперь, мы погибли, сэр, — заметил старший лейтенант.

— Я знаю, — ответил капитан спокойным голосом, — но, как я уже сказал, и вы сами должны видеть теперь, это наша надежда. Если в расположении и в укреплении снастей допущена какая-нибудь беспечность или ошибка, то все это скажется теперь; опасность эта, если мы избежим ее, будет напоминать нам, какой ответственности подвергает нас нерадение к должности.

Фредерик Марриет. Приключение Питера Симпла. Пер. И. И. Ясинского и М. П. Игнатовой

Наиболее доступными для понимания являются конструкции, которые подвержены только силам натяжения, то есть тем силам, которые тянут, а не давят. Простейшими из них будут палки или веревки, которые сопротивляются только одному усилию, иначе говоря — однонаправленному натяжению. Хотя простое направленное натяжение присутствует и в растениях, особенно в корнях, в биологическом мире этот процесс гораздо лучше иллюстрируют мышцы и сухожилия, а также голосовые связки и паутина.

Мышца представляет собой мягкую ткань, которая, получив нервный сигнал, сокращается и создает активное усилие натяжения [41]. Несмотря на то что мышца — гораздо более эффективный механизм превращения химической энергии в механическую работу, чем любой искусственно созданный двигатель, она не слишком прочна. Поэтому для создания и поддержания значительного механического усилия она должна быть массивной и объемной. Отчасти поэтому мышца крепится к кости, которую она приводит в движение, с помощью передаточного элемента, похожего на веревку или шнур, — сухожилия. Само по себе сухожилие не способно сокращаться, но оно во много раз прочнее мышцы, и для передачи натяжения ему достаточно гораздо меньшего поперечного сечения. Таким образом, сухожилие отчасти выполняет функцию шнура или веревки, хотя, как мы видели в предыдущей главе, может работать и в качестве пружины.

Некоторые сухожилия довольно короткие, но те, что проходят в наших руках или ногах, достигают значительной длины и проложены по телу столь же замысловато, как шнуры от колокольчиков для вызова прислуги в богатом викторианском доме [42]. Раз уж речь зашла о ногах, их мышцы не только большие, но и довольно тяжелые, и по задумке природы центр тяжести ног должен находиться как можно выше. Причина в том, что при нормальной ходьбе человеческая нога действует подобно маятнику — свободно качается с собственным периодом колебаний и за счет этого потребляет минимум энергии. Именно поэтому для нас утомителен бег — мы прикладываем дополнительные усилия, заставляя ноги двигаться чаще, чем им положено. В своем естественном движении наши ноги будут работать тем быстрее, чем ближе центр тяжести ноги к тазобедренному суставу. Вот почему бедра и икры у нас массивные, а лодыжки и ступни, по счастью, не очень.

Крупные ладони были бы еще большим неудобством в жизни, чем крупные ступни (хотя не исключено, что полицейские тут могут с нами поспорить). Наши руки в процессе эволюции сформировались из передних ног, но в смысле «сухожильного дистанционного управления» пошли гораздо дальше задних. Ладони и пальцы приводятся в движение мышцами, расположенными высоко в руке, с помощью гораздо более длинных сухожилий, чем аналогичные сухожилия ног. Поэтому ладонь гораздо тоньше и изящнее, чем была бы, имей она собственные мышцы. Преимущества такой схемы с механической, да и с эстетической, точки зрения вполне очевидны.

В мире искусственных сооружений также существует множество примеров простого однонаправленного натяжения — например, рыболовная леска или груз на подъемном кране. Они по сути своей мало отличаются от кирпича на веревке, о котором мы говорили в главе 3. Тем не менее существуют и менее очевидные, более интересные и сложные случаи — такие как линии электропередачи или такелаж парусных судов.

Вычисление необходимой толщины той ли иной снасти парусного судна не представляло бы никакой проблемы, знай мы только, какую нагрузку она должна выдерживать. Проблема заключается в предсказании множества различных сил, которые будут действовать в такой сложнейшей системе, как парусное судно. И хотя существует несколько возможных подходов к решению этой проблемы, большинство конструкторов парусных яхт, как я подозреваю, полагаются на то, что можно назвать «гаданием по опыту». Хорошо, конечно, когда догадки подтверждаются, но потеря важного элемента такелажа может грозить потерей мачты. Если такое случится у опасного подветренного берега, как вышло с фрегатом Фредерика Марриета, последствия будут весьма серьезными.

Горные лыжи сегодня стали большой международной индустрией, и один из важных ее факторов — надежность тысяч фуникулеров и подъемников, доставляющих лыжников на горы. Думаю, многие из нас в самые головокружительные моменты подъема тревожились за прочность троса, который удерживает кабинки или кресла над зияющей бездной. На самом же деле аварии, связанные с прочностью самих тросов в натяжении, случаются крайне редко. Статические нагрузки известны, и нет ничего сложного в том, чтобы произвести вычисления и заложить изрядный коэффициент безопасности. Более серьезную угрозу представляют неожиданные факторы, например раскачивание троса порывами ветра, что может привести к столкновению кабинок друг с другом или с опорой канатной дороги. В этих случаях конструкторы опять же склонны полагаться на прецеденты, догадки и наитие.

Специфический случай использования однонаправленного натяжения можно наблюдать в струнах музыкальных инструментов. Частота ноты, которую производит натянутая струна, зависит не только от ее длины, но и от напряжения [43]. В струнных инструментах необходимое напряжение достигается натягиванием струн из жесткого материала, стали или кетгута, на каркас — деревянный корпус скрипки или чугунную раму рояля. Поскольку и струны, и конструкция жесткие, даже небольшое изменение в натяжении влияет на напряжение струны, а следовательно — и на частоту колебания. Вот почему струнные инструменты так чувствительны к настройке. По этой же причине можно легко определить степень натяжения простой веревки, дернув за нее и услышав звук. Солдаты римской армии, обслуживавшие катапульты, должны были иметь хороший музыкальный слух, чтобы по звуку определить степень натяжения жгутов и готовность орудия к бою.

Голосовой аппарат человека, конечно, несколько отличается от струнного инструмента, но общие принципы во многом схожи. Механизм возникновения нашего голоса достаточно сложен, но основную роль и в речи, и в пении играет гортань. Довольно любопытно, что ткани гортани, одни из немногих в нашем организме, подчиняются закону Гука. Большинство других тканей, как мы увидим в главе 8, подчиняются другим, довольно затейливым законам.

В гортани находятся голосовые связки — складки слизистой, растягивающее напряжение которых регулируется мышечным натяжением и определяет частоту их вибрации. Поскольку модуль Юнга голосовых связок довольно низок, для их напряжения требуется значительная деформация — подчас на высоких нотах они растягиваются на 50%.

Между прочим, более высокий голос у детей и женщин обусловлен не повышенным напряжением голосовых связок, а меньшим размером гортани и, соответственно, меньшей длиной голосовых связок. Разница между мужчинами и женщинами в этом отношении довольно существенна: длина голосовых связок у мужчин в среднем составляет 36 миллиметров, а у женщин — 26. Примечательно, что длина связок у мальчиков и девочек допубертатного возраста практически одинакова, и пресловутая ломка голоса у юношей не имеет отношения к натяжению связок, а вызвана резким увеличением размеров их гортани в подростковый период.

В инженерном деле надежные сосуды высокого давления — сравнительно недавнее достижение. Нам редко приходит в голову, какой была бы наша жизнь без обыкновенных труб. Из-за отсутствия технологии, способной подавать воду под давлением, римляне шли на колоссальные затраты и строили каменные акведуки для перемещения воды в открытых каналах по пересеченной местности. Нечто близкое к современным сосудам под давлением представляли собой стволы для огнестрельного оружия. Их качество первое время оставляло желать много лучшего, и они частенько взрывались: список жертв таких инцидентов, начиная с короля Якова II Шотландского [44], получился бы весьма внушительным. Кстати, когда в Лондоне начали устанавливать газовые фонари, трубы для газа поручили изготавливать бирмингемским оружейникам, и первый газопровод состоял из сваренных между собой мушкетных стволов.

Истории парового двигателя посвящена масса литературы, однако сравнительно мало написано об истории труб и котлов, непосредственно определяющих его работу и представляющих собой гораздо большую сложность, чем сам механизм. Первые двигатели были огромными, громоздкими и потребляли массу топлива, прежде всего из-за весьма низкого рабочего давления пара, что в свою очередь объяснялось самой «природой» котлов того времени.

Для производства легких, компактных и экономичных двигателей требовалось значительно увеличить рабочее давление. Примитивные округлые котлы пароходов 1820-х годов, своим внешним видом напоминавшие стог сена, обеспечивали давление порядка 0,7 кгс/см2 и потребляли 7 килограммов угля на лошадиную силу в час. В 1850-х годах инженеры покорили отметки 1,4 кгс/см2 и 4 кг соответственно, а к началу XX века в порядке вещей уже было давление 14 кгс/см2 и расход топлива 0,7 кг на лошадиную силу в час. То есть за 80 лет потребление топлива уменьшилось в 10 раз. Парусники оказались вытеснены с морских просторов не просто пароходами как таковыми, а способными к дальним переходам паровыми судами с шотландскими цилиндрическими котлами высокого давления и экономичными двигателями с тройным расширением пара.

Появление котлов высокого давления проходило не без эксцессов. На протяжение всего XIX столетия взрывы котлов случались довольно часто, иногда с весьма страшными последствиями. Пионерами в освоении котлов высокого давления стали американские речные пароходы. В середине XIX века на Миссисипи устраивались настоящие пароходные гонки протяженностью в тысячи миль. Конструкторы этих судов готовы были пожертвовать буквально всем ради скорости и легкости, применяя, мягко выражаясь, довольно оптимистический подход к конструированию котлов. В результате только за 1859–1860 годы в результате взрывов котлов потерпели крушение 27 пароходов [45].

Некоторые из этих аварий были вызваны преступным нарушением техники безопасности, например блокировкой предохранительных клапанов, однако большая часть являлась следствием неверных расчетов или отсутствия расчетов в принципе. Это весьма прискорбно, потому что базовые вычисления для определения напряжения в простых сосудах высокого давления не представляют никакой сложности. Эти расчеты до того тривиальны, что никто, насколько мне известно, не претендовал на их авторство и для их выполнения достаточно самой элементарной алгебры [46].

Удобнее начать разговор с резервуаров сферической формы. Предположим, что оболочка пузыреобразного сосуда, изображенного на рис. 1, достаточно тонка, и ее толщина составляет менее одной десятой от диаметра. Толщина стенки — t. Радиус сосуда, взятый от середины толщины стенки, — r. На сосуд действует внутреннее давление жидкости p (единицы измерения можете выбрать какие душе угодно).

Представим, что мы разрезали резервуар пополам, как грейпфрут. Из рис. 1, 2 и 3 довольно очевидно следует, что напряжение в оболочке резервуара во всех направлениях параллельно его поверхности будет составлять

Это важный практический результат и довольно стандартная формула, которой пользуются инженеры.

Цилиндрические сосуды высокого давления

Гораздо более широкое применение, чем сферические сосуды, получили сосуды цилиндрические, в частности в виде труб различного размера и назначения. Поверхность цилиндра не обладает сферической симметрией, и логично предположить, что продольное напряжение оболочки цилиндра отличается от напряжения по окружности. Так оно и есть. Обозначим продольное напряжение цилиндра как s 1, а напряжение по окружности как s 2. Из рис. 4 явствует, что продольное напряжение в оболочке цилиндра рассчитывается аналогично напряжению в оболочке сферы, о котором мы говорили выше:

Чтобы получить окружное напряжение, мысленно разрежем цилиндр вдоль, как показано на рис. 5. Из этого рисунка следует, что

Таким образом, окружное напряжение в стенке цилиндрического сосуда высокого давления вдвое выше продольного, то есть s 2 = 2s1 (рис. 6). Жизненную иллюстрацию этой закономерности наблюдал всякий, кто когда-либо жарил сосиску. Когда сосиска прожаривается и увеличивается в объеме, ее оболочка всегда лопается вдоль, а именно под действием высокого окружного, а не продольного напряжения.

Эти формулы можно встретить тут и там — и в инженерном деле, и в биологии. Они применяются для расчета прочности труб и котлов, воздушных шаров и воздухоопорных крыш, ракет и космических кораблей.

Как мы увидим в главе 8, эти же теоретические выкладки лежат в основе перехода от амебообразных организмов в направлении удлиненных и более мобильных примитивных форм жизни.

Еще один практический результат этих вычислений состоит в том, что цилиндрический сосуд для содержания определенного объема жидкости под определенным давлением потребует большего количества материала, чем сферический, а следовательно, будет тяжелее. В тех случаях, когда вес критически важен, например для альпинистских кислородных баллонов или бортовых баллонов, предназначенных для запуска самолетных двигателей [47], используют сферические сосуды, а если весом вполне можно пренебречь, гораздо удобнее и дешевле взять цилиндрические резервуары. Хороший пример — газовые баллоны в больницах или автомастерских.

Теория сосудов под давлением, которую мы с вами только что вывели, с небольшими поправками применима и к незамкнутым резервуарам, иначе говоря, «открытым» оболочкам и тканям, которые подвергаются давлению движущейся воды или воздуха. К сооружениям такого рода относятся палатки и тенты, воздушные змеи и обтянутые тканью крылья самолетов, парашюты и крылья ветряных мельниц, барабанные перепонки и плавники рыб, крылья летучих мышей или птеродактилей и паруса медуз под названием «португальский кораблик».

Как мы увидим в главе 14, в подобных случаях уместно и экономически целесообразно использовать не сплошную панель или оболочку-монокок, а жесткую раму из балок, реек или костей, обтянутую тканью, пленкой или перепонкой. Такая конструкция не будет жесткой, и, как мы поймем из дальнейшего повествования, под действием поперечной нагрузки в виде воды или ветра мембрана деформируется и образует форму, которую в первом приближении можно рассматривать как сегмент цилиндра или сферы. Таким образом, и напряжения в этой мембране будут подчиняться тем же самым закономерностям, что и в оболочке сосуда высокого давления.

Из этого очевидно следует, что растягивающая сила или напряжение в мембране на единицу ширины составляет pr, то есть произведение давления ветра p и радиуса кривизны мембраны r. То есть чем больше кривизна мембраны, тем меньше эта сила, а следовательно, и нагрузка на несущую раму сооружения.

Давление ветра увеличивается как квадрат его скорости. Сильный ветер создает огромное давление и нагрузку на несущую конструкцию. Согласно нашей, западной, модели мышления, ничего с этой нагрузкой поделать мы не можем и скорее помрем, чем позволим парусу или крылу самолета сильно прогнуться. Конечно, удержать ткань паруса в плоском состоянии не удастся, но мы изо всех сил будем стараться натянуть ее до предела. При этом несущую конструкцию мы постараемся сделать максимально крепкой, тяжелой и дорогой, уповая, что она не сломается (а ломаются такие конструкции часто).

Оснастка современных парусных яхт состоит из трубчатого металлического рангоута и почти не растягивающихся лавсановых парусов. Это аэродинамическое сооружение поддерживается в рабочем состоянии множеством снастей, которые в свою очередь до чудовищной степени натягиваются ручными и гидравлическими лебедками. Когда яхта идет на парусах при легком ветре, в такой системе возникают колоссальные напряжения. Все это чудо инженерной «эффективности», помимо всего прочего, еще и космически дорого стоит, а чувство напряженности передается всем его обитателям, так что обстановку на судне никак нельзя назвать расслабленной.

Более простой и дешевый способ — сделать так, чтобы парус свободно выгибался под действием ветра. В таком случае по мере усиления ветра радиус кривизны паруса уменьшается, а напряжение в его ткани практически не меняется. При этом, естественно, важно убедиться, чтобы решение конструктивных задач не привело к осложнениям в аэродинамике.

Хорошую и изящную реализацию этого подхода можно наблюдать в традиционной китайской джонке, которая относительно безопасно бороздит моря на протяжении многих столетий. Парусное вооружение джонки может иметь различную региональную специфику, но в общих чертах выглядит как показано на рис. 7. Горизонтальные рейки, пересекающие парус, подвижно закреплены на мачте, и, поскольку вся оснастка сделана из гибких материалов, парус выгибается между планками без особой потери аэродинамической эффективности (рис. 8). Если нужной деформации паруса не происходит, всегда остается возможность ослабить фалы.

Не так давно полковник Хаслер, знаменитый своей высадкой в Бордо [48], применил принцип китайского паруса с весьма удовлетворительными результатами. Несколько яхт, оснащенных парусом Хаслера, успешно совершили длительные океанские переходы в достаточно расслабленной (во всех смыслах) атмосфере. По аналогичному принципу сконструированы и столь популярные сегодня дельтапланы. Хотя традиционалистов такие конструкции шокируют, они дешевы, надежны, а главное — работают.

Нос позаимствуйте у лепрекона

И приделайте аккуратно.

К иссохшей ладони ведьмы

Пришейте пальцы летучей мыши

Да пергаментом обтяните.

Сразу бросается в глаза сходство китайской джонки с летучей мышью (рис. 9). У всех видов летучих мышей крылья представляют собой перепонку тонкой эластичной кожи, натянутую на «каркас» длинных костей, которые на самом деле являются пальцами передних конечностей. Плодоядные летучие мыши, или крыланы, — довольно большие звери, размах крыльев которых достигает полутора метров.

В своей родной Индии, где они считаются вредителями, они запросто преодолевают расстояния в 40–50 километров по воздуху, разоряя фруктовые сады. Поскольку делают они это не особенно напрягаясь, следует признать их весьма эффективными летающими конструкциями. Более того, чтобы сократить вес, а также «метаболические затраты» организма, они прошли долгий эволюционный путь, в результате которого кости их крыльев стали существенно тоньше.

На фотографиях крыланов в полете заметно, что при махе вниз кожистая перепонка крыла надувается почти до полусферической формы, таким образом сводя к минимуму механическую нагрузку на кости. Очевидно, что такое изменение формы приводит к весьма незначительным аэродинамическим потерям (если вообще приводит).

Около 30 миллионов лет назад место птиц занимали многочисленные виды существ под общим названием «птеродактили» (термин образован от от греческих слов «палец» и «крыло»). Они во многом напоминали летучих мышей, только несущим в конструкции крыла был всего лишь один палец — мизинец. Поэтому крыло птеродактиля больше напоминало яхтенный «бермудский» парус.

Некоторые из этих животных имели внушительные размеры. К примеру, судя по ископаемым останкам птеранодона (рис. 10), размах его крыльев достигал 8 метров. Высота животного составляла 3 метра, а вес, по всей видимости, не превышал 20 килограммов. Это говорит о том, что на костный скелет и летательную мускулатуру приходился весьма небольшой вес. Не так давно в Америке были отмечены находки еще более крупных птеродактилей.

Птеранодон, по всей видимости, был существом пелагическим, то есть занимал нишу современных альбатросов. Подобно этим птицам, бóльшую часть жизни птеранодоны проводили в воздухе, планируя над волнами вдали от береговой линии и охотясь на лету. По данным палеонтологов, птеранодон обладал невероятно легкими и хрупкими костями — даже тоньше костей современных крыланов. Естественно, нам уже не удастся получить экспериментальных данных об упругом поведении кожи этих огромных существ, однако справедливо заключить, что оно во многом напоминало перепонки крыльев современных летучих мышей. Аэродинамическая эффективность этой живой конструкции была весьма высока, в этом отношении птеранодоны не уступали альбатросам.

Так или иначе, но зачем на самом деле птицам перья? Поручи мы создание летающего существа современному инженеру, он, скорее всего, сконструирует что-то наподобие летучей мыши или насекомого — вряд ли ему придут в голову перья. Но весомые причины для появления перьев наверняка существовали. К примеру, логичным будет предположить, что летучие мыши и птеродактили теряли большое количество тепловой энергии через кожу крыльев, однако проблему теплоизоляции природа вполне могла решить и проще — при помощи меха.

Возможно, так оно и было на ранних этапах эволюции птиц, ведь известно, что перья (равно как рога или когти) развились из шерсти. Тем не менее достоинство шерсти в том, что она мягкая, и кератин, из которого она состоит, имеет довольно низкий модуль Юнга. В перьях же кератин гораздо жестче за счет того, что его молекулы «сшиты» между собой мостиками из атомов серы (именно в ней причина неприятного запаха при горении перьев).

Безусловно, перья обладают и аэродинамическими достоинствами, поскольку их применение существенно расширяет диапазон форм «плоскостей» птиц. В первую очередь, толстое крыло во многих ситуациях обладает существенными аэродинамическими преимуществами перед тонким, сделанным только из кожистой перепонки, а утолщенный профиль крыла легко получить, снабдив его слоем перьев, причем ценой лишь весьма незначительного увеличения веса. Более того, перья гораздо лучше, нежели кожа, приспособлены для создания механизмов, предотвращающих срыв потока воздуха, — естественных аналогов закрылков.

И все же я склонен думать, что главное преимущество перьев — конструкционное. Всякий, кто занимался авиамоделированием, знает, насколько уязвима маленькая хрупкая летающая конструкция при попадании в куст или дерево, как легко ее повредить неосторожным обращением. А ведь птицы постоянно случайно залетают в кроны деревьев, кустарники и изгороди. Да что там случайно — они намерено прячутся там от естественных врагов. Для большинства птиц потеря одного-двух перьев не представляет никакой серьезной проблемы. К тому же лучше уж оставить кошке пару перьев, зато остаться живой.

Перья не просто обеспечивают птицам куда более эффективную, чем у других животных, защиту от мелких ссадин и царапин. Они образуют настоящую броню — толстую и упругую, — которая оберегает ее обладателей от серьезных повреждений. Древние японские доспехи, сделанные из перьев, которые сегодня демонстрируются в музеях, — не просто забавная и нелепая поделка первобытного человека, не придумавшего ничего лучше. Такие доспехи выдерживали даже удар меча. Сходным образом во время советско-финской войны финны укрепляли свои бронепоезда тюками с бумагой, а противоосколочные ботинки современных военных летчиков укреплены многочисленными слоями целлофана. Когда сокол убивает добычу в воздухе, он даже не пытается пробиться сквозь ее перья клювом или когтями. Пикируя, он резко вытягивает лапы и мощным ударом придает телу жертвы ускорение, достаточное для перелома шеи, как при казни через повешение.

Вся конструкция (или, если хотите, дизайн) птичьего пера чрезвычайно хитроумна. От пера не требуется особой прочности, зато требуется жесткость и в то же время упругость и высокая работа разрушения. Механизм разрушения пера представляет собой настоящую загадку. Не думаю, что в наши дни, когда я пишу эту книгу, кто-либо из ученых осознает, как работает работа разрушения в птичьих перьях. Как и в случае с другими материалами, механизм разрушения пера чувствителен к самым незначительным факторам. Всякий, кто держал соколов и применял их на охоте, знает, что эта умная, но капризная и требующая тщательного ухода птица очень легко теряет форму. Даже при правильном кормлении и регулярных тренировках перья сокола часто становятся хрупкими и ломаются. Лечение при переломах называется «подперивание» — в ствол сломанного пера вставляют смазанную клеем обоюдоострую иглу. Подробные инструкции при желании можно найти в руководствах по соколиной охоте XVI века.

Рассуждая о том, с какой частотой современные автомобили зарабатывают царапины и вмятины, невольно задумываешься о том, а не стоит ли современным конструкторам кое-чему поучиться у птиц? Кстати говоря, если учесть, что армия США кормится преимущественно курятиной, где-то на территории страны должно быть место, в котором хранится невообразимое количество никому не нужных куриных перьев. Было бы неплохо найти им достойное применение.

Глава 7

Соединения, крепления и люди,

а также ползучесть и колеса карет

Сейчас я расскажу вам историю о корабле, построенном во время войны. Это был пароход, сделанный из дерева — из хорошего дерева, а тот, кто его строил, был хорошим и опытным мастером…

Корабль ходил, как человек, который взвалил на себя слишком тяжелый груз, и в тот день он ковылял и спотыкался (хотя на море была только легкая зыбь), а потом развалился, как хлипкая старая корзина, на которую случайно наступили. Через пять минут на поверхности не было ничего, кроме пленки угольной пыли, деревянных обломков и пары человек, которые бултыхались посреди этого разгрома.

Это правдивая история, и рассказал я ее вот зачем. Корабль этот построили совсем не корабельщики, а плотники — обычные «сухопутные» плотники, которые раньше строили дома.

Вестон Мартир. Корабль южных морей

Пароход, о котором писал Вестон Мартир, неожиданно затонул потому, что соединения его деревянных деталей оказались слишком слабы, хотя плотники, которые строили судно (по-своему весьма добросовестные мастера), остались ими весьма довольны. На самом деле все соединения, сделанные плотниками при строительстве домов или обычной мебели, кораблестроитель или инженер наверняка сочтет слабыми и крайне неэффективными. Они действительно являются слабыми, а вот насчет эффективности — все зависит от того, для какой цели их делает мастер. И цель плотника, который строит дома, может немного отличаться от цели конструктора самолетов или кораблей.

Слишком часто, пожалуй, инженеры полагают, что эффективная конструкция — это та, в которой прочность каждой детали и каждого сочленения в точности соответствует предполагаемой нагрузке, в расчете на эту прочность используется наименьшее количество материала, и вес минимизируется. Такая конструкция в идеале способна сломаться с равной вероятностью в любом месте или же, подобно «удивительному фаэтону» [49], вся сразу. Такой подход к эффективности требует от инженера чрезвычайной бдительности, поскольку любая ошибка в проектировании или производстве может привести к возникновению в конструкции опасных «слабых мест».

Реализации, близкие к такой модели, безусловно, существуют, например, в авиа- и судостроительной отрасли, а также в некоторых областях машиностроения, где крайне важна экономия веса. Однако эта модель предполагает крайне специализированный взгляд на проблему эффективности, без учета требований к жесткости и тем более экономичности. Конструкции типа «удивительного фаэтона» иногда необходимы, но они всегда дороги и в производстве, и в эксплуатации. Экономия веса за счет перфекционизма в конструировании — один из главных факторов, который делает космические путешествия столь затратными. Даже на повседневном уровне мы можем наблюдать, что стоимость пространства на небольшом судне или яхте в пересчете на кубический метр в 20 раз выше, чем в обыкновенном доме, а для пространства самолета пропорция еще более внушительная.

Строители и монтажники — народ достаточно разумный, чтобы не впадать в подобные крайности. Дома уже сами по себе достаточно дороги, и эти люди очень хорошо знают, что в большинстве обыденных стационарных сооружений гораздо большее влияние на конструкцию оказывает не прочность, а жесткость.

На самом деле главный фактор, от которого зависит стоимость и эффективность конструкций, — это взаимное соотношение требований к прочности, с одной стороны, и требований к жесткости — с другой. Если нам скорее нужна жесткость, а не прочность, задача существенно упрощается, а стоимость — уменьшается. Это почти всегда относится к мебели, полам, лестницам и зданиям вообще, а также плитам, холодильникам, инструментам, станкам и некоторым деталям автомобилей. Эти вещи ломаются нечасто, однако если материал будет слишком тонок, то хлипкость и шаткость предмета сделают его непригодным к использованию. Поэтому для придания конструкции жесткости детали должны быть достаточно толстыми, чтобы свести напряжения к минимуму (иногда даже к абсурдному минимуму с инженерной точки зрения).

Следовательно, даже если материал этих конструкций испещрен дефектами и концентрациями напряжения, это не имеет особого значения. Более того, даже прочность соединений не играет критической роли, и для закрепления деталей достаточно пары гвоздей. Именно эта закономерность лежит в основе нашего бытового, интуитивного подхода к конструированию. Миллионы людей, никогда в жизни не слышавших про закон Гука или модуль Юнга, в состоянии определить, какая жесткость необходима курятнику или кухонному столу, исходя из опыта и здравогосмысла. Если такая вещь обладает необходимой жесткостью, то она, скорее всего, и не разрушится под действием тех повседневных нагрузок, для которых она предназначена.

Более того, в некоторых случаях соединениям не повредит небольшой люфт, который чаще встречается в традиционных, а не новомодных соединениях. Прежде всего, определенная степень гибкости соединений позволяет в случае чего перераспределить нагрузку. Мебель ломается нечасто, но есть хороший способ это сделать. Сядьте на стул, три ножки которого стоят на толстом ковре, а четвертая нависает над голым полом. В стуле, сделанном традиционным способом, нагрузка перераспределится на все четыре ножки за счет перекашивания шиповых соединений. А вот клеевые «эффективные» соединения современного фабричного стула, скорее всего, развалятся, и починить такой стул будет сложно.

Еще одна причина, почему соединениям не помешает определенная степень подвижности, — свойство дерева (и некоторых других материалов) меняться в размерах в зависимости от погодных условий. Дерево может усыхать или, наоборот, набухать (в направлении поперек волокон) на 5 или даже 10%. У нас в столовой Колледжа Черчилля [50] стоял великолепный профессорский стол, сделанный из дорогущего дерева и скрепленный клеевыми соединениями по последнему слову науки. После нескольких месяцев пребывания в зале, отапливаемом также по последнему слову науки, стол усох и треснул посередине. В столешнице образовалась не маленькая безвредная трещинка, а скорее расселина, в которой могло с комфортом расположиться изрядное количество горошин среднего размера.

Соединения в конструкциях кораблей и самолетов стали большой бедой обеих мировых войн. В Первую мировую американцы построили множество деревянных кораблей на паровом и парусном ходу, и изрядная их доля потерпела крушение. Во время Второй мировой войны Америка выпустила еще больше судов, на этот раз со сварной стальной обшивкой, и доля затонувших (в море или гавани) оказалась еще выше. В Англии в период обеих мировых войн строилось много деревянных самолетов, у которых постоянно возникали те или иные неполадки с соединениями.

Раз уж речь зашла о самолетах, это как раз неудивительно. Помнится, мне демонстрировали предметы, которые периодически оказывались прямо внутри клеевых соединений несущей конструкции самолетов: ножницы, пособие по оказанию первой медицинской помощи (книжка карманного формата). А иногда там просто не было клея.

Не думаю, что эти происшествия связаны с деятельностью умственно отсталых людей, боюсь, что виной всему самые обычные, нормальные люди, в этом-то и беда. Естественно, люди имеют свойство уставать и утомляться, но суть проблемы гораздо глубже. Все, кто делал (а точнее, кому не удалось сделать) эту работу, сколотили за свою прежнюю жизнь немало столов, сараев или курятников, где прочность соединений не имеет особого значения, но весьма немногие из них имели личный опыт в ситуациях, когда поломка соединения приводила к действительно фатальным последствиям. Все наши попытки внушить им, что некачественное соединение в этом случае с нравственной точки зрения равносильно неумышленному убийству, натыкались на глубоко укорененную бытовую убежденность в том, что поднимать панику из-за каких-то соединений — глупость и занудство. Это не имело бы особого значения, будь хотя бы возможность как следует проинспектировать соединения после завершения работы.

В последние годы появились весьма эффективные клеи для металла, которые обеспечивают высокие технические характеристики соединений, но при условии, что работа выполняется действительно добросовестно. К сожалению, применение этих клеев в современном самолетостроении осложняется тем, что необходимо учреждать дополнительную должность инспектора, который присматривал бы за действиями рабочего, а лучше еще и второго инспектора, который проверял бы работу первого. Естественно, такая организация рабочего процесса довольно затратна. Тем не менее, насколько мне известно, клеевые соединения в конструкциях металлических самолетов используют все чаще.

Однако такие соединения возможны далеко не всегда, гораздо более распространены случаи, когда приходится соединять планки или пластины, расположенные внахлест. Такая геометрия сразу вызывает концентрации напряжения, и если речь идет о жестком соединении внахлест, нет особой разницы между способами соединения — на клее, гвоздях, болтах, заклепках или сварке. Во всех этих случаях передача основной нагрузки происходит по краям области нахлеста (рис. 3).

По этой причине прочность таких соединений по большей части зависит от ширины нахлеста между деталями, а не от его длины. Именно поэтому самые простые и распространенные способы заклепочного и сварного соединения внахлест (рис. 4 и 5) вполне эффективны и не нуждаются ни в каком дополнительном усложнении.

Аналогичное распределение напряжения происходит в случае со стержнем или бруском в натяжении, закрепленном в некоем твердом основании, с той лишь разницей, что в этом случае концентрация напряжения возникает только в одном месте — там, где стержень входит в поверхность (рис. 7).

Если стержень вкручен в опору, практически вся нагрузка приходится на первые две-три нитки резьбы, а вся остальная длина стержня практически бесполезна. Поэтому для дрозда, который вытягивает из земли червяка, совершенно безразлично, какой он длины, — и на длинного, и на короткого он потратит одинаковые усилия [51].

Распределение напряжения, показанное на рис. 6, возникает в том случае, когда оба элемента соединения обладают примерно одинаковым модулем Юнга, например оба изготовлены из металла, или если стержень в натяжении имеет меньшую жесткость, чем основание (как в примере с червяком и землей). Если же стержень или брус имеет бóльшую жесткость, чем то основание, в котором мы хотим его закрепить, напряжение распределится ровно наоборот — местом его наибольшей концентрации будет самый конец стержня (рис. 7).

На практике, конечно, обе ситуации в одинаковой степени способствуют ослаблению соединения. Возможно, и существует такое соотношение между модулями жесткости стержня и основания, которое создаст оптимальное распределение нагрузки в соединении, однако в реальной жизни наткнуться на него не так просто.

Как-то я занимался проблемой крепления армированных пластиковых крыльев к металлическому фюзеляжу самолета. И хотя я должен был прекрасно знать все и про концентрации напряжения, и про червяков в земле, я оказался настолько глуп, что придумал вплавлять в пластик прочные тросы, «распущенные» на концах, подобно корням дерева, на отдельные проволоки. Когда образец этого горе-сооружения подвергли испытаниям, тросы вырывались из пластика с оглушительным треском при смехотворно низкой нагрузке. В следующем эксперименте вместо тросов в пластик вплавлялись заостренные стальные клинья, покрытые специальным клеем (рис. 8). На этот раз разрушение тестового образца сопровождалось не треском, а чем-то вроде одного громкого хлопка — и все при столь же небольшой нагрузке.

После небольшого перерыва на размышления и воспоминания о дроздах и червяках мы провели следующую серию экспериментов с более короткими стальными вставками в форме лопатки, которые выглядели примерно как на рис. 9. Вставки тоже повылетали, но уже при гораздо больших нагрузках, которые в каждом из испытаний были пропорциональны ширине «лопаты». Пойдя по этому пути, мы смогли довести нагрузку на пластиковую конструкцию до 40–50 тонн при помощи сравнительно небольших металлических крепежей.

Такие соединения целиком зависят от сцепления металла и пластика и потому должны очень тщательно изготавливаться и добросовестно проверяться. К проектированию также нужно подходить весьма вдумчиво, так как сцепление металла и неметалла в таких случаях нарушается, как только металл достигает предела текучести и перестает вести себя упруго [52]. Поскольку напряжения в металле в такой системе намного выше, чем можно было бы ожидать, вставка должна изготавливаться из высокопрочной стали, подвергнутой тщательной термической обработке. Кроме того, направляющую кромку вставки необходимо заострить, как у зубила.

Заклепочные соединения сегодня выходят из моды — главным образом из-за их дороговизны, но отчасти и потому, что они, как правило, тяжелее, чем соединения сварочные. Это печально, поскольку у заклепочного соединения масса достоинств. Оно надежно и легко поддается инспекции, а кроме того, в большой конструкции способно сыграть роль препятствия для трещин — если в материале развивается большая трещина Гриффитса, рельеф заклепочного соединения может, хоть и не гарантированно, остановить ее или хотя бы замедлить рост.

Более важно, что заклепочное соединение умеет немного сдвигаться, таким образом способствуя перераспределению нагрузки и предотвращению концентрации напряжения — этого бича любого соединения. Процесс этот неоднократно упоминается в рассказе Киплинга «Корабль, который стал кораблем». Интуитивное понимание Киплингом проблемы концентрации напряжения и трещин задолго до Гриффитса и Инглиса весьма примечательно, и некоторые его рассказы стоит смело рекомендовать студентам инженерных специальностей.

Поскольку в заклепочном соединении немного сдвигается каждая отдельная заклепка, худших последствий концентрации напряжений удается избежать. Имеет смысл при соединении пластин металла внахлест ставить заклепки в несколько рядов — таким образом, чтобы крайние заклепки, сместившись на достаточное расстояние, оставили часть работы следующему ряду. Когда свежесделанное заклепочное соединение стальных или железных листов «устаканится» и нагрузка равномерно распределится, свою положительную роль в укреплении сыграет и ржавчина. Продукты коррозии, оксиды и гидроксиды железа, расширяясь, фиксируют соединение и предотвращают обратное проскальзывание, когда нагрузка снимается. Кроме того, ржавчина передает сдвигающие усилия между пластинами подобно клею — таким образом, соединение внахлест со временем, как правило, становится только крепче.

При работах на больших стальных конструкциях, например кораблях или котлах, отверстия для заклепок обычно пробивают. Этот способ проделывания отверстий быстр и дешев, но несовершенен, поскольку металл на границе пробитой дыры становится хрупким и трескается, что чревато образованием концентраций напряжения — а вот это уже нежелательно. Поэтому при серьезной организации рабочего процесса дырки пробивают меньшего диаметра, после чего рассверливают. Пусть это и увеличивает стоимость работ, зато вместе со стоимостью существенно повышается прочность и надежность соединения.

Возможно множество конфигураций и размеров заклепочных и болтовых соединений, однако в целом типов их разрушения всего три (рис. 10): а) срез и разрушение самих заклепок; б) вырывание заклепок из листа, то есть сдвиг и расширение отверстий; в) разрыв самого материала одного из листов между рядами заклепок на манер почтовой марки.

Необходимо проверять вероятность разрушения соединения по каждому из этих трех сценариев при помощи соответствующих вычислений. Впрочем, в наше время правила изготовления заклепочных соединений подробно прописаны и доступны для ознакомления в любом техническом справочнике.

Наиболее сложный вид сварки — электрическая дуговая сварка. Во время этого действа сварщик с помощью изолирующего зажима держит в правой руке электрод, или присадочный стержень, а в левой — сварочную маску или экран с сильно затемненным стеклом. Сквозь стекло он без ущерба для глаз может смотреть на сварочную дугу, которую он «высекает» и удерживает между наконечником электрода и швом. При стандартном напряжении в 30–50 вольт дуга составляет примерно 7 миллиметров в длину. Металл электрода переносится из его расплавленного конца в «сварочную ванну» — лужицу расплавленного металла, которую сварщик протягивает по линии соединения. В результате образуется — или, во всяком случае, должен образовываться — сварочный шов шириной примерно 7 миллиметров, который затвердевает и соединяет поверхности. Если требуется увеличить ширину шва, процесс повторяют необходимое количество раз.

Если сварочный шов сделан хорошо, то, как правило, он очень прочен и надежен, однако недостаток мастерства или внимания со стороны сварщика может привести к дефектам, например шлаковым включениям, которые ослабляют соединение и не всегда заметны при проверке. Мастер также может по неосторожности раскалить слишком большой участок поверхности, что приведет к деформации металла. Это особенно часто происходит при сварке массивных конструкций — к примеру, дефекты сварного фундамента двигателя карманного линкора [53] «Граф Шпее» стали причиной серьезных неприятностей.

Теоретически сварной шов в корпусе цистерны или корабля должен быть водонепроницаемым без всякой дополнительной обработки, но на практике это случается редко, и в этом отношении сварные соединения причиняют больше хлопот, чем заклепочные, края которых легко герметизируются пневматическим или ручным чеканом. Со сварным соединением так проблему не решить, и наилучший способ — ввести между двумя сварными швами соединения внахлест жидкий герметизирующий состав под давлением. При этом мне довелось повидать немало течей во время испытаний боевых кораблей со сварными соединениями.

Как-то раз мне посчастливилось несколько недель проработать сначала клепальщиком, а потом и сварщиком на одной из Королевских верфей, и за это время я узнал многое, чего не пишут в справочниках. Хотя установка двухдюймовых заклепок пневматическим молотом на броневой палубе судна представляет собой довольно трудное и громкое занятие, она вызывала необычайный интерес и чем-то напоминала игру в гольф, с той лишь разницей, что приносила практическую пользу. Спортивного азарта добавляла и процедура инспекции — платили нам тогда за каждую установленную заклепку, но вычитали в пять раз больше, если заклепку забраковал проверяющий, и ее приходилось высверливать и заменять.

Если уж установку заклепок сложно назвать райской работой, то сварка — совершенно точно работа адская. В течение часа или двух это занятие еще можно счесть занимательным (смею предположить, что в аду, наверное, тоже поначалу интересно), но затем неотрывное наблюдение за шипящей, мерцающей дугой и жалкой лужицей расплавленного металла вызывает нестерпимую скуку, с которой не помогают справиться даже искры и капельки раскаленного металла, норовящие попасть то за воротник, то в ботинки. Через пару дней такой работы чувство тоски и озлобленности крепнет настолько, что сконцентрироваться на качестве работы становится крайне тяжело.

В наши дни сварка труб и сосудов высокого давления выполняется в основном сварочными автоматами, которые не должны уставать и тяготиться работой, поэтому качество сварки вполне надежно. Однако автоматическая сварка часто неприменима при строительстве больших конструкций, судов или мостов, где в итоге довольно часто встречается брак. Более того, сварной шов плохо выполняет роль барьера для растущих трещин, а это одна из главных причин катастроф больших стальных конструкций последних лет.

Искажение формы луков и колес экипажей под продолжительным действием нагрузки вызвано явлением, которое инженеры называют ползучестью. В гуковской трактовке упругости мы простоты ради предполагаем, что если материал выдерживает напряжение в принципе, то он будет выдерживать его неопределенное время, так же как и деформация материала остается неизменной, пока не меняется напряжение. В реальности ни одно из этих положений не является в полной мере истинным — практически все вещества под постоянным воздействием нагрузки со временем «ползут», то есть меняют свою форму.

Степень ползучести разных материалов варьируется в очень широком диапазоне. Если брать технологические материалы, то значительной ползучести подвержены и дерево, и бетон, и канат, что необходимо принимать в расчет. Ползучесть ткани проявляется в том, что одежда со временем теряет форму и становится мешковатой, а у штанов образуются пузыри на коленях. Ткани из натуральных волокон, шерсти или хлопка, ползут гораздо сильнее, чем синтетические. Вот почему новые яхтенные паруса из лавсана не только не теряют форму, но и не требуют такого тщательного натягивания, как паруса из хлопковых или льняных тканей.

Ползучесть у металлов выражена гораздо меньше, чем у неметаллов, и хотя сталь при значительном напряжении и высоких температурах ползет довольно сильно, при малых нагрузках в нормальных условиях эксплуатации это свойство не проявляется, и его можно игнорировать.

В любом материале ползучесть приводит к перераспределению напряжений, которое часто благотворно, поскольку самые напряженные участки в большей степени подвержены ползучести. (Именно поэтому старые разношенные ботинки всегда удобнее новых.) Поскольку концентрация напряжений при этом ослабляется, со временем соединения становятся только крепче. Естественно, если направление приложения нагрузки на соединение меняется, ползучесть приводит к обратному эффекту, что в итоге ослабляет соединение.

Эффекты деформаций, вызванных ползучестью, особенно наглядны в деревянных конструкциях. В деревянных домах часто весьма живописно провисает крыша, а старые деревянные корабли обычно «выгибаются» — нос и корма наклоняются, а средняя часть поднимается. Это явление очень хорошо заметно на батарейных палубах линкора «Виктори» [56]. Что касается металлов, и в частности стали, наиболее наглядный пример — просевшая подвеска автомобиля.

Несмотря на то что в разных материалах ползучесть проявляется с разной силой, картина ее одинакова практически во всех случаях. Если построить кривые деформации одного материала под действием разного напряжения (s 1, s 2, s 3 и т. д.) относительно логарифма времени (это удобный способ сократить временную шкалу), мы получим график, весьма похожий на рис. 12. Из него очевидно, что существует критическое напряжение, в нашем случае s 3, ниже которого материал, скорее всего, не разрушится, сколь долго бы он ни находился под действием нагрузки. При напряжениях выше s 3 материал со временем будет не только деформироваться, но и постепенно приближаться к разрушению, что, естественно, нежелательно.

Почва, как и другие материалы, также обладает ползучестью, поэтому, если здание строится не на скальном массиве или очень твердом грунте, важно следить за оседанием фундамента. Причем чем больше здание, тем глубже фундамент должен залегать. Неслучайно большие здания обычно строят на бетонных подушках. Обратите внимание на оседание оснований арок моста у Клэр-колледжа в Кембридже (илл. 4).

Глава 8

Мягкие материалы и живые конструкции,

или Как спроектировать червяка

— Мне очень приятно, — радостно сказал Пух, — что я догадался подарить тебе Полезный Горшок, куда можно класть какие хочешь вещи!

— А мне очень приятно, — радостно сказал Пятачок, — что я догадался подарить тебе такую Вещь, которую можно класть в этот Полезный Горшок!

Алан Александр Милн. Винни Пух и все-все-все. Пер. Б. Заходера.

Когда природа соорудила нечто под названием «жизнь», она, скорее всего, тут же стала беспокойно озираться по сторонам в поисках «полезного горшка» для нее — ведь в голом и незащищенном виде жизнь вряд ли протянула бы долго. В тот момент на нашей планете в наличии имелись камни, песок, вода и средненькая атмосфера, но вот с подходящими материалами для емкостей, в которые можно было бы засунуть жизнь, дело обстояло сложнее. Минералы годились для твердых оболочек, однако преимущества мягких тканей, особенно на ранних стадиях эволюции, бесспорны.

С физиологической точки зрения клетки и другие живые мембраны нуждаются в очень избирательной проницаемости, то есть должны уметь пропускать одни молекулы и не пропускать другие. С механической — своими функциями они схожи с эластичными резервуарами, то есть должны выдерживать растягивающее напряжение и, не лопаясь, очень сильно растягиваться. Кроме того, кожа и мембраны должны иметь способность возвращаться к первоначальным размерам после того, как действие растягивающего напряжения прекращается [57]. Величина деформаций, которые живые мембраны способны выдерживать многократно и без ущерба для себя, различна, но варьирует в пределах 50–100%. Учитывая, что безопасная деформация в рабочих условиях для большинства инженерных материалов составляет порядка 0,1%, можно сказать, что биологические ткани должны вести себя упруго при деформациях в тысячу раз выше, чем те, с которыми могут справиться обычные материалы, применяемые в конструировании.

Такие невероятные цифры не просто переворачивают многие сложившиеся у рядовых инженеров представления об упругости конструкций. Очевидно, что такие деформации невозможны в твердых телах кристаллического или стеклообразного строения. Поэтому очень соблазнительно предположить, во всяком случае для материаловеда, что живые клетки начинали свое развитие в форме капелек, удерживаемых поверхностным натяжением. Нужно сразу оговориться, что никакой определенной уверенности на этот счет быть не может, и события могли развиваться совсем по другому сценарию, уж точно куда более сложному. А вот в чем можно быть уверенным, так это в том, что некоторые упругие свойства мягких тканей животных напоминают поведение поверхностей различных жидкостей и могут быть эволюционно с ними связаны.

Именно сила поверхностного натяжения удерживает вес воды, когда капля свисает из водопроводного крана. Этот феномен лежит в основе простого школьного эксперимента — силу поверхностного натяжения воды или другой жидкости определяют подсчетом числа капель и их общего веса.

Несмотря на то что натяжение в поверхности жидкости столь же реально, как и натяжение, например, веревки или другого твердого тела, оно отличается от упругого, или гуковского, натяжения по крайней мере тремя важными моментами.

1.Сила натяжения не зависит от деформации или степени растяжения, она постоянна, сколь бы сильно ни увеличивалась площадь поверхности.

2.Поверхность жидкости, в отличие от поверхности твердого тела, может растягиваться, иначе говоря, деформироваться, без разрушения практически до бесконечности.

3.Сила поверхностного натяжения зависит только от размеров поверхности, но не от сечения ее толщи, то есть глубины. Поверхностное натяжение жидкости в глубокой кастрюле или мелкой лужице идентичной площади будет одинаковым.

Капли жидкости в воздухе — не совсем подходящий пример с точки зрения биологии, ведь они существуют, только пока не упадут на землю. А вот капли одной жидкости в другой жидкости могут существовать неограниченное время и представляют собой явление, чрезвычайно важное и для биологии, и для техники. Такие системы называются эмульсиями и хорошо нам знакомы. Это, например, молоко, разнообразные смазки и многие виды красок.

Эти мелкие капли обычно имеют сферическую форму. Объем сферы пропорционален кубу ее радиуса, тогда как площадь сферы — квадрату радиуса. Таким образом, если две одинаковые капли сольются и образуют каплю двойного объема, это приведет к уменьшению их общей площади и, соответственно, поверхностной энергии. Таким образом, с энергетической точки зрения для капель привлекательно слияние, и эмульсия стремится к разделению на две однородные жидкости.

Если же мы хотим предотвратить слияние капель, нужно сделать так, чтобы они отталкивались друг от друга, или, говоря научным языком, стабилизировать эмульсию, что является весьма непростым процессом. Один из способов стабилизации — придание оболочке капель электрического заряда, для этого в эмульсии добавляют электролиты, кислоты и щелочи. Если стабилизация проведена как следует, придется сильно постараться, чтобы соединить капли (несмотря на их стремление сэкономить поверхностную энергию). Именно поэтому так трудоемок процесс сбивания масла из сливок. Природа очень хорошо умеет стабилизировать эмульсии.

Несмотря на некоторые серьезные недостатки, у поверхностного натяжения в роли оболочки, мембраны или резервуара живого существа (если это существо вполне довольно своими малостью и округлостью) есть масса преимуществ. Во-первых, такая поверхность обладает хорошей растяжимостью и способна к самовосстановлению, а во-вторых, сильно упрощается размножение — капля просто увеличивается в размерах и разделяется на две капли.

Поведение мягких тканей в реальной жизни

Насколько мне известно, стенки клеток современных организмов не полагаются лишь на механизм поверхностного натяжения, хотя некоторые из них демонстрируют похожее поведение. Один из главных недостатков простого поверхностного натяжения состоит в том, что сила натяжения постоянна, и увеличить ее за счет утолщения поверхности невозможно. Этот фактор весьма ограничивает размер «контейнера».

Однако природа вполне способна создавать материалы, в которых механизм поверхностного натяжения действует, так сказать, по всей толщине. Не совсем приятный, но всем знакомый пример: когда зубной врач просит вас сплюнуть в маленькую раковинку рядом с креслом, плевок иногда повисает на тонкой ниточке слюны, которая, кажется, растягивается бесконечно. Молекулярный механизм, который стоит за этим явлением, до конца не ясен, но поведение подобного вещества в категориях напряжения и деформации выглядит, как показано на рис. 1.

Большинство тканей животных не обладают такой способностью к растяжению, как слюна, но многие демонстрируют сопоставимые показатели деформации — до 50% и более. Мочевой пузырь молодого человеческого организма способен растягиваться похожим образом до 100%, а мочевой пузырь собаки — до 200%. Как уже упоминалось в главе 3, по данным моего коллеги, доктора Джулиана Винсента, мягкая кутикула самца и неоплодотворенной самки саранчи способна деформироваться на 100%, а вот у оплодотворенной самки степень растяжения достигает невероятных 1200%, причем оболочка способна полностью восстанавливать свою первоначальную форму.

Хотя кривая напряжения-деформации большинства мембран и других мягких тканей не строго горизонтальна, она часто близка к этому положению при значениях деформации до 50%, и мы вполне можем представить, какие последствия имеет такое упругое поведение. Конструкция из такого материала должна напоминать нечто, состоящее из пленок жидкости в состоянии поверхностного натяжения. Самый доступный пример легко пронаблюдать, надувая мыльные пузыри.

Важная особенность такого рода материалов и мембран в том, что напряжение в них постоянно, то есть его значение всегда одно и то же, и действует оно всех направлениях. Единственная форма оболочки, резервуара или сосуда высокого давления, которая возможна в таких условиях, — это сфера или часть сферы. Это очень хорошо демонстрирует пример мыльных пузырей или пивной пены. Если задаться целью соорудить из таких мембран удлиненное живое существо, то лучшее, что может получиться, — это сегментированное создание, чем-то похожее на рис. 2. На самом деле именно такое строение весьма типично для червеобразных созданий.

Сколь бы ни была такая модель удобна для червяков, оно не годится для труб и трубок, и в частности для кровеносных сосудов. Как мы убедились в главе 6, окружное напряжение в трубах в 2 раза превышает продольное, и к такой разнице обсуждаемая модель мембраны уже не приспособлена. Для сосудов необходим материал, кривая напряжения-деформации которого вела бы себя так, как показано на рис. 3.

Самое очевидное хорошо растягивающееся вещество, которое удовлетворяет этому условию, — резина. Сейчас существует множество резиноподобных материалов как естественного, так и искусственного происхождения. Некоторые из них способны к деформации вплоть до 800%. Специалисты-материаловеды называют такие вещества эластомерами. Резиновые трубы сегодня используются для самых разнообразных инженерных задач, и с нашей стороны было бы логично предположить, что природа в процессе эволюции должна была придумать нечто подобное резине для изготовления вен и артерий. А вот именно этого природа-то и не сделала, и, как выясняется, по весьма веским причинам.

Материалы, подобные резине, имеют график напряжения-деформации очень характерной сигмоидной формы, иначе говоря, напоминающий букву S (рис. 4). Согласно моим весьма приблизительным расчетам, представляется очевидным, что если мы возьмем трубу или цилиндр и создадим внутри такое давление, которое вызовет окружную деформацию 50% или более, то процесс расширения примет неконтролируемый характер и труба станет похожей на змею, съевшую мяч, — на ней образуется сферическое вздутие, которое врач назвал бы аневризмой. Любой может легко добиться такого результата, надув детский шарик вытянутой формы (илл. 5), — значит, мои приблизительные подсчеты верны.

Поскольку вены и артерии на самом деле подвергаются деформации в 50% и более и, как скажет любой врач, такого опасного явления, как аневризма кровеносных сосудов, нужно всячески избегать, упругость, как у резины, не подходит для внутренних оболочек нашего тела. И действительно, такая упругость в животных тканях встречается достаточно редко.

Выполнив математические расчеты, можно убедиться, что единственный вид упругости, который позволяет веществу оставаться абсолютно стабильным под давлением жидкости и в состоянии сильного растяжения, соответствует графику на рис. 5. С незначительными вариациями эта кривая характерна для многих животных тканей и особенно для мембран, что несложно проверить, потянув себя за мочку уха.

Глядя на рис. 5, уместно задаться вопросом: а проходит ли когда-нибудь кривая напряжения-деформации таких материалов через начало координат (с нулевым напряжением и нулевой деформацией) или в материале всегда присутствует определенное напряжение, даже когда никакой деформации нет? (Вопрос, безусловно, должен шокировать инженеров, воспитанных на гуковских материалах вроде стали.) Насколько можно судить, применительно к тканям живых организмов нет такого понятия, как начало координат — иначе говоря, не бывает нулевого напряжения и нулевой деформации (которая возможна, например, в конструкции из мыльных пузырей). Во всяком случае, артерии в организме постоянно находятся в состоянии натяжения, и если артерию иссечь из живого или недавно умершего организма животного, она прилично сократится в размере.

Как мы увидим дальше, это натяжение, возможно, является дополнительным инструментом, призванным предотвратить изменение длины артерий под действием перепадов кровяного давления, или же запоздалой попыткой уравнять продольное и окружное напряжение в стенках артерий, то есть вернуться к состоянию поверхностного натяжения, которое существовало в далеком прошлом. Когда человеческое тело подвергается сильной и продолжительной вибрации (например, как у лесоруба, работающего с бензопилой), натяжение артерий может ослабнуть и они начнут изгибаться и сворачиваться.

Ритмичное растяжение и расслабление артерий необходимо для нормальной работы кровеносной системы. Затвердевание стенок артерий, происходящее в пожилом возрасте, способствует повышению давления и прибавляет работы сердцу, которое от этого совсем не выигрывает. Многие из нас прекрасно знают об этих изменениях, но немногие отдают себе отчет, что это связано с деформацией.

Как мы вычислили в главе 6, продольное напряжение в цилиндрическом сосуде составляет половину окружного напряжения. Это правило работает всегда, независимо от материала, из которого сделаны стенки сосуда. Стало быть, при строгом соблюдении закона Гука продольная деформация также должна составлять половину от окружной деформации и сосуд с учетом размеров должен пропорционально удлиниться. Магистральная артерия, допустим та, что подает кровь к ногам, обычно около сантиметра в диаметре и примерно метр в длину. Если бы деформации действительно относились между собой как 2 к 1, то, согласно простым подсчетам, увеличение диаметра артерии на полмиллиметра (что вполне терпимо для тела) привело бы к ее удлинению на целых 25 миллиметров.

Очевидно, что такого радикального удлинения артерий с частотой 70 раз в минуту происходить не может (и не происходит). Если бы такое действительно имело место, наше тело просто не смогло бы нормально работать. Представьте себе, что в таком случае творилось бы с сосудами головного мозга.

По счастью, в реальной жизни продольные деформации в любых цилиндрических сосудах под давлением значительно меньше, чем можно было бы ожидать на основе наших упрощенных выкладок. Происходит это потому, что существует штука под названием «коэффициент Пуассона».

Если растянуть резиновый жгут, он станет существенно тоньше. То же самое происходит со всеми твердыми телами, хотя в большинстве случаев эффект не будет так бросаться в глаза. Если, напротив, укоротить твердое тело, сжав его, то материал «выдавится» с боков. И то и другое — следствия упругости, и они исчезают, когда исчезает нагрузка.

Эти изменения в поперечном сечении незаметны в таких материалах, как сталь или кость, поскольку и поперечная, и продольная деформации крайне малы, однако суть явления от этого не меняется. Тот факт, что это происходит со всеми твердыми телами и такое поведение крайне важно для практического применения теории упругости, впервые отметил французский ученый Симеон Дени Пуассон (1781–1840). Проведя детство практически в нищете и не получив к своим 15 годам никакого систематического образования, в 31 год он уже удостоился звания академика, одного из самых почетных во Франции того времени, за исследования физики упругости.

Как мы говорили в главе 3, закон Гука постулирует, что

Если мы приложим растягивающее напряжение s 1 к плоской пластине, то материал удлинится и упруго растянется. Деформация в направлении растяжения составит

В то же время материал сожмется в поперечном сечении (то есть в направлении, перпендикулярном s 1), и это уже другая деформация; обозначим ее e 2. Пуассон установил, что для каждого отдельно взятого материала отношение e 2 к e 1 постоянно. Это отношение и называется коэффициентом Пуассона — в нашей книге мы будем обозначать его q.

Таким образом, для каждого отдельно взятого материала, на который воздействует однонаправленное растягивающее напряжение s 1, деформацию e 1 в направлении s 1 часто называют продольной или первичной деформацией, а деформацию e 2, которая возникает под действием s 1, но перпендикулярно ему, — поперечной или вторичной деформацией (рис. 7).

Исходя из вышесказанного,

а поскольку e 1 = s 1/E, то

Зная, чему равны q и E, мы можем вычислить и первичную, и вторичную деформацию.

У технических материалов — металлов, камня или бетона — коэффициент Пуассона находится в пределах между ¼ и ⅓, у биологических же значения q, как правило, выше и часто достигают ½. Преподаватели физики будут говорить вам, что значение q не может превышать ½, в противном случае с материалами происходили бы различные неприемлемые и довольно противные явления. Это правда лишь отчасти, и значения коэффициента Пуассона у некоторых биологических материалов могут даже превышать единицу [59]. Например, коэффициент Пуассона моего живота, экспериментально полученный мною в ванне, составляет 1,0 (см. примечание 60).

Таким образом, как мы уже говорили, если мы растягиваем фрагмент материала, допустим мембрану или стенку артерии, в каком-то одном направлении, он в этом направлении удлиняется, а в направлении, перпендикулярном натяжению, укорачивается. Поэтому если растяжение происходит одновременно в обоих направлениях под прямым углом друг к другу, то эффекты суммируются, и деформации будут меньше, чем в том случае, когда на фрагмент действует только одно напряжение.

При одновременном действии напряжений s 1 и s 2 суммарная деформация в направлении s 1 составит

а в направлении s 2

Возвращаясь к главе 6: следствием коэффициента Пуассона является то, что продольная деформация в стенке цилиндрического сосуда высокого давления, подчиняющегося закону Гука, составит

где r — радиус, p — давление, а t — толщина стенки.

Из этого следует, что продольное упругое растяжение трубы окажется гораздо менее значительным, чем ожидалось, а для гуковского материала с коэффициентом Пуассона ½ растяжения не будет вообще. Артерии, как мы видели, не подчиняются закону Гука, и, весьма вероятно, коэффициент Пуассона артериальных стенок выше ½. По-видимому, эти два фактора компенсируют друг друга, поскольку, как свидетельствуют эксперименты, изменение длины артерий весьма невелико [60]. Несомненно, что постоянное натяжение артерий — не что иное как мера предосторожности против этой возможной небольшой продольной деформации.

Эффекты, связанные с коэффициентом Пуассона, чрезвычайно важны не только для тканей живых организмов, в инженерном деле они тоже играют весьма важную роль и постоянно напоминают о своем существовании.

Необходимо также добавить, что в отличие от аорты и главных артерий, которые способны удлиняться и сокращаться с ударами сердца, мелкие артерии имеют стенки с мышечной тканью, придающие им жесткость и помогающие сокращаться в диаметре, а следовательно и регулировать количество крови, предназначенное для того или иного участка тела. Таким образом происходит распределение локального кровотока.

Суть этого иммунитета не в мягкости как таковой и не в низком модуле Юнга. Резина, например, тоже мягкая и тоже обладает низким модулем Юнга, хотя многие из нас помнят, как, будучи детьми, надували воздушный шарик и бегали с ним по саду — до первого куста с колючками, где он тут же с грохотом лопался. В детстве мы не понимали, что благодаря концентрации напряжения и низкой работе разрушения резины трещина от крошечного отверстия распространяется стремительно (а даже если бы и понимали, это вряд ли бы нас утешило). А вот перепонка крыла летучей мыши, хотя и подвергается значительному натяжению в полете, ведет себя совершенно по-другому. Если случается прокол, крыло, как правило, не рвется, а рана быстро заживает, хотя животное пользуется крыльями постоянно.

На мой взгляд, объяснение следует искать в различии упругих свойств и работы разрушения резины и тканей животных. На сегодняшний день мы не располагаем данными о работе разрушения мягких биологических тканей, однако диаграммы деформирования нам в большинстве случаев известны, и это соотношение, по всей видимости, влияет на вероятность разрыва.

Интересный пример представляет собой яичная оболочка — та мягкая мембрана, которую мы встречаем за завтраком под скорлупой вареного яйца. Это одна из немногих биологических мембран, подчиняющихся закону Гука, в этом случае вплоть до деформации разрыва — 24%. Незамысловатый, но немного грязный эксперимент с сырым яйцом легко убедит в том, что разрушить мембрану яйца очень просто. Собственно, в легкости разрушения и состоит ее предназначение — ведь вылупляющийся птенец первым делом должен проковырять своим клювом именно ее. Примечательно, что саму скорлупу с ее куполообразной формой гораздо легче разбить изнутри, чем снаружи.

Мембрана яйца скорее представляет собой исключение из правила. Она должна легко разрушаться после того, как выполнила свою задачу консервации жидкого содержимого яйца и защиты его от инфекций. Как уже было сказано, вероятно, именно поэтому она и обладает такими упругими свойствами. Однако упругие свойства подавляющего большинства мягких тканей совсем другие и больше соответствуют графику на рис. 5. С функциональной точки зрения эти ткани должны быть «вязкими». Хотя однозначных научных объяснений этому нет, но с практической точки зрения такие материалы чрезвычайно сложно порвать. Одно из возможных объяснений состоит в том, что энергия деформации (иначе говоря, площадь под кривой), которая способна вызвать разрыв, в таком графике минимальна [61].

Как мы уже говорили, упругие свойства значительной части тканей животных приблизительно соответствуют графику на рис. 5. Должен признаться, что когда я узнал об этом обстоятельстве, оно мне показалось прихотью или шуткой природы, которая, бедолага, не смогла придумать ничего лучше, так как не имела за плечами технического образования. После довольно продолжительных и не всегда удачных попыток разобраться в элементарной математике этого процесса до меня начало доходить, что для конструкций, которые должны функционировать надежно при высоких деформациях, это единственная модель упругого поведения, которая будет работать. Фактически именно развитие тканей животных с такой кривой стало ключевым фактором эволюции и выживания высших форм жизни. Биологи, возьмите себе на заметку!

Роль волокон коллагена состоит не только в придании тканям жесткости при высокой деформации. По-видимому, они придают тканям выносливость, то есть устойчивость к образованию трещин. Когда на коже возникает порез — случайно или в ходе хирургического вмешательства, — на начальном этапе заживления коллагеновые нити временно исчезают, как бы временно расступаясь на почтительное расстояние вокруг раны. Только после того, как порез затянется эластином, коллагеновые нити формируются вновь и прочность ткани восстанавливается полностью. Этот процесс может длиться до трех-четырех недель, и в течение всего этого периода ткань вокруг раны обладает пренебрежимо малой работой разрушения. Поэтому, если врачи решают вскрыть хирургический шов через две-три недели после первоначальной операции, наложение новых швов может стать непростой задачей.

Коллаген существует в разных формах — например, в виде скрученных нитей или жгутов белковых молекул. Сопротивление коллагена растяжению, по сути, определяется тем, насколько сложно растянуть атомные связи в его молекулах — иначе говоря, это материал, подчиняющийся закону Гука, как нейлон или сталь. Но почему же эластин ведет себя как поверхность жидкости? Короткий ответ: никто толком не знает. Профессора Вайс-Фог и Андерсен выдвинули гипотезу, что такое поведение может быть обусловлено некой модифицированной формой поверхностного натяжения. Согласно их теории, эластин животных тканей может представлять собой своего рода эмульсию. Гибкие длинноцепочечные молекулы белка смочены жидкостью, но не того вещества, в котором они находятся, а другого. Поэтому с энергетической точки зрения им выгоднее находиться в свернутом состоянии внутри капелек (рис. 9а). В состоянии натяжения они разворачиваются и вытягиваются из капелек (рис. 9б) [62].

Значительную часть нашего тела составляют мышцы, которые представляют собой активную ткань, способную сокращаться и передавать напряжение на сухожилия и другие органы. Однако в мышцах содержатся волокна коллагена, с точки зрения упругости пассивные. Если растянуть мускул, извлеченный из тела, его диаграмма деформации будет напоминать опять же рис. 5. Поэтому функция коллагена в мышце предположительно состоит в том, чтобы предотвратить ее чрезмерное растяжение в расслабленном состоянии — проще говоря, он выполняет роль предохранителя.

Как мы уже говорили, другая функция волокон коллагена в живой плоти — повышать работу разрушения. Это хорошо для животных, но не очень удобно для людей, которые этих животных едят — ведь именно коллаген делает мясо жестким. Однако же природа все равно благоволит не вегетарианцам, а мясоедам — в бесконечной мудрости своей она устроила так, что при температуре чуть ниже той, которую выдерживает эластин, коллаген обращается в желатин, то есть желеобразную клейкую и мягкую массу. Процесс приготовления мяса заключается, по сути дела, в превращении коллагена в желатин посредством жарки, тушения или варки. Вот та истинная наука, которая возвращает нам веру во всеблагое Провидение!

Глава 9

Стены, арки и плотины,

или Башни, увенчанные тучами, и надежность каменной кладки

Бери деревяшки и строй городок:

Дома и театры, музеи и док.

Роберт Льюис Стивенсон. Город из деревяшек. Пер. В. Брюсова

Как мы убедились выше, создание конструкций в растяжении связано со множеством сложностей, подводных камней и опасных ловушек (если только инженер не обладает мудростью самой природы). Особенно это относится к конструкциям, которые состоят из нескольких или множества элементов. В таком случае инженер должен позаботиться о том, чтобы сооружение не развалилось в местах соединений. По этой причине наши предки избегали растяжений и стремились строить такие конструкции, где действовало бы только напряжение сжатия.

Наиболее древний и удобный способ сооружения таких построек — каменная или кирпичная кладка. Невероятная успешность каменных построек на самом деле обусловлена двумя факторами. Первый довольно очевидный — в таких строениях, и особенно в местах соединений, отсутствуют растягивающие напряжения. Второй гораздо менее явный. Сам характер проектной задачи — постройки большого каменного здания — удивительным образом соответствует ограничениям донаучного подхода к конструированию.

Из всех типов возможных сооружений, как мы вскоре убедимся, каменные строения — единственные, при возведении которых слепое следование традиционным пропорциям не ведет к неминуемой катастрофе. Поэтому на всем протяжении истории именно каменные здания были самыми крупными и внушительными из всех сооружений, которые строил человек. Стремление строить «башни, увенчанные тучами» и величественные храмы восходит к глубокой древности. В первой главе приведен эпиграф из Книги Бытия о Вавилонской башне. Как вы помните, цель этого проекта состояла в постройке башни «высотою до небес», хотя, полагаю, вряд ли теологи интересовались, какой высоты в действительности достигала башня.

Практически вся нагрузка на стены башни складывалась из ее собственного веса, следовательно, один из способов ответить на этот вопрос — это вычислить непосредственное напряжение сжатия в самой нижней части башни, вызванное давлением веса всей кирпичной кладки. Предельная высота будет той, при которой кирпичи основания начнут рушиться под действием этого напряжения.

Современный кирпич [63] или строительный камень имеет вес примерно 2 тонны на кубический метр и предел прочности при сжатии примерно 40 МН/м2. Простейшие арифметические подсчеты показывают, что, прежде чем кирпичи основания начнут рушиться, башню с параллельными стенами можно выстроить до высоты в 2 километра. Предельную высоту можно и увеличить, сделав стены не параллельными, а сужающимися кверху (именно так сконструированы горы). Высота Эвереста составляет около 8 километров, при этом гора не демонстрирует признаков разрушения. Таким образом, теоретически строители Сеннаара могли выстроить башню с достаточно широким основанием и сужающимися кверху стенами до такой высоты, что у них случилось бы кислородное голодание еще задолго до того, как кирпичи основания начали бы разрушаться.

Несмотря на то что приведенные выше расчеты в целом вполне корректны, даже самые амбициозные здания, построенные человеком, никогда и близко не приближались к таким размерам. Самое высокое здание из существующих ныне — комплекс Центра международной торговли в Нью-Йорке высотой около 400 метров [64]. Однако его лишь с большой натяжкой можно отнести к каменным постройкам, поскольку, как и многие другие небоскребы, здание имеет стальной каркас. Пирамида Хеопса и шпили самых высоких соборов достигают немногим более 150 метров, сравнительно небольшая часть каменных сооружений — лишь половины этой высоты, а подавляющее большинство значительно ниже.

Вот почему сжимающее напряжение, вызванное собственным весом, в повседневных каменных зданиях крайне мало. В целом оно редко достигает даже одной сотой предела прочности камня или кирпича при сжатии, поэтому этот фактор на практике не ограничивает высоту или прочность зданий. Возвращаясь к библейским сюжетам: разрушившаяся Силоамская башня была не то чтобы очень высокой, тем не менее она упала и «побила» людей. Примечательно, что, несмотря на самонадеянность архитекторов и строителей, стены и постройки рушатся неожиданно. Это происходит с давних пор и продолжается по сей день, а поскольку каменная кладка — штука довольно тяжелая, при этом часто гибнут люди.

Если причина не в сжимающем напряжении, то почему же тогда башни рушатся? Здесь снова полезно вспомнить детство. Многие из нас, когда были маленькими, наверняка играли в «кирпичики» и строили башни из камешков. Дети обычно кладут «кирпичики» не очень ровно, и башня, достигнув весьма скромной высоты, обваливается. Даже ребенок прекрасно понимает (хотя и не может выразить этого при помощи научной терминологии), что разрушение происходит не из-за сжимающего напряжения — оно там ничтожно мало. Такая «постройка» начинает наклоняться и заваливаться набок из-за того, что стоит неровно, не строго вертикально. Иными словами, дело не в отсутствии прочности, а в отсутствии равновесия. Причина эта вполне очевидна для малых детей, но не всегда по зубам архитекторам и строителям. Рассуждения историков архитектуры, которые пишут о старинных соборах и других зданиях, тоже частенько представляют собой горестную картину.

Подпирают массивные арки кровли.

Ее тяжесть недвижима и спокойна,

Эпоха королевы Анны была временем одной культуры, и я нисколько не сомневаюсь, что Конгрив (1670–1729) разговаривал и выпивал с Джоном Ванбру, драматургом и архитектором, построившим Бленхеймский дворец, и самим сэром Кристофером Реном. Оба эти архитектора прекрасно понимали — во всяком случае, в общих чертах, — что здания стоят ровно и не падают не благодаря прочности камня или раствора, а благодаря тяжести материала в нужных местах.

Правда, одно дело понимать в общих чертах, а совсем другое — понимать механизм происходящего и уметь определять, надежно здание или нет. Чтобы разобраться в поведении каменной кладки с научных позиций, необходимо рассматривать ее как упругий материал, то есть иметь в виду, что камень или кирпич подчиняются закону Гука и деформируются под воздействием нагрузки. Также полезно, хоть и не обязательно, помнить о понятиях напряжения и деформации.

На первый взгляд, кажется невероятным: как это камень или кирпич могут деформироваться под нагрузкой? На самом деле по крайней мере на протяжении столетия после Гука именно такой «обыденный» взгляд и преобладал — архитекторы и инженеры упорно игнорировали закон Гука и рассматривали каменную кладку как абсолютно твердую субстанцию. Следствием этого были ошибочные расчеты и преждевременное разрушение зданий.

Кстати говоря, модуль Юнга кирпича или камня не так уж и велик, и, как всякий может убедиться, взглянув на изогнутые колонны Солсберийского собора (илл. 1), упругие сдвиги в каменной кладке не такие уж и незначительные, как многим кажется. Даже в обычном небольшом доме стены под действием собственного веса укорачиваются или упруго сжимаются по вертикальной оси примерно на один миллиметр. Естественно, что в большом здании сжатие намного больше. Когда говорят, что «дом сотрясается от порывов штормового ветра», вы не поверите, но он действительно сотрясается. Верхушка Эмпайр-стейт-билдинга во время сильного урагана качается с амплитудой около полуметра [65].

Современный анализ каменных построек основывается на гуковской упругости и четырех допущениях, которые подтверждены практическим опытом.

1.Напряжения сжатия настолько малы, что материал не будет разрушен. Мы уже говорили об этом выше.

2.Благодаря использованию строительного раствора или цемента сцепление в соединениях настолько крепко, что силы сжатия передаются по всей площади соединения, а не в отдельных его точках.

3.Трение в соединениях настолько велико, что проскальзывание отдельных кирпичей или камней не станет причиной обрушения. В действительности никакого проскальзывания кирпичей до обрушения постройки не произойдет.

4.Соединения не обладают практически полезной прочностью на растяжение. Даже если раствор по случайному стечению обстоятельств обладает такой прочностью, на нее не следует полагаться и ею следует пренебречь. Роль раствора, таким образом, состоит не в склеивании кирпичей между собой, а лишь в равномерной передаче сжимающего напряжения.

Насколько мне известно, первым человеком, который стал учитывать упругую деформацию каменной кладки в расчетах, был Томас Юнг. Он рассмотрел, что будет происходить с прямоугольным фрагментом кладки, таким как стена, если на нее будет действовать вертикальная нагрузка, назовем ее P. Далее я упростил рассуждения Юнга и переформулировал их исходя из понятий напряжения и деформации (которых, конечно, в эпоху Юнга не существовало).

Поскольку P действует симметрично по центральной линии стены, то кладка будет сжиматься равномерно, и благодаря мистеру Гуку соответствующее распределение сжимающего напряжения по всей толщине стены также будет равномерно (рис. 1).

Предположим теперь, что вертикальная нагрузка P немного смещена относительно центральной вертикальной линии. В этом случае сжимающее напряжение уже не будет распределяться равномерно, а для уравновешивания нагрузки станет больше с одной стороны стены и меньше с другой. Юнг показал, что если материал подчиняется закону Гука, то напряжение будет распределено линейно и его график будет выглядеть примерно как на рис. 2.

Пока что раствору, соединяющему кирпичи, ничего не грозит, поскольку соединение по всей своей ширине находится в состоянии сжатия. Если же нагрузка сместится еще дальше от центра — на позицию, которая называется «средняя треть» стены, — возникнет ситуация, показанная на рис. 3: график распределения нагрузки станет треугольным и сжимающее напряжение на внешней стороне стены приблизится к нулю.

Сама по себе такая ситуация еще не опасна, но самые сообразительные наверняка догадались, что может случиться неприятность. И она действительно случится, если нагрузка сместится еще чуть дальше в сторону — как на рис. 4.

Напряжение на противоположной стороне стены станет не сжимающим, а растягивающим. Как мы говорили, строительный раствор весьма ненадежен в растяжении, и в большинстве случаев это действительно так. Произойдет то, что и должно произойти, — в соединении образуется трещина. Безусловно, образование трещин вредно для постройки, и в зданиях, за которыми тщательно следят, их появления не допускают, однако это не значит, что после появления трещины стена вот-вот рухнет. В реальной жизни трещина немного раскроется, но стена устоит за счет той части соединения, которая еще находится в состоянии сжатия.

Тем не менее дело уже пахнет керосином, в один прекрасный день линия давлений может выйти уже за вертикаль стены, и тогда, как нетрудно догадаться, в отсутствие сопротивления растяжению одно или больше соединений полностью разойдутся и «зависнут» на краешке, после чего стена завалится и упадет (рис. 6).

В 1802 году, когда Юнг, 29-летний многообещающий ученый, пришел к этим выводам, он был назначен на пост профессора натурфилософии в Королевском институте в Лондоне. Его коллегой (и в некотором смысле конкурентом) в том же году стал Гемфри Дэви, получивший должность профессора химии в еще более нежном возрасте — ему было всего 24. Как и сейчас, тогда в Королевском институте проводились научно-популярные лекции для широкой аудитории. В те годы они играли роль современных телешоу, призванных помочь институту как в финансовом, так и в имиджевом смысле.

Юнг отнесся к своей просветительской миссии со всей серьезностью и, преисполненный научного энтузиазма, начал серию лекций об упругости различного рода конструкций, где высказывал весьма ценные и новаторские наблюдения о поведении стен и арок.

На лекции на Альбемарль-стрит в те дни собиралась модная публика, которая, согласно наблюдениям современников, состояла преимущественно из «глупых женщин и дилетантствующих философов». Юнг ни в коем случае не собирался игнорировать женскую часть аудитории и предварил свою первую лекцию такими словами: «Значительная часть моих слушателей, на чье внимание я, готовя эти лекции, особенно рассчитывал, принадлежит к тому самому полу, который в современном обществе избавлен от наиболее трудоемких занятий, поглощающих время и внимание другого пола. Эти часы досуга женщин высших слоев общества, вне всякого сомнения, гораздо лучше употребить на умственное развитие и приобретение знаний, а не на развлечения, предназначенные лишь для бессодержательного прожигания излишков свободного времени…»

Тем не менее успех не всегда сопутствует тем, кто истово стремится подарить людям полезные знания, и складывается впечатление, что некоторые дамы из высших слоев общества все же предпочли лекциям Юнга бессодержательное времяпрепровождение. Так или иначе, Дэви, который на своих лекциях демонстрировал увлекательные опыты с электричеством и зажигательные химические реакции, обладал тем, что сегодня мы бы назвали харизмой телеведущего. Ко всему прочему, он был удивительно хорош собой, и дамы сбегались на его лекции по причинам, которые лишь с натяжкой можно назвать научными. «Ах, эти глаза, — говорила одна из слушательниц, — созданы не для того, чтобы смотреть в пробирки!»

Результат не замедлил сказаться на кассовых сборах: «Доктор Юнг, чьи глубокие познания в изучаемом предмете никто не осмелится оспаривать, читал свои лекции в той же аудитории и тому же составу слушателей, которые посещали выступления Дэви, однако число его слушателей ежедневно сокращалось лишь по той причине, что он избрал слишком сухую и дидактическую манеру изложения».

Такая неудача не имела бы особого значения, если бы идеи Юнга смогли вызвать интерес и поддержку среди инженеров-практиков. Увы, в тот период в инженерном деле господствовал авторитет Томаса Телфорда (1757–1834), чьи взгляды, как мы помним, были строго прагматическими и даже «антитеоретическими». В результате Юнг практически тут же подал в отставку со своего поста и вернулся к медицинской практике [66]. Первенство в развитии теории упругости на многие годы закрепилось за Францией, где император Наполеон I всячески поощрял изучение этого предмета.

Упругое сжатие, «средняя треть» и неустойчивость, которые так утомляли слушательниц лекций Юнга, — практически все, что нужно знать о поведении соединений в каменной кладке. Естественно, нужно еще иметь представление о том, где именно действует вес, или, другими словами, насколько смещена нагрузка.

Удобнее всего это определяется при помощи так называемой линии или кривой давлений, то есть такой линии, которая проходит от верхней точки стены до ее основания и последовательно через те точки соединений, где действует нагрузка. Линия давлений — французское изобретение, автором которого, скорее всего, является физик Шарль Кулон (1736–1806).

В простой вертикальной стене, столбе или колонне (изображенной на рис. 7) линия давлений будет пролегать строго посередине и не вызовет никаких проблем. Однако в любом более сложном строении обязательно будет наклонная сила, вызванная боковым давлением конструкций крыши, арки, свода или других асимметричных форм. В этом случае линия давлений уже не будет проходить строго вертикально по центру стены, а сместится к одной из ее сторон и изогнется [67].

Если, нарисовав кривую давлений нашей постройки, мы обнаружим, что она может соприкоснуться с поверхностью стены в любой ее точке, нам нужно крепко подумать над проектом, потому что такая постройка, скорее всего, обрушится.

Одним из способов решения проблемы (и, возможно, наиболее эффективным) будет установка дополнительного веса в верхней части стены. В этом случае произойдет то, что схематично изображено на рис. 9. Вопреки обыденному мнению, дополнительный вес сделает стену не менее, а более устойчивой, и подгулявшая линия давлений вернется на причитающееся ей место. Чтобы увеличить вес, можно просто достроить стену на бóльшую высоту, чем это необходимо; делу также помогут тяжелые балюстрады или парапеты. В этом смысле всегда придется кстати ряд из статуй, если они вписываются в архитектурный облик здания и вы можете себе это позволить (рис. 10). Именно в этом состоит инженерный смысл башенок и скульптур в декоре готических соборов и церквей. Они в буквальном смысле насмехаются над функционалистами и занудами, которые слишком много бубнят об эффективности.

Раньше считалось, что линия давлений [68] должна располагаться в пределах «средней трети» стены, поскольку появление трещин приведет к ее падению. Этот консервативный принцип вполне обоснован и ради безопасности должен соблюдаться, но боюсь, что в наши вольные времена он соблюдается далеко не всегда. Посмотрев на стены современных жилых домов или университетов, любой убедится, что они испещрены трещинами, а где трещина, там и растягивающее напряжение. И все же, хотя эти трещины и портят штукатурку или отделку интерьера [69], они редко представляют опасность для базовой конструкции здания.

Главный фактор устойчивости кирпичной или каменной кладки: линия давлений должна всегда полностью пролегать внутри стены или колонны.

Во-первых, поток воды повреждает кладку. По этой причине внутри плотины всегда предусматривают систему дренажа, нейтрализующую протечки. Во-вторых, что гораздо более драматично, давление воды в трещине вызывает подъемную силу (около 0,5 МН/м2 на глубине 30 метров), что усугубляет и без того критическую ситуацию и приводит к опрокидыванию плотины.

В 1943 году разрушение плотин на Мёне и Эдере британскими ВВС [70] проходило в два этапа, разделенных временным промежутком. Сначала с напорной стороны плотин пилоты сбросили глубинные бомбы, сконструированные Барнсом Уоллисом, которые погрузились под самые основания плотин и там сдетонировали. После взрыва в конструкции плотин образовались повреждения, и плотины вскоре обрушились под действием давления воды в трещинах. Согласно источникам, рассказывающим об этой операции, между взрывом бомб и моментом обрушения прошло определенное время. Операция нанесла огромный ущерб долине Рура.

Разрушение плотины в мирное время — ночной кошмар инженера. Даже если плотина выстроена из армированного бетона, а не из камня, крайне неосмотрительно рассчитывать на прочность материала в растяжении. Поэтому во всех неармированных плотинах линия напряжений не должна выходить за зону средней трети в направлении напорной стороны в заполненном состоянии и в направлении ненапорной стороны, когда плотина «пуста». При этом хорошо еще иметь некоторый запас. Исходя из этих требований профиль плотин часто имеет хорошо знакомую нам скошенную коническуюформу.

Если сравнивать со стоимостью воды в водохранилищах, плотины обходятся довольно дорого, поэтому инженеры всегда стараются удешевить стоимость их возведения. Существенная экономия цемента достигается усилением бетона при помощи стальной арматуры, особенно в состоянии натяжения. Однако, если арматура не укреплена в прочных скальных породах ниже основания плотины, всегда существует опасность, что плотина будет вырвана с корнем и опрокинется вместе с арматурой и всем на свете.

Одно из возможных решений показано на рис. 12. Стальные стягивающие стержни, укрепленные в скальных породах, проходят сквозь бетон снизу вверх и натягиваются с помощью специальных домкратов. Далее мы увидим, что они фактически выполняют ту же задачу, что и башенки на стенах готических соборов. Безусловно, все традиционные тяжелые каменные постройки можно рассматривать как конструкции, напряженные собственным весом. Ряд тяжеленных скульптур на плотине примерно так же решал бы эту задачу, как и стальная арматура, да и выглядел бы, наверное, довольно мило, только стоил бы гораздо дороже арматуры.

Тем не менее ступенчатая арка [71] (или наполовину ступенчатая, как в тиринфских воротах) — довольно неуклюжее сооружение. На смену ей пришла конструкция, в которой кирпичи или камни несущей части арки имели клиновидную форму и назывались клинчатыми камнями. Строение истинной арки показано на рис. 13.

Центральный камень в арке называется замковым, ключевым или краеугольным. Иногда его делают больше остальных камней. Хотя политики, поэты и другие, далекие от инженерного дела, люди часто приписывают краеугольным камням (настоящим или метафорическим) особенное значение, их отличие исключительно декоративное, а с функциональной точки зрения они ничем не отличаются от остальных клинчатых камней арки.

Конструктивное предназначение арки — нести вертикальную нагрузку и преобразовывать ее в поперечную нагрузку, распределенную по контуру арки с помощью клинчатых камней, которые упираются друг в друга и, в свою очередь, передают нагрузку опорам или пятам свода. Схема этого процесса довольно очевидна из рис. 14.

Дуга арки, сделанная из клинчатых камней, представляет собой, по сути дела, изогнутую стену, а точки приложения нагрузки в каждом из соединений, как и в случае со стеной, складываются в линию напряжений. В арке линия имеет закругленную форму и более или менее повторяет очертания самой арки. Подробно о линиях напряжения в арках мы поговорим в следующей главе, пока же просто зафиксируем, что они там есть. Мы допускаем, что, так же как и в стене, клинчатые камни не проскальзывают друг относительно друга, а соединения не могут подвергаться растягивающему напряжению.

Соединения камней в арке будут вести себя точно так же, как и соединения камней в стене. Если линия напряжений арки выйдет за пределы средней трети, в ней образуется трещина, если же линия приблизится к краю соединения, иначе говоря, к границе самой арки, образуется «шарнир». Что отличает благородную арку от простецкой стены — стена с таким шарниром неминуемо рухнет, а вот арка — нет. Из рис. 15 прекрасно видно, что арка может выдержать до трех шарнирных узлов без каких-либо катастрофических последствий. Более того, в конструкциях многих современных арочных мостов три шарнирных соединения предусматривают специально — чтобы компенсировать термическое расширение материала.

Если мы действительно хотим добиться разрушения арочного моста, потребуется как минимум четыре шарнирных узла, чтобы образовалась своего рода цепь из трех звеньев, которые могут «сложиться», тем самым обрушив конструкцию (рис. 16). Между прочим, чтобы уничтожить мост (с благородными или дурными намерениями), лучше всего заложить заряд взрывчатки на границах средней трети арки. Для этого нужно пробурить скважину сквозь дорожное покрытие до самой границы свода. Поскольку дело это небыстрое, то разрушение мостов за отступающей армией часто заканчивается неудачей.

Все сказанное означает, что арки — весьма устойчивые сооружения. Они не очень-то чувствительны даже к подвижкам в основании. Если стена при серьезном повреждении фундамента, скорее всего, обрушится [72], то арка, вероятно, не обратит на это особого внимания, разве что покосится. Мост у Клэр-колледжа в Кембридже основательно деформирован посередине из-за оседания опор (илл. 4). Он пребывает в таком состоянии уже многие годы, при этом вполне устойчив и безопасен. По той же причине арки довольно безразличны к землетрясениям и другим испытаниям — например, к оживленному автомобильному движению по мостам.

Неудивительно, что наши предки так пристрастились к аркам — они были способны устоять, даже если расчеты были сделаны неверно или не делались вовсе и даже если фундамент здания заложен прямо в болоте (как в случае с несколькими выдающимися английскими соборами).

Примечательно, что среди руин лучше всего сохраняются именно арки. Отчасти это объясняется присущей аркам устойчивостью, однако гораздо более весомая причина, возможно, состоит в том, что камни клиновидной формы из арок гораздо меньше привлекали местных крестьян, чем обыкновенные ровные кирпичи и камни из стен. В древнегреческих храмах прекрасная сохранность цилиндрических колонн, которые надолго пережили давно разобранные стены из отесанного камня, несомненно, объясняется аналогичными причинами.

Линию напряжений легко и удобно удерживать в толстой стене или массивной арке. Однако конструкции из полнотелого кирпича или камня довольно дороги. Чтобы получить толстые стены при низкой себестоимости строительства, древние римляне придумали монолитный бетон. Обычно его делали из пуццолана (pulvis puteolanis) — вулканической почвы, довольно распространенной в Италии, смешивая его с известью, песком и щебнем.

Чем стены толще, тем они устойчивее, но быть тяжелыми они вовсе не обязаны. В свою очередь, когда снижается вес строительных материалов, которые нужно перевозить и переносить, снижаются и расходы на строительство. Сочинения Витрувия, не только выдающегося артиллериста, но и теоретика архитектуры, расцвет деятельности которого пришелся на 20-е годы до н. э., свидетельствуют, что в его время бетон малой плотности часто замешивали с применением порошка пемзы. Купол собора Святой Софии в Константинополе (528 г. н. э.) изготовлен именно таким способом.

Вес материала и стоимость строительства возможно еще уменьшить, если вмонтировать в бетон какие-нибудь пустые емкости. В Древнем мире существовал хорошо поставленный и процветающий бизнес торговли вином, а для его перевозки использовались большие амфоры. Эти глиняные контейнеры были невозвратной тарой, поэтому скапливались повсюду в больших количествах. Решение закладывать их в стены лежало на поверхности, и этот метод применялся при строительстве многих зданий позднего Рима. В частности, ненужные пустые емкости заложены в стены многих ранневизантийских церквей Равенны [73].

Собственно говоря, так люди и возводили свои конструкции до недавнего времени, а порой возводят и сейчас. Сложность в том, что модель прекрасно справляется с задачей демонстрации внешнего вида постройки, но может быть весьма обманчива в предсказании прочности. При масштабировании конструкции в сторону увеличения ее вес увеличится как куб ее размера: то есть, если мы увеличим размер конструкции в два раза, ее вес возрастет в восемь раз. При этом площади сечений тех элементов конструкции, которые будут нести эту нагрузку, увеличатся всего лишь как квадрат ее размера, то есть при увеличении размеров вдвое площадь этих сечений вырастет только в 4 раза. Таким образом, напряжения всегда линейно возрастают в зависимости от размеров. Удвоив размер, мы тем самым удвоим и напряжения, что чревато серьезными неприятностями.

Прочность конструкции, способной разрушиться по причине разрушения материала, невозможно предсказать на основе моделей или опираясь на пример аналогичных сооружения меньшего размера.

Эта зависимость, открытая Галилеем, носит название закон квадрата — куба и объясняет, почему автомобили, корабли, самолеты и тяжелые машины необходимо проектировать с помощью современных аналитических методов. Возможно, именно поэтому появление всех этих аппаратов, по крайней мере в их современном виде, и случилось так поздно. Тем не менее в большинстве случаев в каменном и кирпичном строительстве мы можем игнорировать закон квадрата — куба, поскольку, как мы уже говорили, здания, как правило, не рушатся из-за разрушения материала в сжатии. Напряжения в каменной кладке настолько малы, что их можно масштабировать практически до бесконечности. В отличие от большинства других конструкций здания рушатся по причине неустойчивости, а такое поведение для здания любого размера возможно предсказать, опираясь на поведение модели.

Если рассматривать проблему философски, то устойчивость здания, по сути дела, не отличается от равновесия безменных рычажных весов (рис. 17). Опрокидывающий момент на обеих сторонах будет увеличиваться как четвертая степень увеличения размеров, то есть если мы масштабируем «весы», то равновесие никуда не денется. Таким образом, если устойчиво маленькое здание, то можно вполне рассчитывать и на устойчивость его увеличенной копии, так что «таинства» средневековых строителей сводились фактически к набору правил пропорционирования, выстроенных вокруг этой закономерности. Согласно источникам, они строили масштабные модели из камня и гипса, иногда достигавшие 18 метров в длину. Этот метод строительства довольно успешно применялся даже в случае со зданиями невероятной сложности, такими как Реймсский собор (рис. 18).

Греческие архитекторы классического периода в строительстве серьезных сооружений отказались от арок в пользу каменных балок и архитравов. Растягивающие напряжения в таких балках были сравнительно высоки и слишком часто приближались к допустимым пределам, так что значительная часть архитравов греческих зданий разрушилась еще в эпоху Античности. Именно по этой причине мраморные балки Пропилеев Афинского акрополя армировали железом. Дорические храмы спасал от разрушения тот факт, что каменные балки были короткими и глубокими и, треснув, начинали работать по принципу арок (рис. 19, илл. 9).

Для такой архитектуры требовались огромные каменные блоки. По мере угасания античной цивилизации транспортировка больших масс камня становилась все более сложной. Возможно, в этом состоит чисто практическая причина переориентации средневековых строителей на готические арки и своды, которые можно было возвести из сравнительно мелкого камня.

Как 200 лет назад отмечал сэр Джон Соун [74] в лекциях по архитектуре, несмотря на недостатки и ограничения каменных балок, древние здания часто значительно превосходили размерами свои современные аналоги. К примеру, Парфенон значительно больше, чем церковь Святого Мартина «в полях» на Трафальгарской площади. Однако Парфенон (примерно 69 на 30 метров) выглядит довольно скромно по сравнению со своим соседом, построенным римским императором Адрианом храмом Зевса Олимпийского, который имеет размеры 108 на 82 метра и занял бы почти всю Трафальгарскую площадь (илл. 9). В свою очередь храм Зевса выглядит карликом в сравнении с возвышающимися над ним стенами Акрополя. Римские мосты и акведуки также впечатляют своими колоссальными размерами.

Эти древние сооружения чаще разрушались человеком, нежели силами природы, а некоторые сохранились в неплохом состоянии и по сей день. Однако, проектируя их, наши предки следовали одним и тем же хорошо знакомым образцам, а когда следовать не получалось, терпели жестокие неудачи. Не только корабли и повозки древних по современным меркам выглядят трогательно миниатюрными, новые и необычные здания, такие как инсулы — древнеримские многоквартирные дома, — рушились с такой частотой, что император Август был вынужден ограничить их высоту 18 метрами.

О позвоночнике и скелете

Позвоночник человека и животных состоит из коротких, похожих на барабан позвонков из жесткой костной ткани. Они отделены друг от друга так называемыми межпозвоночными дисками, состоящими из сравнительно мягкого материала, что позволяет позвонкам двигаться в определенных пределах. Как правило, позвоночник подвергается сжатию, вызванному как весом всего того, что ему приходится на себе нести, так и натяжениями от множества мышц и сухожилий.

У молодых людей ткань межпозвоночных дисков гибкая и упругая и при необходимости способна выдерживать довольно значительное растягивающие напряжение — вплоть до того что при вызванной растяжением травме позвоночника повреждена скорее окажется костная ткань, а не межпозвоночный диск. Однако после 12 лет ткань дисков становится все менее гибкой и гораздо слабее в натяжении. Чем ближе мы к почтенному возрасту, тем все больше наш позвоночник уподобляется храмовой колонне, где позвонки — это камни, а межпозвоночные диски — хрупкий раствор. Несмотря на то что диски в крайнем случае могут выдержать определенное растяжение, таких ситуаций следует избегать.

Вот почему людям среднего возраста рекомендуется держать линию напряжений в позвоночнике как можно ближе к его центральной оси. Именно поэтому существуют правильные и неправильные способы поднятия тяжестей. Если груз поднять неправильно, в соединениях позвоночника образуются слишком сильные растягивающие напряжения, и соединения могут не выдержать. Результатом, скорее всего, будет межпозвоночная грыжа или одна из тех многочисленных, загадочных и удивительно болезненных неприятностей, которые принято объединять термином «люмбаго».

Коль скоро позвоночник ведет себя подобно сложенной из камней колонне и отступление от «правила средней трети» представляет собой серьезное ограничение, к масштабированию животного могут быть применены те же правила, что и к масштабированию здания. То есть, если взять маленькое животное и начать его масштабировать, необходимая толщина позвоночника будет изменяться пропорционально. В то же время большинство других костей, например ребра или кости конечностей, подвергаются преимущественно сгибанию, а не сжатию (подобно архитравам греческого храма), и нагрузки на них пропорциональны не размеру, а массе животного. Следовательно, такие кости должны быть непропорционально мощнее, чем позвоночник.

При взгляде в музее на серию скелетов родственных животных разной величины, например приматов, легко заметить, что если размер позвоночника маленьких и средних обезьян, а также горилл и человека изменяется пропорционально росту животных, то кости конечностей и ребра становятся все тяжелее и толще, выбиваясь из этой пропорции (илл. 10).

В этом отношении природа, кажется, поступила мудрее, чем римские архитекторы, которые, постоянно увеличивая размеры своих храмов, ушли от приземистых дорических пропорций в сторону цветистого коринфского стиля с тонкими архитравами, которые часто обрушивались.

Глава 10

Кое-что о мостах,

или Святой Бенезе и Святой Изамбард

Лондонский мост падает,

Падает, падает.

Лондонский мост падает,

Моя прекрасная леди.

Построй его из кирпича и камня,

Кирпича и камня, кирпича и камня,

Построй его из кирпича и камня,

Моя прекрасная леди.

Поставь человека караулить,

Караулить, караулить,

Поставь человека караулить,

Моя прекрасная леди.

Английская народная песня

Чем больше задумываешься над этой детской потешкой, тем более мрачной она кажется. Хотя ее историю сложно проследить дальше XVII столетия, она определенно намного старше, и в Оксфордском словаре детских песенок ей отведено несколько жутких страниц. Во всем мире строительство мостов было связано с детскими танцами (вспомним другую детскую песенку «Мы танцуем, мы танцуем на Авиньонском мосту») и человеческими жертвами, которые отнюдь не были просто легендами. Исторически засвидетельствована по крайней мере одна находка детского скелета в фундаменте моста [75]. Возможно, с этим было связано появление особого монашеского ордена «братьев-мостостроителей» (fratres pontificies, лат.), который существовал в Европе в Средние века и из которого происходит святой Бенезе, предположительно и построивший Авиньонский мост. Как и Телфорд, в юности он был пастушком, и хочется верить, что, воздерживаясь от жертвоприношений, он сохранил только детский танец и ту мелодию, которую дети знают по сей день. Французская ветвь ордена мостостроителей владела монастырем в окрестностях Парижа с очаровательным названием Сен-Жак-дю-От-Па.

С практической точки зрения назначение мостов состоит в том, чтобы обеспечивать перемещение повозок и других тяжелых объектов через разного рода овраги и ущелья. Если мост выполняет свою функцию и надежно удерживает вес перемещаемых по нему грузов, как правило, неважно, с помощью каких технологических приемов это достигается. А таких приемов и способов конструирования существует предостаточно.

Тот или иной конкретный метод постройки моста зависит не только от физических и экономических факторов, но и от строительной моды своего времени, а также прихоти инженера. Строители применили на практике практически все мыслимые способы. Логично было бы предположить, что за всю историю человечества какой-то из них был признан наиболее надежным, однако это не так — разновидности конструкций мостов со временем только множились.

В цивилизованных странах встречаются мосты самых разных фасонов, которые представляют собой наглядную демонстрацию всевозможных инженерных подходов к конструированию. В случае с большинством других построек и сооружений жизненно важная структурная основа скрыта за слоями отделки, проводки, панелями, приборами и прочими внешними деталями, и ее подчас сложно увидеть или распознать. В случае же с мостами и конструкция, и принципы ее функционирования открыты взгляду.

Если рассматривать классическую простую полукруглую арку, широко распространенную в римскую эпоху и Средневековье, одно из главных требований заключается в том, чтобы ее высота составляла примерно половину пролета. Таким образом, для моста с пролетом в 30 метров минимальная высота арки будет 15 метров, а на практике немного больше. Все это прекрасно, если мы строим мост через ущелье глубиной больше 15 метров. Арку в этом случае можно «утопить» во впадину таким образом, что вершина (шелыга) свода окажется на одном уровне с проезжей частью на поверхности. Другое дело, когда мост нужно возвести на равнине. В этом случае у нас две альтернативы: либо строить неудобный и небезопасный горбатый мост, либо возводить большие и дорогостоящие насыпи.

Проблема стала особенно актуальной с появлением железных дорог — поезда не очень любят горбатые мосты, равно как и любые другие перепады высот, а строительство длинных пологих подъездных насыпей — весьма серьезное предприятие.

Один из способов обойти эту трудность, по крайней мере частично, — построить арочный мост с плоской приплюснутой аркой. В 1837 году, решая задачу прокладки Великой западной железной дороги через Темзу в Мейденхеде, Изамбард Кингдом Брюнель соорудил мост из двух кирпичных сводов, каждый из которых составлял 39 метров в длину и всего 7 метров в высоту (илл. 11).

Эксперты и публика были в ужасе, а пресса предвещала скорейшую и неминуемую катастрофу. Чтобы поддержать эту шумиху, а возможно и потешить свое чувство юмора, Брюнель не торопился убирать деревянные леса и подпорки, которые использовались при строительстве. Естественно, пошли слухи, что убирать их инженер просто боится. Когда через год буря разрушила леса, не причинив никакого вреда мосту, Брюнель открыл тайну: сразу после завершения строительства подпорки опустили на несколько дюймов, и они на самом деле ничего не поддерживали, в течение нескольких месяцев оставаясь лишь декорацией. Мост и сейчас на месте, по нему ходят составы в десять раз тяжелее, чем Брюнель мог даже предполагать.

Когда форма арки «сплющивается», ожидаемо и значительно увеличивается напряжение сжатия между клинчатыми камнями. Тем не менее эти напряжения, как правило, не превышают предела прочности кладки и редко представляют собой угрозу ее целостности, хотя деформации и проседания, которые случаются после демонтажа строительных подпорок, довольно значительны и часто составляют до 10 сантиметров.

Гораздо более серьезной опасностью для плоских арок является бóльшая, чем в случае полукруглой арки, нагрузка на опоры. Это не беда, если мост установлен на скальных грунтах, но на мягкой почве чрезмерное давление может стать проблемой. К несчастью, потребность в длинных плоских пролетах обычно возникает как раз при устройстве мостов через реки, протекающие по равнинной и заболоченной местности.

Именно по этой причине часто сооружают мосты, состоящие из ряда мелких арок. По такому принципу построено большинство средневековых мостов. Главным недостатком метода является стоимость возведения большого количества опор (особенно под водой и на мягком грунте). Более того, многочисленные опоры и узкие арки перегораживают русло, что создает опасность затопления и затрудняет навигацию.

Преимущество чугуна состоит в том, что из него возможно отливать детали в форме решетчатых конструкций, дающих огромную экономию веса в сравнении с традиционным каменным строительством. Кроме того, процесс отливки чугуна был гораздо менее затратен, чем обработка камня, да и выглядели такие чугунные изделия довольно эстетично (во всяком случае, до упадка общественных вкусов, случившегося в период первой избирательной реформы 1832 года). Для строительства мостов чугун оказался выгоден вдвойне. В первую очередь он позволял сократить расходы на рабочую силу и транспортировку. Однако гораздо важнее стало снижение веса мостов, а следовательно, и давления на опоры, что дало инженерам возможность проектировать более плоские арки и удешевить стоимость подготовки основания.

Примечательно, что одним из первых преимуществами новой технологии воспользовался Томас Пейн (1737–1809), известный нам по учебникам истории как автор трактата «О правах человека». Пейн планировал построить мост через реку Скулкилл неподалеку от Филадельфии. Заказывать отливку деталей он приехал в Англию и, ожидая окончания работ, как ярый сторонник Французской революции, решил нанести визит своим друзьям-якобинцам в Париже. Эти достойные господа, недолго думая, заточили его в тюрьму и едва не гильотинировали — его вовремя спасло падение Робеспьера.

В результате этой неувязки Пейна постиг финансовый крах и его чугунные детали были проданы на строительство моста через реку Вер в Сандерленде. Арка моста, завершенная в 1796 году, достигала 72 метров в длину при высоте всего 10 метров. Причина, по которой 40 годами позже к чугуну не прибег Брюнель при постройке своего Мейденхедского моста, по-видимому, состояла в опасениях, что вибрация от движения поездов вызовет трещины в этом хрупком металле. Так или иначе, каменные арки его моста прекрасно справляются со своей задачей.

В XIX столетии было построено огромное количество чугунных мостов. Хотя практически все они были весьма успешны в эксплуатации, сегодня этот метод строительства почти не применяется — прежде всего, из-за появления более экономичных технологий для достижения тех же результатов. На первый взгляд, плоский арочный мост очень похож на балку (см. гл. 11), однако с конструктивной точки зрения это совершенно разные вещи: арка находится (или, во всяком случае, должна находиться) лишь в состоянии сжатия, тогда как нижняя часть балки подвергается растягивающему напряжению. Если материал надежен и прочен в растяжении, то для аналогичных задач балка, как правило, легче и дешевле, чем арка.

Некоторые инженеры, в частности Роберт Стефенсон (1803–1859), поддались соблазну экономии и строили мосты с использованием чугунных балок. Блестящая профессиональная репутация позволила Стефенсону убедить железнодорожные компании соорудить несколько сотен мостов из чугунных балок. Как мы уже говорили, чугун предательски слаб в растяжении, поэтому мосты оказались чрезвычайно опасны. В конце концов каждый из них пришлось заменить, а заказчики понесли серьезные финансовые потери.

Мосты Хелл-Гейт (1913) в Нью-Йорке и Харбор-бридж (1930) в Сиднее с длиной пролета в 300 и 500 метров соответственно представляют собой стальные конструкции именно такого типа. Основную нагрузку берет на себя сжатие арок, а подвесной элемент не несет никаких продольных напряжений. В больших мостах нагрузка на опоры весьма и весьма значительна, поэтому необходимо надежное основание. Оба моста, и Хелл-Гейт, и Харбор-бридж, заложены в скальных грунтах.

Более того, хотя стоимость эксплуатации каменной кладки довольно низка, первоначальные расходы на ее возведение оставались высокими во все времена. Особенно это относится к большим мостам, которые требуют тщательной центровки во время возведения, — в этой области всегда существовала потребность в более дешевом способе строительства. В первобытных обществах имели широкое распространение различные типы висячих мостов, сделанных из веревок или других волокнистых материалов растительного происхождения. Висячие мосты также использовали военные для наведения временных переправ, в частности, инженеры армии Веллингтона во время Пиренейской войны.

Все же, несмотря на то что веревки, будучи новыми, представляют собой прочный материал, который хорошо выдерживает растяжение, на открытом воздухе растительные волокна довольно быстро приходят в негодность и становятся ненадежными, в чем убедились герои романа Торнтона Уайлдера «Мост Людовика Святого». Для сооружения постоянных висячих мостов необходимы тросы из железа и стали. Чугун для этих целей слишком хрупок, сталь получила широкое коммерческое распространение лишь в недавние годы, а вот ковкое железо обладает достаточной жесткостью и износостойкостью, а кроме того, весьма устойчиво к коррозии.

Хотя пешеходный мост через реку Тиc длиной 20 метров на железных цепях был построен еще в 1741 году, до изобретения технологии пудлингования (примерно в 1790 году [76]) для широкого применения в мостостроении железо оставалось слишком дорогим материалом, а вот после этого события железные цепи стали товаром сравнительно дешевым. На мосту через Тис настил крепился довольно примитивным способом — непосредственно к железным цепям, — поэтому на мост не могли въехать экипажи, да и для пешеходов переход по нему был крутым и довольно волнительным. Современную систему крепления кабелей на высоких пилонах и подвешивания проезжей части под ними изобрел инженер Джеймс Финли из Пенсильвании, который начал проектировать сооружения подобного типа в 1796 году.

Сочетание таких факторов, как ровное горизонтальное подвесное полотно и разумная себестоимость железных цепей, сделали висячие мосты привлекательным решением для переноса колесного транспорта через широкие реки. Во множестве ситуаций такие конструкции были значительно дешевле больших каменных мостов. Идею с энтузиазмом переняли инженеры многих стран, и в частности Томас Телфорд. Его мост через пролив Менай, завершенный в 1825 году (илл. 2), имел рекордную по тем временам длину центрального пролета — 166 метров.

Цепи моста Телфорда, как и всякого другого моста того периода, состояли из плоских пластин или звеньев, соединенных болтами на манер современной велосипедной цепи. Концентрация напряжений в болтовых соединениях требует износостойкого и пластичного материала — такого как ковкое железо. Действительно, цепи из этого материала вполне успешно справлялись со своей задачей и редко становились источником неприятностей. Хотя кованое железо весьма надежно в растяжении, его прочность не особенно велика, и Телфорд благоразумно допускал номинальное напряжение в цепях не более 55 МН/м2, что в три с лишним раза меньше, чем предел прочности.

В таких условиях значительная часть прочности цепей приходится на удержание их собственного веса, и Телфорд был убежден, что пролет Менайского моста представляет собой максимум допустимой длины для висячего моста при доступных на тот момент материалах. Хотя Брюнель позже продемонстрировал, что Телфорд осторожничал (длина пролета Клифтонского моста, построенного Брюнелем, составляла 190 метров), многие годы Менайский мост удерживал свой рекорд. В любом случае пределы возможностей цепей из кованого железа были вполне очевидны.

Современная мода на висячие мосты появилась благодаря проволоке из стали с высокой прочностью на разрыв. Такая сталь намного крепче кованого железа или мягкой стали, а следовательно, способна выдерживать гораздо больший собственный вес. Сталь с высокой прочностью на разрыв более хрупкая, чем кованое железо, однако в данном случае это допустимо, так как проволока непрерывна и не содержит болтовых или шарнирных соединений, опасных с точки зрения образования трещин. Кроме того, в отличие от цепи, где параллельно установлено всего три-четыре плоских звена, стальной трос сплетен из нескольких сотен отдельных проволок, таким образом, разрыв одной из них не представляет никакой опасности (илл. 12).

В качестве примера современных технологий приведем автомобильный мост Хамбер. Его пролет в свету составляет 1388 метров, что в восемь раз больше длины, которую считал осуществимой Телфорд. Это стало возможным благодаря тому, что подвесные тросы вполне безопасно функционируют при нагрузке 580 МН/м2, что более чем в десять раз превышает нагрузку в цепях Телфорда.

Таким образом могут получиться различные формы кривой напряжений в зависимости от нюансов, касающихся нагрузки, — например, наличия или отсутствия на мосту транспорта. Все они будут вполне безопасны, если, конечно, полностью пролегают в кладке проектируемой арки, ну а если нет — то не будут. Мудрые люди иногда говорят, что кривая напряжений, полученная этим методом, будет иметь форму кривой провисания, и поэтому полукруглая арка не может считаться «правильной». Это утверждение справедливо далеко не всегда, и во многих случаях линия напряжений достаточно близка к сектору правильного круга, что оправдывает строителей-римлян и их весьма долговечные полукруглые арки. Однако, если нужно спроектировать тонкую арку, которые обычно применяются при возведении современных железобетонных мостов, инженеру стоит придерживаться правильной формы, ведь разгуляться линии напряжений в такой арке будет особо негде.

В связи с этим существовала потребность в мостах, которые были бы не только легкими и дешевыми, но также жесткими и устойчивыми и обладали бы при этом широкими пролетами. Это привело к появлению так называемых арок с затяжкой, или арочных ферм с затяжкой (рис. 3). Безусловно, арка — сооружение довольно жесткое, но она оказывает существенное горизонтальное давление на опоры. Это не беда на крепкой скальной породе, однако может привести к затруднениям во многих ситуациях, которыевозникают при строительстве железных дорог. Особенно неудобно, если нужно приладить арку (а то и несколько арок) на тонкие высокие пилоны, которые не приспособлены к поперечным нагрузкам. Между тем именно так и хотели строить мосты инженеры Викторианской эпохи: они смело планировали прокладку железных дорог через долины глубиной в 30 метров, а то и больше. Одно из решений проблемы — связать два конца арки посредством элемента, работающего на растяжение на манер лука. Таким элементом может стать подвесное дорожное полотно, которое в данном случае работает ради собственного выживания— удерживает арку, обеспечивая устойчивость конструкции.

На первый взгляд, арка с затяжкой выглядит точь-в-точь как арка с подвесным дорожным полотном, но с функциональной точки зрения радикально отличается от нее. Опоры моста с затяжкой не несут никаких боковых давлений, они должны выдерживать лишь вертикальные нагрузки, вызванные весом фермы и тех транспортных средств, которые через нее проезжают. На самом деле это сооружение даже не обязательно жестко крепить к опорам, достаточно поставить его на ролики, что часто и делают, чтобы компенсировать сжатие и расширение металла, вызванное температурными колебаниями. Никакого продольного давления такие фермы тоже не производят, поэтому их можно смело устанавливать на тонкие каменные колонны.

Тот факт, что ферма с затяжкой представляет собой цельный и замкнутый самостоятельный блок, чрезвычайно облегчает процесс строительства больших мостов — такие фермы вполне возможно монтировать на земле, на почтительном расстоянии от места, где строится сам мост, а затем подвозить к опорам по воде и поднимать при помощи лебедок. Именно так и поступал Брюнель с секциями своего моста через реку Тамар в Салташе (илл. 13). Как мы узнаем из следующей главы, арка с затяжкой входит в большое семейство ферм и решетчатых балок, которые чрезвычайно широко распространены в современном инженерном деле и конструировании.

Глава 11

Как хорошо быть балкой!

А также некоторые соображения о крышах, фермах и мачтах

А свой дом Соломон строил тринадцать лет и окончил весь дом свой. И построил он дом из дерева Ливанского, длиною во сто локтей, шириною в пятьдесят локтей, а вышиною в тридцать локтей, на четырех рядах кедровых столбов; и кедровые бревна положены были на столбах. И настлан был помост из кедра над бревнами на сорока пяти столбах, по пятнадцати в ряд.

Третья книга Царств, 7, 1–3

Надежная крыша над головой — одно из основополагающих условий цивилизованного существования. Однако постоянная кровля — тяжелое сооружение, и проблема ее поддержки так же стара, как цивилизованный мир. Когда смотришь на известное или красивое здание (как, впрочем, и на всякое другое здание), полезно иметь в виду, что способ, который архитектор избрал для решения задачи сооружения кровли, определил не только облик самой кровли, но и конструкцию стен, окон, да и характер здания в целом.

На самом деле задача поддержки кровли по сути своей аналогична задаче постройки моста, с той разницей, что стены здания, скорее всего, не будут такими массивными, как опоры моста, поэтому боковые нагрузки, которые создаст крыша, нужно рассчитывать еще более тщательно. Как мы видели в главе 9, если крыша оказывает слишком большое давление на верхнюю часть стены, линия давлений в кладке выходит за допустимую зону и создает риск обрушения конструкции.

Во многих римских зданиях и практически во всей культовой архитектуре Византии применялись сводчатая или купольная кровля. Такие арочные конструкции с огромной силой распирают опорные стены. С этим давлением строители в большинстве случаев справлялись, помещая своды на мощные толстые стены, внутри которых линия давлений гарантированно находилась в безопасных пределах. Как мы уже упоминали, эти толстые стены часто делали из монолитного бетона, в который для толщины и легкости иногда закладывали пустые винные амфоры. Помимо того что такие стены были весьма устойчивы с конструктивной точки зрения, они имели еще одно преимущество в условиях жаркого климата — великолепную теплоизоляцию. В любой греческой деревушке церковь византийской постройки — всегда самое прохладное место. Однако проделывать в таких стенах окна — дело не самое простое. В римских и византийских постройках окна обычно маленькие и расположены высоко.

Средневековые замки во многом следовали традициям римской архитектуры и имели монолитные стены многометровой толщины, способные выдерживать давления сводчатых крыш, — как, например, замок Корфу. А что до окон, то защитники таких замков не особенно в них и нуждались. Ранние норманнские, или романские, церкви также созданы по схожим принципам: их мощные стены, небольшие закругленные арки и мелкие окошки — прямые потомки позднеримских прототипов. Большинство романских церквей строились вполне добротно, многие стоят и поныне [78]. Сложности возникли в более поздний период, и связаны они в значительной степени с появлением моды на большие и красивые окна.

Вполне объяснимо, что жители залитых солнцем стран несколько по-другому относятся к окнам, чем северяне. Даже сейчас многие из них живут, и вполне осознанно, в полумраке закрытых ставнями помещений. Несомненно, это не что иное, как часть древней средиземноморской традиции, поскольку окна и в греческих, и в римских, и в византийских постройках были небольшими и довольно бесполезными [79], и, насколько мы можем сегодня судить, причина скрывалась далеко не только в недостатке стекла.

В Северной же Европе даже воинственные рыцари и бароны не желали проводить время в темных и угрюмых замках без окон. Они хотели света и солнца, поэтому их утомили архитектурные формы, основанные на римских образцах. Время шло, и культ окон стал буквально навязчивой идеей — строители соревновались в размерах и великолепии окон соборов и замков. Возможно, средневековые ремесленники и оставались безнадежно дремучими с точки зрения науки, но им не откажешь в творческом начале. В частности, мы в большом долгу перед ними за то, что они показали нам, какими великолепными могут быть окна.

Эффект самого прекрасного и дорогого окна может свести на нет подобный тоннелю оконный проем, проделанный в толстой стене. Попытки сделать большие окна в тонких стенах неизбежно приводили к сложностям, связанным с линиями напряжений. Норманнская, или романская, а по сути своей римская архитектура не была приспособлена для таких вольностей, поскольку устойчивость и безопасность зданий целиком зависели от толщины стен. Но это не могло остановить строителей. Говорили, что про то или иное здание позднероманской архитектуры уместно спрашивать не «упадет ли оно?», а «когда оно упадет?».

Как именно средневековые строители воспринимали происходящее, для нас неочевидно. Скорее всего, их понимание ситуации было путаным и субъективным — в противном случае стали бы они поколение за поколением повторять те же ошибки? Долго ли, коротко ли, но однажды кто-то догадался, что удовлетворить потребность в больших окнах и тонких стенах помогут контрфорсы — внешние «подпорки», которые поддерживают стену снаружи и компенсируют боковое давление кровли [80]. Фактически контрфорс делает стену толще, выполняя ту же работу, что и пустые винные амфоры, только другим способом.

Простой сплошной контрфорс — это действительно не более чем утолщение стены между окнами. В случае с однонефным храмом, таким как капелла Кингс-колледжа в Кембридже (рис. 1 и илл. 14), контрфорс очень эффективен. Однако, когда появляются боковые нефы, появляются и сложности. Чтобы укрепить крышу центрального нефа и в то же время не перекрыть доступ света в окна клерестории, средневековые каменщики вынуждены были изобрести арочный контрфорс, или аркбутан (рис. 2). В такой конструкции вертикальная часть контрфорса отделена от стены серией арок, которые передают давление, почти не перекрывая свет.

Декоративные возможности арочных контрфорсов, особенно дополненных большими окнами, чрезвычайно богаты. Еще больше декора можно добавить, если задействовать статуи и пинакли, вес которых, как додумались средневековые каменщики, помогает контрфорсам в их непростой задаче правильно и безопасно направлять давления в этом каменном кружеве. В конце концов окна стали такими огромными, что от самой стены фактически ничего не осталось, и она перестала выполнять функцию поддержки веса здания. Подобно современным мачтам, эти тонкие столбы каменной кладки целиком зависели от боковой поддержки — как тонкая мачта удерживается в вертикальном положении сложной системой такелажа, так и стены средневековых соборов стояли лишь благодаря «оснастке» из контрфорсов и арок.

Какие бы мыслительные процессы ни привели конструкторов к такому изобретению, результат стал огромным достижением и с конструктивной, и с художественной точек зрения. Ко времени Высокого Средневековья архитектура утратила видимую внешнюю связь со своими античными корнями. Сложно представить две более непохожие постройки, чем Кентерберийский собор и римская базилика. Однако линия преемственности между ними прямая и очевидная.

Подобные здания часто очень красивы и всегда страшно дороги. Кроме того, для частного жилья сводчатая или купольная кровля обычно не подходит. Вместо сводов для поддержки крыши гораздо удобнее и дешевле использовать балочные конструкции того или иного типа. Если пространство, которое необходимо закрыть, соединить брусьями, их концы будут передавать нагрузку крыши на стены вертикально вниз, не оказывая бокового давления. Таким образом, не возникнет нежелательных отклонений линии давлений, а следовательно, вполне сгодятся тонкие стены без всяких контрфорсов (рис. 3).

Уже только поэтому балка — один из самых важных элементов в проектировании. В действительности же области применения балки и ее эквивалента, фермы, выходят далеко за пределы области строительства перекрытий. Балка и теория изгиба балок сыграли огромную роль в формировании всей современной технологической цивилизации. Схожие модели конструкций часто наблюдаются и у живых организмов.

В староанглийском языке слово beam (балка) буквально означало «дерево»; это значение и сейчас прослеживается в названиях некоторых видов: например, whitebeam (рябина) и hornbeam (граб). Сегодня балки обычно изготавливают из армированного бетона и стали, но многие годы слово «балка» означало брус из древесины, а чаще просто целое бревно. Несмотря на то что спилить дерево и сделать из него кровельную балку гораздо легче и дешевле, чем возводить свод из камня, запас деревьев достаточной длины небезграничен и со временем может истощиться. В таком случае приходится конструировать кровлю из коротких элементов.

Тем не менее на протяжении всей истории архитектуры концепция решетчатой фермы развивалась удивительно медленно. Чтобы додуматься до самой примитивной ее разновидности — простой деревянной стропильной фермы, которая кажется для нас очевидной, — нашим предкам потребовалось очень много времени (они просто никогда не видели железнодорожных мостов и не играли в детстве в конструктор). Как выяснилось, фермы были изобретены в эпоху позднего Рима, но так толком и не прижились до Средневековья, а архитекторы ранней Античности вообще обходились без них.

Греческие зодчие просто не думали о чем-то подобном. Самые выдающиеся из них, например Мнесикл, построивший Пропилеи акрополя, и Иктин, автор Парфенона и храма Аполлона в Бассах, сознательно отвергали своды как метод создания кровли, однако так и не смогли придумать стропила или какой-нибудь приемлемый их эквивалент. Великолепие греческой архитектуры несколько меркнет, когда обращаешь внимание на архитрав, а древнегреческие крыши можно описать только как интеллектуальное недоразумение.

Простая балочная перемычка из камня становится ненадежной при длине пролета свыше 2,5 метра, и в ней могут образоваться трещины. Поэтому для сооружения надежных крыш необходимо было использовать деревянные балки, несмотря на то что в античной Греции дерево было таким же дефицитом, как и в Греции современной.

В греческих храмах, для которых длинные бревна все-таки найти удавалось, балки просто укладывали на стены или каменные перемычки перистиля. Затем балки сверху накрывали досками, и получался плоский ровный потолок над всей площадью здания (рис. 5). Естественно, этот потолок, сделанный из обыкновенных досок, не был водонепроницаемым. Поэтому сверху наваливали огромную гору мокрого глинистого грунта, перемешанного с соломой. Для храма средних размеров такая куча глины весила порядка 3 тысяч тонн. Когда этот «компост» оказывался на потолке, его как следует утрамбовывали, по возможности придавали треугольную форму, а затем обкладывали черепицей — прямо по глине, примерно как укладывают садовые дорожки. Вероятно, строители полагали, что вся эта масса успеет просохнуть до того момента, как сгниют доски потолка, на котором она покоится. В сухом состоянии это сооружение наверняка представляло собой «святилище» для разного рода насекомых и вредителей, зато обеспечивало прекрасную термоизоляцию, что немаловажно в жарком климате Греции.

Разумеется, зачастую приходилось использовать балки меньшей длины. Царь Соломон заключил специальное соглашение с царем Хирамом о поставке ливанского кедра [81], но даже балки для его дворца составляли всего 7 метров (17 локтей) в длину. Во многих греческих храмах балки были короче. Как и в храме Соломона, в греческих храмах их подпирали снизу рядами колонн, что с архитектурной точки зрения было довольно нелепо. В одном из величественных дорических храмов (ок. 550 г. до н. э.) в Пестуме, на юге Италии, ряд колонн проходит прямо по центру нефа, разделяя его на две равные части, что, должно быть, чрезвычайно мешало проведению религиозных церемоний. В большинстве храмов, построенных позже, использованы более благопристойные и симметричные решения (рис. 6), но даже в Парфеноне интерьер «заставлен» колоннами, которые на современный взгляд кажутся совершенно лишними.

В Средние века была разработана простейшая разновидность стропильной фермы в форме буквы А. Горизонтальная балка в нижней части называется стропильной затяжкой, или ригелем. При строительстве небольших кровель обычно не представляло труда найти бревно для ригеля достаточной длины, чтобы сделать простую треугольную ферму, как на рис. 7. Однако небольшой двухэтажный дом с такой конструкцией приобретет довольно неуклюжие пропорции, а кроме того, много полезного объема «съест» чердак. По этой причине строители часто размещали ригель выше по ферме, таким образом объем комнат верхнего этажа частично оказывался в крыше, и возникала необходимость установки мансардных окон. Все бы ничего, если бы при таком размещении ригеля стропильные ноги не проседали под весом крыши и не прогибались, оказывая боковое давление на стены (рис. 8), часто с весьма дорогостоящими последствиями. Естественно, что чем выше размещен ригель, тем сильнее боковое давление.

В больших средневековых замках и соборах с пролетами значительных размеров сооружение кровли становилось нешуточной проблемой. В такой ситуации стропильная кровля была бы значительно дешевле каменного свода, однако даже если удавалось найти деревянные балки нужной длины, низко расположенные ригели портили архитектурный эффект зала или нефа и, в частности, перегораживали большие окна восточного и западного фасадов. Поскольку публика того времени в силу дремучести своей больше обращала внимание не на практические, а на внешние достоинства сооружения, строители континентальной Европы предпочитали сводчатые крыши, которые поддерживали при помощи сложных и дорогих контрфорсов.

Английские же строители изобрели компромиссный, или паллиативный, тип деревянной крыши, который называли «скорее остроумным, нежели научным», — крышу с консольными балками (рис. 9). Такие крыши были сравнительно популярны в Англии, их можно увидеть в центральном холле Вестминстерского дворца, во многих колледжах Оксфорда и некоторых больших частных особняках. Особенно восхищалась ими артистическая публика, возможно, потому что «суставы» таких ферм давали большой простор для фантазии резчиков по дереву. Поклонники творчества Дороти Сэйерс [82], несомненно, вспомнят приключения лорда Питера Уимзи среди ангелов и херувимов, вырезанных на консольных балках церкви Святого Павла [83].

С конструктивной точки зрения преимущество фермы с консольными балками в сравнении с обычной большой фермой с высоким ригелем состояло в том, что точка приложения бокового давления смещалась ниже по стене, вследствие чего опасное воздействие на линию давлений снижалось. Хотя на практике этот механизм прекрасно справлялся со своей задачей, стропильная ферма с консольными балками никогда не импонировала логическим умам строителей с континента, и примеры ее применения за пределами нашей страны крайне редки.

В традиционных деревянных фермах балки скрепляли деревянными колышками или железными лентами. Несмотря на то что эти соединения не отличались особенной эффективностью, главное требование к таким конструкциям состояло не в прочности, а в жесткости, поэтому слабые соединения не имели особого значения. В больших современных зданиях, таких как фабрики, ангары или склады, кровельные фермы обычно изготовлены из стальных элементов, например уголкового профиля, и там никаких особенных проблем не возникает. Однако при строительстве современных частных домов кровельные фермы почти всегда делают из дерева, часто используя балки минимальной толщины (а иногда и меньше минимальной). В частности, жесткости потолочных балок обычно едва хватает ровно на то, чтобы не трескалась штукатурка. Если же поддаться соблазну сделать из чердака современного дома дополнительную спальню, жесткость пола этой спальни, скорее всего, станет очень серьезной проблемой. Кровельная ферма вряд ли обрушится, но деформации, вызванные дополнительным весом обитателей и мебели, могут привести к серьезным повреждениям конструкции здания, устранение которых может дорого обойтись. Народные умельцы, примите к сведению.

Несмотря на то что плавучесть судна обеспечивает главным образом средняя часть его корпуса, а не зауженные задняя и передняя части, ничто не может помешать мореплавателям размещать на носу и корме тяжелые грузы. В результате многие суда прогибаются (нос и корма опускаются, а средняя часть, наоборот, поднимается). Это явление противоположно тому, что обычно происходит с крышами и мостами, когда середина фермы провисает и опускается ниже относительно концов. Хотя при прогибе и провисании силы и деформации имеют противоположное направление, очевидно, что в обоих случаях балка или ферма подвергается изгибанию и в обоих случаях происходят аналогичные явления.

Конструктивно корпус судна представляет собой разновидность балки, и эффект выгибания в гибком корпусе тростниковой лодки, должно быть, проявлялся весьма очевидно. Мало того что перегиб судна — зрелище довольно жалкое, существует масса других, более весомых причин не допускать этого явления. Египтяне поняли это еще за 3 тысячи лет до рождества Христова и, надо отдать им должное, справились с проблемой весьма остроумно. Они приделали к тростниковой лодке прообраз конструкции, которую сейчас называют веревочной фермой. Она состояла из толстого каната, которым обматывали тонкие нос и корму и который, пропустив через несколько вертикальных стоек по всей длине корпуса судна, стягивали, препятствуя таким образом перегибу (рис. 10). Натяжение обеспечивалось разновидностью ручного брашпиля — канат сворачивали в жгут, втыкали в него палку наподобие рычага и скручиванием натягивали. Таким образом корпус судна можно было согнуть или распрямить так, как пожелает капитан. Искусство кораблестроения египтян не стояло на месте, со временем они отказались от тростника и стали делать лодки из дерева. Однако, поскольку доски они использовали короткие, а соединения делали весьма хлипкими, потребность в канате сохранялась.

Корабельные мастера Древней Греции превзошли египтян, они строили великолепные триремы и боевые галеры, от которых зависело военное могущество Афин на море. Тем не менее эти суда также были сделаны из коротких фрагментов древесины, и их легкие корпуса были весьма подвижны и подвержены течи. Поэтому греки применяли стягивающий трос весьма хитроумной конструкции под названием гипозома (hypozamata) — прочный канат, который опоясывал корпус под планширем и проходил через опоры над палубой. Гипозому натягивали так же, при помощи ручного брашпиля, до того состояния, которое считал нужным кормчий. Поскольку греческие военные корабли сражались, в основном тараня друг друга, конструкция их корпусов должна была выдерживать значительные ударные нагрузки. Гипозома для таких судов являлась обязательным элементом, без нее они были не способны не то что сражаться, а просто выходить в море. Так же как современные суда разоружают, снимая затворы с корабельных орудий, греческие триремы выводили из строя, убирая гипозому.

Совершенно очевидно, что афинские кораблестроители в порту Пирея были хорошо знакомы с принципами работы ферм, и остается только удивляться, почему за эту идею не ухватились Мнесикл или Иктин и не приспособили для крыш своих храмов. Возможно, причина в том, что они никак не связывали между собой такие явления, как провисание и прогиб, или же просто не водили компанию с корабелами. Много ли вы знаете современных архитекторов, которые дружат с судостроителями?

Когда хрупкие гребные галеры вышли из употребления, с ними исчезли и стягивающие фермы. Однако корпуса американских речных пароходов XIX века были столь же подвижными, как и греческие триремы или египетские лодки. Их неглубокие деревянные корпуса представляли собой ту же самую проблему, и американские инженеры решали ее точно таким же способом, что и судостроители Древнего Египта. Все такие пароходы оборудовались стягивающими фермами на египетский манер. Единственная разница состояла в том, что элементы на растяжение представляли собой не папирусные канаты, а железные прутья, которые стягивались металлическими винтами, а не ручным брашпилем. Речные шкиперы, любившие посоревноваться в быстроходности, заявляли, что способны выжать из своих посудин лишние пол-узла, меняя форму корпуса затягиванием или ослаблением винтов фермы. Тот факт, что вследствие этих упражнений их пароходы протекали похлеще греческих трирем, не особенно их заботил, так как воду откачивали с помощью трюмных паровых помп.

Безусловно, фермы в том или ином виде встречаются в такелаже любого парусного судна. Вполне возможно, что и парус также является изобретением египтян — на Ниле ветер дует преимущественно против течения, и при попутном ветре грузовой корабль может подняться в верховья реки, а назад — просто дрейфовать по течению, как происходит на Ниле и по сей день.

Первая задача при конструировании парусного корабля — установить некое подобие мачты, на которую возможно приладить парус. Вторая, гораздо более сложная задача — сделать так, чтобы эта мачта устояла на месте. Говоря в широком смысле, мачта традиционного парусного корабля представляет собой столб или стойку, которая закреплена со всех сторон веревками, так называемым стоячим такелажем — вантами и леерами. Если корпус судна достаточно жесткий, чтобы выдержать натяжение вант, такая конструкция является наиболее оптимальной и, согласно математическим расчетам, сводит к минимуму вес и стоимость судна, как мы увидим в главе 14. Египтяне не обладали ни математическими знаниями такого уровня, ни даже гипотезами о том, как эффективнее соорудить парусную оснастку. А было у них только понимание того, что грести надоело и надо бы как-то приспособить новомодную штуку под названием парус на сделанный из тростника корпус судна.

Потратив изрядное количество времени на разработку парусного такелажа для надувных спасательных шлюпок военных бомбардировщиков, я весьма сочувствую египетским инженерам [84]. Надутый корпус такой посудины столь же податлив и подвижен, как и корпуса египетских тростниковых лодок. Натянутый канат невозможно закрепить ни на корпусе, который похож на скользкий воздушный шарик, ни на шаткой вязанке тростника; сама идея стоячего такелажа в подобных обстоятельствах выглядит смехотворно. По этой причине египтяне весьма мудро сооружали на утлом тростниковом корпусе треногу или ферму в виде буквы А (рис. 10), и это сооружение весьма неплохо выполняло свои функции в условиях плавания по водам Нила. Я завидовал решению древнеегипетских коллег, которое, к сожалению, нельзя было реализовать на моих спасательных лодках — египтянам не приходилось проектировать такелаж так, чтобы он складывался и умещался в небольшой сумке, предназначенной для погрузки в тесный самолет.

Корпуса греческих и римских торговых судов обладали достаточной прочностью и жесткостью, чтобы выдержать нагрузку стоячего такелажа, поэтому мачты на них располагались в центре и поддерживались вантами и леерами обычного фасона. По какой-то причине на греческих и римских судах редко ставили больше одной мачты с одним большим квадратным парусом, сделанным из одного куска ткани и закрепленным на одном рее. Увеличение числа мачт и усиление парусного вооружения началось только с расширением географии морских путешествий в эпоху Ренессанса. На кораблях стали ставить не одну, а три мачты: фок, грот и бизань. Высота мачт также увеличилась, теперь над нижними квадратными штормовыми парусами ставили марсели, затем брамсели, а еще выше — бом-брамсели. (Позднее, в эпоху чайных клиперов, появились и более высокие паруса — трюмсели и мунсели.)

Традиционно каждый парус — штормовой, марсель, брамсель или бом-брамсель — крепился на своей отдельной секции мачты. На нижнюю часть, собственно мачту, ставилась стеньга, на нее — брам-стеньга и так далее. Каждая из стеньг представляла собой отдельный кусок древесины и фиксировалась посредством сложной и хитроумной подвижной системы крепления, сконструированной таким образом, чтобы любую стеньгу и верхнюю рею в случае необходимости можно было переместить ниже или вообще снять. Поскольку большие перекладины рангоута весили до нескольких тонн, работа с ними, особенно в условиях качки, требовала изрядной сноровки и отваги. Однако численность команды большого военного корабля достигала в те времена 800 человек, каждый из которых с легкостью утер бы нос и современному атлету, и современному промышленному альпинисту. «Парусная муштра» в британском Средиземноморском флоте [85] 1840-х годов стала легендой. Покончив с завтраком, адмирал мог запросто скомандовать: «Убрать стеньги, о времени и потерях — доложить!» Известно, что на флагманских судах английского флота, таких как линкор «Мальборо», команда своими силами «раздевала» корабль до нижних мачт за считаные минуты и столь же быстро устанавливала такелаж обратно. Такие упражнения были далеко не напрасным трудом. Корабли всегда имели запас мачт и рей, а в случае крушения или повреждения в бою живучесть корабля определялась тем, насколько быстро экипаж мог заменить поврежденную оснастку. Что же до человеческих жертв во время тренировок в мирное время, то с ними приходилось мириться так же, как мы сегодня миримся с жертвами в конном спорте или альпинизме.

Конструкцию парусного вооружения таких кораблей можно без преувеличения назвать инженерным чудом, и она, безусловно, заслуживает большего внимания и почтения со стороны современных инженеров. Сложность снастей, необходимую для поддержки верхнего такелажа поздних парусников, лучше всего оценить, совершив экскурсию на «Виктори» (илл. 15) или «Катти Сарк». Общая высота грот-мачты «Виктори» составляла 67 метров, длина грота-рея — 30 метров, причем с помощью лисель-спиртов (выдвижных реев) ее можно было увеличить до 59 метров. Весь этот невероятный механизм работал на протяжении многих лет и, несмотря на ураганные ветры и шторма, работал надежнее, чем большинство образцов современной техники.

Мачта парусного корабля, пожалуй, представляет собой самую сложную и одну из самых красивых стропильных конструкций, придуманных человеком. Именно за счет невероятной сложности обеспечивался безопасный вес всего этого гигантского сооружения. Когда в 1870-х годах на боевые корабли начали устанавливать орудия во вращающихся башнях, выяснилось, что многочисленные снасти перекрывают сектор обстрела. По этой причине некоторые броненосцы, в частности «Кэптен», были оснащены мачтами на треногах, оснастка которых не ограничивала работу корабельных орудий, что можно назвать своего рода возвратом к египетской модели установки мачт. Дополнительный вес этих конструкций пагубно отразился на и без того сомнительной устойчивости этих судов. В частности, он послужил одной из причин опрокидывания и гибели «Кэптена» во время ночного шторма в Бискайском заливе. В крушении тогда погибло почти 500 человек.

Консоли и свободно опертые балки

Очевидно, нет никакой разницы, какую форму принимает балка: длинный ли это непрерывный кусок материала вроде ствола дерева, бруса, металлической трубы или же это открытая решетчатая ферма. Последняя может иметь вид деревянной стропильной фермы, корабельной мачты с перекладинами и канатами, современной металлической конструкции железнодорожного моста или опоры линии электропередачи. Как мы убедимся далее, обе разновидности балок встречаются и в организмах животных. Тот факт, что мосты, крыши, лошади и таксы ориентированы более или менее горизонтально, а мачты, телеграфные столбы и шеи страусов — скорее вертикально, большой роли не играет. Основное назначение этих конструкций одинаково: нагрузка, которая действует перпендикулярно направлению балки, поддерживается таким образом, что балка не создает продольного давления на свою опору.

Может показаться, что мачта является исключением из этого правила, поскольку она, по идее, оказывает сильное вертикальное давление на корпус судна. Однако ванты мачты действуют на корпус в противоположном направлении — тянут его вверх, поэтому результирующая сила в данном случае равна нулю и корабль не тонет. Тот же самый механизм действует в организмах животных. К примеру, шея лошади очень напоминает мачту. Шейные позвонки, как и мачта корабля, находятся в состоянии сжатия и давят на тело лошади вниз, однако они закреплены сухожилиями, которые действуют на тело с равной и противоположной по направлению силой.

Рассуждая в этом контексте, можно сказать, что все балки, живые и неживые, выполняют одинаковые функции. Балки подразделяются на две большие категории: консольные и простые (или свободно опертые) балки. (На самом деле у этих категорий есть свои подкатегории, часто весьма полезные для практических целей, но здесь мы их опустим.)

Консоль — это балка, один конец которой закреплен (или, как говорят инженеры, «заделан») в каком-либо жестком основании, например в земле или стене. Другой конец такой балки свободен и несет нагрузку. Консолями являются опоры ЛЭП, телеграфные столбы, корабельные мачты, лопатки турбин, шеи животных, рога, зубы, деревья, стебли кукурузы или одуванчиков, а также крылья самолетов, птиц или бабочек, равно как и хвосты мышей или павлинов.

Простая, или свободно опертая, балка (рис. 12) — такая балка, оба конца которой свободно покоятся на опорах.

С конструктивной точки зрения оба эти вида балок тесно связаны. Из рис. 13 становится очевидно, что свободно опертая балка — не что иное как две консоли, соединенные встык и перевернутые вверх ногами.

В Англии прямые и ровные железные дороги строили, в изобилии применяя насыпи, выемки и великолепные виадуки из чугуна и камня. Вся эта инженерная роскошь обеспечивалась наличием капитала и рабочей силы — и того и другого в викторианской Англии хватало с избытком. Ситуация в Америке была совершенно иной [86]. Расстояния были огромны, капитал скуден, а стоимость рабочей силы, даже неквалифицированной, — высока. В «стране свободных», где каждый был любителем во всем, практически не было опытных мастеров. Железо стоило дорого, зато в избытке водилась грошовая древесина. Самое главное, американские железнодорожные инженеры, как и их коллеги — конструкторы пароходов, готовы были рисковать чужими жизнями и собственностью, отчего у британских инженеров волосы под цилиндрами вставали дыбом. Это притом что и британские инженеры были людьми не слишком-то осмотрительными, а в наши дни мы бы и вовсе назвали их безрассудными. Американцы, конечно, привыкли жить рискованно, но от инженеров исходила едва ли не более серьезная опасность, чем от краснокожих и бандитов.

Железные дороги продвигались на запад настолько быстро, насколько было возможно; их строили, делая как можно меньше выемок грунта или насыпей. Если позволяли условия, через долины прокладывали те самые деревянные мосты, которые так пугали преподобного Сэмюэла Мэннинга и которые стали символом американских железных дорог, а кое-где сохранились и до сих пор (илл. 16). Железные дороги сразу стали приносить порядочную прибыль — к примеру, Центральная тихоокеанская железная дорога выплачивала дивиденды до 60%, и у компаний появилась возможность превращать шаткие деревянные мосты в насыпи, попросту сваливая грунт вниз из специальных вагонов, до тех пор пока бревенчатый каркас не оказывалсяпогребенным под слоем земли.

Мосты на бревенчатых опорах нельзя было применять для прокладки дорог через широкие и бурные реки, что вызывало потребность в мостах с длинными пролетами. Строительство капитальных мостов европейского образца не представлялось возможным из-за нехватки денег и квалифицированной рабочей силы. Все это обусловило популярность длинных, а главное, дешевых деревянных ферм, собрать которые могли обычные плотники. Поскольку сооружение таких ферм сулило потенциальную прибыль, а изобретательность американского народа неиссякаема, их проектированием в XIX веке занялось множество людей. В справочниках легко найти изрядное количество ферменных конструкций мостов, незначительно отличающихся друг от друга и носящих имена своих создателей. Эти конструкции основаны на более или менее схожих принципах, поэтому нет надобности подробно разбирать их все, но с парой-тройкой из них ознакомиться стоит.

Одна из первых таких конструкций — ферма Больмана (рис. 14) — получила в Америке широкое распространение благодаря скорее политическим, нежели техническим дарованиям своего автора. Ему каким-то образом удалось убедить правительство, что именно его конструкция является единственным безопасным типом фермы, и одно время ее использование стало принудительным. На самом деле политический подвиг не был столь уж велик, как кажется, поскольку многие годы американские инженеры справедливо полагали, что техническая дремучесть американских политиков безгранична [87].

На рис. 14 показан упрощенный вариант фермы Больмана с тремя панелями. В реальности их могло быть намного больше, конструкция становилась слишком сложной, а растянутые элементы слишком длинными. Ферма Финка (рис. 15) выполняет ту же самую функцию, но более эффективно и с использованием более коротких элементов.

Можно усовершенствовать ферму Финка, приделав снизу сплошной горизонтальный элемент, таким образом ферма Финка превратится в ферму Пратта-Хова (рис. 16). Далее мы увидим, что ферма Пратта-Хова с таким же успехом может работать и «в перевернутом виде» — то есть для предотвращения как прогиба, так и провисания. В том случае, конечно, если были приняты все меры предосторожности. Более того, если сделать так, чтобы все элементы фермы работали и на растяжение, и на сжатие, конструкцию станет возможно упростить и соорудить из нее ферму Уоррена (рис. 17). Именно такая (или близкая) конфигурация, как правило, применяется для конструирования ферм из стали.

Пока что мы говорили о мостах в виде свободно опертых балок — такие и в самом деле строили, строят и будут строить очень много. Однако существуют балочные мосты и консольного типа. По какой-то причине этот тип конструкции не пользовался популярностью при строительстве мостов из дерева, однако сейчас, когда в мостостроении применяются бетон и сталь, он используется довольно широко. Значительная часть мостов над автомобильными дорогами — это железобетонные консольные мосты. Обычно они состоят из двух консолей и центральной секции — простой балки, которая опирается на оконечности консолей (рис. 18). Такая конструкция лучше всего справляется с деформациями. Но существуют и мосты из двух консолей, которые просто смыкаются посередине.

Во времена длинных железнодорожных мостов появилась мода на огромные стальные консольные мосты. Наиболее известный пример — железнодорожный мост через пролив Форт, построенный в 1870 году. Это самый большой мост, сконструированный из мартеновской стали, а если точнее, из 51 тысячи тонн мартеновской стали [88]. Требования к жесткости для обычных проезжих мостов не такие суровые, как для железнодорожных (утверждается, что железнодорожный мост Форт — единственный в мире, по которому поездам разрешается проезжать на полной скорости), поэтому бóльшая их часть представляет собой висячие мосты, постройка которых обходится значительно дешевле. На автомобильный мост через пролив Форт 1965 года постройки с точно такой же длиной пролета, как и у его железнодорожного соседа, ушло всего 22 тысячи тонн стали.

Напряжение в фермах и балках

Из вышесказанного очевидно, что разного рода балки и фермы очень успешно помогают нам выносить тяготы этого мира. Что гораздо менее очевидно, так это как именно они это делают. Как же действует напряжение в балке и почему она держит нагрузку? Как мы уже говорили, решетчатые фермы и сплошные балки в большинстве случаев взаимозаменяемы, поэтому логично предположить, что система распределения напряжений в ферме несильно отличается от системы распределения напряжений в балке, хотя и имеет преимущество — ее гораздо проще визуализировать.

Хотя консоль и свободно опертая балка — родственные сущности, как было отмечено ранее (рис. 13), проще рассуждать о консоли. Поэтому давайте рассмотрим ферму в виде консоли, один конец которой закреплен (или «заделан») в стене, а другой — удерживает нагрузку W. Начнем с самой примитивной «зачаточной» консоли, которая представляет собой простой треугольник, изображенный на рис. 19. В этой конструкции груз W удерживается на весу за счет направленной вверх составляющей силы натяжения диагонального элемента № 1. Сила сжатия горизонтального элемента № 2 действует только горизонтально, поэтому не принимает прямого участия в удержании нагрузки. Однако элемент № 2 играет хоть и не прямую, но очень важную роль в том, что делает консоль консолью, — в торчании из стены.

Теперь давайте добавим в нашу ферму еще одну панель, как показано на рис. 20. Очевидно, что вес напрямую поддерживается совместным действием натяжения элемента № 1 и сжатия элемента № 3. Элемент № 4 неизбежно находится в состоянии натяжения, и хотя он (как и элемент № 2, который по-прежнему находится в состоянии сжатия) не принимает прямого участия в удержании веса W, ферма не может существовать без него.

Если приладить к ферме еще несколько панелей, как показано на рис. 21, ситуация в целом останется неизменной. Диагональные элементы № 1 и 5 находятся в состоянии натяжения, а № 3 и 7 — в состоянии сжатия. Именно эти элементы принимают прямое участие в удержании нагрузки. Вместе они противодействуют явлению, которое называется сдвиг. Мы подробно поговорим о нем в следующей главе, пока заметим лишь, что силы, действующие в этих диагональных элементах, в цифровом выражении равны между собой. Эта закономерность действует вне зависимости от длины консоли и количества панелей в ней.

Однако это правило не относится к силам, направленным горизонтально. Сжатие в элементе № 2 больше, чем в элементе № 6; аналогичным образом растяжение в элементе № 4 больше, чем в элементе № 8. Чем длиннее мы сделаем нашу ферму, тем сильнее будет сжатие элемента № 2 и растяжение элемента № 4. У консоли очень большой длины продольные напряжения сжатия и растяжения в ее основании будут весьма значительными. Иными словами, консоль просто сломается «на корню» — что, собственно, довольно предсказуемо с точки зрения простого здравого смысла. Очевиден парадокс: наибольшее напряжение испытывают те элементы, которые не принимают прямого участия в удержании нагрузки.

На рис. 21 направленная вниз нагрузка, или «сдвигающая сила», удерживается зигзагом диагональных элементов № 1, 3, 5 и 7. Ничего не мешает нам усложнить сетку и добавить еще диагональных элементов, которые будут выполнять те же функции. Так часто и поступают по самым разным причинам (рис. 22). На самом деле и природа тоже часто так поступает. Туловище и грудную клетку большинства позвоночных можно рассматривать как своего рода свободно опертую балку. Особенно это очевидно в случае с лошадью. Позвонки и ребра представляют собой работающие на сжатие элементы довольно сложной разновидности фермы Финка (рис. 15 и 23). Пространство между реберными костями заполнено структурой, или мелкой сеткой, состоящей из мышечной ткани, волокна которой проходят под углом приблизительно 45 градусов к ребрам.

Следующий логичный конструктивный шаг — заполнить пространство фермы не решеткой, а сплошной перемычкой, лентой или пластиной какого-нибудь материала наподобие фанеры или металла. Балки такого рода могут принимать различные формы, наиболее распространенной из которых является балка двутаврового профиля (рис. 24). Средняя перемычка в такой балке выполняет точно такую же функцию, что и диагональная решетка фермы, поэтому нагрузки и напряжения распределяются в ней примерно так же.

Таким образом, в двутавровой балке горизонтальные плоскости, или «полки», предназначены для противодействия продольному натяжению или сжатию, а вертикальная средняя перемычка, или «стенка», — главным образом вертикальным и сдвигающим силам.

Несмотря на широкое распространение двутаврового сечения (рис. 24), в принципе балки могут иметь сечение любой формы, и простая теория изгиба балок рассматривает лишь простейшие из них. В действительности распределение продольных напряжений по сечению балки сходно с распределением напряжений в сечении каменной кладки (гл. 9, рис. 7), с той лишь разницей, что каменная кладка не может выдерживать растягивающих напряжений, а балка очень даже может.

Каждая балка должна деформироваться под действием приложенной к ней нагрузки, а следовательно, принимать искривленную, выгнутую форму. Материал на вогнутой стороне изогнутой балки будет подвергаться напряжению сжатия, а материал на выпуклой стороне — напряжению растяжения (рис. 25). Если материал балки подчиняется закону Гука, распределение напряжения и деформации по сечению балки будет представлять собой прямую линию и будет существовать «нулевая» точка, в которой ни продольного сжатия, ни продольного растяжения не существует. Эта точка лежит на так называемой нейтральной оси балки.

Расположение нейтральной оси балки знать крайне важно — благо, определить его нетрудно. Алгебраически очень просто устанавливается, что нейтральная ось всегда проходит через центр тяжести сечения балки. В симметричных сечениях — прямоугольных, круглых или двутавровых балках — нейтральная ось проходит строго посередине, на равном расстоянии от верхнего и нижнего краев балки. В несимметричных сечениях, например в рельсах, корпусах кораблей или крыльях самолетов, нахождение нейтральной оси требует вычислений, однако они не особо сложны.

Из рис. 25 видно, что продольное напряжение возрастает прямо пропорционально расстоянию от нейтральной оси. В теории балки это расстояние обычно обозначается как y [89]. Теперь, если мы стремимся к конструктивной эффективности — неважно, измеряемой ли в весе материала, цене или «метаболической» энергии, — нам не нужны «коты, которые не ловят мышей». Иначе говоря, мы не хотим тратиться на материал, который не будет нести нагрузки. Это означает, что нужно, насколько это возможно, избавиться от материала, расположенного близко к нейтральной оси балки, и перенести его как можно дальше от оси. Безусловно, на практике нам все же потребуется некоторое количество материала около нейтральной оси для того, чтобы противостоять напряжению сдвига, но много материала это не требует, вполне сгодится относительно тонкая стенка (рис. 26).

Именно поэтому на практике в строительстве и конструировании используются двутавровые (в форме буквы H), швеллерные (в форме буквы U) и зетовые балки (в форме буквы Z). Сечения такого профиля довольно просты в производстве, они изготавливаются из мягкой стали на прокатном стане. Такие балки называются прокатные, или просто прокат, и производятся в самых разных размерах, вплоть до очень больших. Преимущество зетовых балок перед двутавровыми и швеллерными заключается в удобстве клепки стальных листов к их полкам, именно поэтому они активно применяются в судостроении для изготовления шпангоутов.

Когда балки простых сечений не подходят, применяют балки коробчатого профиля. Первое и самое масштабное их применение состоялось при строительстве моста Британия через пролив Менай по проекту Стефенсона в 1850 году (гл. 13, рис. 11). С внедрением водостойких клеев и прочной фанеры коробчатые балки широко применяются в конструировании изделий из дерева, в частности лонжеронов крыла в деревянных планерах (гл. 13, рис. 5).

Эти же соображения относятся и к листовому материалу. Тонкий листовой металл очень податлив и легко гнется, поэтому, чтобы получить более толстое сечение, не увеличивая толщины самого листа и его веса, зачастую прибегают к гофрированию [90]. В прошлом из гофрированного металла часто делали обшивку кораблей и самолетов — например, в ранних монопланах Юнкерса. Однако недостатки гофрированного металла довольно очевидны, и сегодня в судостроении, конструировании самолетов и космической техники для придания обшивке прочности и жесткости изнутри приваривают или приклепывают металлические уголки-стрингеры.

Во всех этих ситуациях нагрузка, как правило, действует только в одном направлении и сечение изделия оптимизируют соответственно. Однако в некоторых инженерных и в очень многих биологических конструкциях направление нагрузки непредсказуемо. Это относится к фонарным столбам, ножкам стульев, стеблям бамбука и костям ног. В этих случаях наиболее оптимальны балки круглого сечения, например трубы, которые часто и применяются. Промежуточный вариант представляют собой мачты для треугольных «бермудских» парусов, изготавливаемые из труб овального или грушевидного сечения. Это делается не для снижения аэродинамического сопротивления, как полагают многие, а исходя из того что мачту современной яхты удобнее закреплять снастями со стороны бортов, а не со стороны носа или кормы судна. Именно поэтому сечению мачты придают большую прочность и жесткость в направлении от носа к корме.

Глава 12

Тайны сдвига и кручения,

а также «Поларис» и ночнушки косого кроя

Вертись, кружись, веретено, —

Со счастьем горе сплетено;

С покоем — буря, страх с мечтой

Сольются в жизни начатой.

Вальтер Скотт. Гай Мэннеринг, или Астролог. Пер. А. Шадрина

В одной из своих рецензий Дороти Паркер написала: «Эта книга дала мне больше, чем я хочу знать о принципах бухгалтерского учета». Рискну предположить, многие из нас склонны думать, что такую тему, как поведение предметов в сдвиге, лучше бы все-таки оставить специалистам. Растяжение и сжатие мы еще куда ни шло осилим, а когда дело доходит до сдвига, наш разум предпочитает отстраниться.

Печально, что те напряжения сдвига, про которые нам рассказывают учебники по теории упругости, обитают исключительно в коленчатых валах или еще более скучных балках. Эти сведения, безусловно, важны и полезны, но им не хватает жизненности и привлекательности. Без внимания остается тот факт, что «ареал обитания» напряжения сдвига и деформации сдвига никоим образом не ограничивается балками и валами, а распространяется на обыкновенные бытовые области, иногда с совершенно непредсказуемыми результатами. Именно из-за сдвига протекают лодки, расшатываются столы, а на одежде в самых неподходящих местах образуются пузыри. Многие из нас, не только инженеры, но и биологи, хирурги, портные, плотники-любители, а также люди, делающие чехлы для мебели, жили бы лучшей и более плодотворной жизнью, если бы только смогли посмотреть напряжению сдвига прямо в глаза без содрогания.

Если натяжение случается, когда что-то тянет, а сжатие — когда что-то давит, то сдвиг — это когда что-то проскальзывает. Другими словами, напряжение сдвига определяет стремление к проскальзыванию одной части твердого тела относительно другой. Примерно это происходит с картами, когда колоду бросают на стол, или с человеком, если из-под него выдернуть ковер. Еще сдвиг почти всегда возникает, когда что-то скручивается, например лодыжка, ведущий вал коробки передач или любая другая механическая деталь. Поведение материалов, подвергающихся сдвигу или скручиванию, в общем-то, вполне логично и незамысловато, но, прежде чем рассуждать об этом явлении, полезно договориться о терминах. Начнем с нескольких базовых определений.

Следовательно, если на сечение материала площадью A воздействует сдвигающая сила P, то

что аналогично напряжению растяжения. Единицы измерения напряжения сдвига также аналогичны — psi или МН/м2, что кому больше нравится.

Для таких твердых тел, как металл, бетон или кость, упругая деформация сдвига составляет примерно 1 градус (1⁄57 радиан). При большей деформации такие материалы либо разрушаются, либо необратимо изменяются пластически, подобно сливочному маслу. Однако у таких материалов, как резина, текстиль или биологические мягкие ткани, обратимая деформация сдвига может достигать гораздо больших значений — 30–40 градусов. В жидкостях или вязких материалах вроде патоки, крема или пластилина деформация сдвига неограниченна и всегда необратима.

Таким образом, G является аналогом модуля Юнга (E) и имеет те же единицы измерения, что и напряжение, то есть psi или МН/м2.

Поскольку четких различий между материалом и конструкцией так никто пока и не сформулировал, по большому счету неважно, несет ли сдвигающую нагрузку сплошная стенка или решетчатая конструкция из прутьев, проволоки, деревянных реек или чего-либо еще. Однако есть важный нюанс. Если это стенка, сделанная из металла, нет никакой разницы, как она ориентирована. Проще говоря, если мы вырежем стенку из большой пластины металла, не имеет никакого значения, под каким углом мы ее вырежем, потому что внутренние свойства металла одинаковы во всех направлениях. Подобные материалы, в число которых входят металл, кирпич, бетон, стекло, большая часть видов камня, называются изотропными («изотропный» в переводе с греческого означает «равный во всех направлениях»). Тот факт, что металлы изотропны (ну или почти изотропны) и их свойства во всех направлениях одинаковы, несколько облегчает инженерам жизнь, за что в числе других причин они и любят металл.

Однако если мы рассмотрим решетчатую структуру, очевидно, что ее прутья должны располагаться примерно под углом 45 градусов к полкам. В противном случае жесткость решетки к сдвигу будет очень мала или ее не будет вовсе (рис. 4 и 5). Под нагрузкой решетка просто сложится, и балка обрушится. Материалы с таким поведением называются анизотропными, то есть неравными в разных направлениях. Дерево, текстильная ткань и почти все биологические материалы являются — каждый на свой манер — анизотропными, что сильно осложняет жизнь, причем не только инженерам, но и многим другим людям.

Ткань — один из самых распространенных искусственных материалов и один из самых анизотропных. Как мы не раз повторяли, различие между материалом и конструкцией весьма туманно, и ткань, которую портные называют «материалом», в действительности самая что ни на есть конструкция, собранная из отдельных волокон или нитей, пересекающихся под прямым углом. Поведение ткани под действием нагрузки во многом идентично поведению решетчатой стенки балки или фермы.

Если взять квадратный кусок ткани (вполне сойдет носовой платок), легко убедиться, что поведение ткани в растяжении сильно зависит от направления растяжения. Потянув точно по направлению основных или уточных [91] нитей, мы увидим, что ткань растянется незначительно, иными словами, будет жесткой в натяжении. Кроме того, поперечное сокращение материала в результате натяжения будет весьма небольшим (рис. 6). Таким образом, мы будем наблюдать низкий коэффициент Пуассона, который мы подробно рассматривали в главе 8, говоря об артериях.

Если же потянуть под углом 45 градусов к линии нитей — или, как сказал бы портной, по косой, — ткань окажется куда более растяжимой, то есть продемонстрирует низкий модуль Юнга в растяжении. При этом ткань значительно укоротится в направлении, перпендикулярном растяжению, то есть коэффициент Пуассона в этом случае будет высоким (он может достигать значения 1, рис. 7). В целом чем менее плотно соткан материал, тем более заметной окажется разница между поведением ткани при растяжении по косой и растяжением в направлении нитей.

Предполагаю, что хотя не так много людей слышали слово «анизотропия», такое поведение ткани известно практически всем и каждому на протяжении столетий. Тем более удивительно, что технические, экономические и социальные преимущества анизотропии ткани человечество смогло осознать и использовать лишь совсем недавно.

Если перейти от теории к практике, станет очевидно: чтобы свести к минимуму деформации при пошиве какого-либо изделия из ткани, нужно скроить вещь таким образом, чтобы напряжения, насколько это возможно, проходили по линии основных или уточных нитей. Обычно для этого материал режут под прямым углом или «по долевой». Если в силу тех или иных причин ткань потянется под углом 45 градусов, то есть по косой, деформация ткани будет более значительной, но симметричной. Если же мы сошьем нашу вещь настолько бестолково, что растяжение произойдет в некоем промежуточном направлении, то есть и не прямо, и не по диагонали, мы получим и сильную, и несимметричную деформацию одновременно — наше изделие приобретет довольно необычную и, скорее всего, не очень приятную глазу форму [92].

Изготовлением парусов человечество занимается от начала времен, однако эти элементарные закономерности поведения ткани почему-то не брались в голову европейскими парусными мастерами. Из поколения в поколение они шили паруса, в которых растяжение приходилось под странными углами и к основе, и к утку. В результате паруса быстро становились мешковатыми, и установить их правильно при встречном ветре удавалось не всегда. Ситуация усугублялась европейским поверьем о том, что паруса нужно непременно шить из льна, который деформируется особенно хорошо из-за неплотного плетения.

Рациональное современное изготовление парусов началось в Соединенных Штатах в начале XIX века. Тамошние парусных дел мастера делали паруса из плотной хлопковой ткани и сшивали их так, чтобы направление нитей максимально совпадало с направлением предполагаемой нагрузки. Несмотря на то что с такими парусами американские корабли стали ходить заметно быстрее и под более острым углом к ветру, чем британские, вразумить английских парусных мастеров смог только хороший щелчок по лбу. Таким щелчком послужила шумиха, связанная со шхуной-яхтой «Америка», прибывшей в 1851 году из Нью-Йорка в Каус, чтобы посоревноваться в быстроходности с лучшими английскими яхтами. Гонка, маршрут которой проходил вокруг острова Уайт, шла за приз королевы Виктории. Этот довольно страшный на вид, похожий на кувшин серебряный сосуд по результатам гонки стали называть «Кубком Америки». Когда королеве доложили, что «Америка» пересекла финишную черту первой, королева спросила:

— А кто же вторая?

— Второй пока не видно, Ваше Величество.

После этого случая английские парусные мастера встали наконец на пусть истинный, да так, что через несколько лет американские яхтсмены покупали паруса в фирме мистера Рэтси в Каусе. Преподанный американцами урок был выучен; если посмотреть на современные яхтенные паруса, которые делаются в основном не из хлопка, а из лавсана, можно заметить, что уточные нити параллельны свободным сторонам паруса, то есть выровнены в направлении наибольшего напряжения.

Задача заставить ткань приобрести нужную форму в трехмерном пространстве во многом объединяет парусное ремесло и швейное дело. Однако в этом отношении портные оказались куда прозорливее парусных мастеров. Когда это было сподручно, они резали ткань по долевой, а когда требовалась точная пригонка по силуэту, прибегали к «системам натяжения» — проще говоря, к шнуровке. В Викторианскую эпоху такелаж юной леди был сопоставим с такелажем небольшого парусника.

После того как в постэдвардианскую эпоху [93] модельеры фактически отказались от шнуровок (видимо, в связи с нехваткой служанок и камеристок для настоящих леди), женщин могло ждать бесформенное будущее. Однако же в 1922 году модельер по имени Мадлен Вионнé открыла в Париже салон и приступила к разработке темы диагонального или косого кроя. Скорее всего, Мадлен никогда не слышала о своем выдающемся соотечественнике Симеоне Дени Пуассоне, а уж тем более о его коэффициенте, но интуитивно она сообразила, что можно придумать более удобный способ подгонки платья по фигуре, чем затягивание шнурков и застегивание крючков. Ткань платья подвергается вертикальному растягивающему напряжению, вызванному как собственным весом, так и движениями его обладательницы; если расположить ткань под углом 45 градусов к направлению этого напряжения, то поперечное сжатие материала вполне возможно использовать для создания облегающего эффекта. Платья Вионне получались несравненно удобнее и дешевле, чем эдвардианские наряды, а в некоторых случаях приводили к прямо-таки сокрушительному эффекту (илл. 17 и 18).

Аналогичная проблема возникает и при проектировании больших ракет. Некоторые ракеты приводятся в движение двигателями на жидком топливе — смеси керосина и жидкого кислорода. Такие системы требуют создания сложной системы труб, которая не всегда надежна. По этой причине используют так называемое твердое топливо, оно же смесевое ракетное топливо. Эта штука горит очень мощно, но довольно медленно, образуя огромное количество горячих газов, которые с грохотом вылетают через сопло ракеты, толкая ее вверх. Топливо и вырабатываемые при горении газы находятся в прочном цилиндрическом резервуаре, сосуде высокого давления, стенки которого нежелательно подвергать воздействию огня и высокой температуры. Поэтому сам топливный заряд представляет собой, по сути, сформированную из топлива трубу с очень толстыми стенками, плотно втиснутую в металлический корпус. После зажигания горение начинается изнутри этой топливной трубы. Таким образом внешний слой несгоревшего топлива до последнего момента предохраняет металлический корпус от нагрева. На вид и на ощупь твердое ракетное топливо очень напоминает пластилин и может быть таким же хрупким при низких температурах. Когда топливо начинает гореть, корпус двигателя под давлением газов начинает расширяться — так же как артерия расширяется от давления крови. Вместе с корпусом увеличивается и масса топливного заряда, и если внутри заряда топливо еще холодное, то, когда окружная деформация достигает 1%, в ней могут образоваться трещины. В этом случае пламя проникает сквозь трещину, достигает металлической поверхности ракетного двигателя и разрушает его. Обычно это приводит к оглушительному взрыву, и очередной «Поларис» [94] отдает богу душу.

Около 1950 года некоторым в нашем инженерном коллективе пришла в голову мысль: а что если сделать корпус двигателя не в виде простой металлической трубы, а «сплести» цилиндрический сосуд из волокон прочного стекловолокна в виде двойной спирали и скрепить их смоляным клеем? При правильном расчете угла волокон можно устроить все таким образом, что диаметр цилиндра под давлением горячих газов подвергнется лишь незначительному расширению. Справедливо, что в этом случае корпус станет удлиняться точь-в-точь как платья мадемуазель Вионне, но по ряду причин изменение длины цилиндра в этом случае не представит опасности для топливного заряда. Насколько я помню, на эту идею нас натолкнули ночнушки косого кроя, как раз вошедшие в то время в моду.

Требования к деформации ракет прямо противоположны тому, что нужно и допустимо в случае с кровеносными сосудами. Как мы помним из главы 8, при скачках кровяного давления важно, чтобы оставалась постоянной длина артерии, а изменение ее диаметра большого значения не имеет. Однако и то и другое условие возможно удовлетворить при помощи сосудов или труб, сделанных из спирально сплетенных волокон. Эта проблема изучается и в биологической науке — любопытно, что специалист по червям, профессор Стив Уэйнрайт из Университета Дюка, совершенно независимо пришел к тем же математическим выкладкам, что и мы за 20 лет до него со своими ракетами [95]. Наведя справки, я выяснил, что и в этом случае источником вдохновения послужил косой крой.

Изобретение косого кроя принесло Мадлен Вионне славу великого модельера. Она прожила прекрасную жизнь и умерла совсем недавно в возрасте 98 лет, так и не узнав о своем значительном вкладе в космическую отрасль, военное ракетостроение и исследования биомеханики червей.

Напряжение сдвига — всего лишь сжатие или растяжение, которое действует под углом 45 градусов, и наоборот

Несложные размышления о стенках балок, решетках ферм и ночнушках косого кроя приведут нас к довольно очевидному выводу о том, что напряжение сдвига или касательное напряжение — не что иное как сжатие или растяжение (или и то и другое сразу), действующее под углом примерно 45 градусов. Более того, при любом напряжении сжатия или растяжения возникает напряжение сдвига под углом 45 градусов.

В действительности многие твердые тела разрушаются при растяжении по причине напряжения сдвига. Именно он приводит к образованию «шейки» в металлических прутьях и пластинах в растяжении и к возникновению явления пластичности металла (рис. 9 и гл. 5). Как мы поймем из следующей главы, очень похожая ситуация происходит и в сжатии. Иначе говоря, многие твердые тела под действием нагрузки разрушаются путем «выскальзывания» из-под нее.

Еще чаще таким образом ведут себя скатерти, одежда, чехлы для мебели и плохо сшитые паруса. Полагаю, портные и модельеры нечасто рассуждают о вагнеровском поле растяжения, однако они иногда поминают такую таинственную характеристику, как драпируемость. Она главным образом зависит от модуля сдвига, и хотя кутюрье вряд ли назовут какие-то цифры в системе СИ (или любой другой) для модуля сдвига G своих шелков и сатинов, но чем ниже модуль сдвига ткани, тем меньше эта ткань подвержена нежелательному складкообразованию. Мы не носим одежду из бумаги и целлофана, боясь показаться смешными, эти материалы имеют высокую жесткость в сдвиге и поэтому не драпируются красиво, а образуют складки и заломы. Напротив, вязаные, а также крепированные и «жатые» ткани обладают одновременно низким модулем Юнга и низким модулем сдвига, поэтому прекрасно садятся по фигуре, что прекрасно знают девушки в трикотажных свитерах. Аналогичным образом кожа молодого человека имеет низкий модуль Юнга и низкий модуль сдвига и поэтому легко приспосабливается к форме тела [96]. С возрастом кожа становится жестче в сдвиге, что приводит к вполне очевидным результатам. Недавно профессор Р. М. Кенеди из Университета Стратклайда провел масштабное исследование упругого поведения человеческой кожи, так что теперь можно сказать, что старческие морщины будут наконец проанализированы математически.

На заре авиации множество отважных пилотов, таких как Чарльз Роллс и Сэмюэл Коди, заплатили жизнями за свое легкомысленное отношение к делу. Теоретические основы аэродинамики были разработаны еще в 1890-х годах Фредериком Ланчестером, однако немногие практики в принципе понимали, о чем он говорит [97]. Притом что значительное количество авиаинцидентов были связаны с остановкой мотора или сваливанием в штопор, ничуть не менее часто причиной аварий становились конструктивные факторы. Поскольку первые пилоты редко пользовались парашютами, эти происшествия, как правило, заканчивались фатально.

Вообще говоря, потребность в легкой и надежной инженерной конструкции была сама по себе феноменом новым. В первую очередь крылья самолета подвергаются сгибающим нагрузкам — нечто подобное происходит с мостами. Поскольку это более или менее очевидно и у инженеров имелось достаточно успешных примеров строительства мостов, со сгибающими нагрузками они разобрались относительно легко. А вот чегоникто не понимал, так это того, что крылья аэроплана подвергаются еще и мощному действию скручивающих сил, и если не принять мер к противодействию этим нагрузкам, крылья самолета попросту оторвутся.

С началом Первой мировой войны и активного использования авиации на фронте частота происшествий стала серьезной проблемой. К счастью, в нашей стране этими вопросами занималась группа блестящих молодых людей, которые впоследствии стали известны как лорд Червелл, сэр Джефри Тейлор, сэр Генри Тизард и господин Грин по прозвищу «Иегова». Благодаря их усилиям в 1918 году классический биплан стал одним из самых надежных самолетов своего времени и считался практически небьющимся. Немцы были менее удачливы. Авиационные германские власти в то время имели репутацию ретроградов, а авиационную отрасль преследовала череда аварий, во многом вызванных непониманием проблемы крутящего момента, который действует на крыло самолета.

В первом полугодии 1917-го, в том числе благодаря качеству своих самолетов, союзники добились преимущества в воздухе на Западном фронте. Тем временем в Германии весьма выдающийся конструктор Антон Фоккер разрабатывал новую модель истребителя-моноплана «Фоккер Д-8», по своим характеристикам превосходящую даже те модели, на которые союзники могли рассчитывать в ближайшей перспективе. Из-за критической ситуации на фронте производство Д-8 было максимально ускорено, и он поступил на вооружение нескольких самых передовых подразделений немецкой авиации, не пройдя должных испытаний в воздухе.

После того как самолет опробовали в условиях реального боя, обнаружилось, что в схватке при выходе из пикирования у него отваливаются крылья. Поскольку в таких инцидентах погибло много пилотов, включая нескольких наиболее опытных асов, ситуация вызвала самую серьезную озабоченность германских военных. Нам тоже будет небесполезно разобраться, как обстояло дело.

В те времена основную массу самолетов составляли бипланы — эта форма конструкции была наиболее легкой и надежной. Тем не менее при равной мощности двигателя моноплан способен развивать бóльшую скорость, так как подвержен меньшему аэродинамическому сопротивлению, чем биплан с его вторым крылом. Это обстоятельство и подталкивало конструкторов к разработке новых моделей истребителей на основе моноплана. Но несмотря на то, что никто не понимал теоретической основы происходящего, монопланы считались ненадежными еще с момента исторического падения самолета Сэмюэла Лэнгли в реку Потомак в США в 1903 году.

Крылья Д-8, как и большинства аэропланов того времени, были покрыты тканью. Делалось это исключительно для придания крылу нужной аэродинамической формы. Ткань просто натягивалась на внутренний каркас и сама по себе никаких нагрузок не несла. Основные сгибающие нагрузки приходились на два параллельных деревянных лонжерона — консольные балки, выходящие из фюзеляжа. Балки соединялись расположенными на расстоянии нескольких дюймов друг от друга нервюрами, на которые и натягивалась ткань (рис. 10).

Как только инциденты с Д-8 получили известность, командование германских ВВС, естественно, распорядилось провести испытания конструкции. Согласно практике того времени, для проведения таких испытаний самолет целиком подвешивали вверх ногами и клали на крылья мешки с дробью, чтобы имитировать аэродинамические нагрузки. В ходе этих манипуляций в крыльях самолета не обнаружили никаких изъянов, они сломались только под грузом, вес которого в 6 раз превышал вес самого аппарата. В соответствии с современными требованиями истребители должны выдерживать нагрузку, двенадцатикратно превышающую собственный вес, но в 1917 году коэффициент 6 считался вполне достаточным. В любом случае, такая нагрузка была больше той, с которой самолет мог столкнуться в боевых условиях. Так или иначе, по результатам испытания Д-8 выглядел вполне надежным.

Тем не менее, когда самолету на испытаниях все-таки сломали крылья, выяснилось, что разрушение берет свое начало в заднем из двух лонжеронов. Чтобы перестраховаться, командование распорядилось заменить задние лонжероны на более толстые и прочные. После этого инциденты стали происходить не реже, а чаще, и германскому воздушному министерству пришлось признать, что усиление крыла путем добавления материала привело лишь к его ослаблению.

Фоккер, поняв, что никакой толковой помощи от начальствующих умов ждать не приходится, провел испытания следующего Д-8 уже самолично на своем заводе. В этот раз он позаботился о замере деформации при возникновении нагрузок на крыло и обнаружил, что нагрузка приводит не только к изгибанию крыла (то есть концы крыльев поднимаются относительно фюзеляжа при выходе из пике), но и к закручиванию, притом что никакой явной крутящей нагрузки к крылу не прилагается. Что особенно важно, в результате закручивания увеличивался угол атаки крыла, то есть его подъемная сила.

Размышляя в ночи над результатами испытаний, Фоккер неожиданно понял, что именно здесь следует искать решение проблем модели Д-8, а равно и других монопланов. Когда пилот брал ручку на себя, нос самолета поднимался вверх и нагрузка на крыло увеличивалась. Но! Крыло начинало закручиваться, таким образом, нагрузка росла непропорционально сильно, крыло закручивалось еще больше, еще сильнее росла нагрузка, и так далее, пока пилот окончательно не терял контроль над ситуацией и крылья не «откручивались» совсем. Фоккер открыл то, что в авиации именуется неустойчивым режимом и может иметь фатальные последствия. Что же происходило в крыле с точки зрения упругости?

Естественно, если лонжеронов больше, чем два, или если они обладают разной жесткостью, центр изгиба будет располагаться не в средней, а в какой-то другой точке между передней и задней кромкой крыла. Так или иначе, в любой балке или конструкции балочного типа всегда существует центр изгиба. Приложение вертикальной нагрузки в этой точке не вызывает кручения балки (в нашем случае — крыла), а приложение силы в какой-либо другой точке по поперечной оси вызовет скручивание или деформацию кручения той или иной степени впридачу к обычной деформации изгиба.

Мы рассмотрели ситуацию, когда сила приложена только в одной точке крыла или балки. Естественно, подъемная сила, которая давит на крыло снизу и удерживает самолет в воздухе, распределена по всей плоскости крыла. Тем не менее для удобства расчетов ее можно представить как равнодействующую силу, приложенную лишь в одной точке, называемой центром давления.

Неосведомленный читатель предположит, что центр давления подъемной силы, действующей на крыло в полете, расположен в геометрической середине крыла строго между передней и задней его кромкой, то есть на середине хорды крыла. Однако, как известно в аэродинамике, как раз там он и не расположен. На самом деле центр давления подъемной силы лежит ближе к передней кромке, примерно на расстоянии одной четвертой длины хорды [98].

Следовательно, если крыло не спроектировано специально таким образом, чтобы центр изгиба располагался на четверти хорды от передней кромки, оно будет неизбежно закручиваться. Угол кручения будет зависеть от жесткости конструкции, однако в целом для самолета чрезвычайно опасно любое кручение и цель конструктора — всеми силами свести его к минимуму. Даже у птиц стержень пера расположен примерно на расстоянии четверти длины хорды (рис. 13).

У простого обтянутого тканью крыла моноплана положение центра изгиба и жесткость на кручение практически полностью зависят от относительной жесткости на изгиб лонжеронов крыла. У крыла «Фоккера Д-8» центр изгиба располагался очень далеко от четверти хорды — ближе к ее половине. Жесткость крыла на кручение была слишком низкой, и крылья в полете отваливались. Поэтому модификации, в ходе которых инженеры сделали задний лонжерон более прочным и жестким, привели к тому, что центр изгиба сместился назад еще дальше и ситуация только ухудшилась. Когда все это дошло наконец до Фоккера, он сделал вполне очевидный шаг: поставил менее жесткие и прочные лонжероны сзади, таким образом переместив центр изгиба ближе к центру давления. С этого момента Д-8 превратился в сравнительно надежную машину и стал весьма опасным соперником Королевского летного корпуса Великобритании и ВВС Франции.

В соответствии с законами аэродинамики центр давления подъемной силы крыла самолета должен всегда располагаться на расстоянии примерно в четверть длины хорды от передней кромки. В связи с этим для сведения к минимуму скручивающих напряжений в крыле необходимо проектировать его конструкцию так, чтобы центр изгиба располагался как можно ближе к центру давления и вблизи от передней кромки. Однако работа элеронов (органов управления, отвечающих за крен самолета) вызывает значительные направленные вверх и вниз нагрузки в районе задней кромки — на значительном расстоянии от центра изгиба. То есть элероны неизбежно способствуют возникновению значительных скручивающих нагрузок всякий раз, когда пилот накреняет самолет. Из рис. 14 видно, что направление этого кручения влияет на подъемную силу в противовес действию элерона. Если крыло не обладает достаточной жесткостью на кручение, работа элерона может вызвать прямо противоположный эффект: пилот, желая накренить самолет вправо, будет производить соответствующие действия с органами управления, но с удивлением обнаружит, что самолет кренится влево. Этот не только дезориентирующий, но и чрезвычайно опасный эффект известен под названием «реверс элеронов» и представляет собой серьезную проблему при проектировании современных скоростных самолетов. Для его предотвращения нужно обеспечить достаточную жесткость конструкции крыла.

В ранних «тряпичных» монопланах, таких как «Фоккер Д-8», жесткость крыла на кручение обеспечивалась в основном разницей гибкости двух лонжеронов. В рамках такой конструкции особо не остается пространства для улучшений, и жесткость на кручение, которой возможно добиться — даже с помощью дополнительных внутренних элементов крыла, — весьма ограниченна. По этой причине эксплуатация таких самолетов всегда представляла довольно серьезную опасность, и власти многих стран смотрели на монопланы с большим сомнением, а кое-где они и вовсе попали под запрет.

Бипланы же были в фаворе не столько по причине твердолобости авиационных властей, сколько из-за того, что сама по себе конструктивная схема биплана отличается большей жесткостью и прочностью, особенно в кручении. На практике бипланы многие годы оставались более надежными и легкими самолетами, чем монопланы, а в скорости на начальном этапе развития авиации проигрывали лишь незначительно.

Все дело в том, что конструкция биплана — со всеми ее распорками и растяжками — представляет собой коробчатую, или кессонную, балку, обладающую хорошей жесткостью и прочностью не только в сгибе, но и в кручении. Как показано на рис. 15, четыре лонжерона (по два на каждое крыло) формируют ребра «коробки», а пространства между ними представляют собой своего рода решетчатые фермы. «Решеток» в горизонтальных плоскостях, то есть в крыльях, на настоящем самолете, естественно, не видно, поскольку они затянуты тканью. Тем не менее решетки вполне себе на месте и успешно противодействуют сдвигающим нагрузкам, которые возникают из-за скручивания всей конструкции. На рисунке схематично показано, каким образом она работает: на каждую из сторон действует сдвигающая нагрузка — точно так же, как на обычную решетчатую ферму под действием сгиба. Обратите внимание, что сдвиг действует на все сооружение в целом и решетки взаимосвязаны. Если одну из них убрать, крыло не сможет противостоять кручению.

В бипланах эти решетки, работающие на сдвиг, делают из распорок и тросов. Однако если представить себе, что конструкция не должна летать, а должна просто воспринимать скручивающие нагрузки на земле, то решетку вполне можно заменить сплошными листами фанеры или металла. С конструктивной точки зрения результат будет полностью аналогичным — точно так же, как и в случае с заменой решетки на сплошную пластину в ферме или балке. Следовательно, кручению может противостоять любой короб или труба как с решетчатыми, так и со сплошными стенками — стенки будут противодействовать сдвигающим нагрузкам в любом случае. С точки зрения веса, прочности и жесткости такая конструкция представляет собой гораздо более эффективное решение проблемы скручивания, чем система, основанная на разнице в гибкости, применявшаяся в ранних монопланах.

Формулы расчета прочности и жесткости на кручение для различных стержней и труб приведены в приложении 3. Помимо всего прочего, следует заметить, что прочность и жесткость короба или трубы на кручение пропорциональна квадрату площади ее сечения. Поэтому короб с большим сечением, как у биплана, потребует сравнительно немного материала и будет иметь небольшой вес. При постройке же современного моноплана мы фактически превращаем само крыло в кессон или трубчатую балку, покрытую сплошным слоем фанеры или металла. Однако несмотря на то, что в результате наше крыло получается намного толще, чем крыло старого биплана, площадь его сечения все равно значительно меньше, чем площадь всей коробчатой конструкции биплана. Поэтому для придания крылу дополнительной прочности и жесткости при кручении мы вынуждены использовать довольно толстую и тяжелую обшивку. В результате значительная доля веса конструкции современных самолетов предназначается для сопротивления скручивающим нагрузкам.

В автомобиле недостаток жесткости на кручение не так страшен, как в самолете, но жесткость корпуса имеет прямое отношение к поведению подвески и сцеплению с дорогой. Старинные довоенные автомобили подчас представляли собой подлинные произведения искусства, но, как и самолеты своего времени, страдали от слишком большого внимания инженеров к двигателям и коробке передач в ущерб вниманию к конструкции кузова и шасси. Жесткость шасси в кручении, как и в случае с крыльями самолета Д-8, во многом определялась разницей в жесткости на изгиб в общем-то довольно хлипких балок. Именно недостаток жесткости шасси служил причиной крайне сомнительной способности этих автомобилей держать дорогу, что делало их вождение довольно утомительным занятием.

Пытаясь как-то наладить контакт колес своих автомобилей с дорогой, инженеры делали рессоры и амортизаторы такой жесткости, что те были практически «каменными». В результате езда на таких машинах сопровождалась невыносимой тряской. Вкупе с оглушительным выхлопом это, вероятно, производило неизгладимое впечатление на девушек, но устойчивости автомобиля на дороге способствовало мало. В современном автомобилестроении используется обратный принцип: на шасси махнули рукой, а все скручивающие и сгибающие нагрузки переложили на стальной штампованный кузов, который вместе с крышей формирует своего рода большой кессон, конструктивно напоминающий систему крыльев биплана. Имея такой запас жесткости, инженер уже может позволить себе тщательно продуманную, сделанную по науке подвеску, обеспечивающую мягкую езду и безопасность.

Как мы упоминали выше, прочность и жесткость конструкции в кручении пропорционально зависят от квадрата площади ее сечения. Если речь идет о таких больших объектах, как крылья самолетов, корпуса судов или кузовы автомобилей, все прекрасно, но когда дело доходит до валов двигателей и других устройств, диаметр, а следовательно и площадь сечения, как правило, ограниченны. Для пущей прочности эти детали обычно сплошные и сделаны из стали, поэтому двигатели и машинное оборудование весят довольно много. Но даже массивность не всегда гарантирует прочность. Любой опытный инженер подтвердит, что требования к прочности и жесткости на кручение в конструкции могут стать настоящим проклятием — они увеличивают вес и расходы, оборачиваются для конструктора невероятной головной болью, тревогами и хлопотами.

Природа, напротив, несильно тревожится о потраченных усилиях и времени, а о деньгах вообще не имеет никакого понятия. Однако природа прекрасно разбирается в том, что называется метаболическими затратами, то есть в стоимости конструкции в категориях еды и энергии, и весьма внимательна к весу. Поэтому неудивительно, что кручения она избегает как огня. Она всегда умудряется увильнуть от обязанности обеспечить своим чадам прочность и жесткость в кручении. Животные вполне могут обойтись без этих характеристик, пока речь не заходит о «неестественных» нагрузках. Никто не любит вывихи, но в повседневной жизни наши ноги крайне редко подвергаются скручивающим нагрузкам. Другое дело, если мы нацепим на ноги длинные рычаги под названием «лыжи» и поедем кататься с горы, не умея этого делать. В таком случае получить серьезные скручивающие нагрузки проще простого. Поскольку это является самой распространенной причиной переломов ног в горнолыжном спорте, современные крепления при возникновении скручивающих нагрузок отстегиваются автоматически.

Довольно неустойчивы к скручиванию не только ноги, но и почти все кости. Если у вас вдруг возникнет необходимость умертвить курицу (или любую другую птицу), самый легкий способ — свернуть ей шею. Это известно практически всем. Мало кто знает, насколько слабы позвонки в скручивании, но в этом каждый, к отвращению своему, сможет убедиться, если ему доведется-таки казнить курицу. Тем не менее откручивание голов, как и катание на горных лыжах, — явление искусственное и неестественное, выходящее за  пределы логики природного порядка вещей. В отличие от инженеров природа не проявляет интереса к вращательному движению и пока, как и африканцы, так и не удосужилась изобрести колесо.

Глава 13

Разнообразные способы разрушиться в сжатии,

или Сэндвичи, черепа и доктор Эйлер

Из-за слабости нашей природы мы не можем всегда стоять прямо.

Коллекта [99] на четвертое воскресенье после Богоявления

Как подсказывает нам здравый смысл, разрушение конструкций под действием сжимающих нагрузок ощутимо отличается от разрушения в натяжении. Когда твердое тело подвергается растяжению, атомы и молекулы отдаляются друг от друга. При этом межатомные связи, которые удерживают материал в его единстве, растягиваются. Но безопасное растяжение имеет свои пределы. При деформации растяжения более 20% атомные связи ослабевают и разрываются. И хотя нюансы процесса разрушения в растяжении довольно запутанны, справедливо сказать, что если значительное число атомных связей растянуть сверх предельных значений, то материал разрушится. Это же утверждение в целом правдиво и для разрушения в сдвиге. В то же время разрыва атомных связей, непосредственно и прямо вызванного состоянием сжатия, строго говоря, не бывает. Когда тело подвергается сжатию, атомы и молекулы сближаются, и в нормальных условиях их способность отталкиваться друг от друга практически не имеет пределов. Лишь под действием гигантской гравитации, которая существует только в звездах, известных под астрономическим классом карликов, силы отталкивания атомов перестают действовать, и последствия этого поистине кошмарны [100].

Тем не менее множество земных конструкций весьма регулярно ломаются от того, что обычно называется сжатием. На самом деле во время такого разрушения материал конструкции находит способ избежать слишком сильного сжимающего напряжения — проще говоря, «сбегает» из-под него в боковом направлении, где путь свободен. С энергетической точки зрения конструкция стремится избавиться от избыточной энергии деформации и делает это при помощи любого доступного в этом момент механизма превращения энергии. Поэтому конструкции в сжатии представляют собой весьма вертлявые сущности, и наука о разрушении в сжатии так или иначе сводится к изучению способов, при помощи которых конструкция «выскальзывает из-под прессинга». Существует несколько способов сделать это, и, вполне естественно, метод, который выбирает конструкция, зависит от ее формы, пропорций и материала.

Выше мы довольно подробно говорили о конструкциях из кирпича и камня. Несмотря на тот факт, что здания — это по сути своей всегда конструкции в сжатии (ведь каменная или кирпичная кладка всегда должна находиться в состоянии сжатия), собственно, от сжатия они не разрушаются никогда. Разрушиться они могут лишь от растяжения. В такой ситуации стены имеют нехорошую привычку обзаводиться шарнирными узлами и вследствие этого опрокидываться. Арки, хотя и являются более устойчивыми и ответственными сооружениями, чем стены, также могут нет-нет да и обзавестись четырьмя шарнирными точками, дать выход всей своей потенциальной энергии и рухнуть, превратившись в груду обломков. Однако, как мы вычислили в главе 9, значения сжимающих напряжений в каменной кладке в большинстве случаев очень незначительны, гораздо ниже, чем номинальный предел прочности материала.

Также мы упоминали, что почти все хрупкие тела испещрены разного рода царапинами, трещинами и другими дефектами. Даже если объект совсем новый и сделан только что, он довольно быстро обзаводится такими повреждениями в силу неизбежных причин. Естественно, что все эти дефекты направлены по-разному и обязательно найдутся такие, которые лежат в диагональной плоскости к действующему сжимающему напряжению, то есть параллельно напряжению сдвига (рис. 1).

Эти трещины, как и трещины в растяжении, также имеют «критическую длину по Гриффитсу». Иными словами, трещина определенной длины будет расти при определенном значении напряжения сдвига. Когда такое случается с хрупким материалом, например с бетоном, сдвиговые трещины стремительно увеличиваются в размерах. Когда в коротком стержне или другом работающем на сжатие элементе образуется сдвиговая трещина, верхняя и нижняя части стержня проскальзывают относительно друг друга, и стержень не может больше нести сжимающую нагрузку. Такое разрушение, как правило, приводит к высвобождению большого объема энергии, поэтому такие хрупкие вещества, как стекло, бетон или камень, при ударе молотком разлетаются на большое количество осколков, что может быть опасно. Иногда «энергетической валюты», высвобождаемой при разрушении, бывает достаточно, чтобы «оплатить» измельчение материала в порошок, что происходит, например, когда мы разбиваем кусковой сахар при помощи молотка или скалки.

Разрушение пластичного металла (если уж на то пошло, то и масла и пластилина) происходит по тем же самым причинам. Благодаря механизму дислокации металл под действием сдвигающего напряжения соскальзывает опять же под углом приблизительно 45 градусов к направлению сжимающей нагрузки и короткий стержень пластичного металла принимает бочкообразную форму (рис. 2). Из-за высокой работы разрушения пластичных металлов они не разлетаются на осколки, и непосредственные последствия разрушения в сжатии не столь драматичны и опасны. Именно способностью пластичных металлов «выпячиваться и расплющиваться» в сжатии мы пользуемся, когда лупим молотком по металлической заклепке.

Такие материалы, как дерево, или искусственные волокнистые композиционные материалы вроде стекловолокна или углеродного волокна разрушаются в сжатии по-другому. В этих материалах армирующие волокна в сжатии сгибаются все вместе одинаковым образом, образуя складку, которая проходит через материал диагонально либо под углом 90 градусов к направлению нагрузки, а в некоторых случаях и под различными промежуточными углами (рис. 3). Увы, часто такие складки в волокнистых материалах образуются уже при незначительных нагрузках, что следует иметь в виду при работе с ними.

Приблизительные значения этих характеристик для наиболее распространенных материалов приведены в таблице 5. Значения прочности на сжатие получены на образцах с соотношением толщины к длине 1 : 3 или 1 : 4. Значения для более тонких или толстых образцов будут другими.

Один из очевидных выводов, который мы можем сделать из таблицы 5: если необходимо спроектировать балку, которая будет находиться и в сжатии, и в растяжении, нужно быть начеку. В чугунных балках викторианского времени сторону растяжения балки делали намного толще, чем сторону сжатия — чугун гораздо прочнее в сжатии, чем в растяжении (рис. 4). Напротив, в деревянных лонжеронах крыльев, например планеров, толще верхняя часть, поскольку дерево в сжатии гораздо слабее, чем в растяжении (рис. 5).

В реальной жизни различия между балкой и колонной довольно размыты. Длинная колонна, например кость ноги животного, всегда в той или иной степени подвергается сгибу, поэтому материал на вогнутой стороне подвергается большему напряжению сжатия, чем где бы то ни было. С другой стороны, в балке или ферме, особенно современной и сложной, сжатую полку можно рассматривать как стержень. Так или иначе, назовем ли мы конструкцию балкой или колонной, если материал непрочен при сжатии, то разрушение начнется тогда, когда напряжение сжатия в самом слабом месте достигнет опасного уровня. Прекрасным примером колонн, которые подвергаются изгибу, служат деревья и мачты старинных парусных кораблей. Стволы деревьев должны выдерживать непосредственное сжимающее напряжение, вызванное ветками, листьями, шишками и всем остальным, но на практике куда более значительными оказываются напряжения изгиба, вызванные ветром. Те же мачты, хоть и относятся формально к стержням, подвергающимся только продольному сжатию, из-за воздействия такелажа испытывают еще и значительные изгибающие нагрузки, особенно в случае, если часть оснастки выходит из строя.

Мачты таких больших судов, как «Виктори», составляли из множества фрагментов, скрепленных металлическими обручами — бугелями, однако для кораблей более скромных размеров рангоутные мастера предпочитали использовать цельные стволы сосен и елей. Они не только яростно отметали нововведения в виде составных или пустотелых мачт «эффективного» трубчатого сечения, но и старались убирать со стволов как можно меньше верхних слоев древесины (кроме коры, конечно). Иными словами, они стремились по мере сил сохранить дерево в его естественном состоянии.

Многие годы профессиональные инженеры, искушенные в теории изгиба балки, нейтральных осях и моментах инерции сечений, отмахивались от такого подхода как от  бабкиных сказок. Первое, что современный инженер сделает с деревом, — распилит его на части, а потом заново что-нибудь из них склеит, желательно с пустотелым сечением. Лишь недавно мы начали понимать, что дерево тоже не лыком шито. Помимо всего прочего, дерево растет сразу в предварительно напряженном состоянии.

Сегодня в таких балках, как лонжероны планеров, где доминирует сгибающая нагрузка только в одном направлении, возможно (хоть и не всегда целесообразно) сделать верхнюю, работающую на сжатие толще, чем нижнюю, работающую на растяжение, с учетом того что дерево менее прочно в сжатии, чем в растяжении. Однако деревья и мачты испытывают сгибающие нагрузки во всех направлениях — в зависимости от капризов ветра, — и такое решение для них неприемлемо. В любом случае деревья должны иметь симметричное сечение — как правило, круглое. Для сечения дерева, которое не находится в преднапряженном состоянии, распределение напряжения будет выглядеть как на рис. 6а. В этом случае, когда напряжение сжатия достигнет 27 МН/м2, балка, то есть дерево, начнет разрушаться.

Тут-то нам и пригодится предварительное напряжение. Каким-то образом деревья умудряются расти так, что внешние слои древесины ствола всегда находятся в состоянии постоянного растяжения (порядка 14 МН/м2), а его сердцевина — в состоянии сжатия. Распределение напряжения поперек сечения ствола в его нормальном положении выглядит примерно как на рис. 6б. Как мы помним, одно из следствий закона Гука состоит в том, что мы можем спокойно и смело складывать одно распределение с другим. Сложив графики 6а и 6б, мы получим график 6в.

При помощи этого механизма дерево примерно наполовину сокращает напряжение сжатия (27 МН/м2 – 14 МН/м2 = 13 МН/м2) во внешней оболочке ствола и вдвое увеличивает свою действительную прочность на изгиб. Справедливо заметить, что увеличилось и растягивающее напряжение, но древесина прекрасно умеет с ним справляться. Защита дерева преднапряжением действует примерно так же, как и преднапряжение в армированном бетоне, только в обратном направлении. Бетон непрочен в растяжении и относительно прочен в сжатии, поэтому под действием изгибающей нагрузки на бетонную балку с растянутой стороны есть опасность разрушения. Чтобы избежать этого, в бетон вставляют арматуру, которая находится в состоянии растяжения, следовательно, бетон находится в состоянии сжатия. Чтобы на растянутой стороне бетонной балки сжатие сменилось растяжением, потребуется довольно значительное сгибающее усилие — таким образом момент достижения критической деформации растяжения бетона как бы «откладывается» [102].

Как мы уже обсуждали, дерево и волокнистые композиционные материалы обычно разрушаются в сжатии, образуя складки изогнутых волокон. Мой коллега Ричард Чаплин отмечает, что такие складки имеют много общего с трещинами, образующимися при растяжении. В частности, они также начинаются с концентраций напряжения, вызванных дырками и другими дефектами материала. Гвозди и шурупы обычно не влияют на прочность древесины, особенно если они сидят плотно. Однако если гвоздь или шуруп вытащить, эффект будет весьма неблагоприятным (то же самое относится и к сучкам в древесине). Из деревянной конструкции, которая подвергается сильному напряжению, например мачты или лонжерона крыла, лучше вообще не вытаскивать ненужные гвозди, а оставить их на месте и срезать до уровня дерева.

Более того, по словам Чаплина, формирование складок в волокнистом материале требует энергии. На самом деле энергии нужно даже больше, чем для образования трещин в том же материале при растяжении. Из этого следует, что распространение складок требует поступления упругой энергии, и их поведение чем-то напоминает поведение трещины по Гриффитсу. Однако есть несколько важных отличий.

Мы обсуждали, что в материалах этого типа складки могут образовываться под углами 45 и 90 градусов к направлению приложения нагрузки (промежуточные углы также возможны). Складка под углом 45 градусов весьма напоминает трещину сдвига и при благоприятных условиях будет распространяться так же, как и трещина по Гриффитсу в сдвиге. Однако складка под углом 90 градусов короче, чем диагональная, и при равной глубине потребует меньше энергии. По этой причине появления складок под углом 90 градусов более вероятно. Тем не менее несмотря на то, что такие трещины легко образуются, они быстро прекращают рост, пройдя сравнительно небольшое расстояние. Происходит это потому, что две стороны складки прижимаются друг к другу и высвобождение энергии упругой деформации прекращается. Таким образом, полного разрушения материала не происходит, во всяком случае сразу.

Что может случиться в таких обстоятельствах, так это образование множества коротких складок одна за другой по всей сжатой стороне балки. Наблюдать это явление можно на луках и иногда на лодочных веслах (рис. 7). Несмотря на то что инженеры часто благоволят «эффективным» балкам двутаврового и коробчатого сечения, такая симпатия не всегда уместна. По ряду причин, которые легко продемонстрировать экспериментально [103], в круглом сечении балки, например в стволе дерева, условия для высвобождения энергии деформации гораздо менее привлекательны для распространения как трещин, так и складок сжатия. Этим объясняется целесообразность округлого сечения в большинстве деревянных луков. Несомненно, эти же соображения относятся и к сечению костей животных.

Если материал подвергается только напряжению сжатия, распространению складок мешает множество различных препятствий. Отчасти поэтому дерево считается таким надежным материалом. Однако, если нагрузка меняет свое направление на противоположное, ситуация может стать довольно опасной. Согнутые волокна, которые формируют складку, уже не обладают прочностью на растяжение, поэтому при возникновении растягивающей нагрузки складка ведет себя как обыкновенная трещина. Это особенно опасно, поскольку в состоянии растяжения высвобождению энергии деформации ничто не будет препятствовать, ведь края трещины свободнорасходятся.

Лучший способ оторвать в полете крыло планеру с деревянными крыльями — предварительно жестко приземлиться. Если совершить посадку с ударом о землю, крылья прогнутся по направлению вниз. Это приведет к появлению складок сжатия на той стороне лонжерона, которая в нормальной ситуации пребывает в состоянии растяжения. Такой дефект, как правило, сложно обнаружить при плановом осмотре. Во время следующего полета лонжерон вполне может сломаться, что приведет к отрыву крыла.

Леонард Эйлер и выгибание тонких стержней и пластин

Сказанное выше относится к довольно коротким и толстым стержням (и другим работающим на сжатие элементам). Как мы видели, эти объекты обычно разрушаются и теряют несущую способность вследствие диагонального сдвига или образования складок. В то же время огромное количество конструкций, работающих на сжатие, включают длинные и тонкие элементы, которые ведут себя совершенно иначе. Длинный стержень или мембрана, например тонкий лист металла или страница этой книги, повреждаются в сжатии выгибанием, что подтверждается посредством элементарного эксперимента: возьмите лист бумаги и попробуйте сжать его по длине или ширине. Такая разновидность потери несущей способности (имеющая важное техническое и экономическое значение) называется потерей устойчивости по Эйлеру в честь ее первооткрывателя Леонарда Эйлера (1707–1783).

Эйлер происходил из немецко-швейцарской семьи, члены которой славились своими математическими способностями. Вскоре репутацию знатока математики снискал и он сам, да причем такую, что в совсем юном возрасте был приглашен в Санкт-Петербургскую академию наук. Большую часть жизни он провел при дворе в Санкт-Петербурге, если не считать длительной отлучки в Потсдам в гости к королю Фридриху II, предпринятую, когда политический климат в России стал слишком нервным. Жизнь при дворах просвещенных деспотов в Европе середины XVIII века наверняка была весьма интересной и насыщенной, однако это почти никак не отразилось в многотомных сочинениях Эйлера. Насколько я могу судить, ни в одной из его биографий нет упоминаний об интересных житейских историях, связанных с ним [104]. Человек просто всю свою жизнь упорно занимался одной лишь математикой, писал и издавал неимоверное количество работ, последние из которых вышли спустя 40 лет после его смерти.

На самом деле Эйлер и не предполагал заниматься никакими колоннами или стержнями. Случилось так, что в числе множества прочих открытий Эйлер изобрел то, что теперь называется вариационным исчислением, и подыскивал задачу, на которой метод можно было бы испытать. Один из друзей предложил применить его для определения высоты вертикального стержня, который согнется под тяжестью собственного веса. В то время для решения этой довольно гипотетической и отвлеченной задачи необходимо было применять вариационное исчисление, поскольку, как мы упоминали в главе 3, понятия напряжения и деформации тогда еще не придумали.

Будучи записана современным математическим языком, формула для расчета эйлеровой критической силы, которая приведет к продольному изгибу (или «выпучиванию») стержня, выглядит так (рис. 9):

где

P — нагрузка, которая приведет к продольному изгибу колонны, стержня или пластины;

E — модуль Юнга материала;

I — момент инерции (см. гл. 11) сечения стержня или пластины;

L — длина стержня.

Естественно, все величины должны быть взяты во взаимно согласующихся единицах измерения.

(Удивительно, хотя и очень удобно, что множество важных инженерных формул алгебраически так просты [105].)

Формула Эйлера применима ко всем типам длинных тонких колонн и стержней (сплошных или полых), а также, что более важно, к тонким пластинам, которые используются для строительства самолетов, судов и автомобилей.

Если построить зависимость критической нагрузки на стержень или панель от ее длины, получится кривая, похожая на рис. 8. Мы видим два возможных механизма потери несущей способности. Короткий стержень разрушится раздавливанием. Когда же соотношение длины стержня к его толщине увеличивается примерно до 5–10, линию предела прочности при сжатии на графике пересекает кривая, которая представляет собой потерю устойчивости по Эйлеру. Менее энергозатратным механизмом повреждения становится продольный изгиб (выпучивание), именно это происходит с длинными стержнями. На практике переход от раздавливания к продольному изгибу происходит нерезко, между ними существует переходное состояние, показанное на графике пунктирной линией.

Приведенная формула описывает случай шарнирно опертого стержня, оба конца которого могут свободно проворачиваться (рис. 9). Все то, что мешает движению стержня в креплении, будет увеличивать критическую нагрузку, вызывающую продольный изгиб. В крайнем случае, когда оба конца стержня жестко закреплены, критическая нагрузка P увеличится вчетверо. Однако часто более или менее жесткое закрепление влечет за собой увеличение веса, усложнение конструкции, рост стоимости либо неприемлемо по каким-то иным причинам. Более того, жестко закрепленные, но недостаточно точно выровненные концы могут послужить причиной того, что стержень будет стоять не строго вертикально и под действием нагрузки изогнется преждевременно, а значит, не справится со своей функцией. Именно по этой причине больше не применяется жесткая схема заделки корабельных мачт (одновременно в палубу и киль, рис. 10).

Легко заметить, что в приведенной формуле Эйлера никак не фигурирует предел прочности. Нагрузка, вызывающая потери устойчивости стержня или пластины, зависит исключительно от I (момента инерции) сечения и от модуля Юнга или жесткости материала. Длинный стержень при продольном изгибе не ломается, а просто упруго изгибается таким образом, чтобы избежать действия нагрузки. Если при изгибании не превышен предел упругости этого материала, то, когда нагрузка перестает действовать, он просто выпрямляется и принимает первоначальную форму без каких-либо повреждений. Это свойство может быть весьма полезным, так как позволяет делать «неломающиеся» конструкции. Примерно так работает ворс ковра. Природа тоже часто использует этот механизм, например в конструкции небольших растений, по которым постоянно кто-то топчется. Именно поэтому мы ходим по газону, не причиняя ему особого вреда. А весьма остроумное сочетание колючих шипов и принципа, открытого Эйлером, делает живую изгородь практически несокрушимой и непроходимой и для человека, и для скота. С другой стороны, комарам и другим насекомым, использующим тонкое и длинное колющее оружие, приходится прибегать к различным инженерным хитростям, чтобы их тонкие «клинки» не согнулись при попытке ужалить жертву.

При жизни Эйлера его формула почти не применялась в инженерном деле. Единственной областью, где она могла бы пригодиться, было изготовление мачт и рангоута для парусных судов. Однако корабельные мастера того времени уже научились управляться с проблемой в сугубо практическом ключе. Великолепные книги по судостроению XVIII века, например «Основы изготовления мачт, парусов и оснастки» Д. Стила, содержат исчерпывающие таблицы с размерами каждой детали, выведенные эмпирическим путем; я сомневаюсь, что пересчет с помощью формул хоть сколько-нибудь улучшил бы или дополнил эти издания.

Серьезный интерес к феномену потери устойчивости по Эйлеру возник только столетие спустя и был вызван широким применением листовой стали. Листы металла, естественно, были тоньше каменной кладки и дерева, с которыми инженеры привыкли работать. За проблему как следует взялись при строительстве моста через пролив Менай (1848). Проект курировали три великих инженерных светила того времени: Роберт Стефенсон (1803–1859), Итон Ходжскинсон (1789–1861), математик и один из первых профессоров в инженерной области, и Уильям Фейрберн (1789–1874), первопроходец в применении листовой стали в инженерном деле.

Висячие мосты Стефенсона оказались провальным начинанием — их конструкция была слишком подвижной. Кроме того, Адмиралтейство настаивало (и небезосновательно) на том, чтобы запас высоты от поверхности воды до пролета составлял 30 метров — для беспрепятственного прохода судов. Единственным решением, которое сочетало необходимую жесткость и требуемую высоту, стал балочный мост, превосходящий по длине все построенные ранее аналоги. В силу разных причин балки длиной 140 метров решено было сделать в форме коробов, собранных из стальных листов, проложив внутри железнодорожные пути.

Вскоре проявилась одна из самых серьезных проблем конструкции — выпучивание листов металла, формировавших верхнюю, то есть сжатую полку балки. Формула Эйлера довольно точно описывает поведение простых стержней и пластин, но математических моделей для поведения такого рода сложных конструкций в тот период не существовало. Другого выхода, кроме как проводить эксперименты с моделями, у трех инженеров-первопроходцев не оставалось. Как и следовало ожидать, надежных и внятных результатов эти эксперименты не принесли. Дошло до того, что троица чуть не переругалась, и проект грозил обернуться неудачей. Тем не менее в конце концов все сошлись на ячеечных коробчатых балках (рис. 11). Ко всеобщему великому облегчению, конструкция показала себя надежной и служит по сей день [106].

Несмотря на множество математических изысканий, проведенных с той поры в области выпучивания в тонких металлических оболочках, проектирование таких конструкций связано с еще большей неопределенностью. Разработка и изготовление критически важных сооружений такого рода часто выливаются в большие расходы, так как в процессе работы требуются полномасштабные испытания.

Трубы пользуются большой популярностью как у инженеров, так и у природы — полые стержни используются повсеместно. У трубы под действием сжимающего напряжения есть два варианта действий: она может изогнуться по Эйлеру, как мы только что рассмотрели, — то есть в «длинноволновом» режиме, по всей своей длине, или в «коротковолновом» — локально, с образованием складок или морщин на стенке трубы. При большом радиусе и тонких стенках потеря устойчивости по Эйлеру трубе не грозит, зато грозит локальная потеря устойчивости (рис. 12). Как именно трубка согнется, легко увидеть, если продольно сжимать тонкостенную бумажную трубку. Такой эффект локального «сплющивания» трубки называют эффектом Бразье. Именно этот эффект ограничивает применение простых труб и цилиндров с тонкими стенками в условиях сжатия [107].

Наиболее распространенное оружие в борьбе с эффектом Бразье — усиление жесткости корпуса тонкостенной конструкции с помощью дополнительных деталей или ребер жесткости. Периферические ребра жесткости обычно называются шпангоутами, а продольные — стрингерами. Обшивку корабельных корпусов обычно усиливают шпангоутами и сплошными переборками, однако в последнее время большие танкеры строят по системе Ишервуда, в которой важную роль играют и продольные стрингеры. Сложная полая конструкция, какой является, например, фюзеляж самолета, также обычно укрепляется и шпангоутами, и стрингерами. Пустотелые стебли бамбука или травы, которые обычно норовят сплющиться при сгибании, очень изящно укреплены «узлами» или переборками, равномерно расставленными по всей длине (рис. 13 и 14).

Дерево — ячеистый материал, как и большинство тканей растений, особенно это относится к стенкам стеблей трав и бамбука. Более того, в борьбе за выживание эффективность конструкции листьев являлась критическим конкурентным фактором, поскольку именно они обеспечивают процесс фотосинтеза и должны подставить солнцу максимальную площадь ценой минимальных метаболических расходов. Листья, как крайне важные панельные сооружения, используют для усиления жесткости в сгибании практически весь инженерный арсенал. Практически все листья снабжены сложной системой ребер жесткости [108]; перепонки между ребрами жесткости имеют ячеистую структуру, а в некоторых случаях еще и усилены гофрированием. Помимо всего этого, листья усилены гидростатически за счет осмотического давления сока.

В технологических конструкциях панели или оболочки часто укрепляют при помощи ребер жесткости, приклеенных, приваренных или приклепанных к поверхности, хотя это и не самый дешевый и экономичный с точки зрения веса путь. Есть и другой способ — обшивка, состоящая из двух слоев, между которыми проложена основа из другого материала, по возможности максимально легкого. Такого рода конструкции называются «сэндвичи».

В нашу эпоху сэндвич-панели в технологических целях впервые использовал в 1930 году Эдвард Бишоп — знаменитый главный конструктор компании «Де Хэвилланд», в конструкции фюзеляжа забытого ныне самолета «Комета» [109]. Более известным прецедентом стало использование такой слоистой обшивки в преемнике «Кометы» — модели военного времени под названием «Москито». В обоих самолетах в качестве «начинки» сэндвича использовалась легкая древесина бальсы, а поверхности изготавливались из более прочной березовой фанеры.

«Москито» стал крайне успешной моделью, хотя бальса сильно впитывает воду и быстро начинает гнить, более того, запасы этого мягкого и хрупкого тропического дерева ограниченны с точки зрения количества и непостоянны с точки зрения качества. Вышло так, однако, что поиск оптимальных материалов для оболочек и наполнителей сэндвич-панелей стимулировал совсем другой, внешний фактор — появление бортовых радиолокационных станций. Отражатель сигналов радара устанавливали в специальном куполе-обтекателе. Естественно, такие обтекатели должны были обладать свойством «прозрачности» для высокочастотных радиоволн. На практике это означало, что единственным подходящим материалом оказались пластмассы — как правило, стеклопластик или оргстекло. Радиопрозрачность обтекателей можно было улучшить, во всяком случае теоретически, использовав слоистую конструкцию, обладающую толщиной, точно выверенной исходя из длины волны испускаемого радаром излучения (точно так же, как толщина просветляющей пленки на линзах современных фотоаппаратов связана с длиной волны видимого света).

Сырая древесина бальсы, как и любая другая сырая древесина, практически непроницаема для сигналов радара. А поскольку в условиях военного времени воздействие влаги на корпус самолета было явлением частым, бальсу пришлось исключить и заняться поисками других легких и водонепроницаемых материалов. Ими стали различного рода вспененные смолы, по структуре напоминающие пористый шоколад (рис. 15). Подобных материалов было разработано множество, и их преимущества оказались востребованы при производстве не только обтекателей радаров, но и всех видов слоистых технологических конструкций. Благодаря практически абсолютной водонепроницаемости ячеек пены таких смол они используются, к примеру, в строительстве яхт и лодок. Тем не менее для тех случаев, когда требуется наивысшая конструкционная эффективность сэндвич-панелей, вспененные смолы довольно тяжелы и не обладают достаточной жесткостью. Таким образом, потребность в легких наполнителях оставалась весьма актуальной.

Однажды в конце 1943 года ко мне пришел необычный посетитель, владелец передвижного цирка по имени Джордж Мэй. Рассказав несколько баек а-ля Джеральд Даррелл о тяготах содержания обезьян в странствующей труппе, он достал предмет, напоминавший одновременно книгу и гармошку. Он потянул за приделанные к штуковине веревочки, и она растянулась, подобно разноцветной новогодней гирлянде из бумаги. Конструкция напоминала бумажные соты и отличалась удивительной прочностью и жесткостью. «Пригодится ли такая вещь в конструировании самолетов?» — поинтересовался посетитель, правда, честно признав, что она сделана из оберточной бумаги на клею и при намокании разваливается.

Это был, наверное, первый и единственный случай в истории, когда группе авиаконструкторов хотелось обнять и расцеловать владельца передвижного цирка. Мы тем не менее сдержались и заверили его, что соты не составит труда сделать влагостойкими при помощи синтетической смолы.

Именно так мы и поступили (рис. 16). Бумагу для конструкции предварительно пропитали раствором немодифицированной фенольной смолы. После того как соты были изготовлены и растянуты, мы подвергли их химической обработке и отверждению в печи. В результате бумага стала водостойкой, жесткой и прочной. Материал имел большой успех и использовался в качестве наполнителя слоистых конструкций, предназначенных для самых разных военных задач. Пусть сегодня в авиастроении он применяется не так часто, зато примерно половина дверей всех жилых домов в мире сделаны из листов фанеры или пластика с бумажным сотовым заполнением. Еще больше, чем у нас в Англии, эта технология популярна за рубежом, особенно в Америке, да и объем общемирового производства таких сот достигает внушительных масштабов.

В инженерном деле слоистые конструкции, вспененные смолы и сотовое заполнение относятся к разряду новинок, но живая природа использует эти изобретения уже давно. Именно по этому принципу устроены так называемые губчатые кости (рис. 17). Каждый из нас носит изрядный набор таких костей в черепе, который частенько подвергается изгибающим и выпучивающим нагрузкам.

Глава 14

Философия проектирования,

или Форма, вес и стоимость

Философия — не что иное, как осмотрительность.

Джон Селден (1584–1654)

Как мы убедились, значительная часть повседневной деятельности в области строительной механики приходится на анализ поведения какой-либо конкретной конструкции — либо той, возведение которой только планируется, либо той, что уже построена, но надежность которой под вопросом, либо той, что, ко всеобщему прискорбию, развалилась. Зная размеры той или иной конструкции и материал, из которого она изготовлена, мы можем по крайней мере попытаться предсказать, насколько прочной она будет и как она будет деформироваться под действием нагрузок. И все же несмотря на то, что вычисления такого рода необходимы в практических случаях, от них мало толку, если мы хотим понять, почему тот или иной объект имеет ту или иную форму либо какой из нескольких типов конструкции лучше всего подойдет для решения той или иной задачи. К примеру, как лучше спроектировать мост или самолет? Использовать бескаркасную оболочечную конструкцию, обшитую пластинами или листами, или же ферму из стержней или труб, стянутую тросами? Почему в нашем теле так много мышц и сухожилий, а костей — сравнительно мало? Как инженеру выбрать нужный материал из всего их многообразия? Из чего лучше строить — из металла, пластика или дерева?

Удачные «проекты» животных, растений и древних изделий человека взялись не с потолка. Как правило, и форма, и материал, которые претерпели длительную эволюцию в конкурентной среде, представляют собой результат оптимизации с точки зрения нагрузок на конструкцию и ее финансовой или метаболической целесообразности. Мы стремимся добиться такой оптимизации сегодня, но у нас получается далеко не всегда.

Не для всех очевидно, что этот предмет, который еще иногда зовется философией проектирования, вполне возможно изучать как научную дисциплину. Это очень прискорбно, так как результаты таких исследований крайне важны и интересны как для технологических областей, так и для биологии. Тем не менее, хоть и не очень заметные широкой публике, исследования по философии проектирования ведутся достаточно давно. Первую серьезную попытку предпринял в начале XX века Энтони Митчелл [110]. Биологи периодически упоминали закон квадрата — куба (гл. 9) практически с момента его открытия Галилеем, однако в обобщенном виде влияние конструктивных механизмов на облик растений и животных было проанализировано лишь в 1917 году — в великолепной книге д’Арси Томпсона «О росте и форме». У этой книги множество достоинств, но технические соображения, изложенные в ней, не всегда справедливы и подкреплены математически. Несмотря на широкое (и справедливое) признание, эта работа не оказала хоть сколько-нибудь существенное влияние на развитие биологической науки как в свое, так и в более позднее время. На развитие инженерной мысли она также не повлияла, скорее всего потому, что в ту эпоху взаимодействие между двумя этими областями еще не сложилось.

В последние годы главным выразителем математического подхода в философии проектирования является Гарольд Кокс. (Будучи выдающимся специалистом по упругости, он еще и знаток творчества Беатрис Поттер [111].) Надеюсь, он простит меня за сравнение, но кое в чем Кокс напоминает великого Томаса Юнга — помимо божьей искры их роднит еще и туманность формулировок. Боюсь, что для большинства простых смертных изложение Кокса окажется не по плечу без помощи переводчика на человеческий. Именно этим можно объяснить тот факт, что его труды привлекли гораздо меньше внимания, чем заслуживают. Большая часть изложенного ниже прямо или косвенно базируется на исследованиях Кокса. Начнем с его анализа конструкций в натяжении.

Какой простой была бы жизнь, если бы нам не приходилось учитывать эффект концевых креплений конструкций в натяжении!.. Во-первых, вес такой конструкции был бы строго пропорционален ее длине. То есть канат или трос длиной в 100 метров, который удерживает груз весом в 1 тонну, весил бы ровно в 100 раз больше, чем веревка длиной в 1 метр с таким же грузом. Более того, при условии равномерного распределения нагрузки не было бы никакой разницы, удерживается ли она одним канатом (или соединительной тягой) или двумя канатами (тягами) с одинаковым сечением.

Эта идиллическая картина нарушается необходимостью креплений — то есть нужно придумать, как растянутый элемент примет и как передаст нагрузку. Даже для обыкновенной веревки потребуются как минимум узлы или скрутка на обоих концах, которые будут иметь дополнительный вес, а их изготовление — определенную стоимость. Если производить расчеты добросовестно, этот вес и стоимость нужно прибавить к весу и стоимости самой веревки. Учитывая, что эти параметры будут идентичны что для длинной веревки, что для короткой, при прочих равных условиях вес и стоимость на единицу длины для длинного элемента, работающего на растяжение, будут меньше, чем для короткого. Иными словами, вес не прямо пропорционально зависит от длины.

Кроме того, как показывают расчеты, в такой системе общий вес концевых креплений двух тросов или стержней будет меньше, чем вес креплений одного троса или стержня суммарно эквивалентного сечения [112]. Из этого следует, что разделение нагрузки на несколько элементов позволяет сэкономить общий вес конструкции.

Как отмечает Кокс, распределение напряжений в креплениях всегда довольно сложно и подразумевает довольно сильные концентрации напряжений, которые при любой удобной возможности приведут к образованию трещин. Таким образом, вес и стоимость сооружения зависят как от навыка проектировщика, так и от вязкости и трещиностойкости (то есть работы разрушения) материала. Чем выше работа разрушения, тем ниже вес и стоимость. Однако, как мы убедились в главе 5, с увеличением прочности на растяжение пластичность, как правило, уменьшается. В случае с технологическими материалами, например сталью, это уменьшение весьма значительно.

Получается, что при выборе материала для элемента в растяжении мы сталкиваемся с взаимоисключающими требованиями. С одной стороны, чтобы уменьшить вес средней части, нам нужен материал, обладающий высокой прочностью в растяжении. С другой стороны, для законцовок предпочтительнее материал, обладающий высокой пластичностью, что почти неизбежно обернется потерей прочности. Как и многие другие трудности, эта разрешается при помощи компромисса, и решение в первую очередь зависит от длины растягиваемого элемента. Если элемент длинный, например трос современного висячего моста, в большинстве случаев лучше использовать высокопрочную сталь и смириться с лишним весом креплений. В конце концов, их всего два, по одному на каждом конце, а между ними — целый километр троса. Таким образом, экономия веса в средней части элемента с лихвой компенсирует небольшое увеличение веса креплений.

В случае же с такими элементами, как цепи с короткими звеньями, ситуация совершенно иная. Вес концевых элементов каждого звена может быть куда больше, чем вес его средней части, и должен быть тщательно рассчитан. Именно так обстояли дела в цепях старых висячих мостов. Эти детали изготавливали из вязкого и пластичного кованого железа, обладающего довольно низкой прочностью на растяжение. Как упоминалось в главе 10, предел прочности у звеньев в цепях моста Телфорда через пролив Менай в десять раз ниже, чем у тросов современных висячих мостов. То же самое справедливо и для оболочечных конструкций, таких как корпуса кораблей, баки или котлы, сделанные из сравнительно небольших листов железа или стали. Также это относится и к клепаным алюминиевым конструкциям, например обшивкам самолетов. Все эти сооружения с некоторой долей приближения можно назвать «цепями» с довольно небольшими звеньями. В этих случаях выгоднее использовать менее прочный, но более пластичный материал, а иначе вес соединений окажется неприемлемым (см. гл. 5, рис. 13).

Большое количество веревок и тросов на кораблях и бипланах в конечном счете приводит не к увеличению веса, а к его экономии [113]. Естественно, за все эти «колыбели для кошек» приходится платить повышенным сопротивлением воздуха, большими расходами на обслуживание и усложнением конструкции в целом, но такова уж цена экономии веса. Аналогичные примеры встречаются и в организмах животных — в мышцах и связках природа, не сомневаясь, множит элементы на растяжение. Чтобы свести к минимуму вес креплений (а возможно, и метаболическую стоимость), она действует точно так же, как и моряки Елизаветинской эпохи [114]. Концы многих связок снабжены приспособлением наподобие веера, которое пират Фрэнсис Дрейк назвал бы «вороньей лапой» — каждая нить связки крепится к кости независимо.

Однако же если мы возьмем не короткий, а длинный стержень, то поневоле начнем вспоминать старину Эйлера, ведь нагрузка, вызывающая продольный изгиб, изменяется как 1/L2 (где L — длина), а это означает, что прочность на сжатие у стержня постоянного сечения сокращается с увеличением его длины. Таким образом, для одной и той же нагрузки длинный стержень должен обладать гораздо большей толщиной (а следовательно и весом), чем короткий. Как мы говорили в прошлой главе, ничего похожего в элементах на растяжение не происходит.

Весьма полезно будет рассмотреть задачу об элементе длиной, положим, 10 метров, который несет нагрузку весом в 1 тонну (1000 килограммов или 10 000 ньютонов) в растяжении и в сжатии.

В растяжении. В качестве допустимого напряжения для стального троса примем 330 МН/м2 в растяжении. Учитывая крепления, получим общий вес примерно 3,5 килограмма.

В сжатии. Пытаться разместить наш груз весом в одну тонну на сплошном стальном шесте такой длины было бы глупостью, так как во избежание потери устойчивости мы вынуждены будем взять шест огромного диаметра, а следовательно, очень тяжелый. Лучше использовать стальную трубу примерно 16 сантиметров в диаметре и с толщиной стенок порядка 5 миллиметров. Такое изделие длиной 10 метров будет весить около 200 килограммов. То есть элемент, работающий на сжатие, будет иметь вес (и стоимость) в 6 раз больше, чем элемент, работающий на растяжение. Более того, если разделить нагрузку на несколько элементов, ситуация только ухудшится. Допустим, мы разместим наш груз не на одной десятиметровой трубе, а на четырех (получится нечто вроде ножек стола). В этом случае общий их вес составит 400 килограммов, то есть вдвое больше. По мере увеличения числа элементов вес будет продолжать расти — с коэффициентом √n, где n — число элементов на сжатие.

С другой стороны, если мы увеличим нагрузку, ситуация поменяется в пользу элементов, работающих на сжатие. К примеру, если вес груза увеличится в 100 раз и составит не одну, а 100 тонн, то для удержания его в растяжении вес десятиметрового троса придется увеличить с 3,5 до 350 килограммов (то есть тоже в 100 раз), а вот для удержания в сжатии потребуется шест весом 2000 килограммов (против прежних 200, то есть всего в 10 раз тяжелее). Таким образом, в сжатии гораздо более эффективно удерживать большую нагрузку, чем небольшую. Все сказанное относится не только к простым стержням, шестам и колоннам, но и к пластинам, панелям и мембранам (прил. 4).

Эти соображения обосновывают применение таких конструкций, как тенты, палатки и парусные суда. В таких случаях, без сомнения, имеет смысл «собрать» все сжимающие нагрузки на небольшое количество по возможности коротких мачт или шестов. В то же время растягивающие нагрузки, как мы говорили выше, лучше рассредоточить на наибольшее количество элементов (тросов, веревок или мембран). Именно поэтому индейский шатер типи или армейская палатка старого образца с одним шестом и множеством растяжек представляют собой самые легкие из возможных «строений», исходя из соотношения веса и объема. Да что там, любая палатка будет дешевле и легче капитального здания из древесины, кирпича или камня. Аналогичным образом оснастка тендера или шлюпа с одной мачтой всегда будет легче и эффективнее, чем у кеча, шхуны или любого другого судна с несколькими мачтами. Именно по этой причине тяжелы и неэффективны мачты в виде треноги или буквы А на судах древних египтян или броненосцах Викторианской эпохи (гл. 11).

Типичное позвоночное, например человек, в некотором смысле очень похоже на шатер или парусник. У него сравнительно немного элементов, работающих на сжатие, иначе говоря костей, которые окружены буквально чащей мышц, связок и мембран — куда более многочисленных, чем полная оснастка парусника, — которые несут растягивающие нагрузки. Более того, с конструктивной точки зрения две ноги намного лучше, чем четыре, а сороконожку земля еще носит только потому, что ноги у нее достаточно короткие.

Эффекты масштабирования, или Снова о законе квадрата — куба

Давным-давно Галилей заметил, что, когда вес конструкции возрастает как куб ее размера, площадь сечения несущих нагрузку элементов возрастает как квадрат, поэтому напряжение в геометрически подобных конструкциях должно возрастать пропорционально размерам. Таким образом, конструкцию, которая способна разрушиться в растяжении под действием собственного веса, при увеличении размеров нужно делать все толще и приземистей. На самом деле сечение и вес деталей конструкции должны быть еще больше, чем предписывает простое правило, поскольку, пользуясь финансовой терминологией, имеет место «процент на процент». Логично поэтому предположить, что увеличение размеров конструкций имеет свои четкие пределы.

Закон квадрата — куба на все лады склоняли и инженеры, и биологи. Герберт Спенсер, а позднее д’Арси Томпсон писали о том, что он ограничивает размеры животных, а инженеры говорили, что из-за него невыгодно производить корабли и самолеты бóльших размеров, чем уже используются сегодня. Тем не менее что корабли, что самолеты становятся все крупнее и крупнее.

Дело в том, что закон квадрата — куба в полной мере распространяется только на архитравы греческих храмов (сделанные из непрочного тяжелого камня), айсберги и плавучие льдины (сделанные из непрочного и тяжелого льда) и объекты вроде желе или бланманже.

Как мы уже убедились, во многих сложных конструкциях вес элементов, работающих на сжатие, во много раз превышает вес тех, что работают на растяжение. Поскольку элементы в сжатии подвержены потере устойчивости при продольном изгибе, они тем более эффективны, чем большую нагрузку они могут нести (см. пример из предыдущей главки), иначе говоря — чем больше конструкция, тем лучше. Поэтому, несмотря на то что непропорционально большое увеличение веса при увеличении размеров действительно имеет место, недостатки этого явления не так уж серьезны и на практике могут компенсироваться своего рода «оптовой экономией». К примеру, сопротивление движению корабля или рыбы, самолета или птицы будет примерно пропорционально площади поверхности, а при увеличении размеров отношение площади к весу станет меньше и выгоднее. Именно этим руководствовался Брюнель, проектируя судно-гигант «Грейт истерн». Расчет Брюнеля оказался верен, и именно поэтому, несмотря на несчастливую судьбу его парохода, сегодня мы строим супертанкеры. Помимо всего прочего, как мы видели в главе 5, максимальный размер животных ограничен в большей степени правилом «критической трещины по Гриффитсу», а не законом квадрата — куба.

Подчас факторы, которые диктуют выбор, не являются строго конструктивными. К примеру, опора линии электропередачи в виде каркасной фермы просто более ветроустойчива, а ее покраска обойдется дешевле. А резервуар для воды гораздо удобнее сделать из стальных листов, а не в виде мягкого водонепроницаемого «бурдюка» на каркасе. Конструкция с бурдюком будет, несомненно, легче, не зря же именно это решение применяет матушка-природа для желудков и мочевых пузырей.

В ряде случаев разница в весе между конструкциями одного и другого типа пренебрежимо мала и не играет никакой роли, но иногда она весьма существенна. Как мы обсуждали раньше, шатер всегда легче и дешевле, чем строение из сплошных панелей, камня или дерева. Старинные «веймановские» [115] кузовы автомобилей 1930-х годов, представлявшие собой обтянутую тканью деревянную раму, весили гораздо меньше кузовов из штампованного металла, которые стали использовать позднее. В нашу эпоху дорогой нефти каркасный кузов вполне может дождаться своего ренессанса.

Тем не менее бытует мнение, что монококовые конструкции являются более «современными» и «продвинутыми», нежели устаревшие и излишне хитроумные каркасные.Хотя многие инженеры (которым вроде бы полагается разбираться, что к чему) и придерживаются этого взгляда, объективных научных оснований так считать нет никаких. Когда речь идет о сжимающих нагрузках, каркасная ферма всегда легче и дешевле монококовой конструкции. Впрочем, в случае очень большой нагрузки на сравнительно небольшую монококовую конструкцию издержки, связанные с весом самой конструкции, не имеют такого принципиального значения. Тем не менее для больших слабонагруженных конструкций, таких, например, как дирижабли жесткой системы, каркасная или решетчатая структура — это единственно возможное решение. Альтернативой ему может быть не монокок — «мечта инженера» из сияющего алюминия, — а дирижабль мягкой конструкции наподобие воздушного шара.

В самолетостроении переход от конструкций из палок, веревок и тряпок к современным монококам не был обусловлен внезапной переменой моды, а стал вполне логичным шагом в тот момент, когда в игру вступили высокие скорости и высокие нагрузки. Как мы уже говорили, если рассматривать монокок только при сжимающих и сгибающих нагрузках, он всегда будет тяжелее, чем каркасная конструкция, однако вес пропорционально снижается с увеличением нагрузки. С другой стороны, в сдвиге и кручении монокок эффективнее [116]. С ростом скорости повышаются и требования к жесткости конструкции и ее прочности на кручение. Поэтому существует определенный рубеж, после которого с точки зрения веса становится обоснован переход от каркасной конструкции к монококовой. Переход этот случился в 1930-х годах и был тесно связан с внедрением моноплановой конфигурации крыла. Современные самолеты представляют собой сплошные оболочечные конструкции, сделанные с применением листов алюминия, фанеры или стекловолокна. Обратную, также вполне логичную тенденцию — в сторону каркасных конструкций — можно наблюдать в строительстве дельтапланов, чрезвычайно легких летательных аппаратов.

Необходимость сопротивляться скручивающим нагрузкам есть только у искусственных конструкций вроде кораблей и самолетов. Как уже было сказано в главе 12, природе почти всегда удается избегать скручивания, и, по крайней мере у крупных животных, монококовые конструкции или экзоскелеты почти не встречаются. Большинство крупных животных относятся к позвоночным, то есть представляют собой крайне сложные и в то же время удачные каркасные конструкции, по своей конструктивной философии мало отличающиеся от бипланов и парусников. Обращает на себя внимание и тот факт, что скручивающих нагрузок избегают птицы и летучие мыши, а в свое время избегали и птеродактили. Именно это позволило им сохранить легкие каркасные конструкции и эффективно перемещаться по воздуху. Авиаконструкторы, примите к сведению!

С другой стороны, если бы пневматическую шину изобрели году в 1830-м, наземный транспорт вообще мог и не свернуть на боковые «железнодорожные рельсы», а стать сразу автомобильным, и в этом случае мир выглядел бы уже совсем по-другому. На самом деле пневматические шины опоздали лет на пятнадцать. Их запатентовал в 1845 году некий 23-летний господин по имени Роберт Уильям Томсон. Шины Томсона с технической точки зрения были великолепны, однако момент их появления совпал с пиком развития железных дорог. Благодаря лобби железнодорожных компаний и гужевых перевозчиков транспортное законодательство приобрело весьма абсурдные формы, что фактически отсрочило развитие автомобильной отрасли вплоть до рубежа XIX–XX веков.

Велосипеды не представляли никакой угрозы ни для паровозов, ни для лошадей, поэтому развитию этого вида транспорта в Викторианскую эпоху никто не мешал, и именно в этой сфере пневматические шины и возродились. Поспособствовал этому в 1888 году Джон Бойд Данлоп, который и сколотил на шинах состояние. (Томсон к тому времени уже умер, а срок действия его патента истек.) Для экипажей, оборудованных шинами из твердых материалов, предел скорости составлял примерно 25 километров в час, и вряд ли автомобиль с такими шинами смог бы ехать быстрее. Именно изобретение Томсона дало жизнь быстрому и дешевому шоссейному транспорту — автомобилю. Более того, благодаря ему самолеты могут взлетать с наземных аэродромов. Не будь пневматических шин, мы бы пользовались только гидропланами.

Функция шин, с которой они блестяще справляются, состоит в поглощении и распределении направленных вверх нагрузок, которые испытывает автомобиль. Тем не менее шины — всего лишь единичный пример целого семейства надувных конструкций. Если оставить в стороне амортизирующее действие, такие конструкции дают возможность избежать дополнительных расходов и избыточного веса в случае с небольшими сжимающими или сгибающими нагрузками в больших сооружениях. В этом случае напряжению сжатия подвергается не твердая панель или колонна, а текучая среда — вода или воздух. Твердые элементы конструкции подвергаются лишь растягивающим напряжениям, которые, как мы ранее уже убедились, не требуют большого веса или финансовых затрат.

Идея использовать надувные конструкции таким хитроумным способом в технике не нова. Еще в 1000 году до нашей эры лодочники из верховий Тигра и Евфрата изготавливали надувные лодки из шкур животных. На таких судах вниз по течению, в расположенные на равнине города, сплавляли не только сельскохозяйственные товары, но также ослов и мулов, которых использовали для перевозки сдутых лодок обратно по суше. Сегодня надувные лодки, а также надувные палатки и надувная мебель распространены повсеместно, они так же, как и в древности, легко перевозятся с места на место в сдутом виде.

В 1910 году выдающийся инженер Фредерик Уильям Ланчестер изобрел воздухоопорную крышу. Она представляет собой поверхность, края которой закреплены на земле. В натянутом состоянии ее поддерживает небольшое давление воздуха, нагнетаемого простым набором компрессоров. Попасть в такое сооружение можно только через воздушный шлюз, однако это неудобство, как правило, компенсируется большим количеством плюсов такой конструкции. Несмотря на то что изобретение Ланчестера позволяет возводить помещения большой площади быстро и дешево, сегодня эта технология применяется в основном для устройства теплиц и крытых теннисных кортов. Применение воздухоопорных крыш для жилых и промышленных зданий затруднено из-за придирчивого и чересчур заботливого строительного законодательства.

Естественно, никто не заставляет использовать воздух. По точно такому же принципу работает балластный мешок с песком или эластичная буксируемая емкость («дракон»), которая представляет собой тот же мешок, наполненный нефтью или водой. На Амазонке при помощи таких «барж» сплавляют вниз по течению нефть. Затем пустые емкости возвращают обратно — совсем как надувные евфратские лодки (правда, уже не на ослах). В буксируемых емкостях также доставляют пресную воду на греческие острова, чтобы туристы могли понежиться в ванне.

Если строители воздухоопорных сооружений только мечтают о более широком их применении в технологических отраслях, то природа вовсю эксплуатирует эти конструкции в организмах животных и растений. Живые организмы, которые по сути своей являются химическими фабриками, наполнены великим множеством жидкостей. Нет ничего более естественного и более целесообразного, чем нафаршировать всеми склизкими внутренностями удлиненный мешок и получить таким образом червяка.

Этот способ настолько удобен и логичен, что даже удивительно, зачем животным вообще понадобились скелеты из тяжелых и хрупких костей. Представьте, насколько было бы удобнее, если бы люди имели форму осьминога, кальмара или слоновьего хобота. На этот счет существует мнение профессора Симкисса, который полагает, что животные вообще-то и не собирались обзаводиться никакими скелетами. Просто первые «протокости» постепенно сформировались из «свалок» ненужных минеральных отходов, а уж затем животным ничего не оставалось, кроме как пристроить эти твердые штуковины в дело — в качестве каркаса для мышц и связок.

В колесах старинных деревянных карет вес всей повозки каждая спица колеса воспринимала поочередно. Принципом действия карета походила на сколопендру с огромным количеством ног, которые все вместе весили довольно много и были с конструктивной точки зрения неэффективны. Мысль о несовершенстве такого колеса осенила сэра Джорджа Кейли (1773–1857), одного из первых и самых блистательных пионеров воздухоплавания, который решил сделать легкие колеса для своего летательного аппарата. Еще в 1808 году он понял, что вес колеса возможно сократить, если спицы будут нагружены не в сжатии, а в растяжении. Это открытие в итоге привело к появлению современного велосипедного колеса, в котором растягивающие нагрузки воспринимают проволочные спицы, а сжимающие — обод, который вполне может быть тонким и легким в силу своей устойчивости к выпучивающим нагрузкам.

В сочетании с пневматическими шинами колеса с проволочными спицами сделали велосипед широкодоступным средством передвижения, что имело серьезные социальные последствия (см. песню «Дэйзи Белл»). Тем не менее экономия веса подобным образом возможна только в случае с большими и малонагруженными колесами — такими как у велосипеда. Когда колесо становится меньше, а нагрузка — больше, проволочные спицы теряют свои преимущества. Колеса из штампованной стали для современных спортивных автомобилей лишь ненамного тяжелее колес с проволочными спицами, гораздо более дорогих и сложных в изготовлении.

Большую роль здесь играют факторы моды и престижа. Золото никак нельзя назвать самым удачным материалом для корпуса часов, так же как и сталь — для офисной мебели. В Викторианскую эпоху из чугуна делали самые неожиданные предметы, вплоть до подставок для зонтов, а про одного из африканских царьков рассказывали, что он выстроил из чугуна целый дворец.

Все же несмотря на то, что выбор материалов иногда бывает чудным и эксцентричным, гораздо чаще он традиционен и консервативен. В большинстве случаев за выбором традиционных материалов стоит определенная логика, однако нередко она перемешана с абсурдом настолько, что трудно отличить одно от другого. Люди творческие, от Льюиса Кэрролла до Сальвадора Дали, давно открыли, насколько сильный психологический шок может вызвать привычная вещь, изготовленная из непривычного материала — сливочного масла, резины или хлеба. Инженеры так вообще очень чувствительны к подобным вещам — некоторые могут очень удивиться, если им предложить сделать корабль из дерева. Еще больше были бы шокированы наши предки, узнав, что корабли будут делать из металла.

Отношение к приемлемости и уместности того или иного материала со временем меняется. Характерен пример соломы. Когда-то она считалась самым дешевым и завалящим из кровельных материалов, однако в бедных регионах страны им крыли даже церкви. В XVIII веке, когда приходы стали богаче, повсеместно объявлялись подписки на замену соломы шифером или черепицей. Иногда собранных денег не хватало на всю крышу, и тогда солому волей-неволей приходилось оставлять на тех частях крыши, которые не видны прохожим, а черепицу класть только со стороны дороги. В наши дни понятия о престиже перевернулись, и соломенные крыши являются предметом гордости состоятельных господ в графствах близ Лондона.

Невзирая на высокую стоимость энергии и растущий ее дефицит, тренд энергопотребления только набирает силу. Современные виды двигателей, например газовые турбины, лихорадочно перерабатывают все больше и больше энергии, занимая все меньше и меньше пространства. Новейшие машины требуют новейших материалов, например высокотемпературных сплавов и углепластика, производство которых требует все больше и больше энергии. Скорее всего, так не может продолжаться долго, потому что вся система целиком зависит от концентрированных источников энергии вроде нефти.

В противовес технологии живую природу можно рассматривать как огромную систему получения энергии не из концентрированных, а из рассеянных источников, которая расходует эту энергию в высшей степени экономно и рачительно. Человек тоже пытается освоить технологии получения рассеянной энергии — энергии солнца, волн или ветра. Скорее всего, многие из этих инициатив обречены на провал, поскольку энергетические инвестиции в постройку необходимых конструкций для сбора такой энергии привычными способами — из стали и бетона, — являются невозвратными. Чтобы реализовать такие проекты, нужен радикально новый подход к «эффективности». Природа решает эту проблему исходя из «метаболических инвестиций», и, возможно, нам стоит брать с нее пример.

Дело не только в том, что производство металла и бетона требует большого количества энергии (см. таб. 6). Для постройки слабонагруженных сооружений, которые обычно необходимы в случае систем низкой энергоинтенсивности, вес конструкций из стали и бетона будет во много раз больше, чем в том случае, если бы эти конструкции были сделаны из других, более продуманных и осмысленных материалов.

Как мы вскоре убедимся, самым «эффективным» материалом в строго конструкционном смысле может быть древесина. Большая слабонагруженная конструкция из древесины во много раз легче, чем аналогичная конструкция из стали или бетона. Главной проблемой древесины, по крайней мере в прошлом, был длительный период ее «производства», то есть роста, и довольно дорогая и продолжительная процедура сушки.

Возможно, самый важный за последние несколько лет шаг в разработке новых материалов сделали генетики, которые вывели новые быстрорастущие сорта промышленной древесины. Например, сейчас выращивается новый сорт сосны Веймута (Pinus radiata), диаметр ствола которой в благоприятных условиях увеличивается на 12 сантиметров в год — таким образом, через 6 лет дерево достигает зрелости и его можно использовать. Дерево способно стать в буквальном смысле «урожайной сельскохозяйственной культурой» с коротким циклом роста, притом что почти вся энергия, необходимая для ее производства, — солнечный свет — достается бесплатно. В конце концов, отслужившую свое деревянную конструкцию всегда легко сжечь, выручив за это почти столько же энергии, сколько ушло на ее рост. Со сталью и бетоном так поступить, увы, не получится.

Кроме того, ранее древесина нуждалась в длительной и дорогостоящей процедуре обработки — сушке в специальных камерах, что тоже требовало значительных расходов энергии. Благодаря же современным технологиям уже стала возможной сушка больших брусьев древесины хвойных пород в течение суток со сравнительно низкими затратами. Эти нововведения крайне важны в свете современной энергетической ситуации, и инженерам следует обратить на них пристальное внимание.

В приложении 4 приведены формулы расчета весовой эффективности различных материалов в различных конструкциях. Проектирование некоторых высокотехнологичных изделий, например самолетов, во многом определяется показателем

иначе говоря, удельным модулем Юнга, от которого зависит «весовая стоимость» деформации. Оказывается, что для большинства традиционных технологических материалов — молибдена, стали, титана, алюминия, магния и дерева — величина этого параметра одинакова. Именно поэтому правительства многих стран последние 15–20 лет тратят огромные ресурсы на разработку новых материалов из экзотических волокон — таких как углеволокно, борное волокно или волокнистый карбид кремния.

Материалы на основе этих волокон могут пригодиться в авиакосмической отрасли, а могут и не пригодиться. Однако совершенно точно можно сказать, что их производство требует не только больших финансовых расходов, но и огромного количества энергии. По этой причине их применение в ближайшем будущем останется крайне ограниченным, и, по моему мнению, «народными материалами» они не станут.

Требования в отношении строгого и дорогостоящего контроля общих деформаций носят довольно ограниченный характер, тем не менее, как мы убедились, «весовая стоимость» (а часто и денежная стоимость) несения сжимающих нагрузок довольно высока. «Весовая стоимость» колонны под действием сжимающего напряжения определяется не

а

Весовая стоимость пластины зависит от

(см. прил. 4). Значения этих параметров для различных материалов приведены в таблице 7. Легко видеть, что преимущества материалов малой плотности довольно высоки, поэтому сталь выглядит бледно даже в сравнении с кирпичом или бетоном. Более того, для многих легких изделий, например аэростатов или протезов конечностей, больше подойдет дерево, чем дорогие материалы из углеродного волокна, к тому же оно значительно дешевле.

В таблице 8 эти характеристики представлены в виде затрат энергии. Здесь преимущества традиционных материалов — дерева, кирпича и бетона — выглядят неоспоримо и заставляют усомниться в целесообразности стремления к новым экзотическим материалам вроде углепластика. Для конструкций, используемых в повседневной жизни, гораздо удобнее не углеродное волокно, а пустоты. Природа додумалась до этого давным-давно, когда изобрела дерево, а древнеримские строители — когда начали строить здания с амфорами в стенах. Пустоты и дырки гораздо дешевле — и в энергетическом, и в финансовом смысле, — чем любые возможные материалы высокой жесткости. Так может быть, нам следует уделить больше времени и ресурсов разработке пористых и ячеистых материалов, а не диковинных борных или углеродистых волокон?..

Глава 15

Глава катастроф,

или Этюд о грехе, ошибках и усталости металла

А вы слышали о фаэтоне,

Построенном так хитроумно,

Что ездил он ровно сто лет.

А потом вдруг — раз! — и привет.

Оливер Уэндел Холмс-старший. Фаэтон на одну лошадь

Весь наш физический мир уместнее всего рассматривать как огромную энергетическую систему, гигантский рынок, где происходит постоянный обмен одних форм энергии на другие согласно определенным расценкам и правилам. Любое энергетически целесообразное явление рано или поздно неизбежно произойдет. В каком-то смысле конструкция — это средство задержать наступление определенного энергетически обусловленного события. К примеру, энергетически целесообразным является падение груза на землю или высвобождение упругой энергии. Рано или поздно груз обязательно упадет, и энергия высвободится, но предназначение конструкции состоит в том, чтобы отсрочить этот момент — на несколько месяцев, пятьдесят или тысячу лет. Как любой человек рано или поздно умрет, так и любая конструкция рано или поздно разрушится, задача врачей и конструкторов — задержать наступление этих печальных событий на приличный отрезок времени.

Какой отрезок времени считать приличным — вот вопрос. Каждая конструкция должна быть построена так, чтобы оставаться «надежной» на протяжении разумно оцененного срока эксплуатации. Для корпуса ракеты-носителя этот срок составляет несколько минут, для автомобиля или самолета — десяток или два десятка лет, а для кафедрального собора — тысячелетие. Фаэтон на одну лошадь из стихотворения Холмса был спроектирован ровно на 100 лет, ни больше ни меньше, и развалился в назначенный день, 1 ноября 1855 года, ровно в тот момент, когда священник, читающий проповедь, произнес «в-пятых». Естественно, это не более чем литературная выдумка. Столь же бредово предсказание мистера Хани, героя романа Невила Шюта «Дороги нет», о том, что хвостовое оперение самолета отвалится ровно через 1440 летных часов плюс-минус день. Автор, будучи авиаконструктором, уж должен был это понимать.

На практике безопасный срок службы в годах или часах предсказать невозможно. Мы рассуждаем об этом, лишь опираясь на статистические данные и накопленный опыт, а затем закладываем в конструкцию разумный запас прочности, действуя при этом лишь на основе ожиданий и вероятностей. Если мы сделаем слабую конструкцию, то сэкономим вес и деньги, зато неприемлемо увеличим риск преждевременного разрушения. Если объект, наоборот, будет излишне прочным, по человеческим меркам практически вечным (что, безусловно, будет оценено публикой), он получится огромным, тяжелым и страшно дорогим. Вскоре мы убедимся, что лишний вес таит в себе куда больше опасностей, чем удается избежать за счет увеличения прочности. Поскольку мы работаем, опираясь на статистику, то должны признать существование ограниченного риска (сколь малым бы он ни был) преждевременного разрушения конструкции.

В книге «Надежность конструкций» Альфред Пагсли отмечает [119], что строго логический подход здесь не совсем уместен. Пагсли пишет, что человеческая психика чрезвычайно чувствительна к страху разрушения и обыватель уверен, что конструкции, которые связаны лично с ним, непременно обязаны быть «неубиваемыми». Это проявляется во множестве самых разнообразных ситуаций, иногда безобидных, а иногда и сулящих осложнения. Во время Второй мировой войны авиаконструкторы имели возможность немного пожертвовать (в разумных пределах, конечно) надежностью конструкции в пользу других важных характеристик самолета. В то время боевые потери в бомбардировочной авиации были очень велики, порядка одной к двадцати в каждом рейде [120]. Потери от механических поломок, вызванных неисправностью конструкции, случались крайне редко и исчислялись как одна к десяти тысячам. Притом что вес несущей конструкции самолета составлял примерно треть от его общего веса, разумно было бы сделать несущие элементы тоньше и легче, а сэкономленный запас веса использовать на иные нужды.

В таком случае, возможно, слегка ухудшилась бы статистика механических поломок, зато за счет экономии веса удалось бы лучше вооружить самолет и защитить его более мощной броней, тем самым, несомненно, сократив потери личного состава. Однако летчики не хотели об этом даже слышать. Они предпочитали более высокий риск быть сбитыми противником малому риску механической поломки самолета в воздухе.

Пагсли полагает, что такой панический страх поломки конструкций унаследован нами от живших на деревьях далеких предков, которые боялись, как бы дерево не сломалось под ними и не погубило детенышей и их самих. Тем более что внизу предков и их детенышей поджидали грозные хищники вроде саблезубых тигров. Соответствует ли эта гипотеза действительности или нет, инженерам имеет смысл принимать в расчет подобные эмоциональные факторы, хотя лишний вес конструкции может привести к дополнительным рискам.

Поскольку в мире накоплен огромный опыт эксплуатации различных конструкций, написано множество высоконаучной литературы, а ученые теоретики с пафосом читают с кафедр свои бесконечные лекции о строительной механике, своим утверждением я рискую нарваться. Тем не менее это так.

Рассмотрим, к примеру, статистику прочности самолетов. Так как в данном случае крайне важна экономия веса, а последствия разрушения самолета чудовищны, естественно, что проектированию конструкции планера уделяется повышенное внимание и каждая деталь тщательно выверяется. Чертежи и расчеты выполняются самыми квалифицированными «прочнистами» и чертежниками по последнему слову науки. Вслед за ними расчеты прочности проверяет другая, совершенно независимая команда специалистов. Таким образом, финальные расчеты делаются настолько точно и настолько старательно, насколько это вообще под силу человеку. В конце концов для полной уверенности проводят «испытания до разрушения» на полномасштабной модели планера.

Самой новейшей статистикой мы не располагаем, потому что в последние годы было заказано не так много типов самолетов и данные статистически не репрезентативны. Однако, когда самолеты были проще и дешевле, до стадии испытаний доходило большое количество моделей. В промежуток между 1935 и 1955 годами в нашей стране построили и провели через испытания до разрушения порядка 100 различных типов летательных аппаратов. Таким образом, данные этого периода представляют собой хорошую статистическую базу.

Естественно, точные значения прочностей этих самолетов варьируются очень широко в зависимости от размера и типа, однако практически всем ставилась задача достичь прочности в условиях так называемой «120-процентной максимальной расчетной нагрузки» [121]. Если бы проектирование конструкций являлось хоть сколько-нибудь точной наукой, логично было бы предположить, что графики или гистограммы этих испытаний показали соответствие основной массы результатов тем самым 120% с небольшими отклонениями в ту и другую сторону, иначе говоря — показали бы нормальное гауссово распределение, как на рис. 1.

Как известно, ничего похожего не случилось. Построенные по результатам испытаний графики выглядели примерно как рис. 2. Экспериментальные значения прочности были беспорядочно распределены в диапазоне от 50 до 150% максимальной расчетной нагрузки. Иными словами, даже самые выдающиеся конструкторы ошибались в своих расчетах в два-три раза. Одни самолеты были в два раза менее прочны, чем нужно, а другие — слишком прочны, а следовательно, более тяжелы, чем нужно.

Что же касается судов, то для них вообще не существует данных, исходя из которых возможно сформировать подобные оценки, — просто потому, что суда никогда на подвергаются испытаниям до разрушения. Поэтому оценить работу проектировщиков кораблей — хорошо или плохо она была сделана, как минимум в части прочностных расчетов, — невозможно. Тем не менее, как мы уже говорили в  главе 5, число аварий, связанных с конструктивными дефектами судов, довольно значительно и представляется весьма вероятным, что в пересчете на тонно-мили оно продолжает расти.

В случае с мостами задача расчета напряжений во многих отношениях проще, чем с самолетами и кораблями, поскольку нагрузка в них не столь разнообразна. Однако аварии мостов сегодня также многочисленны.

Безусловно, главной причиной проводить экспериментальную проверку самолета на прочность являются возможные ошибки и недочеты в теоретических построениях конструкторов, но от экспериментального подхода есть и другая польза. Мы предположили, что теоретически цель конструктора при проведении испытаний заключается в том, чтобы конструкция разрушилась при строго рассчитанной нагрузке. Но вот беда: прочность даже самой что ни на есть просчитанной и спроектированной «по науке» конструкции не постоянна от детали к детали. Это не тот удивительный фаэтон, где «колеса столь же прочны, как оглобли, пол не слабее порогов, а крыша крепка, как и пол».

На испытательном стенде конструкция разрушается в самом слабом месте. Если какая-то деталь планера летательного аппарата разрушается при 120% максимальной расчетной нагрузки, это означает, что все бóльшая часть остальных деталей конструкции обладает избыточной прочностью, грубо говоря, прочностью «коту под хвост». При этом мы не понимаем, где и как нам облегчить конструкцию. Повторные испытания больших конструкций — мероприятие дорогостоящее, однако если позволяют деньги и время, лучше начать испытания до разрушения с целевой расчетной нагрузки несколько ниже, чем 120%, таким образом выявить самое слабое звено конструкции, затем усилить прочность, провести повторные испытания и так далее.

Один из самых успешных самолетов в истории авиации, бомбардировщик «Москито» времен Первой мировой войны, во время первоначальных испытаний разрушился при 88% расчетной нагрузки (переломился задний лонжерон крыла). После этого самолет несколько раз модифицировали и испытывали, доведя значение прочности до 118%. Невероятный успех этой модели обусловлен в первую очередь необычайной легкостью несущей конструкции.

Этот метод условно можно назвать «дарвинистским» — именно так и действует природа при разработке своих конструкций. Разве что она не так торопится и не так трясется над ценой жизни, как цивилизованные инженеры. Этим же способом (до определенной степени) пользуются разработчики автомобилей и других относительно дешевых и массовых изделий — намеренно делают устройства изначально непрочными, а затем модифицируют их, ориентируясь на отзывы потребителей.

Таким образом, проектирование в части расчетов прочности подчас сводится к игре на угадывание слабого места в несущей конструкции. Чем сложнее конструкция, тем более сложен и менее надежен становится такой подход. К счастью, в проектировании огромного количества конструкций — от мебели и до зданий и самолетов — мы избавлены от игры в «угадайку» по той простой причине, что гораздо важнее оказываются требования к жесткости, нежели к прочности. А достаточно жесткая для выполнения своих функций конструкция, как правило, уже достаточно прочна. Поскольку деформации конструкции в целом определяются ее общими характеристиками, а не наличием слабых звеньев, гораздо легче и продуктивнее производить расчеты жесткости, а не расчеты прочности. Именно это и происходит при проектировании «на глазок».

Рассуждая о прочности и устойчивости средневековых соборов, Жак Хейман сформулировал принцип: «Если здание простояло пять минут, то оно простоит и пять веков». Если не вдаваться в детали, то для каменных и кирпичных построек, возведенных на скальном грунте, это утверждение справедливо. Тем не менее множество соборов и других зданий заложены на мягких грунтах, и если грунт ползет (см. гл. 7), а это явление далеко не редкое, то случаются разные курьезные последствия. Один из показательных примеров — знаменитая Пизанская башня. Движения в почве требуют долгого времени и вполне поддаются прогнозированию, однако их последствия слишком дорого устранять. Поэтому множество пострадавших зданий, как древних, так и современных, либо разрушились сами, либо были уничтожены искусственно.

Для большинства конструкций самыми распространенными причинами разрушения становятся гниение и коррозия. Именно страх перед гниением стал одной из причин того, что английские архитекторы и инженеры отвернулись от древесины. Однако отсталые иностранцы из США, Канады, Скандинавии и Швейцарии, которые совокупно строят примерно полтора миллиона домов из древесины ежегодно, почему-то не очень беспокоятся, и потребление древесины для строительных нужд в этих странах постоянно растет. Возможно, нам следовало бы подсмотреть, как они там изворачиваются.

Вообще говоря, древесина бывает разной по своей устойчивости к разложению. Регистр Ллойда [124] специально указывает, сколько лет прослужит древесина той или иной породы, применяемой в судостроении. Кроме того, с учетом современных знаний и методов обработки срок службы древесины любой породы возможно продлить почти до бесконечности.

Большинство металлов подвержены коррозии. Современная мягкая сталь ржавеет гораздо сильнее, чем чугун или ковкое железо Викторианской эпохи. Поэтому ржавчину можно смело называть современной проблемой. Поскольку затраты на рабочую силу в наши дни высоки, работы по покраске и обслуживанию стальных конструкций обходятся недешево. (Это хороший повод использовать армированный бетон — стальная арматура в бетоне не ржавеет.) Максимальный срок службы современных больших кораблей, например танкеров, составляет порядка 15 лет — дальше их дешевле отправить на металлолом, чем перекрашивать. Жизненный цикл автомобилей еще короче по той же самой причине. Совершенно справедливо, что для многих конструкций можно использовать нержавеющую сталь, но, во-первых, она далеко не на сто процентов защищена от коррозии, во-вторых, ее производство дорого и довольно трудоемко, наконец, в-третьих, «усталостные» характеристики этого материала не очень-то привлекательны.

Определенными преимуществами обладают алюминиевые сплавы, но они, помимо своей высокой стоимости, не обладают достаточной жесткостью для целого ряда задач. Существенным недостатком этого материала также является его плохая свариваемость. В некоторых странах коммунистического блока этому металлу прочат великое светлое будущее и инвестируют огромные ресурсы в алюминиевые заводы. Лондонская биржа в 1961 году тоже радостно отреагировала на новости о поглощении компании «Бритиш алюминиум» компанией «Тьюб инвестментс». Тем не менее рынок алюминия так и не вырос до тех размеров, который ему прочили участники этой сделки. В любом случае производство алюминия требует гораздо больше энергии, чем производство стали.

Даже в том случае, когда материал конструкции не разлагается, существуют случайности, вероятность которых не всегда удается просчитать. Многие конструкции разрушаются только при исключительных обстоятельствах, и может пройти длительное время, прежде чем такие события наступят. Речь идет, например, о чрезвычайно высоких волнах в случае с морскими судами или исключительно сильных вертикальных потоках воздуха в случае с самолетами. Некоторые конструкции могут разрушиться при некоем уникальном и необычном стечении нескольких обстоятельств. Для моста таким фатальным совпадением может стать сильный ветер при чрезмерной нагрузке. Несмотря на то что эти случайности должны по идее закладываться в расчеты, прежде чем критические события действительно произойдут, могут пройти годы и потенциально опасное сооружение простоит десятилетия — лишь потому, что жизнь его как следует не испытала.

Безусловно, ответственные инженеры учитывают вероятность таких событий и предусматривают их в конструкции, однако в большинстве случаев пиковые нагрузки относятся к области, которую страховщики называют «воля божья» [125]. Если корабль врезался в мост, в результате чего и мост, и судно оказались разрушены (как недавно случилось в Тасмании), было бы довольно странно предъявлять конструкторам, проектировавшим этот мост и этот корабль, претензии в том, что они не предусмотрели такой оказии. Случай скорее относится к компетенции лоцманской службы. В конце концов, мы же не проектируем самолеты так, чтобы они безопасно таранили горы. В каком-то смысле именно таким образом мы проектируем автомобили — чтобы пассажиры оставались живы даже после удара машины о кирпичную стену, — но сам автомобиль после этого, как правило, отправляется на свалку.

Усталость металла, мистер Хани и все такое прочее

Одна из самых коварных причин потери прочности конструкции — усталость материала, то есть кумулятивный эффект от циклических или повторяющихся нагрузок. В художественной литературе драматические последствияэтого явления были впервые описаны в 1895 году Редьярдом Киплингом в рассказе о том, как у корабля «Гроткау» посреди Бискайского залива отвалился винт из-за «усталостной» трещины гребного вала [126]. Киплинг вышел из моды, но интерес к теме усталости металла возродился в 1948 году после выхода романа Невила Шюта «Дороги нет». Своим успехом и книга, и снятый по ней фильм обязаны не только персонажу по имени мистер Хани, воплощению архетипа изобретателя, но даже в большей степени трем катастрофам самолета «Комета», которые случились вскоре. Как когда-то заметил Уистлер, «жизнь крадется за искусством». Обстоятельства аварий не особенно отличались от описанных в романе, за исключением намного большего количества жертв и огромного ущерба для британской авиационной промышленности.

Кстати говоря, инженеры узнали про усталость металла за сто с лишним лет до описываемых событий, после Великой промышленной революции. Движущиеся части машин иногда ломались от нагрузок, которые были совершенно безопасны для тех же деталей в неподвижном состоянии. Особенно опасным такое поведение было для осей поездов, которые по необъяснимой причине внезапно выходили из строя через некоторое время после начала эксплуатации. Вскоре появилось само название феномена «усталость», а в середине XIX века видный немецкий железнодорожный чиновник Август Вёлер (1819–1914) провел серьезные исследования этого феномена. На фотографии он выглядит примерно так, как мы и представляем себе немецкого железнодорожного чиновника XIX века, однако дело он сделал действительно очень большое.

Как мы говорили в главе 5, даже если на вершине трещины или дырки существует высокая концентрация напряжений, трещина не будет распространяться, пока ее длина не превышает критической длины по Гриффитсу — расширение трещины требует затрат энергии, превышающих работу разрушения материала. Однако когда металл подвергается повторяющимся циклическим нагрузкам, в его кристаллической решетке происходят постепенные изменения. С наибольшей вероятностью происходят они в областях концентрации напряжений. Эти изменения снижают работу разрушения металла, и трещина начинает медленно, но верно распространяться, несмотря на то что ее длина меньше критической.

В таком случае с любой дырочки, отверстия или дефекта в напряженном металле может начаться маленькая незаметная трещина, которая распространится по поверхности материала, не приводя к видимым изменениям, и рано или поздно достигнет настоящей критической длины. Когда это произойдет, распространение стремительно ускорится и приведет к весьма огорчительным последствиям. После разрушения конструкции «усталостную» трещину легко распознать по характерным полосам на ее поверхности, а вот до катаклизма обнаружить ее не так-то просто.

Естественно, металлурги и инженеры проводят множество испытаний на усталость, и для этих целей создано множество разнообразных испытательных устройств. Свойства усталости в металле принято рассматривать в терминах знакопеременного (растяжение-сжатие) напряжения (±s), то есть такого напряжения, которое испытывает вращающаяся консоль — например, ось автомобиля. (Существуют способы преобразования этих показателей для других разновидностей циклического напряжения.) Обычно знакопеременное напряжение ±s откладывают на графике относительно логарифма числа n — числа циклов нагружения образца, приводящих к разрушению. Такой график называют кривой усталости, или диаграммой Вёлера.

Кривая усталости обычной стали выглядит примерно как график на рис. 3. Она представляет собой линию с изломом, плоский участок которой начинается примерно с миллиона колебаний, что эквивалентно примерно 5000 километров пробега, если мы говорим об оси автомобиля или железнодорожного вагона, или 10 часах работы автомобильного двигателя (вращение которого, конечно, быстрее, чем вращение колес). У таких материалов, как железо или сталь, горизонтальный фрагмент кривой, который называется пределом усталости, представляет собой великое благо для инженеров. Если двигатель разработанного им автомобиля преодолеет отметку 106 или 107 оборотов без эксцессов, есть надежда, что он надежно проработает практически вечно. Тем не менее о риске усталости металла никогда не следует забывать.

Алюминиевые сплавы не обладают пределом усталости, их график плавно сходит на нет, как на рис. 4. Это делает их использование более опасным и объясняет несколько старомодные предпочтения инженеров в пользу стали для проектирования машин и других конструкций.

Аварии самолетов «Комета» в 1953 и 1954 годах вызвали ужас и вполне обоснованную тревогу. Расследование, проводившееся большой группой специалистов под началом Арнольда Холла, а особенно процедуру подъема обломков с глубины, можно смело назвать подвигом. Фрагменты одного из самолетов, упавшие в Средиземное море, пришлось доставать с глубины 300 метров. Удалось собрать практически все части, которые затем выложили на полу одного из ангаров в Фарнборо. Размер фрагментов не превышал одного метра.

«Комета» была одним из первых летательных аппаратов с герметизированным фюзеляжем. Цель этого нововведения состояла в том, чтобы избавить пассажиров от дискомфорта и опасностей, связанных с пониженным атмосферным давлением на большой высоте. В прежние времена пассажирам при пролете над Скалистыми горами приходилось наслаждаться предложенным в полете ужином, не снимая кислородной маски (этот навык, увы, почти утрачен в наши дни). В герметизированном самолете фюзеляж становится своего рода цилиндрическим сосудом высокого давления, чем-то похожим на паровой котел, давление в котором то повышается, то падает по мере того, как набирает высоту или снижается самолет.

Фатальная ошибка проектирования состояла здесь в недооценке опасностей усталости при концентрациях напряжений в металле фюзеляжа в таких условиях. Корпус «Кометы» был сделан из алюминиевого сплава, в то время как предыдущие успехи и опыт компании «Де Хэвилланд», в том числе и триумфальный «Москито», были связаны с деревянными корпусами. Я не берусь утверждать, что весьма квалифицированные инженеры конструкторского бюро «Де Хэвилланд» не разбирались в усталости материалов, но, возможно, коварство такого феномена в алюминии еще недостаточно четко отложилось в их коллективном разуме (ведь дерево гораздо более терпимо к этому явлению, и в этом состоит одно из его огромных преимуществ).

В каждом из этих случаев трещина, по всей видимости, начиналась с небольшого отверстия в фюзеляже и разрасталась медленно и незаметно до той поры, пока не достигала критической длины. В этот момент происходила взрывная разгерметизация — фюзеляж попросту лопался, как воздушный шар. Артур Холл смог воспроизвести развитие событий, поместив фюзеляж под давлением в испытательный бассейн с водой и пронаблюдав разгерметизацию в как бы «замедленной съемке».

Отчасти беду с «Кометами» усугубляло и то, что существовавшие какое-то время усталостные трещины не попадались на глаза при проверке, возможно потому, что их и не искали, но, скорее всего, просто из-за небольшого размера. Современные самолеты проектируются так, что им не страшны даже трещины полуметровой длины, и, казалось бы, такую трещину сложно не заметить. Тем не менее ходит байка про уборщиц в лондонском аэропорту. Как-то вечером дамы закончили уборку салона приземлившегося самолета и, закрыв за собой люк, спустились по трапу на взлетную полосу. И тут одна из них говорит:

— Мэри, ты забыла выключить свет в туалете.

— С чего ты взяла?

— Да видно же сквозь трещину в фюзеляже.

Конечно, такие плавания несли в себе элемент риска, зато судовладельцы XVIII века могли себе позволить в самые суровые зимние месяцы ставить суда на стоянку и ремонт и распускать команду — заниматься домашними делами или проводить время в пабах. Этому идиллическому и довольно безопасному житью суждено было закончиться с наступлением конкурентных экономических реалий XIX века. Из соображений коммерческой выгоды и выживания суда стали курсировать даже зимой, и судовладельцы не могли позволить себе в буквальном смысле дожидаться у моря погоды. Тогдашние судовладельцы в смысле регулярности и бесперебойности сообщения дали бы хорошую фору современным железнодорожникам.

Однако все имеет свою цену. В середине 1830-х годов у берегов Британии каждый год фиксировалось в среднем 567 кораблекрушений, в которых гибло 894 человека. Не могу сказать, насколько эта цифра сопоставима (в пересчете на тонно-мили или вес перевезенных грузов) с жертвами среди современных дальнобойщиков, но общественность была взбудоражена и парламент созвал специальный комитет для выяснения причин катастроф на море. Изучив обширный материал и заслушав массу свидетельств, комитет пришел к выводу, что за вычетом малозначимых факторов основные причины крушений сводились к следующему списку:

— дефекты конструкции судов;

— неподходящее снаряжение;

— несовершенство ремонтных процедур.

Было объявлено, в частности: «Недостатки конструкции судов во многом являются следствием системы классификации (то есть правил производства и ремонта застрахованных кораблей), которую в период с 1798 по 1834 год осуществляло общество Ллойда».

Также, согласно выводам комитета, правительственная система регламентирования тоннажа способствовала вводу в эксплуатацию судов, корпуса которых малопригодны к плаванию. Воистину бюрократия одинакова во все времена.

Положа руку на сердце, следует сказать, что нормативные требования к прочности и безопасности судов или любых других конструкций — вопрос чрезвычайно сложный. Несомненно, что с 1830-х годов ситуация несколько изменилась к лучшему. С другой же стороны, множество технических усовершенствований удалось с успехом предотвратить как раз благодаря введению строительных нормативов. Как отмечает Пагсли в книге «Безопасность конструкций», в принципе невозможно придумать нормативы по прочности конструкций с «защитой от дурака», не перекрыв при этом путь развитию и инновациям или как минимум не помешав им. Законодательные требования к надежности сооружений, возможно, и нужны, но некоторые из них мало того что бесполезны, так еще и являются в некоторых случаях непосредственной причиной катастроф.

Но вернемся к деревянным кораблям. В лету канули прекрасные клиперы, маленькие бриги, топсельные шхуны и бригантины, а верфи, которые строили их, ныне выпускают яхты. Проблемы конструкции деревянных яхт в сравнении с проблемами больших судов прошлого одновременно и более, и менее серьезны. Яхты, конечно же, не сажают на мель на галечном пляже с грузом кирпичей или угля, зато их тонкие корпуса часто подвергаются более суровым испытаниям — локальным ударным нагрузкам, на которые они совсем не рассчитаны.

В наши дни с ростом популярности длительных морских путешествий на малых яхтах вопрос противодействия корпусов ударным нагрузкам стал особенно актуальным. Яхты, ходящие по «глубокой воде», все чаще подвергаются атакам косаток. Эти животные весом в 6 тонн, развивающие скорость до 30 узлов, почему-то питают особую неприязнь к маленьким яхтам и часто таранят их, оставляя пробоины ниже ватерлинии. Нападения стали происходить с такой частотой, что их нельзя уже списывать на проявления «воли божьей» (в данном случае, вероятно, Посейдона), а нужно расценивать как серьезную опасность и принимать какие-то меры.

Усиливать толщину и повышать прочность бортов маленькой яхты — не самый целесообразный способ. Наиболее оптимальный вариант — снабдить яхту неким надувным сооружением, которое помогло бы ей в случае возникновения пробоины остаться на плаву (а желательно еще и на ходу). До сей поры выжившим после нападений косаток удавалось спастись на надувных лодках, дожидаясь спасения по несколько дней или недель, что, конечно, нельзя назвать приятным времяпрепровождением.

Крушений пароходов зафиксировано меньше, чем крушений парусных судов — просто потому, что самих пароходов было меньше. Тем не менее за период с 1817 по 1839 год в британских водах случилось 92 крупные катастрофы. Из них 23 произошли по причине взрыва паровых котлов. Это количество не идет ни в какое сравнение с рекордами аварийности пароходов в США несколькими годами позже, но цифры все равно впечатляют.

Паровые котлы иногда изготавливали из неподходящих материалов, например чугуна. Зафиксирован как минимум один, вполне предсказуемый, взрыв такого котла на пароходе под названием «Норидж», унесший жизни нескольких человек. Котлы, сделанные из более подходящего материала, ковкого железа, часто не получали должного обслуживания и ржавели до дыр, пока не взрывались. Именно это произошло с пароходом «Форфаршир» у архипелага Фарн в 1838 году. Пятерых выживших, проявив удивительное мужество, спасла девушка по имени Грейс Дарлинг [127].

Как водится, был учрежден специальный парламентский комитет. В 1839 году по итогам своей работы он произвел на свет отчет, который представлял собой сколь обширный, подробный и обстоятельный, столь же и невероятный документ. В годы бума парового судоходства найти хотя бы трезвых (не говоря уже о компетентных, ответственных или разумных) машинистов для работы в машинном отделении было крайне сложно даже за большие деньги. К двигателям и паровым котлам эти люди относились с таким пренебрежением и безалаберностью, которая переходила все мыслимые границы. К примеру:

На пути из Ирландии в Шотландию капитан парохода обнаружил, что судно движется (в ночное время, при слабом волнении) со скоростью намного выше обычной. Судового механика на посту не оказалось, поэтому капитан обратился за разъяснениями к кочегару. Тот ответил, что не знает, по какой причине судно движется так быстро, пара мало, но он топит изо всех сил. Капитан принялся осматривать машинное отделение и обнаружил у топки, в том самом месте, где расположены предохранительные клапаны, крепко спящего человека, который вместе с некоторым багажом изловчился залезть туда, чтобы отдохнуть в тепле. Вес большей части его тела приходился на большой плоский утяжелитель клапана в форме головки сыра. После того как человека разбудили и прогнали вон, клапан поднялся и пар с грохотом вышел, что указывало на изрядное давление в котле.

В машинном отделении отсутствовал ртутный манометр для определения давления пара, и кочегар привык разводить пары до предела, ориентируясь на срабатывание клапана. В этот раз, не слыша звука выпускаемого из клапана пара, он продолжал топить, будучи уверен в слабом давлении, несмотря на то что по увеличившейся скорости судна должен был заподозрить неладное.

Многие наши корреспонденты отмечают, что механики, кочегары и даже капитаны были неоднократно замечены в том, что садились, вставали и подвешивали грузы на клапаны, чтобы предотвратить их срабатывание и тем самым поднять давление пара при запуске машины.

Далее в отчете говорится, что на клапаны также укладывали резервный запас бункерного угля. Именно по этой причине взорвался котел на пароходе «Геркулес». В общем, остается только изумляться, что за исследуемый в отчете период от взрывов паровых котлов на британских пароходах погибло всего 77 человек.

Статистика несчастных случаев на железных дорогах была в общих чертах столь же плачевной в силу тех же самых причин. XIX век был отмечен периодом весьма серьезных аварий длиной в 80 лет. Последняя из них относится к 1909 году: котел паровоза взорвался, хотя манометр показывал нулевое давление. Оказалось, что клапан смонтировали из рук вон плохо и он просто был не способен сбрасывать давление, а датчик стоял на нуле потому, что стрелка совершила полный оборот и уперлась в нулевой ограничитель с другой стороны. В итоге три человека погибли, а еще трое получили тяжелые увечья.

В последние годы взрывы котлов, к счастью, случаются все реже. Отчасти причина в том, что за их эксплуатацией тщательно следят надзорные органы и страховые компании, однако в большей степени сокращение количества аварий объясняется тем, что в наши дни паровые агрегаты используются все реже, а оставшиеся находятся на крупных предприятиях, таких как электростанции, и обслуживаются квалифицированным персоналом.

А что если котел — это не котел? Вот интересный вопрос с точки зрения нормативного регулирования. Существует огромное множество сосудов под давлением самого разного фасона, которые используются в самых разных производственных процессах. Множество из них имеют гораздо менее привычную и более сложную конструкцию, чем обычные котлы, и опасность, которую они могут представлять, не вполне очевидна. Да и контроль за производством таких агрегатов, как правило, не так строг, как за производством обычных паровых котлов. Тем не менее многие из них заполняются технологическим паром или маслом под давлением, и последствия разрыва могут быть крайне серьезными. Полезно иметь в виду, что предел усталости сварочного шва в конструкциях из мягкой стали под действием влажного пара составляет всего ± 20 МН/м2.

В одном из случаев, профессионально коснувшемся меня лично, два больших барабана для покрытия бумаги пластиковой пленкой переоборудовали с подогрева маслом низкого давления на подогрев технологическим паром более высокого давления. Для пущей надежности страховой инспектор настоял на том, что конструкцию необходимо «укрепить» и приварить плоские торцевые пластины барабана к цилиндрической поверхности с помощью треугольных косынок или скоб, вырезанных из листа мягкой стали.

Спустя весьма непродолжительное время после перевода на паровой нагрев оба барабана взорвались. По чертежам я насчитал в обоих устройствах 48 различных мест, в которых должно было случиться разрушение. Признаю, что мой расчет оказался излишне пессимистичным — разрушение произошло только в 47 из них. Благодарение богу, никто не погиб и серьезно не пострадал, но страховой инспектор, конечно, подложил свинью, хотя, без сомнения, был старательным и прилежным мелким служащим.

Другой случай был трагическим. Фирма-подрядчик, занимавшаяся поставками химического оборудования, приобрела смесительную емкость для монтажа на объекте заказчика. Поскольку емкость предполагалось нагревать маслом под давлением, рубашку обогрева предварительно испытали холодной водой под давлением. Рубашка выдержала давление в 4,5 атмосферы без видимых повреждений. Однако, когда объект был принят в эксплуатацию и рубашку заполнили маслом с температурой 280 °C под давлением 1,5 атмосферы, она взорвалась, и находившийся рядом рабочий получил тяжелейшие ожоги и скончался через несколько дней в больнице.

Согласно отчету следствия, инцидент произошел исключительно вследствие преступной халатности моих клиентов, инженеров-химиков. В результате эти люди оказались вовлечены в изнурительный и дорогостоящий судебный процесс.

На самом же деле официальный отчет был основан на ошибочных выводах по итогам исследования обломков злосчастной конструкции. Смесительная камера взорвалась не потому, что мои клиенты нарушили правила эксплуатации, а вследствие изначально неграмотной конструкции емкости и топорных методов производства. Хотя технические причины, приведшие к аварии, были довольно сложны, и мои клиенты, и производители посчитали конструкцию совершенно тривиальной. В действительности ее толком и не проектировали, а сварили на глазок, буквально в гаражной мастерской.

А произошло следующее. Во время испытаний жизненно важные швы рубашки обогрева оказались сильно повреждены, чего никто вовремя не заметил. Они были настолько близки к стадии разрушения, что всего нескольких циклов поочередного понижения и повышения давления жидкости хватило, чтобы вызвать усталостное разрушение с катастрофическими последствиями. Компетентный и опытный инженер должен был осознавать подобные риски. С точки зрения закона и справедливости вина лежит на тех, кто изготовил емкость, однако же мне трудно избавиться от мысли, что опасность должны были предвидеть и мои клиенты, компетентные инженеры химико-технологической компании. Однажды за обедом я походя спросил директора этой фирмы:

— А сколько у вас сотрудников с инженерным дипломом?

— Слава богу, ни одного! — получил я ответ.

В 1940 году, после начала военных действий, некоторые самолеты этой модели спешно переоборудовали в боевые истребители, установив шесть пулеметов в крыле. Оригинальный вариант машины имел тросовый привод рулей, который превосходно работал и обеспечивал более мягкое, чем у истребителя, управление. В боевой версии самолета кто-то решил поменять тросовый привод на привод рычажного типа, а чтобы пропустить тяги в хвост, к рулям высоты и направления, — сделать в заднем шпангоуте прорези.

Через некоторое время произошло три аварии с трагическим финалом, в каждой из которых у модифицированного самолета отваливался хвост. Когда мы поместили фюзеляж самолета на испытательный стенд, то обнаружили, что его прочность составляет всего 45% от максимальной критической нагрузки. Мораль ясна…

Более известный инцидент, относящийся к этому же разряду и приведший к огромному количеству жертв, произошел с транспортным судном «Биркенхед». Это судно с металлическим корпусом начало свой путь в 1846 году как боевой корабль, вполне прочный и снабженный достаточным количеством герметичных переборок. Когда его решили превратить в судно для перевозки войск, министерство обороны настояло на том, чтобы в поперечных переборках [128] были проделаны большие отверстия — для лучшего доступа света и воздуха, а также более комфортного размещения солдат.

В 1852 году «Биркенхед» отправился в Индию маршрутом в обход Африки мимо мыса Доброй Надежды, с 648 пассажирами на борту, в том числе 20 женщинами и детьми. Из-за ошибки лоцмана судно налетело на скалу в 4 милях от южноафриканского побережья. В носовой части образовалась пробоина, а поскольку переборки были убраны, то носовые отсеки затопило настолько быстро, что многие солдаты утонули прямо в гамаках (дело было в 2 часа ночи).

Под весом воды затопленная носовая часть судна отломилась и практически мгновенно затонула, а оставшиеся в живых собрались на корме, которая погружалась медленнее. Стояла темная ночь, море кишело акулами, спасательных шлюпок не хватало. Солдаты проявили удивительное мужество и дисциплину — женщин и детей отправили на берег в первую очередь, и все они спаслись. Из солдат выжили лишь 173 человека, остальные либо утонули, либо были съедены акулами.

Самое очевидное последствие прорезывания дыр в переборках — быстрое затопление множества отсеков корабля, в чем и состояла первоочередная причина катастрофы. Однако людей погибло бы гораздо меньше, если бы корабль не разломился пополам, что, в свою очередь, тоже произошло, как минимум отчасти, из-за отверстий в переборках, так как прочность корпуса существенно снизилась.

Гибель «Биркенхеда» немедленно стала примером мужества и героизма, и вполне заслуженно. Когда новости дошли до Берлина, король Пруссии приказал зачитать их перед войсками. Вероятно, было бы еще лучше, если бы он приказал своему военному ведомству не вмешиваться в работу инженеров и конструкции военных кораблей — материю, в которой солдаты разбираются далеко не всегда.

По словам выдающегося корабельного инженера Кеннета Кловза Барнаби [129], представление о том, что свободное пространство на транспортных судах важнее безопасности, господствовало довольно продолжительное время. В 1882 году судовладельцы жаловались, что, когда по требованию Адмиралтейства они ставили дополнительные переборки, военные отказывались принимать корабли из-за тесноты отсеков.

Иногда такое «усиление» не имеет особого значения, но в некоторых случаях бывает крайне опасно. В самолетостроении вес летательного аппарата обычно непрерывно увеличивается, начиная с этапа чертежей. Лишний вес конструкции приводит к сокращению запаса топлива и полезной нагрузки. Помимо того что увеличивается вес самолета, его центр тяжести при этом смещается в сторону задней части. Иными словами, вес хвоста самолета увеличивается непропорционально относительно веса остальных частей машины. Когда центр тяжести оказывается в хвосте, летные характеристики самолета заметно ухудшаются, возрастает риск срыва в штопор, из которого пилот уже не в состоянии выйти. Парадоксально, но многие самолеты, в том числе очень известных моделей, всю свою жизнь летают со свинцовым балластом в носовой части для компенсации этого эффекта. Излишне пояснять, что это не очень здоровая практика.

В кораблестроении последствия перевеса столь же, а возможно, даже более нежелательны. Мало того что почти все суда оказываются тяжелее, чем было задумано по проекту, в этом случае центр тяжести смещается не в продольном направлении, а вверх. Остойчивость судна, то есть его способность плыть правильно, а не вверх тормашками и не на боку, зависит от так называемой метацентрической высоты — вертикального расстояния между центром тяжести судна и загадочной, но важной точкой под названием метацентр. По ряду причин метацентрическая высота даже очень большого судна составляет совсем небольшую величину — полметра, а то и меньше. Таким образом, если центр тяжести сместится вверх всего на 5–10 сантиметров, метацентрическая высота сократится довольно существенно, что гибельно скажется на судне. Иногда суда переворачивались прямо при спуске на воду, и вряд ли начальники верфей, или кто там отвечает за перевес, испытывали угрызения совести за это.

В главе 11 мы упоминали катастрофу броненосца «Кэптен». Вся противоречивая история этого несчастного судна носит политический характер, и пожалуй, мало катастроф на море имели такие далекоидущие исторические последствия. «Кэптен» представляет собой важную веху в развитии военного парового судоходства, а возможно, и самой концепции «мирового господства». Историки, которые зачастую мало что смыслили в судостроении, часто обвиняли Адмиралтейство в излишней медлительности при переходе от парусных судов к паровым. Иногда это были те же самые историки, что громче всех кричали об «империалистической экспансии».

Следует иметь в виду, что до самого последнего времени благодаря ненадежности двигателей, высокому расходу угля и малой дальности плавания военные паровые корабли вне пределов своих территориальных вод сильно зависели от сухопутных баз и колоний. Поэтому осуществление «мирового господства» при помощи парового флота требовало совсем другой стратегии и логистики, нежели в эпоху парусников. Именно из этих соображений Адмиралтейство до последнего настаивало на сохранении полного парусного вооружения на броненосцах в дополнение к двигателям.

Трудности применения парусов на новых паровых броненосцах были связаны не с паровыми двигателями как таковыми, а с появившимся в XIX веке новым вооружением и новой броней. Башенные артиллерийские орудия требовали большого угла обстрела и имели значительный вес, а броня весила еще больше. Совмещение угла обстрела и хорошей остойчивости, да еще и на всех парусах, представляло собой очень сложную инженерную задачу, и в 1860-е годы Адмиралтейство по понятным причинам предпочитало действовать осторожно. Если бы им позволили продолжать в том же духе, история пошла бы совсем по другому пути.

Все карты спутал некий капитан Купер Фипс Кольз. Это был весьма умный человек, обладавший исключительным полемическим талантом и умением вести публичную деятельность. Он изобрел орудийную башню собственной конструкции и задался целью убедить Адмиралтейство построить для нее особый корабль — с полным парусным вооружением, а стало быть, и с неограниченной дальностью плавания. В свою невиданную «пиар-кампанию» Кольз умудрился вовлечь не только Адмиралтейство, но и обе палаты парламента, королевскую семью, главного редактора «Таймс» и практически весь британский истеблишмент.

Устав от обвинений в реакционности со стороны половины печатных изданий страны и большей части политиков, Адмиралтейство сдалось. Они сделали то, чего никогда не делали в прошлом и уж точно не сделают в будущем — позволили морскому офицеру, не имевшему никакой квалификации в кораблестроении, спроектировать собственный «личный» броненосец и построить его за государственный счет!

Корабль был построен на верфи «Лэрдз» в Биркенхеде под личную ответственность Кольза и не проходил никаких положенных по такому случаю испытаний. Строительство сопровождалось яростными спорами, поношением со стороны недоброжелателей и руганью. Большую часть времени сам Кольз не мог присутствовать на работах, так как болел и сидел дома на острове Уайт. В результате всего этого балагана вес судна получился на 15% больше заложенного в проекте. Если бы не это, у корабля были бы хоть какие-то шансы уцелеть.

Как бы то ни было, «Кэптен» имел слишком низкую осадку и слишком высокий центр тяжести. Последующие расчеты показали, что для опрокидывания достаточно было крена свыше 21 градуса. Тем не менее в 1869 году корабль был с большой помпой спущен на воду и совершил два дальних похода — к глубокому удовлетворению газеты «Таймс» и первого лорда Адмиралтейства, который даже пристроил в корабельную команду собственного сына-мичмана. Казалось, проблема мирового господства была практически решена, а о таких мелких неприятностях, как базы для дозаправки углем, можно забыть.

В 1870 году, следуя из Гибралтара во время третьего плавания, «Кэптен» неожиданно перевернулся во время сравнительно небольшого шторма в Бискайском заливе. Потери составили 472 человека — больше, чем погибло в Трафальгарской битве. Среди погибших был сам Кольз и тот самый сын первого лорда Адмиралтейства. Из всей команды уцелели лишь 17 матросов и один офицер.

Гибель броненосца «Кэптен» стала хоть и не единственным, но мощным фактором, ускорившим переход британского флота от парусов к паровым двигателям и к запрету полного парусного вооружения на броненосцах. Помимо сугубо технических инцидент имел огромные политические последствия. Напомним, что Суэцкий канал, открытый незадолго до спуска на воду «Кэптена», изначально принадлежал Франции. В 1974 году Дизраэли [130] выкупил акции канала для Великобритании, и строительство баз снабжения флота по всему миру было объявлено политической необходимостью. Хотя вся история крушения броненосца «Кэптен» весьма запутанна, непосредственной причиной трагедии стала убежденность конструкторов в том, что мачты должны обладать повышенной прочностью, невзирая на вес. Этот случай представляет собой один из многочисленных примеров, когда катастрофа имела конструктивные причины, хотя ничего и не сломалось.

Если частота аэродинамических воздействий от завихрений совпадет с частотой собственных колебаний препятствия, амплитуда колебаний может усилиться, пока что-нибудь не сломается. Именно из-за этого, а не из-за скорости ветра как таковой ломаются деревья во время бури. Примерно то же самое, хотя и в более сложной форме, происходит с самолетами и висячими мостами. Чтобы предотвратить подобные разрушения, необходимо обеспечить достаточную жесткость конструкции, особенно в кручении. Как уже отмечалось выше, именно требования к жесткости при кручении определяют дизайн и вес конструкции при проектировании современных летательных аппаратов.

Несмотря на то что мост Телфорда через пролив Менай сильно пострадал от вызванных ветром колебаний практически сразу после завершения строительства, инженерам потребовалось 100 лет, чтобы осознать опасность этого феномена. Классической можно считать катастрофу моста Такома-Нэрроуз в 1940 году в США. Этот мост с пролетом 840 метров был сооружен без соблюдения должного уровня жесткости в кручении, вследствие чего начинал шататься даже при небольшом ветре и был прозван местными жителями «Галопирующая Герти». Простоял он недолго, и в очередной раз при скорости ветра всего 19 метров в секунду шатания и колебания моста закончились катастрофой. По счастью, у одного из свидетелей была с собой кинокамера, и события оказались запечатлены для истории. Деньги, потраченные оператором на покупку пленки для той съемки, стали хорошей инвестицией — с тех пор его фильм постоянно демонстрируют практически в каждом техническом вузе мира (илл. 20).

В результате современные мосты имеют достаточную жесткость, особенно в кручении. Как и в конструкции самолета, требования к жесткости моста значительно увеличивают его вес. К примеру, на Севернском мосту (см. илл. 12) проезжая часть выполнена в виде огромной приплюснутой шестигранной трубы, сделанной из листов мягкой низкоуглеродистой стали. Во время строительства секции трубы частями подвозили по реке и сваривали в единую конструкцию уже на месте.

Сейчас довольно модно рассуждать о том, что такие недосмотры относятся к категории вещей, за которые людей нельзя осуждать — дескать, они «старались как могли» или являются жертвой своего окружения, воспитания, социальной системы. Однако такой проступок подпадает под непопулярное сейчас понятие «греха». За долгие годы моей профессиональной карьеры, потраченные (или растраченные) на изучение прочности материалов и конструкций, мне довелось расследовать множество инцидентов, иногда с трагическим концом. Я вынужден констатировать, что лишь об очень малой их части можно сказать, что они просто «случились», не давая моральных оценок. В девяти случаях из десяти такие события были вызваны не какими-то загадочными техническими причинами, а старыми добрыми человеческими грехами, часто граничащими с беззаконием.

Безусловно, речь идет не о таких великих грехах, как убийство, крупномасштабное мошенничество или прелюбодеяние. Причинами техногенных катастроф становятся более жалкие и ничтожные грехи вроде халатности, лености, «не-хочу-учиться-и-не-буду-спрашивать», «не-учите-меня-делать-мою-работу», гордыни, зависти и алчности. Несмотря на то что в нашей стране есть прекрасные проектные коллективы, существует огромное количество фирм, совершенно некомпетентных технически, я бы даже сказал, преступно некомпетентных. Многие владельцы этих фирм выросли из рядовых рабочих и по совокупности различных причин, включающих гордыню и скупость, остро реагируют на любые рекомендации воспользоватьсяпрофессиональной помощью или нанять квалифицированный персонал.

По моему опыту, лишь незначительная часть инцидентов, которые случаются каждую неделю, попадает в газеты. Большинство из них связаны с недостатком профессионального внимания и компетентности. При этом я сильно сомневаюсь, что решение проблемы нужно искать в ужесточении нормативного регулирования. Мне кажется, ключ в общественной информированности и общественной убежденности, что такие «ошибки» неприемлемы с нравственной точки зрения. Для примера: человека, который просверлил лишнюю дыру в деревянном лонжероне крыла и заделал ее, никому не сказав, присяжные признали невиновным — видимо, они сочли его нравственный проступок незначительным.

Необходима широкая огласка. Но трудность тут в законах о клевете. В большинстве случаев, если истинные причины аварии становятся достоянием гласности, кому-то приходится краснеть, страдает чья-то деловая и профессиональная репутация. Большинство практикующих инженеров прекрасно это знают и поэтому вынуждены либо сидеть тихо, либо нести серьезные потери. Нам нужно какое-то решение, чтобы обойти это препятствие, потому что общественные интересы требуют огласки инцидентов и профессиональных ошибок.

Хотя львиная доля происшествий, связанных с авариями конструкций, происходит в темном мире мастерских на задворках гаражей и мы мало что знаем о них, случаются крупные катастрофы, которые на время занимают первые полосы газет. К таким относится обрушение моста через реку Тей в 1879-м, гибель «Кэптена» в 1870-м и крушение дирижабля R101 в 1930 году. Эти катастрофы густо замешены на политике и человеческом факторе — амбициях и гордыне. За гибель «Кэптена» поплатились те самые два человека, которые были в наибольшей степени ответственны за проект, один заплатил собственной жизнью, а второй — жизнью сына. К сожалению, погибло еще множество невинных людей.

Катастрофа дирижабля R101, который столкнулся с землей и сгорел в 1930 году в окрестностях Бове во Франции, в своей основе очень похожа. Подробный рассказ о ней приведен в книге Невила Шюта «Логарифмическая линейка». Непосредственной технической причиной крушения стал разрыв ткани внешней оболочки, которая, по всей видимости, стала слишком хрупкой из-за неподходящей химической обработки. Истинными же причинами были гордыня, зависть и политические амбиции. Министр авиации лейбористского правительства лорд Томпсон, который курировал проект и отвечал за него, во время аварии дирижабля заживо сгорел вместе со своим камердинером и командой в полсотни человек.

Рассказ Невила Шюта о событиях, постепенно ведших к катастрофе, удивительно совпадает по ощущениям с моими наблюдениями в других аналогичных случаях. Обращает на себя внимание неизбежность происходящего. Из-за гордыни и политических дрязг внимание концентрируется на рутинных мелочах, а общее инженерное видение картины теряется. Все предприятие неотвратимо катится к катастрофе. Так исполняется воля Зевса. Люди не становятся менее подвержены человеческим слабостям, хорошо исследованным в классической литературе и богословии, только потому, что оперируют техническими приспособлениями. Многие обстоятельства этих катастроф своим драматизмом и предопределенностью беды роднят их с греческими трагедиями. Возможно, было бы лучше, если бы справочники и учебники писали люди вроде Эсхила и Софокла, не особо склонные к гуманизму.

Глава 16

Эффективность и эстетика,

или Мир, в котором нам жить

— Почему вы не принимаете мистера Смита, господин президент?

— Мне не нравится его лицо.

— Но бедолага ничего не может сделать со своим лицом!

— Каждый человек старше сорока способен сделать что-нибудь со своим лицом.

Приписывается Аврааму Линкольну

Когда-то я работал в лаборатории по производству взрывчатки. Естественно, вход на территорию посторонним был строго запрещен — они ведь могли не только стащить взрывчатку и выгодно ее продать, но и просто взорвать все к чертовой матери. Территория патрулировалась вооруженными охранниками, полицейскими собаками, была обнесена колючей проволокой, оборудована сигнализацией и всеми возможными устройствами, которые только могла придумать служба безопасности.

Многие современные взрывчатые вещества изготавливают на основе нитроглицерина, который уже сам по себе является крайне опасным веществом не только для работы с ним, но даже для хранения. Малейшая фамильярность при обращении с нитроглицерином, например встряхивание бутылки, способна вызвать детонацию с самыми огорчительными последствиями. Обычные, более «благонадежные» взрывчатые вещества вроде динамита содержат большое количество нитроглицерина, который для безопасной работы с ним стабилизирован при помощи различных добавок, созданных за многие годы такими отважными учеными, как Абель [133] и Нобель. Тем же, кто вынужден работать с чистым нитроглицерином, приходится предпринимать просто фантастические меры предосторожности. Опасность столь велика, что такие сотрудники довольно часто страдают нервными срывами. Лаборатории, где работают с чистым веществом, физически отделены от остальных зданий насыпями и открытым пространством, а персонал носит специальную одежду, в том числе сапоги с мягкой подошвой, которая не создает статического электричества.

Однажды в воскресенье местная ребятня умудрилась пролезть под оградой и пробраться на территорию, избежав внимания охранников и собак. Не встретив никаких препятствий, они вломились в одну из нитроглицериновых лабораторий, ничего интересного там не обнаружили и, перевернув для потехи бутылки и мензурки с нитроглицерином и прихватив несколько пар сапог, ретировались тем же путем, что и пришли (кстати, никто этот лаз так и не обнаружил).

Это совершенно правдивая, невыдуманная история. Мне кажется, она представляет собой хорошую притчу и аллегорию. Возможно, все наши инженеры, строители, бюрократы и передовая братия — не более чем дети, играющие в ангаре нитроглицерином, не отдающие себе отчет в том, что в любую минуту все вокруг может взлететь на воздух. Безусловно, очень полезно добиваться эффективности и работоспособности вещей и удовлетворять материальные нужды (хотя наши материальные нужды гораздо скромнее, чем мы привыкли думать). Однако у людей есть и гораздо более тонкие потребности, игнорирование которых может привести к социальным взрывам.

Поэтому иногда мне просто страшно слушать коллег-инженеров. Они не только не придают значения эстетическим последствиям своей работы, но сами мысли об этом считают не более чем баловством. Мне же кажется, что чем больше мы наращиваем материальное благосостояние, тем сильнее риск катастрофы, если люди не смогут удовлетворять свои эстетические нужды.

Когда я учился, то часто сбегал с лекций и в поисках глотка свежего воздуха виновато крался в местный музей. Ух и много же занятий я прогулял, разглядывая полотна в Художественной галерее Глазго!.. Без сомнения, музеи полезны, но они — лишь своего рода жалкая базовая необходимость, убежище в отчаянии, вызванном сухостью лекций по алгебре или всепроникающим убожеством городов вроде Глазго.

Безусловно, для аккуратного и мещанского образа мыслей управленцев очень комфортна концепция организации искусства в «отдельных коробочках» — музеях и театрах. Весьма примечательно, что дивные новые миры а-ля «1984» добавили к этим коробочкам еще и оперу с балетом. Такие формы «высокого искусства» имеют очень ограниченное воздействие на жизнь отдельного человека. Такие убежища не могут заменить непрерывной эстетически комфортной среды. Большинство из нас находят своего рода отдохновение на природе, однако мы смирились с тоской существования в большом городе с его фабриками, заправками, аэропортами и массой других малоприятных вещей, среди которых вынуждены проводить свои дни. Возможно, рыба, помещенная в грязную воду, рано или поздно привыкнет к ней, но человек в таких условиях склонен к бунту.

Как писал Сэмюэл Батлер [134], «мы миримся с грехами, к которым склонны, и проклинаем те, о которых не имеем понятия». А еще, по словам Макнила Диксона, «каков контраст между Средними веками, этим уникальным периодом европейской истории, и веками Ренессанса. Как различны взгляды на мир, как противоположны системы верования в эти эпохи! При этом в каждом случае универсальная доктрина считалась верной и непогрешимой. Каждая из эпох почитала свои взгляды истинными и единственно возможными для разумного человека» [135]. Когда дело касается серьезных вещей, каждая эпоха консервативна. Сегодня мы, будучи материалистами, ужасаемся, как наши предки могли мириться с чудовищной бедностью и причинять друг другу столько боли. Однако эти же самые предки были бы в ужасе от того, как мы терпим миллионы себе подобных в свинарниках вроде Лондона или Нью-Йорка, — они, наверное, полагали бы, что нам платят огромные деньги за то, что мы работаем на наших дьявольских фабриках и заводах и терпим грохот и смрад. Даже чистые «медицинские» интерьеры современных больниц только усилили бы у них страх перед смертью. Многие из нас ищут облегчения и утешения за городом, в деревне — при первой возможности мы сбегаем туда, поскольку природа нам милее, чем города, дороги и фабрики. Многие действительно верят в то, что природа сама по себе прекрасна и несет в себе какое-то имманентное добро. В своем крайнем проявлении такие взгляды приводят к чему-то вроде пантеизма, как у Мередита [136] в «Лесах Уэстермейна». Мне же кажется, что если мы отбросим романтические предрассудки, то придем к выводу, что природа столь же нейтральна эстетически, сколь она нейтральна морально. Горы, озера и закаты — все это прелестно, но, например, море — штука довольно противная и весьма грозная. Дремучий девственный лес, насколько я могу судить, — место очень страшное. Большинство современных европейских пейзажей далеки от «природности». Травы и деревья, которые разрешено высевать, прошли тщательный отбор, а многие растения выведены искусственно — точно так же, как и животные. Планы рассадки культур, сама «разметка» из полей, лесов, изгородей и деревень, не говоря уже об ирригации и мелиорации — результат деятельности человека.

До XVIII века, когда ландшафт был более диким, приличные люди природы боялись — она ассоциировалась у них не только с физическим дискомфортом, но с самим первобытным Паном. Для этих людей обитаемыми и привлекательными местами были города, а «загород» — негостеприимным и уродливым. Сегодня, когда мы воспеваем образ милой английской деревни, то восторгаемся искусственным ландшафтом, созданным цивилизованными и хорошо образованными землевладельцами XVIII века.

По мере того как деревня становилась убежищем эстетики, города теряли свою привлекательность. Сетуя на современные английские города, мы сетуем на то, что сделано руками мещан-реформаторов, мещан-инженеров, архитекторов и бизнесменов, маленьких серых человечков из городских советов и серых человечков побольше — из парламента. Если говорить об их грехах, мало просто сказать, что они не ведают, что творят, ибо то, что мы творим, заложено в нашей природе (как понимал Платон). По крайней мере сомнительно, что сельская местность привлекательнее города потому, что она более «естественна». Причина в том, что деревня и город — продукт деятельности совершенно разных людей. Главное — увидеть уродство как оно есть, а не принимать его за естественный порядок вещей.

Мы действуем так, как нам присуще. В мире, который неразумно поклоняется разуму, мы забываем, что человеческое сознание подобно айсбергу. Его весьма малая видимая, или сознательная, часть находится сверху и опирается на подсознательную, которая намного больше.

Я очень четко отдаю себе отчет, что касаюсь сферы искусства, философии и психологии, и квалификация моя в предмете слишком ничтожна, чтобы вторгаться на территорию, куда боятся ступать даже светила художественной критики. Могу ответить лишь тем, что необходимость не знает законов, что современная созданная человеком среда безобразна, что абсолютное отчаяние толкает меня, кораблестроителя-неудачника, посметь возвысить свой голос. Мне представляется важным, чтобы некое суждение об эстетике в технике и инженерном деле технарям и инженерам выдвинул один из них, человек из их среды, каким бы некомпетентным оно ни было. Тут я полагаюсь на Афину и Аполлона — пусть их милостью кто-нибудь более грамотный, чем я, примет эстафету и продолжит это дело лучше меня.

Давайте начнем с того, что рассмотрим процесс эстетического восприятия, то есть почему мы реагируем на некий неодушевленный объект так, а не иначе. В нашем подсознании мы храним огромный запас «забытых воспоминаний» и потенциальных реакций. Этот материал частично наследуется генетически из далекого прошлого («коллективное бессознательное» по Юнгу), а частично накапливается в ходе нашей собственной жизни через забытый, иногда неприятный опыт. Наши чувства — зрение, слух, обоняние, осязание — передают в мозг куда больше информации об окружающей действительности, чем может принять и обработать сознание. Эти данные постоянно регистрирует подсознание, его «детекторы» фиксируют каждую форму и каждую линию, каждый контур и каждый запах, каждую поверхность и каждый звук. Мы можем совершенно не осознавать этого процесса, однако он происходит все время, формируя субъективный эмоциональный опыт, хороший или плохой.

Это в какой-то степени объясняет то субъективное влияние и реакцию, которые у нас вызывают неодушевленные предметы, а в контексте нашего разговора — артефакты. Артефакты делают люди, которые на каком-то этапе определяют форму и конструкцию этих предметов.

Невозможно произвести на свет предмет, не сделав при этом высказывания. Даже прямая линия говорит: «Смотри, я прямая, я не кривая». Даже простейший артефакт несет в себе целый набор людских высказываний.

Как не может быть абсолютно объективного опыта, не может быть и абсолютно объективного, не имеющего никаких коннотаций, высказывания. Это справедливо и по отношению к словам, музыке, цвету, форме, линии, текстуре, и по отношению к тому, что инженеры называют дизайном.

Здесь мы переходим от того, что можно назвать «процессом восприятия эстетики», к «процессу передачи эстетики», иными словами — каким образом предметы проектируются именно так, а не иначе. Что такое особенное вкладывает в предмет производитель или проектировщик, что производит то или иное эстетическое воздействие? Короткий и наиболее общий ответ — свой характер и свои ценности.

Таким образом, все, что мы делаем и производим, почти всегда несет на себе отпечаток нашей личности, послание на языке, понятном только на подсознательном уровне. Например, наш голос, наш почерк или наша походка весьма характерны, их очень трудно замаскировать или, наоборот, скопировать. Это явление не сводится только к таким простым примерам. Как-то темным вечером моя яхта стояла на якоре на одном из отдаленных шотландских озер. Неожиданно из-за мыса, в трех-четырех милях от меня, показалась другая яхта, которую я раньше никогда не видел и о которой не имел понятия, чья она. Хотя издали было совершенно невозможно определить ее название или узнать кого-то из команды, я сразу сказал жене: «Этой яхтой точно управляет профессор Том». Так оно и оказалось. То, как человек правит парусной яхтой к ветру, столь же индивидуально, как его голос или почерк, — стоит увидеть это однажды, и уже не спутаешь. Точно так же можно сказать и о манере управлять легким самолетом, она тоже безошибочно передает отпечаток характера. В живописи и графике даже работа любителя скажет о нем самом больше, чем о том, что он рисовал, и для того, чтобы достоверно имитировать манеру другого художника, требуется невероятное мастерство. А поскольку сложно провести четкую границу между живописью, рисунком и проектированием или инженерным дизайном, практически любое изделие несет в себе что-то от своего создателя.

Это утверждение справедливо не только по отношению к индивидуумам, но и по отношению к обществам. Археологи обычно могут датировать артефакты, например осколки керамики, с точностью до нескольких лет по «стилистическим» признакам. Пройдясь по Помпеям или Геркулануму, вы получите удивительно полное ощущение понимания жизни их обитателей. Речь идет не о конкретных технологиях, например водопроводе; это ощущение никогда не сможет передать сколь угодно большой массив фактических исторических данных. Во всяком случае, пока такой тип «узнавания» недоступен для компьютера, и пройдет еще много времени, прежде чем он этому научится.

Недавно я выпивал с одним весьма уважаемым коллегой. В ходе разговора я бросил (допускаю, что опрометчиво и высокомерно): «Эти пивные банки — концентрация всего уныния и торгашества нашего технологического общества!» Мой уважаемый коллега посмотрел на меня как на дурака и ответил: «А в чем ты предлагаешь продавать пиво, если не в банках, — в кувшинах, в деревянных бочках, в бурдюках? Реакционер! Ты совсем с ума сошел?»

При всем уважении к моему уважаемому коллеге, он понял меня совершенно неверно. Важно не то, что ты делаешь, а как ты это делаешь. Емкости для пива прекрасны или ужасны не из-за материала, из которого они сделаны, и даже не из-за факта массовости их производства. Из чего бы они ни были изготовлены, они передают ценности тех, кто отвечал за их появление на свет. Так получилось, что наше общество не умеет делать красивые пивные банки. Боюсь, мы живем в эпоху, не отличающуюся чувством прекрасного.

Греческие амфоры красивы не потому, что в них было вино, и не потому, что сделаны из глины, а потому, что их сделали греки. В свое время амфоры были самыми тривиальными и дешевыми емкостями для хранения вина. Если бы греки делали пивные банки, возможно, в наших музеях выставлялись бы коллекции классических пивных банок и именно ими восхищались бы художники.

Я полагаю, что есть очень мало вещей, красивых или уродливых по причине своей функции [137]; вещи — это отражение своей эпохи и набора ценностей. В этом смысле XVIII век чем-то напоминает Древнюю Грецию, без сомнения, отчасти потому, что этот век всячески стремился походить на эпоху Античности. Практически все сделанное ремесленниками XVIII века несет на себе отпечаток элегантности. Это относится не только к предметам роскоши, но и к совершенно обыденным вещам, предназначенным для всех слоев общества.

Здесь возникает вопрос об «абсолютных» стандартах в эстетике. Имеют ли «мои» ценности такое же право на существование, как и «твои», несмотря на то что ты считаешь мой вкус отвратительным? Лично я полагаю, что абсолютные эстетические стандарты действительно существуют и что со сменой исторических эпох они лишь мало-помалу меняются. Современная мода на «эстетическую демократию» представляется мне извращением и нигилизмом, который в основном базируется на стремлении насолить истеблишменту. Я склоняюсь к мнению, что существует непрерывная традиция передачи ценностей в эстетике, точно так же, как и в этике. Это итерационный процесс, который происходит медленно и болезненно от эпохи к эпохе, от моды к моде и основывается, как и наука, на опыте прошлого. А как иначе можно сформировать ценности цивилизации?

Еще один дискуссионный вопрос — если принять, что классические артефакты, например греческие амфоры, красивы в некоем абсолютном смысле, осознавали ли сами греки, что их амфоры красивы? По этому поводу мне вспоминается пассаж из статьи в «Таймс», где было сказано примерно так: «Хорошая типографика должна быть прозрачной, как чистое стекло, через нее должно быть все видно, а сама она не должна отвлекать. Это скрытая красота и скрытая элегантность, которая не привлекает к себе внимания». Мне кажется, именно поэтому мы начинаем ценить многие артефакты только после того, как они вышли из употребления. Это не означает, что сами по себе они не несут абсолютной красоты.

Восемнадцатый век принес Промышленную революцию. Важно отметить, что многие из отцов этой революции были не обывателями, а тонко чувствующими людьми с отменным вкусом. Именно такими были Мэттью Болтон (1728–1809) и Джозайя Веджвуд (1730–1795). Они заработали состояния, сделали много красивых вещей и, по крайней мере эти двое, были образцовыми работодателями. Несомненно, и в этой компании были паршивые овцы, но пороки Промышленной революции коренились не в этике и культуре XVIII века, а в пошлости и алчности, которые, по моему мнению, пришли извне этой этики.

Ни оборудование для массового производства само по себе, ни продукция этого производства сама по себе не являются уродством. Одни из первых машин для массового производства — знаменитое оборудование для изготовления блоков, установленное в 1800 году в портсмутской верфи Марком Брюнелем, выглядит красиво и весьма эстетично. Это оборудование не только хорошо выглядит, оно еще эффективно работало — именно на нем автоматически изготовлены миллионы многошкивных блоков для флота во время Наполеоновских войн и много лет спустя. Эта работа сэкономила огромное количество денег — блоки стоили недешево, а на один военный корабль требовалось до 1500 штук. Некоторые из этих станков представлены в экспозиции лондонского Музея науки (илл. 21), но значительная часть все еще работают на верфи в Портсмуте и даже спустя 180 лет применяются для производства тех же блоков, которые современному флоту нужны в гораздо меньшем количестве. Не только сами устройства, но и блоки, на них сделанные, выглядят довольно неплохо (уж не знаю, согласитесь ли вы, что корабельные блоки могут быть красивыми, но на них точно приятно посмотреть).

Марк Брюнель, отец знаменитого Изамбарда Кингдома Брюнеля, был из французских эмигрантов-роялистов, и, судя по всем имеющимся у нас источникам, являлся приятнейшим господином. О нем отзывались так:

«Славный старик имел необычайно теплую для своего круга манеру вести беседу и держаться, даже одевался он как истинный французский джентльмен старого режима, поскольку придерживался старомодного, но весьма элегантного платья. При первой встрече с ним я был совершенно очарован. Что особенно привлекало в старике Брюнеле, так это широта его вкусов и любовь, или пылкая симпатия, к вещам, которых он не понимал или не имел пока возможности узнать. Более всего я был восхищен его абсолютным простодушием, наивностью, безразличием к наживе, непосредственностью и рассеянностью. Судя по всему, он жил в мире, где не водилось плутов и негодяев».

Это, бесспорно, образ не очень практичного человека, который вряд ли с легкостью нашел бы работу в современной «динамичной и преуспевающей» компании. Но его оборудование работает, делает корабельные блоки уже почти 200 лет, и оно красиво!

Великие инженеры рубежа XVIII–XIX веков заложили основы не только процветания британской промышленности, но и всей современной технологической цивилизации. Многие из этих людей обладали прекрасным вкусом. Ко времени восшествия на трон королевы Виктории общественные вкусы уже пребывали в упадке, а в 1851 году вообще достигли дна. Во время Всемирной выставки некоторые проницательные наблюдатели, например лорд Плейфер (1818–1898), отмечали, что английская промышленность теряет импульс и творческое начало. Согласно распространенному и общепринятому мнению (я бы даже сказал, догме), упадок эстетики пришел с индустриализацией и стал неизбежным следствием массового производства. Однако этот тезис не выдерживает проверки историческими фактами. Я полагаю, более уместно говорить о том, что эстетика и предпринимательство шли к упадку рука об руку благодаря отвратительным чертам британского характера и самодовольству, проявившимся в эпоху реформ [138].

Пылкие протесты представителей эстетического движения 1870–1880-х годов против проявлений уродства везде и всюду не принесли особых результатов — и не потому, что их высмеивали в опере «Пейшенс» или журнале «Панч», а скорее из-за их собственного эскапизма и неверного выбора целей. Эти «дети Марии» [139] не понимали, что причина всех бронзовых ужасов, которые они так ненавидели, коренится не в машинах, а в образе мысли. Как и многие борцы за эстетические идеалы, они предпочли противостоять технологии, а не адаптироваться к ней. Возможно, если бы они попытались освоить инженерные знания, то получили бы возможность менять систему изнутри. Однако эти утомительные дисциплины почему-то считаются людьми искусства недостойными. Безусловно, Уильям Моррис и его последователи изучали и применяли определенные технические навыки, но в весьма ограниченном объеме, в то время как нужно было приспосабливаться к реалиям массового производства и новой экономики.

Преследуя цели своей объективистской профессии, инженеры выработали несколько концепций, помогающих сформировать реалистичный взгляд на вещи. Одна из них — эффективность. Очень полезно понимать, например, какая часть дорогой энергии, поступающей в двигатель в виде топлива, превращается в полезную работу. Этот показатель, который можно выразить простой дробью или процентным соотношением, сообщает нам самую важную информацию о работе двигателя — коэффициент его полезного действия. Также бывает полезно сопоставить вес различных конструкций, их стоимость и способность выдерживать нагрузку. Как мы видели в главе 14, есть масса способов выразить эти соотношения.

Концепция эффективности настолько полезна и так важна экономически, что есть опасность чрезмерно ею увлечься. Если мы применяем понятие эффективности к ситуации тотально, то автоматически подразумеваем знание всех фактов, что для смертного невозможно в принципе. Мы, например, вполне можем поговорить об эффективности двигателей с точки зрения потребления топлива или мощности, но говорить об эффективности конкретного двигателя самого по себе — слишком самонадеянно. Мы не знаем, насколько он шумный или вонючий, не знаем, склонен ли оператор к сердечно-сосудистым заболеваниям. Или сколько удовольствия получит человек, просто любуясь двигателями.

Однако даже зная все факты о той или иной технологической ситуации (что в принципе невозможно, но допустим), мы не сможем их взвесить и пересчитать, поскольку они несопоставимы. Не так давно циркулировала идея о строительстве нового большого аэропорта на побережье Эссекса, что подразумевало установку груды бетона, множества ангаров и тонны техники там, где сейчас раскинулись мокрые пески устья Темзы, где плещутся, парят и клекочут чайки. Политики, менеджеры и экономисты кто во что горазд сыпали цифрами и фактами, свидетельствующими о необходимости строительства нового аэропорта. Но ведь никак же не сопоставишь планы менеджеров и экономистов с красотой этих мест и с правом чаек плескаться, парить и клекотать. Что касается меня, я горячо поддерживаю сторону чаек, мне доставляет удовольствие вспоминать эти километры мокрого песка и грязи — скажу это с удовольствием — совершенно бесполезные и непродуктивные. Пока, слава богу, пески и чайки побеждают.

Предполагаю, что измерить эффективность аэропорта возможно, сопоставив количество самолетов и пассажиров, которое он будет обслуживать, капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Эти цифры будут иметь хоть какое-то практическое значение, даже если не рассматривать интересы чаек. Однако ко множеству вещей понятие эффективности не применимо в принципе. Совершенно бессмысленно говорить об эффективности дивана или кафедрального собора. В то же время инженеры продолжают настаивать на том, что должен существовать способ высчитать эффективность чего угодно. Но это же глупость…

«Хорошо, — говорит инженер, — но вещь должна быть функциональна. Красота технологии определяется функциональностью». Если под этим понимать, что вещь должна работать и выполнять свои функции, так это само собой разумеется. А если считать функциональность эстетическим критерием, то мы вступаем на зыбкую почву. Есть конструкции, например мосты, функция которых проста и очевидна. Многие мосты красивы, а многие — не очень. Есть также целый ряд очень дорогих артефактов, которые безусловно красивы, например самолет «Конкорд» или автомобиль «Роллс-Ройс». Но не восхищаемся ли мы в этом случае самим совершенством этих машин и мастерством тех, кто эти машины сделал, закрывая глаза на стоимость? Разве не нужно учитывать стоимость, говоря о функциональности?

Автомобиль «Форд» сегодня продается по цене в десять раз ниже, чем «Роллс-Ройс», и в реальном мире, где за вещи нужно платить, многие назовут «Форд» более функциональным автомобилем. При этом внешний облик «Форда» не имеет никакого отношения к внутреннему устройству, все, что мы видим снаружи, — это жестянка, придуманная дизайнерами. Механическая, функциональная начинка современного массового автомобиля совсем не привлекательна и представляет собой груду проводов и железяк, которой очень трудно восхищаться, какой бы полезной и функциональной она ни была.

Столь же ужасны в своем первозданном и обнаженном виде многие электроприборы, например радиоприемники, поэтому мы вынуждены прятать их в черные, серые или деревянные корпуса. Обобщая, можно сказать, что чем более функциональной становится наша техника, тем труднее на нее смотреть.

Но разве в природе не то же самое? Внешность человека или животного иногда очень привлекательна, но внутренности выглядят отвратительно. Наше восхищение природой вообще довольно избирательно. Нас привлекают некоторые этапы роста (ягнята красивые, а вот эмбрионы не очень), но отталкивает разложение с мухами и червяками. Хотя с точки зрения природы разложение столь же обязательный и функциональный процесс, как и рост.

В вопросах функциональности и эффективности природа обладает чувством юмора или, скорее, чувством меры. Она конструирует стебель растения — чудо эффективности — максимально экономичным с точки зрения метаболических расходов способом, а сверху приделывает большой красивый цветок, как нам кажется, в виде шутки. То же с перьями у павлинов и волосами у девушек, которые нельзя рассматривать как функциональные приспособления. Если какой-нибудь зануда скажет, что они призваны стимулировать процесс размножения, то это будет шагом назад в дискуссии — почему вообще они должны быть привлекательны, сексуально или как-то иначе?

Хотя инженеры свято верят в связь между функциональной эффективностью и внешней красотой, практически как в догму, лично я смотрю на это скептически. Безусловно, с одной стороны, на откровенно беспомощное устройство просто противно смотреть, но с другой — погоня за последней каплей эффективности часто оборачивается весьма унылым внешним видом, примером тому служат современные яхты. По моему мнению, то, что мы получаем от артефакта с точки зрения эстетики, складывается из отпечатка личности изготовителя и общепринятых ценностей его эпохи. Чтобы в этом убедиться, стоит просто однажды пройти по улице с открытыми глазами и сконцентрироваться на восприятии.

Еще со времен Возрождения на науку по поводу и без повода сыпались нападки, большинство из которых не стоили и ломаного гроша. Удивительно, что самую главную претензию к науке в более или менее четком виде так никто и не сформулировал. Ведь именно наука сформировала такую систему ценностей, при которой главным критерием оценки чего-либо или кого-либо становится функциональность. Современный человек скорее спросит: «Что или кто это?» — имея в виду: «Для чего эта вещь или этот человек?» Именно в этом, на мой взгляд, коренится причина наших современных недугов. Наше эстетическое восприятие ищет ответов на более широкие и важные вопросы, но часто входит в противоречие с научными и утилитарными суждениями и уходит на второй план.

Естественно, ничто из вышесказанного не мешает красивой вещи быть вдобавок еще и эффективной. Эти два качества можно сравнить с тем, что математик назвал бы независимыми переменными. Как говаривал один мой знакомый яхтсмен-ирландец, «в уродливой яхте не больше привлекательности, чем в страшной жене, как бы быстро она ни бегала».

Когда в 446 году Иктин проектировал Парфенон, он работал в рамках четких канонов дорического ордера. Бесспорно, Парфенон, храм Афины-девы, является одним из самых прекрасных творений архитектуры, а возможно, и самым прекрасным артефактом на свете. Хотя он посвящен конкретной богине, Афине, для меня он является высшей декларацией гуманизма или, говоря словами Гемфри Дэви, «блистательных, но обманчивых мечтаний о бесконечных возможностях совершенствования человека». Построенный в период наивысшего могущества Афин, он превозносит этот город: «Богатый и славный, фиалками увенчанный город, Афины, о зависть народов!»

Немезида, конечно, поджидала за углом, так же как и в 1914 году. Когда здание было новым, в белом мраморе, красной и голубой росписи, с украшениями из позолоченной бронзы, оно, должно быть, выглядело немного вульгарно — как Киплинг. Но разве не всякое великое искусство чуточку вульгарно? Если Парфенон — это памятник гуманизму, то ранние дорические храмы, например в Пестуме, кажутся мне выражением мощного религиозного чувства. А вот храм Гефеста в Афинах, напротив, очень мало что выражает, разве что легкий намек на меркантилизм, как и здание ратуши Бирмингема. Заметьте, все эти различные ощущения вызваны архитектурными высказываниями в рамках одного, весьма строгого канона.

Как и в случае с любым великим произведением искусства, существует множество способов интерпретировать Парфенон. То, что не подлежит сомнению, — это величие архитектурного достижения. Как Иктин смог такого добиться, работая в узких рамках традиции? Ответить на этот вопрос способен лишь сам автор — мало того, он написал об этом книгу, которая не дошла до нас. Мы можем лишь сделать несколько грубых аналитических наблюдений.

В облике традиционной, классической паровой яхты грация и величие форм достигаются за счет крайней деликатности, изящества и гармонии линий корпуса и кривизны борта, продуманной и любовной расстановкой мачт, труб и палубных конструкций (илл. 22). Mutatis mutandis [141], это почти то же самое, что тщательная и любовная расстановка слов в литературном произведении. Кораблестроение отличается от стихосложения лишь инженерной спецификой своего содержания. Это же скрупулезное внимание к деталям важно и в дорической архитектуре. Несмотря на кажущуюся прямоугольность Парфенона, в нем едва ли найдется прямая линия, да и параллельных немного. Семьдесят две колонны храма отклонены от вертикали так, что, если их продолжить, они сойдутся в одной точке в восьми километрах от земли. Уловка за уловкой, Парфенон дезориентирует и околдовывает человеческое восприятие, которое ожидает увидеть простую коробку, но поддается его влиянию, будто чарам искушенной женщины, не понимая, в чем же секрет (илл. 23).

Ну а при чем тут напряжения? С одной стороны, очень даже при чем, а с другой — почти и нет. Еще в XVII веке Фенелон отмечал, что секрет эффекта классической архитектуры связан с тем, что она кажется тяжелее, чем есть на самом деле, а готической — с тем, что она кажется легче, чем есть на самом деле. В этом смысле выгодно отличается честный функционализм — он выглядит ровно таким тяжелым, какой и есть.

Архитектура классических ордеров, кажется, вот-вот зашатается под собственной тяжестью. На самом же деле в большинстве случаев нагрузка на них не так уж и велика, но благодаря энтазису, то есть выпуклости колонн, они выглядят сжатыми по вертикальной оси. Эффект кривизны еще больше усиливается подушкообразными капителями, которые передают сжимающие нагрузки на верхнюю часть колонн. Ощущение тяжести всей конструкциитакже придают массивные архитравы.

Несмотря на то что классическая архитектура действует на эмоции и в частности создает субъективное впечатлением массы и напряжения, ее красота никак не соотносится с современными представлениями об эффективности конструкций (в духе «удивительного фаэтона»). Сжимающие напряжения в таких постройках смехотворно малы, а растягивающие — наоборот, слишком велики, а иногда даже опасны (см. гл. 9). Крыши древнегреческих построек, как мы уже убедились, вообще представляли собой архитектурный нонсенс. При этом с эстетической точки зрения эти постройки безупречны.

Переходя к готической архитектуре, можно отметить, что сжимающие напряжения в кладке заметно выше, чем в древнегреческих постройках, а конструкция в целом намного стабильнее, несмотря на свой «кружевной» облик. Эффект легкости достигается в том числе за счет остроконечных арок, которые опять же «неэффективны». С современной точки зрения эти конструкции чрезмерно сложны. Настоящие герои готических построек — это статуи на башенках и контрфорсах, которые выпрямляют и стабилизируют линии давлений (см. гл. 9).

Какими бы «неэффективными» ни были античные строения, они дают нашему глазу и сознанию то, что те ожидают от конструкции, — субъективное ощущение напряжения. Во многих современных конструкциях и зданиях несущие силовые элементы, сделанные обычно из железобетона, запрятаны внутрь. Снаружи наблюдатель видит лишь облицовку из кирпича или стекла, которая явно не может нести никакой нагрузки. Наверняка не я один считаю такие здания некрасивыми, а иногда просто уродливыми.

Представим себе конструкцию, несущие элементы которой хорошо просматриваются и которая при этом эффективна с современной точки зрения. Как будет выглядеть эта конструкция? Спорить об этом можно бесконечно, но если судить по космическим модулям для посадки на Луну, настоящим «удивительным фаэтонам», создатели которых любой ценой экономили каждый грамм веса, ответ очевиден — выглядеть такая конструкция будет отвратительно.

После заката микенской цивилизации примерно в 1400 году до н. э. в Греции наступили Темные века, и нам не известны сохранившиеся здания этой эпохи. Люди жили и отправляли религиозные ритуалы, по всей видимости, в каких-то легких деревянных строениях. Возрождение культовой архитектуры началось в архаический период примерно в 800-х годах до н. э. Ранние храмы этого периода также представляли собой деревянные постройки.

Естественно, ни одно из таких зданий не сохранилось, однако переход от деревянного строительства к каменному, вероятно, происходил поэтапно — по мере нарастания дефицита дерева. Сгнившие деревянные элементы заменяли каменными. Географ Павсаний во II веке нашей эры упоминает о сохранившемся храме в Олимпии, в котором старые деревянные колонны соседствовали с новыми каменными.

Таким образом, дорическая архитектура представляет собой балочную архитектуру, в основе которой лежат приемы деревянного строительства. Даже когда храмы строили с нуля из камня, архитекторы придерживались форм и пропорций, присущих деревянным постройкам. Архитекторы классического периода не только использовали слабые каменные блоки в роли прочных деревянных балок, они утруждали себя копированием в мраморе совершенно излишних для каменных конструкций деталей, например кольев, которые в деревянных постройках соединяли брусья.

Подобный архитектурный стиль по идее должен выглядеть смехотворно, но нет — его ждал такой триумф, что цивилизованный мир вот уже 2000 лет (хоть и с перерывами) использует его в качестве эталона. Такого рода копирование пережитков прошлого с использованием других средств и материалов называется скевоморфизмом и представляет собой довольно частое явление. Современный пример — орнамент «под дерево» на пластиковых деталях.

Вопреки всем правилам функционалистской школы инженерной эстетики скевоморфизм вовсе не обязательно вульгарен и низкопробен. Бесспорно, сегодня подобные имитации зачастую именно таковыми и являются, но это скорее говорит об их некачественном исполнении, чем о порочности идеи как таковой.

Замечательным примером удачного скевоморфизма можно считать паровую яхту Уотсона. Классическую форму большой паровой яхты разработал в конце Викторианской эпохи один из величайших яхтенных конструкторов — Джордж Леннокс Уотсон (чья эпитафия звучит: «Суд — по мерилу, справедливость — по отвесу [142]»). В конструкции этого судна, которое передвигалось только на паровом ходу, Уотсон оставил не только грациозный «клиперный» нос, но и совершенно нефункциональный бушприт. В результате родился один из красивейших судостроительных канонов (илл. 22).

Если все это так, что же нам делать с «честностью» в дизайне и проектировании? Моя честность заставляет меня ответить: да ничего особенного. Если имитации допустимы в греческих храмах и паровых яхтах, как же быть с откровенными подделками? Можно или нельзя декорировать подвесные мосты под готические замки, а автомобили под дилижансы? Лично я думаю, что можно. В конце концов, результат будет выглядеть уж точно не хуже, чем современный функционализм, а может быть, и намного веселее. Что плохого в псевдоготических зданиях XVIII века? Лучшие их образцы выглядят очень мило и забавно. Хорас Уолпол [143] был далеко не дурак, а Королевский павильон в Брайтоне [144] очень недурен собой.

Многие страдают от бессмысленного декорирования. Однако это словосочетание — не что иное как оксюморон, потому что декор не может не иметь смысла, даже если его смысл ужасен. Если говорящий о бессмысленности имеет в виду, что декор не соответствует основе, на которую он наложен, то это еще куда ни шло. Любой декор оказывает определенное воздействие. Мне представляется, что нам нужно не меньше, а больше декора! Говоря по правде, мы боимся выразить себя в декоре. Мы не знаем, как за него ухватиться, и боимся показать свое ничтожество. У средневековых каменщиков не было такого барьера, поэтому они были намного здоровее нас с психологической точки зрения.

Разве не справедливо требовать от инженера, чтобы его изделия не только работали, но были вдобавок красивы и доставляли радость? В противном случае вся наша инженерная наука помрет со скуки. Пусть будет больше декора! Пусть будут резные фигуры на кораблях, позолоченные розетты на арках, пусть женщины носят кринолины и повсюду будет много флагов! Раз уж мы наизобретали целое хозяйство новых артефактов — автомобилей, холодильников, радиоприемников и бог знает чего еще, — давайте придумаем, как нам их от души украсить.

Приложение 1

Справочники и формулы

За последние 150 лет специалисты по теории упругости успели вдоль и поперек проанализировать напряжения и деформации в конструкциях всех возможных форм, подверженных самым разным нагрузкам. Все это великолепно, но результаты этих исследований обычно публикуются в таком непроходимом математическом виде, что слишком сложны для понимания и непосредственного использования простыми людьми, которым нужно срочно построить что-нибудь простое.

К счастью, большая часть этой информации сводится к набору стандартных задач, ответы на которые возможно сформулировать в виде довольно простых формул. Такие формулы на все случаи конструкторской жизни приведены в справочниках, в частности R. J. Roark. Formulas for Stress and Strain. McGraw-Hill, 1954. Применение этих формул вполне по силам человеку вроде меня или вас, вооруженному не просто здравым смыслом, но еще и знанием элементарной алгебры, а также сведений из главы 3. Некоторые формулы приводятся в приложениях 2 и 3.

Эти формулы действительно весьма полезны (если использовать их с умом и осмотрительностью) и составляют профессиональный инструментарий инженеров и конструкторов. Не нужно стесняться их применять, это делают все. Однако, повторюсь, делать это нужно осторожно.

1.Убедитесь, что вы понимаете, о чем формула.

2.Убедитесь, что формула применима в вашем конкретном случае.

3.Помните, помните и еще раз помните, что эти формулы не учитывают концентрации напряжений и другие специфические ситуации.

Тщательно обдумав это все, подставьте в формулу ваши нагрузки и размеры и убедитесь, что единицы измерений согласуются между собой, а все нули на месте. Произведя несложные арифметические действия, вы получите значения напряжения или деформации.

Посмотрите на цифры и призадумайтесь: похожи ли они на правду? В любом случае нелишним будет перепроверить вычисления и удостовериться, что ничего не потерялось по дороге.

Естественно, ни математика, ни справочник не спроектируют для вас конструкцию. Вам придется делать это самому, опираясь на собственную мудрость, интуицию и опыт, а уж после этого формулы подскажут, хотя бы приблизительно, каких напряжений и деформаций ожидать.

На практике процедура проектирования выглядит примерно так. Прежде всего нужно понять, каким нагрузкам может подвергаться конструкция и какие деформации она должна выдерживать. И то и другое обычно задано нормативами и правилами, но если нет, определить это не так-то просто. Здесь необходима взвешенная оценка, и в случае сомнений лучше перестраховаться и заложить более консервативные параметры. (Хотя, как мы видели, излишняя осторожность тоже чревата опасностями из-за чрезмерного веса.)

Выяснив условия нагружения, можно набросать примерный чертеж конструкции, а затем применить соответствующие формулы и понять, как будут выглядеть напряжения и деформации. В этом, самом первом, приближении они, скорее всего, будут или слишком высокими, или слишком низкими, поэтому вам придется переделать чертеж несколько раз, пока цифры не станут приемлемыми.

Затем могут понадобиться «правильные» чертежи, по которым, собственно, будет возводиться конструкция. Технологические чертежи необходимы в том случае, если конструкция или ее элементы монтируются промышленным способом, однако изготовление таких чертежей — дело довольно сложное, а возможно, и лишнее, если речь идет о небольшом сооружении для возведения собственными силами. В то же время, как подсказывает мой опыт, компания, построившая большой и потенциально опасный объект, будет выглядеть довольно странно в суде, имея на руках только набросок на салфетке.

Если вы зашли так далеко, что даже сделали технологический чертеж большой и важной конструкции, следующий наиболее правильный шаг — как следует поволноваться. Когда я занимался разработкой пластиковых компонентов для самолетов, то провел несколько бессонных ночей в переживаниях, как бы чего не вышло. Тот факт, что компоненты мои работали безотказно, я ставлю в заслугу своему беспокойству, потому что катастрофы вызывает самоуверенность, а беспокойство их предотвращает. Поэтому перепроверяйте расчеты не один и не два раза, а снова, снова и снова!

Приложение 2

Теория балки

Базовая формула для напряжения s в точке P, расположенной на расстоянии y от нейтральной оси балки:

где

s  — напряжение растяжения или сжатия (psi, Н/м2 или другие величины);

y  — расстояние от нейтральной оси (дюймы или метры);

I  — момент инерции площади сечения относительно нейтральной оси (м4);

E  — модуль Юнга (psi, Н/м2 и пр.);

r  — радиус кривизны изогнутой балки в рассматриваемом сечении вследствие упругой деформации, вызванной изгибающим моментом (дюймы, метры и пр.);

M  — изгибающий момент (дюйм-фунты, ньютон-метры).

Положение нейтральной оси

Нейтральная ось всегда проходит через центр тяжести сечения. В симметричных сечениях, например прямоугольном, круглом или двутавровом, центр тяжести всегда совпадает с центром симметрии. В других случаях необходимы расчеты. В простых асимметричных сечениях, например рельсе, найти центр тяжести довольно просто, уравновесив сделанную из картона модель сечения на булавке. В более сложных конструкциях, например корпусах кораблей, центр тяжести сечения вычисляется с помощью определенных арифметических действий.

Сечения неправильной формы рассчитываются при помощи правила Симпсона.

Для простых симметричных сечений:

Для прямоугольника (по отношению к нейтральной оси):

где A — общая площадь сечения, k — радиус инерции.

Для прямоугольника k = 0,289 d

Для круга k = 0,5 r

Для тонкостенного кольца k = 0,707 r

Приложение 3

Кручение [146]

При кручении прямой балки, призмы или трубы угол закручивания θ (в радианах) задается формулой:

где

θ  — угол в радианах;

T  — крутящий момент (в ньютон-метрах);

L  — длина элемента, подвергающегося скручиванию (в метрах);

G  — модуль сдвига, Н/м2 или psi (см. гл. 12);

K  — коэффициент, получаемый с помощью таблицы ниже.

Приложение 4

Эффективность стержней и пластин в сжатии

Стержни

Если пропорции стержня таковы, что он подвержен продольному изгибу (гл. 13), критическая нагрузка по Эйлеру будет равна

где

E  — модуль Юнга;

I  — момент инерции поперечного сечения;

L  — длина.

Предположим, что сечение стержня уменьшается или увеличивается, оставаясь геометрически подобным, и определяется размером t, тогда

где

А  — площадь поперечного сечения;

k  — радиус инерции сечения (см. прил. 2).

называется критерий эффективности материала и зависит только от физических характеристик материала.

Рекомендуемая литература

Лучший способ понять, как работают конструкции, — наблюдение и практический опыт. То есть на конструкции необходимо внимательно смотреть, строить их и ломать. Конечно, возможности конструирования настоящих самолетов и мостов для любителя, прямо скажем, ограниченны, но не нужно стесняться играть в старый добрый металлический конструктор или даже в кубики. Эти простые традиционные игрушки гораздо более поучительны с точки зрения механики, чем новомодные пластмассовые конструкторы, детали которых соединяются самыми причудливыми способами. Постройте из конструктора мост, нагрузите его, посмотрите, как он будет разрушаться. Вероятно, вы будете удивлены и огорошены, но после такого опыта суховатые технические книги покажутся вам не такими скучными.

Инженеру-любителю, конечно, негде развернуться в строительстве мостов, зато вот биомеханика представляется мне весьма перспективной отраслью. Вполне вероятно, что здесь предприимчивый конструктор-любитель сможет заявить о себе.

Хороших книг по биомеханике маловато, зато по материаловедению и упругости — сколько хочешь. Небольшой и довольно субъективный список приведен ниже.

Samans C. H. Engineering Metals and their Alloys. NY: Macmillan, 1953.

Patton W. J. Materials in Industry. Prentice-Hall, 1968.

Hayden H. W., Moffatt W. G., Wulff J. The Structure and Properties of Materials. Vol. 3. Mechanical Behavior. John Wiley & Sons, 1965.

Parratt N. J. Fibre-Reinforced Materials Technology. Van Nostrand, 1972.

Anderson J. C., Leaver K. D. Materials Science. Nelson, 1969.

Timoshenko S. P. History of the Strength of Materials. McGraw-Hill, 1953.

Torroja E. Philosophy of Structures. Translated from the Spanish. University of California Press, 1962.

Rosenthal H. W. Structure. Macmillan, 1972.

Pugsley A. The Safety of Structures. Edward Arnold, 1966.

Pippard A. J. S., Baker J. The Analysis of Engineering Structures. Edward Arnold, 1968.

Johnson R. P. Structural Concrete. McGraw-Hill, 1967.

Heyman J. Beams and Framed Structures. Pergamon Press, 1964.

Scott R. F. Principles of Soil Mechanics. Addison-Wesley, 1965.

Baker J., Horne M. R., Heyman J. The Steel Skeleton. 2 Vols. Cambridge University Press, 1960–65.

Wainwright S. A., Biggs W. D., Currey J. D., Gosline J. M. Mechanical Design of Organisms. Edward Arnold, 1976.

Луки

Hardy R. Longbow. Patrick Stephens, 1976.

Smith R. C. Materials of Construction. McGraw-Hill, 1966.

O’Neill H. Stone for Building. Heinemann, 1965.

Titmuss F. H. Commercial Timbers. 3rd ed. Technical Press, 1965.

Примечания

1 Сравните, к примеру, поршень и кузнечные мехи.

2 Здесь и далее теорией упругости автор книги называет раздел механики, который в современной англоязычной академической среде называется Solid Mechanics, а в русскоязычном академическом сообществе — механикой деформируемого твердого тела. Прим. науч. ред.

3 Интересное обсуждение языческих взглядов на эту тему приведено в книге Гилберта Мюррея «Пять стадий греческой религии» (O.U.P., 1930). Тема анимизма и его связи со строительством представляется крайне интересной.

4 Галилея принудили опровергнуть идею вращения Земли вокруг Солнца. В 1600 году за подобные еретические воззрения Джордано Бруно был сожжен на костре.

5 Имеется в виду наука механика как принято понимать ее сейчас, в противопоставление «небесной механике» — астрономии. Прим. науч. ред.

6 Цит. по изд.: Гордон Дж. Э. Почему мы не проваливаемся сквозь пол. Пер. С. Т. Милейко. М.: Мир, 1971. Гл. 1.

7 Карл II (1630–1685) — король Англии и Шотландии с 1660 года, сын Карла I.

8 Сэмюэл Пипс (1633–1703) — английский чиновник, автор подробных дневников, в которых отражена его насыщенная личная жизнь и описания нравов английского общества XVII века. Прим. пер.

9 Резонный вопрос: а разве может быть площадь у точки? Рассмотрим для примера аналогию со скоростью. Мы определяем скорость как расстояние, пройденное за определенный отрезок времени, например километры в час, хотя чаще всего нам бывает нужна скорость в какой-то один, бесконечно малый, момент времени.

10 Килограмм-сила — единица измерения системы МКГСС (от метр, килограмм-сила, секунда), или «технической системы единиц». МКГСС часто применялась в СССР, в современной России ее применение чаще всего связано с использованием советского оборудования или инженерных руководств тех лет. Прим. науч. ред.

11 Книга впервые была издана в 1978 году. Прим. пер.

12 «Хотя их Светлости с великим почтением относятся к наукам и высоко оценили ваш труд, он слишком ученый… короче говоря, малопонятный». Фрагмент письма Юнгу из Адмиралтейства.

13 Цит. по изд.: Гордон Дж. Э. Почему мы не проваливаемся сквозь пол. Гл. 1.

14 Цит. по изд.: Сэмюэль Тэйлор Кольридж. Стихи. М. : Наука, 1974. С. 78–80.

15 См., например: James D. Watson. The Double Helix. Weidenfeld & Nicolson, 1968.

16 Это правило работает и в обратную сторону — кости космонавтов после длительного пребывания в невесомости теряют кальций и становятся слабее.

17 Единственной женщиной, получившей признание в области теории упругости, стала француженка Софи Жермен (1776–1831), а двое самых образованных инженеров-теоретиков этого периода — Марк Брюнель (1769–1849) и его сын Изамбард Брюнель (1806–1859) имели французские корни.

18 Истинно британскую традицию игнорировать математику инженеры блистательно продолжали вплоть до новейшего времени. Пример тому — сэр Генри Ройс, создатель «лучшего автомобиля в мире».

19 Цитируются притчи царя Соломона (гл. 30): «Три вещи непостижимы для меня, и четырех я не понимаю: пути орла на небе, пути змея на скале, пути корабля среди моря и пути мужчины к девице». Прим. пер.

20 Коэффициент безопасности шатунов в паровозных двигателях иногда достигал 18.

21 Кстати, напряжения вокруг круглых отверстий были описаны и рассчитаны еще в 1898 году инженером Эрнстом Киршем в Германии, а аналогичные расчеты для эллиптических отверстий произвел в 1913 году математик Г. В. Колосов в России. Однако, насколько мне известно, эти исследования не попали в поле зрения английских судостроителей.

22 Портландский мыс расположен на юге Англии, в Дорсете, и знаменит сильным приливным течением, опасным для мореплавателей. Прим. пер.

23 «Частичное усиление приводит к общему ослаблению». Роберт Сеппингс (1767–1840), инспектор Королевского флота в 1813–1832 годах.

24 1 джоуль = 107 эргов = 0,1 килограмм-сила-метра = 0,239 калории. Примечательно, что 1 джоуль приблизительно равен энергии, с которой обыкновенное яблоко падает с обыкновенного стола.

25 Поскольку установлено, что при занятиях горнолыжным спортом человеческий организм потребляет больше кислорода, чем при любом другом виде деятельности, значительную часть энергии должны поглощать мышцы. Однако энергия, поглощенная мышечной тканью, необратима, поэтому главную роль в накоплении упругой энергии, несомненно, играют сухожилия.

26 Цит. по изд.: Гомер. Одиссея. СПб: Лениздат, 2012. С. 326.

27 Международная конференция, проходившая в 1814–1815 годах по окончании наполеоновских войн и определившая послевоенные границы государств Европы. Прим. пер.

28 Гомер. Одиссея. Песнь XXI-245. Цит. по изд.: Гомер. Одиссея. Спб: Лениздат, 2012. С. 331.

29 Рисунки 2 и 4, безусловно, схематичны. График напряжения-деформации не будет прямым, но принцип останется неизменным.

30 С другой стороны, арбалет не идет ни в какое сравнение с обычным луком по скорострельности. К примеру, английский лучник мог выстрелить до четырнадцати раз в минуту, а войско таких бойцов было способно поднять в воздух целое облако стрел. По данным историков, в битве при Азенкуре было выпущено 6 миллионов стрел.

31 Последние находки в Куклии на Кипре свидетельствуют об использовании боевых катапульт уже в V веке до н. э., хотя подробных сведений о них мы не имеем. Так или иначе, катапульты Дионисия были, скорее всего, примером первого «научного» подхода к конструированию такого оружия.

32 В 1940 году в Англии для отрядов самообороны были сконструированы две баллисты по образу и подобию римских. Их планировали использовать для метания зажигательных снарядов по немецким танкам в случае сухопутного вторжения в Англию. Но, поскольку дальнобойность этих орудий не превышала и четверти от той, что известна из римских источников, надо полагать, конструкторы недостаточно внимательно читали Витрувия.

33 Упругость якорных цепей и буксировочных тросов в значительной мере объясняется их собственным весом, который вызывает провисание. Это одна из причин, по которым для таких изделий отдают предпочтение металлу, а не более легким органическим материалами.

34 В русскоязычной литературе термин «резильянс» практически не встречается, обычно говорят о потенциальной энергии упругой деформации. Прим. науч. ред.

35 «Истинное», или теоретическое максимальное растягивающее напряжение, необходимое для разрушения атомных связей, на самом деле довольно велико и значительно превышает показатели, определяемые с помощью испытаний материалов на прочность в лабораторных условиях. См. «Почему мы не проваливаемся сквозь пол», гл. 2.

36 В большинстве случаев это то же самое, что и «свободная поверхностная энергия», которая тесно связана с поверхностным натяжением жидкостей и твердых тел и которую на все лады склоняют специалисты по материаловедению. См., напр., «Почему мы не проваливаемся сквозь пол», гл. 2.

37 Наиболее общее описание механизма дислокации см. в книге «Почему мы не проваливаемся сквозь пол», гл. 3 и 8; более подробно о предмете — Alan Cottrell. The Mechanical Properties of Matter, 1964.

38 См. «Почему мы не проваливаемся сквозь пол», гл. 7.

39 Может показаться, что Lg будет соответствовать отрезку OY, однако, рассудив трезво, легко понять, что это неверно. Количество энергии (ZX) ниже оси абсцисс, которое мы «скормили» трещине, представляет собой запас прочности, или энергетический порог (на самом деле это не что иное, как истинный «коэффициент безопасности»).

40 Существуют медицинские состояния, при которых кости молодых людей становятся хрупкими, однако они довольно редки. По словам моего знакомого хирурга-ортопеда, причины этого явления пока не выяснены.

41 Механизм работы мышц был выяснен не так давно. Они приводятся в действие за счет подачи энергии на краевые дислокации, которые действуют как бы «задним ходом». О том, что такое краевые дислокации, см. «Новая наука о прочных материалах», гл. 4.

42 Колокольчики со шнурами, протянутыми из разных помещений большого богатого дома, размещались в одном помещении и снабжались маркировкой. С помощью такой системы слуги понимали, куда именно их вызывают — в спальню, гостиную или столовую. Прим. пер.

43 Количество вибраций в секунду n (частота) выражается формулой

где l — длина струны, s — напряжение струны (Н/м2), p — плотность материала струны (кг/м2).

44 Король Шотландии Яков II (1430–1460, годы царствования 1437–1460) увлекался артиллерией и руководил стрельбой при штурме английского замка Роксборо в 1460 году. Там же и погиб от осколков разорвавшегося орудия. Прим. пер.

45 В этот же период 83 парохода сгорели, 88 затонули, напоровшись на затопленные стволы деревьев, а 70 потерпели крушение «по другим причинам». Насыщенной была жизнь на Миссисипи.

46 Частичное решение предложил Мариотт в 1680 году, однако он, естественно, не мог воспользоваться понятием напряжения.

47 В современном альпинизме и авиации используются цилиндрические баллоны, но не стальные, а из легких материалов. Прим. науч. ред.

48 Полковник британской морской пехоты Герберт Хаслер (1915–1987) руководил десантной операцией «Франктон» в районе оккупированного немецкими войсками порта Бордо. Впоследствии — знаменитый яхтсмен, специализировавшийся на одиночных плаваниях. Прим. пер.

49 Отсылка к известному стихотворению Оливера Уэндела Холмса-старшего «Шедевр священника, или Удивительный фаэтон», подробнее см. гл. 14 и примечания к ней. Прим. пер.

50 Один из колледжей Кембриджского университета в Великобритании. Прим. пер.

51 Примечательно, что если нейлоновую нить вплавить в брусок твердого пластика, ее всегда можно извлечь простым вытягиванием, какой бы длинной она не была. Это хороший способ проделывать сложные отверстия — например, для измерения давления на моделях, предназначенных для испытаний в аэродинамической трубе.

52 Это также справедливо и в случае со сцеплением между металлами и краской или эмалью, в том числе стекловидной эмалью, то есть стеклом. До изобретения современных экстензометров инженеры определяли предел текучести горячекатаной стали по величине нагрузки, при которой прокатная окалина (черная оксидная пленка) начинает откалываться от поверхности.

53 «Карманный линкор» — неофициальное ироничное название тяжелыхкрейсеров, которые строились в Германии в период с 1928 по 1942 год. В связи с ограничениями по Версальскому мирному договору корабли этого типа («Дойчланд», «Адмирал Шеер» и «Адмирал Шпее») имели довольно небольшие размеры по сравнению с классическими линкорами, но обладали мощным артиллерийским вооружением. Прим. пер.

54 Линейное письмо Б — поздняя разновидность письменности крито-микенского периода (XV–XII вв. до н. э.), сформировавшаяся после завоевания Крита греками-ахейцами. Представляло собой слоговое письмо. Расшифровано при участии британского лингвиста Джона Чедвика (1920–1998). Прим. пер.

55 В этом причина всех рассказов важных господ о том, что их непременно укачивает в парадных экипажах.

56 Линейный корабль «Виктори» — флагманский корабль Королевского флота Великобритании, спущенный на воду в 1765 году. На его борту в Трафальгарской битве 21 октября 1805 года был смертельно ранен адмирал Нельсон. Сейчас судно находится на постоянной стоянке в Портсмуте и превращено в музей. Прим. пер.

57 Эта механическая проблема часто осложняется, если учитывать соединение с мышцами и другими приспособлениями для сокращения, однако для простоты не будем принимать этого в расчет.

58 Теория поверхностного натяжения была разработана ориентировочно в 1805 году Юнгом и Лапласом независимо друг от друга.

59 Чтобы избавить разъяренных специалистов от необходимости писать гневные письма, уточню: да, я хорошо знаю о связанных с этим вопросах изменения энергии. Эти аномалии имеют рациональное объяснение.

60 Примечание для биомехаников. Здесь приведен довольно упрощенный анализ. Для систем, не подчиняющихся закону Гука, с касательными модулями E 1 и E 2 продольная деформация приблизительно равно нулю, когда E 1 / E 2 = 2 q. Хотя большинство мягких тканей сохраняют постоянный объем (что предполагает коэффициент Пуассона, близкий к ½), большинство мембран деформируются только в своей плоскости, то есть при растяжении не становятся тоньше, тем самым демонстрируя коэффициент Пуассона, примерно равный 1, как у моего живота. Почему же мембраны не становятся тоньше при деформации? См., напр., Evans Е. A. Proc. Int. Conf. on Comparative Physiology. North Holland Publishing Company, 1974.

61 Форма кривой напряжения-деформации большинства тканей животных, например кожи, весьма напоминает форму кривой вязаной ткани (трикотажа), которую порвать практически невозможно.

62 Когда эта книга была уже написана, д-р Дж. М. Гослин выдвинул альтернативную гипотезу о поведении эластина.

63 Заметьте, в Книге Бытия сказано: «Наделаем кирпичей и обожжем их». Вопрос об использовании необожженных глиняных кирпичей, которые применяли в Древнем Египте, даже не стоял. Вавилонская башня служит, вероятно, одним из самых ранних примеров «эффекта Конкорда».

64 Книга написана в 1978 году, здание Центра международной торговли было разрушено в результате теракта 11 сентября 2001 года. Прим. пер.

65 Вот выдержка из текста XII века о церкви в аббатстве Сен-Дени: «…в упомянутые арки, не поддерживаемые никаким помостом или кольями, ураган бился с такой силой, что они грозили в любой момент рухнуть, жалко тряслись и ходили из стороны в сторону».

66 Дэви продолжил свою деятельность в Королевском институте и добился завидных успехов. Он удостоился рыцарского титула и стал президентом Королевского общества; ему даже прочили епископство. Для человека, поднявшегося из низов, Дэви довольно некрасиво обошелся с угольщиком Джорджем Стефенсоном (зато к сыну кузнеца по имени Майкл Фарадей оказался весьма благосклонен).

67 Это проверяется с помощью параллелограмма сил на нескольких участках стены. (Знакомство с правилом параллелограмма сил можно освежить в справочниках по элементарной механике.) Считается, что правило сформулировал Симон Стевин в 1586 году. Одна из причин того, что древние архитекторы не могли проектировать так, как современные, как раз и заключается в отсутствии у них представления о разложении сил.

68 На самом деле линия давлений не одна, их несколько, и все они должны проходить внутри стены.

1. Пассивная линия давлений — линия, которая возникает вследствие давления веса самой стены и постоянно закрепленных на ней деталей, например перекрытий и крыши.

2. Активные линии давлений — линии, обусловленные действием нестационарных и кратковременных нагрузок: весом воды, снега, угля, оборудования, людей и т. д. От формы активных линий давлений зависит, насколько успешно каменное или кирпичное здание справится с эксплуатационной нагрузкой.

69 Это одна из причин, по которой вычурная лепнина в интерьере сегодня не в моде.

70 Операция «Чэстис» (Chastise — порка, наказание, англ.) ВВС Великобритании состоялась 17 мая 1943 года. Ее целью стали водохранилища в долине Рура, имевшие важное стратегическое значение для промышленности нацистской Германии. Прим. пер.

71 По всей видимости, до постройки истинных арок додумались только в Старом Свете. Коренные цивилизации современных Мексики и Перу строили свои огромные сооружения с использованием исключительно ступенчатых арок.

72 Именно в этом заключался смысл подкопов под крепостные стены во время осады. Когда тоннель подкопа достигал стены, его укрепляли деревянными подпорками. В определенный момент под стеной разводили огонь в надежде на то, что подпорки прогорят и вызовут обрушение стены. Назначение крепостных рвов (сухих или заполненных водой) в основном состояло в предотвращении таких подкопов.

73 В качестве балласта на легендарных лоцманских катерах Бристолького канала (ок. 1900) использовался бетон. В середине корпуса — там, где требовался наибольший вес, — в бетон добавляли металлический лом и обрезки, а на концах, которым следовало быть легкими, закладывали пустые пивные бутылки. Постаменты для статуй и ваз у себя в саду я обычно делаю из бетона, старой мелкой проволочной сетки и пустых бутылок из-под вина. Эта «смесь» прекрасно справляется с задачей.

74 Джон Соун (1753–1837) — выдающийся британский архитектор, приверженец индивидуальной, минималистической трактовки неоклассицизма. В 1788 году выиграл конкурс на реконструкцию здания Банка Англии. Прим. пер.

75 В фундаменте римской крепости на холме Лоубери в Беркшире, всего в миле от того места, где я пишу эти строки, были обнаружены замурованные останки женщины. Практика просуществовала вплоть до Нового времени. Утверждается, что в 1865 году в Рагузе, на Сицилии, мусульмане похитили христианских детей и замуровали их в стенах оборонительных сооружений. Не далее как в 1871 году в Англии лорда Ли подозревали в том, что он замуровал одного «неприятного человека» в основание моста в Стоунли в Уорикшире.

76 См. «Новая наука о прочных материалах», гл. 10.

77 Все мосты Телфорда предназначались для безрельсового транспорта. В Америке висячие мосты широко применялись для создания судоходных акведуков. Канал с водой представлял собой подвесной деревянный желоб, поэтому при прохождении баржи по каналу не происходило изменения действительной нагрузки, а следовательно, не было и деформации.

78 Безусловно, многие романские церкви имели простые деревянные крыши, но их конструкция была такова, что давление на стены оказывалось не меньше, чем от каменных сводов.

79 В постройках древних Помпей, где окна также были микроскопическими, а искусственное освещение вряд ли отличалось яркостью, стены практически всех помещений были покрашены либо в темно-красный, либо в черный цвет.

80 «Я не столп, я — контрфорс государственной церкви, так как подпираю ее снаружи», — говорил лорд Мельбурн.

81 Третья книга Царств, глава 5, где недвусмысленно говорится, что Соломон заплатил за деревья недешево.

82 Дороти Сэйерс (1893–1957) — английская писательница, автор детективных романов. Прим. пер.

83 «Девять портных» (1934). Перекрытия маленькой церкви Св. Свитина в Викхэме в Беркшире были украшены большими викторианскими слонами из папье-маше.

84 Невезучим летчикам, которым пришлось поневоле воспользоваться моим изобретением, скажу в свое оправдание, что сейчас я бы решал задачу совершенно иначе.

85 Подразделение Королевского флота Великобритании, отвечавшее за Средиземноморье. Просуществовало со времен Реставрации по 1967 год. Прим. пер.

86 Стоимость строительства железных дорог в Америке в пересчете на милю равнялась примерно одной пятой от стоимости их строительства в Англии, хотя зарплаты в Америке были намного выше.

87 В 1912 году во время правительственного расследования катастрофы «Титаника» имел место следующий диалог:

— Вы утверждаете, что судно было оборудовано водонепроницаемыми отсеками?

— Да.

— Тогда как вы объясните тот факт, что пассажиры не могли попасть в эти водонепроницаемые отсеки, когда судно начало тонуть?

80 «Новая наука о прочных материалах», гл. 10.

89 См. Приложение 2.

90 Стоит также обратить внимание на гофрированные двустворчатые раковины и гофрированные листы некоторых деревьев, например граба.

91 Основная нить — нить, параллельная длине отреза ткани; уточная нить проходит перпендикулярно нитям основы, то есть поперек отреза.

92 Понимание этого принципа крайне важно при изготовлении надувных изделий (например, спасательных лодок) из прорезиненной ткани. Под действием сдвигающей нагрузки резиновое покрытие может деформироваться таким образом, что ткань начнет пропускать воду.

93 Эдвардианской эпохой в истории Великобритании называют период с 1901 по 1910 год — время правления короля Эдуарда VII. Прим. пер.

94 «Поларис» — баллистическая твердотопливная ракета американского производства, предназначенная для размещения на подводных лодках. Состояла на вооружении флотов США и Великобритании до 1978 года. Прим. пер.

95 Кутикулы многих червей и других «мягких» организмов усилены системой спирально закрученных коллагеновых волокон (см. гл. 8). Проблемы червя во многом схожи с проблемами модельера, и червь их решает гораздо успешнее — сделать складку на черве очень сложно.

96 Обратите внимание, что для того, чтобы изначально плоская мембрана приспособилась к форме поверхности с выраженным искривлением, она должна иметь одновременно низкий модуль Юнга и низкий модуль сдвига. В этом суть проблемы создания картографических проекций, с которой столкнулся Меркатор в 1560 году.

97 Не очень-то понимали и теоретики. Даже в 1936 году базовую теорию Ланчестера — Прандтля не преподавали, более того, запретили преподавать на факультете кораблестроения Университета Глазго. Молодым читателям, которые, возможно, не поверят в эту историю, скажу: а) я сам учился на факультете в то время; б) примерно такая же история на инженерных факультетах происходит сегодня с «новомодными» теориями механики разрушений (см. гл. 5).

98 Этим обусловлена, в частности, своеобразная траектория полета листа картона, сброшенного с высоты.

99 Коллекта (от лат. oratio collecta — соборная молитва) — краткая молитва в католическом и лютеранском богослужении, которая обычно читается в начале мессы и в краткой форме передает смысл праздника или дня. Прим. пер.

100 В результате плотность вещества звезды достигает такой степени, что ее гравитационное поле не может покинуть не только материя, но и любые формы излучения. Таким образом, в районе такого объекта невозможна никакая двусторонняя связь, и эти области вселенной, известные под названием «черные дыры», для нас заказаны. Как и острову из пьесы «Мэри Роуз» Джеймса Барри, черным дырам «нравится, когда их навещают», только вот вернуться не может уже никто.

101 Поскольку разрушение и при растяжении, и при сжатии происходит в форме сдвига (как в пластичных металлах), прочность в обоих случаях должна быть идентичной. Однако у этого правила столько исключений, что само правило теряет смысл.

102 Также стоит обратить внимание, что многие водоросли, которые в значительной степени состоят из альгиновой кислоты (довольно непрочной и хрупкой субстанции), предварительно напряжены так же, как и армированные балки. В данном случае в роли арматуры выступает весьма прочная целлюлоза.

103 По мере того как складка сжатия или трещина прямого профиля (например, распил) распространяется по сечению, ее площадь может увеличиваться с большей скоростью, чем высвобождение энергии деформации. Энергия будет запаздывать, и Гриффитс расстроится.

104 Если не считать усилившейся к концу жизни слепоты.

105 Современные доказательства формулы Эйлера есть в учебниках — см., напр., Allan Cottrell, The Mechanica Properties of Matter.

106 Мост Британия через пролив Менай соединяет остров Англси с основной частью Уэльса. В 1970 году мост реконструировали и заменили оригинальные коробчатые фермы Стефенсона на сквозные арочные. Прим. науч. ред.

где t — толщина стенки, r — радиус трубы, E — модуль Юнга.

108 Считается, что при проектировании Хрустального дворца для Всемирной выставки 1851 года архитектор Джозеф Пэкстон вдохновлялся структурой листьев кувшинки Виктория регия.

109 Этот самолет не имеет прямого отношения к более поздней модели реактивного самолета с тем же названием.

110 См. к примеру, A. G. Mitchell. The Limits of Ecоnomy of Material in Frame Structures.

111 Беатрис Поттер (1866–1943) — английская детская писательница. На русском языке ее стихи известны, в частности, в переводе С. Я. Маршака. Прим. пер.

112 Поскольку сечение растягиваемого элемента увеличивается прямо пропорционально увеличению нагрузки, а объем креплений увеличивается в степени 3/2.

113 Общий вес Z конструкции длиной L, несущей нагрузку P и состоящей из n параллельных элементов, работающих на растяжение, алгебраически можно выразить как

где Z — общий вес всех элементов на растяжение на единицу длины;
P — общая нагрузка;
s — допустимое напряжение;
k — коэффициент, зависящий от изобретательности конструктора;
W — работа разрушения материала;
n — количество используемых элементов, работающих на растяжение;
p — плотность материала.

Вывод формулы (я лишь слегка ее изменил) см. в работе H. L. Cox, The Design of Structures at Least Weight.

114 Елизаветинской эпохой в истории Англии называют период правления королевы Елизаветы I, последней из династии Тюдоров (1533–1603, годы правления 1558–1603). Елизаветинская эпоха считается золотым веком Англии. Прим. пер.

115 Конструкцию кузова запатентовал Шарль Террес Вейман (1889–1976), пилот, изобретатель и бизнесмен. Прим. пер.

116 То есть при равной площади сечения кессона.

117 Колея шириной 7 футов (2140 мм) использовалась при строительстве Большой западной железной дороги, которым руководил Брюнель. Компания входила в большую четверку британских железнодорожных компаний. Борьба за единый стандарт, получившая название «колейная война», во второй половине 1840-х годов завершилась не в пользу Брюнеля. Сейчас колея 4 фута 8,5 дюйма (1435 мм) используется в большинстве стран Европы, Северной Америке, Китае, Австралии, некоторых североафриканских странах и на Ближнем Востоке. В России, странах бывшего СССР, Финляндии и Монголии действует своя, пятифутовая «русская» колея (1524/1520 мм). Прим. пер.

118 Как писал Гораций, «не всегда натягивает свой лук Аполлон» (Гораций, «Оды», II, 10, 17–20). Он, вероятно, знал, что сползание в серебре выражено почти так же, как и в свинце. (Аналог выражения «на всякого мудреца довольно простоты». Прим. пер.)

119 См. Arnold, 1966.

120 Одна вахта летчика бомбардировочной авиации состояла из 30 рейдов (боевых вылетов). Служба в британской бомбардировочной авиации считалась чрезвычайно опасной, а боевые потери были сопоставимы с огромными потерями в рядах немецких подводников.

121 Дополнительные 20% были нужны авиационным властям, чтобы подстраховаться и компенсировать возможные погрешности в качестве материалов и сборки.

122 Город Ниневия — столица Ассирийского государства в VIII–VII вв. до н. э. Согласно древнегреческой мифологии, основан царем Нином, известным по библейским текстам как Нимрод. Прим. пер.

123 Цит. по изд.: Эллинские поэты VIII–III вв. до н. э. М.: Ладомир, 1999.

124 Регистр Ллойда (Lloyd’s Register) — крупнейшее и наиболее авторитетное классификационное общество в области судоходства. В его компетенции разработка правил постройки и эксплуатации морских и речных судов, стандартов безопасности, классификации судов, а также оборудования, механизмов и материалов. Прим. пер.

125 По выражению Алана Герберта, это то, «чего не может ожидать разумный человек».

126 Р. Киплинг, «Хлеб, отпущенный по водам».

127 Грейс Дарлинг (1815–1842), дочь смотрителя маяка Лонгстоун неподалеку от места крушения, вместе с отцом на весельной лодке вывозила пострадавших с тонувшего судна, а затем несколько дней выхаживала раненых. После этого случая стала национальным героем. Прим. пер.

Грейс Дарлинг умерла от туберкулеза в возрасте 27 лет. Ее действия во время крушения были намного более осмысленны и разумны с точки зрения морского дела, чем может показаться из популярных источников.

128 Естественно, кроме переборок машинного отделения.

129 См. K. C. Barnaby. Some Ship Disasters and Their Causes. Hutshinson, 1968.

130 Бенджамин Дизраэли — видный английский политический деятель, консерватор, премьер-министр Великобритании в 1868 году и с 1874 по 1880 год. Прим. пер.

131 Отсылка к фразе Иисуса из Евангелия от Матфея. Метафора «трости, ветром колеблемой» используется для иллюстрации непостоянства человека. Прим. пер.

132 Теодор фон Карман (1881–1963) — немецкий и американский ученый венгерского происхождения в области аэро-, гидро- и термодинамики. Принимал участие в создании первых сверхзвуковых аэродинамических труб. Прим. пер.

133 Речь идет об английском химике Фредерике Августе Абеле (1827–1902). Прим. науч. ред.

134 Сэмюэл Батлер (1612–1680) — английский поэт и сатирик. Приведен отрывок из поэмы «Гудибрас». Прим. пер.

135 Dixon W. M. The Human Situation. Penguin, 1958.

136 Джордж Мередит (1828–1909) — английский писатель Викторианской эпохи. Прим. пер.

137 Обратите внимание на недавнюю моду на коллекционирование ночных горшков. Аристофан называл греческие амфоры для масла смешными, но никак не безобразными. Те, что выставлены в музеях, очень даже красивы.

138 Речь идет о реформе 1832 года, существенно расширившей избирательные права англичан. Прим. пер.

139 Противопоставление «детей Марии» и «детей Марфы» (далее по тексту) отсылает к евангельскому эпизоду о сестрах Лазаря, у которых гостил Иисус: Марии, которая лишь внимала слову Иисуса, и более практичной Марфе, хлопотавшей по хозяйству. Прим. пер.

140 Отсылка к стихотворению Р. Киплинга «Дети Марфы». Прим. пер.

141 Здесь: «с определенными оговорками», лат. Прим. пер.

142 Парафраз фрагмента из «Книги пророка Исаии» (28:17).

143 Хорас Уолпол (1717–1797) — английский писатель, основоположник жанра готического романа. Прим. пер.

144 Королевский павильон в Брайтоне — бывшая королевская резиденция, построенная в начале XIX века в индо-сарацинском стиле. Прим. пер.

145 Более подробную информацию см. в справочнике Roark, R. J. Formulas for Stress and Strain. McGraw-Hill, 1954.

146 Более подробную информацию см. в справочнике Roark, R. J. Formulas for Stress and Strain. McGraw-Hill, 1954.

Джеймс Гордон
Конструкции. Почему они стоят
и почему разваливаются

Переводчик Игорь Форонов

Арт-директор Артемий Лебедев

Верстальщики Андрей Ушнурцев и Ярослав Бондаренко

Дизайнеры обложки Татьяна Деваева и Владимир Корж

Технические дизайнеры Александра Пинхасова и София Симакович

Редактор Катерина Андреева

Научный редактор Анна Парфенова

Корректор Екатерина Комарова

Редактор электронного издания Анна Кукина

Менеджер Светлана Калинникова

Студия Артемия Лебедева
Ул. 1905 года, дом 7, стр. 1, г. Москва, 123022, Россия
publishing.artlebedev.ru

Конструкции и почему они не падают
Джеймс Гордон
Предисловие
1. Конструкции в нашей жизни, или Как разговаривать с инженерами
Трудное рождение теории упругости
2. Почему конструкции несут нагрузку, или О пружинистости твердых тел
3. Изобретение напряжения и деформации, или Барон Коши и расшифровка модуля Юнга
4. Безопасное конструирование, или Можно ли доверять расчетам прочности
5. Энергия деформации и современная механика разрушений с экскурсом в область луков, катапульт и кенгуру
Натяжные конструкции
6. Натяжные конструкции и сосуды под давлением с отступлениями о котлах, летучих мышах и китайских джонках
7. Соединения, крепления и люди, а также ползучесть и колеса карет
8. Мягкие материалы и живые конструкции, или Как спроектировать червяка
Сжатие и изгиб в конструкциях
9. Стены, арки и плотины, или Башни, увенчанные тучами, и надежность каменной кладки
10. Кое-что о мостах, или Святой Бенезе и Святой Изамбард
11. Как хорошо быть балкой! А также некоторые соображения о крышах, фермах и мачтах
12. Тайны сдвига и кручения, а также «Поларис» и ночнушки косого кроя
13. Разнообразные способы разрушиться в сжатии, или Сэндвичи, черепа и доктор Эйлер
И последствия были...
14. Философия проектирования, или Форма, вес и стоимость
15. Глава катастроф, или Этюд о грехе, ошибках и усталости металла
16. Эффективность и эстетика, или Мир, в котором нам жить
Приложения
1. Справочники и формулы
2. Теория балки
3. Кручение
4. Эффективность стержней и пластин в сжатии
Рекомендуемая литература
Фотографии, использованные в книге
Примечания

Contents

1. Предисловие
2. 1. Конструкции в нашей жизни, или Как разговаривать с инженерами
3. Трудное рождение теории упругости
   
   1. 2. Почему конструкции несут нагрузку, или О пружинистости твердых тел
   2. 3. Изобретение напряжения и деформации, или Барон Коши и расшифровка модуля Юнга
   3. 4. Безопасное конструирование, или Можно ли доверять расчетам прочности
   4. 5. Энергия деформации и современная механика разрушений с экскурсом в область луков, катапульт и кенгуру
   
   
4. Натяжные конструкции
   
   1. 6. Натяжные конструкции и сосуды под давлением с отступлениями о котлах, летучих мышах и китайских джонках
   2. 7. Соединения, крепления и люди, а также ползучесть и колеса карет
   3. 8. Мягкие материалы и живые конструкции, или Как спроектировать червяка
   
   
5. Сжатие и изгиб в конструкциях
   
   1. 9. Стены, арки и плотины, или Башни, увенчанные тучами, и надежность каменной кладки
   2. 10. Кое-что о мостах, или Святой Бенезе и Святой Изамбард
   3. 11. Как хорошо быть балкой! А также некоторые соображения о крышах, фермах и мачтах
   4. 12. Тайны сдвига и кручения, а также «Поларис» и ночнушки косого кроя
   5. 13. Разнообразные способы разрушиться в сжатии, или Сэндвичи, черепа и доктор Эйлер
   
   
6. И последствия были...
   
   1. 14. Философия проектирования, или Форма, вес и стоимость
   2. 15. Глава катастроф, или Этюд о грехе, ошибках и усталости металла
   3. 16. Эффективность и эстетика, или Мир, в котором нам жить
   
   
7. Приложения
   
   1. 1. Справочники и формулы
   2. 2. Теория балки
   3. 3. Кручение
   4. 4. Эффективность стержней и пластин в сжатии
   
   
8. Рекомендуемая литература
9. Фотографии, использованные в книге
10. Примечания