Конструкции, или почему не ломаются вещи | Страница 64 | Онлайн-библиотека


Выбрать главу

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

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

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

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

— Мэри, ты не выключила свет в туалете.

— Откуда ты знаешь?

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

Катастрофы деревянных кораблей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

64
От редактора перевода 1
Предисловие 1
Введение 1
Конструкции в нашей жизни, или как общаться с инженерами 1
Живые конструкции 2
Технические конструкции 2
Конструкции и эстетика 3
Теория упругости, или почему вещи все же ломаются 4
Часть I. Трудное рождение теории упругости 5
Глава 1 5
Почему конструкции выдерживают нагрузки, или упругость твердых тел 5
Закон Гука, или упругость твердых тел 6
Как теория упругости застыла на месте 6
Глава 2 7
Изобретение напряжения и деформации, или барон Коши и расшифровка модуля Юнга 7
Напряжение 7
Единицы напряжения 8
Деформация 8
Модуль Юнга, или какова жесткость данного материала? 8
Единицы измерения жесткости, или модуля Юнга 9
Фактические значения модуля Юнга 9
Прочность 9
Глава 3 10
Конструирование и безопасность, или можно ли доверять расчетам на прочность? 10
Французская теория и британский прагматизм 10
Коэффициент запаса и коэффициент незнания 11
Концентрация напряжений, или как "запустить" трещину 11
Глава 4 12
Упругая энергия и современная механика разрушения, с отступлениями о луках, катапультах и кенгуру 12
Энергетический подход к расчетам конструкций на прочность 13
Автомобили, лыжники и кенгуру 13
Луки 14
Катапульты 15
Эластичность, резильянс и ухабы на дорогах 16
Упругая энергия как причина разрушения 17
Энергия, или работа, разрушения 17
Гриффитс, или как жить в мире трещин и концентрации напряжений 18
"Мягкая" сталь и "высокопрочная" сталь 20
О хрупкости костей 20
Часть II. Конструкции, нагруженные растяжением 21
Глава 5 21
Растянутые конструкции и сосуды под давлением - о паровых котлах, летучих мышах и джонках 21
Трубы и сосуды высокого давления 22
Сферические сосуды высокого давления 22
Цилиндрические сосуды высокого давления 22
Китайская инженерия, или лучше прогнуться, чем лопнуть 23
Летучие мыши и птеродактили 23
Почему же птицы имеют перья? 24
Глава 6 24
О соединениях, креплениях и людях, а также о ползучести и колесах колесниц 24
Прочные соединения и человеческие слабости 25
Распределение напряжений в соединениях 26
Заклепочные соединения 26
Сварные соединения 27
Ползучесть 27
Глава 7 28
Мягкие материалы и живые конструкции, или как сконструировать червяка 28
Поверхностное натяжение 28
Поведение существующих в природе мягких тканей 29
Коэффициент Пуассона, или как работают наши артерии 30
Надежность, или о вязкости тканей животных 31
Строение мягких тканей 32
Часть III. Конструкции в условиях сжатия и изгиба 32
Глава 8 32
Стены, арки и плотины, или башни, уходящие в облака, и устойчивость каменной кладки 32
Линии давлений и устойчивость стен 33
Плотины 35
Арки 35
Масштаб, пропорции и надежность 36
О позвоночнике и скелете 37
Глава 9 37
Кое-что о мостах, или святой Бенезе и святой Изамбар 37
Арочные мосты 37
Чугунные мосты 38
Арочные мосты с подвесной проезжей частью 38
Подвесные мосты 38
Линия давления в арках и подвесных мостах 39
Мостовые фермы с верхним криволинейным поясом 39
Глава 10 40
Чем хороши балки, или о крышах, фермах и мачтах 40
Фермы перекрытий 41
Фермы в кораблестроении 42
Консоли и шарнирно опертые балки 43
Фермы мостов 44
Напряженное состояние балок 45
Продольные напряжения в изгибаемой балке 45
Глава 11 46
Тайны сдвига и кручения, или "Поларис" и вечерние туалеты 46
Терминология 46
Стенка балки в условиях сдвига - изотропные и анизотропные материалы 47
Касательное напряжение - это растяжение и сжатие, действующие под углом +45°, и наоборот 48
Складкообразование 48
Кручение 49
Центр изгиба и центр давления 49
Глава 12 51
Различные виды разрушения при сжатии, или сэндвичи, весла и Леонард Эйлер 51
Предел прочности на сжатие, или разрушение коротких стержней и колонн при сжатии 51
Сравнение прочности материалов на растяжение и на сжатие 52
Прочность дерева и композиционных материалов при сжатии 52
Леонард Эйлер и выпучивание тонких стержней и пластин 54
Трубы, корабли и бамбук, или кое-что о локальной потере устойчивости 55
Листья, сэндвичи и сотовые конструкции 55
Часть IV. И последствия были… 56
Глава 13 56
Философия конструирования, или форма, вес и стоимость 56
Проектирование конструкций, работающих на растяжение 56
Сравнения веса сжатых и растянутых конструкций 57
Масштабные эффекты, или еще раз о законе двух третей 58
Каркасные конструкции против монокока 58
Надувные конструкции 59
Колеса со спицами 59
О выборе лучшего материала, или что такое "лучший материал" 59
Материалы, топливо и энергия 60
Глава 14 61
Катастрофы, или очерк об ошибках, прегрешениях и усталости металла 61
О точности расчетов на прочность 61
Проектирование с помощью эксперимента 62
Сколько она будет служить? 62
Усталость металла, мистер Хани и пр. 63
Катастрофы деревянных кораблей 64
Еще о котлах, сосудах давления и о кипящем в них масле 64
О вырезании дыр 65
Об излишнем весе 66
Аэроупругость, или тростник, колеблемый на ветру 67
Проектирование как прикладная теология 67
Глава 15 68
Эффективность и эстетика, или мир, в котором мы должны жить 68
Об эффективности и функциональности 70
О стилях и напряжениях 72
Об имитации, подделках и украшениях 73
Приложения 73
Приложение 1. О справочниках и формулах 73
Приложения 2-4 74
Приложение 2. Теория изгиба балок 74
Приложение 3. Кручение 74
Приложение 4. Эффективность стержней (колонн) и пластин при сжатии 74
Рекомендации для дальнейших занятий 74