• Главная
• Контакты
• Нашёл ошибку
• Прислать материал
• Добавить в избранное

Он имел обыкновение каждый вечер втягивать Вана вфилософскую дискуссию и в этих спорах всегда подчеркивал разницу междусистемой Ка-пина, в которой Земля висит на мощных канатах, и системой Тай-у,считавшего, что Земля опирается на громадный бамбуковый столб. Самобытныйи проницательный ум Аш-шу уже давно обнаружил слабость обеих теорий в самойих основе.

( Kaй Лун расстилает свою циновку ) (Эрнст Брама)

Мы действительно не проваливаемся сквозь пол, и это для нас настолько обычно,что мы над этим никогда не задумываемся. Но более общий вопрос, почемулюбое твердое тело вообще способно сопротивляться приложенной к нему нагрузке,издавна занимал умы ученых. Ответ на него представляет собой наглядныйпример того, как без применения изощренных приборов может быть теоретическирешена научная проблема (исключая, конечно, ее молекулярный аспект). Этоотнюдь не говорит о бесхитростности предмета. Ведь недаром первый существенныйвклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся умы, как Галилей (1564–1642)и Гук (1635–1702). Нужно сказать, что именно они впервые четкосформулировали задачу.

Правда, эта задача оказалась за пределами возможностей XVII века. Более того,на протяжении еще двухсот лет не было достаточно полного представления о том,что же на самом деле происходит в конструкциях; даже в XIX веке круг людей,понимавших что-то в этой области, ограничивался несколькими не оченьпризнанными в те времена теоретиками. Инженеры-практики все еще продолжалиделать свои расчеты, что называется, на пальцах. Нужно было пройти долгий путь,полный сомнений и катастроф (вроде случая с мостом через рекуТэй[6]), чтобыони убедились в пользе обоснованных расчетов на прочность[7]. Вместе с темобнаружилось, что правильный расчет может удешевить конструкцию, так какпозволяет экономить материалы более безопасным путем. В наши дни суть разницымежду квалифицированным инженером, с одной стороны, и слесарем или простосамоучкой-любителем - с другой, заключается не столько в изобретательности илистепени мастерства, сколько в теоретической подготовке.

Давайте начнем с самого начала, с Ньютона (1642–1727), который сформулировалосновной закон механики: действие равно противодействию по величине ипротивоположно ему по направлению. Это означает, что каждая сила должна бытьсбалансирована точно такой же по величине силой противоположного направления.При этом природа сил не имеет никакого значения. На пример, сила может бытьсоздана каким-либо неподвижным грузом. Предположим, я стою на полу, мой вес 75кг. Следовательно, мои подошвы давят на пол с силой 75 кг, которая направленавниз; это дело моих ступней. В то же самое время пол должен давить на моиподошвы с той же силой 75 кг, направленной вверх; эта сила исходит от пола.Если доски пола окажутся подгнившими и не смогут обеспечить силу 75 кг, янеминуемо провалюсь. Но если каким-то чудом пол сообщит мне силу, большую, чемта, которую требовал мой вес, скажем, 75,5 кг, то я - ни много ни мало -взлечу. Те же рассуждения применимы к любому грузу: если стул весит, например,20 кг, то, чтобы он оставался на привычном для нас месте, пол должендействовать на него с такой же силой. Однако в законе Ньютона совсем необязательно сила связана лишь с каким-либо неподвижным грузом. Если я направлюсвой автомобиль в стену, то она отреагирует на мои действия с силой, в точностиравной той, которая необходима, чтобы остановить автомобиль, даже если при этомпогибает водитель. И еще один пример: ветер оказывает давление на дымовуютрубу, пытаясь ее опрокинуть, но точно с такой же силой труба действует навоздух - именно поэтому она не опрокидывается.

Все это лишь частные проявления третьего закона Ньютона, который, грубоговоря, утверждает, что для сохранения статус-кво совокупность сил, действующихна тело, должна быть уравновешенной. Правда, закон ничего не говорит отом, откуда берутся все эти силы. Что касается внешних нагрузок на тело,то обычно их обнаружить легче: вес груза возникает из-за гравитационноговоздействия Земли на массу груза (земное притяжение); в случае торможениядвижущейся нагрузки (будь то твердое тело, жидкость или газ) возникающиесилы таковы, что вызывают необходимое замедление движущейся массы (второйзакон Ньютона). Задача любой механической конструкции состоит в сохранениии поддержании статус-кво, для ее выполнения в конструкции должны каким-тообразом возникать силы, которые могли бы уравновесить внешние нагрузки,действующие на нее. Кажется, теперь мы можем понять, как груз давит напол, но как пол давит на груз?

Ответ на этот вопрос далеко не очевиден. Во времена Галилея и Гука,на заре научной мысли, проблема была еще более неразрешимой. Ее решениеусугублялось человеческой склонностью осмысливать непонятное, отталкиваясьот самих себя, от процессов, которые кажутся знакомыми по своему собственномувнутреннему опыту. Но такой "антропометрический" подход и биологическиеаналогии могут лишь запутать дело. Животное имеет два механизма сопротивлениянагрузкам. Его инертные части - кости, зубы, волосы - воспринимают механическуюнагрузку точно так же, как и любое неживое твердое тело. Но живой организмкак целое ведет себя совершенно иным образом. Люди и животные способныактивно сопротивляться приложенным силам: они напрягают свои мышцы и взависимости от того, чего требует сложившаяся ситуация, отталкивают илитянут что-то. Если вы поставите мне на ладонь какой-либо груз (допустим,кружку пива), то, чтобы удержать эту нагрузку, я должен увеличить натяжениев определенных мышцах.

Благодаря сложному и совершенному биологическому механизму наши мышцынепрерывно подстраиваются под внешнюю нагрузку, что позволяет удерживатькружку в вытянутой руке. Однако сохранение биологического напряжения мышцтребует непрерывного расходования энергии (подобно тому как упершийся встену автомобиль, оборудованный гидравлической передачей, продолжает сжигатьбензин в своем двигателе, оказывая давление на стену, но ни машина, нистена при этом не движутся). Расход энергии приводит к усталости мышц руки,и, чтобы снять с них нагрузку, я рано или поздно должен буду выпить пиво.

В отличие от неодушевленных предметов человек всегда, даже когда стоитнеподвижно, производит направленные, хотя, возможно, и неосознанные, подстроечныеоперации в мышцах тела. Со временем он устает и, если обморок или смертьпрерывают мышечные процессы, падает. В неодушевленных телах подобные биологическиепроцессы отсутствуют. Конструкционные материалы пассивны, так что они не"устают" в обычном смысле этого слова. Прежде чем начать сопротивлятьсявнешним нагрузкам, в них должны возникнуть какие-то смещения, то есть,чтобы оказать какое-либо сопротивление, они должны в большей или меньшейстепени поддаться нагрузке. Под смещением мы понимаем не перемещение телакак целого, без изменения его формы, а именно геометрические искажениясамого тела, то есть тело в целом или отдельные его части становятся корочеили длиннее вследствие растяжения или сжатия внутри самого тела.

В природе не существует и не может существовать абсолютно жесткого материала.Все тела в той или иной мере обладают податливостью. Если вы взбираетесьна дерево, то ветки прогибаются под вами, и это сразу становится заметным.Однако, когда вы идете по мосту, его прогиб настолько мал что вы его неощущаете. Но как смещения ветвей, так и отклонения моста могут быть охарактеризованыколичественно. Пока смещения, вызванные внешними нагрузками, не слишкомвелики и не мешают конструкции выполнять свои задачи, их нельзя считатьошибками проекта, они определяют как бы врожденные, обязательные характеристикиконструкции. (Ниже мы дадим им более подробное определение.)

Между прочим, вспомните, что, летая самолетом, вы, быть может, замечали,как смещаются вверх-вниз кончики его крыла. Конструктор, проектируя крыло,наделил его такими свойствами. Вероятно, вам уже ясно, что смещения, будьони малыми или большими, создают силы сопротивления. Эти силы определяютжесткость твердого тела, его способность сопротивляться внешним нагрузкам.Другими словами, в твердом теле возникают именно такие смещения, которыекак раз достаточны, чтобы уравновесить приложенные внешние нагрузки. Этопроисходит совершенно автоматически.

Как же возникают эти силы? Дело в том, что в любом теле атомы химическисвязаны между собой (Приложение I). Эти связи условноможно представить в виде пружинок, хотя, конечно, ничего "твердого" в обычномвульгарном смысле этого слова в промежутках между атомами не существует(рис. 1). Те же силы, которые делают тело твердым, определяют и его химическиесвойства. Разрушение химических связей освобождает энергию пороха и бензина,те же связи делают резину и сталь упругими и прочными.

Рис. 1. Наглядная модель химических связей в твердом теле

Когда твердое тело полностью свободно от механических нагрузок (чтобывает, строго говоря, очень редко), химические связи, или пружины в нашеймодели, находятся в нейтральном положении (рис. 1, а). Любая попыткасблизить атомы (это мы называем сжатием) или оттянуть их друг от друга(что обычно называется растяжением) сопровождается небольшим укорочением(рис. 1, б) или удлинением (рис. 1, в) межатомных пружинво всем объеме материала. При этом ядра атомов считаются жесткими, крометого, в твердом теле атомы обычно не обмениваются местами, по крайней мерепри умеренных, или "безопасных", нагрузках. Таким образом, податливостьтвердого тела определяется межатомными связями. Жесткость этих связей можетизменяться в широких пределах, но для большинства веществ она намного выше,чем у тех металлических пружин, с которыми мы встречаемся в повседневнойжизни. Очень часто величины межатомных сил весьма и весьма велики. Этогои следовало ожидать, если вспомнить о силах, которые могут быть полученыпри разрыве химических связей горючих или взрывчатых веществ.

Хотя абсолютно жестких тел, то есть таких, которые под действием внешних силсовершенно не изменяют своей формы, в природе не бывает, смещения во многихпредметах часто оказываются очень малыми. Например, если я наступлю на обычныйстроительный кирпич, то его высота уменьшится примерно на 1/20000 см. А двалюбых соседних атома в кирпиче станут ближе один к другому на расстояние~1/500000A (2·10^-14 см).Величина эта невероятно мала, но она соответствует совершенно реальнымперемещениям атомов. Конечно, в крупных конструкциях перемещения элементов невсегда малы. Канаты, на которых висит мост через залив Форт (Шотландия), всевремя растянуты примерно на 0,1%, что при их общей длине почти 3 км составляетоколо 3 м. В этом случае атомы железа, расстояние между которыми в ненагруженном состоянии около 2 А, удаляются на величину ~2/1000 А.

Тот факт, что расстояние между атомами действительно изменяется поднагрузкой, был многократно про верен путем постановки самых различных экспериментов.Наиболее наглядные результаты дает стандартный метод измерения межатомныхрасстояний по отклонению пучка рентгеновских лучей при прохождении егочерез кристалл, основанный на явлении дифракции. Более чем полувековаяпрактика позволила довести этот метод до весьма высокой точности. Опытыпоказали, что смещения атомов в металлах, например, строго пропорциональнывеличине, на которую удлиняется (или укорачивается) весь кусок металла.В этих экспериментах наблюдались изменения межатомных расстояний примернодо 1%. На рис. 2 показаны результаты измерений на мягкой стали, в котороймаксимальные смещения атомов были около 0,5%.

Рис. 2. Сравнение напряжений, установленныхэкспериментально с помощью дифракции рентгеновских лучей (методом двухэкспозиций), с расчетными напряжениями, вычисленными по кривизне изогнутойбалки (отожженная малоуглеродистая сталь). Белый кружок - данные экспериментатораA, черный - экспериментаторов B и C.

Все эти рассуждения подводят нас к понятиям "напряжение" и "деформация". Когдамы говорили о силах, то имели в виду полные величины сил, действующих на тело.Такой силой мог быть любой груз. Когда мы говорили о смещении под нагрузкой, тоимели в виду полные смещения независимо от размеров объекта, будь он большимили малым. Однако все это не позволяет нам сравнивать большой объект подбольшой нагрузкой с малым объектом под меньшей нагрузкой. Например, если изстали одного сорта изготовить крошечную деталь пишущей машинки и корпусвоздушного лайнера, то какие характеристики этого материала, работающего встоль различных условиях, можно было бы сравнивать? Без ответа на этот вопросмы не можем продолжать разговор о материалах и конструкциях. Нужные намвеличины называются напряжением и деформацией. Напряжение - это нагрузка,отнесенная к единице площади, то есть ?= P/F, где ? - напряжение, Р- нагрузка, F - площадь. Приведенная формула также повседневна, как и привычные всем выражения "килограмм масла стоит 3 рубля" или "машина проходит10 километров на одном литре бензина". Следовательно, если мы снова возьмемкирпич с поперечным сечением 25x12 см, то есть площадью сечения 300 см², и янаступлю на него, приложив к нему силу своего веса 75 кг, то сжимающеенапряжение, которое я вызову в кирпиче, будет ? = P/F = 75/300 = 0,25кг/см²

Точно так же, если кирпичная опора моста имеет поперечное сечение 10x5м и на мост въезжает локомотив весом в 125 т, то сжимающее напряжение вкирпичной кладке будет около 0,25 кг/см².Теперь мы с полной определенностью можем сказать, что в обоих случаях напряженияв кирпиче примерно одинаковы, и если одна конструкция не разрушается, то,по-видимому, не разрушится и другая. Что касается кирпичей, то их молекулыподжимаются одна к другой одинаковыми силами, хотя вес локомотива и весмоего тела совершенно различны. Очевидно, что инженера должны интересоватьименно такие величины.

Напряжение может быть выражено в килограммах на квадратный миллиметр(кг/мм²), килограммах на квадратный сантиметр (кг/см²), ньютонах наквадратный метр (Н/м²) или других подобных единицах[8].

Разумеется, эти единицы применяются к любым поперечным сечениям и к любойточке, а не только к квадратным миллиметрам, квадратным сантиметрам и т.п. То,что цена одного килограмма масла 3 рубля, вовсе не означает, чтоее используют лишь для веса в один килограмм. Деформация - это величинаудлинения стержня под нагрузкой, отнесенная к начальной длине. Очевидно,что отрезки различной длины при одной и той же нагрузке получают в конструкцияхразличное удлинение. Если обозначить деформацию через ?,то? = ?l/ l

где ?l?—?полное удлинение, а l?—?начальная длина. Так что, если стержень длиною 100 см под нагрузкой удлиняетсяна 1 см, его деформация будет 1/100, или 1%. Такая же деформация будету стержня длиной 50 см, растянутого на 1/2 см, и т.д. При этом толщинастержня роли не играет, не важно также, что вызвало удлинение.

В данном случае нас интересует лишь то, насколько изменилось взаимноеположение атомов и молекул. Деформация, так же как и напряжение, не зависитот размера образца. Деформация есть отношение удлинения к начальной длине,и, следовательно, она безразмерна и не зависит от того, какой системойединиц мы пользуемся.

Роберт Гук был первым, кого осенила догадка о том, что происходит принагружении твердого тела. Он был не только физиком, но и известным архитектороми инженером. Ему нередко случалось беседовать со знаменитым часовых делмастером Томасом Томпионом (1639–1719). Они толковали о поведениипружин и маятников. Ничего не зная, конечно, о химических и электрическихмежатомных связях, Гук понял, что часовая пружина - всего лишь частныйслучай поведения любого твердого тела, что в природе нет абсолютно жесткихтел, а упругость является свойством всякой конструкции, всякого твердоготела.

Свои претензии на приоритет Гук оговорил в работе "Десяток изобретений,которые я намерен опубликовать" (1676). Среди других проблем там была "Истиннаятеория упругости и жесткости". Под этим заголовком стояла лишь анаграммаceiiinosssttuu, которую можно было понимать как угодно. Лишь тремя годамипозже в трактате о пружинах "De potentia restitutiva" ("О восстанавливающейсиле") Гук расшифровал ее латинской фразой "Ut tensio sic uis"?—?"Каково удлинение, такова и сила".

Иными словами, напряжение пропорционально деформации, и наоборот. Так, еслиупругое тело, например струна, удлиняется на 1 см под нагрузкой 100 кг, то поднагрузкой 200 кг удлинение составит 2 см и так далее, prorata[9]. Это утверждение известно какзакон Гука. Оно является краеугольным камнем всей техники.

По существу, закон Гука является приближенным соотношением, которое вытекаетиз характера межатомных взаимодействий. Различные типы химических связей(Приложение I) в конечном счете дают зависимостьдействующей между двумя атомами силы от расстояния между атомами, как этосхематически показано на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость силы, действующей междудвумя атомами, от расстояния между ними.

При очень больших деформациях - скажем 5–10% - от пропорциональностимежду напряжениями и деформациями не остается и следа. Но обычно деформациине превышают ±1%, а в этом диапазоне зависимость между напряжениями и деформациямилинейна. Кроме того, для малых деформаций процесс нагрузки и разгрузкиобратим, то есть кусок материала можно нагрузить и снять с него нагрузкутысячи и миллионы раз с одним и тем же результатом. Наглядный пример этому- пружинка балансира в часах, которая повторяет этот процесс 18 000 разв час. Такой тип поведения твердого тела под нагрузкой называется упругим.Упругое поведение свойственно большинству технических материалов, хотясуществуют и материалы с пластическим поведением. Наиболее ярко пластичностьпроявляется у таких веществ, как пластилин, оконная замазка - эти материалыне подчиняются закону Гука: после снятия внешних нагрузок их форма и размерыне восстанавливаются.

Вообще говоря, наука об упругости изучает напряжения и деформации втвердых телах. Не только во времена Гука, но даже и совсем недавно мы малознали об упругих свойствах материалов. В тех случаях, когда их деформациипревышали примерно 1%, они либо разрушались, либо утрачивали упругие свойства.Поэтому кривая зависимости межатомной силы от расстояния при больших смещенияхатомов из положения равновесия (рис. 3) представляла главным образом академическийинтерес, на практике больших напряжений достигнуть не удавалось. И лишьсравнительно недавно появилась возможность растянуть очень прочные нитевидныекристаллы - усы - до деформаций от 3 до 6%. Эти опыты подтвердили, чтозакон Гука не всегда верен. Зависимость напряжения от деформации на графикеотклоняется от прямой линии и следует кривой межатомной силы, которая быларассчитана ранее физиками-теоретиками. На рис. 4 показана такая криваядля кремниевого уса, деформированного более чем на 3%.

Рис. 4. Кривая напряжение-деформацияочень кремниевого кремниевого уса, который был деформирован в испытательноймашине до 3,6%. Поведение уса при больших деформациях не подчиняется законуГука.

Гук установил, что удлинения, укорочения, прогибы как пружин, так идругих упругих тел пропорциональны приложенным к ним нагрузкам. Они зависят,конечно, от геометрических размеров и формы конструкции, а также от того,из какого материала она сделана. Мы не знаем, понимал ли Гук, в чем разницамежду упругостью как свойством материала и упругостью как функцией формыи размеров конструкции. Дело в том, что можно получить сходные кривые "нагрузка- удлинение" и для куска резинового шнура, и для завитого куска стали,который мы называем пружиной, - это сходство явилось источником бесконечныхзаблуждений. Примерно столетие после Гука существовала эта путаница: невсем была ясна разница между двумя понятиями упругости.

Около 1800 года Томас Юнг (1773–1829) пришел к выводу,что, если пользоваться не абсолютными значениями сил и смещений в конструкциях,а напряжениями и деформациями, то закон Гука можно записать в следующемвиде:Напряжение / Деформация = ?/? константа.

Юнг заключил, что эта константа является неотъемлемой характеристикойкаждого химического вещества и представляет его жесткость. Мы называемэту константу упругости модулем Юнга и обозначаем буквой E. Итак,E = ?/?

Следовательно, Е описывает жесткость материала как такового. Жесткостьлюбого заданного объекта зависит не только от модуля Юнга материала, но и отгеометрической формы объекта. Между прочим, считают, что Юнг "был человекомвеликой учености, но, к сожалению, он никогда даже не подозревал, чтовозможности заурядного ума ограничены"[10]. Его идея о модуле упругости была изложена в неочень понятной статье, опубликованной в 1807 году. К этому времени Юнгузапретили читать лекции в Королевском институте, так как считали, что онслишком далек от практики. Так и случилось, что одно из самых распространенныхныне и полезных технических понятий не было принято и внедрено в инженернуюпрактику при жизни автора.

Громадная важность модуля упругости для техники объясняется двумя причинами.Во-первых, нам нужно точно знать возникающие под нагрузками смещения как вконструкции в целом, так и в различных ее частях. Разнообразие конструкцийогромно - мосты, самолеты, коленчатые валы и т.д. Посмотрите, например, надеформированное крыло самолета (рис. 5). Под действием рабочих нагрузоквзаимодействие деталей в конструкции не должнонарушаться[11]. В таких расчетах нам в первую очередь нужны величины Е.

Рис. 5. Самолет, в котором деформация лонжеронов крыла составляет 1,6%(радиус кривизны балки = Толщина / [2xДеформация])

Во-вторых, хотя неспециалисту и позволено думать, что жесткости всехконструкционных материалов практически одинаковы и говорить "Отлично, этовполне жестко! Не видно никаких смещений", такие суждения не соответствуютдействительному положению вещей. Нам необходимо знать модули упругостиразличных материалов (стали, древесины и т.д.) не только для того, чтобырассчитать деформации конструкции, но и для того, что бы деформации ееотдельных элементов были согласованными - тогда и напряжения между этимиэлементами будут распределяться так, как мы хотели этого, проектируя конструкцию.Определяя модуль Юнга, мы разделили напряжение на безразмерное число -деформацию, следовательно, модуль должен иметь размерность напряжения (кг/мм²,Н/м² и т.п.). Если деформация равна 1 (100%), то напряжение оказывается равным модулю упругости. Стало быть,модуль упругости можно считать таким напряжением, которое удваивает длинуупругого образца (конечно, если он прежде не разрушится). Легко себе представить,что величина модуля упругости должна быть большой, обычно она по крайнеймере в 100 раз больше разрушающего напряжения: ведь мы упоминали уже, чтоматериалы, как правило, разрушаются, когда их упругая деформация не превышает1%. Модуль Юнга для стали, например, составляет около 20000 кг/мм².

Как мы уже говорили, величина E может сильно из меняться от одного веществак другому. Ниже приведены величины модуля для некоторыхматериалов[12].

Материал / Е, кг/мм²

Резина / 0,00007x10⁴ (т.е. 0,7)

Неармированные пластики / 0,015x10⁴

Органические молекулярные кристаллы, фталоцианин / 0,015x10⁴

Древесина / 0,15x10⁴

Кость / 0,3x10⁴

Магний / 0,4x10⁴

Обычное стекло / 0,7x10⁴

Алюминий / 0,8x10⁴

Сталь / 2x10⁴

Окись алюминия (сапфир) / 4x10⁴

Алмаз / 12x10⁴

Таким образом, модуль самого жесткого из твердых тел (алмаза) почтив 200 000 раз больше модуля резины, тоже твердого тела. У резин модульупругости очень мал, потому что резина состоит из длинных гибких молекулярныхцепочек, которые в ненагруженном материале изгибаются, свиваются, сплетаются,словом, ведут себя подобно ниткам в спутанном клубке. Когда резину растягивают,изогнутые цепочки распрямляются, и совершенно очевидно, что необходимаядля этого сила будет намного меньше той, которая потребовалась бы, чтобырастянуть пучок нитей, вытянутых в одном направлении. Совершенно иная картинанаблюдается в кристалле. Прикладывая к нему силу, мы действуем непосредственнона межатомные связи, и единственная причина большой разницы в величинеЕдля разных кристаллов заключена в различной жесткости самих химическихсвязей. Наклон прямого участка кривой межатомного взаимодействия оченьсильно зависит от энергии межатомной связи. Но общая форма кривой для всехкристаллов одинакова.

Если обратить внимание на величину Е для фталоцианина, то нетруднопонять, почему огромное множество твердых химических соединений не можетбыть использовано в качестве конструкционных материалов. Вообще говоря,мы всегда хотим, чтобы наши конструкции были как можно жестче: колебаниямостов и зданий и без того велики. А если сделать конструкцию из материалас жесткостью фталоцианина, она никуда не будет годиться. Сталь - наиболеежесткий из сравнительно дешевых материалов, и в этом одна из причин ееширокого использования. Пластики, даже армированные стеклопластики, имеютнизкую жесткость, что ограничивает их применение для крупных конструкций.

По-видимому, наиболее убедительно в рекламе продаваемой вещи звучатслова "не боится огня" и "не ломается". И хотя почти все мы знаем, чтоавторы рекламы не очень объективны, все же реклама находит адресата, ивсегда можно встретить людей, искренне убежденных в том, что существуют(или, по крайней мере, должны существовать) какие-то действительно неразрушающиесяпредметы. Однако создать такие предметы невозможно, поскольку энергия химическихсвязей не бесконечна, и эти связи имеют определенную прочность. Нужно лишь,надежно закрепив предмет, достаточно сильно на него нажать или потянуть,и он сломается. Вопрос лишь в том, когда.

Следует четко усвоить, что прочность и жесткость не одно и то же. Жесткость(модуль Юнга) показывает, насколько податливым является материал. Прочностьхарактеризуется напряжением, необходимым для того, что бы этот материалразрушить. Печенье - жестко, но непрочно; сталь - и жесткая, и прочная;нейлон - нежесткий, гибкий, но прочный; малиновое желе - и нежесткое, инепрочное. Вряд ли можно ожидать большей информации о свойствах твердоготела, если пользоваться лишь двумя его характеристиками.

Проще всего начать с прочности на разрыв. Это - напряжение, необходимое длятого, чтобы разорвать материал на части, разрушив все межатомные связи вдольповерхности разрыва. Представьте себе стержень, который растягивается вдольоси. Стержень из очень прочной стали может выдержать растягивающее напряжение300 кг/мм². А вот обычный кирпич выдержит лишь 0,4–0,6 кг/мм².Следовательно, прочность материалов, используемых в технике, может изменятьсяпримерно в 1000 раз.

Ниже приведена прочность на разрыв некоторых наиболее часто применяемыхматериалов.

Материал / Прочность, кг/мм²

Металлы

Стали

рояльная проволока / 300

высокопрочная сталь / 150

низкоуглеродистая сталь / 40

Чугун

обычный / 7–15

современный / 15–30

Другие металлы

чистый алюминий / 7

сплавы алюминия / 15–60

медь / 15

латуни / 12–40

магниевые сплавы / 20–30

титановые сплавы / 75–150

Неметаллы

древесина, ель

вдоль волокон / 10

поперек волокон / 0,3

стекло (оконное и посудное) / 3–20

хорошая керамика / 3–35

обычный кирпич / 0,5

льняное волокно / 70

хлопок / 35

шелк / 35

паутина / 25

сухожилие / 10

пеньковый канат / 8

кожа / 4

кость / 15

Говоря о прочности, мы обычно имеем в виду прочность на разрыв, хотяматериалы чаще работают на сжатие, чем на растяжение. Казалось бы, еслимы пытаемся прижать атомы один к другому, это не должно вызывать разрушения.Однако разрушение происходит, хотя и представляет собой явление более сложное,чем разрыв. Под действием сжимающей нагрузки материал может ломаться самымразличным образом.

Если мы сжимаем достаточно короткий стержень, на пример подставку, подпоркуили что-нибудь в этом роде, из материала мягкого, пластичного, подобногомеди или мягкой стали, то материал просто растечется в разные стороны,словно пластилин. Если стержень сделан из хрупкого материала (камень, стекло),то при сжатии он разлетится, обратившись в осколки и пыль (иногда это бываетдовольно опасным). Если же вы навалитесь на тонкую трость, она выгнется,а затем сломается пополам - так ведут себя при сжатии любые длинные гибкиестержни и пластинки. Консервная банка под действием большой нагрузки, напримересли на нее наедет автомобиль, сомнется - этот вид разрушения похож напредыдущий. Аналогично разрушаются любые тонкостенные конструкции, какихмного в кораблях, самолетах, автомобилях. Оказалось, что нелегко составитьтаблицу, которая давала бы наглядное представление о "прочности при сжатии".Чтобы определить эту величину, требуются знания и опыт, но, вообще говоря,этой характеристикой лучше не пользоваться.

Между величинами прочности материалов на растяжение и сжатие какого-либоуниверсального соотношения не существует. Отчасти это связано с тем, чтов большинстве случаев трудно провести четкую грань между материалом и конструкцией.Например, куча кирпича обладает прочностью на сжатие и не имеет никакойпрочности на растяжение. Несомненно, в данном случае куча кирпича представляетсобой конструкцию, а не материал, но такие материалы, как чугун, бетон,гипс, на много прочнее при сжатии, чем при растяжении, и в основном потой же самой причине, что и куча кирпича: в них масса трещин. Цепи и канатыпрочны на разрыв, но совсем не сопротивляются сжатию. Вероятно, их следуетсчитать конструкциями. Древесина, однако, примерно в три-четыре раза прочнеепри растяжении, чем при сжатии, потому что ее отдельные волоконца при сжатиисгибаются. Тем не менее древесина считается материалом, а не конструкцией.

В течение многих веков инженеры и архитекторы старались по возможностине нагружать материал растяжением. И это делалось не столько потому, чтоне было достаточно прочных на разрыв материалов (древесина, например, вэтом отношении прекрасный материал), сколько из-за того, что очень трудносделать достаточно прочное на разрыв соединение. (Большинство из нас интуитивночувствует, что сжатая конструкция безопаснее растянутой; например, намкажется, что кирпичная стена безопаснее подвесной канатной дороги.) Нокогда все-таки приходилось соединять детали, работающие на растяжение,например на кораблях, места стыков всегда были наиболее уязвимым местомконструкции. Теперь мы научились делать надежные стыки с помощью болтов,заклепок, клея и сварки, и уже нет особых оснований не доверять таким конструкциям.

Однако в древности проблема соединений в сжатых конструкциях решаласьнамного проще, чем в растянутых. В самом простом случае это была укладкакамней или кирпичей один к другому без применения раствора, и такое сооружениене рушилось. Эта работа требует навыка, но он не многим сложнее того, которыйприобретают дети, складывая картинки из кубиков. Однако с развитием архитектурыросла и высота стен, появилась необходимость надежнее связывать кирпичии камни между собой. Иначе стены с грохотом превращались в груды камня:не связанные между собой камни расползались под весом верхней части кладки.

До наших дней сохранились великолепные образцы соединений в античныхпостройках. Правда, не ясно, насколько необходима была та тщательность,с которой выполнены большие каменные блоки этих сооружений. Вероятно, отчастиона определялась соображениями престижа. Но как бы то ни было, многие издревних построек поражают наше воображение.

Однако какой высокой и впечатляющей ни была бы стена, технически этоне очень мудреная конструкция; ее создатель должен был думать лишь о напряжениях,действующих в одном направлении, по вертикали. Правда, перекрытия, двери,окна всегда вносят дополнительные трудности. А как только мы начинаем рисоватьв своем воображении системы напряжений в двух и трех направлениях, переднами открываются колоссальные возможности. Примером может служить арка.Самая простая арка (рис. 6) работает на сжатие одновременно в двух направлениях,хотя на первый взгляд это кажется невозможным. Кирпичной аркой можно безособых ухищрений перекрыть пролет длиной около 50 м (чаще встречаются пролетыв 25–50 м). Это намного больше того, чего удается добиться с помощью любогопростого балочного перекрытия. Арки очень долговечны, и до наших дней вотличном состоянии сохранилось много древнеримских арок, с их помощью,например, перебрасывали водопроводы через овраги.

Рис. 6. Арка, представляющая собой конструкцию,работающую на сжатие в двух направлениях

Формирование представлений о сложном напряженном состоянии стимулировалогромадный скачок в развитии не только архитектуры, но и техники. Как толькобыла принята концепция двумерной арки, а вслед за этим сделан следующийлогический шаг - к трехмерному куполу, - архитектура стала творить чудеса.Центральная часть собора св. Софии, построенного в Константинополе около530 года при императоре Юстиниане, представляет собой огромный купол, диаметркоторого достигает 33 м. Для легкости он сложен из пемзы и покоится нагромадных арках, которые в свою очередь опираются на вспомогательные полукупола(рис. 7). Размеры свободного от каких-либо колонн пространства площадьюболее чем 60x30 и высотой около 80 м были, вероятно, непревзойденными вплотьдо постройки современных вокзалов, крыши которых держатся на металлическихстропилах.

Рис. 7. Макет куполов собора св. Софии в Константинополе.

Формы византийских зданий, как правило, просты. Готические же архитекторы,давая волю своему воображению, создавали перекрытия, боковые приделы, витражи.И хоть это, надо думать, обходилось недешево, такие постройки, если онибыли сделаны со вкусом и знанием дела, могли служить образцами инженерногоискусства и художественного мастерства. Что же касается каменной кладки,то она должна быть выполнена так, чтобы напряжения во всех точках конструкциибыли сжимающими: ведь кладка совсем не сопротивляется растяжению, под действиемкоторого она разваливается по швам.

Готические архитекторы, пытаясь заставить конструкцию работать на сжатие,не прибегали к математике, и поэтому в трехмерные лабиринты соборных крышчертом прокрадывалось растяжение. Так обрушилась башня одного из самыхбольших готических соборов - собора в Бове (1247), крыша его проваливаласьдважды. Архитекторы знали лишь качественную сторону подобных катастрофи пытались предупредить их, подкрепляя конструкции частоколом контрфорсов(рис. 8).

Рис. 8. Типичная конструкцияготического собора с контрфорсами.1 - деревянная крыша;2 - арочный свод;3 - контрфорс;4 - деревянная крыша бокового придела;5 - стена придела.

В соборе св. Софии эта задача решалась и рациональнее и успешнее: тамвспомогательные купола давили на главный купол и создавали сжатие в опаснойобласти. Однако иногда готические зодчие перебарщивали: создавая слишкомбольшие боковые давления, они должны были ставить подпорки изнутри, чтобыпредотвратить разрушение крыш. Эти подпорки чаще всего делались в видеперевернутых арок, подобных аркам собора в Уэлсе (Великобритания), который,как бы ни оценивали его в эстетическом плане, технически построен неграмотно(рис. 9). Не удивительно, что крыши церквей довольно часто рушились наголовы коленопреклоненных прихожан.

Рис. 9. Собор в Уэльсе (Великобритания).

Каменная кладка остается целой благодаря силам тяжести, то есть приправильно спроектированной кладке вес камня создает безопасную сжимающуюнагрузку во всех ее точках. А если этого веса не хватает, к зданию всегдаможно добавить бельведеры или башни. Если же в конструкции появляются растянутыеобласти, то, безусловно, растягивающие и сжимающие нагрузки (в том численагрузки от веса сооружения) должны быть уравновешены. Так, канаты подвесногомоста (рис. 10) находятся в растянутом состоянии, а грунт под мостом оказываетсясжатым. Растяжение в брезенте и растяжках палатки уравновешивается сжатиемв центральной подпорке и на той земляной площадке, где установлена палатка.На плывущем корабле растяжение в парусах и оснастке вызывает сжатие мачти рангоутов. В теле животных сжимающие нагрузки воспринимаются скелетом,в основном позвоночником; эти напряжения возникают не только под действиемсобственного веса, но и вследствие растяжения в мышцах и сухожилиях. Сокращаямышцу, я поднимаю руку, в это время мышца передает сжимающую силу кости,а кость легко выдерживает сжатие. Если нога попадает в условия, когда нанее действует изгиб - а изгиб включает растяжение, - нога может сломаться.

Рис. 10. Растяжение в тросах балансируется сжатием в грунте

Когда мы располагаем материалами, одинаково хорошо работающими и насжатие и на растяжение, наши конструкции оказываются проще и безопаснее.Именно поэтому в строительстве удобны железобетон и стальные конструкции.

Инженерам повезло, в их распоряжении есть железо и сталь - ведь мычасто и не знаем, какого рода напряжения придется выдержать машине во времяработы. Например, стенки парового котла работают на растяжение, но еслипо какой-то причине давление пара упадет ниже атмосферного, котел будетсжат разностью давлений, однако со стальным котлом ничего страшного непроизойдет.

К довольно неожиданным эффектам, с которыми приходится бороться, могутпривести сжимающие напряжения в корпусе подводной лодки. Когда лодка находитсяв надводном положении, она плавает, как любое другое судно, поскольку еевес меньше веса воды, которая может быть вытеснена объемом лодки. Чтобылодка погрузилась, балластные цистерны заполняют водой настолько, чтобывес лодки был равен весу воды в ее объеме. Тогда "удельный вес" лодки будетравен удельному весу воды, и лодка не будет иметь запаса плавучести.

Теперь лодка может опускаться на глубину и маневрировать примерно так же, какэто проделывает дирижабль в воздухе. Однако, погружаясь глубже, лодкаиспытывает все большее и большее давление воды, и сжимающие напряжения в еекорпусе растут. Поскольку давление внутри лодки остается примерно постоянным,корпус ее сжимается, уменьшается объем, а следовательно, уменьшается ивыталкивающая сила. Если вес лодки вместе с балластом не изменяется, онастремится провалиться глубже, и при некоторых обстоятельствах этот процессможет стать опасным. На предельной для подводной лодки глубине погружениявеличина деформации сжатия может составить около 0,7%. Деформация происходит вовсех трех направлениях, поэтому объем лодки может уменьшиться примерно на 2%.Так как сжимаемость воды очень невелика, то для лодки весом 1000 т это будетозначать потерю выталкивающей силы примерно 20 т[13]. Если эту силу не компенсировать, частично опорожняя балластныецистерны от воды, подводная лодка будет опускаться все глубже и глубже, пока еене раздавит давлением воды. В этом, между прочим, заключается одна изтрудностей постройки подводной лодки из стеклопластиков, которые всем, пожалуй,хороши, кроме модуля упругости: он слишком мал.

Иногда думают, что затонувшие подводные лодки "висят" где-то поблизостиот океанского дна. Это, конечно, нелепое представление: если корпус потерпевшейаварию лодки и не сомнет давлением воды, что случается чаще всего, то онбудет непрерывно сжиматься, выталкивающая сила будет падать и лодка будетопускаться на дно все быстрее и быстрее.

Воздушные шары, пневматические шины и т. п. представляют особый случайконструкции, в которой растягивающие напряжения в оболочке уравновешеныдавлением наполняющего их газа или жидкости. Поэтому большие баржи-мешкии надувные лодки обычно очень легкие и эффективные конструкции. Изобретениекрыш, поддерживаемых изнутри воздухом, заставляет пересмотреть прежниеархитектурные традиции, в этих конструкциях все элементы работают на растяжение,лишь воздух внутри здания сжат.

Итак, мы знаем теперь, что понять, как работает конструкция на растяжениеи сжатие, довольно легко. Но вот как те же самые растяжение и сжатие позволяютбалкам выдерживать нагрузки - это далеко не очевидно. А между тем разногорода балки (рис. 11) составляют львиную долю всех конструкций, с которымимы повседневно сталкиваемся. Самая обычная половая доска - наглядный примербалки, и таких примеров можно привести огромное множество. Мы уже говорили,что задача этой самой доски заключается в том, чтобы давить на наши подошвывверх с силой, в точности равной нашему весу. Естественно, эту роль полдолжен играть постоянно, в том числе и тогда, когда мы стоим посреди комнаты,далеко от стены, которая в конечном счете будет воспринимать силу нашеговеса. Но позвольте, как эта сила передается от стены на наши ноги, и обратно?

Рис. 11. Свободно опертая балка.

Ответ на этот вопрос дает так называемая теория балок, которую, пожалуй, можноназвать становым хребтом техники. Но, к сожалению, этот "хребет" представляетсобой pons asinorum[14] для студентов технических вузов.Большинство из них механически заучивают формулы теории балок лишь для того,чтобы проскочить на экзаменах; понимать эти формулы они начинают гораздо позже,когда настает время мучаться над собственными проектами. Поэтому давайте покаоставим всю эту кухню интегрирования эпюр и попытаемся подступиться к существупроблемы.

Начнем с того, что вспомним высказанную ранее мысль об отсутствии четкогоразличия между понятиями "материал" и "конструкция". Большие балки, напримерперекрытия железнодорожных мостов, подобно детскому конструктору, собираютсяиз многих малых стержней. Эти стержни работают как на растяжение, так ина сжатие. Способ передачи нагрузки в такой решетчатой балке, или ферме,по существу не отличается от того, как передается нагрузка в сплошной балке,даже такой, как половая доска. В решетчатой балке вся нагрузка передаетсятолько путем сжатия и растяжения стержней. В сплошной балке такой решеткинет, но мы можем представить себе ее как бы прошивающей всю балку.

Для определенности начнем анализ с консольной балки, то есть с балки,один конец которой встроен в стену или жестко закреплен каким-либо другимспособом на любом основании (на языке инженеров это называется "заделка"):к другому концу консоли приложена нагрузка. Такую консоль рисовал еще Галилей(рис. 12); правда, он неверно рассчитал прочность своей консоли, что, впрочем,ему простительно. Мы же построим нашу консоль только из стержней и натянутыхструн.

Рис. 12. Рисунок Галилея, иллюстрирующий испытания консольной балки.

Рассмотрим простую конструкцию типа крана, изображенную на рис. 13, а.Сжатый стержень 2 опирается на стену и поддерживается струной 1,таким образом он может воспринимать внешнюю нагрузку (назовем ее W).Очевидно, сила, противодействующая нагрузке W, возникает вследствиесжатия наклонного стержня 2. Натяжение горизонтальной струны 1лишь предохраняет сжатый стержень 2 от поворота и падения.

С таким же успехом мы можем воспользоваться другой треугольной конструкцией(рис. 13, б), в которой сжатый стержень 4 занимает горизонтальноеположение и удерживается от падения наклонной растянутой струной 3.В этом случае сила, удерживающая вес W, обеспечивается струной,а горизонтальный сжатый стержень необходим лишь для того, чтобы струнане прижималась к стене.

Обе эти конструкции одинаково хороши, и мы можем объединить их в одну,способную выдержать вес 2W, как показано на рис. 13, в. Ясно, чтонагрузка 2W непосредственно воспринимается наклонными элементами 2 и3, один из которых сжат, а другой растянут. Горизонтальные элементы 1 и4 воздействуют на стену, один из них давит, другой - тянет, вместе ониобеспечивают целостность конструкции, но не поддерживают вес грузанепосредственно.

Рис. 13. Сопоставление напряженного состоянияв сплошной балке и решетчатой ферме.

Пристроив к полученной конструкции еще одну, точно такую же, мы получим новуюферму, показанную на рис. 13, г. В этом случае тот же самый груз 2Wподдерживается сжатыми и растянутыми наклонными элементами 2, 3, 6 и7, в то время как элементы 1, 5, 4 и 8 сжаты и растянуты вгоризонтальном направлении и, хотя они не поддерживают внешнюю нагрузкунепосредственно, благодаря им ферма не рушится. Получается, что каждый элементвыполняет свою функцию и, если хотя бы один стержень или одна струна выйдет изстроя, катастрофа неизбежна: каждый элемент по-своему важен.

Теперь посмотрим, как передается в нашей ферме нагрузка от элемента к элементу.Правая ячейка на рис. 13, г работает точно так же, как единственная ячейка нарис. 13, в. Однако в левой (внутренней) ячейке на рис. 13, г делообстоит иначе. Растягивающее напряжение в струне 1 вдвое больше напряженияв струне 5, а сжатие в стержне 4 в два раза превышает сжатие в стержне8. Это происходит потому, что диагональные элементы (назовем их"сдвиговыми") добавляют нагрузку на элементы, расположенные по направлению кместу заделки консоли. Однако во всех сдвиговых элементах независимо от длиныфермы нагрузка одинакова.

Мы можем продолжать нашу ферму, пристраивая к ней все новые и новыеячейки, как это показано на рис. 13, д. Внимательно посмотрев нарисунок, мы поймем, что и здесь напряжения во всех диагональных элементаходинаковы. С другой стороны, напряжения сжатия и растяжения в нижних иверхних горизонтальных элементах от ячейки к ячейке возрастают (если двигатьсяот точки приложения нагрузки к месту заделки консоли). Нетрудно доказать,что это возрастание напряжения пропорционально номеру элемента (опять-такисчитая от точки нагружения). Именно поэтому консоль всегда ломается в местезаделки, у стены, где возникают наибольшие напряжения, если, конечно, заранеене позаботиться о ее прочности и не подобрать все стержни соответственнодействующей нагрузке. Если такой подбор сделан строго пропорционально нагрузке,то ферма становится равнопрочной, то есть может сломаться в любом месте,а это идеальный случай, составляющий цель многих расчетов на прочность.Совершенно ясно, почему мы хотим, чтобы материал был напряжен во всех точкаходинаково; в этом случае материал используется с максимальной эффективностью,а конструкция имеет минимальный вес.

Если теперь мы преобразуем нашу ферму или балочку, построенную из детскогоконструктора, в сплошную балку, то получим систему напряжений, изображеннуюна рис. 13, е. В средней по высоте части балки под углом 45° к осидействуют главным образом сдвиговые напряжения, неизменные по длине балки.Материал верхней и нижней частей балки нагружен в основном растяжениеми сжатием. Горизонтальные напряжения растяжения-сжатия быстро возрастаютпо длине балки и в наиболее опасном сечении становятся намного больше сдвиговыхнапряжений. Именно эти напряжения обычно повинны в разрушениях балочныхконструкций и тяжелых несчастных случаях, которые за ними следуют. Вотпочему вычисления, связанные с расчетом напряжений, - это совсем не сухиеакадемические упражнения, интересные только специалистам, они прямо связаныс безопасностью и благополучием большинства из нас.

Если вся эта охота за напряжениями покажется читателю несколько непонятной,лучше всего сделать модель из детского конструктора или из соломинок длякоктейлей, скрепляя их обыкновенными булавками. Поразмыслив над такой моделью,вы поймете, что представляет собой консоль вообще и как она выдерживаетнагрузку. Конечно, сколь сложным бы ни было напряженное состояние, мы должныотдавать себе отчет в том, что любое напряжение связано с деформацией,поэтому консоль неизбежно должна в большей или меньшей степени прогибатьсяпод нагрузкой (рис. 13, ж).

Консоли широко распространены в технике, но еще чаще используются обычныебалки, вроде тех, которые принято называть "свободно опертыми" (рис. 14).Примером такой балки может служить доска, переброшенная через канаву илиручей. Как же такая балка соотносится с консольной? Наглядный ответ наэтот вопрос дает рис. 14. Дело в том, что свободно опертую балку можнорассматривать как две консоли, жестко связанные друг с другом в местахзаделки и перевернутые на 180°. В то время какнаибольшее напряжение в консоли возникает в месте ее заделки, в нашей новойбалке оно будет в центре. Поэтому такие балки обычно ломаются пополам.

Рис. 14. Свободно опертая балка, которую можнорассматривать как две консоли,сложенные вместе у заделок и перевернутые на 180 градусов.

Теперь нам понятно, почему мы не проваливаемся сквозь пол: напряженияв досках передаются зигзагами, под углом 45° к поверхности, от наших подошвдо стены, обеспечивая в результате силу, направленную вверх, которая наси держит. Вместе с этими сдвиговыми напряжениями в доске вблизи верхнейи нижней ее поверхностей возникают напряжения растяжения - сжатия, направленныегоризонтально. Если по какой-либо причине эти напряжения окажутся слишкомбольшими (на доску наступил чересчур грузный человек или сама доска слишкомтонка), мы сначала обнаружим тревожный прогиб доски, а уж затем раздастсятреск.

Каждый может поставить простой эксперимент, который покажет, что напряженияи перемещения, вызванные изгибом, намного опаснее тех - при прочих равныхусловиях, - которые вызваны растяжением или сжатием. Действительно, возьмитекакую-нибудь деревянную планку или стержень и попробуйте разорвать ее руками.Как правило, этого вам сделать не удастся, как не удастся и заметить наглаз удлинение вашего образца. Теперь начинайте гнуть стержень, и вы тутже заметите вполне ощутимый прогиб, а возможно, и без особого труда сломаетеобразец. Этим объясняется то обстоятельство, что балки почти всегда требуюттщательной расчетной проверки прочности и жесткости. Такой расчет можетсделать каждый, кто знаком с элементарной алгеброй, по стандартным формулам,приведенным в конце книги.

Мы уже говорили, что разобраться в теории изгиба балок не так-то просто,но, откровенно говоря, особого напряжения интеллекта для этого не требуется,да и многое в технике станет гораздо яснее. По правде сказать, проектируядаже весьма внушительные конструкции, инженеры зачастую пользуются почтиэлементарной теорией изгиба. Далее мы увидим, что такая практика иногдаможет быть опасной, поскольку элементарная теория, будучи чрезвычайно полезной,все же не дает нам достаточно полного представления о прочности сложныхконструкций. Тем не менее она очень широко используется для прикидочныхоценок прочности любых конструкции, от коленчатого вала до морских судов.

Большие балки начали использовать в технике по существу не столь давно,немногим более столетия назад. Английскому инженеру Телфорду (1757–1834)дали много лестных прозвищ за искусство строить мосты, он построил их,вероятно, больше, чем кто-либо другой. Обычно Телфорд применял каменныеили чугунные арки, работающие на сжатие, а для больших пролетов первымстал строить подвесные мосты, используя железные цепи (мост через проливМенай - 1819 год). Вряд ли Телфорд когда-либо применял большие балки, отчастииз-за отсутствия подходящего материала - кованых железных плит, а отчастиоттого, что не было надежной теории балок. Между прочим, об уровне расчетовна прочность в то время можно судить по тому, что форма линии цепей дляупомянутого моста определялась не расчетным путем, а на специально построеннойбольшой модели моста, переброшенной через овраг.

Лет тридцать спустя Роберт Стефенсон (1803–1859) уже имел в своем распоряжениилисты котельной стали; кроме того, он верил своим расчетам. Ему принадлежитблестящая идея[15] изготовить из листов железа балку ввиде полого короба и пустить внутри нее поезда. Так, в 1850 году был построеннедалеко от телфордова моста железнодорожный мост через Менай. Каждая балкаСтефенсона весила 1500 т, они были собраны на берегу, за тем спущены на плотахна воду, установлены на плаву поперек узкого бурлящего потока между опорами,после чего примитивные гидравлические домкраты за несколько приемов подняли всюконструкцию метров на тридцать к опорам. Хотя вся операция проводилась сполным пониманием дела, она не лишена была элементов риска; по тем временам этобыл выдающийся подвиг.

Несколько позже Стефенсона одолели сомнения, и было предложено укрепитьмост, подвесив трубу на цепях, но это оказалось совершенно излишним. Обамоста по сей день стоят рядом - превосходные образцы использования растяженияи изгиба в технике. Подвесной мост Телфорда вначале был недостаточно жестким,штормовые ветры, гулявшие вдоль пролива, угрожающе раскачивали его. Рассказывают,как однажды зимней ночью лошади почтовой кареты не смогли удержаться наногах, и во избежание неприятностей пришлось срочно пережигать постромкиогнем фонаря. После этого случая мост был укреплен, и в таком виде он служитдо сих пор. Недостаточная жесткость подвесных мостов делает их непригоднымидля железнодорожных целей: поезд может сойти с рельсов. Именно поэтомуСтефенсон и Брюнель (1806–1859) разработали для больших пролетовбалочные мосты. Но хотя трубчатый мост через Менай имеет великолепную жесткостьи никогда не вызывал беспокойства, в настоящее время подобные мосты имеютрешетчатую конструкцию. Такие мосты экономичнее как в постройке, так ив эксплуатации.

Корабль также представляет собой длинную закрытую с двух сторон трубу,которой назначено плавать. Отличие такой конструкции от стефенсонова мостапо существу невелико. Корпус корабля порой не выдерживает веса двигателей,груза, топлива, которые он несет, и изгибается. Глядя на стоящее у причаласудно трудно себе представить, что его можно разрушить неосторожной илинеравномерной загрузкой трюмов и цистерн. Однако такие трагедии случалисьдовольно часто и, судя по всему, не исключены и в будущем. В сухом докекорабль тщательнейшим образом устанавливается на специальные килевые подставки,чтобы корпус опирался на них равномерно, но в плавании такие равномерныеопоры отсутствуют. Корабль может быть поднят двумя мощными волнами за носи корму, а его середина окажется без опоры. Бывает и так, что самая мощнаяволна может оказаться под центральной частью корпуса.

Рис. 15. Корабль "Скенектеди".Трещина началась у острого угла люка на палубе и "побежала"до самого киля

Корабли становились все больше, длиннее, а инженеры стремились сделатьих легче. В 1903 году Британское Адмиралтейство решило провести специальныеиспытания судов на прочность. С этой целью эскадренный миноносец "Волк"был заведен в сухой док. После откачки воды подпорки были оставлены сначалатолько посредине, а затем лишь по краям судна. При этом с помощью тензометров- приборов для измерения удлинений, а следовательно, и деформаций материала- измерялись напряжения в различных частях корпуса. Затем "Волк" вышелв открытое море для продолжения испытаний в плохую погоду. Легко себе представитьэкспериментаторов, в темных трюмах борющихся с морской болезнью и тогдашнимине очень покладистыми тензометрами, - в официальном отчете состояние моряназывалось "чрезвычайно бурным с сильным ветром". Капитан делалвсе, что было в его силах, чтобы этот поход был худшим для "Волка". Нокак он ни старался, а напряжения в корпусе нигде не превышали 9 кг/мм²,в то время как прочность сталей, используемых в кораблях, была примерно40–45 кг/мм².

После этих двух испытаний кораблестроители решили, что стандартный методрасчета прочности судов по простой теории изгиба балок вполне их устраивает,поскольку он обеспечивает достаточно большой запас прочности. Порой никтоне бывает так слеп, как эксперты.

Корабли продолжали время от времени ломаться по полам. Такое стряслось,например, со стометровым пароходом, груженным рудой, на одном из Великихозер в Америке во время шторма. Максимальное напряжение в таких условияхпо расчетам должно было составлять не более одной трети от предела прочностиматериала судна.

Даже когда не случалось самого страшного, появлялись трещины вокруг люков идругих отверстий в корпусе[16]. Безусловно, корень зла крылся именно вэтих отверстиях. Трубчатый мост Стефенсона оказался исключительно надежным,потому что представлял собой сплошную оболочку, если не считать отверстий подзаклепки. Конечно же, британские кораблестроители не могли не принять вовнимание возможность увеличения напряжения пропорционально уменьшению площадипоперечного сечения за счет всех этих отверстий. Однако профессор Инглис всвоей знаменитой статье, написанной в 1913 году, показал, что такой подход неочень хорош[17]. Он ввел понятие"концентрации напряжений", которое, как мы увидим ниже (глава 4), имеетжизненно важное значение в расчетах прочности конструкций.

Что показал Инглис? Он нашел, что если мы, вырезав в пластинке отверстие,уменьшим сечение, скажем, на одну треть, то напряжение на кромке отверстияне будет составлять 3/2 от первоначального, а может быть во много раз больше.Число, показывающее, во сколько раз местное напряжение превышает среднеезначение напряжения - коэффициент концентрации напряжений, - зависит отформы отверстия, или надреза, и от свойств материала. Наихудшая ситуациявозникает в случае острых надрезов и хрупких материалов.

Этот вывод Инглиса, который он получил чисто математическим путем, былвстречен с обычным пренебрежением тем удивительно непрактичным племенемлюдей, которые сами себя зовут почему-то "практиками". Произошло это восновном потому, что мягкая сталь менее других материалов чувствительнак концентрации напряжений, хотя и ни в коем случае не безразлична к ней.

Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным,

То состоять из начал крючковатых должно несомненно,

Сцепленных между собой наподобие веток сплетенных,

В этом разряде вещей, занимая в, нем первое место.

Будут алмазы стоять, что ударов совсем не боятся,

Далее - твердый кремень и железа могучего крепость,

Так же как стойкая медь, что звенит при ударах в засовы[18].

( О природе вещей ) (Лукреций)

Прежде чем ставить вопрос о том, сколь прочными должны быть материалы,следует научиться измерять их реальную прочность. К настоящему временинакоплено довольно много экспериментальных данных, полученных в чисто научныхцелях. Но львиная доля механических испытаний всегда. проводилась и проводитсяс целями сугубо практическими - без знания прочности материалов развитаяцивилизация существовать не может.

Вообще говоря, сведения о прочности нужны нам по двум причинам. Перваяи наиболее очевидная - конструктор должен располагать данными, без которыхон не может рассчитать прочность изделия. Правда, более или менее строгийрасчет стал возможен сравнительно недавно. Зато вторая причина - контролькачества материала - известна и вошла в практику издавна. Дело в том, чтовсегда нужно знать, является ли данная партия материала столь же качественной,как и предыдущая. Иногда вопрос этот может быть поставлен и так: можноли использовать данный материал взамен предложенного ранее?

Конечно, занятия, столь "ученые", как механические испытания, не были в честини у ремесленника, ни у его хозяина[19]. Процедура испытаний, описанная ВестономМартиром (1885–1966) в его книге[20], посвященной строительству деревянных судов в НовойШотландии в двадцатые годы нашего века, была, должно быть, оченьраспространенной.

По-видимому, первое зарегистрированное испытание на растяжение было проведенофранцузским философом и музыкантом Мариной Мерсеном (1588–1648), которогоинтересовала прочность струн в музыкальных инструментах. В 1636 году Мерсенпровел серию испытаний струн из различных материалов; правда, сведений о том,были ли как-то использованы полученные им данные, до нас не дошло.

Насколько я знаю, первое упоминание об объективных механических испытаниях,за которыми последовало практическое применение полученных результатов,датировано 4 июня 1662 года.

Сэр Баттен, Повей и я поплыли в Вулвич, где были свидетелямииспытаний голландской пряжи сэра Форда (в последнее время этот вопрос оченьбеспокоил нас, я сам подумывал о мистере Хью, который поставлял нам канатыи, судя по всему, не справлялся с делом). И действительно, канаты былиочень плохими: испытания показали, что пять таких прядей рвутся быстрее,чем четыре нити рижской пряжи. Кроме того, отдельные веревки оказалисьявно старым хламом, вымазанным дегтем, лишь сверху они были покрыты новойпенькой. Все это походило на неслыханное жульничество.

Экспериментаторы в Вулвиче могли рвать канат, привязав один его конец ккакой-нибудь балке вверху, а к другому концу пристроив корытце, в котороеможно было класть мерные грузы. Но скорее всего они проводили сравнительныеиспытания: связывали два каната, которые хотели сравнивать, и рвали этусвязку с помощью ворота. Число прядей в каждом канате можно было потомподогнать так, чтобы получилась равная вероятность разрыва обоих канатов.

Испытать канат или проволоку довольно просто, так как их концы легкозакрепить, намотав на барабан ворота или лебедки. Закреплять для разрываобразцы других материалов намного труднее, поэтому долгое время испытанияограничивались сжатием и изгибом. Современные испытательные машины имеютзахваты, в которых можно закрепить любой металлический стержень и разорватьего. Правда, если взять обычный стержень, такое испытание, как правило,будет неудовлетворительным: захваты повредят металл и вызовут преждевременноеразрушение стержня у одного из его концов. Поэтому лучше изготовить специальныйобразец с утоненной средней частью, такой образец порвется по неповрежденномузахватами тонкому сечению. Вообще же, чтобы правильно выбрать форму образца,нужно обладать некоторым опытом и умением, потому что для каждого типаматериала должна быть найдена своя наилучшая форма.

Что касается техники испытаний, то, конечно, к образцу можно прикладыватьнагрузку непосредственно грузами. Однако разрушающее усилие для обычноиспользуемых образцов лежит между одной и десятью тоннами, а в большинствеслучаев испытания проводят девушки-лаборантки. Поэтому нагрузка обычносоздается с помощью механического или гидравлического устройства. Промышленностьвыпускает различные машины такого рода, многие из них в той или иной степениавтоматизированы. Все, что должен сделать оператор, это вставить образец,увидеть, как машина порвала его, а затем разделить за фиксированную нагрузкуна измеренную площадь поперечного сечения образца. В результате получаетсяразрушающее напряжение.

Разумеется, полученное число ничего не говорит о том, почему материалимеет именно такую прочность и не должен ли он быть прочнее. С другой стороны,прочность любого технического материала практически достаточно постоянна.Поэтому в свое время прочность считали неотъемлемой характеристикой материала,которой он наделен более или менее случайным образом. Металловеды знали,что та или иная добавка или термическая обработка могут упрочнить или разупрочнитьсплав, но эти знания были чисто эмпирическими, и наблюдаемые эффекты неудавалось объяснить.

Инженерам нравилось такое постоянство в поведении материалов: их радоваламысль, что каждый материал обладает свойственной ему прочностью, котораяможет быть определена раз и навсегда, стоит только провести достаточноечисло испытаний. Еще совсем недавно в лабораториях материаловедения главнойзаботой было создание блестящих коллекций больших испытательных машин.Результатами испытаний исписывалось огромное множество бумаги, однако знанийо прочности материалов прибавлялось весьма немного. И в самом деле, труднопреувеличить строгость той тайны, которая веками окутывала проблему прочностии разрушения твердых тел.

Представления об атомном строении материи были впервые сформулированыДемокритом (460–370 гг. до н.э.). Затем они были существенноразвиты Лукрецием (95–55 гг. до н.э.), намного опередившимсвое время. Но эта теория была целиком построена на догадках, об убедительныхэкспериментальных свидетельствах не приходилось и думать. И все же Лукрецийпредставлял себе существование проблемы сцепления, или когезии, он предположил,что атомы имеют какие-то связывающие их воедино зацепки. Увы, и в серединеXIX века мудрейший Фарадей ничего не мог сказать о прочности твердого тела,кроме того, что она определяется сцеплением между его мельчайшими частицами.Он добавлял к этому, что вся проблема очень интересна. Хотя оба утвержденияверны, они не многим отличаются от высказываний Лукреция.

В предыдущей главе приводилась таблица реальных прочностей различныхматериалов. Как и модули упругости, для разных веществ они весьма различны,столь же непостоянны и величины прочности химической связи. Казалось бы,можно предположить, что прочность вещества пропорциональна прочности егохимических связей. Однако на самом деле это не так, и именно в этом одноиз отличий прочности и жесткости. Действительно, модуль Юнга можно связатьс жесткостью химической связи между атомами, но для прочности это, вообщеговоря, несправедливо. Связь между атомами железа в стали не так уж прочна- она с легкостью разрушается химически, когда железо ржавеет. В то жевремя механически весьма непрочная ржавчина (окись железа) обладает прочнымихимическими связями. Другой пример: металлический магний прочнее, чем окисьмагния (магнезия), хотя разница энергий связи прекрасно иллюстрируетсяпри горении магниевой стружки в кислороде. Поэтому попытки связать химическуюи механическую прочности могут привести к грубым ошибкам. В самом деле,имея сильные химические связи, можно без особого труда сделать очень непрочный(или даже совсем лишенный прочности) материал, но сделать очень прочныйматериал, располагая только слабыми химическими связями, - нельзя.

Пластики и полимеры, которые вошли в обиход в период между двумя мировымивойнами, были, вероятно, первыми прочными искусственными материалами, вышедшимииз химических лабораторий. Их разработка основывалась на довольно естественномпредположении об особой прочности этих материалов - химики наделяли ихочень сильными химическими связями. В начале второй мировой войны ко мнепришел работать один весьма способный молодой химик академического толка.Тут же он принялся за работу над созданием особо прочного пластика, объяснивмне при этом, что материал должен быть прочнее других, потому что он будетоснован на более сильных связях и число таких связей будет больше, чемв любом из существующих материалов. Так как юноша был действительно оченьзнающим химиком, я ему верил. Так или иначе, для создания этих связей понадобилосьочень много времени. Когда синтез был завершен, мы с трепетом извлеклииз формы этот стратегический продукт. Но, увы, он оказался не прочнее кускастарого засохшего сыра.

Теперь мы должны вернуться назад, к 1920 году, когда вся проблема прочностидовольно основательно подзавязла. В то время А.А. Гриффитс (1893–1963),молодой сотрудник Авиационного исследовательного центра в Фарнборо, носилсяс идеями, которые шли вразрез с традициями и противостояли скучной обыденностиработ над материалами. Но, к сожалению, всерьез их никто не воспринимал.А Гриффитс ставил очень интересные вопросы. Почему столь велика разницав прочности различных тел? Почему прочность всех тел не одинакова? Почемувообще материалы имеют какую-то прочность? Почему бы им не быть прочнее?По крайней мере, сколь прочными они "обязаны" быть? До сравнительно недавнеговремени все эти вопросы считались либо непостижимыми, либо несостоятельными,либо принадлежащими глупцам.

Теперь-то мы знаем в общих чертах, какой должна быть прочность любогоматериала и почему далеко не всегда она достигается на практике. Болеетого, нам в какой-то мере известно, что нужно делать, чтобы повысить прочностьматериала. Этими знаниями мы прямо или косвенно обязаны Гриффитсу. Нижев сокращенном и несколько видоизмененном виде я приведу его основные идеи.

Прежде всего мы должны уметь обращаться с понятием энергии, котораяпредставляет собой способность совершать работу. Энергия имеет размерностьсилы, умноженной на расстояние. Так, если я поднимаю груз весом 2 кг навысоту 1,5 м, то я увеличиваю его потенциальную энергию на 3 кгм. Эта энергия(она исходит от моего обеда, который в свою очередь исходит от солнца,и т.д.) может быть преобразована в любую из форм энергии, но не можетбыть уничтожена. Потенциальная энергия представляет собой очень удобныйспособ "консервирования" энергии. Когда это потребуется, она может пройтичерез различные последовательные преобразования из одной формы в другую.Эти переходы могут быть очень наглядными, при этом может быть рассчитанбаланс энергии.

Накопленная, или потенциальная, энергия поднятого груза прежде использовалась,например, для привода настенных часов. Сейчас в большинстве часовых механизмовзапас энергии содержится в пружине. Выбор способа накопления энергии - всеголишь вопрос удобства, а не принципа[21]. Энергия деформированного телаочень напоминает энергию поднятого груза, следует лишь иметь в виду, что впроцессе деформирования сила изменяется, в то время как вес практически независит от высоты подъема, если она, конечно, не слишком велика. Согласнозакону Гука при деформации напряжение в материале растет линейно.Следовательно, если исходное напряжение было равно нулю, то энергия деформациив единице объема выражается формулой 1/2·(Напряжение·Деформация)

То, что энергия деформации вполне обычная тривиальная вещь, отличнодемонстрируется стрелками-лучниками. Между прочим, поэтому следует держатьсяв стороне от натянутых тросов. Кинетическая энергия причаленного судна,то есть энергия движения судна, качающегося на волнах у причала, преобразуетсяв энергию деформации чалки. Если чалка обрывается, то эта энергия переходитв кинетическую энергию каната, которая может оказаться слишком большойдля стоящего на ее пути человека.

Следовательно, все тела в нагруженном состоянии обладают энергией деформации,и эта энергия тем или иным способом может быть преобразована в любую другуюформу энергии, чаще всего - в тепло. Но дети всегда ухитряются узнать,что энергию растянутой резины можно использовать для разрушения, напримерстекла. Не знаю, может быть, именно такие ассоциации привели Гриффитсак мысли о разрушении как об энергетическом процессе.

Когда разрушается хрупкий материал, в области разрушения образуютсядве новые поверхности, которые до этого не существовали, и идея Гриффитсазаключалась в том, что нужно связать энергию новых поверхностей с энергиейдеформации тела перед разрушением. Теперь давайте разберемся, что же такоеповерхностная энергия. Мы знаем, что энергия имеет много форм - тепловая,электрическая, энергия деформации и т.д., - но то, что поверхность твердоготела обладает энергией только в силу самого существования своего как поверхности,- это становится ясно не сразу.

Наблюдая дождевые капли, пузыри, насекомых, шагающих по поверхностиводы, мы легко приходим к выводу, что вода, как и другие жидкости, имеетповерхностное натяжение. Поверхностное натяжение - это совершенно реальнаяфизическая сила, которая может быть измерена без особого труда. Следовательно,если площадь поверхности жидкости увеличивается, то производится работапо преодолению этой силы, и энергия накапливается в новой поверхности.Подсчитывая баланс энергии, мы должны учитывать поверхностную энергию также, как и другие виды энергии. Например, когда комар садится на воду, поверхностьпрогибается под его лапками; следовательно, площадь поверхности и ее энергияувеличиваются. Комар проваливается до тех пор, пока увеличение поверхностнойэнергии воды не сравняется с уменьшением потенциальной энергии насекомого,дальше комар не тонет, и это его, наверное, вполне устраивает.

Жидкость стремится по возможности уменьшить свою поверхностную энергию. Кпримеру, тонкая струя жидкости из только что закрытого крана, достигнувопределенного диаметра, непременно разобьется на отдельные капли с меньшейповерхностной энергией. Когда жидкость замерзает, молекулярный характер ееповерхности изменяется мало, и энергия поверхности сохраняется, хотяповерхностное натяжение уже не в силах изменить форму твердой частицы, округливее подобно капле. В большинстве твердых тел межатомные связи прочнее и жестче,чем в обычных жидкостях, соответственно и величины поверхностной энергии у нихв 10–20 раз выше[22]. Незамечаем же мы поверхностного натяжения в твердых телах не потому, что онослабое, а потому, что твердые тела слишком жестки, чтобы их форма заметноискажалась силами поверхностного натяжения.

Теперь, подобно тому, как мы стали бы вычислять вес самого большого комара,способного шагать по данной жидкости, попытаемся определить, сколь прочнымдолжен быть тот или иной материал. Начав эти расчеты, основанные на вышесказанном,мы с удивлением обнаружим, что они очень простые.

Попробуем найти напряжение, которое необходимо для разделения в объемематериала двух примыкающих один к другому атомных слоев. Пока нам безразлично,какой материал рассматривать, кристаллический или аморфный. По существувсе, что нам нужно знать, - это величины модуля Юнга и поверхностной энергии.

Итак, положим, что два слоя атомов вначале находятся на расстоянии x смодин от другого, тогда энергия деформации на квадратный сантиметр принапряжении ? и деформации ? может быть найдена следующим образом:1/2·(Напряжение·Деформация·Объем)=1/??x Но по закону Гука E=??, то есть?= ?/ E.

Заменяя в первом равенстве ?через ?/ Е, получимЭнергия деформации на квадратный сантиметр = ?²x/2E.

Если G есть поверхностная энергия твердого тела на 1 см²,то общая энергия двух поверхностей, образовавшихся при разрушении, будет2G на 1 см².

Теперь предположим, что по достижении нашей теоретической прочностиа, вся энергия деформации в объеме между двумя слоями атомов переходитв поверхностную энергию, то есть?_*²x/2E = 2GОтсюда?_*= (GE/x)^1/2.

Правда, мы немного завысили теоретическую прочность, так как предполагали,что материал подчиняется закону Гука вплоть до разрушения. Ведь в предыдущейглаве мы видели, что закон Гука верен лишь для малых деформаций, а прибольших деформациях кривая зависимости межатомной силы от деформации отклоняетсявниз от прямой. Поэтому энергия деформации будет меньше найденной намиэнергии, грубо говоря, вдвое. Чтобы учесть это, мы просто опустим двойкув выведенной нами формуле, имея в виду, что мы не претендовали на получениеточной величины прочности. Следовательно, правдоподобную оценку прочностиматериала должно давать выражение?_*= 2(GE/x)^1/2проще которого едва ли что можно придумать.

Теперь применим эту формулу к стали, типичными величинами для которойбудут: поверхностная энергия G= 1000 эрг/см²,модуль Юнга E= 2x10¹²дин/см², межатомное расстояние х = 2x10^-8 см.

Подставив эти значения в формулу, получим прочность около 3x10¹¹дин/см², то есть примерно 3000 кг/мм²,что составляет около E/6, Прочность обычной стали - около 50 кг/мм²,прочность специальной проволоки может быть 300 кг/мм².

Так как величины Е и G для разных твердых тел различны,мы получим для них и различные значения теоретической прочности. Единственное,что будет роднить эти числа, - все они намного превысят значения прочности,которые нам дают реальные материалы. Пожалуй, сталь составляет исключениев этом смысле: реальная прочность некоторых сортов стали достигает все-таки1/10 от вычисленной прочности; огромное большинство твердых тел имеет всегосотую или даже тысячную долю теоретической прочности.

Лет 30–40 назад никто не рискнул бы публично усомниться в этих вычислениях.Ведь в таком случае нужно было бы дать объяснения, откуда берется энергиявновь образованных поверхностей. Почему-то серьезно за это никто не брался.Где-то что-то было не так, и, пожалуй, рассуждали многие, лучше об этомпоменьше говорить.

Если мы займемся вычислением лишь прочности как таковой, то для различныхматериалов получим различные значения теоретической прочности. Однако мы легкоможем найти теоретические величины упругой деформации при разрыве; проделавэто, мы обнаружим, что вычисленные деформации окажутся примерно одинаковымидля любого твердого тела почти независимо от его химической природы. Вообщеговоря, величина этой деформации составляет примерно10–20%[23]. Если это так, то прочность твердого тела должна лежать междуE/10 и Е/5. Таким образом, мы не вправе сказать, что все материалыдолжны иметь одну и ту же прочность, но мы можем утверждать (правда, безгарантированной точности), что все материалы должны были бы иметь одну и ту жеупругую деформацию при разрыве. Повседневная практика, однако, убеждает нас,что материалы не только не имеют постоянной деформации при разрыве, но ирасчетные прочности во всех без исключения случаях намного превышают реальныезначения.

Гриффитc задался целью найти физическую теорию, которая позволила бы объяснитьрасхождение между теорией и практикой. Я не был знаком с самим Гриффитсом,но его тогдашний помощник Бен Локспайсер рассказывал мне кое-что об обстоятельствах,при которых велась эта работа. В те времена считалось, что ученые исследователидолжны зарабатывать на жизнь лишь прикладными работами. Отсюда следовало,что материаловеды должны были ограничиваться исследованием применяемыхв технике материалов, таких, как древесина или сталь. Гриффитсу нужен былгораздо более простой материал, он хотел иметь материал с чисто хрупкимразрушением. Поэтому он обратился к стеклу. Сейчас мы назвали бы такойматериал модельным, тогда же очень популярными были модели в аэродинамическихтрубах, но, помилуйте, кому приходилось прежде слышать о модельном материале?

Имея все это в виду, Гриффитc и Локспайсер остерегались обсуждать сруководством подробности своих экспериментов. Однако работа включала вытягиваниеволокон и выдувание пузырей из расплавленного стекла, и однажды, когдаони проработали уже несколько месяцев, Локспайсер, уходя домой, забыл погаситьгазовую горелку, на которой друзья плавили стекло. Пришлось давать объясненияпо поводу случившегося пожара, после чего Гриффитсу и Локспайсеру былоприказано прекратить пустое времяпрепровождение. Гриффитс был переведенна другую работу, позже он стал известным конструктором двигателей.

Предубеждение против стекла рассеивалось с трудом. Много лет спустя,кажется, в 1943 году мне довелось демонстрировать одному известному маршалуВВС обтекатель самолетного радиолокатора, сделанный из стеклопластика.Это была, действительно, громадная штука, которую нужно было подвешиватьпод бомбардировщиком типа "Ланкастер".

—?Из чего это сделано?

—?Стекло, сэр.

—?Стекло? Черт возьми, я не позволю совать стекло ни в один из моихсамолетов!..

Вернемся, однако, к экспериментам Гриффитса. Он первым стал систематическиизготавливать стекловолокна и, исследуя их механические свойства, нашелправдоподобное объяснение полученным результатам. Вначале Гриффитс должен был,хотя бы приблизительно, определить теоретическую прочность стекла, с которымработал. Модуль Юнга легко было найти путем простых механических испытаний, авеличина межатомного расстояния не должна была сильно отличаться от 2–3А[24].

Оставалось измерить поверхностную энергию. А в простоте ее определениядля стекла и заключалось одно из достоинств этого материала в качествеобъекта исследования. Дело в том, что стекло не имеет фиксированной точкиплавления, а при нагреве медленно изменяется от хрупкого твердого теладо состояния вязкой жидкости, и в ходе этого процесса существенных изменениймолекулярной структуры не происходит. Поэтому при переходе от жидкого состоянияк твердому не следует ожидать и сильных изменений величины поверхностнойэнергии, и потому поверхностное натяжение и поверхностная энергия, которыедостаточно легко измеряются на расплавленном стекле, можно с известнойточностью применять и при анализе затвердевшего стекла. Если нагреть конецстеклянного стержня в пламени газовой горелки, то, размягчившись, стеклобудет стремиться принять форму шара, потому что силы поверхностного натяженияостаются достаточно большими и после того, как сопротивление деформированиюпо существу исчезло. Нетрудно измерить силу, необходимую для медленноговытягивания стержня в этих условиях. Но ведь она лишь очень немногим большесопротивления поверхностному натяжению. На основании такого рода экспериментов,выполненных на очень простых приборах, Гриффитс установил, что теоретическаяпрочность его стекла при комнатной температуре должна быть почти 1400 кг/мм².

Затем Гриффитс взял холодные стержни диаметром около 1 мм из того жеобычного стекла, разорвал в испытательной машине и определил их прочность.Она оказалась около 15–20 кг/мм², что вполненормально для тех стекол, из которых делают лабораторную посуду, пивныебутылки; эти же стекла вставляют в окна и т.д. Но эта прочность составлялаоколо 1/50–1/100 от расчетной.

Тогда Гриффитс стал нагревать свои стержни посередине и оттягивать ихконцы. Получались более тонкие стержни-нити, которые он также после охлажденияиспытывал.

Чем тоньше были полученные нити, тем они оказывались прочнее. Сначалаих прочность увеличивалась медленно, но по мере того, как они становилисьочень тонкими, прочность возрастала весьма быстро. Прочность волокон диаметромоколо 2,5 мкм сразу после вытягивания составляла 600 кг/мм²и более, а спустя несколько часов падала примерно до 350 кг/мм².Кривая зависимости прочности от диаметра волокна росла столь стремительно(рис. 16), что трудно было установить верхний (максимальный) предел длявеличины прочности.

Рис. 16. Построенный Гриффитсом график зависимости прочности стеклянныхволокон от толщины волокна.

Зависимость эта не была очень гладкой, опытные точки имели некоторый разброс.Однако по поводу общей тенденции никаких сомнений не оставалось. Гриффитс немог ни изготовить, ни испытать волокна тоньше примерно 2,5 мкм, да если бы он исмог это сделать, в его время измерить толщину таких волокон хоть скакой-нибудь точностью было бы очень трудно. Однако он проделал простойматематический трюк: отложив по осям координат обратные величины, онэкстраполировал кривую "прочность-размер" в область ничтожно малых толщин, иоказалось, что прочность тончайших нитей должна быть около 1100 кг/мм².Напомним, что вычисленная величина прочности для его стекла была чуть меньше1400 кг/мм². Поэтому Гриффитс сделал вывод, что ему практически удалосьприблизиться к теоретической прочности, и, если бы на самом деле можно былосделать более тонкие волокна, их прочность была бы очень близка ктеоретической. Достичь в эксперименте почти теоретической прочности было,конечно, триумфом, особенно если учесть условия, в которых этот экспериментпроводился.

Недавно Дж. Морли из фирмы "Роллс-Ройс" получил кварцевые волокна (ихсостав отличается от состава гриффитсова стекла) с прочностью более 1400кг/мм² (рис. 17). Как мы увидим в следующейглаве, столь высокая прочность может быть получена не только на стеклянныхволокнах, но и почти на любых твердых телах, аморфных и кристаллических.

Рис. 17. Кварцеваянить, упруго изогнутая до деформации 7,5%;напряжения в ней доходят до 530 кг/мм²(прочность обычного стекла 7-15 кг/мм²)

Итак, Гриффитс продемонстрировал (по крайней мере, в одном случае),каким образом можно на практике достигнуть почти теоретической прочности.Теперь он должен был показать, почему прочность подавляющего большинстватвердых тел столь резко отличается от теоретической.

Гриффитс написал классическую статью о своих опытах. Опубликованаона была в 1920 году. В ней подчеркивалось, что задача состоит не стольков том, чтобы объяснить, почему тонкие волокна прочны, сколько в том, чтобыпонять, почему столь мала прочность толстых волокон. Ведь одиночная цепочкаатомов неизбежно должна либо обладать теоретической прочностью, либо жевообще не иметь ее.

Становилось ясным, во всяком случае Гриффитсу, что в реальном мире,где материалы обнаруживают лишь малую и крайне переменчивую долю прочностиих химической связи, на самом деле механическую прочность определяет механизмослабления. И только много позднее, уже в наше время, когда мы научилисьполучать материалы, прочность которых составляет значительную долю теоретическойвеличины, действительно важную и полезную роль приобрело уменье изготовлятьматериалы с очень прочными химическими связями.

Слабость стеклянных волокон подводит нас к вопросу о гриффитсовых трещинахи возвращает к профессору Инглису, которого мы покинули в главе1 в раздумье над тем, почему морские суда, обладающие по тогдашнимрасчетам большим запасом прочности, разламываются надвое в открытом океане.Инглис рассчитал, как разного рода вырезы, вроде люков на палубе, влияютна прочность крупных сооружений, в частности морских судов. Гриффитсу жепришла в голову блестящая мысль распространить расчет Инглиса на объектыгораздо меньших размеров, с надрезами почти молекулярной величины и стольмалой толщины, что их нельзя рассмотреть в оптический микроскоп.

Каковы бы ни были размеры надрезов-концентраторов, сама концентрация напряженийвсегда играет огромную роль. Как показал Инглис, всякое отверстие, любой острыйнадрез в материале создает в нем местное повышение напряжений. Этот местныйвсплеск напряжения, величину которого можно рассчитать, зависит только от формыотверстия и никак не связан с его размерами. Все инженеры знают о существованииконцентрации напряжений, но далеко не все ее чувствуют. Действительно,полагаясь лишь на здравый смысл, трудно понять, почему крохотное отверстиеослабляет материал в той же степени, что и большая дыра[25]: это несколькопротиворечит привычным представлениям. Там, где есть малые отверстия и надрезы,материал начинает разрушаться от усталости очень скоро, но и при обычномстатическом разрушении, то есть под действием постоянных нагрузок, такиеотверстия и надрезы делают свое дело. Когда стекольщик режет стекло, он нестарается прорезать его на всю толщу листа, а делает лишь неглубокий надрез наповерхности, после чего по такой царапине стекло легко разламывается.Ослабляющее действие царапины практически не зависит от ее глубины: мелкаяцарапина действует ничуть не слабее глубокой, поскольку степень повышениянапряжений зависит лишь от остроты ее кромки.

Нетрудно нарисовать физическую картину того, что же в действительностипроисходит у таких надрезов, как трещины, особенно если рассматривать существодела на атомарном уровне. Обратившись к рис. 18, вы поймете, что при растяженииодиночная цепочка атомов испытывает равномерное напряжение, поэтому онаобладает теоретической прочностью (рис. 18, а).

Рис. 18. Возникновение концентрации напряжений у кончика трещины.

Взяв еще несколько таких же цепочек и расположив их так, чтобы они образоваликристалл (рис. 18, б), мы увидим, что пока еще ничто не мешает каждойцепочке в отдельности нести ее полное теоретическое напряжение. Предположимдалее, что мы перерезали несколько соседних межатомных связей, то естьсоздали трещину (рис. 18, в). Разумеется, разорванные цепочки ужене смогут, как прежде, нести нагрузку, передавая ее от атома к атому. Теперьэту работу должны взять на себя оставшиеся цепочки. И сила как бы обходиттрещину по самому ее краю. Таким образом, почти вся нагрузка, которую неслиразрезанные атомные цепочки, падает теперь на единственную атомную связьу самого кончика трещины (рис. 18, г). Ясно, что при подобных обстоятельствахперегруженная связь порвется раньше всех других. Когда же такое перегруженноезвено лопнет, положение не изменится к лучшему. Напротив, оно ухудшится,так как на долю соседнего звена добавится не только нагрузка перерезанныхс самого начала цепочек (при создании трещин), но еще и та доля нагрузки,которая приходилась на только что лопнувшую цепочку. Таким образом, трещинав кристалле оказывается инструментом, с помощью которого приложенная извнеслабая сила рвет поочередно одну за другой прочнейшие межатомные связи.Так трещина и бежит по материалу, пока не разрушит его до конца.

Инглис вычислил коэффициенты концентрации напряжений, показывающие,во сколько раз местное напряжение больше среднего не только для прямоугольныхвырезов, но и для вырезов другой формы, например круглых и цилиндрическихотверстий. Сильно вытянутое эллиптическое отверстие можно считать трещиной.Для эллиптической трещины коэффициент концентрации напряжений будет выражатьсяформулой1+2x(L/R)^1/2где L есть полудлина трещины, a R - радиус кривизны еекончика. Оказалось, что эта формула справедлива не только для эллипса:у всякого острого надреза коэффициент концентрации напряжений имеет почтитакую же величину. Кстати сказать, у круглого отверстия местное напряжениевтрое превышает среднее. Рассмотрим трещину длиной, скажем, 2 мкм с радиусомкривизны ее кончика 1 А. Такая трещина слишком мала, чтобы ее удалось увидетьс помощью оптического микроскопа, ее трудно обнаружить даже с помощью электронногомикроскопа. Но тем не менее она повышает напряжение у своего кончика в201 раз. При подобной концентрации напряжений прочность гриффитсова стекладолжна снизиться от 1500 кг/мм² до уровнявсего нескольких килограммов на квадратный миллиметр, то есть до величины,близкой к прочности обычного стекла. Все это позволило Гриффитсу предположить,что в обычном стекле содержится множество очень тонких трещин, которыене поддаются обнаружению с помощью каких бы то ни было обычных средств.Он ничего не говорил о том, как они выглядят или каково их происхождение,а просто утверждал, что если они существуют в обычном стекле - а почемубы им не существовать! - то стекло должно быть малопрочным. Он предположилдалее, что по какой-то неизвестной причине в тонких волокнах они образуютсяреже, а в тончайших почти не попадаются, быть может, лишь потому, что имтам нет места.

По-видимому, Гриффитс думал, что трещины, которые он считал реальносуществующими в стекле, разбросаны во всем его объеме и возникают в процессезатвердевания стекла из-за неспособности его молекул сомкнуться друг сдругом на отдельных участках. Оглядываясь назад, можно только удивлятьсятому, как много времени понадобилось, чтобы отвергнуть это представление.Расчеты Гриффитса показывали, что трещины - каково бы ни было их происхождение- должны быть весьма узкими, возможно, порядка сотых долей длины волныобычного видимого света. Так как увидеть объекты, по размерам намного меньшие,чем длина волны освещающего их света, принципиально невозможно, то рассмотретьтрещины Гриффитса непосредственно через обычный оптический микроскоп, которыйв лучшем случае позволяет видеть предметы размером около полумикрона, небыло никакой надежды. Пришлось ждать появления электронного микроскопа,в котором изображение создается электронами с длиной волны что-нибудь около1/25 А, в то время как видимый свет имеет длину волны около 4000 А.

Но уже в 1937 году, то есть еще до того, как в лабораториях появилисьэлектронные микроскопы, Андраде и Цинь решили поискать трещины в стеклес помощью простого оптического микроскопа, прибегнув к так называемомудекорированию. Этот метод, часто весьма действенный, можно представитьсебе следующим образом. Пусть тонкая проволока, например телеграфный провод,натянута так далеко от вас, что ее совершенно не видно. Но если бы удалоськак-то заманить на нее стаю ласточек, проволока сразу же бросилась бы намв глаза. (По этой самой причине связисты иногда насаживают пробки на телеграфныепровода.) Теперь представьте себе, что появилась новая стая и уселась наспины уже знакомых нам птиц - проволока стала еще заметнее. В принципетаким образом нашу проволоку можно сделать сколь угодно толстой. Теперьостается лишь вспомнить, что некоторые вещества кристаллизуются легче,если на подложке есть какие-то отклонения от регулярности. Выбрав подходящеевещество и заставив его кристаллизоваться на какой-то поверхности, вы частоможете заметить, что новые кристаллы зарождаются почти исключительно натонких нерегулярностях этой поверхности и, следовательно, делают последниевидимыми для наблюдателя.

Андраде осаждал на поверхности стекла пары натрия, которые при конденсациисоздавали на ней сетку линий. Можно было предположить, что это были трещины,но полной уверенности, конечно, не было: в подобном опыте нетрудно былополучить изображение марсианских каналов или любых других химер. Но дажеесли эти узоры и выявляли тончайшие трещины на поверхности стекла (что,кажется, в действительности так и было), то это еще не служило доказательствомотсутствия в стекле внутренних трещин.

В послевоенные годы удалось показать, что исключительно прочны не толькотончайшие, но и довольно толстые волокна, если они тщательно изготовлены.Прочные стекловолокна от прикосновения к ним слабеют, а слабые - упрочняются,если удалить с них поверхностный слой химическим путем. Все это дало основаниясчитать, что волокна ослабляются главным образом дефектами на поверхностистекла.

Приблизительно в 1957 году мы с Маргарет Паррат и Дэвидом Маршем провелиочень много времени за исследованиями поверхности стекла. Усовершенствовавметодику Андраде, Паррат научилась воспроизводить прекраснейшие образцытрещин на поверхности стекол всех сортов. Многие из этих трещин, пожалуй,большая их часть, представляли собой тончайшие волосовины. Плотность распределениятрещин очень хорошо увязывалась с прочностью образцов различных стекол.Вопрос теперь состоял только в том, чтобы выяснить, как же трещины возникалина поверхности стекол. Во многих случаях сомнений насчет природы трещинне оставалось: трещины оказались царапинами, нанесенными стеклу другимисоприкасавшимися с ним твердыми телами. Паррат сфотографировала такие типичныетрещины (рис. 19 и 20).

Рис. 19. Трещинывблизи царапины на поверхности стекла (7000).

Рис. 20. Царапина на предметном стекле микроскопа

Достаточно самого легкого прикосновения к стеклу чтобы создать на егоповерхности совершенно законченные образцовые трещины. Лишь в очень редкихслучаях стекло оберегается от подобных прикосновений с самого момента егоизготовления из расплавленной стекломассы.

Отнюдь не исключено, что это простое объяснение давало исчерпывающий ответ навопрос о происхождении трещин для большей части обычныхстекол[26]. Высокую прочность тонких волокон можно отчастиобъяснить тем, что они очень легко гнутся и их проще изогнуть, чем поцарапать.Однако наблюдается ряд случаев, когда прочность стекла меняется, хотя егоповерхность сохраняется совершенно неповрежденной. Одна из причин этого былаизучена Маршем.

Когда жидкости затвердевают, они чаще всего кристаллизуются. Обычно кристаллыбывают плотнее исходной жидкости (хотя известны исключения из этого правила,например вода). В кристаллах атомы располагаются более упорядоченно и теснеедруг к другу, чем в жидкости. Стекла же в процессе затвердевания бываютстоль вязкими, что их молекулы не успевают рассортироваться так, чтобыобразовать кристаллы. Поэтому стекло - это переохлажденная и застывшаяжидкость, а не кристаллическое твердое тело.

Однако и в стекле существует тенденция к кристаллизации, и некоторыестекла со временем превращаются в кристаллические тела. Это явление называютрасстекловыванием. Поскольку стекла при расстекловывании дают усадку, этотпроцесс часто сопровождается разупрочнением, отчего стекла рассыпаютсяна кусочки. Обычно античные стекла доходили до нас в расстеклованном состоянии,ведь их, как правило, плохо варили. К тому же с тех пор прошло более чемдостаточно времени и они вполне успели закристаллизоваться. Правда, ставнепрочными, они не стали менее прекрасными. Как показал Марш, в некоторыхстеклах, даже самых свежих, расстекловывание происходит с самого начала.Ему удалось сфотографировать на электронном микроскопе крошечные кристалликии показать, что усадка в ходе их образования достаточна, чтобы зародиласьтрещина, бегущая затем по всему куску стекла (рис. 21). Надо подчеркнуть,что стекло в тонких волокнах от обычного стекла ничем особенно не отличается.Если поверхность толстого стекла сделать гладкой и постараться сохранитьее в таком виде, то по прочности это стекло не уступит тонкому волокну.Однако добиться этого на практике обычно очень трудно.

Рис. 21. Рост клиновидного кристалла в стекле.

Если в стеклоподобном аморфном материале трещина, берущая начало оттого или иного местного дефекта, не распространяется, то почему же и какимобразом он все-таки разрушается? В таких случаях материал, подобно пластилину,течет и разрушается от сдвига. Поскольку стекло начинает течь при комнатнойтемпературе лишь под действием очень большого напряжения и к тому же онолегко разрушается от распространения трещины, постольку оно, как и другиеаморфные материалы, практически всегда разрушается хрупким образом. Мык этому привыкли, и нам трудно представить себе, что они могут разрушатьсяиначе. На самом же деле, если растрескивание стекла, которое происходитпри растяжении, предотвратить, например, путем всестороннего его сжатия,то в этом случае стекло можно заставить течь, как текут пластичные материалы.Стекло, когда на него оказывают давление притупленной алмазной иглой (индентором),ведет себя подобно замазке, но ведь касательное напряжение, необходимоедля течения, гораздо выше наблюдаемой прочности. В обычных стеклах онопревышает при комнатной температуре 350 кг/мм².

Совсем недавно Марш показал, что стекло, если в нем почти отсутствуюттрещины, действительно течет. При комнатной температуре напряжение теченияв стекле обычно превосходит 350 кг/мм².Интересно, что температура сравнительно слабо влияет на тенденцию к разрушениюстекла путем распространения трещин, в то время как касательное напряжениетечения сильно зависит от температуры. Когда мы нагреваем стекло, не доводяего до плавления, напряжение течения снижается быстрее, чем напряжениехрупкого разрушения. Именно поэтому нагретое стекло (не обязательно оченьгорячее) довольно легко гнется, формуется и поддается выдуванию. Наоборот,свободное от дефектов стекло становится прочнее при охлаждении, так какпри этом повышается его сопротивление течению. Из-за этого стекло с хорошейповерхностью при температуре -180° С по своей прочности примерно в двараза превосходит то же стекло при комнатной температуре.

Обобщая все сказанное выше, можно заключить, что всегда существуют двамеханизма, ведущих спор за право разрушить материал, - пластическое течениеи хрупкое растрескивание. Материал уступает тому или другому из них. Еслион начинает течь, прежде чем растрескается, то, значит, он пластичен. Еслиже он растрескивается до того, как начал течь, то мы имеем дело с хрупкимматериалом. Потенциальные возможности обоих видов разрушения заложены вовсех материалах.

Все, что мы говорили,довольно хорошо объясняет прочность стекол и таких аморфных минералов,как кремень или вулканическая лава обсидиан. Но подавляющее большинствотвердых тел, природных и искусственных, имеет кристаллическую структуру.Существует своего рода предрассудок, что кристаллические материалы не могутбыть прочными. Так, слесарь, обнаружив сломанный коленчатый вал или какую-либодругую деталь автомобиля, может сказать, что "она кристаллизовалась". Вкаком состоянии была эта деталь до "кристаллизации", он не объяснит, ясно,что она не была аморфной. Нет нужды повторять, что все металлы, почти всеминералы, большинство керамических материалов и привычные нам сахар и соль- вещества кристаллические. Соображения здравого смысла вряд ли приведутк заключению, что только регулярная упорядоченная упаковка атомов или молекулможет быть причиной малой прочности твердого тела. И действительно, этоне так.

Однако, когда мы имеем дело с твердыми хрупкими кристаллами, на практикеих прочность оказывается даже ниже, чем прочность монолитного стекла, ив своем "сыром" виде неметаллические кристаллы вполне заслуживают тогопрезрения, с которым к ним относятся инженеры.

Теперь самое время поговорить об "усах". Мы часто слышим о "металлическихусах", как если бы они были единственным типом усов. На самом же деле этиусы менее обычны и менее интересны, чем неметаллические, поэтому мы будемговорить главным образом о последних. Усы, о которых пойдет речь, не имеютничего общего с человеческим волосом и представляют собой длинные тонкиеигловидные кристаллы, которые могут быть случайно или преднамеренно выращеныиз большинства веществ. Существует много способов их выращивания. Толщинаусов обычно составляет 1–2 мкм, хотя их длина может измеряться миллиметрамии даже сантиметрами.

Рис. 22. Усы, растущие на металличеcкой поверхности

Иногда усы вырастают случайно на металлических поверхностях (рис. 22),и, когда эта поверхность оказывается элементом электрической схемы, вполневозможно короткое замыкание, которое иногда оказывается досадным, иногдадорогостоящим, а порой и опасным, смотря по обстоятельствам. Такого родаметаллические усы были известны довольно давно, но к ним относились развечто с некоторым любопытством, когда к этому не примешивалось чувство досады.Так продолжалось до 1952 года, когда Херрингу и Голту случилось изогнутьнесколько оловянных усов. Они заметили при этом, что при деформации ~2%усы остаются упругими. Такая упругая деформация соответствовала напряжению,которым никто никогда не нагружал не только олово, но и, возможно, никакойдругой металл. Это было похоже на поведение тонких волокон с аномальновысокой прочностью, что, естественно, привлекло к себе огромное внимание.

Херринг и Голт работали с оловом. Олово - металл, а от металла каждыйпочему-то ожидает прочности. Меня же в то время занимал вопрос, можно лисделать прочными и обычно слабые неметаллические кристаллы. И вот однажды,это было в 1954 году, я зашел на склад химических реактивов и попросилдать мне что-нибудь такое, что растворялось бы в воде, а кристаллизовалосьбы в виде игл. Кладовщик дал мне бутылку с гидрохиноном, веществом, котороеобычно используется в фотографических проявителях. Бутылка была полна сухихкристаллов толщиной примерно в обычную иглу и около сантиметра длиной.Оперируя скальпелем, я быстро понял, что их прочность пренебрежимо мала.Затем я растворил несколько гидрохиноновых кристаллов в воде, нанес каплюэтого раствора на предметное стекло микроскопа и стал ждать, когда водаиспарится. В процессе испарения в поле зрения микроскопа вырастали игольчатыекристаллики, которые были намного меньше растворенных мною.

Новые кристаллы имели нитевидную форму. Вначале они были так тонки,что их едва можно было различить в оптический микроскоп. Пошевелив их иглой,я обнаружил, что эти маленькие нити очень прочны, но установить точно,насколько они прочны, - было очень непросто (рис. 23).

Рис. 23. Нитевидные кристаллы, или усы гидрохинона,растущие из водного раствора. Обратите вниамние на неясное изображение- это ус, который освободился от мешающих ему механических ограниченийи выпрямляется (параллельные полосы вызваны дифракцией - это моя оплошность!)(100).

Это меня взволновало, и очень скоро я начал пробовать кристаллы разныхвеществ, взятых с полок собственной лаборатории и лабораторий своих коллег.Некоторых навыков и минимальной хитрости было достаточно, чтобы получитьв виде очень тонких нитей - усов кристаллы почти любого растворимого твердоговещества. В ход пошли горькая соль и даже хлористый натрий, обычная повареннаясоль. И во всех случаях усы оказывались прочными. Можно было предположить,что их прочность как-то связана с влажностью их поверхности. В 20-е годырусский ученый А.Ф. Иоффе обнаружил, что некоторые вещества после смачиваниястановились прочнее. Правда, есть и такие вещества, которые при этом, наоборот,разупрочняются. Однако, насколько я мог определить, высушивание усов несказывалось заметно на их прочности.

На этой стадии работы было много трудностей. Например, мы не имели достаточнонадежных методов измерения прочности усов.

Обычно мы изгибали усы под микроскопом с помощью игл; измерив приблизительнотолщину и радиус кривизны, можно было определить деформацию при разрушениис помощью простой теории изгиба балок. Можно себе представить, сколь дьявольскинеудобен и неточен был этот метод.

Усы обычно зарождались в виде чрезвычайно тонких нитей, которые затемстановились толще. Заметив это, я усовершенствовал методику изгиба: призарождении уса я начинал взбалтывать воду и затем оставлял усы утолщатьсядо тех пор, пока они не ломались. Это была менее грубая методика, но всееще весьма неудовлетворительная.

Как раз в это время (1956 год) ко мне пришел работать Дэвид Марш и буквальнопервыми его словами были: "Почему бы не сделать подходящую разрывную машину?"Кажется, я без обиняков прогнал его, посоветовав не заниматься глупостями. Усыбыли слишком малы, чтобы рассмотреть их невооруженным глазом, мнепредставлялось, что нельзя сделать испытательную машину для столь крошечныхобразцов. Марш ушел и занялся отнюдь не глупостями: он возвратился смикроиспытательной машиной, которая на удивление всем… работала.Сконструировал и построил он ее сам. Один из вариантов машины Марша (Марк-III)пошел в серийное производство, и сегодня, пожалуй, не найдется ни однойуважающей себя лаборатории, которая бы ее не имела. На этой замечательноймашине можно при необходимости испытывать волокна с поперечным сечением 0,1мкм² (по существу их не видно в оптический микроскоп) и длиною около четвертимиллиметра. Она способна измерять удлинения менее чем 5 А, что соответствуетпримерно разрешению хорошего электронногомикроскопа[27].

Располагая таким устройством, мы могли уже получить вполне реальные результаты.С самого начала мы обнаружили, что высокая прочность может быть полученапочти на всех кристаллах, от горькой соли до сапфира, лишь бы кристаллимел форму тонкого уса. В этом случае не имели значения ни химическая природакристалла, ни метод, которым он был выращен. Мы испробовали, должно быть,сотню различных веществ, так что никаких сомнений относительно этого неоставалось.

Построив график зависимости прочности уса от его толщины, мы обратиливнимание на то, что кривая для каждого данного типа усов была чертовскипохожа на аналогичную кривую для стеклянных волокон (глава2). Более того, когда мы посмотрели на зависимость от толщины не прочности,а деформации при разрушении, то обнаружили, что все точки для всех испытанныхусов лежат на одной и той же кривой. Так, на рис. 24, например, показаназависимость деформации при разрыве от толщины усов двух резко различающихсявеществ - кремния и окиси цинка. Разделить эти кривые невозможно.

Рис. 24. Зависимость прочности усов от их толщины.Белый кружок - усы кремния; черный - усы окиси цинка.

Конечно, велик был соблазн считать, что прочность и разрушение усов- а потому, быть может, других кристаллов - определяется поверхностнымитрещинами, как и в случае стекла. Однако каких-либо трещин мы не обнаружили,и были все основания полагать, что их просто не должно существовать. Когдаус вырастает из раствора или паров, то обычно вначале появляется оченьтонкая нить, которая в электронном микроскопе кажется почти идеально гладкой.Затем эта нить утолщается, на нее как бы натягивается сверху новый слойматериала.

Поначалу эти слои могут быть моноатомными или мономолекулярными, но,конечно, различные слои нового материала будут подпитываться атомами изокружающей среды с несколько различными скоростями. Тогда слой, которыйзахватывает атомы быстрее, будет расти вдоль оси кристалла с большей скоростьюи может настигнуть нижний слой, растущий медленнее. Однако обогнать егоон не может, и тогда образуется ступенька, имеющая двойную высоту. Онабудет требовать двойного количества материала для своего роста, чтобы продвигатьсяс той же скоростью, что и остальные слои. В действительности, однако, скоростьподвода материала путем диффузии остается примерно той же, что и для единичныхслоев. Следовательно, двойной слой движется со скоростью, меньшей чем средняя,и постепенно все больше растущих слоев нагромождаются вслед за ним и немогут его обогнать. Образуется серия обрывистых ступенек (рис. 25). В среднемэти ступеньки будут тем выше, чем "старше" и, следовательно, толще кристалл.Когда рост кристалла прекращается, эти ступеньки остаются на поверхностии их можно видеть в микроскоп.

Рис. 25. Ступеньки роста на большом усе, движущиеся вниз по кристаллу

Интуиция подсказывает, что трещина - штука скверная, но далеко не очевидно,что и ступенька может вызвать вредную концентрацию напряжений. Готовыхтеоретических решений задачи о поведении ступенек в литературе не было,и я попросил Марша заняться изучением этого вопроса. Методом фотоупругости,работая на прозрачных моделях в поляризованном свете, Марш смог доказать,что ступенька так же вредна, как и эквивалентная ей трещина. По существуее можно рассматривать как половину трещины. Экспериментальный результатМарша был затем математически подтвержден Коксом.

Хотя эта работа была выполнена для объяснения прочности крошечных кристалликов,полезно обратить на нее внимание инженеров, которые, опасаясь трещин, поройлегкомысленно относятся к ступенькам в машинах и конструкциях. Заметим,что в случае ступенек, как это было и с трещинами, концентрация напряженийопределяется не абсолютным размером дефекта, а отношением глубины к радиусуоснования дефекта.

Изучив под электронным микроскопом серию усов, Марш нашел, что для исследованныхим веществ радиус основания ступеней роста был практически постоянным исоставлял примерно 40 А. Затем он сравнил высоту наиболее опасных ступенекс измеренной прочностью усов. Связь была налицо и не оставляла места сомнениямотносительно объяснения масштабного эффекта на усах. Так как большие усыничем, кроме размеров, не отличаются от других типов кристаллов, это должнобыло послужить общим объяснением прочности и разрушения хрупких кристаллов.

Дэш своими опытами показал, что поведение усов в этом смысле не отличаетсяот поведения больших кристаллов. Он взял большой (2 см) кристаллкремния, который в обычных условиях особой прочностью не отличается, иочень тщательно его отполировал. Заключив этот кристалл в прозрачную коробку,снабженную механизмом изгиба, Дэш регулярно появлялся с ним на разногорода конференциях и демонстрировал свой опыт всем и каждому: кристалл могизгибаться без разрушения до деформации 2%, что соответствует напряжению450 кг/мм² - цифра очень внушительная.

Когда мы обращаемся к более распространенным кристаллическим материалам,в цепи наших рассуждений появляется еще одно звено. Можно, конечно, действуяподобно Дэшу, получить довольно большой монокристалл, но, как правило,каждый отдельный кристалл в наших обычных материалах достаточно мал. Усы- это все-таки исключительные по своим свойствам малые монокристаллы. Обычноже твердые тела больших размеров являются поликристаллами: можно сказать,что они собраны из большого числа малых кристалликов, примыкающих другк другу в трех измерениях, подобно булыжникам мостовой или областям нагеографической карте. Форма отдельных кристаллов может быть весьма неправильной,они примыкают один к другому по границам обычно очень плотно, в чистыхматериалах контакт на молекулярном уровне достаточно хороший. Вообще говоря,поверхностная энергия этих границ выше, чем энергия поверхностей разрушенияв кристаллах, и поэтому в достаточно чистых материалах "границы зерен"не являются источником низкой прочности.

Другое дело - материалы с большой концентрацией примесей. Хорошо известно,что, когда жидкость замерзает, в процессе кристаллизации растущие кристаллыстремятся изгнать из своего объема примеси. Например, лед, образовавшийсяиз соленой воды, при таянии дает достаточно пресную воду (что очень удобнодля полярников). Этот процесс приводит к тому, что примеси в твердых телахнакапливаются по границам зерен. Здесь же собираются и вакансии, то естьпоры атомных размеров. Все это может превратить границы зерен в поверхностиразрушения. Именно из-за этого небольшая добавка неподходящей примеси можетразрушить сплав. Иногда понижение прочности дает положительный эффект.Рассмотрим, например, что дает добавление антифриза к воде, охлаждающейдвигатель автомобиля. Основной смысл этой операции состоит в том, что гликоль,существенно понижая точку замерзания полученной смеси, оттягивает неприятности,но, если все-таки смесь замерзнет, лед получается пористым, лишенным механическойпрочности и вряд ли способен сильно навредить машине.

Однако для большинства достаточно чистых кристаллических тел границызерен довольно прочны и поведение твердых хрупких материалов можно сравнитьс поведением усов и других монокристаллов, а последнее, как мы видели,очень похоже на поведение стекла. В обоих случаях проблема прочности иразрушения почти исключительно связана с гладкостью поверхности. Для стеклаопределяющим дефектом обычно является поверхностная трещина, для хрупкихкристаллов - ступенька на поверхности. Наличие внутренних дефектов в хрупкомкристалле имеет меньшее значение.

Как мы увидим дальше, для пластичного мягкого материала существует совершеннодругая проблема.

Вещества, с которыми мы имели дело до сих пор, считаются в технике хрупкими.Это не значит, конечно, что они рассыпаются на куски при первом же прикосновении.Нет, мы уже видели, что некоторые из них очень прочны. Абсолютного деленияна хрупкие и пластичные вещества нет, но, вообще говоря, хрупкие тела имеютдостаточно хорошо определенные свойства. Если не считать небольших упругихизменений, которые исчезают после снятия нагрузки, хрупкие тела не деформируютсяперед разрушением, и причиной их разрушения является то, что одна или несколькотрещин пробегают через весь материал. Обломки хрупких тел после разрушенияможно очень хорошо подогнать друг к другу; например, можно довольно искусносклеить разбитую вазу. В пластичных материалах, например в мягкой стали,перед разрушением наблюдаются большие необратимые искажения формы, такчто из получившихся после разрушения кусков нельзя уже сложить первоначальныйпредмет.

Хрупкие вещества, которыми мы пользуемся в повседневной жизни, - стекло,фаянс, кирпич, бетон, некоторые пластмассы - вполне удовлетворяют нас.Однако для изготовления различного рода машин мы обычно предпочитаем пластичныеметаллы. Хрупкие тела разрушаются путем полного разделения двух соседнихслоев атомов или молекул под растягивающим напряжением, остальной объемматериала при этом не нарушается. Поведение металла напоминает в чем-топоведение пластилина. Еще до разрушения, то есть до разделения образцана две части, в объеме материала развивается интенсивное течение, подобноетечению вязкой жидкости. В это время соседние атомные слои, не разделяясь,сдвигаются друг относительно друга подобно колоде карт.

После того как соседние слои атомов проскользнут на достаточное расстояниеи материал окажется деформированным этим сдвигом, прочность, как правило,не снижается, так как взамен разорванных связей атомы могут завязать новыес другими партнерами. В некоторых случаях материалы после такого процессадаже упрочняются (это называется нагартовкой или наклепом). Однако, еслипроцесс зашел слишком далеко, материал ослабнет и в конце концов разрушится.Величина наклепа и удлинение,которые может выдержать пластичный материал, сильно колеблются от металлак металлу, от сплава к сплаву. Почти всегда с нагревом эти величины возрастают.Что и говорить, способность металлов пластически деформироваться и, следовательно,получать заданную форму в холодном и нагретом состояниях является их огромнымдостоинством. Кроме того, пластичность вносит свой вклад в сопротивлениеметаллов трещине (см. главу 8). Однако она же является и главной причинойих сравнительно низкой прочности. Мы уже говорили, что если образец неразрушается хрупким образом из-за наличия трещины под определенным угломк направлению растяжения, то он может разрушиться путем "соскальзывания"под углом 45° к оси (рис. 26) и, если для такого процесса потребуется меньшаясила, его ничто не остановит.

Рис. 26. Вязкое разрушение при растяжении.

Недавно А. Келли показал, что точный расчет сопротивления твердого теласдвигу достаточно сложен и от вещества к веществу сопротивление это сильноизменяется. Однако мы можем получить приближенное значение теоретическойпрочности на сдвиг с помощью очень простой модели, и результат не будетгрубым. Рассмотрим модель - на бумаге или в натуре, - которая состоит изслоев шариков, представляющих атомы. Существуют такие взаимные расположенияслоев, при которых они лежат наиболее близко друг к другу. Чтобы вывестиих из такого положения, необходимо немного оттянуть слой от слоя. Такомудвижению сопротивляются растягиваемые связи: шарики-атомы против того,чтобы покинуть комфортабельные ямки минимальной энергии.

Рис. 27. Схематическое изображение сдвига,происходящего путем скольжения целой плоскости атомовбез помощи дислокационных механизмов.

На рис. 27 изображена двумерная модель - два параллельных ряда монет,лежащих на столе. Ясно, что последнее сопротивление сдвигу исчезает в момент,когда атомы- монеты балансируют на вершинах друг у друга; такое положениесоздается в момент, когда слой оказывается сдвинутым относительно другогослоя на угол 30°. Пройдя эту точку, атомы будут сваливаться в положениеравновесия на дне следующей ямы, и сдвиг на одно межатомное расстояниебудет завершен. Сопротивление сдвигу началось с нуля, возросло до некоторогомаксимума, затем снова упало до нуля, когда атомы оказались на вершинах.Сопротивление будет максимальным примерно на полпути к вершине, в нашемслучае это соответствует углу сдвига около 15°. Трехмерный случай будетнемного более сложным, для него максимум наступает при 10°. Для кристаллов,которые состоят из атомов различных размеров, этот угол может быть ещеменьше.

Очень грубые вычисления, основанные на этой модели, дают величину теоретическойпрочности на сдвиг порядка 10% от модуля упругости Е. (Более сложныйрасчет, проведенный А. Келли, дает 5–10% от Е.) Впрочем, не слишком большаяточность этих чисел особого значения не имеет: при обычных испытаниях реальныхматериалов мы достигаем их весьма редко[28]. Теоретическое значение прочности на сдвиг для железасоставляет около 1200 кг/мм², но практически кристалл очень чистого железасдвигается при напряжениях, лежащих между 1,5 и 8,0 кг/мм², для рядовыхсталей прочность на сдвиг составляет 15–25 кг/мм², для самых прочных сталей -около 150 кг/мм².

Очень мягкие металлы, например чистые золото, серебро, свинец, можно испытыватьна сдвиг руками. После сильного наклепа сопротивление сдвигу несколькоповышается, но оно никогда не приближается к теоретической величине. Широкоизвестна ковка металла, которая делает его более твердым: таким путем повышалитвердость кромок еще медного и бронзового оружия, а в старину часовых делмастера всегда обрабатывали так латунные заготовки шестеренок. (Если вывоздержитесь от смазки шестеренок старинных напольных часов, то зубья ихне только перестанут собирать пыль и быстро истираться, но с течением временибудут становиться тверже и полироваться, и так будет продолжаться века.)

Вплоть до 1934 года общепринятое объяснение всех этих явлений было крайненеубедительным и походило на желание уйти от вопроса. Вот оно: "Скольжениепроисходит вследствие того, что малые кусочки кристалла, обламываясь, работаюткак подшипники качения. Когда их становится слишком много, они начинаютмять друг друга, и это является причиной наклепа". Как говорил герцог Веллингтон,"если вы верите в это, вы можете поверить во что угодно".

В 1934 году Дж. Тэйлор из Кэмбриджа, который изобрел лемешный якорь,придумал также дислокацию. По крайней мере, он "посадил" дислокацию в научнуюстатью как гипотезу. Основная идея была чрезвычайно проста, настолько проста,что не могла быть ошибочной. И она в самом деле оказалась верной.

Почти невероятно, рассуждал Тэйлор, что металлические кристаллы в действительноститак совершенны, как мы о них думаем, когда вычисляем их прочность. Давайтепредположим, что во всем объеме кристалла, быть может, через каждый миллионатомов или что-нибудь около этого, встречаются небольшие неправильности.При этом нас интересуют не точечные искажения, такие, как чужеродные атомы,которые могут обеспечить движение отдельных точек, а линейные дефекты,которые позволят продвинуться вперед целым армиям атомов на широком фронте.

Кристалл состоит из слоев, или плоскостей атомов, которые показалисьбы наблюдателю, уменьшенному до размеров электрона, громоздящимися в ужасающейбесконечной регулярности, подобно страницам какой-то громадной книги. ПредположениеТэйлора заключалось в том, что кое-где слой атомов оказывается незавершенным,как если бы кто-то вставил лишний лист бумаги между страницами книги итеперь она в одних местах состоит, положим, из миллиона страниц, а в других- из миллиона и одной страницы. Самые интересные явления разыгрываются,конечно, вдоль линии, где лишний слой атомов подходит к концу, на кромке"лишней" плоскости. Посмотрев на рис. 28, а, мы увидим, что должныбыть две области, по обе стороны от кромки экстраплоскости, где атомы сдвинутына угол, примерно соответствующий теоретической прочности кристалла насдвиг. Другими словами, в этих зонах кристалл практически разрушен.

Рис. 28. Схематическое изображение сдвига,происходящего с помощью краевой дислокации. Черные атомы, конечно, не обозначаютте же самые атомы в каждой из схем. Они лишь показывают положение "лишней"атомной плоскости. Когда дислокация движется, ни один из атомов не смещаетсясо своего исходного положения более чем на долю ангстрема.

Но еще более важно то, что дислокации оказываются подвижными. Если мыприложим небольшую сдвиговую нагрузку к кристаллу, то обнаружим, что необходималишь малая добавочная деформация, чтобы разорвать всю линию сильно натянутыхсвязей. Но затем мы обнаружим (рис. 28, б), что в результате всярасстановка оказалась всего лишь смещенной на одно межатомное расстояние.Продолжая нагружать кристалл, мы будем вновь и вновь повторять этот процесси в конце концов вытолкнем дислокацию на поверхность кристалла (рис. 28, в).А сила, необходимая для этого, может быть очень малой.

Инженеры-механики и некоторые металловеды встретили идею Тэйлора в штыки,даже сейчас еще кое-кто из них издает глухое рычание. Однако физики академическоготолка с ликованием набросились на дислокации. Позже еще многие годы дислокаций,как таковых, никто не видел и, быть может, не ожидал когда-либо увидеть;но их гипотетические движения (дислокации одного знака отталкиваются другот друга и т.д.) и правила размножения (когда союз двух дислокаций освященвнезапным появлением в кристалле пяти сотен новых дислокаций) могли бытьтеоретически предсказаны, они давали превосходную пищу уму, были чем-товроде трехмерных шахмат.

Нужно сказать, почти все эти академические предсказания сбылись. ВначалеТэйлор предполагал, что скольжение в пластичных кристаллах обеспечиваетсятеми дислокациями, которые с самого начала присутствуют в кристалле благодаряслучайностям неидеального роста. Затем оказалось, что обычно для интенсивногоскольжения, которое происходит в пластичных материалах, этих дислокацийне хватает. Большие семейства новых дислокаций могут, однако, генерироватьсялибо вследствие дислокационных взаимодействий (источник Франка-Рида), либона резких концентраторах напряжений, например на кончиках трещин. Последнийслучай встречается чаще. Таким образом напряженный металл может быстрона полниться дислокациями (около 10⁸ наквадратный сантиметр) и легко обеспечить себе течение под постоянной нагрузкойлибо стать послушным кузнечному молоту.

Напомним, что дислокация - это существенно линейный дефект, которыйможет довольно легко перемещаться в кристалле. Если дислокаций много, имне надо совершать далекие путешествия, дабы встретить другие дислокации.Результаты встречи бывают различными: например, могут образоваться новыедислокации, а чаще сближающиеся дислокации взаимно отталкиваются. Дислокацийстановится все больше и больше, двигаясь по кристаллу, они начинают мешатьдруг другу, переплетаясь, словно спутанные нитки. В результате материалупрочняется, и, если продолжать его деформировать, он станет хрупким.

Каждому знаком хрестоматийный пример: если надо сломать проволоку иликусок жести, то их следует несколько раз согнуть взад-вперед. Сперва металлдеформируется легко, затем немного упрочняется и, наконец, ломается хрупкимобразом.

Металл, упрочненный деформацией, может быть возвращен в исходное мягкоесостояние путем отжига, то есть нагревом его до полной или частичной рекристаллизации,при этом большинство избыточных дислокаций исчезает. Так, медные трубыследует отжигать после гибки, в противном случае они будут хрупкими.

Примечания:

1

"Грейт Истерн" - судно, построенное знаменитым английским инженером Брюнелем в середине XIX века. Во времена Фарадея оно было непревзойденным по своим размерам (водоизмещение 27000 т). - Прим. перев.

2

Эпиграф взят из работы М. Фарадея "On the various forces of Nature", которая была издана на русском языке под названием "Силы материи и их взаимоотношения" (М., Государственное антирелигиозное издательство, 1940). Настоящий перевод отличается от изданного. - Прим. перев.

6

Железнодорожный мост через реку Тэй в ее устье (длиною почти 3 км) был построен Т. Баушем в 1879 г. Его считали одним из величайших технических достижений своего времени. Однако через несколько месяцев после открытия, зимней ночью мост не выдержал тяжести пассажирского поезда. Все пассажиры утонули. Расследование установило серьезные дефекты использованных материалов, ошибки в проекте и небрежности при постройке. Драматические обстоятельства катастрофы и число погибших сделали это событие печально знаменитым в английской истории. - Прим. автора к русск. изд.

7

Было время, когда в США ежегодно рушилось около 25 мостов.

8

В 1969 году Международным комитетом мер и весов для измерения величины напряжения была принята единица "паскаль". (Па). Паскаль - давление, вызываемое силой 1Н (ньютон), равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м² - Прим. перев.

9

Пропорционально (лат.).

10

S.В. Hamilton, History of Technology, 4.

11

Однажды я исследовал конструкцию вагона из пластика для Британских железных дорог. Двери, которые нормально открывались и закрывались, когда вагон был пуст, заклинивались, когда он был полон пассажиров в часы пик.

12

Поскольку кривая межатомных сил плавно проходит через нулевую точку величина E для любого материала одинакова как в случае растяжения, так и в случае сжатия. Если бы этого не было, математическая теория упругости оказалась бы еще сложнее. Однако модули материалов, содержащих довольно большие внутренние поры, при растяжении и сжатии иногда бывают различными. При сжатии модуль больше благодаря тому, что поры и трещины смыкаются.

13

Общий вес балластной воды, необходимой для погружения такой лодки, будет около 100 т. Следовательно, упругая деформация корпуса потребует заметного изменения балласта.

14

Мост для ослов (лат.). Так говорят о том, что, не являясь сложным само по себе, представляет тем не менее затруднение для начинающего. Источник выражения - "Геометрия" Евклида (III век до н.э.). - Прим. перев.

15

В действительности эту честь он должен разделить со своим коллегой Вильямом Фэйрбэрном.

16

В 1966 году почетный вице-президент Королевского общества кораблестроителей Дж. Муррей заявил: "С 1950 года лишь 26 судов разрушились в открытом море. Из большого числа судов, благополучно проплававших в море и затем обследованных в доках, примерно 20% имели трещины в главной корпусной ферме" ("Таймс" от 23 марта 1966 года). Несколько дней спустя пришло известие о двадцать седьмом судне, сломавшемся пополам в штормовую погоду на Тихом океане.

17

Впервые задача о концентрации напряжений была решена русским ученым Г.В. Колосовым. - Прим. перев.

18

Перевод Ф.А. Петровского (Лукреций, О природе вещей, М, изд. АН СССР, 1958). В прозаическом переводе Т. Джексона на английский язык алмаз назван "все презирающим", что больше соответствует действительности. - Прим. перев.

19

В "Истории черной металлургии Британии" (J.С. Carr, W. Taplin, The History of the British Iron and Steel Industry, Harvard University Press, 1962) приводятся слова одного из ведущих британских предпринимателей-металлургов: "Я не знаю, что такое испытания. Если кто-то хочет покупать мою сталь - пожалуйста, если не хочет, пусть ищет в другом месте".

20

J. W. Martir, The Southseaman, Blackwoods, 1928. Прежде чем приладить какую-нибудь доску, Мак Альпин, Том и всякий, кто бывал рядом с ними, долго совещались. Сначала они очень внимательно ее разглядывали, затем гнули, постукивали, прислушивались, и - могу поклясться - я видел однажды, как Мак Альпин дегустировал доску. Во всяком случае, он лизнул древесину, а затем повторил все движения опытного дегустатора чая - вплоть до последнего ловкого плевка сквозь стиснутые зубы - все было проделано с видимым наслаждением.

21

Часовая пружина представляет собой стальную ленту, свернутую для экономии места в спираль, подобно рулетке. По существу, это балка. Когда часы заводят, число витков спирали увеличивается, а так как общая длина ленты не изменяется, то каждый ее участок оказывается более изогнутым. Поскольку это балка, во всех ее точках действует либо растяжение, либо сжатие (см. главу 1). Кстати, по мере раскручивания пружины энергия, получаемая с одного оборота, уменьшается. Поэтому часовщики в свое время вынуждены были изобрести устройство, называемое улиткой (или фузией): это коническая катушка, на которую наматывается, поддерживая силу привода постоянной, ведущая цепь. Вот почему прежде предпочитали привод от груза: энергия груза на один сантиметр веса одинакова и в нижнем, и в верхнем положениях. (в русской литературе для улитки обычен несколько иной синоним - фузея - V.V.)

22

Поверхностная энергия воды составляет примерно 77 эрг/см². У конструкционных материалов эта величина порядка 1000 эрг/см². Поверхностная энергия алмаза равна 5400 эрг/см². (Поверхностное натяжение в дин/см численно равно поверхностной энергии в эрг/см².)

23

Проницательный ум легко обнаружит, что поверхностная энергия твердого тела должна быть пропорциональна величине модуля Юнга. Действительно, G = E_x/10. Дело в том, что упругость и поверхностное натяжение определяются одними и теми же силами связи. Каучук имеет деформацию разрыва около 800%, но природа ее совершенно иная, и потому применять наши вычисления здесь было бы жульничеством (см. приложение I). О пластическом удлинении мягких металлов (у мягкой стали, например, оно составляет 60%) см. в главе 3.

24

Нужно сказать, что Гриффитс пришел к этим оценкам несколько другим путем.

25

Как мы увидим дальше, в главах 4 и 8, неупругое поведение пластичных металлов выравнивает напряжения вокруг малого отверстия, значительно ослабляя их концентрацию. Однако это не всегда наблюдается в металлах, работающих при циклическом нагружении, то есть в условиях усталости.

26

Энергетический критерий Гриффитса, который управляет распространением трещин, рассматривается в главе 4. Хотя внутренние дефекты там, где они существуют, в принципе не отличаются от поверхностных, они обычно бывают короче и, следовательно, как мы в этом убедимся дальше, для их роста требуется больше энергии.

27

Конструкция и принцип действия этой машины описаны в Journal of Scientific Instruments, 1961, 38, pp. 229–234.

28

Заметим, что теоретическая прочность на сдвиг, вообще говоря, ниже, чем прочность на разрыв. Поэтому, если образцы, близкие к совершенным, могут достичь очень высоких напряжений, они разрушаются преимущественно путем сдвига. Это мы видели в случае стекла.