Шрифт:
Таблица 7. Критерии эффективности некоторых материалов в различных условиях
Материал / Модуль Юнга Е / Плотность / E/ / (E )1/2/ / (E)1/3/
Сталь / 210000 / 7,8 / 25000 / 190 / 7,5
Титан / 120000 / 4,5 / 25000 / 240 / 11
Алюминий / 73000 / 2,8 / 25000 / 310 / 15
Магний / 42000 / 1,7 / 24000 / 380 / 20,5
Стекло / 73000 / 2,4 / 25000 / 360 / 17,5
Кирпич / 21000 / 3,0 / 7000 / 150 / 9
Бетон / 15000 / 2,5 / 6000 / 160 / 10
Углеволокнистые композиты / 200000 / 2,0 / 100000 / 700 / 29
Дерево (сосна, ель) / 14000 / 0,5 / 25000 / 500 / 48
Можно заметить, что малая плотность материала дает ему большие преимущества, и сталь в этом смысле хуже кирпича и бетона. Кроме того, во многих легких изделиях, таких, как дирижабли или протезы конечностей, дерево превосходит даже армированный углеволокном пластик, не говоря уже о том, что оно значительно дешевле.
Таблица 8. Конструктивная эффективность различных материалов, выраженная в затратах энергии, необходимых для их производства [119]
Материал / Энергия, необходимая для обеспечения заданной жесткости конструкции в целом / Энергия, необходимая для изготовления сжатой панели заданной критической нагрузкой
Сталь / 1 / 1
Титан / 13 / 9
Алюминий / 4 / 2
Кирпич / 0,4 / 0,1
119
Все величины в таблице относительны, за единицу приняты характеристики стали. Все они очень приблизительны.
Бетон / 0,3 / 0,05
Дерево / 0,02 / 0,002
Углеволокнистые композиты / 17 / 17
В табл. 8 приведены характеристики конструктивной эффективности материалов в терминах энергетических затрат. Видно, что обычные материалы - дерево, кирпич и бетон - имеют здесь подавляющее преимущество, и таблица заставляет задуматься, действительно ли оправданна погоня за материалами, в основе которых лежат экзотические волокна. Во многих случаях рентабельнее использовать не углеволокна, а пустоты. Природа поняла это очень давно, когда изобрела дерево; это понимали и римляне, которые облегчали кладку пустыми винными кувшинами. Пустоты несравненно дешевле как в стоимостном, так и в энергетическом отношении, чем любые мыслимые высокомодульные материалы. Возможно, лучше тратить больше времени и средств на разработку пористых и ячеистых материалов, чем на волокна бора или углерода.
Глава 14
Катастрофы, или очерк об ошибках, прегрешениях и усталости металла
Весь окружающий мир можно рассматривать как огромную энергетическую систему: величественный рынок, где одна форма энергии по определенным ценам и правилам неминуемо переходит в другую. Энергетически предпочтительное обязательно произойдет. В этом смысле каждая конструкция существует лишь для того, чтобы отдалить что-то неизбежное, энергетически выгодное. Так, поднятый груз должен упасть, упругая энергия - выделиться и т.п. И действительно, рано или поздно груз падает, а упругая энергия выделяется. Задача конструкции - отложить это событие на год, на век или на тысячелетие. В конечном счете все сооружения будут разбиты или разрушатся сами, так же как и всем нам в конце концов суждено умереть. Отложить это на некий приличный срок - задача медиков и инженеров.
Весь вопрос заключается в том, каков же этот "приличный срок". Каждая конструкция должна быть надежной в течение определенного времени службы. Для ракеты это могут быть несколько минут, для автомобиля или самолета - 10-20 лет, для собора - тысячелетия.
Старый фаэтон Оливера Вандела Холмса, сконструированный ровно на сто лет, - ни на день больше, ни на день меньше, - развалился, как и было задумано, 1 ноября 1855 г., лишь только священник добрался в своей проповеди до слов "в-пятых"… Ясно, что это вздор. Эксцентричный герой романа Невила Шьюта "Путь закрыт" предсказывает, что хвост авиалайнера "Райндер" отвалится из-за "усталости металла" после 1440 полетных часов плюс минус один день. И это тоже вздор, о чем наверняка знал Нэвил Шьют, опытный авиационный инженер.
Практически невозможно с такой точностью планировать время надежной работы изделия. Возможен лишь статистический, основанный на опытных данных, подход к этой проблеме. Причем по самой природе вещей мы можем дать только более или менее разумные вероятностные оценки надежности. Ослабив конструкцию сверх меры, ее можно сделать легкой и дешевой, но тогда недопустимо возрастает вероятность частых поломок. И наоборот, слишком прочная, "вечная" с человеческой точки зрения - а именно этого всегда жаждет публика - конструкция может оказаться слишком тяжелой и дорогой. Как мы увидим ниже, дополнительный вес чаще увеличивает опасность, чем дополнительная прочность ее уменьшает. Поскольку все учесть невозможно, то, разрабатывая реальную конструкцию для реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей - пусть малой, но конечной - вероятностью преждевременного выхода ее из строя.
Как указывает Альфред Пагсли в своей книге "Надежность конструкции", этот довольно интересный момент в рассуждениях как раз и может заставить нас отказаться от строго логического подхода к проблеме. Как говорит Пагсли, человеку присуща боязнь разрушения - вот почему обыватель цепко и упрямо держится за мысль, что любая конструкция, с которой он лично связан, вообще не должна разрушаться. Последствия такой точки зрения могут быть самыми различными; иногда это не приносит вреда, но иногда приводит к печальным результатам.