Конструкции, или почему не ломаются вещи | Страница 71 | Онлайн-библиотека


Выбрать главу

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

71
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