Конструкции, или почему не ломаются вещи | Страница 72 | Онлайн-библиотека


Выбрать главу

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

О стилях и напряжениях

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

72
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