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

Плиний старший (23-79 гг. н.э.) в своей весьма путаной “Естественнойистории” указывает способ, с помощью которого можно отличить неподдельныйалмаз. Он советует положить предполагаемый алмаз на наковальню и ударитьего тяжелым молотом как можно сильнее. Если камень не выдержит, он не настоящийалмаз. Надо думать, так было уничтожено немало драгоценных камней - ведьПлиний путает здесь твердость и вязкость. Алмаз - самый твердый из всехвеществ, и его твердость очень полезна в тех случаях, когда необходиморезать, царапать или шлифовать; в этом состоит его главное применение втехнике. Но алмаз, как и другие твердые драгоценные камни, довольно хрупок;и если бы даже его добывали большими кусками и в больших количествах, широкораспространенным конструкционным материалом он бы не был.

Самый тяжкий грех конструкционного материала - не недостаток прочностиили жесткости, которые, конечно, совершенно необходимы, а недостаток вязкости,иными словами - недостаточное сопротивление распространению трещин. Можнопримириться с недостатком прочности или жесткости и учесть их в процессеконструирования, но бороться с трещинами, которые оказываются очень опасными,застигая инженера врасплох, намного труднее.

Большинство металлов и пород дерева, резина, стеклопластики, кости,зубы, одежда, канаты, нефрит - вязки. Большинство минералов, стекла, посуднаякерамика, канифоль, бакелит, бетон, печенье - хрупки. Хрупким можно назватьи обычное желе, это легко проверить за столом, наблюдая, как распространяютсяв нем трещины от ложки или вилки. Вещества, которые мы перечислили в каждомиз списков, имеют довольно мало общего, вот почему не так просто выявитьто, что делает одни вещи вязкими, а другие - хрупкими. В то же время различиемежду хрупкостью и вязкостью очень осязаемо. Обожженная глина и кусок жестиимеют примерно одинаковую прочность на разрыв. Но если вы уроните на полглиняный горшок, он разлетится вдребезги, а с упавшей консервной банкойничего не случится - в худшем случае на ней появится небольшая вмятина.Прочность на разрыв обычных стекол и керамик может быть довольно большой,но никому не придет в голову делать из них, например, автомобиль. Причинаясна - очень уж они хрупки. Здравый смысл подсказывает это каждому из нас.Но почему? Что же такое хрупкость на самом деле?

Прежде всего, скорость нагружения - далеко не главное, что определяетхрупкость. Психологически существует большая разница между статическойнагрузкой, которая прикладывается медленно, и динамической мгновенно приложеннойударной нагрузкой. Разница существует и на самом деле, и ею нельзя пренебречь,но она далеко не так важна, как это может показаться с первого взгляда.Мы стучим молотком не потому, что нам нужны удары сами по себе, а потому,что удар тяжелого молотка - очень удобный и дешевый путь получения большойлокальной силы. Если бы мы приложили такую же по величине силу медленно,то, как правило, получили бы примерно тот же конечный результат. Это справедливои в тех случаях, когда мы рассматриваем падение предметов на пол, автомобильныеаварии, крушения самолетов, хотя в дальнейшем в этих явлениях мы увидимнекоторые важные особенности. Однако независимо от того, медленно или быстроприкладывается сила к хрупкому телу, стоит только начаться разрушению -трещины будут распространяться в нем очень и очень быстро - обычно со скоростьюнесколько тысяч километров в час. Именно поэтому разрушение кажется наммгновенным.

Мы уже говорили, что в каком-то смысле нет существенной разницы междумеханически нагруженным материалом и взрывчаткой. Энергия деформации упругоготела накапливается в натянутых химических связях, а при разрушении телаэта энергия освобождается. Если достигнута теоретическая величина деформацииразрыва, все связи оказываются максимально натянутыми, и мы должны считать,что энергия деформации примерно равна энергии химических связей в материале.На практике, однако, материалы обычно разрушаются, не достигнув и малойтолики теоретической прочности, так что освобожденная энергия при этомнамного меньше, чем энергия, даваемая эквивалентным количеством взрывчатки.И все-таки разрушение может сопровождаться вполне ощутимым хлопком. Наблюдениеза тем, как разрываются особо прочные волокна или усы (например, в машинеМарша), убедительно показывает, что их прочность составляет значительнуюдолю теоретической. В этом случае после разрыва не найдешь, как обычно,кусков образца: после взрывообразного разрушения волокно исчезает, оставляялишь мелкую пыль. Такие испытания не опасны лишь потому, что прочные волокна,как правило, очень малы.

Здесь уместно прервать наш разговор об общей проблеме распространениятрещины и поговорить о некоторых особых эффектах, которые возникают придинамических, ударных нагрузках. Сначала напомним, что максимальная скорость,с которой может передаваться нагрузка через любое вещество, равна скоростизвука в этом веществе. В самом деле, звук можно представить себе как волнуили серию волн напряжений, проходящих через среду с характерной скоростью.

Скорость звука в веществе равна (E/?)^1/2, где Е - модуль Юнга, a ?- плотность данного вещества. Взяв обычные числовые значения величин Е и g для конструкционных материалов, мы увидим, что скорость звука в этих. материалахбудет очень большой. Для стали, алюминия и стекла она составит около18000-20000 км/час (~5000 м/сек), что значительно превышает скорость звука ввоздухе. Это также намного больше скорости удара молотка и значительно большескорости полета пули.

Время, в течение которого молоток или пуля действуют с какой-то силойна твердое тело, составляет около сотой доли секунды. А это очень долгоевремя: фотолюбители знают, как много всего может совершиться за одну сотую.Точно так же и в нашем случае сотая доля секунды намного больше времени,потребного для отвода энергии от точки удара. От этой точки при ударе излучаетсяцелая серия волн напряжений, которые распространяются по всему объему тела.Очень быстро, за время, скажем, около нескольких десятитысячных или стотысячныхдолей секунды, эти волны достигают противоположных границ тела и отражаютсяот них подобно эху, лишь очень немного уменьшаясь в интенсивности. Дальнейшийход событий определяется многими факторами, в том числе формой тела, местомудара и т.д. Очень может статься, что отраженные волны напряжений постояннобудут встречать в некоторой критической или “несчастливой” точке прямыеволны, идущие от места удара, и это нагромождение вызовет прогрессирующийрост напряжения в этой точке вплоть до разрушения. Рассказы о певцах, отголоса которых вылетали стекла в окнах, не так уж и фантастичны.

Можно привести интересные примеры поведения твердых тел под ударнойнагрузкой. Например, при исследовании керамик повседневно проводятся ударныеиспытания керамических пластинок - свободно опертая квадратная пластинкаподвергается удару заданной силы по центру верхней поверхности. Во многихслучаях пластинка разрушается не в точке удара. Часто случается, что отваливаютсячетыре угла пластинки, потому что волны напряжений сталкиваются именнов углах.

Иногда случается, что, попав в броню, снаряд не пробивает ее, но отвнутренней поверхности броневой плиты отлетает рваный кусок металла, осколок.Скорость и энергия этого осколка могут быть огромными, и разрушения, причиненныеим внутри, например, танковой башни, оказываются такими же, как если быснаряд действительно пробил броню.

Подобным же образом, когда снаряд или пуля попадает в бак с жидкостью,например в топливный бак самолета, выходное отверстие получается намногобольшим, и заделать его значительно труднее - ударные волны легко распространяютсячерез жидкость и вырывают кусок в задней части бака. Голова человека конструктивнонапоминает бак с жидкостью, и последствия попадания пули в нее, к сожалению,слишком хорошо известны. Менее известно, однако, что аналогичные событиямогут последовать за тупым ударом в лоб. При проектировании защитных касокзаботятся о том, как погасить ударную волну и предохранить затылок прилобовом ударе. Этой цели и служит внутренняя лента в каске, которая напервый взгляд кажется необходимой лишь для вентиляции.

В технике вязкость материала определяется обычно путем ударных испытанийобразца прямоугольного сечения размером 5-10 мм, часто снабженного стандартнымнадрезом. Образец закрепляют по концам, а затем разрушают тяжелым молоткомв форме маятника. Измеряя разницу между высотой, с которой маятник падална образец, и высотой, на которую он взлетел, разрушив его, определяютэнергию, затраченную на разрушение. Строго говоря, это испытание почтини о чем не говорит, но оно позволяет провести грубое сравнение различныхматериалов. Поэтому такие испытания очень популярны у инженеров.

Вернемся теперь к вопросу о распространении трещины в твердом теле.В данном случае для нас не имеет значения, статическая или динамическаянагрузка разрушает тело. Вообще говоря, если в данной точке достигнуторазрушающее напряжение, то разрушение произойдет независимо от того, какимпутем оно достигалось. Правда, существуют некоторые исключения: отдельныевещества, вроде вара или конфеты ириски, чувствительны к скорости нагружения.Даже дети знают, что самую неподатливую ириску легко разломить, ударивпо ней чем-нибудь. Иногда удар приводит к успеху там, где бесполезны медленныеприемы (глава 8). Обычно же материалы, как правило, меньше чувствуют разницумежду динамическим и статическим нагружением.

Конечно, идеально было бы иметь материал, в котором зарождение трещинсовершенно исключено. К сожалению, на практике такого, кажется, не бывает.Мы видели в предыдущей главе, что даже самая гладкая поверхность стеклаиспещрена мельчайшими невидимыми трещинами; более того, если бы удалосьполучить бездефектную поверхность, она вскоре стала бы дефектной из-засоприкосновений с другими телами. Следовательно, практически все определяетсялегкостью, с которой трещины распространяются в нагруженном материале.Основы теории распространения трещин были заложены все тем же Гриффитсом.

Гриффитс указал два условия, необходимых для распространения трещины.Во-первых, рост трещины должен быть энергетически выгодным процессом, и,во-вторых, должен работать молекулярный механизм, с помощью которого можетосуществиться преобразование энергии. Первое условие требует, чтобы налюбой стадии распространения трещины количество запасенной в теле энергииуменьшалось - подобно тому, как уменьшается потенциальная энергия автомобиля,спускающегося с горы. С другой стороны, и при энергетической выгоде автомобильможет спускаться с горы лишь в том случае, если у него есть колеса и ихне держат тормоза. Колеса в этом случае служат механизмом, с помощью которогоавтомобиль скатывается с горы, они обеспечивают преобразование энергии.

Как мы уже говорили, деформированное тело “начинено” энергией, котораяпредпочла бы высвободиться. Так, поднятый вверх камень имеет потенциальнуюэнергию и стремится упасть. Если материал полностью разрушен, энергия деформацииего, естественно, полностью освобождена. Рассмотрим, однако, что происходитна промежуточных этапах процесса разрушения. Когда в деформированном телепоявляется трещина, она слегка раскрывается и оба ее края расходятся нанекоторое расстояние. Это означает, что материал, непосредственно примыкающийк краям трещины, релаксирует, напряжения и упругие деформации в нем уменьшаются,и упругая энергия освобождается. Давайте проследим за трещиной, начавшейсяна поверхности тела и идущей в глубь нагруженного материала (рис. 29).Понятно, что область срелаксировавшего материала будет приблизительно соответствоватьдвум заштрихованным треугольникам. Общая площадь этих треугольников будетпримерно l² (l - длинатрещины). Следовательно, количество освобожденной энергии должно быть пропорциональноквадрату длины трещины, или глубины ее проникновения в тело. Расчеты подтверждаютэту грубую оценку. Иными словами, трещина глубиной 2 микрона высвобождаетв 4 раза больше упругой энергии, чем трещина глубиной в микрон, и т.д.

Рис. 29. Распространение трещины Гриффитса. С распространениемтрещины материал в заштрихованных областях разгружается, освобождая упругуюэнергию.

На другой чаше наших энергетических весов расположилась поверхностнаяэнергия 2Gl, которая необходима для образования двух новых поверхностей.Очевидно, эта энергия пропорциональна первой степени длины (или глубины)трещины. Величины поверхностной энергии двухмикронной и одномикронной трещинотличаются лишь в 2 раза, в то время как величины освобожденной энергиидеформации - в 4 раза. Последствия такого взвешивания достаточно ясны.Мелкая трещина для своего роста должна больше потреблять поверхностнойэнергии, чем производить свободной энергии вследствие релаксации напряжений.Эти условия невыгодны для роста трещины. Однако, если исходная трещинадостаточно велика, картина изменяется на противоположную: с ростом размероввеличина освобожденной энергии увеличивается быстрее, она ведь зависитот квадрата длины трещины. Получается, что, если длина трещины превышаетнекоторую “критическую длину Гриффитса”, трещина производит больше энергии,чем потребляет. Тогда она может с громадной скоростью рвануться вперед,и процесс этот будет подобен взрыву. Для каждой величины напряжения в данномматериале существует своя критическая длина Гриффитса. Для теоретическимаксимальной величины напряжения (теоретической прочности) критическаядлина бесконечно мала, для материала, свободного от напряжений, она бесконечновелика - иного мы и не должны были ожидать. К сожалению, для тех напряжений,с которыми нам приходится обычно иметь дело, критическая длина трещины,как правило, очень мала, порядка нескольких микрон, и, конечно, она уменьшается,когда мы пытаемся увеличить напряжение. В этом заключается одна из трудностей,связанных с получением более прочных материалов.

Итак, при обычных уровнях нагружений все трещины, за исключением самыхмелких, имеют энергетический стимул к росту. Весь вопрос теперь в том,могут ли они расти. Иными словами, существует ли соответствующий механизмроста, то есть существует ли способ для реализации имеющейся энергетическойвыгоды, или преобразования одной формы энергии в другую? Гриффитсов балансэнергии, энергетическая выгода распространения трещины, длина которой превышаетнекоторую критическую величину, - явления совершенно общие для всех упругихтел. Но вот механизм преобразования энергии как раз и отличает вязкие материалыот хрупких.

Этим механизмом является концентрация напряжений. Как мы видели в главе3, концентрация напряжений на кончике трещины выражается приближенноформулой

K= 2(l/R)^1/2,

где l - длина трещины, идущей с поверхности, или полудлина внутреннейэллиптической трещины, R - радиус ее кончика.

В типичном хрупком материале радиус кончика трещины R остаетсяпостоянным, он не зависит от длины трещины. Поэтому с ростом трещины концентрациянапряжений становится опаснее. На практике R имеет величину, сравнимуюс атомными размерами. Пусть R, скажем, 1 ангстрем. Тогда у кончикатрещины длиной около микрона (10000 А) напряжение, равное теоретическойпрочности, появится уже при очень умеренных средних по объему напряжениях.А такого размера трещина обычно соответствует гриффитсовой критическойдлине. Следовательно, трещина может расти, начиная примерно с этой длины,причем, конечно, момент начала роста сильно зависит от приложенной нагрузки.

Но после того, как трещина двинулась вперед, ситуация обостряется. Концентрациянапряжений увеличивается, баланс энергии все более и более склоняется впользу развития трещины. Если внешняя нагрузка не снимается, рост трещиныбыстро ускоряется и вскоре достигает максимально возможной величины (обычноона составляет приблизительно 38% от скорости звука). Для стекла это около6500 км/час (что и наблюдалось в эксперименте). Ну, а в это время волнынапряжений гуляют, наверное, в материале во всех направлениях со скоростьюзвука (то есть быстрее, чем распространяются трещины), отражаясь как отстарых, так и от вновь образовавшихся поверхностей, и дело закончится,вероятно, далеко не одной трещиной. Иными словами, материал разбиваетсявдребезги. Это оказывается возможным благодаря тому, что при больших напряженияхобщая упругая энергия материала “заплатит” за образование множества новыхповерхностей; в самом деле, при теоретической прочности она могла бы “рассчитаться”за разделение всего материала на слои толщиной в один атомный размер.

Совершенно хрупкие материалы вроде стекла достаточно надежны лишь приочень малых напряжениях. Стекло, например, можно использовать в витринемагазина, потому что в этом случае гриффитсова длина трещины достаточновелика и материал не боится небольших царапин или иных повреждений поверхности.Но если мы хотим работать с высокими уровнями напряжений, где-нибудь околотеоретической прочности стекла, мы не имеем права допускать появления наповерхности даже самых мельчайших трещин. Ведь стоит только одной трещинеувеличиться до критической длины (а она может быть порядка тысячи ангстрем- одной десятой микрона), как наступит катастрофическое разрушение. Именнопоэтому применение однородных хрупких материалов при серьезных нагрузкахчересчур опасно.

Нельзя сказать, что отсутствие у некоторых материалов способности сопротивлятьсяраспространению трещин казалось всегда недостатком первобытному человеку- он мог делать из кремня и обсидиана различные режущие инструменты. Практическиэти минералы представляют собой природные стекла. Если обладать необходимыминавыками, то легкого нажатия рукой на деревянный нож достаточно, чтобыотщепить длинную полоску минерала, которая сама может затем использоватьсяв качестве ножа. Обработка же нехрупких камней, таких, как нефрит, можетбыть выполнена только с помощью гораздо более трудоемкого процесса-шлифовки.Чаще всего растягивающие напряжения возникают в инструментах вследствиеизгиба, поэтому, придавая каменным инструментам компактные формы, можноне допустить больших напряжений и обеспечить достаточный срок их службы.Конечно, оружие типа каменного меча было бы совершенно непрактичным.

История техники - это во многом история борьбы с распространением трещин илиистория попыток избежать его последствий. Наиболее очевидный способ не датьтрещине развиваться в хрупком материале состоит в том, чтобы не использоватьтакой материал под растягивающей нагрузкой, то есть нагружать его толькосжатием. В этом заключается сермяжная правда каменной кладки. Мы видели вглаве 1, что, начиная от простейшей стены и кончая аркой, куполом и церковнымисоборами самых изощренных форм, все держится в состоянии сжатия. Каменнаякладка по-своему чрезвычайно эффективна, но по своей природе она всегда тяжелаи недвижима. Поэтому появилась целая серия вариаций этой же идеи. Одна из них -предварительно напряженный железобетон, в котором хрупкий компонент держится всостоянии сжатия прочными растянутыми стержнями. Другая - закаленное стекло.Оно однородно в том смысле, что, кроме стекла, ничего в нем нет, но его внешниеслои, наиболее подверженные влиянию трещин, находятся в состоянии сжатия засчет растяжения в защищенной сердцевине[29].

Такие стекла широко используются в автомобилях. Разработки в этой областимогут обернуться созданием новых материалов. Остается удивляться, что этотспособ торможения трещины в конструкционных материалах, по-видимому, совершенноне представлен в биологических материалах, в которых торможение трещиныцеликом основано на том же принципе, что и в большинстве созданных человекомматериалов, - на снижении эффективной концентрации напряжений у кончикатрещины. Однако методы, используемые природой, довольно существенно отличаютсяот тех, которые применяют металловеды.

Еще удивительнее то, как мало изучены механические свойства биологическихматериалов. Пожалуй, здесь играет психологический момент. Очень многиестановятся биологами или медиками просто в результате реакции протестапротив механико-математических дисциплин. А техника, наоборот, сейчас переживаеттот период, когда природные материалы обычно бракуются. Металлы считаютсяболее “важными”, чем древесина, которая едва ли принимается всерьез какконструкционный материал.

Целлюлоза, главная составная часть древесины, тростника, бамбука и всехрастительных волокон, - очень вязкая. Биты для крикета делаются из ивы,молотки для игры в поло - из вяза, мячи для поло - из бамбуковых корней,ткацкие челноки - из персидской хурмы. Самолеты в свое время делали деревянными,планеры остаются деревянными до сих пор. Деревянные суда считаются болеепригодными для ледовых условий, чем стальные. Целлюлоза не может считатьсянепрочной или хрупкой, хотя химически она представляет собой сахар, построенныйиз связанных вместе молекул глюкозы. Все кристаллические сахара очень хрупки,сахар хрупок и в стеклообразном виде (вспомните ириску).

Материалом костей и зубов служат довольно простые неорганические соединения,которые в своей обычной кристаллической и стеклообразной формах также оченьхрупки. Конечно, можно сломать и кость, и зуб, но это случается сравнительноредко. Особенного восхищения заслуживают зубы, которые могут (при соответствующемуходе) разгрызать орехи в течение примерно сорока лет. Даже архисовременныезубные цементы несравненно слабее и более хрупки, чем материал зубов.

В вопросе о вязкости армированных пластиков, среди которых наиболееизвестны стеклопластики, существует интересный парадокс. Стеклопластиксодержит множество тонких стеклянных волокон, склеенных смолой воедино.Стекловолокно не отличается от обычного стекла ни физически, ни химически.Как мы уже видели, стекла катастрофически хрупки; так же ведут себя и волокнаиз стекла. Более того, смола, которая используется как связующая матрицав стеклопластиках, также достаточно хрупка; может быть, почти в такой степени,как стекло. Однако, когда оба этих компонента объединены вместе, получаетсяматериал, который производится в больших количествах главным образом благодаряего вязкости.

Не так давно мы с Дж. Куком решили разобраться в этом явлении количественно.В материаловедении многие задачи связаны с математическими трудностями,теоретически разрешимыми, но требующими слишком трудоемкой вычислительнойработы. К таким задачам относится в какой-то мере и расчет распределениянапряжений вокруг трещины. Но мы должны знать некоторые особенности картинынапряжений вокруг трещины, если хотим предугадать, как поведет себя трещина,столкнувшись на своем пути с какой-либо неоднородностью. Ведь стеклопластик- материал явно неоднородный, особенно интересная неоднородность возникаетна границе раздела между волокном и смолой.

В наше время ЭВМ меняют все представления о вычислительных трудностях.Концентрация напряжений у кончика трещины была впервые вычислена Инглисом в1913 году. Мы уже говорили об этом, его результаты можно считать классикой, ониабсолютно верны. С тех пор целый ряд ученых, более способных, чем мы, работалинад этой проблемой. Но дьявольски громоздкий математический аппарат однихзаставлял предполагать, что кончик трещины бесконечно остер, то есть имеетнулевой радиус; тех же, кто считался с конечным радиусом головки трещины, та жесамая математика принуждала использовать очень приближенные методы или жеопределять картину напряженного состояния только в какой-то ограниченнойобласти. Предположение о бесконечно острой трещине ведет к бесконечно большимнапряжениям, что, очевидно, лишено реального смысла и не помогает в решениипроблемы разрушения[30].

Приближенные методы, использовавшиеся для случая конечного радиуса головки,не давали достаточно полного представления о том, что делается у самогокончика трещины, то есть там, где идет разрушение.

Как бы то ни было, с электронно-вычислительной машиной или без оной,я, вероятно, не смог бы управиться со всей этой математикой, но Куку нравятсятакого рода упражнения, и, использовав вычислительную машину “Меркурий”,он сумел определить напряжения очень близко к кончику трещины с конечнымрадиусом.

Общая картина напоминает картину, показанную на рис. 18. Немного обобщаяее, мы могли бы изобразить траектории напряжений, то есть направления,по которым напряжения передаются с одной атомной связи на другую, как этосделано на рис. 30. Эта схема поможет нам понять детали картины напряжений,полученной Куком.

Рис. 30. Грубая схема траекторий напряжений в равномерно растянутом стержне,содержащем трещину.

Мы, конечно, понимали, что делаем два допущения, которые упрощают нашузадачу. Во-первых, мы считали, что кончик трещины имеет очертания эллипсаили круга - на самом деле в материале, состоящем из атомов, такого бытьне может. Во-вторых, мы предполагали, что материал ведет себя как сплошноеупругое тело и подчиняется при этом закону Гука - это тоже не учитываетреальных особенностей материала. Но ничего лучшего мы предположить не могли,остается лишь надеяться, что ошибки, вызванные таким огрублением действительнойкартины, будут не слишком велики.

Первый вывод относительно распределения напряжений в области конца трещины,который Кук сделал из своих упражнений с ЭВМ, заключается в том, что нетак уж важно, как приложена внешняя нагрузка. Конечно, общая картина напряженногосостояния в теле будет сильно зависеть от того, каким способом мы вынудимтрещину расти - будем ли мы расклинивать ее, например, гвоздем или зубиломили приложим растягивающую либо изгибающую нагрузку к телу, содержащемутрещину. Но распределение напряжений в области, в которой развивается разрушение,то есть на расстоянии нескольких атомных размеров от кончика трещины, будетво всех случаях примерно одним и тем же. Следовательно, механизм разрушенияне должен, по-видимому, зависеть от способа нагружения тела. Задача, такимобразом, упростилась, а это уже означало некоторый шаг вперед.

Обратимся теперь к рис. 31 и 32, на которых изображены действительныекартины напряжений, рассчитанные для трещины длиной 2 мкм и радиусом кончика1А. Часть трещины, прилегающая к ее кончику, отмечена на рисунке штриховкой.Кривые линии проходят через точки тела, в которых коэффициент концентрацииостается постоянным для напряжении, направленных по вертикали (рис. 31)и по горизонтали (рис. 32) в плоскости листа. (Заметьте, это - не траекториинапряжений!) Число у каждой линии обозначает величину коэффициента концентрации,то есть число К, на которое следует умножить величину среднего напряженияна значительном удалении от трещины, чтобы получить соответствующее напряжениев любой точке на заданной линии. Когда размер трещины увеличивается, радиусее кончика не изменяется; следовательно, концентрация напряжений возрастает.Но характер распределения напряжений остается прежним, все изменяется пропорционально.Для случая, когда трещина укорачивается, справедливо, конечно, обратное.

Рис. 31. Концентрация напряжении вблизи кончика эллиптической трещины.

Растягивающие напряжения направлены под прямым угломк трещине, то есть параллельно приложенной нагрузке. Заштрихованная областьпредставляет собой трещину. Вдоль кривых коэффициенты концентрации постоянны,числа, проставленные на них, показывают, таким образом, во сколько разместное напряжение превышает среднее по образцу. Максимальная величинаконцентрации - около 200. Абсолютная величина концентрации зависит от длинытрещины, но пропорции остаются неизменными.

Из рис. 31 видно, что напряжения, направленные вертикально, то естьсилы, стремящиеся раскрыть трещину, разорвать ее, очень велики, особеннов области, вплотную примыкающей к кончику трещины. Самые опасные напряженияприходятся на область, примерно равную площади одной атомной связи. Численнаявеличина максимального напряжения равна здесь полученному Инглисом напряжениюв самой крайней точке трещины (правда, это точное значение не столь ужважно, потому что все подобные расчеты основаны на каких-то допущениях).Но если мы продвинемся вперед от трещины, перескочим, грубо говоря, наследующую атомную связь, то обнаружим, что напряжение на ней упало в двас лишним раза по сравнению с максимальной величиной. Вероятно, эти соотношенияверны всегда, и они очень ясно показывают, что большая часть нагрузки концентрируетсяв материале на единственной цепочке атомных связей, проходящей через самыйкончик острой трещины; следует лишь помнить, что мы имеем дело с твердымтелом (а не с листом бумаги) и кончик трещины представляет собой линиюв трехмерном пространстве. Как только перегруженная связь на кончике трещинылопнет, пик концентрации напряжений переместится на следующую связь и т.д. и т.д., подобно петлям на чулке.

Если увеличивать только прочность химических связей, то это мало повлияетна прочность тела, содержащего дефекты, так как этот путь не уменьшаетконцентрации напряжений у трещин. Именно поэтому алмаз и сапфир - веществахрупкие и обычно не очень прочные, несмотря на их большую твердость и высокуюэнергию химических связей. На этом можно было бы и поставить точку в историио прочности и хрупкости, если бы дело ограничивалось более или менее упругимии более или менее однородными телами. С такой точки зрения практическибезразлично, с какого рода телом мы имеем дело - кристаллическим, стеклообразнымили даже полимером; несущественна и величина модуля Юнга. Важно лишь, чтобытело подчинялось закону Гука в достаточно широкой области деформаций, вплотьдо разрушения. Хрупкость - не есть особое состояние, она является нормальнымсостоянием всех простых твердых тел.

Вязкость присуща более сложному твердому телу; можно даже сказать, чтотело должно быть специально “сконструировано” таким образом, чтобы обладатьэтим свойством. Вязкие материалы часто содержат в своем объеме какие-тограницы раздела, многие из этих материалов - тела неоднородные, то естьпостроены из двух или более составляющих, например из волокна и смолы.

Давайте теперь рассмотрим рис. 32, на котором изображена картина напряжений,параллельных трещине и направленных горизонтально. Сразу и не подумаешьо том, что такие напряжения, и довольно значительной величины, существуют,однако более внимательный анализ показывает, что дело обстоит именно так.Как видно из рис. 30, все траектории напряжений должны обходить край трещины,довольно резко изгибаясь при этом. Траектории напряжений можно образнопредставить себе в виде натянутых струн, которые стремятся выпрямиться.Если натянутая струна огибает жесткий колышек, она будет давить на колышекв направлении натяжения, а реакция колышка, естественно, будет направленав противоположную сторону. Иными словами, в области, примыкающей к трещинесо стороны ее кончика, должно существовать растяжение в направлении, параллельномповерхности трещины. Вычисления Кука дают распределение и величину соответствующихнапряжений (рис. 32).

Рис. 32. Концентрация напряжении вблизи кончикаэллиптической трещины. Растягивающие напряжения направлены параллельнотрещине, то есть под прямым углом к направлению приложенной нагрузки. Дляэтого случая максимальная концентрация составляет около 40 - т.е. пятуючасть концентрации, показанной на предыдущем рисунке.

Если напряжения, перпендикулярные трещине, достигают максимума на самомсе кончике, то напряжение, параллельное трещине (горизонтальное в плоскостичертежа), равно нулю в этой точке. Оно увеличивается с удалением от кончикапо горизонтали (рис. 32) и достигает максимума на расстоянии одного-двухатомных размеров от трещины. Но этот максимум размазан, и довольно высокиенапряжения сохраняются на значительном расстоянии от трещины. Независимоот формы трещины и способа ее погружения отношение максимальной величинынапряжения, параллельного трещине, к максимальной величине напряжения,направленного перпендикулярно ее поверхности, есть величина постояннаяи равная приблизительно 1/5. Такое положение имеет, по-видимому, фундаментальноезначение для всех трещин, существующих в растянутом материале.

Здесь-то и становятся важными внутренние поверхности в биологическихматериалах. Важно то, что эти поверхности раздела обычно слабее окружающегоих материала И не потому, что Природа не догадалась склеить здесь тканипопрочнее, а потому, что, будучи верно устроенными, слабые поверхностиделают материал вязким, упрочняют его.

Посмотрим, что получается, когда трещина приближается к подобной поверхности,расположенном перпендикулярно к направлению ее движения. Вначале к поверхностираздела подойдет зона растяжения, которая движется впереди трещины, и онапопытается разорвать тело по этой поверхности на каком-то участке. Еслипрочность поверхности раздела больше 1/5 от общей прочности сцепленияматериала, то эта поверхность не разрушится, трещина лишь пересечет ее иповедение материала не изменится. Если, однако, прочность границы разделаменьше примерно 1/5 от величины сцепления материала, то она будет разрушена,прежде чем главная трещина достигнет ее, и образуется ловушка, которая поймаети остановит трещину[31].

Схематически все это показано на рис. 33, а микроснимок действительнойкартины трещин в армированном материале - на рис. 34. Конечно, если сцеплениена поверхности раздела слишком слабое, то материал в целом будет слабым,непрочным; если сцепления не будет вообще, то придется изобретать какое-нибудьверевочное или плетеное приспособление, чтобы хоть за счет трения удержатькуски вместе. Конечный результат сильно зависит от правильного выбора силсцепления на поверхностях раздела, и, коль скоро это сделано, может бытьполучена блестящая комбинация прочности и вязкости.

Рис. 33. Механизм торможения трещины по Куку-Гордону. а?—?трещинаприближается к слабой поверхности; б?—?поверхность перед трещинойразрушается; в?—?Т-образный тормоз для трещины. На практике трещина обычноотклоняется, как показано на рис. 34.

Итак, условие эффективного торможения трещин состоит в пятикратном ослабленииматериала. Поначалу такая операция не кажется многообещающей. Еще не взявшисьза дело, мы должны уже кое-чем поступиться. Однако если наблюдать за процессомторможения трещин, метод создания слабых поверхностей раздела выглядитвполне эффективным: истинное разрушающее напряжение у кончика трещины должнобыть равным теоретической прочности материала, то есть должно лежать, какправило, между E/10 и E/5 (E- модуль Юнга, см. главу2). Уменьшая эту величину в 5 раз, мы все еще сохраняем прочность E/50- E/25, достигнутую, кстати говоря, на практике в стеклопластикахи намного превышающую ту, что можно получить для металлов, сохраняя безопасныйуровень вязкости (глава 8). К тому же прочность, значительно превышающая E/100,может и не составить особого интереса для практики.

Рис. 34. Влияние внутреннихповерхностей на торможение трещин. Слева - материал, содержащиймножество внутренних поверхностей; справа - однородный материал.

Хрупкость большинства природных минералов связана с их большей или меньшейоднородностью. Но, оказывается, некоторые минералы имеют слоистое строение,причем связь между слоями приблизительно нужной прочности. Самые распространенныеминералы такого рода - асбест и слюда, именно поэтому они имеют столь удивительныеи полезные свойства. Очень показательны в этом смысле знаменитые опытысо слюдой профессора Орована. Слюда представляет собой минерал с ионнымисвязями, в котором условия баланса электрических зарядов в молекуле требуютсуществования слоев металлических атомов, вынужденных делить заряд одногоэлектрона с несколькими соседями. Эти слои в кристалле являются слабымиповерхностями. Один из часто используемых типов слюды называется мусковитом(muscovite - московский, этот сорт слюды впервые был найден в России).Прочность межслоевой связи в этой слюде составляет в среднем примерно 1/6от прочности в остальном объеме кристалла.

Рис. 35. Эксперименты Орована со слюдой. а - образец с ненагруженнымикромками, прочность его 320 кГ/мм²; б - нагрузка на кромках равна среднемунапряжению в образце, прочность его 17,5 кГ/мм².

Орован измерял прочность мусковита при растяжении. Для первого опытаон вырезал из пластинки слюды образец обычной формы, напоминающий очертаниямиконтур песочных часов (рис. 35, б). Образец был плоским и достаточно тонким,а плоскости спайности - параллельными широкой грани образца. Такой образецкак бы состоял из некоторого числа листов, слабо склеенных между собой.Кромки его имели грубые следы механической резки. Когда образец нагружалсяв испытательной машине, эти кромки нагружались в той же степени, что исередина, так что трещины начинались на кромках и распространялись в глубинуобразца обычным путем. Прочность, полученная на этих образцах, была около17 кг/мм², то есть примерно равнялась прочностиобычного стекла.

Затем Орован испытал ту же слюду, но на образцах другой формы. Из слюдывырезались прямоугольные пластинки, которые были несколько шире, чем захватыдля крепления образцов в машине. Предполагалось, что образец будет нагружентак, как показано на рис. 35, а, то есть кромки его останутся ненагруженными.Наружные плоскости образца, лежащие на пути передачи нагрузки между захватами,должны быть, конечно, полностью нагруженными, а на них - царапины и другиеконцентраторы напряжений. Но трещины, появившиеся на этих концентраторах,едва начав расти, упираются на своем пути в относительно слабые плоскостиспайности.

Прочность этих образцов оказалась равной приблизительно 320 кГ/мм²,то есть была почти в 20 раз выше, чем прочность образцов, в которых трещинамне нужно было пересекать слабые плоскости. Это составляет 1,5% от модуляЮнга - цифра весьма внушительная. Но вот другой сорт слюды - Маргарит -имеет вдвое больше электронов связи через плоскость спайности, а потомухрупок и обладает ничтожной прочностью.

Подобные эксперименты показывают, что для материалов такого типа трудноотделить реальную прочность от хрупкости, поэтому введение слабых внутреннихповерхностей можно рассматривать как увеличение общей прочности тела.

Слюда и асбест не использовались людьми каменного века для изготовленияинструментов и оружия - плоскости спайности тянутся в них через весь кусокминерала, от одной грани к другой. Другой известный с древних времен минерал,нефрит, представляет собой мешанину малых плотно упакованных игольчатыхкристаллов со слабым сцеплением на границах; его можно считать неорганическимэквивалентом вересковой трубки или бамбукового корня. Нефрит поэтому оченьвязок и мог бы быть почти идеальным материалом для инструментов и оружия,обрабатывайся он полегче да встречайся в природе почаще.

Поскольку нефрит нельзя расколоть так же легко, как кремень или обсидиан,ему придавали нужную форму путем очень длительной - недели и месяцы - шлифовкис песком на куске дерева. Поэтому очень прочный нефрит оставался материаломдля дорогих поделок. Из-за дороговизны, великолепия и редкости материаласамого по себе эти предметы сохранились в качестве символов престижа, когдана сцену выступили металлы.

Нефрит встречается редко, потому что он может кристаллизоваться лишь приопределенных геологических условиях (температуре и давлении). Эти благоприятныеусловия иногда встречались в складках земной коры. Такие области есть наДальнем Востоке, в Новой Зеландии, в Центральной Америке. Новозеландское племямаори делало нефритовые топоры почти на памяти живущего поколения. ГенрихГарер[32] рассказывает, что в центральной Новой Гвинее топоры до сих порделаются из камня, похожего на нефрит; шлифовка и полировка их требуетнескольких месяцев. Любопытная проблема возникла в связи с тем, что недавно вАнглии было найдено несколько нефритовых топоров. Если это не шутка типаПилтдауновской[33], то либо где-то в Европе былираньше месторождения нефрита, либо топоры должны были проделать невообразимыйпуть с Дальнего Востока. Однако, как заметил Геродот по поводу находкискифских поделок в Делосе, они могли “рассеяться”.

Примеры эффективного торможения трещин в минералах случайны. Когда же имеешьдело с биологическими материалами, поражаешься огромной заботе, которуюприрода проявляла о разного рода поверхностях раздела. Конструкция зубов- прекрасное тому подтверждение. Зубы состоят из твердого вязкого поверхностногослоя, называемого эмалью, и сердцевины из дентина. И эмаль, и дентин содержатнеорганические кристаллы удлиненной формы, распределенные в органическойматрице. Главное отличие между ними состоит в процентном содержании органическогои неорганического компонентов.

Твердый компонент эмали и дентина - вытянутые кристаллы вещества, котороеноминально представляет собой гидроксилапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.Фактически же химический состав этих кристаллов изменяется в широких пределах,отражая условия, в которых они формировались. Обычно здесь присутствуютуглеапатит, фтороапатит, фтористый кальцин, карбонат кальция и т.д. Кристаллыэти небольшие, их размер в эмали около 3000- 5000 А в длину и 500-1200 А втолщину. В эмали они очень плотно упакованы, их содержание здесь составляет 99%всего объема материала. Между отдельными кристалликами находится тонкий слойочень сложного органического соединения, состоящего главным образом изпротеина. Раньше считали, что это соединение подобно кератину, одному из типовпротеина, содержащемуся в волосах, однако сейчас полагают, что в зубной эмалисодержится свой специальный сорт протеина. Между прочим, он заметно изменяетсвой состав при переходе владельца из младенческого возраста к зрелому.

Дентин отличается от эмали прежде всего тем, что неорганическая составляющаязанимает лишь около 70% его объема. Кроме того, кристаллы апатита намногоменьше и имеют 200-300 А в длину и 40-70 А в ширину. Средой, в которуюэти кристаллы заделываются, является органическая матрица, состоящая восновном из коллагена.

Сцепление между гидроксилапатитом и слоями протеина имеет чрезвычайно сложнуюхимическую природу. Частично оно обеспечивается гидроксильными связями, ачастично - ионными (см. приложение I). Несомненно, существует очень тонкаянастройка величины этого сцепления, а следовательно, и характерараспространения трещины. Однако слабая органическая прослойка легко подверженагниению, которое резко ускоряется, когда очаг разложения, пройдя слой эмали,доходит до дентина. Но, вероятно, это разумный компромисс: если бы отсутствоваллегкоуязвимый органический слой, зубы не гнили бы с такой легкостью, но тогдаони были бы хрупкими и, наверное, ломались бы еще в молодомвозрасте[34].

Очень часто в живых организмах для управления величиной сцепления на границахиспользуется водородная связь в гидроксильной группе (-ОН). Такой способ,безусловно, удобен в случаях постоянной влажности окружающей среды. Поэтому,когда человек использует природные органические материалы в сухих условиях,возникают определенные трудности. Высушивание гидроксилов, то есть удалениеводной оболочки, окружающей каждую гидроксильную группу, ведет к усадкематериалов, таких, как древесины. Это может привести и к резкому охрупчиванию,так как прочность границ становится слишком большой. То же самое можетслучиться и со слоновой костью, строение которой очень напоминает структурузубов. В афинском Парфеноне была знаменитая статуя богини Афины из золотаи слоновой кости. В те времена под крышей Парфенона было, должно быть,очень жарко и, чтобы предохранить слоновую кость от охрупчивания и растрескивания,статуя была окружена неглубоким бассейном с водой, которая не только бросаласнизу отраженный свет на Афину, но и поддерживала достаточную влажностьвоздуха. Бассейн всегда был наполнен водой и сохранял статую в течениепочти восьми столетий. На полу Парфенона и сейчас можно видеть остаткикольцевой каемки бассейна, глубина которого была всего около пяти сантиметров.

Во время войны, когда мы работали над прочными пластиками, профессорЧарльз Гурни взял за правило декламировать мне чуть ли не каждый день стишок,смысл которого сводился к тому, что сделать пластик - не фокус, а вот создатьматериал, подобный дереву, под силу лишь всевышнему. Меня это несколькоугнетало, потому что древесина действительно лучше подходила для самолетов,чем те пластики, которые мы в то время умели делать. Даже и по сей деньимеются конструкции (например, гидропланы, определенного типа суда), длякоторых древесина остается наиболее подходящим материалом.

Древесина и другие формы целлюлозы с успехом применяются в технике.Но этого мало, целлюлоза в природе вообще имеет чрезвычайно широкое применение.Целлюлоза является конструкционным элементом всех растений. Именно прочностьи жесткость целлюлозы держат зеленую листву растения “лицом к солнцу”, безчего невозможен процесс фотосинтеза - отправной химической точки для всехформ жизни. На долю целлюлозы приходится в среднем около трети веса всейрастительности на Земле - практически эта цифра вне пределов точного учета.В целлюлозе заперта большая часть имеющегося на Земле углерода. В телахживотных целлюлоза встречается редко, хотя и обитает в океане небольшойкласс животных - оболочники, в основном состоящие из целлюлозы, внешнеони напоминают продолговатых медуз и, по-видимому, не имеют определеннойустойчивой формы. А вот в насекомых содержится полимерное вещество хитин,которое очень похоже на целлюлозу.

Обратившись теперь к материалам, которые использует человек, мы увидим, чтоцеллюлозе здесь принадлежит ведущая роль. Годовое потребление древесины в мире(не считая топлива) - где-то между 800 и 1000 млн. тонн (древесина- достаточно важный материал в технике, чтобы попасть в официальные статистические сборники). Необработанная древесина, идущая на заборы, а такжебамбук для строений, солома и камыш для крыш и т.д. используются сельскимнаселением примерно в таком же количестве, но каких-либо статистических данныхпо таким “неиндустриальным” материалам, конечно же, нет. Мировое производствочугуна и стали составляет около 400 млн. тонн, цифры для любого металла посравнению с этой пренебрежимо малы[35].

Отнесенные к единице веса величины прочности малоуглеродистой стали и древесинывполне сравнимы, так что возможно, что общая нагрузка, которую несет вмире древесина, даже превышает нагрузку, приходящуюся на сталь. Однаконесомненно, что нагрузки, которые доверяют стали, как правило, более впечатляющи.

Поскольку плотность древесины составляет в среднем примерно 1/14 плотностистали, то общий объем используемой в мире древесины может быть больше объемастали раз в 30.

Отношение количества потребляемой древесины к количеству стали от странык стране сильно изменяется, однако его нельзя считать показателем степенииндустриализации или технического прогресса. В Англии и Голландии в годна душу населения приходится около 500 кг стали и лишь 320 кг древесины.В США потребление стали примерно на том же уровне, потребление древесинызначительно выше - около 1100 кг. В Канаде еще выше - 1500 кг. В менееразвитых странах потребление и того и другого меньше.

Целлюлоза является примером стандартизованного производства в природе.Функции и общий вид молекул целлюлозы во всех, даже весьма сильно отличающихсяодно от другого растениях, одинаковы. Правда, молекулы могут быть несколькоразной длины, могут по-разному комбинироваться, но все это детали - химическаясуть их всегда одна.

Все достаточно развитые растения содержат пустотелые вытянутые веретенообразныеклетки-ячейки, стенки которых состоят в основном из целлюлозы. (Вот откудаи название “целлюлоза”: cell - ячейка, клетка, а суффикс ose- общий для всех сахаров, например фруктоза - фруктовый сахар и т. д.)Эти пустотелые веретена оказываются волокнами, которые принимают на себямеханические нагрузки, обеспечивая прочность.

Рис. 36. Молекула глюкозы.

Вначале в листьях растений из атмосферного углекислого газа CO₂и воды под действием солнечного света образуется простой сахар-глюкоза(рис. 36). Подобно другим простым сахарам, глюкоза хорошо растворяетсяв воде (кстати, поэтому она легко усваивается организмом) благодаря еепяти гидроксильным группам, которые притягивают молекулы воды, а такжетому, что молекулы глюкозы физически достаточно малы и могут свободно блуждатьв объеме воды, конечно, при условии, что их там не слишком много. Концентрированныйраствор глюкозы напоминает патоку.

Рис. 37. Ячейки целлюлозной цепочки; обычно цепочка содержит несколько сотентаких ячеек

Растворенная в соке растения глюкоза проходит по его внутренним каналами поднимается к растущей клетке. В стенке этой клетки молекулы глюкозысвоими концами соединяются между собой (рис. 37). Соответствующая химическаяреакция известна как реакция конденсации:-ОН + НО- > -O- + Н₂O

В результате образуется кислородная связь (-O-) и молекула воды, которая уходитв сок. Всем этим процессом в растении управляет вещество, которое называетсяауксин; но как это происходит, в настоящее время не ясно. Кислородная связьмежду кольцами cахаров все-таки остается уязвимым звеном в целлюлозноймолекуле, которая может достигать в длину нескольких сотен глюкозных ячеек.Именно эта связь разрушается с помощью ферментов в желудках жвачных животных,благодаря чему они могут усваивать целлюлозу; она же разрушается, когда деревоатакуют различного рода грибки. Та же связь рвется под воздействием простыххимикалиев; так разрушает ее отбеливающий порошок, используемый в прачечных,что оказывается причиной постепенного старения и износа рубашек после многихстирок[36].

Длинные целлюлозные цепочки откладываются в стенках клеток более или менеепараллельно клеткам или волокнам, то есть, можно сказать, в направленииприложенной нагрузки. Процесс роста целлюлозы в целом весьма примечателен.Обычное дерево в возрасте нескольких лет имеет ствол с несколькими отходящимиот него небольшими веточками. Каждая из этих веточек по существу представляетсобой консольную балку, изгибаемую собственным весом (глава 1). Это значит, чтоверхние слои веток нагружены растяжением, а нижние- сжатием. Сук становится все толще и длиннее, а стало быть, и тяжелее, поэтому напряжения в верхних и нижних волокнах, в том месте где сук выходит изствола, увеличиваются. Как и ствол, ветка растет: с каждым годом на ееповерхности под корой слой за слоем откладывается новый материал. Если быочередной слой откладывался каждое лето в свободном от механических напряженийсостоянии, то ветка, или балка, провисала бы все больше и больше, и все деревьядолжны были бы уподобиться плакучей иве. Однако с большинством деревьев такогоне случается. Сучья растут примерно под одним и тем же углом к стволу в течениевсей жизни дерева, так что молодое деревце можно считать геометрически подобнымвзрослому дереву. Так получается потому, что у большинства пород новаяцеллюлоза откладывается уже во вполне определенном напряженном идеформированном состоянии.

Работая с гидрохиноном и другими довольно простыми растворимыми веществами,я выращивал длинные игловидные кристаллы, усы (глава 3), которые утолщались путем как бы натягивания на поверхность новыхслоев материала, что геометрически похоже на растущие слои в дереве. Исходныеусы, тонкие волоконца, часто были в высшей степени изогнутыми, и можнобыло заметить, что растущие слои оказывали на них сильное выпрямляющеевоздействие, отчего волнистые зародыши, вырастая до миллиметровой толщины,всегда становились очень прямыми. Отсюда ясно, что растущие слои этих кристалловформировались под значительным механическим напряжением и эти напряжениявыпрямляли волокна. Подобные явления встречаются довольно часто в простыхнебиологических системах, в этих случаях ни о каких дополнительных управляющихвеществах или биологических механизмах и речи быть не может. Мы могли быпоэтому предположить, что прямой, без провисания рост ветки идет под механическимнапряжением тоже без участия какого-либо биологического механизма. Но невсе растения ведут себя подобным образом, и с помощью прививки можно заставитьнормально растущее дерево стать похожим на плакучую иву. Есть предположения,что ауксин, управляющий синтезом целлюлозы, под действием тяжести концентрируетсяв нижних слоях ветки и, следовательно, внизу целлюлозы откладывается больше.Мне кажется, однако, что это далеко не полный ответ.

Целлюлозные цепочки всегда представляют собой простые нитевидные молекулы,которые не переплетаются с соседними нитями путем образования кислородныхсвязей на боковых сторонах сахарных колец, как это делают другие болееслабые полисахариды, например крахмал. Растительная клетка имеет формутрубки, стенки которой образованы длинными, уложенными приблизительно параллельнонитевидными молекулами целлюлозы. В природной целлюлозе имеются области,где молекулы-цепочки уложены идеально в параллельные пряди-кристаллы, ониудерживаются в таком порядке с помощью гидроксильных связей по боковымсторонам молекул. Такие образования можно считать вполне добротнымикристаллами с той удивительной особенностью, что они короче образующихих молекулярных цепочек (рис. 38). Каждый такой кристаллит заканчиваетсяпучком распушенных цепочек, напоминающим по форме помазок для бритья, вкотором волоконца уже не очень параллельны. Молекулы могут в дальнейшемвновь собраться в параллельный пучок и образовать новый кристаллит, такчто одна молекула иногда тянется через несколько кристаллитов.

Рис. 38. Кристаллически-аморфная структура целлюлозы

Итак, кристаллические области образуются с помощью гидроксильных групп,которые избавились от плотно прилегающих к ним молекул воды; такая жесткаякристаллическая система оказывается недоступной для воды. Мы знаем обэтом по рентгеновским измерениям: когда целлюлоза набухает в воде, расстояниямежду молекулами в кристалле не изменяются. С другой стороны, целлюлозаочень интенсивно притягивает жидкость и атмосферную влагу, и это с инженернойточки зрения ее самый большой порок.

Доля кристаллического материала в натуральной целлюлозе может бытьочень различна, но в среднем она составляет 30-40%. Некристаллическая,то есть аморфная, целлюлоза не имеет никакой защиты своих гидроксильныхгрупп от влаги, Поскольку большинство этих групп со своими соседями жестконе связано, они подхватывают любую доступную им молекулу воды, образуявокруг себя водную оболочку. Это, естественно, снижает взаимное притяжениегидроксилов. Силы, сохраняющие целостность клеточной стенки в боковом направлении,падают, и клетка разбухает. Целлюлоза полностью не переходит в растворотчасти благодаря большому размеру своих молекул, а главным образом потому,что система в целом механически связана присутствием кристаллических областей,непроницаемых для воды и составляющих значительную часть общей массы. Такназываемая “регенерированная целлюлоза”, целлофан, получается путем растворениянатуральнойцеллюлозы химическими методами, разрушающими кристаллиты. Затем полученныйраствор осаждается, образуется прозрачная пленка, состоящая в основномиз перепутанных отдельных молекул и намного меньшей доли кристаллитов.Намокая, такая пленка становится очень рыхлой и теряет всю свою прочность;целлофан может использоваться в качестве оберточно-упаковочного материала(это его основное назначение) лишь потому, что на него с двух сторон нанесенаочень тонкая непроницаемая для воды лаковая пленка. Однако после продолжительногозамачивания материалы такого типа становятся безнадежно слабыми, в то времякак натуральная целлюлоза сохраняет довольно большую часть своей прочности.

Используемые нами натуральные сорта целлюлозы - это древесина, бамбук,тростник, лен, конопля, хлопок, рамп, сизал, эспарто и т.д. Однако, каки следует того ожидать, их механические свойства, и особенно разбуханиев воде, зависимость прочности от температуры и содержания влаги отличаютсялишь в деталях. Общая же картина для всех целлюлоз одинакова.

Как различны форма и размеры деревьев, так по-разному выглядит и древесина.Однако эти более или менее внешние признаки не столь важны, основное, чтоотличает разные типы древесины, это их плотность. Так, плотность выдержаннойпробки от 0,08 до 0,16 г/см³, ели - около0,5 г/см³, дуба - примерно 0,8 г/см³,гваякового дерева - 1,1-1,3 г/см³. Химическоеже строение вещества любой древесины примерно одинаково (с небольшими видоизменениями),как приблизительно одинакова и его плотность, около 1,45 г/см³(что очень близко к плотности сахара).

Древесина состоит из большого числа трубчатых ячеек - волокон, плотноприлегающих одно к другому. Чтобы их разделить, обычно приходится прибегатьк довольно крутым мерам, как это, например, делается в производстве бумаги.У различных пород деревьев существуют небольшие различия в геометрическомрасположении волокон. Например, некоторые породы (в частности, дуб) содержаткакое-то число волокон, бегущих по радиусу от центра ствола и пересекающихпродольные волокна под прямым углом. Но с инженерной точки зрения любуюдревесину можно считать пучком параллельных трубок. Поскольку материалэтих трубок по существу для всех пород одинаков, плотность отдельных породзависит от толщины стенок труб. В результате оказывается, что в первомприближении большинство механических характеристик древесины пропорциональноее плотности: древесина, в два раза более плотная, будет и вдвое прочнее.Это не абсолютно точно, но приблизительно верно.

Вещество древесины состоит процентов на шестьдесят из целлюлозы. Кромецеллюлозы, оно содержит различные другие соединения типа сахаров и лигнин,вещество, похожее на смолу, которое пропитывает взрослое дерево какими-тосокровенными путями. Не пропитанная лигнином древесина имеет весьма однонаправленнуюструктуру и поэтому обладает свойством двойного лучепреломления, то естьона поворачивает плоскость поляризации поляризованного света. Кроме того,она ярко окрашивается определенными красителями.

Ни тем, ни другим свойством нормальная древесина, содержащая лигнин,не обладает. Но непосредственно перед механическим разрушением, когда ещеникакие механические методы не обнаруживают признаков близкого разрушения,древесина получает свойство двойного лучепреломления и легко окрашиваетсяхарактерными красителями. По-видимому, причина этого кроется в каком-тонеобратимом разрыве химических связей между целлюлозой и лигнином, вызванноммеханическим напряжением. Однако использовать это явление как сигнал скорогонеизбежного разрушения конструкции нельзя, потому что наблюдать его можнолишь под оптическим микроскопом на тонких сечениях, вырезанных из нагруженнойчасти. Но оно может оказаться весьма полезным при расследовании причинаварий. Кроме того, это наглядно показывает, сколь хитро устроила природавещество древесины.

В этой связи интересно еще упомянуть, что некоторые тропические породы,такие, как тик и гринхарт, содержат небольшие количества токсических веществи кремнезема. Они защищают древесину от насекомых и гниения, но в то жевремя являются причиной высокой стоимости обработки лучших тропическихпород: кремнезем очень быстро тупит инструмент, а щепки гринхарта ядовиты.

Механические свойства древесины в основном не отличаются от свойств,которые можно ожидать от пучка трубок или волокон. В боковом направленииволокна разделяются и сминаются довольно легко, поэтому прочность на разрыви сжатие поперек волокон очень невелика, меньше 1 кГ/мм².Более легкие породы, например пробку, можно даже сминать пальцами. С другойстороны, как раз потому, что трубчатые волокна легко сминаются, в древесинуможно загонять гвозди и шурупы, не расщепляя ее (если, конечно, проделыватьэто, соблюдая определенную аккуратность). Между прочим, гвозди, достаточноосторожно вбитые в дерево, и ввернутые в него шурупы сколько-нибудь заметноне ослабляют древесину как целое; иными словами, дерево удивительно стойкок концентрации напряжений.

Прочность на разрыв ели составляет около 12 кГ/мм².Она соответствует упругой деформации или межатомному разделению порядка1%, то есть находится где-то между 1/10 и 1/20 теоретической прочности.Это намного лучше, чем тот же показатель для большинства других техническихматериалов, особенно дешевых. Ходовая сталь с прочностью 40 кГ/мм²упруго удлиняется на 0,15%. Если соразмерять все характеристики с удельнымвесом, то по прочности на разрыв древесина эквивалентна стали с прочностью200 кГ/мм², которая в 4-5 раз прочнее обычноиспользуемых сталей. Но как мы увидим дальше, на практике не так-то легкоэффективно использовать высокую прочность древесины на разрыв.

Древесина оказывается слабой при сжатии вдоль волокна. В этом отношенииее свойства противоположны свойствам чугуна, который прочен при сжатии,но слаб при растяжении. Здесь опять модель пучка склеенных между собойволокон оказывается очень реалистичной.

Под сжимающей нагрузкой тонкая стенка одной из трубок теряет устойчивость,на ней образуется складка, а все остальные трубки должны следовать за ней(рис. 39). Прочность на сжатие ели обычно лежит в пределах 3,0- 3,5 кГ/мм².Если сравнивать эти цифры со сталью по удельной прочности (по отношениюк плотности), то они выглядят все еще вполне сносно, но, конечно, далеконе так, как удельная прочность на разрыв.

Рис. 39. Разрушение древесины при сжатии. На чистой плоской поверхности,параллельной направлению волокон, место разрушения видно невооруженным глазом.Здесь бегут «складки» под углом 45° к направлению волокон.

Когда древесина начинает разрушаться от сжатия, можно видеть легкуюлинию складок на волокнах, бегущую под углом 45° к направлению волокон,но рассмотреть ее целиком довольно трудно: для этого нужно иметь чистуюповерхность и знать, что и где искать. В течение некоторого времени посленачала разрушения (складкообразования) ничего особенно сенсационного иликатастрофического не случается, материал лишь постепенно проседает. Посколькудревесина чаще всего нагружается изгибом, то в результате медленного разрушенияна сжатой стороне балки нагрузка передается на растянутую сторону. Поэтомуноминальное напряжение в изогнутой балке перед окончательным разрушениемможет быть вдвое больше прочности на сжатие. Это обстоятельство делаетдеревянные конструкции очень надежными.

Древесина в некотором смысле вещь довольно зловредная: прежде чем появитсяреальная опасность разрушения, деревянная конструкция может немало потрепатьвам нервы пугающими звуками. Планеры не имеют двигателя (они часто запускаютсяканатом примерно километровой длины, который наматывается на барабан лебедки),поэтому в полете - абсолютная тишина, нарушаемая лишь свистом ветра. Ивот при быстром резком запуске деревянный планер будет пугать вас скрипами,тяжелыми вздохами, иногда даже грохотом. Это, естественно, встревожит вас,но скоро вы поймете, что все это притворство и никакой опасности разрушенияконструкции нет. Такое представление может повторяться несколько раз надню. Я почти уверен, что эти шумы не сопровождают процесса разрушения присжатии. Часто я задавался вопросом, откуда они исходят, но, должен сознаться,никаких идей на этот счет у меня не появилось. Можно сказать одно - есливы слышите деревянную конструкцию, вряд ли вы ее сломаете.

Итак, по удельной прочности древесина вполне конкурентоспособный материал.Но одной лишь прочности практике недостает, ей нужна еще и соответствующаяжесткость: вещества вроде нейлона прочности имеют предостаточно, но дляинженерных сооружений жесткость их слишком мала. Модуль Юнга для ели составляетпримерно 1000-1500 кГ/мм², жесткость других-пород более или менее пропорциональна их плотности. Удивительно, но удельныймодуль Юнга для древесины почти в точности равен удельному модулю сталии алюминия и намного больше, чем у синтетических смол. Такая жесткостьвместе с малой плотностью делает дерево очень подходящим материалом длябалок и колонн. Мебель, полы, книжные полки, флагштоки, мачты парусниковлучше всего делать деревянными. В Америке в XIX веке очень быстро и дешевобыло построено много железных дорог, отчасти это случилось благодаря высокойэффективности. железнодорожных мостов на деревянных эстакадах. Вместе сэтими достоинствами древесина, однако, обладает недостатком - она ползет.Это означает, что при достаточно длительной нагрузке материал постепеннодеформируется. Следствие ползучести - вогнутые деревянные крыши старыхдомов и сараев. Из-за ползучести древесины нельзя оставлять надолго натянутымидеревянный лук или струны скрипки. По-видимому, причина ползучести состоитв том, что плохо закрепленные гидроксильные группы аморфных областей целлюлозы,пользуясь изменениями температуры и влажности, увиливают от своих обязанностей.Маловероятно, чтобы сколько-нибудь заметно ползла кристаллическая целлюлоза.

Несомненно, природа при желании могла бы химически соединить молекулыцеллюлозы вдоль “боков”. Но тогда они были бы увязаны между собой оченьнадежно, и материал имел бы примерно одинаковую прочность во всех направлениях.Как мы уже видели в предыдущей главе, наличие слабых плоскостей, параллельныхпрочнейшему направлению, является, по-видимому, условием прочности и вязкостидля материалов такого типа. Если бы такие поверхности отсутствовали, древесинапоходила бы на глыбу сахара - была бы однородной, но непрочной и хрупкой.Если судить по удельному весу древесины, то нет ничего плохого в ее механическихсвойствах. Обычно вес деревянных конструкций сравним по крайней мере свесом сооружений из металла. Плохо в древесине другое - она подверженавоздействию влаги. Вода может попадать в древесину под дождем, в реке,в море и т. д., но хуже всего то, что на древесину действует атмосфернаявлага.

При каждой данной температуре воздух может содержать определенное количествовлаги. Любой избыток влаги выпадает в виде дождя, тумана, дымки или росы.Воздух в этом случае называется пересыщенным, и, следовательно, относительнаявлажность в сырой день равна примерно 100%. В сухую погоду или в помещенииотносительная влажность меньше, но она редко падает многим ниже 30%, дажев местах с сухим жарким климатом.

Древесина всегда стремится быть в равновесии с относительной влажностьюокружающего воздуха. После длительной выдержки во влажном воздухе древесинаможет содержать 22-23% воды. В очень сухом воздухе содержание влаги в деревеможет упасть до 5%. Однако связанные с этим колебания веса материала имеютвторостепенное значение по сравнению с влиянием влажности на свойства древесины,в частности на ее усадку или разбухание. Каждый процент изменения влажностидает около половины процента усадки или разбухания. Обычные колебания влажностивоздуха могут вызвать колебания поперечных размеров от 5 до 10%, то естьдо 1 см на доску шириной 10 см. И если плотники-любители, располагая выбором,предпочтут использовать широкие доски, то профессионалы будут мудрее: онивозьмут узкие доски, чтобы уменьшить перемещения в каждом отдельном стыке.Конечно, 5-10% усадки или разбухания не так уж часто случаются, но и 1-2%могут вызвать много неприятностей. Краски и лаки снижают колебания влажностив дереве, но не исключают их, так как нет красок, совершенно не проницаемыхдля паров воды.

Даже в помещении относительная влажность непрерывно изменяется, особенно междудневным и ночным временем. Полы и мебель “следят” за влажностью воздуха, аотсюда - скрипы и треск по ночам. Если каким-то образом удержать древесину отусадки при уменьшении влажности, она будет расщепляться: ведь она почти неимеет прочности на разрыв поперек волокон. Если геометрически ограничитьвозможность древесины разбухать, то при увеличении влажности может возникнутьвесьма значительное давление. Египтяне использовали это давление дляоткалывания огромных глыб в каменоломнях, так была получена иглаКлеопатры[37].

Предварительно форма будущего куска размечалась канавкой на поверхности,эта же канавка служила концентратором напряжений. Затем вдоль канавки долбилисьглубокие отверстия, в которые загонялись сухие деревянные колья. Их заливаливодой, и, пропитавшись влагой, дерево раскалывало камень вдоль требуемойлинии.

Усадка морских канатных снастей и парусной ткани - в принципе то жесамое. Отдельные волокна с изменением влажности изменяют не длину свою,а толщину, а остальное делает геликоидная геометрия каната и текстильнойпряжи: веревки и одежда, намокая, становятся короче. Льняные паруса былиособенно пористыми, и, чтобы уменьшить пористость, их замачивали.

Итак, мы видим, что самым важным следствием воздействия влажности надревесину является ее разбухание. С практической точки зрения влияние влажностина механические свойства, пожалуй, менее существенно. До предела намоченноедерево сохраняет примерно третью часть прочности и жесткости совершенносухого дерева. Биологические материалы всегда работают в насыщенном состоянии- таким образом, ценою потери прочности снимается проблема усушки и разбухания.В технике целлюлоза никогда не используется в идеально сухих условиях,поэтому величины прочности и жесткости ее совсем не так плохи, как иногдаэто может показаться,

Сырую древесину гнуть немного легче, чем сухую; но больше всего облегчаетгибку дерева нагрев. Так, прежде чем гнуть древесину для теннисных ракетокили шлюпочных шпангоутов, ее пропаривают. Часто считают, что пар делаетс древесиной что-то особенное. Это неверно, просто пропаривание - всеголишь удобный путь нагрева древесины без ее высушивания, и механизм действияздесь в точности тот же, какой используют парикмахеры для завивки волос.Иногда древесину перед гибкой оборачивают влажными горячими тряпками. Этаоперация помогает термической изоляции древесины, сохраняет ее тепло, предохраняетот слишком быстрого охлаждения. Древесина может без особого для себя вредавыдержать “влажный” нагрев примерно до 140°С, однако сухой нагрев, конечно,вызовет растрескивание вследствие усушки.

Можно услышать довольно много вздора, о так называемой выдержке древесины.Об этом любят толковать старые мастера и романтичные, но несведущие любители.Древесина, как мы уже знаем, состоит из закрытых трубок, которые в живомрастении частично заполнены водой или, точнее, соком. В свежесрубленномдереве содержание воды может быть различным, оно может даже превышать повесу количество сухого вещества. Примерно 25% этой воды абсорбировано,притянуто гидроксильными группами к стенкам волокон, остальная жидкостьсодержится внутри клеток. Во время выдержки большая часть воды удаляется.Выдержка в основном представляет собой операцию сушки и ничего более. Простосодержание влаги в дереве приводится к условиям, примерно равновесным сусловиями окружающей среды, в которых ему предстоит работать: если этогоне сделать, то изделие всегда будет под угрозой коробления от усушки. Дляиспользования под открытым небом приемлема влажность 20%, для неотапливаемыхпомещений - около 15%, а для помещений с паровым отоплением - примерно8-10%.

Клетки дерева представляют собой закрытые веретенообразные трубки, поэтомузаключенной внутри них воде не так-то легко выйти наружу. Единственнаявозможность - медленное проникновение воды через стенки трубок. Такой процессне представляет трудностей, если иметь дело с единичной клеткой. Но ведьбревно содержит многие тысячи таких клеток, и вода из внутренних клетокдолжна просочиться через стенки большинства других клеток, лежащих на еепути наружу. Для этого необходимо поддерживать разницу влажностей междувнутренним объемом древесины и окружающей средой. Чем больше эта разница,тем быстрее будет удаляться влага. С другой стороны, при слишком резкомперепаде влажности наружные слои в ходе сушки окажутся заметно суше внутренних,будут больше сжиматься и, следовательно, расщепляться и растрескиваться.Поэтому, чтобы не повредить древесину, ее нельзя сушить слишком быстро.Традиционный способ выдержки - на открытом воздухе или под навесом. Присушке таким путем для досок толщиной 20-50 мм требуется около года, а длякрупных дубовых заготовок для судов - около семи лет. С примитивными методамии знаниями ничего другого и не придумаешь, В былые времена лучшие судоверфии хорошие каретники держали залежи ценной древесины, уже выдержанной илинаходящейся в процессе выдержки - это было одной из причин высокой стоимостиих изделий.

В последние годы было предпринято много технологических исследованийпо выдержке лесоматериалов, в результате разработан ряд способов ускореннойбезопасной сушки для древесины всех сортов и размеров. Тщательный контрольскорости сушки в больших сушильных печах позволяет свести время процессак дням и неделям. Другой путь, также сокращающий время сушки,- современнаятенденция применять пиломатериал меньших сечений, используя надежные клеи.Древесина, которая подобающим образом сушилась в печах (печи эти довольнодороги и требуют квалифицированного обслуживания), нисколько не хуже “натурально”выдержанной. Более того, в процессе сушки для нее менее вероятно подхватитьгрибковую инфекцию.

Содержание влаги в дереве можно определить путем взвешивания небольшогообразца до и после печной сушки. В промышленности процент влажности определяетсяпортативными приборами, которые измеряют электрическое сопротивление междудвумя вбитыми в бревно иглами. Такая процедура дает ответ намного быстрее.

Если содержание воды в древесине меньше 25%, то вся она связана с гидроксильнымигруппами в стенках клеток. Когда влажность достигает примерно 25%, гидроксилыоказываются насыщенными и стенки клеток не могут больше принимать воду;в таком случае говорят, что достигнута точка насыщения волокон. До этойточки полости клеток остаются пустыми, выше нее практически вся добавочнаявлага идет на заполнение трубчатых клеток. Все изменения размеров и механическихсвойств, обусловленные колебаниями влажности, проявляются только ниже точкинасыщения волокон, то есть между 0 и 25% влажности. По достижении точкинасыщения никакого дальнейшего разбухания не происходит, и добавочная водапросто увеличивает, причем весьма заметно, вес древесины.

Удельный вес вещества дерева около 1,45 г/cм³,однако свежесрубленное дерево в воде не тонет (за исключением очень тяжелыхпород), потому что даже в невыдержанной древесине очень много воздуха.Но если оставить дерево в воде, то, пропитавшись водой, оно в конце концовзатонет, хотя для этого и потребуется, как и в случае естественной сушки,довольно много времени. В свое время экипаж “Кон-Тики” беспокоило, какповедут себя в плавании пробковые бревна плота, хотя скорость их пропиткине была очень высокой. Американские клиперы середины прошлого века с тремявпившимися в небо мачтами, сделанные из легкого, “мягкого” дерева, пропитывалисьводой, не прослужив и десяти лет. Однако за годы службы они, вне всякихсомнений, сполна окупали себя. Твердая древесина, которая обычно шла напостройку английских кораблей, была гораздо более водостойкой: можно привестинесколько примеров, когда деревянные суда служили больше столетия.

Гниение древесины вызывается грибком, который паразитирует за счет целлюлозы:грибки вообще не имеют хлорофилла и не могут производить для себя сахарпутем фотосинтеза. Споры различных грибков практически всегда имеются надереве, подобно тому, как многие болезнетворные микробы живут в организмечеловека, оставаясь пассивными до той поры, пока не наступят подходящиеусловия. Болезнь дерева, гниение не может развиваться при влажности меньше18%, хотя споры сохраняют жизнеспособность в довольно сухой древесине,дожидаясь дождливого дня. Однако и при влажности выше 18% грибок еще нерастет, если обеспечена хорошая вентиляция. С другой стороны, если влажностьбудет около 15%, то нужно совсем немного затхлости в каком-нибудь невентилируемомуглу, чтобы началось гниение. Контролировать влажность древесины удаетсяне всегда, но всегда можно обеспечить хорошую вентиляцию, и это будет гарантироватьсохранность конструкции.

Сейчас существует много химикатов, убивающих активные споры и грибокв древесине, но их не всегда удобно применять в старых и сложных строениях:до пораженных частей не доберешься без дорогостоящей разборки конструкции.Однако почти всегда можно позаботиться об эффективной вентиляции.

В кругообороте веществ в природе некоторые процессы разложения оченьсущественны; не будь их, Земля не только была бы завалена стволами ранееживших на ней растений, но и все земные запасы углерода оказались бы связаннымив целлюлозе - жизнь не могла бы продолжаться. С этим связано главное возражениепротив использования биологических материалов человеком: “планы” природыотносительно отживающих организмов могут вступить в конфликт с нашими намерениями.

Деревянный парусник обеспечил в свое время экспансию Запада и потомуболее, чем какой-либо другой продукт техники, определил сегодняшние условияв нашем мире. Деревянные парусники открывали новые земли, они делали картуЗемли. Они перевозили пассажиров и войска, эмигрантов и каторжников, путешественникови рабов. На них грузили золото и уголь, станки и книги, чай и шерсть, хлопоки дешевую жесть. Они везли это не только за тридевять земель, но и вдольпобережья, по рекам. Многие сотни лет военный корабль был самым вескимаргументов королей, которые часто пускали его в ход.

Деревянные корабли - отнюдь не дела давно минувших дней, на памяти нашегопоколения существовали первоклассные пассажирские парусные суда, плававшие вАвстралию[38].Живы адмиралы, которые начинали службу на деревянных парусниках.

Хотя примерно в середине прошлого века как корпуса, так и оснастка судовбыли значительно усовершенствованы, в течение предшествующих трех-четырехстолетий основные принципы конструирования оставались неизменными. Ониопределялись двумя факторами: разбуханием древесины и высокой стоимостьюметаллов.

Несущая конструкция большого корабля делалась из естественно изогнутойдревесины, для таких элементов как шпангоуты, выбирались стволы деревьев,на корню принявших подходящую форму. Водонепроницаемая обшивка и палубанакладывались поверх частой решетки шпангоутов и продольных балок примерноквадратного сечения, пересекающихся со шпангоутами под прямым углом. Этарешетка не имела диагональных связующих элементов, способных восприниматьсдвиг. Кромки примыкающих одна к другой планок обшивки не связывались междусобой механически, зазор между ними имел форму V-образной канавки. В этуканавку с помощью специального конопаточного зубила и деревянного молотказагонялась пакля, которую делали из отслуживших свое канатов обитателитюрем и работных домов.

Поверх пакли между планками оставался открытый зазор шириной примерно1 см. На палубах его заливали потом с помощью специального черпака горячейсмолой. После того как смола застывала, ее излишки легко соскребались -в холодном состоянии смола становится достаточно хрупкой. В итоге палубарасчерчивалась изящными черными линиями. Для днища и боков судна использоваласьспециальная замазка. Смысл всех этих операций заключался в том, чтобы заставитьпаклю компенсировать усушку и разбухание деревянной обшивки, а также -в некоторой степени - деформацию корпуса без заметного нарушения герметичности.

Вся конструкция была - в известной мере это делалось умышленно - довольногибкой, вроде большой корзинки. Вероятно, не без оснований считалось, что,кроме компенсации усушки и разбухания древесины, такая гибкость корпусавносила свой вклад в скоростные качества и добротность корабля. По-видимому,суда викингов и полинезийские каноэ были еще менее жесткими. Уже в викторианскиевремена, когда корабли комбинированной конструкции стали намного жестче,было специально построено несколько гоночных клиперов с корпусами, жесткостькоторых можно было изменять по желанию. Об одном из таких судов, когдаоно вырывалось вперед, в экипажах соперников шутили: “Они там развинтилиболты, и мы их уже никогда не увидим”.

В гаванях деревянные суда были, как правило, водонепроницаемыми, новсе они, без исключений, начинали течь, когда выходили в море. Иногда течьбывала незначительной, а порой грозила опасностью. Несмотря на вековойопыт, корабельных дел мастера никак не могли, кажется, понять, что такоесдвиг. Любая конструкция типа оболочки, подвергнутая изгибу и кручению,претерпевает значительные сдвиги в обшивке, а ведь этому как раз и подвергаетсякорабль в море, особенно парусник. Но традиционная корабельная конструкциябыла подобна раме ворот без диагональных брусьев.

Поскольку в конструкции судна никаких специальных элементов, эффективновоспринимающих сдвиг, не было, он воспринимался все той же паклей, котораяпопеременно то сжималась, то возвращалась в прежнее состояние, подобногубке. Время от времени (правда, на удивление редко) плывущий корабль выплевывалшпаклевку из какого-нибудь подводного шва. Случалось, что судно после этоготонуло. Однако чаще оно начинало течь и текло, текло… В этих случаяхопасность была не столько в том, что корабль немедленно затонет, скольков том, что непрерывная откачка воды измотает силы команды, доведя матросовдо такого состояния, при котором может случиться все что угодно.

Когда ситуация грозила катастрофой, можно было попытаться “подпоясать”корабль, обвязав его с помощью тросов, пропущенных под корпусом, подобнотому как об этом сказано в Новом Завете. С тех пор эта уловка повторяласьмного раз, и очень может быть, что именно сейчас где-нибудь в океане еепроделывают с каким-нибудь суденышком. Смысл этой операции заключаетсятолько в одном - снабдить корпус судна воспринимающими сдвиг элементами.Но пока она не будет выполняться со знанием дела и точностью, которые,пожалуй, невероятны в подобных обстоятельствах (например, следует направитьтрос под углом примерно 45° к оси судна), она, надо думать, будет не болееуспешной, чем на корабле “Св. Павел”.

Что касается британского военного флота, то основные неприятности стечами кончились где-то около 1830 года, когда Роберт Сеппингс (1764-1840)предложил делать в деревянных корпусах кораблей железные диагональные крепления,Сеппингс, который часто приговаривал, что “частичная прочность приводитк общей непрочности”, был, вероятно, одним из первых кораблестроителей,понявших картину напряженного состояния корабельного корпуса. В торговомфлоте деревянные корпуса были в основном заменены комбинированными и металлическимиконструкциями лишь во второй половине прошлого века. Однако продолжалистроиться и деревянные суда без соответствующего укрепления корпуса противнапряжений сдвига. Старея, такие суда текли все больше. Они текли, а ихэксплуатировали, пока это было экономически выгодным в условиях почти исключительноручной откачки. Между прочим, вплоть до 1914 года норвежские судовладельцыпокупали английские парусные суда и эксплуатировали их с ветряными помпами.

Несмотря на недостатки, деревянные военные парусники находились на вооружениифлотов на протяжении трех-четырех веков, и адмиралтейства расставалисьс ними с сожалением, так как эти корабли были по-своему очень эффективныи экономичны. Они имели хороший радиус действия, были выносливы, независимостьот морских баз позволяла им бесследно исчезать в океанских просторах -все эти достоинства флоты обрели вновь лишь недавно, с приходом атомныхподводных лодок.

Активные действия флота случались не часто, угрозой был сам факт егосуществования. Однако до середины XVIII века считалось непрактичным круглый годдержать флот в море, так как зимой корабли быстрее портились. Правда, усилиямипреданных своему делу офицеров эти трудности преодолевались. Каждому, ктознаком с характером побережья, парусными судами и молекулой целлюлозы,длившаяся круглый год блокада Бреста и Тулона должна показаться почтиневероятной. “Эти стоящие вдали избитые штормами корабли, которых Великаяармия никогда не видела, стояли между нею и мировымгосподством”[39].

Канаты и рангоуты балтийского происхождения доставляли морякам блокирующихсудов много хлопот. И хотя французов они видели очень редко, им приходилосьсражаться денно и нощно, их врагами были канаты, паруса, реи, которые вытягивались,гнили, рвались. Адмирал Нельсон писал: “Ко мне обращались с разных кораблейс жалобами на большую часть парусов и оснастки, но просьбы о замене выполнитьбыло невозможно, так как в запасе был лишь такой же непригодный к службехлам. Надо было искать другие пути борьбы с этим злом”. И все же “двадцатьдва месяца флот Нельсона не заходил в порт, - и, когда в конце концов возникланеобходимость преследовать неприятеля четыре тысячи миль, корабли оказалисьво всех отношениях готовыми к этому неожиданному и столь далекому походу”.

Когда парусное судно идет при крепком попутном ветре будь это даже шторм,нагрузки в оснастке не слишком велики. Однако, когда корабль бросает изстороны в сторону на его пути против ветра, общая нагрузка в тросах накоторых держатся мачты, может достигать нескольких тысяч тонн. Вплоть досередины XIX века вся эта нагрузка, эквивалентная весу многих железнодорожныхсоставов, приходилась на долю пеньковых канатов, которые всегда подверженыразбуханию и усушке, вытяжке и гниению, поэтому требовалось большое искусстводля того, чтобы не лишиться нескольких - а того и гляди, всех - мачт игренгоутов. Понятно, что моряки всегда стремились избегать длительных походовнавстречу ветру в бурную погоду. Пройти, например, мыс Горн всегда былогораздо опаснее, чем следовать знакомой дорогой к восточному побережьюАмерики или даже в Индию. Известен случай, когда экипаж (то был экипажкапитана Блая на корабле “Баунти”), взбунтовавшись, отказался повторятьпопытку обогнуть злополучный мыс: после первой попытки корабль едва неразнесло в щепки. В конце концов Блай должен был повернуть назад, держакурс в прямо противоположном направлении, в Тихий океан, вокруг Земли.Блай был превосходным моряком, и если уж он не преуспел здесь, то врядли кто-нибудь другой смог бы добиться успеха.

На английских военных кораблях металлические тросы для оснастки началииспользовать с 1838 года. В торговом флоте стальные канаты внедрялись оченьмедленно (этот процесс продолжался до 60-х годов прошлого века), потому что какраз в это время была усовершенствована технология скрутки пеньковых канатов:механическая скрутка делала канаты более плотными, отчего они значительноменьше вытягивались. Появление лучшей оснастки случайно почти совпало соткрытием золота в Калифорнии. Около половины эмигрантов и все тяжелые грузыбыли доставлены туда морем. В те годы быстроходные парусники могли пройти путьот Нью-Йорка до Сан-Франциско за сто дней. В 1849-1850 годах 760 парусных судовобогнуло мыс Горн, провезя 27 тысяч пассажиров. Трудно определить, какая частьэтих судов была оборудована стальными канатами, а какая - пеньковыми, яснотолько, что покорение американского Запада во многом обязано улучшеннымтросам[40].

Еще одним не менее важным шагом вперед явилась якорная цепь. Пеньковыйкабельный трос имел определенные достоинства, однако для его хранения требовалосьособое место на судне; весьма впечатляют громадные вентилируемые бухтына корабле “Виктория”. Цепь, которая появилась на судах в 1811 году, моглахраниться в небольших сырых помещениях; можно сказать, что цепь освободиламесто для машин и угольных бункеров.

Во времена малых скоростей, когда Новый Свет еще не имел судоверфей, серьезнуюпроблему составляло обрастание днища судна растительностью и разрушениедревесины животными-вредителями. Однако она была в основном решена меднойоблицовкой корпуса (примерно 1770 год). Это было самым крупнымусовершенствованием XVIII века, увеличившим скорость и радиус действия судов, инастолько успешным, что судовладельцы впоследствии были весьма резко настроеныпротив использования железа для корабельных корпусов - железо нельзя покрыватьмедью непосредственно из-за электрохимического взаимодействия между двумяметаллами в соленой воде. Иногда железные корпуса обшивались деревом, а ужепотом покрывались медью. Чаще других так строили корпуса военных кораблей, ноконструкция получалась тяжелой. Много лучших быстроходных парусников имелокомбинированный корпус. “Катти Сарк” (1869 год) была обшита тиком, обшивкаболтами крепилась к железному каркасу с соответствующими подкреплениями противсдвига. Днище корабля было покрыто сплавом типа латуни, мунтц-металлом.Некоторые специалисты считают такую конструкцию наиболее совершенной для судовсредних размеров. Вполне возможно, что это так, но она, к сожалению, еще иочень дорога.

Рис. 40. Клипер "Великая Австралия"

Подешевление чугунных и стальных плит в 70-х годах прошлого века сделалопостройку комбинированных корпусов неэкономичной, и к концу столетия большаячасть морского грузооборота уже приходилась на большие парусные суда почтистандартной конструкции со стальными корпусами, стальными палубами, стальнымирангоутами, стальной оснасткой. Такие суда были полностью герметичными,их мог обслуживать небольшой экипаж. Несколько меньшая скорость из-за болеегрубого днища компенсировалась возможностью идти под парусами в плохуюпогоду. Столетиями моряки привыкали лелеять деревянные суда, беречь их,никогда не перегружая сверх меры. Капитаны же стальных парусников считалисвои корабли неуязвимыми просто потому, что они были стальными. Немалостальных кораблей затонуло в результате таких настроений.

Пароходы не составляли большинства на флоте примерно до 1890 года. Вовсяком случае, они, как правило, использовались на более коротких маршрутах.Конечно, было построено предостаточно и деревянных пароходов, но тенденцияк переходу на сталь выявилась здесь раньше, чем в случае парусных судов.Так получилось отчасти потому, что стальной корпус лучше деревянного сопротивлялсявибрациям паровых машин того времени, а также потому, что при непрерывномдвижении и более коротких маршрутах обрастание днища было не столь сильным.Ведь наиболее интенсивно обрастает попавший в штиль парусник.

Классическая деревянная конструкция все еще используется и сегодня длярыболовных судов, минных тральщиков и яхт водоизмещением до 400-500 т.Обычно она обеспечивает минимум веса для гоночных яхт; кроме тоге, этосамая простая и дешевая конструкция яхты.

В простейших своих формах такая конструкция и сейчас страдает все темже старым недугом - недопустимые течи в плохую погоду. Этот недостатокусугубляется намного большим весом современной оснастки и, следовательно,большими нагрузками на корпус. Конечно, все это можно преодолеть мастерствоми усложнением конструкции, но тогда стоимость деревянного корпуса будетбольше, чем стального или сделанного из пластика.

И если все летит к чертям, вбивай громадный гвоздь.

Тот факт, что прочность конструкционных материалов составляетобычно 1-5% от прочности химических связей, до недавнего времени не имелособого практического значения: соединения деталей и элементов в конструкцияхбыли настолько плохими, что даже такая прочность материалов едва ли использоваласьполностью. Правильно сделанные узлы и сплетения канатов дают от 40 до 80%прочности исходного каната. Соединения древесины гвоздями, шурупами, штифтами,шипами еще менее эффективны. Более прочные соединения дают такие операции,как связывание ремнями, шитье, заклинивание; ими пользовались еще первобытныелюди и - до недавних пор - моряки; еще и сейчас так делают сани. В 20-егоды корпуса гидросамолетов сшивали, используя в качестве нитки меднуюпроволоку.

Шурупы, которые с удовольствием применяют плотники-любители, являютсясамым плохим способом соединения. Между первой и второй мировыми войнамив Германии предметом серьезных исследований был гвоздь; немцами были разработаныновые и очень разумные формы механических соединений. Результаты этих работиспользуются иногда и сегодня в строительстве деревянных домов, но в целоммеханические соединения древесины сейчас отодвинуты на задний план операциейсклеивания. Современные клеи позволяют использовать древесину с большейэффективностью, но вместе с тем возникли, конечно, и новые трудности, иновые проблемы.

Стараниями многих ученых мужей и научных комитетов на проблему склеиваниянаброшен полог таинственности. В действительности же элементарная теориясклеивания достаточно проста, трудна практика клейки. Как мы видели в главе 2,любая поверхность обладает энергией - это следует из самого факта существованияповерхности, твердой или жидкой. Если мы возьмем твердое тело и жидкость поотдельности - каждое вещество в контакте с воздухом,- то их поверхности будут иметь свои значения поверхностной энергии. Но если жидкость попадает на твердое тело и смачивает его, то энергия поверхностираздела между ним и жидкостью будет меньше суммы исходных энергий этихповерхностей в контакте c воздухом. Смачивание, таким образом, связано спонижением энергии и будет иметь место всегда при контакте жидкости с твердымтелом[41].

Жидкость на поверхности твердого тела может тем или иным путем затвердеть,например она может замерзнуть. Энергия границы раздела при этом существенноне изменится. Следовательно, чтобы убрать затвердевшую жидкость с твердойповерхности механическим путем, придется воспользоваться энергией деформации,то есть приложить механическую силу. Таким образом, адгезия (приклеивание,прилипание) в принципе очень похожа на когезию (внутреннее сцепление).Принципиальной разницы между прочностью склейки и прочностью твердого теланет. Обычно энергия поверхности раздела между клеем и твердым телом несколькоменьше энергии свободной поверхности прочного тела, но эта разница не слишкомвелика. К тому же она и не имеет особого практического значения; реальнаяпрочность все равно значительно меньше, чем, казалось бы, должна быть.Причины слабости адгезии сегодня мы понимаем, пожалуй, хуже, чем причинымалой фактической прочности. Несомненно лишь одно - они имеют сходный характер.

Таким образом, любые два твердых тела можно приклеить одно к другому,если мы найдем жидкость, которая будет смачивать их обоих и затем затвердевать.Трудности здесь носят чисто практический характер. Дерево очень хорошоклеится замерзшей водой - такая склейка успешно пройдет большую часть обычныхиспытаний. Столярный, или мездровый, клей можно рассматривать как модификациюименно такого клея - лед, температура плавления которого поднята до болееприемлемого уровня. Мездровый клей - то же самое, что и подаваемое к столужеле, лишь воды к желатину добавлено поменьше, а сам желатин может бытьполучен из костей, кожи, копыт, рыбы и т.д. Концентрированный раствор желатинаразмягчается при нагреве до 70-80°С. Намазанный на древесину, он прочноприхватывается к ней при охлаждении, и соединение вскоре готово. К сожалению,этот процесс легко обратим при нагревании или намокании. Кроме того, желатин- прекрасная пища для грибков и бактерий. Поэтому мездровый клей пригодендля использования только в закрытых помещениях. Несмотря на это, его применялив первых самолетах. Места склейки покрывали защитным слоем лака, но этоне всегда достигало цели. Тот же клей в спиннинговых удилищах защищаетсяот воздействия внешней среды путем пропитки всего удилища в формалине.Такая обработка не могла применяться к самолетам только из-за размерових конструкции. Как бы плохи ни были желатиновые клеи, их конкуренты -гуммиарабики и клейстеры, которые варились из некоторых сортов муки, -уступали им. Но как ни странно, намного лучший клей был известен давным-давно,веками оставаясь в тени. Еще древние египтяне использовали в качестве клеяказеин, а средневековые художники применяли его как растворитель для красок.Затем с начала XIX века им начали клеить в Германии и Швейцарии. Не ясно,почему казеин раньше не использовался в технике. Но примерно с 1930 годаон стал признанным клеем для самолетов и яхт, сделав реальностью деревянныесамолеты и современную оснастку яхт.

Казеин - это содержащаяся в молоке сыворотка, и, следовательно, он подобенсыру. Сыворотка растворима в щелочной воде, но не растворима в кислотах.Поэтому она выделяется из молока любой слабой кислотой, для детского питанияказеин получают с помощью сока ревеня, для технических нужд - воздействиемслабой соляной кислоты. Выделенную сыворотку можно снова растворить в воде,содержащей немного каустической соды. Казеин медленно реагирует с известью,образуя нерастворимый казеинат кальция.

Казеиновый клей продается в виде сухого белого порошка, состоящего извысушенной сыворотки, каустической соды (или другой щелочи) и извести.Если этот порошок замесить на холодной воде, он прежде всего растворяется,образуя белую, похожую на сметану пасту а затем медленно затвердевает.Этот клей очень прост в применении; единственное, о чем следует помнить,- это о том что крышка банки с клеем при длительном хранении должна бытьплотно закрыта, так как в противном случае в банку будет попадать влагаи преждевременно пойдет реакция образования казеината кальция. Казеиновыйклей схватывается за один-два дня, причем швы получаются более или менеевлагостойкими. Однако, хотя казеинат кальция и не растворим в воде, принамокании он немного размягчается. Казеиновые клеи очень широко использовалисьв самолетостроении во время войны, и вот однажды кто-то обнаружил, чторазрывная прочность образцов влажного казеина составляет всего лишь пятуючасть прочности сухого казеина. Не без оснований появились опасения, чтопрочность мокрых самолетов с казеиновыми склейками может быть в пять разменьше прочности сухих самолетов. В смятении мы набрали сотню примерноодинаковых деревянных стабилизаторов на казеиновом клее. Половину из нихопустили на 6 недель на дно пруда, вторую половину держали сухой. Тем временемподготовили установку, которая нагружала стабилизаторы примерно такимиже силами, какие действовали на них в полете; когда все было готово, мыиспытали всю партию. К нашему удивлению, все стабилизаторы ломались примернопри одной и той же нагрузке под аккомпанемент многочисленных вздохов облегчения.Причина такого счастливого исхода поучительна. Дело в том, что распределениенапряжений в склейке далеко не однородно. В типичном случае, показанномна рис. 41, практически вся нагрузка воспринимается концевыми участкамисклейки и очень небольшая ее часть передается через центральные областишва. Это один из вариантов уже знакомой нам концентрации напряжений, котораятак много значит в технике и науке о материалах. Между прочим, в результатепрочность клеевого соединения зависит главным образом от его ширины, ане от площади. Кстати сказать, то же самое справедливо и для механическихсоединений: основную нагрузку несут первый и последний болты (или заклепки).Это одно из обстоятельств, которые отравляют жизнь конструктора.

Рис 41. Клеевое соединение внахлестку; внизупоказано распределение напряжений вдоль соединения.Максимальное напряжение - в точках А и B.

Итак, казеин в твердой хрупкой форме передает нагрузку в лучшем гуковскомстиле. Когда напряжения на концах склейки достигают прочности сухого казеина,в соединении появляются трещины со своими собственными местными концентрацияминапряжений, в конце концов трещина проскакивает через середину клеевогосоединения примерно так, как это было бы в стекле.

Влажный казеин очень похож на мягкий сыр, и его поведение не имеет ничегообщего с гуковским. В результате в местах концентрации напряжений, у концовсклепки он интенсивно течет, передавая часть нагрузки на центральную частьклеевого шва. Поэтому подобные казеину клеи снимают некоторые проблемы,в частности прочность склейки в сухом и влажном состояниях почти одна ита же. Это, конечно, превосходная характеристика и одна из причин популярностиказеина. Если бы мир был стерильным, казеин был бы практически идеальнымклеем. К сожалению, казеин представляет собой, как мы уже говорили, смесьсыра и извести и c течением времени портится так же, как и сыр. Его последниечасы напоминают заключительный этап жизни камамбера: казеин превращаетсяв жидкость с дурным запахом и выползает из соединений, оставляя после себялишь грязные пятна. Интересно, что добавка фунгицидов в клей не улучшаетего.

Все это заставило предпринять значительные усилия (на них ушли годы),чтобы разработать синтетические смолоподобные клеи, основанные на полимерныхвеществах. Пожалуй, лучшим и наиболее долговечным решением было использованиев те годы фенол-формальдегидной смолы, или бакелита. В исходном состояниибакелит представляет собой либо жидкость, напоминающую по виду патоку,либо сухой порошок. Под действием тепла и давления порошок становится жидкостью,которая со временем затвердевает, если действие тепла и давления продолжается.Получившееся твердое нерастворимое вещество практически не подвержено гниению.Фенол-формальдегид стал основой целой серии действительно великолепныхклеев. Правда, использовать их можно лишь тогда, когда допустима тепловаяобработка при температуре около 150° С. Важно также, чтобы при склейкене было заметного зазора в соединении. Поэтому операция склейки на практикедолжна выполняться на гидравлических прессах с подогревом. Такая склейкаоказалась очень удобной только в производстве фанеры, где она имела огромныйуспех.

Фенол-формальдегидные клеи позволили получать хорошую водостойкую фанеру.Но проблема клеевых соединений в самолетах и на судах оставалась нерешенной,потому что на практике оказывается трудным аккуратно нагревать стыки вбольших конструкциях. Вообще говоря, фенол-формальдегидные смолы могуттвердеть и без нагрева, но для этого в них следует добавить большие количествахимических катализаторов, способствующих твердению. Такими катализаторамислужат сильные кислоты, которые разрушают древесину да еще и оказываютсятоксичными.

Первые синтетические клеи для сборки деревянных конструкций были основанына карбамидной смоле, которая может твердеть со значительно более слабымикатализаторами. Эти первые клеи были довольно хорошими, но, надо сказать,таили в себе некоторые опасности для конструкций. Для предварительно хорошопригнанного шва тонкая клеевая прослойка была достаточно надежной. Но когдасоединение было подготовлено плохо, так что слой клея был толстым, усадкаи внутренние напряжения, сопровождающие его твердение, разрушали склейку.Поскольку проверить качество подгонки шва после сборки и склепки невозможно,клеевые соединения были потенциальной причиной катастроф.

Другое неудобство состояло в том, что время твердения клея после добавкикатализатора, а следовательно, и время, в течение которого с таким клеемможно было работать, ограничивалось несколькими минутами. Более того, отвердеющем клее нельзя было сказать, сколько минут назад в него был добавленотвердитель. Эти обстоятельства в сочетании с известными человеческиминедостатками часто приводили ко всякого рода ошибкам. Правда, впоследствиибыли разработаны отвердители, которыми можно было смазывать одну деталь,в то время как другая смазывалась самим клеем - твердение и схватываниеначиналось лишь после того, как поверхности прижимались одна к другой.Дальнейшим шагом в сторону повышения надежности (учитывались все те жечеловеческие недостатки) была окраска клея и отвердителя в разные характерныецвета.

Положение дел с клеем к концу войны было, таким образом, следующим.Прекрасная и чрезвычайно водостойкая фанера стала универсальным материалом.В качестве сборочных клеев конкурировали казеин и карбамидная смола. Казеинбыл исключительно прост в использовании и обладал прекрасной прочностьюкак в сухом, так и во влажном состояниях, но в то же время при первой жевозможности он катастрофически разлагался. Карбамидный клей не подверженразложению, но поначалу при клейке он требовал определенной сноровки, дак тому же случалось, что он ни с того ни с сего рассыпался. С тех пор карбамидныеклеи были значительно усовершенствованы, а два теперешних синтетическихклея, резорцин-формальдегидная и эпоксидная смолы, будучи, правда довольнодорогими, обладают практически всеми необходимыми достоинствами. Нужнолишь иметь в виду, что эпоксидная смола часто вызывает воспаление.

Когда необходимо сделать выбор из десятков современных клеев, то главнымиаргументами за и против обычно служат легкость применения, долговечностьи стоимость. Правильно сработанное соединение при использовании любогохорошего клея бывает прочнее окружающей древесины. Как правило, разрушениепроисходит не по самому шву, и слой клея оказывается покрытым тонким слоемдревесины.

Гвозди и шурупы не увеличивают прочности хорошего клеевого шва, но впроцессе твердения всякий клей требует, чтобы склеиваемые поверхности былиплотно прижаты одна к другой, а это проще всего достигается с помощью гвоздейи шурупов. Ну, а коль уж гвоздь забит, нет особого смысла вытаскивать егопосле схватывания клеем. Более того, если склейка по каким-либо причинамоказалась неудачной, механическое крепление будет полезной страховкой.В те времена, когда был еще только казеин, в тропиках о некоторых самолетахговорили, что они собраны на гвоздях без шляпок. В большинстве случаевэто было, конечно, клеветой, но я сам несколько раз был свидетелем того,что это не так уж далеко от истины. Лично я, когда речь идет о клеях, непостеснялся бы надеть и ремень, и подтяжки.

Использование древесины всегда было связано с заботами о том, чтобыполучить материал нужных размеров и быть уверенным, что полученный материалне содержит скрытых дефектов. Давно прошли те времена, когда можно былокупить огромные бревна сосны каури из Новой Зеландии или желтой сосны из-подКвебека, которые были практически совершенными. В наше время в техникечаще всего используется слоистая древесина. Бревна, как правило, разрезаютсяна сравнительно небольшие куски, которые затем склеиваются в пакеты; делаетсяэто обычно на гидравлических прессах с помощью синтетического клея. Такимспособом можно получить листы любых размеров. При этом на деле используетсявесь объем как больших, так и малых деревьев; любой серьезный дефект нетрудновыявить и провести отбраковку. Легко могут быть изготовлены клееные элементыизогнутой формы, на дорогах Англии нередко создают помехи движению грузовики,перевозящие огромные деревянные арки для разного рода архитектурных сооружений.Нехватка высококачественной древесины для авиа- и судостроения могла быстать серьезной проблемой во время войны, если бы обычная древесина недоводилась до нужных кондиций путем создания слоистых материалов.

Эти слоистые материалы были просто-напросто обычной древесиной, разрезаннойна куски и затем снова склеенной. Но существовал, однако, печальный опытматериалов, известных как “улучшенная древесина”, свойства и судьба которойбыли, казалось, предопределены этим громким названием. Как “улучшалась”древесина? Сначала ее пропитывали некоторым количеством смолы, а затемпрессовали до значительно большей плотности. Считалось, что при этом механическиесвойства материала должны улучшиться. И они действительно улучшались, но,как правило, лишь пропорционально увеличению плотности. В то же время упрессованной древесины значительно снижалась трещиностойкость. Что ещехуже, этот материал разбухал в воде до своих начальных размеров, и разбуханиеэто было почти всегда непредсказуемым и необратимым. И все-таки какое-товремя прессованная древесина использовалась для изготовления пропеллеровнекоторых типов самолетов.

Совсем иное дело - фанера, которую, пожалуй, следует считать новым ичрезвычайно удачным материалом. Она получается путем склеивания трех илиболее листов шпона, то есть тонких слоев древесины с перекрестным направлениемволокон. Шпон либо нарезается тонкими слоями из бревна на машине, оченьнапоминающей большой рубанок, либо получается с помощью лущения. Круглоебревно сначала прогревается в течение суток в паровой траншее, а затемустанавливается на специальном лущильном станке. Бревно вращается в станке,а длинный нож врезается в него и начинает по кругу снимать тонкие слоидревесины с такой скоростью, что на это зрелище прямо-таки залюбуешься.Далее шпон режется, сушится, из него удаляются дефектные места, и наконец,спрессованный и склеенный на больших прессах, он превращается в фанеру.

Поначалу фанера склеивалась растительными или животными клеями, поэтомуона совершенно лишена была влагостойкости и чуть ли не стала почти чтобранным словом. Внедрение фенольных клеев все изменило и, между прочим,занятнейшим образом проиллюстрировало, как может трансформироваться отношениек материалу. Современная фанера на фенольных клеях совершенно не поддаетсяводе - она не расслаивается, когда намокает. Поэтому она широко используетсяв судостроении.

Как и следовало ожидать, размер фанеры при колебаниях влажности изменяетсявдвое меньше, чем у обычной древесины. Это значит, что максимальные измененияразмеров в двух направлениях составят около 5%. На практике эта величиназначительно ниже. Но если поверхностные слои высушиваются, например нагорячем солнце, они оказываются под напряжением, растягивающим их поперекволокон. В результате фанера может покрыться густой сеткой малых трещинок.Сами по себе они не слишком страшны, но незакрашенные складки становятсяловушками для влаги и бактерий, что таит в себе известные неприятности.Горячее прессование убивает почти все бактерии и грибки, но после растрескиванияпопадающая на древесину инфекция в сочетании с водой приводит к быстромуее гниению.

Никогда не следует относиться с презрением к каким бы то ни было конструктивнымформам, в том числе и к биплану, построенному на струнах и стержнях. Главныйпоказатель, который определяет выбор материалов и конструктивных форм,-это отношение нагрузки на конструкцию к ее размерам. Когда нагрузки сравнительноневелики по отношению к размерам, обычно лучше сосредоточить сжимающиесилы в нескольких компактных стержневых элементах (стойках) и распределитьрастяжение в обшивке и струнах. Именно так построены оснастка парусныхкораблей, палатки, ветряные мельницы. С некоторыми оговорками это справедливои для воздушных шаров. Любые другие решения в подобных случаях приводилибы к тяжелым, дорогим и менее удобным конструкциям.

По понятным причинам все первые самолеты имели очень малую нагрузкуна крыло. Размеры во многих случаях были не намного меньше, чем у соответствующихсовременных самолетов, ну а вес такого самолета составлял менее 10% весасовременной машины с жесткой обшивкой. В таких условиях конструкция изткани, натянутой на каркас из древесины и бамбука, была и логичной, и эффективной.При мощности тогдашних двигателей аэроплан другой конструкции просто неподнялся бы с земли. Форма биплана позволяла построить отличную решетчатуюферму и кессоны - очень жизнеспособные и легкие конструкции. Массивныеэлементы были нужны только для того, чтобы воспринимать сжатие, и, посколькуглавная опасность в таких условиях крылась в потере устойчивости, эти элементыдолжны были быть возможно более простыми: лучше всего этим целям служилибамбук и ель. Для растянутых элементов использовалась рояльная проволока.Однако соединение бамбуковых элементов, работающих на растяжение, всегдабыло серьезной проблемой.

Такой способ конструирования давал отличные прочные самолеты лишь тогда,когда конструктор твердо знал, какой элемент будет нагружаться растяжением,а какой - сжатием. Ведь если стойка при необходимости и могла принять насебя растяжение, то уж проволока никогда не сопротивляется сжатию. В некоторыхбипланах посложней не всегда можно было проследить пути, по которым передаетсянагрузка. Недаром в ходу была банальная шутка: лучший способ проверитьправильность оснастки крыла биплана - посадить в середину канарейку; еслией удастся вылететь наружу - в конструкции какой-то непорядок.

Печально известен случаи с бипланом “Кафедральный собор”. Его создательС.Ф. Коуди питал пристрастие к сложной путанице расчалок, но ему не хваталотехнической грамотности. Мой дед, один из пионеров авиации, рассказывалмне, что однажды он долго спорил с Коуди по поводу того, будет ли в полетекакой-то элемент испытывать растяжение или сжатие. Коуди настаивал, чтоэлемент будет растянут, и поставил струну. Правота моего деда обернуласьдля Коуди трагически - он погиб через несколько минут после взлета. Естькакая-то ирония судьбы в том, что ситуация с “Кафедральным собором” былапрямо противоположна неприятностям с кладкой каменных соборов: они рушилисьиз-за того, что в тех местах, где, по предположению строителей, должнобыло быть сжатие, оказывалось растяжение.

Потребовалось немало времени и жизней, прежде чем были в достаточной степениизучены и поняты условия нагружения, в которых оказывается самолет в полете.Англичане во многом обязаны этим достижением группе одаренных людей,собравшихся в Фарнборо в первую мировую войну (знаменитая Чадлайфскаякучка[42]).

Принципы расчета и испытаний самолетов на прочность остаются и сейчас,в эпоху сверхзвуковых истребителей, во многом теми же, что и в годы деревянныхбипланов, хотя в практике этих операций появилось много нового.

Когда самолет спроектирован и построен, полноразмерный образец его долженбыть проверен на прочность и жесткость. Испытания на жесткость сравнительнопросты, но прочностные испытания иногда требуют громоздких и сложных приспособлений.В 1914 году самолет обычно переворачивали вверх ногами и затем на плоскостикрыла укладывали мешки с песком или свинцовой дробью, распределяя их так,чтобы они представляли аэродинамическую нагрузку на самолет в самых опасныхусловиях полета, например в случае выхода из пике. Довольно скоро нагрузкина самолет стали слишком большими и воспроизвести их этим методом уже неудавалось (хотя мешки с дробью иногда все еще используются для кое-какихпростых испытаний). В наши дни обычно прибегают к помощи гидравлическогодомкрата, который передает нагрузку на крыло через изощренную систему рычагов,напоминающую родословное древо. Каждая ветвь этого древа заканчиваетсякреплением на поверхности крыла. Благодаря тому, что точек крепления много,распределенный характер аэродинамической нагрузки можно имитировать оченьхорошо (рис. 42).

Рис. 42. Схема испытания крыла самолета. Нагрузка прикладывается к крылу всотнях точек, распределенных по обеим поверхностям. 1 - стальная рама;2 - гидравлический домкрат: 3 - крыло; 4 - имитация крепления кфюзеляжу.

Лучшие образцы деревянных бипланов, такие, как “Авро-504” и серия “Мотс”(“Мотылек”), были почти вечными. Разрушить их можно было, разве что врезавсо всего маху в землю. Чувство конструктивной надежности в полете на такихсамолетах, которые держались на стойках и расчалках, было очень приятным,настроение могли испортить лишь двигатели. Монопланы с консольными крыльямиказались намного опасней.

Однако с ростом нагрузок общая тенденция проектирования твердо повернуласьв сторону монококовой конструкции, то есть моноплана с жесткой обшивкой.Нагрузки в ней по возможности воспринимались обшивкой. Тонкая мембранаотлично сопротивляется растяжению; трудности связаны здесь с тем, как заставитьее воспринимать сжатие без выпучиваний. На практике этот вопрос решил компромисс:тонкая обшивка разделила нагрузку с лонжеронами и стрингерами. Вся этадовольно сложная конструкция образовала жесткую на изгиб, а следовательно,устойчивую против выпучивания оболочку.

Отличным примером первых таких самолетов был DC-3 позже известный как“Дакота”. Затем последовали “Спитфайер” и многие другие знаменитые самолетывторой мировой войны. Все они были металлическими, алюминиевые листы обшивкиклепались к стрингерам уголкового профиля. Такая конструкция оказаласьпо весовой эффективности практически эквивалентной деревянно-тканевой.Преимуществами ее были более гладкая наружная поверхность и силовая рама,почти полностью исключавшая уход за ней. Конструкция такого типа остаетсяи сейчас основной при проектировании самолетов.

В 1939 году широко распространилось мнение, что деревянным самолетампришел конец. Может быть, так оно и случилось бы, не возникни во времявойны нехватка алюминия, а также оборудования и квалифицированных кадров.Кроме того, мебельные фирмы сократили производство, да и время разработкидеревянного самолета всегда было намного короче, чем металлического.

Один многоопытный эксперт заработал своего рода славу, категорически заявив,что построить современный самолет из дерева технически невозможно. Едва успелипросохнуть чернила на его бумагах, как появился “Москито”. Этот деревянныйсамолет был одной из самых удачных машин, он был построен в 7781 экземпляре.Быть может, немцы не любили его больше, чем любой другой английскийсамолет[43].

Кроме “Москито” и учебно-тренировочных машин, огромную серию деревянныхаппаратов составили планеры. Большинство планеров имело значительные размеры,размах их крыла доходил до 35 метров. Зачастую они предназначались дляпереброски танков и другого тяжелого снаряжения. Вначале предполагали строитьпланеры в расчете лишь на один полет. Однако это оказалось непрактичным:необходимы были машины для тренировок, нужно было перебазировать планерыс аэродрома на аэродром в связи с изменениями стратегической и тактическойситуаций и - что более важно - рука не поднималась строить аэроплан толькодля одного полета. Практически эти планеры были очень похожими на самолет,разве что не имели двигателя.

В целом деревянный самолет был чрезвычайно удачным и, я думаю, сыгралнемалую роль в войне. Однако он задал в свое время немало разного родатехнических задач, которые с головой завалили работой небольшую группухимиков-органиков Авиационного центра в Фарнборо. Значительным в этой работеоказался вклад молодого кембриджского биолога Марка Прайера, специальноотозванного из прожекторной команды. Во многом благодаря Прайеру сократилосьчисло аварий, и большинство планеров долетало до Франции в удовлетворительномсостоянии. Немало солдат и авиаторов обязаны жизнью этому неутомимому биологу,который с аэродрома, мчался к микроскопу, от микроскопа - на самолетныйзавод, оттуда опять к микроскопу и так на протяжении нескольких лет.

Взвешивая сейчас все обстоятельства этой истории, трудно утверждать,что можно было бы заблаговременно предвидеть все возникшие тогда проблемы.К старым обтянутым тканью бипланам не было никаких претензий: их собиралииз небольших кусков дерева, содержали в добротных сухих ангарах, они самипо себе хорошо вентилировались. С самолетами военного времени все былоне так. Прежде всего новые машины имели монококовую конструкцию со сравнительнотяжелыми лонжеронами и стрингерами, жестко приклеенными к толстым фанернымстенкам и обшивке. (Мы еще поговорим позже о некоторых последствиях, ккоторым привело такое изменение конструкции). Самолет был разделен на большоечисло плохо вентилируемых и труднодоступных отсеков. В отсеках самолетов,оказавшихся под английским или тропическим дождем, воздух быстро становилсязатхлым, на дне их часто появлялись лужи. В таких условиях нескольких месяцеввполне хватало не только на разложение клея, но и на гниение древесины.Нелегко наладить вентиляцию, если конструктор о ней забыл, и очень частосамое лучшее, что можно было сделать, это оставлять все контрольные люкиоткрытыми во время стоянки на земле.

Однако во многих аэропланах свободная вода собиралась часто в самыхнедоступных местах. Нужно было позаботиться, следовательно, о дренажныхотверстиях, делать их следовало не где попало, а в самой нижней точке каждогоотсека. Поначалу из этого почти ничего не получилось. Просверленные в фанереотверстия изнутри окружала небольшая корона из щепок, которую нельзя былоне только удалить, но и увидеть. Щепки быстро забивались всяким пухом игрязью, блокировали отверстие, и снова появлялась лужа. Пришлось прожигатьотверстия раскаленным прутом - казалось бы, очевидное решение, стоило лишьоб этом подумать заранее. Такая процедура применялась как к самолетам,так и к торпедным катерам.

Прожженные дренажные отверстия, безусловно, помогали, но возникла новаяпроблема - грязь, которая забрасывалась вместе с водой не только в дренажные,но и во все другие отверстия колесами самолета при взлете и посадке. Водастекала, оставляя слой влажной грязи, часто содержащей семена различныхрастений. Семена попадали при этом примерно в те же условия, в которыхпрорастают семена огурцов или салата, завернутые во влажную тряпочку. Такойогород в самолете был, конечно, ни к чему.

В целом эти неприятности были особенно опасными в планерах. Самолеты,естественно, летают более часто, а сквозняки в полете идут на пользу конструкциии во вред грибку. Но планеров делали все больше и больше, в ангарах дляних не было места, так что их держали под дождем на задворках аэродромов.Более 5000 планеров ожидали начала военных действий. “Эксперты” не моглиуследить за состоянием всех этих машин, поэтому по инструкции Марка Прайераони должны были докладывать ему, учуяв исходящее от планера зловоние.

Причин зловония в деревянной конструкции может быть три: отсутствиедренажа, мыши и гниение. Все запахи одинаково неприятны и трудно различимымежду собой. Дренажные запахи исходят от недренируемой сточной воды, повреждающейконструкцию. Мыши, забираются в самолет за добычей - под досками пола онинаходят крошки от сэндвичей рабочих-сборщиков. К тому времени, когда грызунысъедают все крошки, они забывают путь наружу и, голодные, начинают пожиратьизоляцию проводов. С мышами Прайер боролся с помощью кошек. Проблема гниениябыла более сложной и трудной. В тогдашних обстоятельствах некоторые типыразложения в той или иной степени были почти неизбежными в большинствепланеров. В военное время не до погони за совершенством, нужда заставлялаотбраковывать лишь планеры, которые были поражены в опасной степени, пытатьсяприостановить гниение тех планеров, в которых оно только начиналось. Сделатьэто было непросто, так как существует около сорока различных типов гниения,степень повреждаемости от них неодинакова и не всегда пропорциональна внешнимпроявлениям.

Проблема гниения все время не давала нам покоя, но были и другие неменее серьезные проблемы. Как я уже сказал, общая схема конструкции этихаэропланов сильно отличалась от старых бипланов. Главные лонжероны и другиеосновные элементы конструкции представляли собой увесистые брусья слоистойдревесины, имевшие несколько дюймов в поперечнике; с трех сторон к нимобычно примыкали фанерные стенки, воспринимавшие сдвиг, и обшивка. Но разбуханиеи усадка еловых лонжеронов вдвое превышают разбухание и усадку фанеры,к которой они приклеены. Естественно, в результате этой разницы возникаютзначительные напряжения в клеевых соединениях двух разнородных материалов(рис. 43).

Рис. 43. Типичное для времени второй мировой войны деревянное крыло самолета.Темная часть конструкции - из слоистой ели, светлая - фанера. а -поперечное сечение; б - еловая полка лонжерона деформировалась больше, чемфанерные обшивка и стенки, в - разрушение полки лонжерона.

Большие куски древесины требуют довольно долгого времени чтобы прийтив равновесие с влажностью окружающей среды. Поскольку погода в Англии оченьпеременчива в деревянных деталях самолетов не успевали возникнуть большиенапряжения и, пока самолеты были в Англии, особых оснований для забот небыло. Но стоило им попасть за границу, ситуация резко менялась. Во многихстранах долгие сухие периоды сменяются не менее длительными дождями, втечение каждого из этих отрезков времени древесина успевает как полностьювысушиться, так и до предела пропитаться водой; усадка и разбухание огромны.Вот тут-то и начинаются серьезные заботы. Вдоль склейки появляются большиенапряжения. При плохом состоянии клея разрушается соединение; если оновыдерживает, разрушается древесина вблизи склейки. Спасти эти самолетыот такой напасти можно было, лишь отправив их назад в Англию.

Неприятности со склейкой возникали не только от самих клеев, но и подругим причинам. Наихудшим случаем было так называемое “закалочное” разрушение.Вы представляете себе, конечно, что способов испытаний клеевых соединений,которые фактически являются неотъемлемой частью самолета, не существует.Испытать их можно только ценою поломки всего самолета, а это значило бынаносить ущерб самим себе. Поэтому остается полагаться в значительной степенина внешний вид склейки да на контроль в процессе производства. И вот вскорепосле того, как было развернуто крупносерийное производство деревянныхаэропланов, выяснилось, что некоторая часть авиационной фанеры вообще несклеивалась. Места склейки, выполненной со всей необходимой аккуратностью,выглядели вполне нормально, но не имели никакой прочности. В некоторыхслучаях их легко можно было разорвать руками. Хуже всего то, что невозможнобыло сказать, какой лист фанеры плох, а какой - хорош.

А дело оказалось вот в чем. Древесина состоит из трубочек с довольнотонкими стенками. Когда она разрезается, трубки на срезах очень редко бываютпараллельны их поверхности. Поверхность образуется большим числом трубок,выходящих наружу под малым углом, то есть она представляет собой наборнаклонных отверстий. В то же время операция разрезки в микроскопическоммасштабе - действие довольно грубое, поэтому кромки среза у трубок поврежденыи механически довольно слабы. Чтобы склейка была надежной, клей долженпроникнуть в эти трубки на некоторую глубину, схватывание происходит тогдамежду их неповрежденными частями.

Если что-то мешает клею просочиться в трубки, склейка произойдет междуих поврежденными кромками, которые при малейшей нагрузке легко разрушаются.В процессе изготовления “закаленной” фанеры кромки трубок загнуты внутрьгорячими плитами пресса. Они преграждают путь клею внутрь трубок, и клеевоесоединение не имеет прочности (рис. 44).

Рис. 44. «Закаленная» (а) ихорошо зачищенная (б) фанера. В первом случае выходящие на поверхностькромки клеток в процессе горячего прессования загнулись внутрь и клей неможет попасть в трубочки древесины. Во втором случае клей попадает в трубочкина значительную глубину, обеспечивая надежную склейку

Такая фанера была смертельно опасной, в ней крылась причина многих аварийи жертв. Единственный путь избежать этих опасностей заключался в снятииповрежденного слоя фанеры путем зачистки поверхности шкуркой. Зачисткадолжна была быть основательной, легкое царапание ничего не давало. Определить,какие листы в дальнейшем не поддадутся склейке, заранее не удавалось, поэтомунадо было зачищать всю фанеру, которая использовалась в самолетостроении.Оказалось, что это не так-то просто организовать. Полагаться на ручнуюзачистку оказалось невозможным, и была разработана система механизированнойобработки, после которой на фанере ставился специальный штамп.

Древесина - не тот материал, который может все стерпеть, и громаднымчислом неприятностей деревянные аэропланы обязаны небрежности, котораямогла встретиться на любом этапе их создания и эксплуатации. Некоторыеконструкторы считали, что дерево “обязано” вести себя подобно металлу.И если они совершали ошибки по этой причине, то, по их мнению, виновнымбыло дерево, а не они сами. Военные авиатехники, особенно новички, быливоспитаны в почтении к металлу, и для работы с древесиной им зачастую нехватало терпения. Бывало и такое: один техник, в гражданской жизни - владелецгаража, каждое утро выстраивал свои самолеты на асфальтированной площадкеи основательно поливал их из шланга.

На заводах недоставало опытных контролеров, они работали с перегрузкой.И если некоторые ошибки объяснялись непониманием каких-то тонкостей, то,боюсь, что остальные - только преступной глупостью и безответственностью.Всегда найдутся люди, для которых ничего не значат абсолютно очевидныетехнические нормы и последствия отступлений от них. Склеивание - работа,требующая не столько специальных навыков, сколько ответственности. Малейшаянебрежность может иметь опасные последствия.

С этим, я думаю, связаны истинные трудности изготовления деревянныхаэропланов. Нужны они были в больших количествах, и делали их в спешкенеквалифицированные рабочие. Древесина же - материал для мастера, она неответит добром на отступления, неизбежные в чрезвычайном положении.

По всем этим причинам деревянные самолеты теперь в немилости. Однаколишь очень смелый оракул скажет, что им никогда не вернуться. Нельзя предсказать,в какой области техники древесина появится в следующий раз. Сейчас естьочень хорошие автомобили с деревянной рамой. Говорят, их не обошел своеймилостью коммерческий успех.

И пришли надзиратели сынов Израилевых и возопили кфараону, говоря: “Для чего ты так поступаешь с рабами твоими? Соломы недают рабам твоим; а кирпичи, говорят нам, делайте. И вот рабов твоих бьют;грех народу твоему”. Но он сказал: “Праздны вы, праздны; поэтому и говорите“Пойдем, принесем жертву Господу”. Пойдите же, работайте. Соломы не дадутвам, а положенное число кирпичей давайте”.

( Исход. Глава 5 ) (Библия)

Со времен фараона, у которого были трудности с добавлением соломы в кирпичи,человек всегда использовал те или иные армированные материалы. Тем не менееособое положение как прочные материалы они заняли лишь совсем недавно.

Можно сказать почти наверняка, что добавление рубленой соломы в египетскиекирпичи преследовало ту же цель, к которой стремились инки и майя, добавлявшиев свою керамику растительные волокна: предупредить растрескивание глиныпри быстрой сушке на солнце. Египтяне не обжигали свои кирпичи, да этои не имело особого смысла, потому что вряд ли в Египте стоило опасатьсядождя. Глина во влажном состоянии образует отличную податливую массу, ноее усадка при сушке очень существенна и проблема сушки глины напоминаетпроблему выдержки древесины. Если не сушить медленно, глина будет растрескиваться.Египетское солнце сушит блестяще, но уж очень быстро, поэтому полезно добавитьнемного соломы чтобы уменьшить растрескивание. Возможно, что упрочняющеевлияние волокон на глину после сушки было лишь побочным эффектом.

Однако даже довольно малые добавки волокна оказывают существенное влияниена прочность и вязкость сравнительно хрупких непрочных материалов. Можнопривести много таких примеров. Вот один из них. Прежде у английских строителейбыл обычай добавлять в штукатурку стен немного волоса. Я помню даже, какв детстве один штукатур говорил мне, что для этой цели бычий волос гораздолучше коровьего, потому что бык, конечно же, намного сильнее коровы. Яникогда не экспериментировал ни с бычьим, ни с коровьим волосом, так чтособственной точки зрения на сей счет не имею. Но я добавлял сырую бумажнуюмассу в алебастр. Великолепные результаты этой операции показаны на рис. 45.

Рис. 45. Влияние добавки волокон на ударнуювязкость алебастра (испытание падающим шариком)

Рис. 46. Влияние добавки волокон на ударнуювязкость фосфатного цемента (испытание падающим шариком)

Очевидна очень резкая тенденция к увеличению ударной вязкости, дажесовсем небольшие добавки волокна дают весьма ощутимое улучшение. К сожалению,добавка волокон в мокрый алебастр ведет к его быстрому загустению, иногдасмесь с 2-3% волокон уже невозможно перемешать. Правда, с этим злом можнокак-то бороться, выбирая другие типы цементов и уплотняя полученную смесьпод прессом. На рис. 46 показано влияние асбестовых волокон на ударнуювязкость фосфатного цемента (этот цемент очень похож на тот, которым пользуютсязубные врачи).

Картина напоминает предыдущую с той лишь разницей, что содержание волоконв этом случае может быть большим, следовательно, возрастут и прочность,и вязкость. Во время второй мировой войны самые тяжелые потери на мореприходились на центральные районы Атлантики, где невозможно было обеспечитьприкрытие с воздуха. Покойный Джефри Пайк предложил довольно эксцентричныйвыход из положения: отбуксировать в Центральную Атлантику какой-нибудьайсберг чтобы использовать его в качестве базы для самолетов. Это былапо-своему блестящая идея, но исследования показали что механические свойстваестественного льда слишком неподходящи для ее реализации. Обычный лед оченьне прочен при растяжении, трещины в нем распространяются легко (вот почемуледоколы могут зарабатывать себе на хлеб), и - что хуже всего - прочностьльда очень не постоянна. Поэтому разбомбить или торпедировать айсберг несоставило бы никакого труда. Но даже если бы он и не подвергся нападению,чтобы служить авиабазой он должен быть настолько большим, чтобы на егодлине умещались по крайней мере две атлантические волны (во время штормаих бывает примерно 5-6 на милю) А расчеты показывали, что в этом случаеон сломался бы, как балка при изгибе.

Пайк предлагал обойти эта затруднения, добавив в лед немного древеснойпульпы. Ему удалось доказать, что около 2% обычной сырой бумажной массы,добавленной к воде перед замораживанием, резко улучшают свойства льда ивдобавок делают их более стабильными. Кривая прочности и вязкости льдав зависимости от добавок целлюлозного волокна очень похожа на кривые, показанныена рис. 45 и 46. Расчеты подтверждали, что в этом случае лед был бы достаточнопрочным и весь проект оказался бы реальным. Предполагалось добавить древеснуюмассу в воду и дать ей возможность естественным образом замерзнуть в заливеНьюфаундленда. Но с этой идеей пришлось расстаться, так как возросший радиусдействия самолетов и общая военная обстановка на Атлантике сделали ее ненужной.Пожалуй, в некотором смысле об этом стоит пожалеть.

Вообще говоря, хрупкие материалы становятся более вязкими и прочнымипри очень малых добавках волокна потому, что само присутствие волокон тормозити отклоняет трещины со своего пути. Вероятно, все это разыгрывается навнутренних поверхностях раздела. Сейчас трудно точно сказать, как это происходит,но, по-видимому, дальнейшие исследования прольют свет на механизм процесса.В той форме, о которой мы сейчас говорили, - довольно малый процент беспорядочноориентированных волокон в хрупкой матрице, - комбинированные материалыне пользуются сейчас особым спросом (возможно потому, что сегодня никомуне нужны кирпичи солнечной сушки или мобильные айсберги). Но я совсем неудивлюсь, если подобная идея, но в другом виде войдет в моду снова. В настоящееже время бытует мода на несколько иной способ использования волокон.

Те, кто работает в области волокнистых материалов, получают всякогорода доброжелательные предложения о схемах и принципах, которые следовалобы опробовать. Почти все эти советчики не учитывают того, что, если выхотите получить новый материал, способный конкурировать с довольно хорошимисуществующими материалами, необходимо в заданный объем ввести большое числоволокон. А вот здесь-то и начинаются реальные трудности.

Простые системы, о которых мы сейчас говорили, содержат примерно 2%коротких волокон, добавленных в матрицу. Такая матрица на некоторой стадиинаходится в более или менее жидком состоянии, и, чтобы ввести в нее волокна,достаточно размешать смесь ложкой. При большом содержании волокна такаяоперация оказывается на практике неудобной, процесс становится неуправляемым.Суспензии длинных тонких волокон в жидкости очень напоминают растворы,содержащие длинные тонкие молекулы. Оба типа веществ имеют тенденцию кзагустению, с которой трудно управиться, пока не изучишь все ее особенности.В производстве бумаги (из которой сделана и эта книга) бумажная масса,то есть суспензия древесных волокон в воде, разбавляется до концентрации~0,5% и именно в таком виде перерабатывается, так как все операции приэтом облегчаются.

Если содержание волокна превышает примерно 2%, добавлять волокна к матрицестановится невозможным, приходится добавлять матрицу к волокнам. При этомвсе, естественно, изменяется. Почти всегда волокна плотно упаковываются,например в форме бумаги или ткани, а затем пропитываются в смоле или каком-либодругом связующем материале. Оказывается, что это тоже очень старая идея,принадлежащая все тем же египтянам. Оболочки египетских мумий, имевшиевесьма сложные формы, делались из папье-маше. Этот материал получаетсянаклейкой кусков бумаги на модель с помощью клейстера или гуммиарабика.Когда клей высыхает, оболочка снимается с формы и красится. В Египте вэтих случаях зачастую в дело шли папирусы. Когда археологи отпаривают ихпо слоям, как правило, они уже непригодны для чтения, но, тем не менее,именно этот процесс помог обнаружить небольшое, по важное направление вгреческой литературе. Видимо, только так можно надеяться восстановить работыСапфо.

Когда вышел из употребления папирус, исчезло и папье-маше. Возродилосьоно, почти без всяких изменений, уже в XVIII веке. Особенно широко папье-машеиз бумаги использовалось тогда во Франции для изготовления мебели. До самогопоследнего времени в Англии его применяли для рекламных макетов, а в войнуиз папье-маше делали топливные баки и другие части самолетов, Метод полученияизделий из папье-маше вплоть до примерно 1945 года ничем не отличался отдревнеегипетского, разве что вместо папируса использовалась бумага.

Поскольку подобные сведения могут оказаться полезными, стоит короткорассказать, как делается папье-маше. Прежде всего из глины, пластилинаили алебастра должна быть сделана необходимая модель. Модель покрываетсятальком, льняным маслом или силиконовым лаком, чтобы папье-маше к ней неприлипло. Можно использовать почти любую бумагу, но лучше всего мягкую.Самый хороший клей для наших целей - водянистая смесь мездрового клея итак называемой канцелярской пасты (крахмальной). По густоте эта смесь должнанапоминать гороховый суп. Когда все готово, нарвите кусочков бумаги размеромпримерно в ладонь и замочите их в клее, пока они не станут совсем мягкими.Затем облепите этими листочками модель, продолжая занятие до тех пор, покане получите нужную толщину. Когда все это полностью высохнет, вид у вашегоизделия может оказаться не очень презентабельным, но не огорчайтесь - египтяне,наверное, испытывали то же чувство. Дело можно поправить, если зачиститьвсе шкуркой и покрасить. Не поскупитесь на несколько слоев масляной краски,так как именно от этого зависит защита материала от непогоды. Влагостойкостьтакого изделия, конечно, неважная, но она не так плоха, как можно былобыпредположить, а механическая прочность на удивление высока. Не пытайтесьиспользовать синтетический клей, иначе ваше изделие будет хрупким, возможноиз-за хорошей адгезии.

Если бы у папье-маше сопротивление воде и грибкам не было бы хуже, чемдаже у натуральной древесины, этот материал применялся бы гораздо шире,так как легкие и прочные оболочечные конструкции со сложными кривыми поверхностямивсегда необходимы для изготовления автобусов, лодок, панцирей, ванн, мебели,тары, топливных баков и т.д. Однако столетиями использование папье-машебыло ограничено отсутствием водостойких клеев, и человек вынужден был делатьтяжелые легко уязвимые и трудоемкие оболочки из металла.

В 1906 году доктор Бейкеленд обнаружил, что между фенолом и формальдегидомможет протекать химическая реакция с образованием смолы. Вначале жидкаяили немного тягучая, смола может стать после нагрева твердой, довольнотугоплавкой и нерастворимой. Бейкеленд был человеком весьма предприимчивым,к тому времени он успел уже сколотить некоторое состояние на изобретениии внедрении фотобумаги типа “Велокс”, но, по-видимому, даже он не очень-торассчитывал на более или менее широкое применение своей смолы. Вначалеона появилась в продаже в качестве заменителя натуральных смол в лакахи глазурях. Мне говорили, что огромная компания “Бакелит” начинала своюжизнь под вывеской “Лаковая компания Даммард”, выпустив на рынок три сортаглазурей: “Даммард”, “Даммардер”, “Даммардест”.

Сама по себе затвердевшая бакелитовая смола - твердое хрупкое веществос небольшой прочностью, очень напоминающее натуральную смолу. Ее использоваликак добавку к лакам, особенно в электротехнике для изоляции. Потом обнаружилось,что она превосходно клеит древесину в фанерном производстве. Но в чистомвиде для конструкционных целей она не находила применения. Поворотным пунктомпослужили наблюдения Бейкеленда - он обнаружил, что если к смоле до еезатвердевания добавить волокон, то это резко меняет ее прочность.

С этого и началось использование так называемых формовочных порошков.Они представляют собой смеси частично затвердевшей смолы и коротких целлюлозныхволокон применяемых обычно в виде древесной муки. Такой сухой порошок насыпаютв нагретую стальную пресс-форму. Здесь порошок размягчается, и под давлениемполучившаяся масса затекает во все уголки формы, после чего происходитнеобратимое твердение. Первой серийной деталью, сделанной по этой технологии,считается ручка рычага переключения скоростей автомобиля “роллс-ройс” (1916 год).

Этот материал, получивший название бакелита, быстро приобрел популярность,так как был легким и дешевым и делал нетрудоемким изготовление деталейдаже очень сложных форм. Бакелит стал настолько популярным, что одно времясерьезно обсуждался проект наводнения похоронного рынка бакелитовыми гробами.Применение бакелита сдерживалось тем, что обычный технический бакелит былслабым и хрупким, поскольку в нем использовались очень короткие волокна,лишь незначительно упрочнявшие смолу. Он был хорош лишь тем, что смесьлегко формовалась, и поэтому стоимость производства была небольшой.

Пресс-порошки сразу же привели к сокращению производства бирмингемовскойбронзы. Следующим результатом была волна возмущений (пожалуй, бесплодных)со стороны потребителей, которым не нравились внешний вид и хрупкость новогоматериала. Частенько, отведя в сторону, мне шептали: “Говорят, сюда засунулиопилки, чтобы сделать дешевле?” Нужно было объяснять, что без опилок былобы хуже и что в любом случае чего еще ждать при такой низкой цене. Ведьнебольшие бакелитовые изделия вроде корпуса выключателя стоили три шиллингасотня! Нужно сказать, что вскоре подобные изделия стали значительно лучше.Одной из причин этого явилась конкуренция со стороны намного более вязкихтермопластов, таких, как полиэтилен и нейлон.

Процесс получения изделий из пресс-порошков очень прост. Достаточнозасыпать в горячую пресс-форму заранее взвешенную порцию порошка и нажатькнопку пресса. Какой бы сложной ни была форма, порошок заполнит ее, растекаясьподобно жидкости. Это очень удобный и эффективный процесс, особенно дляпроизводства небольших изделий электротехнического назначения. Например,при прессовании корпуса настенного выключателя пластичная масса должнарастекаться вокруг многочисленных латунных деталей. Но, как вы уже знаете,для этого нужно использовать довольно короткие волокна, которые дают сравнительнонепрочный и хрупкий материал. Ведь в смоле трещина, встретив на своем путикороткое волокно, может легко обойти его и продолжить свой путь дальше.

Если от материала требуется максимальная прочность, для армированияследует использовать длинные аккуратно уложенные волокна. Далеко не всегда,однако, можно заставить такой материал заполнить форму. Поэтому в слоистыхпластиках, разработанных в 20-е годы, бумага или ткань пропитывались растворомфенольной смолы (обычно спиртовым). После сушки пропитанные слои укладывалимежду тщательно выверенными параллельными нагретыми плитами гидравлическогопресса, где смола затвердевала под давлением около 150 кГ/см².

Такой материал был довольно дорогим, но хорошим по качеству, а некоторыеего сорта обладали довольно высокой прочностью и вязкостью. Фенольные смолыимеют черный или грязно-коричневый. цвет, поэтому листы слоистых пластиковне использовали для декоративных целей. Вначале большая часть пластиков,наполненных бумагой (гетинаксы), использовалась в качестве электроизоляционныхматериалов; пластики на основе ткани (текстолиты), будучи очень вязкими,шли на изготовление шестеренок, подшипников, кулачков. В послевоенные годыпоявились меламиновые бесцветные смолы, а с ними и возможность делать поверхностьлистов цветной или узорчатой. Материал в толще листа оставался при этомпрежним, на основе коричневой пропитанной фенольной смолой бумаги, чтои прочнее, и дешевле. Такой комбинированный материал оказался очень подходящимдля покрытий столов и панелей и сыграл большую роль в “кухонной революции”.

Декоративные листы пластика, которых сейчас много в продаже, сравнительнонепрочны и хрупки, но, поскольку они почти всегда приклеиваются к достаточножестким основаниям (например, к деревянной табуретке), это не имеет особогозначения. В наши дни трудно себе представить что до появления этих материаловпросто не существовало действительно удовлетворительных покрытий для столов.Невероятное число женских человеко-часов тратилось на то, чтобы скрестидеревянную поверхность, ведь по своей пористой природе она неотразимо притягиваетк себе грязь.

Хотя целлюлоза в таких пластиках и сохраняет в основном свое пристрастиек воде, наивреднейший остаток воды в ней может быть уменьшен путем сушкиволокон с последующей формовкой и отверждением материала в возможно болеесухом состоянии. Если это сделано, каждое волокно зажато и ограничено вперемещениях матрицей и другими волокнами. Поэтому разбухание резко уменьшается,хотя через смолу и проникают пары воды. Поскольку бумага (или ткань) должнабыть покрыта смолой на одной из первых стадий технологического процесса,а сушка производится непосредственно перед прессованием, то вместе с целлюлозойсохнет и смола. А ведь легкость, с которой фенольная смола заполняет горячуюформу перед затвердеванием, очень сильно зависит от количества имеющейсяводы; поэтому сухая смола требует более высоких давлений для равномерногораспределения ее в объеме материала и получения нужных внутренних связей.Это приводит к тому, что получать такие материалы с приличной водостойкостью,используя небольшие давления (заметно меньше 150 кГ/см²),обычно невозможно. Общая нагрузка, которую нужно приложить к стандартнойпанели размером 240X120 см, будет, следовательно, около 5000 т; поэтомуизготовление текстолита и гетинакса требует дорогого оборудования.

На влагостойкость текстолита и гетинакса влияют также некоторые химическиеособенности процесса пропитки. Можно значительно снизить захват влаги засчет правильного выбора смолы. Так часто и делают в производстве электротехническихматериалов. К сожалению, хорошая влагостойкость означает блокирование гидроксиловв целлюлозе, а это делает ее хрупкой и потому малопригодной для конструкционныхцелей. Сразу после войны я видел самолет, построенный немцами из материалатипа гетинакса. Чтобы обеспечить вязкость, они, насколько осмелились, снизилисопротивление материала влаге. Оказалось, что они перестарались: к томувремени, когда я его видел, он простоял под открытым небом три месяца иразваливался на куски.

Во время войны в Англии много работали над листовыми пластиками, армированнымицеллюлозными волокнами, для замены ими алюминия в обшивке самолета. Намудалось, сохраняя достаточную вязкость, снизить вызванное колебаниями влажностиполное изменение размеров в плоскости листа до 0,8%. Затем в порядке экспериментамы обшили часть поверхности двенадцати находившихся в строю самолетов.Никаких аварий не последовало, но и положительных результатов мы не получили.Дело в том, что листы были, конечно, приклепаны к алюминиевому каркасу,который не мог ни разбухать, ни усыхать вместе с ними. И в результате насамолетах, летавших в пустыне, пластики так натягивались, что линия заклепочногошва оказывалась усеянной трещинами; в то же время во влажном климате, особеннопосле таяния снега, листы угрожающе выпучивались и коробились. В концеконцов пришлось от этой затеи отказаться. Практически колебания размеровармированных целлюлозой материалов всегда будут составлять около 1%. Этоне согласуется ни с металлом, ни с древесиной, ни с фанерой - и потомуделает невозможным применение таких материалов в широких масштабах.

Использование прочных слоистых пластиков сегодня практически ограничиваетсяплоскими листами, которые можно прессовать между тщательно вывереннымиплитами. Для изготовления фигурных изделий необходимо иметь профилированнуюстальную пресс-форму, состоящую из двух половинок. В любом случае это довольнодорогое практически неизменяемое приспособление, но даже не оно делаетпрофильное прессование на редкость трудным. Трудность здесь связана с тем,что такой материал почти не течет в процессе прессования. Поэтому долженочень точно выдерживаться зазор между двумя половинками пресс-формы. Еслиэтого не обеспечить, то вся нагрузка придется на те участки, где зазорменьше нормы а остальной материал не будет прессоваться совсем.

Трудности и дороговизна этой операции вполне достаточны, чтобы отпугнутьинженеров, особенно сейчас, когда в их распоряжении есть другие, болеепростые пути получения прессованных изделий. Однако в конце 30-x - начале40-х годов других путей не было, поэтому, несмотря на тяжелую и дорогуюоснастку, несколько серьезных больших деталей пошло в производство по описаннойтехнологии. Помнится, так было сделано стандартное кресло пилота для самолета-истребителя,которое использовалось в “Спитфайере” и некоторых других машинах. Эта довольнобольшая и сложная конструкция собиралась на болтах из нескольких профильныхдеталей, полученных прессованием. В работе она выдерживала нагрузки порядкатонны и никогда не доставляла беспокойства. С другой стороны, экономиявеса и стоимости по сравнению с клепаным металлическим креслом не былаочень уж велика.

Современные армированные пластмассы ведут свое начало от материаловна основе неорганических волокон, нашедших применение в конце войны. Впервыеподобные материалы использовали для изготовления антенных обтекателей,которые представляют собой куполообразную конструкцию, где размещаетсяантенна локатора. Обтекатель должен быть прозрачным для радиоволн, поэтомуматериал для него требуется неэлектропроводный. В качестве основы такогорода материала наибольшим успехом и по сегодняшний день пользуется стекловолокно.

Состав его немного изменился, но в остальном волокна похожи на те, которыевытягивал Гриффитс почти полвека назад. Процесс их вытягивания механизирован,сейчас стекло плавится в нагреваемом электротоком платиновом контейнере,в дне которого имеется обычно 200 или 400 маленьких отверстий. Через каждоеиз этих отверстий тянется волокно, которое охлаждается и затвердевает попути к расположенному под контейнером вращающемуся барабану, на которыйоно наматывается. Обычный диаметр волокон - от 5 до 10 мкм. Их прочностьна разрыв сразу после вытягивания составляет, по-видимому, 300-350 кГ/мм^2,но при последующих операциях она снижается. Поскольку свежие волокна имеюттенденцию склеиваться между собой, а за этим следует взаимное разупрочнение,волокна на пути от контейнера к барабану подвергаются специальной обработке,в результате которой на них появляется защитная пленка. Эта пленка предохраняетот повреждений при последующих операциях, например ткани. Перед операциейпропитки смолой эта пленка удаляется - ее растворяют или сжигают.

После того как волокна вытянуты и намотаны на барабан, дальнейший ходсобытий зависит от назначения будущего изделия. Мы уже говорили, что вформу нужно уложить как можно больше волокон просто потому, что они разво сто (по крайней мере) прочнее смолы. Поэтому при прочих равных условияхпрочность полученного материала будет пропорциональна содержанию волокон.В стекломате, содержащем отдельные волокна, их концентрация очень и оченьмала, поэтому стекловолокно в таком виде используется редко, только в специальныхслучаях. Лучшая упаковка волокон получается в параллельных пучках, напримерв нитях или пряже. Нити обычно содержат несколько сотен отдельных волокон.

Поскольку волокна непрерывные, нет нужды использовать большую круткунити, чтобы держать их вместе. Иногда после пропитки смолой такая пряжаиспользуется для изготовления путем намотки - разного рода резервуаров,труб, сосудов давления. Для многих высококачественных изделий из стеклонитиделают специальную ткань, которая выглядит как дорогой белый сатин.

Стеклопластики из ткани хороши своей прочностью, но изделия из них довольнодороги. И дело здесь не столько в высокой стоимости самого материала, скольков том, что стеклоткань не очень удобна для автоматизации процесса полученияпрофильных изделий. Поэтому наибольшая часть производимого стекловолокнаприменяется в виде мата из рубленой стеклопряжи. Пряжа рубится на кускидлиною 5 - 8 см и идет главным образом на получение плоских матов путемнанесения этой волокнистой массы на проволочную сетку, покрытую слабымбыстросохнущим клеем. Прижимается мат к сетке с помощью воздушной струи.Когда клей высыхает, мат снимается с сетки, и с ним можно обращаться, какс листом бумаги. Для изготовления фигурных изделий мат разрезается на подходящиекуски, которыми обклеивают соответствующую модель, пока не получается детальнужных размеров и конфигурации.

При изготовлении больших партий профильных изделий используют ту жетехнику обдувания воздушными струями, поскольку этот процесс можно автоматизировать.Он применяется при изготовлении таких изделии, как шлемы корпуса пишущихмашинок и т.д. Вместо металлической сетки здесь используется сетчатаямодель, на которую тем же способом наносится стекломат. Полученный стекломатавтоматически перемещается в нагретую стальную пресс-форму, здесь к немудобавляется основная связующая смола, которая твердеет под давлением.

Помимо высокой прочности, стекловолокно имеет еще одно достоинство -оно не разбухает в воде, поэтому операцию формовки нет нужды проводитьпод большим давлением. Значит, можно использовать недорогие, легко изменяемыепресс-формы и отказаться от мощных гидравлических прессов.

При формовке стеклопластиков в качестве связующего можно использоватьфенольные смолы, но обычно лучше применять смолы (например, полиэфирные),разработанные специально для этой цели. Многие из производимых смол твердеютне только при очень малых давлениях, но и при комнатной температуре - последобавления катализатора.

Это привело к технологии, которую можно было бы назвать “методом ведраи щетки”. Очень популярный среди любителей и небольших фирм, такой способпочти ничем не отличается от египетского способа получения папье-маше.Слои холоднотвердеющей смолы и стекломата (или стеклоткани) попеременнонакладывают на простую гипсовую модель и оставляют в таком виде на время,необходимое для отверждения. Если вся процедура проделана добросовестнои аккуратно, получится вполне нормальная конструкция. Правда, затраты трудабудут великоваты, если потребуется сделать десятки таких изделий. Но дляизготовления очень больших конструкций, например лодок, - это практическиединственный путь.

Одна из трудностей этой технологии заключается в том, что она не позволяетполучить двух совершенно одинаковых изделий, так как надлежащий контрольпрактически невозможен. Ну а поскольку прочность такой переменчивой конструкциипредсказать довольно трудно, этот метод не совсем годен для изготовлениясамолетных конструкций.

Чтобы получить изделие хорошего качества, смола должна твердеть в сухой,теплой, контролируемой атмосфере, а это не всегда возможно в условиях полукустарныхмастерских. Именно отсюда возникают жалобы на лодки из стеклопластиков- их зачастую делают в холодных сырых сараях. На хороших заводах эту операциюпроделывают в обогреваемом (и дорогом поэтому) помещении, а кустари и любителис наибольшим эффектом могут приложить свои силы к доводке корпусов, изготовленныхпрофессионалами на подходящем оборудовании.

Для больших конструкций вроде судовых корпусов становится важной стоимостьмодели, так как количество производимых изделий обычно невелико. В такихслучаях лучше использовать недорогие модели, а смоле дать возможность медленнотвердеть при комнатной температуре. Кроме того, при этом допустима длительнаяручная доводка затвердевшей оболочки. Но если мы имеем дело с такими изделиями,как шлемы или чемоданы, экономическая картина меняется. В подобной ситуацииобычно применяют состоящую из двух половинок стальную нагретую пресс-форму.Стекловолокнистую заготовку опускают в пресс-форму и перед самым захлопываниемдобавляют в нее определенное количество жидкой смолы горячего твердения.Скорость затвердевания подбирается так, чтобы смола, прежде чем затвердеть,успела равномерно пропитать стекломассу. Затем остается лишь извлечь изформы готовое изделие - почти никакой ручной доводки не требуется, таккак пресс-форма тщательно отполирована. Весь процесс получения волокнистойзаготовки, установки ее в пресс-форму, пропитки смолой и твердения можетвыполняться в одной большой машине в течение нескольких секунд, в то времякак ручная укладка стекловолокна требует часов и даже дней.

В первых армированных материалах количество волокон было небольшим иволокно вводилось с целью нейтрализации грубых дефектов слабой хрупкойматрицы. О таких материалах правильно говорить как об армированных. Однакосо временем назначение матрицы изменилось - она стала служить только длясклеивания прочных волокон между собой; теперь мы стремимся использоватьматрицу лишь в количествах, необходимых для надежного связывания волокон.Такие системы правильнее было бы называть связанными волокнистыми материалами.

Серьезное изучение свойств этих систем - предмет трудный и в высшейстепени математизированный. В последнее время он получил признание и дажесделался модным в академических кругах. Не вдаваясь в детали, можно сказать,что свойства массы склеенных между собой волокон более или менее следуютпредсказаниям, полученным с помощью элементарного расчета. Обычно труднополучить материал, содержащий более50% волокон по объему. Прочность готового стекловолокна можно считатьравной примерно 200 кГ/мм², а его модульЮнга - 7000 кГ/мм². Пруток стеклопластика(например, спиннинговое удилище), в котором все волокна уложены параллельнооси, будет иметь прочность 100 кГ/мм²,а модуль Юнга 3500 кГ/мм², поскольку смолапочти не вносит своей доли ни в прочность, ни в модуль, хотя, конечно,увеличивает вес. Рассчитанный по простому правилу смесей, удельный весматериала составит 1,85 Г/см³, если в немне будет пор (а так и должно быть); удельный вес стекла - около 2,5, асмолы - 1,2 Г/см³. Мы можем поэтому составитьследующую сравнительную таблицу.

Материал / Удельный вес, г/куб.см. / Предел прочности, кГ/кв.мм. / Удельная прочность / Модуль Юнга, кГ/кв.мм. / Удельный модуль Юнга

Стеклопластик (параллельные волокна) / 1.85 / 100 / 54 / 3500 / 2000

Стеклопластик (стеклоткань) / 1.85 / 50 / 27 / 1750 / 1000

Мягкая сталь / 7.8 / 40 / 5 / 21000 / 2700

Высокопрочная сталь / 7.8 / 200 / 26 / 21000 / 2700

Из таблицы ясно, что сравнивать сталь и стеклопластик не оченьпросто. Грубо говоря, стеклопластики прочнее стали, особенно по отношениюк удельному весу. Но по жесткости они хуже сталей, даже если принять вовнимание намного меньшую плотность. В этом отношении они уступают и дереву.

Как и в случае с древесиной, сравнение в известной степени зависит оттого, в скольких направлениях должен быть прочным материал. Конечно, наивысшиецифры дает материал, в котором все волокна и, следовательно, прочность,направлены вдоль одной оси; но технические приложения материалов такоготипа сильно ограничены. Когда одинаковое число волокон пересекается подпрямым углом, мы имеем материал, напоминающий фанеру: половина прочностиоднонаправленного материала под углами 0° и 90° и несколько меньшая прочностьпод углом 45°. Такой материал может быть получен при армировании стеклотканью.

Из теории следует, что если мы хотим иметь действительно одинаковыесвойства во всех направлениях волокнистого листового материала, то этогоможно достичь несколькими способами укладки волокон. Все эти способы армированиядают треть прочности и жесткости однонаправленных систем. Эксперимент оченьхорошо подтверждает теорию. Однако на практике обычно используется стеклопластикс матами из рубленой пряжи. Таким армированием очень редко удается достичьсодержания волокон 50% (волокна укладываются некомпактно), поэтому мы должны,пожалуй, рассчитывать на прочность, меньшую чем треть прочности однонаправленногоматериала. Такого рода стеклопластики обычно используются для сравнительнонедорогих поделок, где большей прочности, возможно, и не требуется. Нодаже и они, как правило, превосходят мягкую сталь по удельной (отнесеннойк весу) прочности. Вот по жесткости армированные пластики - и в частности,стеклопластики - не могут конкурировать ни с металлами, ни с древесиной.В этом одна из главных трудностей применения стеклопластиков в большихконструкциях - судах, корпусах автомашин и т.д. По той же причине их вычеркиваютв настоящее время из списка материалов, пригодных для силовых конструкцийсамолета. Правда, можно было бы повысить жесткость автомобильного кузова,подкрепив его изнутри стальными трубами, но стоит ли тогда связыватьсяс пластиками?

Металлы - почти, изотропны, то есть их свойства примерно одинаковы вовсех направлениях. Эта особенность очень важна для таких деталей, как коленчатыйвал, где металлы поэтому незаменимы. Но там, где это свойство не стольсущественно (оболочки, панели), лучше применять волокнистые пластики. Получитьизотропные свойства в волокнистом материале практически невозможно, потомучто очень трудно плотно уложить волокна в трех направлениях сразу. Дажестог сена - слоистая конструкция. Теория показывает, что прочность трехмернойбеспорядочной упаковки волокон была бы равна 1/6 от прочности материалас однонаправленными волокнами - вряд ли стоит стремиться получить такойматериал.

Несмотря на все свои недостатки, материалы, подобные стеклопластику,постепенно завоевывают все новые и новые позиции. С течением времени помере того, как мы лучше их узнаем, мы и используем их все шире. Стоимостьсырья для пластмасс мало отличается от стоимости стали и алюминия. Однакоесли вы сравните стоимость обработки этих материалов, то увидите, что затратына производство сложных изделий из пластмасс настолько меньше соответствующихзатрат при использовании металла, что готовое изделие из пластмассы можетбыть намного дешевле. Но чтобы реализовать эту возможность, обычно нужнозаново спроектировать все изделие, а подобные мероприятия часто натыкаютсяна сопротивление.

Строить из стали корпус большого судна - вполне резонно, по крайнеймере если нет спешки и не нужно слишком заботиться о весе. Но сталь становитсябезнадежно неэффективной для судовых корпусов меньших размеров: толщиналиста получается столь малой, что, если даже удастся решить проблемы выпучивания,вмятин и т.д., за несколько месяцев он насквозь проржавеет. В этой областистеклопластики, кажется, утвердились очень прочно, здесь они вполне могутконкурировать по стоимости с металлами.

За последние десятилетия было сделано много усовершенствований в автомобиле.Лично я не отношу к их числу штампованный стальной кузов. Очень уж он тяжел,а ведь вес увеличивает расход бензина и ухудшает характеристики машины.Такой корпус требует также тщательной звуковой защиты. Но, что хуже всего,он начинает ржаветь сразу же, как только вы начинаете ездить на машине,и, по-видимому, коррозия корпуса, а не механический износ приводит раноили поздно большинство автомобилей на склады металлолома.

Вероятно, две причины тормозят применение стеклопластиков для кузововавтомашин. Во-первых, их массовое производство все еще обходится дорого,а, во-вторых, по мнению тех, кто торгует автомобилями, потребителю нравитсялоск полированной поверхности, трудно достижимый при использовании стеклопластиков.В то же время в мелкосерийном производстве почти все автомобили имеют стеклопластиковыйкузов. В самом деле, - только такое решение позволяет в подобных случаяхвести дело экономично, отказавшись как от дорогостоящих штампов, так иот старомодного кузова. Кузов из стеклопластика позволяет примерно вдвоеуменьшить вес автомобилей, а это значит, что приемистость машины резковозрастает.

Несмотря на недостатки стеклопластика, мировое производство изделийиз него достигло почти миллиона тонн в год и продолжает быстро расти (алюминияи его сплавов производится примерно 4,5 млн. тонн). Но в конце концов оно,наверно, затормозится из-за относительно малой жесткости материала.

Хотя между людьми, работающими с железобетоном, и специалистами по стеклопластикамникогда, по-видимому, не было сколь-нибудь серьезных связей, в этих двухобластях много общего, и поэтому уместно закончить настоящую главу небольшимразделом, посвященным армированному бетону. Подобные материалы ведут своеначало с глубокой древности, а различия между ними заключаются главнымобразом в масштабах: в бетоне, например, арматура намного грубее, чем впластиках. Еще в Древнем Вавилоне использовали тростник для армированияпостроек из высушенной грязи; а различные вариации “плетенки и глины” издавнаприменялись во всем мире. Деревенька в Эссексе, где я пишу эту главу, построенаглавным образом из грязи и штукатурки поверх сплетенных прутьев.

Вероятно, первыми стали применять железо в качестве арматуры греки.Мы уже говорили в главе 1, что в нормальнойкладке все должно быть в состоянии сжатия, поскольку кладка не может противостоятьсколько-нибудь значительным растягивающим напряжениям. Это условие привелок использованию арок и куполов, позволяющих создавать большие перекрытия,в которых не возникают напряжения растяжения. Греки об этом отлично знали,но они, кажется, не признавали арок - по крайней мере в формальной архитектуре.Очень возможно что они исходили при этом из эстетических соображений. Грекидалеко не всегда подчиняли свои поступки строго рассчитанной необходимости,особенно в архитектуре идущей от деревянных конструкций. Парфенон и вседругие дорические храмы - точные мраморные копии деревянных строений вплотьдо имитации в мраморе штифтов, скрепляющих между собой деревянные балки.Но так как творения греков блестящи, а наши собственные здания зачастуюужасны, не нам посмеиваться над античными архитекторами по этому поводу.

Деревянная архитектура, по существу, основана на балочных конструкциях,потому что ее строительный материал - разного рода длинные брусья. К томуже древесина обладает хорошей прочностью на разрыв. Греческая архитектурабыла, таким образом, архитектурой балок и колонн. То же самое прекрасноиллюстрирует американская “колониальная” архитектура. Строители здесь визбытке имели дерево, и потому они охотно и успешно обратились к классическомустилю. Готика и древесина несовместимы, поскольку готический стиль основанна напряжениях сжатия, которые под силу лишь каменным аркам.

Хотя мрамор, пожалуй, лучше других камней с точки зрения прочности на разрыв,его прочность все-таки слишком мала и непостоянна, поэтому делать из него балкикакой бы то ни было длины невозможно. В ранних дорических каменных храмах этокомпенсировалось тем, что пролеты балок были короткими, а капители сверхуколонн - широкими. Даже в Парфеноне (строительство началось в 447 году до н.э.)свободный пролет большинства балок не превышает 2,5 м, хотя и выглядят онидлиннее. Однако, когда в 437 году до н.э. Мнесикл приступил к строительствувхода в Акрополь (Пропилеи), ему потребовалось перекрывать намного большиепролеты. Их длина от 4 до 6 м определялась как архитектурными пропорциями, таки необходимостью церемониала. Чтобы справиться с растягивающими напряжениями,Мнесикл решил замуровать в мраморе в специальных канавках железные стержнидлиной около 2 м. Так появился армированный мрамор, который должен был позамыслу создателей вести себя подобно древесине.

Однако Мнесикл не сделал существенного шага вперед: греческие колонисты вАкрагасе (Сицилия) еще в 470 году до н.э. использовали железные армирующиебрусья длиною 4,5 м и сечением 12Х30 см. Правда, остается тайной, как былиполучены такие поковки. Но это заставляет предположить, что греки не испыталибы технологических трудностей в изготовлении паровой машины и другого тяжелогооборудования, если бы до них додумались[44].

Как мы уже говорили, готические церкви рушатся, если в них появляются растягивающиенапряжения, а появляются они довольно часто. Выход - быть может, частичный- был найден в контрфорсах. Примерно тот же способ применялся и в позднейклассической и романской архитектуре. Так, давление, действующее со стороныкупола св. Софии в Константинополе (532 год), уравновешивается силами,созданными двумя полукуполами, на которых он покоится; правда, арки у егооснования связаны железными стержнями.

Купола соборов св. Петра и св. Павла[45] покоятся нацилиндрических барабанах. Здесь не было возможности уравновесить силы,направленные наружу, вспомогательными куполами или контрфорсами: это совершеннонарушило бы замысел проекта с изолированными куполами. В обоих случаях проблемабыла решена, как известно, передачей нагрузки на замкнутую растянутую цепь,заделанную в кладку вокруг основания куполов.

Более общий подход предложил француз Суффло (1713 - 1781), пытавшийсяувеличить прочность кладки на растяжение путем замуровывания в нее железныхстержней. Однако вдоль швов проникала влага, железо окислялось и расширениепродуктов коррозии крошило кладку. Позже Брюнель пытался делать примерното же самое, вставляя обручное железо (тонкие полоски железа, идущие наобручи для бочек) в соединения кирпичной кладки. Результат был в точностипохож на предыдущий.

Затем, вероятно, сразу трое почти одновременно обнаружили, что коррозияжелезной арматуры в портландцементе не столь значительна, чтобы вызватьповреждения. Французский садовник Жозеф Монье (1823 - 1906) в 1849 годусделал цветочные горшки, а точнее - большие кадки для апельсиновых деревьев,заложив сетку из тонких железных стержней в цемент. Эти кадки оказалисьудачными и привлекли к себе внимание. Англичанин В. Вилкинсон в поискахприменения старым шахтным канатам сделал армированные строительные балки(подобно грекам), расположив канаты на их растянутой стороне. Наконец,французский инженер Ж. Лямбо показал в 1855 году гребное судно, сделанноеиз бетона, армированного железными стержнями, - по-видимому, оно было первымв длинной веренице не очень удачных бетонных судов. Лямбо запатентовал(казалось бы, поздновато) использование комбинированного железобетонногоматериала в строительстве.

Железная арматура позволяет бетону довольно успешно нести растягивающиенагрузки. Но деформация растяжения, при которой бетон разрушается, оченьмала; поэтому бетон растрескивается задолго до того, как арматура значительнодеформируется. Если к такой комбинированной системе приложить сколь-нибудьсерьезную растягивающую нагрузку, бетон будет пронизан сеткой трещин. Еслиэти трещины малы - через них проникнет внутрь вода, если они велики - бетонраскрошится. Лучший способ избежать как одного, так и другого - поставитьбетон навсегда в условия сжатия, а арматуру раз и навсегда растянуть. Различныевиды такого материала, известного как предварительно напряженный железобетон,начали появляться примерно с 1890 года; но, хотя его применение было вполнеуспешным, распространение он получил не сразу.

Серьезно и в широких масштабах предварительно напряженный железобетонстал применяться сравнительно недавно. Его использование дает возможностьстроить намного более эффективные и нагруженные конструкции, чем из обычногожелезобетона. Естественно, возникает вопрос, не лучше ли делать всю конструкциюиз стали? Оказывается, нет. И не только из-за существенной экономии стали.Бетонная матрица предохраняет стальные стержни от потери устойчивости икоррозии. Благодаря последнему конструкция почти не требует ухода.

Примечания:

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.

3

См., например, книгу A. Kelly, Strong Solids, Oxford, 1966, а также гл. 10 настоящей книги.

4

Искусство наводить скуку состоит в стремлении рассказать обо всем (франц.).

29

Обычно это достигается путем быстрого охлаждения наружной поверхности горячего стекла с помощью воздушной струи. Стекло, подобно другим веществам, сокращается при охлаждении, поэтому если внешние слои охлаждаются быстрее и затвердевают прежде внутренних, то они вначале и сокращаться будут интенсивнее внутренних; но так как сердцевина вначале жидкая, то на первых стадиях охлаждения она течет. Затем сердцевина застывает и становится, как и наружные слои, упругой, и термические сокращения слоев в стекле становятся неоднородными, разными по величине. В итоге, когда охлаждение заканчивается, сердцевина оказывается растянутой, а наружные слои - сжатыми. Деформации в стекле - как и в большинстве других прозрачных тел - становятся видимыми в поляризованном свете. Солнечные лучи, отраженные от неметаллических поверхностен, оказываются частично поляризованными. Именно поэтому следы воздушных струй, которыми охлаждалось стекло, можно видеть на ветровых стеклах машин. Конечно, эффект этот становится более выраженным, когда вы надеваете очки с поляризующими стеклами.

30

Простая и изящная идея В.В. Новожилова (см. его статью в журнале “Прикладная математика и механика”, 33, 1969, вып. 2) сводит бесконечные напряжения, полученные в результате решения задачи теории упругости, к реальным полным смысла величинам путем учета атомной структуры материала и того факта, что эти эфемерные бесконечно большие напряжения уменьшаются при удалении от трещины с бесконечно большой скоростью. - Прим. перев.

31

По-видимому, можно считать, что в результате трещина будет притуплена. Радиус кончика трещины, который был очень малым, станет очень большим, практически бесконечно большим. Мы получим таким образом новую трещину под прямым углом к первоначальной, но тенденция к распространению трещины, параллельной приложенному напряжению, обычно отсутствует.

32

H. Harrеr, I come from the Stone Age, Hart-Davis, 1964.

33

Пилтдаун - местечко в графстве Сассекс. Череп, найденный там в 1913 году, вплоть до 1953 года считался принадлежавшим доисторическому человеку. - Прим. перев.

34

Я не мог найти каких-либо экспериментально полученных величин для прочности на разрыв, модуля упругости и ударной вязкости материала зубов. Прочность на сжатие дентина составляет 20 кГ/мм², эмали - 70 кГ/мм². Бонфилд и Ли исследовали недавно механические свойства костей животных и слоновой кости. Для слоновой кости при 16°С они получили E=1750 кГ/мм², продольную прочность на разрыв 22 кГ/мм², прочность поперек бивня 10,5 кГ/мм². “Свежая” коровья кость имеет прочность около 15 кГ/мм², модуль упругости - 2700 кГ/мм². Ударная вязкость ненадрезанного образца этой кости составляет около 10⁷ эрг/см², то есть она соизмерима с этой характеристикой для стеклопластиков, свежей древесины и стали. Удельный вес кости (в том числе слоновой кости) составляет приблизительно 1,85 г/см³. Следовательно, удельная прочность этих материалов примерно вдвое превышает те же показатели для мягкой стали, но жесткость костей не столь велика. (Этими данными я обязан Дж.В. Маклину.)

35

Довольно трудно получить сравнение по стоимости. Относительная стоимость древесины и стали в разных странах весьма различна, кроме того, и стоимость самой древесины изменяется в зависимости от обработки - так, сырая древесина намного дешевле стали, а высокосортная фанера несравненно дороже ее. Следовательно, соотношение зависит и от того, на какой стадии производства делается сравнение. Очень грубо можно сказать, что цены на деловую древесину и малоуглеродистую сталь примерно одинаковы.

36

Увы, познания автора в химии и биохимии целлюлозы оставляют желать лучшего. Вряд ли стоит исправлять и дополнять этот параграф, но мы сочли целесообразным заменить рисунки 36 и 37 на их эквиваленты без грубых ошибок. - V.V.

37

Игла Клеопатры - обелиск из красного гранита, воздвигнутый в 1500 году до н.э. Пролежав около полувека на морском дне, она была установлена а Лондоне, где находится в настоящее время. - Прим. перев.

38

Последним большим деревянным пассажирским парусником был, по-видимому, “Торренс”, который ходил в Аделаиду вплоть до 1903 года. Металлические парусники различных типов с каютами первого, второго, а иногда и третьего классов ходили в Австралию и в нашем веке. Вопреки распространенному сейчас мнению они были прекрасными судами с отличными апартаментами и многими современными удобствами как для пассажиров, так и для экипажа. Грузовые парусники быстро сошли с арены, уступив место пароходам, а пассажирские парусные суда долго еще конкурировали с ними, предлагая пассажирам больший комфорт. Самый большой деревянный грузовой парусник - шестимачтовая шхуна “Вайоминг” водоизмещением 6000 т - был построен в Америке в 1910 году.

39

А.Т. Мahаn. Influence of sea power upon French Revolution and Empire, 1892.

40

Между прочим, шахтные стальные канаты появились в Германии в 1830 году, во многом определив безопасность и экономичность глубоких шахт.

41

Иногда при очень малой степени смачивания говорят об отсутствии смачивания.

42

В эту группу входили Червелл, Тизард, Джонс, Тэйлор и Грин, в то время эти очень молодые люди жили неподалеку от Фарнборо все в одном домике, который назывался “Чадлайф”. Надо думать, не часто случается, что под одной крышей неказистого домика собирается такая коллекция умов. - Прим. автора к русск. изданию.

43

Советскому читателю памятен, конечно, знаменитый биплан ПО-2 конструкции Н.Н. Поликарпова. - Прим. перев.

44

Но конечно, у них были бы трудности с топливом.

45

Крупнейший протестантский собор - собор св. Павла - был построен в Лондоне в XVII веке в противовес крупнейшему католическому собору - собору св. Петра. - Прим. перев.