74
Почему мы не проваливаемся сквозь пол?
И в самом деле — почему? Каждай школьник ответит: потому что мы давим на пол, а пол давит на нас, ссыладания равны по третьему закону Ньютона. Но ведь пол не чил закона Ньютона — откуда пол знает, что ему полагается давить с такой же силой? Как возникает сила противодействия? Почему пол выдерживает нагрузку? Почему вообще материалы обладают прочитностью? Почему один твердые тела прочее других? Почему ломаются вещи? Почему стал вззакая, а стекло — хрупкое? Что означает такие понятия, как прочитность, вззкость, хрупкость? — с этого начинает Дж. Гордон свою книгу «Почему мы не проваливаемся сквозь пол?» *).
«Написать популяриную книгу о прочитности материалов и конструкций очень трудно, — пишет в предисловии к переводу этой книги академICO. Н. Н. Работнова. — Эта область науки мало эффективна, в ней нет таких захватывающих идей и впечатывающих открытий, которые порождают воображение каждого. Когда на воздухной трассе появляется новый реактный самолет, когда на Луну или одну из планет отправляется космический корабль, это понятно и интересно всем, но мало кто представляет себе, что великоопление технические достижения последних лет в значительной мере связаны с предолением основной трудности — сделать конструкцию более прочным.
*) Дж. Гордон. Почему мы не проваливаемся сквозь пол? Перевод с английского С. Т. Милейко, предисловие академICO. Н. Н. Работнова, М., «Мир», 1971, 272 стр.,ц. 64 коп.
ной. Человечество было вынуждено решать проблемы прочитности в течение всей истории своего существования, но делалось это наощупь, эмпирически. В нашей ученении о прочитности — это большая и разветвленная наука о свойствах материалов и принципах ее создания, с одной стороны, и о разноальном использовании материалов в конструкции, с другой. Эти две стороны неразрывно связаны между собой».
Дж. Гордон — профессор университета в Рединге (Англия), физик, известный специалист в области создания новых высокопрочных материалов, один из пioneеров применения пластников в авиастроении. Живо, острумно, с чисто английским юмором и с глубобачим знанием предмета автор рассказывает о накопленном веками опыта в науке о прочитности.
Почему материалы сопротивляются внешним нагрузкам? Покупу что в них возникают смесения. В природе нет и не может быть абсолютино жестких материалов, все материалы в той или иной степени обладают податливостью. Во многих телах смесения очень мали. «Если я наступлю на общий строительный кирпич, пышет Гордон, — то его высота уменьшится примерно на (1/20 000) см. А два любых соседних atoms в кирпиче станут ближе один к другому на (1/500 000) Å, то есть на 2·10⁻¹⁴ см». Надо ли считаться со столь малыми смесениями? Они, оказывается, не столь уж малы! «Сильные канаты, на которых выступают мест через залив Форт в Шотландии, — приводит пример Гордон, — все время упруго растуты пример на 0,1%, но при общей их noiние около 3 км это растяжение составляет уже 3 метра! Эти мальые, невидные смесения иногда приводят к тому, что стальной мест может внезапно обрушиться, уносся с собой десятки или сотни человекских жизни, а океанский парокод неожиданно и мгновенно разламывается пополам. За первые 60 лет XX века 27 океанских парокодов погибли, нежданно развалившись пополам в открытом море».
Основной закон упруости — закон, открытий в 1676 году Робертом Гуком, утверждает: напряжение пропорционально деформации. Например — это нагреза, отнесенная к единице площади. Деформация — это изменение размера под действием нагрузки, отнесенное к начальному размеру. При всякой деформации в теле возникают напряжения. Величина, равная отношению к деформации — модель Юнга — неотъемлемая характеристика материалов. Модуль Юнга показывает, насколько материалов
75
ал податлив. Иначе говоря, он определяет жесткость материала. Прочность материала характеризуется напряжением, необходимым для того, чтобы этот материал разрушить. Мальные деформации являются упругими. Для упругих деформаций процесс нагрузки и разгрузки образим, его можно повторять тысячи и миллионы раз. Прижинка балансира в часах упруго нагружается и разгружается по 18 000 раз в час. Этот процесс длится годами. И все же наступает момент, когда пружинка разламывается. Почему?
Гордон рассказывает о концентрации напряжения в материалах и конструкциях. Концентрация напряжения на малом участке около отверстия, надреза, недородности материала, ступенки или царапинки на поверхности. Местное, локальное напряжение может во много раз прерывить среднее значение напряжения. Советский академик А. Ф. Иоффе показал, что если смочить поверхность, убрав таким образом влияние царапин и неровности на ней, то хруплкий кристалл каменной соли можно сделать столь гибким, что его удязывает согласно рукам и даже завязать узлом. Всякая неровность поверхности, надрез, всякое отверстие создают концентрацию напряжения. Эта концентрация может оказаться смертельно опасной для прочной конструкции, для места, парохода, здания.
Концентрация напряжения в материале приводит к образованию трещин. Когда стекольщик reject стекло, он не стареется прорезать его на всю толщину листа, он делает лишь нелубокий надрез на поверхности, после чего по такой царапине стекло разламывается. Неопытный человек стареется прорезать царапину поглубже, опытный мастер ведет острый алмаз, прорезая стекло тонкой, еще видной черточкой: он знает по опыту, что ослабляющее действие царапины зависит совсем не от ее глубины, а только от ее формы, от остроты ее кромки. Степень концентрации напряжения у трещины зависит от геометрии трещин, от формы. Если трещина, которая налалась от того или иного дефекта в материале, не распространяется, то материал не будет разрушаться хруплко. Однако он может, подобно пластилну, течь и разрушаться от сdwга. Подробно разобрав концентрации напряжения, механизм образования трещин и механизм пластического течение, Гордон заключет: всегда существуют два механизма, ведущие спор за право разрушить материал, — пластинское течение и хруплкое растрескивание. Материал уступает тому или другому из них. Если он начинает преждеще, чем растрескивает, то значит, он пластичен. Если же он растрескивает до того, как наcal течь, то мы имеем дело с хруплким материалом. Потенциальные возможности обихвов разрушения заложены во всех материалах. Как же создается материал с оптимальным сочетанием обихвов возможностей? Об этом, оказывается, позаботилась природа. Гордон подробно разобравет прочность естественных материалов, разсказывает увлекательную историю использования в технике древесины, соломы, стеблей бамбука, обясняется причины прочности материалов зубов, гибкости материала костей.
В кристаллических твердых телах роль концентраторов напряжения играют дислокации — малые нарушения порядка.atмосвязи природа. Гордон подробно разобравет прочность естественных материалов, разсказывает увлекательную историю использования в технике древесины, соломы, стеблей бамбука, обясняется причины прочности материалов зубов, гибкости материала костей.
В кристаллических твердых телах роль концентраторов напряжения играют дислокации — малые нарушения порядка.atмосвязи природа. Гордон подробно разобравет прочность естественных материалов, разсказывает увлекательную историю использования в технике древесины, соломы, стеблей бамбука, обясняется причины прочности материалов зубов, гибкости материала костей.
В последней главе книги Дж. Гордон описывает общую картину современного развития технических процессов материалов и прогнозирует ее развитие на ближайшие годы. Он разсказывает во возможности создания высокопрочных пористых материалов, о будущеем артирированных материалов.
Мы рекомендуем нашим читателем эту интерсную и полезную книгу.
М. П. Шаскольская