Конструкции, или почему не ломаются вещи, стр. 51

Примерно около 1950 г. кому-то пришло в голову, что корпус ракеты лучшеделать не из металла, а в виде цилиндрической трубы, полученной геликоиднойнамоткой двух семейств прочных стекловолокон, связанных между собой смолой.Если правильно рассчитать углы намотки, то можно добиться того, чтобы изменениедиаметра трубы под давлением было мало. Правда, при этом осевая деформациятакого корпуса будет больше, чем металлического (как и талии в платьяхмадемуазель Вионе). Однако по ряду причин продольное удлинение менее опаснодля топлива. Если не ошибаюсь, эта идея берет свое начало от диагональногокроя вечерних туалетов, популярных в то время.

Допустимые деформации корпуса ракеты отнюдь не допустимы для кровеносныхсосудов. Как мы видели в гл. 7, при колебаниях давления крови артерия должнапри значительных изменениях ее диаметра сохранять более или менее постояннуюдлину. Оба эти требования может удовлетворить конструкция трубы ссоответствующей геликоидной намоткой волокон. С такого рода проблемами, как нистранно, постоянно сталкиваются биологи. Примечательно, что Стив Вейнрайт,профессор университета Дюка, изучающий червей, совершенно независимо провел теже самые расчеты, которыми мы занимались лет 20 назад в области ракетнойтехники [92]. Заинтересовавшисьэтим обстоятельством, я выяснил через профессора Биггса, что и в этом случаетолчком послужил крой по косой.

Изобретение косого кроя принесло мадемуазель Вионе. славу в мире модельеров.Она дожила до глубокой старости и умерла недавно в возрасте 98 лет, так,по-видимому, и не узнав о своем весьма значительном вкладе в космическуюи военную технику и биомеханику червей.

Касательное напряжение - это растяжение и сжатие, действующие под углом +45°, и наоборот

Если еще немного подумать о стенках балок, решетчатых стенках ферм и о вечернихтуалетах косого кроя, то становится очевидным, что касательное напряжениепредставляет собой просто комбинацию напряжений растяжения и сжатия,действующих под углом +45° (рис. 120). Более того, любое напряжение сжатия ирастяжения [93] приводит к появлению под углом 45°касательного напряжения.

Действительно, твердые тела, особенно металлы, очень часто при растяженииразрушаются вследствие касательных напряжении под углом 45° к направлениюрастяжения. Именно эти напряжения приводят к появлению "шеек" в металлическихстержнях и пластинах при растяжении и к пластичности металлов (рис. 127и гл. 4). Как мы увидим в следующей главе, почти то же самое может происходитьи при сжатии. Многие твердые вещества при сжатии разрушаются путем скольжения,вызванного касательными напряжениями.

Конструкции, или почему не ломаются вещи - GORD1270.png

Рис. 127. В пластичных металлах наблюдается тенденция к разрушению путемсдвига.

Складкообразование

Толстая пластина или просто кусок металла способны хорошо сопротивлятьсясжатию, так что если их нагрузить сдвигом, то возникающие под углом +45°напряжения сжатия и растяжения будут для них неопасны. Тонкие панели, мембраны,пленки и ткани плохо сопротивляются сжатию в их плоскости, поэтому присдвиге на этих элементах образуются складки. Это весьма обычно для тонкихметаллических панелей, широко используемых в конструкциях самолетов, образованиетаких складок часто можно наблюдать на поверхности их крыла и фюзеляжа(рис. 128). Инженеры называют это "вагнеровским полем".

Конструкции, или почему не ломаются вещи - GORD1280.jpg

Рис. 128. Местные выпучивания обшивки фюзеляжа вертолета.

Еще чаще такие складки можно видеть на одежде, просторных чехлах, скатертяхи плохо скроенных парусах. Вряд ли портные так уж часто говорят о вагнеровскомполе, но иногда они упоминают о некоем довольно таинственном качестве,известном в текстильном товароведении как сминаемость. Сминаемость тканизависит главным образом от ее модуля сдвига, и хотя немногие из модельеровмогут указать с системе СИ или других единицах величину модуля сдвига Gдля используемых ими шелковых или хлопчатобумажных тканей, но, чем меньшемодуль сдвига материала, тем меньше у него тенденция к образованию нежелательныхскладок, или сминаемость.

Причина того, что мы не можем использовать для одежды бумагу или целлофан, непоказавшись при этом смешными, заключается главным образом в слишком большойжесткости на сдвиг, которой обладают эти материалы, именно поэтому они не могутпринимать нужные формы. А вот трикотажные ткани, наоборот, имеют как малыймодуль Юнга, так и малый модуль сдвига, поэтому при их использовании легкодобиться плотного облегания фигуры. Девушки быстро открыли это качество ввязаных свитерах. Точно так же у молодых людей кожа имеет малый модуль Юнга имодуль сдвига и поэтому легко "подстраивается" под формутела [94]. В старости кожа становится более жесткой на сдвиг,печальные результаты чего бывают, к сожалению, слишком очевидными. Недавнопрофессор М. Кенеди из Стрэтклайдского университета провел широкие исследованияупругих свойств кожи человека. В результате старческие морщины, кажется,впервые получили количественное описание.

Кручение

Самолет превратился из чего-то, чего "вообще не может быть", в грозноевоенное оружие за каких-нибудь 10 лет. Это случилось почти без помощи науки.Пионеры авиации зачастую были талантливыми любителями и заядлыми спортсменами,но лишь немногие из них имели какую-то теоретическую подготовку. Как исовременных автомобилистов, их скорее интересовали шумные и ненадежныедвигатели, чем несущая конструкция, о которой они мало что знали и ещеменьше заботились. Естественно, выжав из двигателя достаточную мощность,вы можете поднять в воздух почти любой самолет. А вот что с ним будет дальше,зависит от управления, устойчивости в полете и прочности конструкции, существокоторых весьма сложно.

На заре авиации слишком многие храбрецы, такие, как К. С. Ролле и С. Ф. Коди,поплатились жизнью за столь легкомысленный подход. Теоретические основыаэродинамики были разработаны Ф. В. Ланчестером еще в 90-х годах прошлогостолетия, но очень немногие из инженеров-практиков представляли себе, о чем тамвообще идет речь [95]. Катастрофы того времени частопроисходили из-за срыва потока и штопора, но почти столь же часто виной томубыло разрушение конструкций, а так как первые пилоты редко использовалипарашюты, катастрофы эти почти всегда заканчивались трагически.

Требование к инженерной конструкции быть одновременно и надежной, илегкой было тогда внове. На крыло самолета действуют изгибающие нагрузки,весьма напоминающие нагрузки на мост. Предшествующий опыт позволял с этиминагрузками управиться без особых опасений за надежность. Но что было совершенноновым, так это действующие на крыло самолета крутящие моменты. Если непринять должных конструктивных мер, крыло самолета будет скручено.

Применение самолетов с началом первой мировой войны возросло - резкоувеличилось и число аварий. К счастью, в Англии в Фарнборо этими вопросамизанималась небольшая группа блестящих молодых инженеров, чьи имена впоследствиистали широко известны, - это лорд Черуелл, Джеффри Тейлор, ГенриТизард и "Иегова" Грин. Благодаря их усилиям к 1918 г. традиционный биплансделался самой надежной из всех конструкций, так что его считали почтинеразрушающимся. Немцам в этом отношении повезло меньше. Их техническиеавиационные эксперты не могли похвастать репутацией людей с широким кругозором.Во всяком случае, у них долгое время одна за другой следовали катастрофы,причина которых крылась главным образом в непонимании действия на крылосамолета крутящего момента.

вернуться

92

Кожица многих червей и других мягкотелых армирована системой геликоидно расположенных коллагеновых волокон (см. гл. 7.), При "создании" червя возникали те же проблемы, что и при создании туалета, но для червя они решились успешнее: "одежда" на нем не мнется.

вернуться

93

В отличие от касательного напряжения растягивающее и сжимающее напряжения называют нормальными, поскольку они действуют по нормали к некоторой площадке. - Прим. ред.

вернуться

94

Отметим, что для того, чтобы пленка, плоская в исходном состоянии, легко облегала поверхность двойной кривизны, необходимо, чтобы у пленки были малы как модуль Юнга, так и модуль сдвига, - обстоятельство, существенное при картографировании (с ним столкнулся Меркатор в середине XVI в.).

вернуться

95

То же касается большинства профессиональных инженеров. Даже в 1936 г. фундаментальная теория Ланчестера - Прандтля (теория вихрей) в курс гидродинамики не включалась даже на судостроительном факультете университета в Глазго; больше того, ею даже не разрешалось пользоваться. Тем, кто может не поверить этому, добавлю, что я сам был студентом этого факультета в то время, а сейчас такое же отношение наблюдается на инженерных факультетах к теории механики разрушения (см. гл. 4).