Реферат: Мы не проваливаемся сквозь пол

«Почему мы не проваливаемся сквозь пол»


Введение.  Новая наука о прочных материалах, или как задавать трудные вопросы

Часть I.  Упругость и теория прочности

Глава 1. Напряжения и деформации, или почему мы не проваливаемся сквозь пол

Глава 2. Внутреннее сцепление, или насколько прочными должны быть материалы

Глава 3. Трещины и дислокации, или почему столь мала фактическая прочность материалов

Часть II.  Неметаллы

Глава 4. Торможение трещины, или как обеспечить вязкость

Глава 5. Древесина и целлюлоза, или о деревянных кораблях и железных людях

Глава 6. Клей и фанера, или слюда в планерах

Глава 7. Композиционные материалы, или как делать кирпичи с соломой

Часть III.  Металлы

Глава 8. Пластичность металлов, или интимная жизнь дислокаций

Глава 9. Железо и сталь, или Гёфест средь чертовых мельниц

Глава 10. Материалы будущего, или как ошибаться в догадках

Приложение I.  О различных типах твердого тела, или кое-что о патоке

Приложение II.  Простые формулы теории балок, или как сделать расчет на прочность


ВВЕДЕНИЕ

Металлы и неметаллы
Что такое материаловедение
Суеверия и ремесленничество
Атомы, химия, единицы измерения



Кто бы ни взялся писать книгу, посвященную столь обширной области знаний, как наука о прочности материалов, он всегда будет чувствовать, что специалисты найдут в такой книге много ошибок, упрощений и просто невежества. Такая книга непременно явится отражением авторской индивидуальности, и в первую очередь это коснется отбора материала.

Я писал о том, что интересовало меня в то или иное время. Надеюсь, меня за это не осудят. Ведь не мог я писать о легированных сталях, например, или о титане: есть люди, которые сделают это гораздо лучше меня.

Наука о материалах и теория упругости считаются довольно математизированными дисциплинами. Однако я опустил всю математику, за исключением совершенно элементарной алгебры, которая доступна каждому.

Дж. Гордон


^ НОВАЯ НАУКА О ПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ,
или
КАК ЗАДАВАТЬ ТРУДНЫЕ ВОПРОСЫ

 

Какую пищу нашему уму дает созерцание сил сцепления! Как много новых явлений открывается здесь! Именно эти силы обеспечивают прочность всего того, что сооружаем мы на земле, используя железо, камень и другие прочные материалы. И только подумайте, что все наши конструкции - взять хотя бы "Грейт Истерн" *, размеры которого и мощь, кажется, лежат за пределами человеческого воображения, - существуют постольку, поскольку существуют силы сцепления.
 

М. Фарадей
"О различных силах природы" **

Почему ломаются вещи? Почему вообще материалы обладают прочностью? Почему одни твердые тела прочнее других? Почему сталь вязкая, а стекло - хрупкое? Почему древесина расщепляется? Что означают такие понятия, как прочность, вязкость, хрупкость? Использованы ли все резервы прочности, скрытые в материалах? Можно ли улучшить существующие типы материалов и создать совершенно новые, отличные от них, которые были бы намного прочнее? Если да, то каким образом это сделать и как они будут выглядеть? Если мы в самом деле будем располагать лучшими материалами, то как и где их следует применять?

* "Грейт Истерн" - судно, построенное знаменитым английским инженером Брюнелем в середине XIX века. Во времена Фарадея оно было непревзойденным по своим размерам (водоизмещение 27000 т). - Прим. перев.

** Эпиграф взят из работы М. Фарадея "On the various forces of Nature", которая была издана на русском языке под названием "Силы материи и их взаимоотношения" (М., Государственное антирелигиозное издательство, 1940). Настоящий перевод отличается от изданного. - Прим. перев.

Фарадея в последние годы его жизни стали занимать некоторые из этих вопросов, но ответить на них он не смог, да, признаться, и мы лишь совсем недавно оказались в состоянии это сделать. Однако уже самой постановкой вопроса Фарадей значительно опередил свое время; впоследствии еще долгое время исследования прочности и сил сцепления не были в чести у ученых. Эта книга рассказывает о том, как мы пришли к пониманию природы прочности материалов, как связаны между собой прочностные свойства металлов, древесины, керамики, стекла, костей, как эти материалы ведут себя в различных конструкциях - станках, кораблях, самолетах, зданиях, мостах.

Новая наука о материалах очень важна, потому что все наши технические достижения всегда были ограничены недостаточной прочностью материалов. И если еще совсем недавно человек принимал материалы как нечто ниспосланное свыше, то сегодня мы можем не только понять характер поведения материалов, но и найти способы улучшения их свойств. Уже видны пути получения несравненно лучших материалов, не похожих на существующие. Они откроют инженерам совершенно новые возможности.

^ Металлы и неметаллы

В технике всегда существовало деление на металлы и неметаллы, и, хотя такие мастера, как Брюнель, одинаково умело использовали и те и другие, большинство инженеров по традиции становились "металлистами" или "неметаллистами". Причина такого деления лежит в резком различии свойств металлов и неметаллов - мы скоро увидим, в чем здесь дело, - и, следовательно, путей их использования. Однако я склонен думать, что определенную роль в выборе "своего" материала играют характеры людей: металлисты представляются мне людьми практичными, земными, они не выносят того, что им кажется бессмысленным, а неметаллисты, вероятно, более лиричны, богаче наделены воображением.

Возможно, мы не должны делать особых выводов из самого факта такого разделения, но оно так или иначе проходит через всю историю техники. В нашей книге мы проследим развитие этих двух традиционных направлении в свете современной науки о материалах и попытаемся выделить проблемы, которые в свое время требовали решения. Мы постараемся понять, почему произошли эти перемены.

На протяжении XIX века цены на железо и сталь снизились в 10 раз, что одновременно с улучшением их качества явилось весьма важным событием в развитии техники, а может быть, даже наиболее важным историческим событием. Во всяком случае, железо и сталь пришлись особенно по душе мастерам времен королевы Виктории, да и наша современная техника зиждется в основном на металлах. Однако металлам не принадлежит монополия на прочность. Порой лучшими сочетаниями удельного веса и прочности обладают не металлы, а самые прочные из известных веществ - недавно полученные нитевидные кристаллы (усы) углерода и окиси алюминия.

Тенденции развития материаловедения сейчас таковы, что, весьма вероятно, скоро мы будем располагать конструкционными материалами, которые по своей структуре гораздо больше напоминают древесину или кость, чем металлы и сплавы, хорошо известные нашим инженерам *. Это не значит, что мы вернемся к царству резьбы по дереву и плотничьего мастерства или что металлы будут вытеснены какими-то другими материалами в ближайшем будущем. Конечно, нет. Я хочу подчеркнуть лишь, что это делает уместным изучение всей истории применения прочных материалов, как металлических, так и неметаллических. Хотя новые технологические процессы во многом будут довольно сложными, мы, быть может, вернемся к терпеливой скромности корпеющего над своим материалом ремесленника, которая ныне на наших предприятиях вовсе забыта. Это привело бык большей занятости и, возможно, как-то компенсировало бы разного рода индустриальные уродства. Если так случится, то человечество окажется только в выигрыше.

* См., например, книгу A. Kelly, Strong Solids, Oxford, 1966, а также гл. 10 настоящей книги.

Отправной точкой, которая поможет нам разобраться в истории и некоторых областях применения конструкционных материалов, кажущихся наиболее важными в социальном и техническом отношениях, послужат современные представления о прочности материалов. Выбор объектов исследования будет в известных пределах произвольным. Я не касался некоторых важных материалов, например, алюминия, если они не иллюстрировали какого-либо интересного принципа - l'art d'ennuyer consiste a tout dire  *.

* Искусство наводить скуку состоит в стремлении рассказать обо всем (франц.).


^ Что такое материаловедение

Прочность даже самого крупного сооружения в какой-то мере зависит от химических и физических процессов, которые происходят на молекулярном уровне. Поэтому, говоря о материалах, нам придется оперировать физическими величинами, огромными и совершенно ничтожными, переходить от химических представлений к чисто техническим, совершать скачки из одной области науки в другую: материаловедение, выражаясь современным языком, находится на стыке наук.

 Стоит лишь задуматься о механических свойствах твердого тела, как становится ясным, что какие-то представления о поведении материалов есть у каждого из нас, но далеко не всегда мы можем понять, почему материалы ведут себя именно так, а не иначе. Правда, на вопрос "почему" ответить всегда сложнее. Однако, прежде чем доискиваться до причин какого-либо явления, его следует описать - точно и объективно. Это дело инженеров. Если дилетант может довольствоваться смутными представлениями о том, как деформируются и разрушаются твердые тела, то инженер обязан быть точным, и немало поколений инженеров совершенствовало это описание, стремясь сделать его предельно объективным. Конечно, инженеры часто не отдавали себе отчета в том, почему кусок стали ведет себя так, а кусок бетона - иначе, но и в том, и в другом случаях они проводили измерения и описывали все это в трудночитаемых книгах. Вооруженные знаниями "свойств" материалов, они обычно могут предсказать поведение сложных конструкций хотя и у них случаются ошибки, и тогда мосты летят в реки, корабли тонут, самолеты разбиваются. Вся эта премудрость воплощена в теории упругости, определяющей условия, при которых конструкционные материалы воспринимают и передают нагрузки, сопротивляются им. Некоторое понимание всего этого необходимо и для того, чтобы разобраться в проблеме прочности материала. Если отбросить всю математику, основные принципы упругости на первый взгляд, право же, очень просты, но для истинного понимания они на удивление трудны. Причина этого, я думаю, кроется в том, что все мы воспитаны на некоторых инстинктивных знаниях о прочности - не будь этого, мы ломали бы вещи и травмировались гораздо чаще, чем сейчас. И в результате нам кажется, что такого подсознательного понимания вполне достаточно. В конце концов все это оборачивается трудностями, связанными не столько с изучением элементарной теории упругости, сколько с собственными предубеждениями.

Кто сомневается во всем этом, пусть попробует объективно описать разницу между механическими свойствами, например, мела и сыра *. Как правило, инженеру под силу такая задача. Более того, если бы мы захотели по строить некое сооружение, используя один из этих материалов, он смог бы предсказать характер его разрушения. Однако объяснить разницу между сыром и мелом нам могут только представители определенных областей науки.

* Для воспитанного на идиомах английского читателя мел и сыр представляют собой образцовый пример совершенно различных веществ: в английском языке существует выражение as different as chalk is from cheese. - Прим. перев.

Твердые тела сохраняют свою форму благодаря химическим и физическим связям, существующим между их атомами и молекулами. Любое тело можно вывести из строя несколькими различными путями - механическим разрушением, плавлением или воздействием химически ми реагентами. Так как в каждом случае должны быть разорваны какие-то внутренние связи одного типа, можно было бы предположить, что существует некая простая связь между всеми названными фoрмами разрушения, и сегодня, когда о природе межатомных взаимодействий химики и физики знают довольно много, им не так уж трудно дать объяснение и прочности, и другим механическим свойствам материалов, так что, по существу, изучение разрушения материалов должно бы стать разделом химии.

В дальнейшем мы увидим, что прочность связана - как этого, конечно, и следовало ожидать - с химическими взаимодействиями, но связь эта косвенная, и обнаружить ее средствами классической химии или физики невозможно. Оказывается, мы не только нуждаемся в интерпретации результатов этих наук средствами классической теории упругости, но нам необходимо ввести еще и такие сравнительно новые и очень важные понятия, как дислокации и концентрация напряжений.

В свое время их введению сопротивлялись многие ортодоксы. До недавних пор наука о прочности материалов несомненно отставала от других дисциплин, которые на первый взгляд кажутся и более трудными и более эффектными. В течение долгого времени мы гораздо лучше были осведомлены о радио или о внутреннем строении звезд, чем о том, что происходит в куске стали. По-моему, причина здесь не столько в крайней сложности предмета, сколько в трудностях, связанных с объединением достаточного числа людей, занятых в различных областях науки, для совместной работы над одной общей проблемой.

Химики, естественно, предпочитают объяснять все свойства веществ на языке химии, но когда они, наконец, разделываются с трудностями, порожденными использованием инженерами иных единиц измерения (например, для энергии), то часто обнаруживают, что рассчитанные ими параметры прочности не только отличаются от истинных на несколько порядков, но даже качественно не имеют ничего общего с результатами экспериментов. После этого они склонны забросить все, утверждая, что предмет и не интересен, и не важен. Отношение физиков к этой проблеме несколько иное, но очень многие из них в течение долгого времени гнались за другим зайцем: надо было разбираться в том, что происходит внутри атома.

Бесспорно, в наши дни совместными усилиями физиков и металловедов удается в удивительных подробностях разгадать происходящие в металлах процессы, по классическое металловедение слишком долго оставалось чисто описательной наукой. Металловеды знали, что, добавив тот или иной элемент к сплаву, они как-то изменят его свойства. Еще они знали, что нагрев, охлаждение, ковка меняют механические свойства металлов. С помощью оптического микроскопа они могли наблюдать лишь сравнительно грубые различия в микроструктуре. Но, несмотря на то что наблюдаемые структуры как-то определяли механические свойства металлов, эта связь сама по себе не могла считаться убедительным научным объяснением механического поведения металлов и сплавов.

^ Суеверия и ремесленничество

Если наука о материалах оказалась тяжела даже для ученых, вряд ли можно предположить, что наши предки вполне осознанно обрабатывали и использовали материалы. И в самом деле, ни одна из технических дисциплин не изобилует суевериями в такой степени. Можно было бы (а быть может, и должно) написать объемистую полную ужасов книгу о предрассудках, связанных с получением материалов. Так, в древнем Вавилоне при изготовлении стекла использовались человеческие эмбрионы; японцы закаливали мечи, погружая их докрасна раскаленными в тела живых пленников. Обычными были случаи погребения жертв в основаниях зданий и мостов, лишь в древнем Риме людей заменили чучелами. Подобные обычаи связаны с примитивной философией, которая каждую конструкцию наделяла собственной духовной жизнью.

Со временем человек стал менее жестоким, но не менее суеверным. Во всяком случае, некоторые пережитки иррационального чувствуются даже в нашем сегодняшнем отношении к материалам. Так, зачастую весьма бурно обсуждаются вопросы о применении старых и новых, натуральных и синтетических материалов, причем бушующие на такого рода дискуссиях эмоции далеко не всегда основываются на реальных знаниях или экспериментальных доказательствах. Эти предубеждения наиболее сильны в быту ("Может ли что-нибудь сравниться с шерстью?" или "Нет ничего, подобного коже!"), но иногда они проникают и в область проектирования серьезных конструкций.

Издавна человеку казалось удобным видеть в материалах некую жизненную силу, от которой якобы зависит их работоспособность. Например, говорили, что вещи ломаются потому, что их покидает некая сила. Во время войны я имел дело с поставками бамбука, который шел на изготовление аэростатов заграждения. Как-то один импортер бамбука жаловался мне на трудности хранения прутьев необходимой нам длины: для них требовалось слишком много места, поскольку их нужно было складывать горизонтально. На мое предложение хранить бамбук в вертикальном положении собеседник заявил, что это невозможно, так как сила бамбука вылетит из него через обращенный кверху конец. В прошлом при выборе материала и проектировании конструкции полагались лишь на инстинкт и опыт. Среди лучших ремесленников, работавших по сложившимся традициям, встречались иногда блестящие мастера. Однако было бы ошибкой преувеличивать возможности традиций, мастерство ремесленника могло быть великолепным, но инженерное решение его изделий, как правило, в лучшем случае было посредственным, а иногда оказывалось удивительно плохим. Повозки теряли колеса, потому что каретных дел мастерам не хватало смекалки крепить их подобающим образом. Точно так же деревянные корабли в плавании почти всегда имели злосчастные течи, потому что кораблестроители тех дней не понимали природы касательных напряжений, которые, боюсь, и сегодня для многих остаются загадкой.

 Экскурс в такие далекие для нашего предмета времена может показаться неуместным в книге, посвященной современной науке о материалах, однако следует помнить, что наука эта, подобно медицине, должна была прокладывать свой путь наперекор традиционной практике и суевериям. Не дать представления о тех глубинах антизнания, из которых должно было подняться современное материаловедение, значило бы в чем-то погрешить против истины.

^ Атомы, химия, единицы измерения

Несмотря на то что не всегда просто установить прямые связи между прочностью материалов и законами классической физики и химии, в конечном счете именно эти науки составляют фундамент материаловедения. Поэтому для тех, кто мог позабыть кое-что из школьной программы, в конце книги имеется приложение, где кратко изложены основные сведения, без знания которых трудно следить за дальнейшими рассуждениями. Однако для понимания материаловедения не в меньшей степени, чем знание законов химии и физики, необходимо правильное представление о размерах и масштабе. Иными словами, законы науки дают правила игры, но размеры шахматной доски, то есть те масштабы, в которых разыгрываются игры в природе и технике, постоянно и почти невообразимо изменяются. Поэтому остановимся, хотя бы кратко, на вопросе о масштабах и единицах измерения.

Кельвин не раз повторял, что наука начинается с измерений. Но для того, чтобы измерять, нужны единицы измерения. Для измерения сравнительно больших величин мы будем использовать сантиметры и миллиметры, тонны, килограммы и граммы. Оперируя очень малыми величинами, мы обычно становимся более рациональны ми и обращаемся к малым единицам. А поскольку материаловедение часто имеет дело именно с малыми величинами, которые не используются в повседневной жизни, об этих малых единицах следует рассказать подробнее. Микрон (мкм) - 1/10000 см, то есть 1/1000 мм. Размер самой маленькой точки, которую можно увидеть невооруженным глазом, - около 1/10 мм, то есть 100 мкм. А самый малый предмет, видимый с помощью обычного оптического микроскопа, как правило, меньше 0,5 мкм. На практике возможность видеть предмет в значительной степени зависит от условий освещения: так, в сильном луче света, проникающем в темную комнату, можно видеть невооруженным глазом частицы пыли размером в 10 мкм или даже меньше. Так как предел разрешения оптического микроскопа примерно равен одному микрону, микрон стал излюбленной единицей тех, кто в основном работает с этим микроскопом, в частности биологов.

Ангстрем (А) - 1/10000 мкм, или 1/100000000 см. Эта единица пользуется уважением тех, кто работает с электронным микроскопом, ее применяют для измерения атомов и молекул. С помощью современного электронного микроскопа можно рассмотреть (обычно в виде неясных пятен) частицы размером около 5 А. Это примерно в тысячу раз меньше того, что можно увидеть в лучшем оптическом микроскопе. Но и в этом случае разрешение сильно зависит от условий эксперимента.

Вероятно, здесь следует немного поговорить об атоме. Атомы - это то, из чего построены все вещества. Сами атомы состоят из очень малых и тяжелых ядер, окруженных облаком обращающихся вокруг них электронов, которые являются волнами, частицами или отрицательны ми зарядами электричества. Электроны несравненно меньше ядер атомов. Массы и размеры атомов различных веществ могут быть очень разными. Атомы можно представить себе в виде шариков с негладкой поверхностью диаметром, грубо говоря, около 2 А. По обыденным понятиям, это невообразимо малый размер, мы никогда не сможем увидеть отдельный атом с помощью обычного видимого света, хотя в массе своей атомы, конечно, являются перед нами в виде любого тела.

Здесь полезно напомнить, что наименьшая частица, которую можно видеть невооруженным глазом, содержит примерно 500000 атомов в поперечнике, а с помощью оптического микроскопа нам удается рассмотреть частичку с 2000 атомов в поперечнике. Электронный микроскоп позволяет увидеть расположение атомов в кристалле, которое напоминает построение солдат на параде; с помощью устройства, называемого ионным проектором, можно рассмотреть даже отдельные атомы - по крайней мере некие их туманные очертания. Однако даже при значительно лучшей разрешающей способности микроскопа (а со временем таковая, возможно, и будет достигнута) вряд ли нам удастся увидеть что-нибудь очень конкретное.


^ Часть  I.  УПРУГОСТЬ И ТЕОРИЯ ПРОЧНОСТИ


Глава 1.   Напряжения и деформации, или почему мы не проваливаемся сквозь пол

Напряжения и деформации, что это?
Закон Гука
Модуль Юнга
Прочность
Растяжение и сжатие в конструкциях
Балки и изгиб

Глава 2.   Внутреннее сцепление, или насколько прочными должны быть материалы

Гриффитс и энергия

Глава 3.   Трещины и дислокации, или почему столь мала фактическая прочность материалов

Концентрация напряжений
Гриффитсовы трещины
Дислокации и пластичность

Глава 1.

^ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ,
или
ПОЧЕМУ МЫ НЕ ПРОВАЛИВАЕМСЯ СКВОЗЬ ПОЛ

Он имел обыкновение каждый вечер втягивать Вана в философскую дискуссию и в этих спорах всегда подчеркивал разницу между системой Ка-пина, в которой Земля висит на мощных канатах, и системой Тай-у, считавшего, что Земля опирается на громадный бамбуковый столб. Самобытный и проницательный ум Аш-шу уже давно обнаружил слабость обеих теорий в самой их основе.
 

Эрнст Брама.
"Kaй Лун расстилает свою циновку"

Мы действительно не проваливаемся сквозь пол, и это для нас настолько обычно, что мы над этим никогда не задумываемся. Но более общий вопрос, почему любое твердое тело вообще способно сопротивляться приложенной к нему нагрузке, издавна занимал умы ученых. Ответ на него представляет собой наглядный пример того, как без применения изощренных приборов может быть теоретически решена научная проблема (исключая, конечно, ее молекулярный аспект). Это отнюдь не говорит о бесхитростности предмета. Ведь недаром первый существенный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся умы, как Галилей (1564–1642) и Гук (1635–1702). Нужно сказать, что именно они впервые четко сформулировали задачу.

Правда, эта задача оказалась за пределами возможностей XVII века. Более того, на протяжении еще двухсот лет не было достаточно полного представления о том, что же на самом деле происходит в конструкциях; даже в XIX веке круг людей, понимавших что-то в этой области, ограничивался несколькими не очень признанными в те времена теоретиками. Инженеры-практики все еще продолжали делать свои расчеты, что называется, на пальцах. Нужно было пройти долгий путь, полный сомнений и катастроф (вроде случая с мостом через реку Тэй *), чтобы они убедились в пользе обоснованных расчетов на прочность **. Вместе с тем обнаружилось, что правильный расчет может удешевить конструкцию, так как позволяет экономить материалы более безопасным путем. В наши дни суть разницы между квалифицированным инженером, с одной стороны, и слесарем или просто самоучкой-любителем - с другой, заключается не столько в изобретательности или степени мастерства, сколько в теоретической подготовке.

* Железнодорожный мост через реку Тэй в ее устье (длиною почти 3 км) был построен Т. Баушем в 1879 г. Его считали одним из величайших технических достижений своего времени. Однако через несколько месяцев после открытия, зимней ночью мост не выдержал тяжести пассажирского поезда. Все пассажиры утонули. Расследование установило серьезные дефекты использованных материалов, ошибки в проекте и небрежности при постройке. Драматические обстоятельства катастрофы и число погибших сделали это событие печально знаменитым в английской истории. - Прим. автора к русск. изд.

** Было время, когда в США ежегодно рушилось около 25 мостов.

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. На пример, 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. Те же рассуждения применимы к любому грузу: если стул весит, например, 20 кг, то, чтобы он оставался на привычном для нас месте, пол должен действовать на него с такой же силой. Однако в законе Ньютона совсем не обязательно сила связана лишь с каким-либо неподвижным грузом. Если я направлю свой автомобиль в стену, то она отреагирует на мои действия с силой, в точности равной той, которая необходима, чтобы остановить автомобиль, даже если при этом погибает водитель. И еще один пример: ветер оказывает давление на дымовую трубу, пытаясь ее опрокинуть, но точно с такой же силой труба действует на воздух - именно поэтому она не опрокидывается.

Все это лишь частные проявления третьего закона Ньютона, который, грубо говоря, утверждает, что для сохранения статус-кво совокупность сил, действующих на тело, должна быть уравновешенной. Правда, закон ничего не говорит о том, откуда берутся все эти силы. Что касается внешних нагрузок на тело, то обычно их обнаружить легче: вес груза возникает из-за гравитационного воздействия Земли на массу груза (земное притяжение); в случае торможения движущейся нагрузки (будь то твердое тело, жидкость или газ) возникающие силы таковы, что вызывают необходимое замедление движущейся массы (второй закон Ньютона). Задача любой механической конструкции состоит в сохранении и поддержании статус-кво, для ее выполнения в конструкции должны каким-то образом возникать силы, которые могли бы уравновесить внешние нагрузки, действующие на нее. Кажется, теперь мы можем понять, как груз давит на пол, но как пол давит на груз?

Ответ на этот вопрос далеко не очевиден. Во времена Галилея и Гука, на заре научной мысли, проблема была еще более неразрешимой. Ее решение усугублялось человеческой склонностью осмысливать непонятное, отталкиваясь от самих себя, от процессов, которые кажутся знакомыми по своему собственному внутреннему опыту. Но такой "антропометрический" подход и биологические аналогии могут лишь запутать дело. Животное имеет два механизма сопротивления нагрузкам. Его инертные части - кости, зубы, волосы - воспринимают механическую нагрузку точно так же, как и любое неживое твердое тело. Но живой организм как целое ведет себя совершенно иным образом. Люди и животные способны активно сопротивляться приложенным силам: они напрягают свои мышцы и в зависимости от того, чего требует сложившаяся ситуация, отталкивают или тянут что-то. Если вы поставите мне на ладонь какой-либо груз (допустим, кружку пива), то, чтобы удержать эту нагрузку, я должен увеличить натяжение в определенных мышцах.

Благодаря сложному и совершенному биологическому механизму наши мышцы непрерывно подстраиваются под внешнюю нагрузку, что позволяет удерживать кружку в вытянутой руке. Однако сохранение биологического напряжения мышц требует непрерывного расходования энергии (подобно тому как упершийся в стену автомобиль, оборудованный гидравлической передачей, продолжает сжигать бензин в своем двигателе, оказывая давление на стену, но ни машина, ни стена при этом не движутся). Расход энергии приводит к усталости мышц руки, и, чтобы снять с них нагрузку, я рано или поздно должен буду выпить пиво.

В отличие от неодушевленных предметов человек всегда, даже когда стоит неподвижно, производит направленные, хотя, возможно, и неосознанные, подстроечные операции в мышцах тела. Со временем он устает и, если обморок или смерть прерывают мышечные процессы, падает. В неодушевленных телах подобные биологические процессы отсутствуют. Конструкционные материалы пассивны, так что они не "устают" в обычном смысле этого слова. Прежде чем начать сопротивляться внешним нагрузкам, в них должны возникнуть какие-то смещения, то есть, чтобы оказать какое-либо сопротивление, они должны в большей или меньшей степени поддаться нагрузке. Под смещением мы понимаем не перемещение тела как целого, без изменения его формы, а именно геометрические искажения самого тела, то есть тело в целом или отдельные его части становятся короче или длиннее вследствие растяжения или сжатия внутри самого тела.

В природе не существует и не может существовать абсолютно жесткого материала. Все тела в той или иной мере обладают податливостью. Если вы взбираетесь на дерево, то ветки прогибаются под вами, и это сразу становится заметным. Однако, когда вы идете по мосту, его прогиб настолько мал что вы его не ощущаете. Но как смещения ветвей, так и отклонения моста могут быть охарактеризованы количественно. Пока смещения, вызванные внешними нагрузками, не слишком велики и не мешают конструкции выполнять свои задачи, их нельзя считать ошибками проекта, они определяют как бы врожденные, обязательные характеристики конструкции. (Ниже мы дадим им более подробное определение.)

Между прочим, вспомните, что, летая самолетом, вы, быть может, замечали, как смещаются вверх-вниз кончики его крыла. Конструктор, проектируя крыло, наделил его такими свойствами. Вероятно, вам уже ясно, что смещения, будь они малыми или большими, создают силы сопротивления. Эти силы определяют жесткость твердого тела, его способность сопротивляться внешним нагрузкам. Другими словами, в твердом теле возникают именно такие смещения, которые как раз достаточны, чтобы уравновесить приложенные внешние нагрузки. Это происходит совершенно автоматически.

Как же возникают эти силы? Дело в том, что в любом теле атомы химически связаны между собой (Приложение  I). Эти связи условно можно представить в виде пружинок, хотя, конечно, ничего "твердого" в обычном вульгарном смысле этого слова в промежутках между атомами не существует (рис. 1). Те же силы, которые делают тело твердым, определяют и его химические свойства. Разрушение химических связей освобождает энергию пороха и бензина, те же связи делают резину и сталь упругими и прочными.



Рис. 1. Наглядная модель химических связей в твердом теле

Когда твердое тело полностью свободно от механических нагрузок (что бывает, строго говоря, очень редко), химические связи, или пружины в нашей модели, находятся в нейтральном положении (рис. 1, а). Любая попытка сблизить атомы (это мы называем сжатием) или оттянуть их друг от друга (что обычно называется растяжением) сопровождается небольшим укорочением (рис. 1, б) или удлинением (рис. 1, в) межатомных пружин во всем объеме материала. При этом ядра атомов считаются жесткими, кроме того, в твердом теле атомы обычно не обмениваются местами, по крайней мере при умеренных, или "безопасных", нагрузках. Таким образом, податливость твердого тела определяется межатомными связями. Жесткость этих связей может изменяться в широких пределах, но для большинства веществ она намного выше, чем у тех металлических пружин, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. Очень часто величины межатомных сил весьма и весьма велики. Этого и следовало ожидать, если вспомнить о силах, которые могут быть получены при разрыве химических связей горючих или взрывчатых веществ.

Хотя абсолютно жестких тел, то есть таких, которые под действием внешних сил совершенно не изменяют своей формы, в природе не бывает, смещения во многих предметах часто оказываются очень малыми. Например, если я наступлю на обычный строительный кирпич, то его высота уменьшится примерно на 1/20000 см. А два любых соседних атома в кирпиче станут ближе один к другому на расстояние ~1/500000A (210-14 см). Величина эта невероятно мала, но она соответствует совершенно реальным перемещениям атомов. Конечно, в крупных конструкциях перемещения элементов не всегда малы. Канаты, на которых висит мост через залив Форт (Шотландия), все время растянуты примерно на 0,1%, что при их общей длине почти 3 км составляет около 3 м. В этом случае атомы железа, расстояние между которыми в не нагруженном состоянии около 2 А, удаляются на величину ~2/1000 А.

Тот факт, что расстояние между атомами действительно изменяется под нагрузкой, был многократно про верен путем постановки самых различных экспериментов. Наиболее наглядные результаты дает стандартный метод измерения межатомных расстояний по отклонению пучка рентгеновских лучей при прохождении его через кристалл, основанный на явлении дифракции. Более чем полувековая практика позволила довести этот метод до весьма высокой точности. Опыты показали, что смещения атомов в металлах, например, строго пропорциональны величине, на которую удлиняется (или укорачивается) весь кусок металла. В этих экспериментах наблюдались изменения межатомных расстояний примерно до 1%. На рис. 2 показаны результаты измерений на мягкой стали, в которой максимальные смещения атомов были около 0,5%.



Рис. 2. Сравнение напряжений, установленных экспериментально с помощью дифракции рентгеновских лучей (методом двух экспозиций), с расчетными напряжениями, вычисленными по кривизне изогнутой балки (отожженная малоуглеродистая сталь). Белый кружок - данные экспериментатора A, черный - экспериментаторов B и C.


^ Напряжения и деформации, что это?

Все эти рассуждения подводят нас к понятиям "напряжение" и "деформация". Когда мы говорили о силах, то имели в виду полные величины сил, действующих на тело. Такой силой мог быть любой груз. Когда мы говорили о смещении под нагрузкой, то имели в виду полные смещения независимо от размеров объекта, будь он большим или малым. Однако все это не позволяет нам сравнивать большой объект под большой нагрузкой с малым объектом под меньшей нагрузкой. Например, если из стали одного сорта изготовить крошечную деталь пишущей машинки и корпус воздушного лайнера, то какие характеристики этого материала, работающего в столь различных условиях, можно было бы сравнивать? Без ответа на этот вопрос мы не можем продолжать разговор о материалах и конструкциях. Нужные нам величины называются напряжением и деформацией. Напряжение - это нагрузка, отнесенная к единице площади, то есть

= ^ P/F,

где  - напряжение, Р - нагрузка, F - площадь. Приведенная формула также повседн