Материал / Энергия, необходимая для обеспечения заданной жесткости конструкции в целом / Энергия, необходимая для изготовления сжатой панели заданной критической нагрузкой 4 страница
Автомобиль Форда сейчас можно купить за десятую часть стоимости "Роллс-Ройса", хотя многие считают "Форд" более функциональным, чем "Роллс-Ройс". Внешний вид "Форда" мало связан с его механическим содержимым. Все, что мы видим, - это не более чем жестяная коробка, сооруженная усилиями конструкторов кузовов и дизайнеров вокруг основных механизмов машины. Все механические, можно сказать, функциональные части современных автомобилей выглядят вовсе непривлекательно. Эти куски металла сложной формы едва ли способны вызвать у нас чувство восхищения, как бы полезны они ни были.
Точно так же большинство электро- и радиоустройств в обнаженном виде выглядит довольно страшно, и мы вынуждены прятать их внутрь черных, серых или отделанных под орех коробок. В целом, если говорить честно, чем функциональнее делается современная техника, тем меньше мы способны выносить ее вид.
Но не происходит ли то же самое и в природе? Внешний вид человека или животного может быть очень красивым, но внутреннее содержимое (в прямом смысле этого слова) обычно выглядит отталкивающе. Наше восхищение природой в высшей степени селективно. Нам нравятся определенные стадии роста (ягненок, но не эмбрион), нас пугают гниение и разложение. Но гниение и разложение так же функциональны и необходимы, как и рост.
Что касается вопроса об эффективности и функциональности, то здесь, кажется, природа проявила если не чувство юмора, то чувство пропорции. Она с величайшей метаболической экономией конструирует стебель растения, который является чудом конструктивной эффективности. Совершив это, она сажает на него огромный цветок, не иначе чтобы посмеяться. Точно так же павлины носят хвосты, а девушки волосы, что нельзя считать вполне функциональным. Если какая-нибудь унылая личность ответит, будто все это делается, чтобы способствовать воспроизводству, то это будет не ответом, а лишь видимостью его. Ибо почему все эти украшения должны быть привлекательными сексуально или как-нибудь еще?
Хотя многие инженеры свято верят в тесную связь между функциональной эффективностью и внешним видом, сам я отношусь к этому скептически. Конечно, нечто чрезвычайно неэффективное обязательно будет оскорблять наш взор, но я сильно сомневаюсь, что постоянное техническое совершенствование существенно улучшает внешний вид. Очень часто все получается просто наоборот.
Погоня за последней каплей совершенства приводит к внешнему виду, вызывающему только скуку, что легко увидеть на примере современных яхт. Лично я твердо верю, что эстетическое восприятие изделия определяется личностью его создателя и общепринятыми ценностями его эпохи. Если пройти по любой улице с открытыми глазами и непредвзятым мнением, то легко составить и свое собственное суждение относительно и того, и другого.
Начиная со времен Ренессанса, наука подвергалась атакам почти со всех мыслимых позиций. Большинство этих атак были весьма неосновательны. Но меня всегда удивляло, что один сильный аргумент никогда не высказывался вслух, по крайней мере прямо. Наука искусно извращает нашу систему оценки ценностей тем, что учит строить наши суждения на чрезмерно функциональной основе. Современный человек скорее спросит, для чего эта вещь или этот человек, чем что есть эта вещь или этот человек. Здесь, без сомнения, кроются причины многих наших современных болезней. Эстетика пытается ответить, хотя и нестрого, на общие и важные для всех нас вопросы. Слишком часто сегодня наши субъективные суждения вступают в конфликт с суждениями научными. Но мы заметаем под ковер наши эстетические суждения на свой же страх и риск.
Естественно, ничто не мешает прекрасной вещи быть одновременно и эффективной. Я просто настаиваю на том, что два эти качества являются, как сказал бы математик, независимыми переменными. В этой связи мне приходит на ум высказывание одного ирландского яхтсмена: "Безобразная яхта не более привлекательна, чем безобразная женщина, какой бы быстрой она ни была".
(обратно)
О стилях и напряжениях
Современное искусство и архитектура любят выставлять напоказ свою свободу от традиционных форм и условностей - возможно, именно поэтому их достижения так невелики. Следование определенному стилю не является помехой ни для художника, ни для конструктора; условности стиля защищают слабых и помогают сильным.
Все самые красивые суда были построены в традиционной манере, и я не могу даже предположить, чтобы их создатели чувствовали себя как-то связанными ею. Драматурги Древней Греции писали пьесы по строгим правилам и канонам, но столь же абсурдно было бы думать, что "Антигона" стала хуже из-за соблюдения правила трех единств, как и предполагать, что Джейн Остин могла бы создать еще более значительные шедевры, если бы она чувствовала себя свободной пользоваться бранными выражениями и описывать интимные подробности.
Чтобы полностью оценить формальные достижения, сначала необходимо хорошо изучить правила. Это относится к оценке соборов, кораблей и мостов в такой же степени, как и к суждениям об игре в крикет, и служит весомым аргументом в пользу изучения как принципов конструирования, так и истории искусства и архитектуры.
Когда Иктин проектировал Парфенон (446 г. до н.э.), он работал в рамках хорошо развитого дорического архитектурного стиля. Парфенон - это бесспорно одно из самых прекрасных сооружений мира, и он, возможно, величайшее из творений рук человеческих. Хотя храм и посвящен божественной Афине, для меня он является высшим проявлением гуманизма, того, что ученый-химик Гемфри Дэви назвал "сверкающей, но призрачной мечтой о бесконечном совершенствовании человека". Парфенон был построен во времена, когда Афины достигли вершин могущества и славы, и, казалось, говорил всему миру: "Богатые, славные, венценосные Афины, вызывающие зависть народов".
Но Немезида уже тогда поджидала за углом, как это было и в 1914 г. Когда Парфенон был новым, весь из белого мрамора, в красной и синей росписи и позолоченной бронзе, он, вероятно, не отличался изысканностью и казался несколько вульгарным (как и кое-что у Киплинга!). Но не свойственно ли это в какой-то мере всякому великому произведению искусства?
Если Парфенон является для меня символом гуманизма, то некоторые более ранние дорические храмы, например храм в Пестуме, выражают, как мне кажется, движение религиозного чувства. Напротив, храм Гефеста в Афинах говорит мне очень немногое, разве что возникает неясное ощущение духа торгашества, свойственного и городской ратуше в Бирмингаме. И все эти совершенно разные ощущения вызывают у нас произведения архитекторов, работавших в строгих рамках одного и того же стиля.
Как все великие произведения искусства, Парфенон можно воспринимать и истолковывать по-разному. Бесспорна лишь грандиозность достигнутого. Но как Иктин добился этого, не погрешив против строгих условностей стиля? Ответить на этот вопрос мог бы только один человек - сам Иктин; он написал об этом книгу, которая не дошла до нас. Однако мы можем попытаться высказать по этому поводу кое-какие, быть может весьма надуманные, суждения.
В традиционной классической паровой яхте грация и величественность достигаются утонченностью, неуловимой гармонией обводов корпуса и всего силуэта, любовным и точным размещением мачт, труб и надстроек (рис. 159). Mutatus mutandis[132] - это похоже на точное и любовное размещение слов в стихотворной строке. Проектирование корабля отличается от поэтического творчества только по содержанию, но не по духу.
Рис. 159. Паровая яхта классической формы, предложенной Дж. Л. Уотсоном.
Точно так же в дорической архитектуре важно именно любовное отношение к деталям. Хотя Парфенон кажется прямоугольным, в нем едва ли можно найти абсолютно прямую линию, в нем не найдешь и двух линий, которые в действительности были бы параллельными, хотя они и кажутся нам такими. Его 72 колонны наклонены друг к другу, и если мысленно их продолжить, то все линии пересекутся в одной точке, на высоте около 8 км над землей. Ожидая сначала увидеть обычную конструкцию в виде параллелепипеда, обманываешься, и все эти неуловимые тонкости притягивают взор. Как привлекательная женщина, Парфенон воздействует на нас и зачаровывает нас, хотя мы едва ли понимаем, за счет чего это достигается и вообще делается ли что-либо для этого (рис. 160).
Рис. 160. О Парфеноне в целом нельзя судить по единичной фотографии; здесь показан юго-западный угол, быть может, он даст хоть какое-то представление об этом шедевре. (Обратите внимание: слева в перемычке - трещина, вот почему архитрав состоит из трех параллельных балок.)
Но какое отношение все это имеет к напряжениям? С одной стороны, почти никакого, с другой - весьма непосредственное. Еще в XVII в. Фенелон заметил, что сооружения классической архитектуры обязаны своим воздействием тому, что они кажутся тяжелее, а готические сооружения - тому, что они кажутся легче, чем оказываются в действительности. В эстетическом плане все это очень далеко от чистого функционализма, стремящегося к тому, чтобы вещи выглядели настолько тяжелыми, насколько это есть на самом деле.
Здания классического стиля, в особенности дорические, кажутся почти качающимися под тяжестью собственного веса. Однако большинство их колонн на самом деле несет очень небольшую нагрузку, но им придана некоторая выпуклость, которая должна убедить нас, что выпячиваются они в результате действия огромных сжимающих сил. Этот эффект подчеркивается выпуклыми, похожими на подушки капителями, которые передают сжимающие нагрузки от перемычек вершинам колонн. Эффект тяжести еще более усиливается чрезмерной толщиной архитравов.
Хотя классическая архитектура воздействует на эмоции, используя субъективное ощущение предельной напряженности, нагруженности всех деталей, ее красота не имеет почти никакой связи с современными идеями конструктивной эффективности, олицетворением которых может служить "старый фаэтон". Все эти классические сооружения в действительности чрезвычайно неэффективны. Сжимающие напряжения в них абсурдно малы, в то время как растягивающие напряжения в перемычках между колоннами слишком велики и часто просто опасны (см. гл. 8). Крыши классических зданий, как мы уже видели, можно рассматривать только как конструкционное недоразумение. Но с эстетической точки зрения в них почти всегда нет ничего неверного.
Если мы перейдем теперь к готической архитектуре, то увидим, что напряжения сжатия в каменной кладке здесь, как правило, существенно выше, чем в классических зданиях, и вся конструкция в целом гораздо более прочная, несмотря на то что она выглядит воздушной, устремленной вверх. Этот эффект достигался благодаря широкому использованию стреловидных арок, которые, в свою очередь, тоже весьма неэффективны. Современному функционалистскому уму готическая архитектура кажется чрезмерно усложненной. Настоящими же тружениками в готических соборах следует считать многочисленные скульптуры, вознесенные высоко на бельведеры и арочные контрфорсы. Вес этих скульптур позволяет линии давления пройти от крыши к фундаменту, не создавая опасностей.
Чтобы получить удовлетворение при виде конструкции, нам, видимо, непременно необходимо некоторое субъективное ощущение ее напряженности и прочности, такое ощущение обычно вызывают античные сооружения. В большинстве современных зданий несущая конструкция, часто сделанная из железобетона, спрятана от нашего взора внутри здания. Все, что мы можем видеть снаружи, это лишь тонкая кирпичная облицовка или стекло; ни то ни другое, очевидно, вообще не может нести сколько-нибудь серьезной нагрузки. Думаю, я не одинок в неудовлетворенности видом этих зданий, они часто представляются мне откровенно уродливыми.
Какими же будут казаться нам конструкции, все несущие части которых обнажены и подчеркнуто функциональны в современном понимании этого слова? Ясно, что на эту тему можно много и долго спорить. Но если судить по виду тех конструкций, которые были разработаны для посадки на Луну в погоне за минимальным весом, то ответ, вероятно, может быть только одним - ужасно уродливыми.
(обратно)
Об имитации, подделках и украшениях
Самые ранние из сохранившихся крупных сооружений Греции находятся в Микенах и датируются приблизительно 1500 г. до н.э.н. э. Они были построены из камня и производят впечатление конструкций, спроектированных разумно и осторожно, с полным учетом свойств этого материала. Микенцы, например, прекрасно понимали опасность чрезмерных растягивающих напряжений в каменных блоках - перемычках. Они использовали весьма остроумные приемы, чтобы уменьшить изгибающие нагрузки, действующие на каменные балки их сооружений, примером чему могут служить Львиные ворота в Микенах (рис. 161). В этом смысле микенская архитектура может считаться достаточно функциональной.
Рис. 161. Перемычка над Львиными воротами в Микенах, снабженная дополнительным треугольным каменным блоком, уменьшающим нагрузки растяжения; архитрав представляет собой один каменный блок, испытывающий лишь небольшие напряжения.
Когда микенская цивилизация пришла в упадок, примерно около 1400 г. до н.э., Греция опять на века погрузилась в темноту и невежество. От этих времен не сохранилось никаких значительных сооружений, хотя, конечно, люди продолжали жить и поклоняться богам, но делали это в каких-то деревянных хижинах. В период возрождения греческой архитектуры (около 800 г. до н. э.) храмы обычно строились из дерева (так же как и церкви Новой Англии). Естественно, что ни одного такого деревянного храма не сохранилось. Однако переход от дерева к камню был достаточно медленным и постепенным. По мере того как становилось меньше строевого леса, погнившие деревянные детали заменяли каменными копиями.
Посаниус[133] рассказывает о храме в Олимпии, который существовал еще во II в., что в нем более новые каменные колонны чередовались с еще сохранившимися деревянными.
В основе дорических построек мы можем обнаружить балки, оставшиеся от практики деревянных сооружений. Даже когда храмы начали строиться целиком из камня, архитекторы оставались верными формам и пропорциям, естественным для деревянных построек. Архитекторы классического V в. до н.э. не только использовали непрочные каменные балки вместо деревянных перемычек, но и старательно копировали в мраморе и все другие уже несущественные здесь конструкционные детали, например законцовки брусьев, которые когда-то соединяли деревянные элементы.
Казалось бы, результаты всего этого должны были быть нелепыми, но они оказались чрезвычайно удачными и в течение двух тысячелетий служили образцом для всего цивилизованного мира. Пережитки прежних форм, а также подражания им или имитации в том или ином виде часто встречаются и в технике. Так, например, мы часто имитируем рисунок дерева на поверхности пластмассовых изделий и мебели.
Имитация не обязательно представляет собой вульгарную подделку, как это думают приверженцы функциональности в технической эстетике. На практике, конечно, дело обстоит часто именно так, но это происходит не из-за внутренних пороков, якобы присущих самой идее имитации, а скорее из-за грубого и безвкусного ее исполнения.
Прекрасным примером имитации и успешного подражания минувшему может служить паровая яхта Уотсона. Классическая форма большой паровой яхты была разработана в конце викторианской эпохи крупнейшим из конструкторов яхт, Дж.Л. Уотсоном. (Эпитафия на его могиле гласит: "Воздал должное линии и отвесу".) В своем судне, приводимом в движение только паровой машиной, Уотсон сохранил не только грациозный "клиперный" нос парусного корабля, но и совершенно нефункциональный бушприт, в результате чего получился один из самых прекрасных из всех когда-либо построенных кораблей (рис. 159).
Итак, если говорить о "честности" в проектировании, что же следует из всего сказанного? Честность заставляет меня признать, что немногое. Если имитации позволительны в греческих храмах и паровых яхтах, то что следует думать о "подделках" вообще? Почему бы нам не разукрасить наши подвесные мосты подобно средневековым замковым мостам и не делать автомобили, подобные дилижансам?
Лично мне эта идея не претит. В конце концов все это выглядело бы едва ли хуже и вряд ли производило бы более гнетущее впечатление, чем плоды современного функционализма; многое воспринималось бы как шутка. Что плохого в "псевдоготических" зданиях XVIII в.? Лучшие из них просто прелестны. Павильон в Брайтоне, созданный Горацием Уолполом, на самом деле удивительно хорош.
Есть люди, которые стонут по поводу "этих бессмысленных украшений", но это выражение само по себе довольно нелепо, ибо украшение не может быть бессмысленным, даже если оно кажется ужасным. Если критик подразумевает под этим, что украшение не подходит или никак не связано с украшаемым предметом,- это, возможно, справедливо, но тем не менее любые украшения производят некий эффект. Мне кажется, что мы нуждаемся в большем, а не в меньшем их количестве. Истина, кажется, состоит в том, что мы боимся выразить себя в украшениях. Мы не знаем, как к ним подойти, и страшимся обнажить наши серые мелкие души. Средневековые строители не страдали комплексами такого рода, возможно будучи душевно более здоровыми.
Не справедливо ли потребовать от технократов, чтобы создаваемые ими вещи не только работали, но и радовали своим внешним видом? Иначе в окружении этой техники мы погибнем от скуки. Пусть у нас будут украшения. Пусть будут резные фигуры на носах кораблей, позолоченные розетки на парапетах мостов, статуи на зданиях, кринолины на женщинах и повсюду много-много флагов. Поскольку мы уже создали целый мир новых изделий - автомобилей, холодильников, радиоприемников и бог знает чего еще, - давайте посидим и подумаем, как все-таки их можно было бы украсить и сделать более приятными и радующими глаз.
(обратно) (обратно) (обратно)
Приложения
Приложение 1. О справочниках и формулах
За полтораста лет развития теории упругости были исследованы напряжения и перемещения, возникающие в телах почти всех мыслимых форм при действии самых разнообразных нагрузок. Однако результаты этих исследований первоначально публикуются, как правило, в слишком сложной форме, они до предела математизированы, и это затрудняет их применение широким кругом инженеров. Сегодня значительная часть этих данных сведена к набору определенных стандартных задач, решения которых могут быть представлены в виде достаточно простых формул. Формулы эти, охватывающие почти все возможные случаи проектирования, можно найти в соответствующих справочниках[134]. Ими может пользоваться всякий, кто располагает здравым смыслом и знаком с элементарной алгеброй, а также с содержанием гл. 2. Некоторые из этих формул приведены в приложениях 2 и 3.
Если этими формулами пользоваться осмотрительно, они могут оказаться чрезвычайно полезными и послужить незаменимым инструментом для большинства инженеров. Прибегая к ним, не следует смущаться; все мы практически ими пользуемся. Но их следует применять осмотрительно!
1) Убедитесь, что вы действительно понимаете смысл данной формулы.
2) Убедитесь, что она действительно применима к вашему конкретному случаю.
3) Помните, помните и еще раз помните, что эти формулы не принимают в расчет концентрации напряжений или другие особые локальные условия.
Теперь подставьте в формулы соответствующие нагрузки и размеры, предварительно убедившись, что они выражены в одной системе единиц и не напутаны порядки чисел. Затем проделайте элементарные вычисления, и вы получите нужное вам напряжение или перемещение. Затем посмотрите на полученный результат строгим и недоверчивым взглядом и подумайте, выглядит ли он правильным, кажется ли он вам правильным. В любом случае лучше повторить вычисления еще раз - вдруг вы потеряли где-нибудь двойку.
Естественно, что ни математика, ни формулы из справочника не "спроектируют" за нас конструкцию. Проектировать должны мы сами на основе собственного опыта, здравого смысла и интуиции; по окончании проектирования с помощью расчетов проверьте конструкцию и, хотя бы приблизительно, определите, каких напряжений и перемещений можно в ней ожидать.
На практике процесс конструирования часто протекает примерно так. Сначала определяют наибольшие нагрузки, действию которых может подвергнуться конструкция, и перемещения, которые можно считать допустимыми. И то и другое иногда устанавливается существующими нормами и правилами, если же это не так, то определить их иногда бывает непросто. Такое положение требует от конструктора принятия решения, и в случае сомнений лучше несколько перестраховаться. Иногда, правда, при этом можно зайти слишком далеко, и увеличение веса конструкции лишь увеличит опасность. Такого рода примеры мы уже приводили.
После того как основные нагрузки определены, можно приступить к первым достаточно грубым наброскам будущей конструкции - на этой стадии конструктор делает эскиз чаще всего на миллиметровке. Затем с помощью соответствующих формул следует прикинуть, какими примерно будут напряжения и перемещения. С первой попытки они могут оказаться слишком малы или слишком велики, поэтому вносятся соответствующие изменения в проект, и так продолжается до тех пор, пока все не будет в порядке. После этого делается уже комплект чертежей по всем правилам. Они служат руководством при изготовлении конструкции в металле. Оформленные в соответствии со стандартом чертежи совершенно необходимы, когда детали должны изготовляться обычным заводским способом, но для достаточно простых или любительских разработок без них вполне можно обойтись. Однако на основании собственного опыта я могу сказать, что в случае серьезных разработок "чертеж", сделанный на обратной стороне конверта, недопустим.
Если вы дошли уже до рабочих чертежей и предлагаемая вами конструкция действительно важна, то вы обязаны забыть о покое и постоянно думать и беспокоиться о ней. Когда я занимался внедрением пластмассовых деталей в конструкцию самолета, я не мог заснуть ночами, думая об этих деталях. Тот факт, что ни одна из этих деталей ни разу не подвела, я отношу почти целиком на счет благотворного действия этого беспокойства. Именно самонадеянность приводит к авариям, а тревога за конструкцию предотвращает их. Так что проверяйте все не раз и не два, а снова, снова и снова.
(обратно)
Приложения 2-4
Приложение 2. Теория изгиба балок
(обратно)
Приложение 3. Кручение
(обратно)
Приложение 4. Эффективность стержней (колонн) и пластин при сжатии
(обратно) (обратно) (обратно)
Рекомендации для дальнейших занятий
В конце концов, наилучший способ изучения конструкций - это наблюдения и практический опыт, который приобретается при создании и разрушении конструкций. Конечно, возможности любителя довольно ограничены, ему вряд ли удастся построить настоящий самолет или мост, но не надо стыдиться играть с механическим конструктором или даже старомодными кубиками. Эти игры гораздо поучительнее современных пластмассовых безделушек, которые можно соединять друг с другом самыми хитроумными способами. Когда вы построите свой мост, нагрузите его и пронаблюдаете, как он будет разрушаться, даже сухие книги, посвященные прочности конструкций, покажутся вам интереснее.
В строительстве мостов для любителя, конечно, не открывается особенно широкого поля деятельности, а вот в такой новой области, как биомеханика, где еще очень многое не известно ни инженерам, ни биологам, инициативный любитель, вероятно, может многого добиться.
Хотя хороших книг по биомеханике, совсем немного, по теории упругости, сопротивлению материалов и материаловедению их сколько угодно. Небольшая и довольно произвольная их подборка приведена ниже.
Материалы
Cottrell A. The Mechanical Properties of Matter. - John Wiley (current edition).
Alexander W., Street A. Metals in the Service of Man. - Penguin Books (current edition).
Sarnans C. H. Engineering Metals and their Alloys. - Macmillan, New York, 1953.
Patton W. J. Materials in Industry. - Prentice-Hall, 1968.
Hayden H. W., Moffatt W. G., Wuiff J. The Structure and Properties of Materials, Vol. 3. Mechanical Behavior. - John Wiley, 1965.
Parratt N. J. Fibre-Reinforced Materials Technology. - Van Nostrand, 1972.
Anderson J. C., Leaver K. D. Materials Science. - Nelson, 1969.
Теория упругости
Olsen G. A. Elements of the Mechanics of Materials (2nd ed.). - Prentice-Hall, 1966.
Black P. The Strength of Materials. - Pergamon Press, 1966.
Timoshenko S. P. History of the Strength of Materials. - McGraw-Hill 1953.
Torroja E. Philosophy of Structures. - University of California Press, 1962.
Rosenthal H. W. Structure. - Macmillan, 1972. Pugsiey A. The Satefy of Structures. - Edward Arnold, 1966.
Pippard A. J. S., Baker J. The Analysis of Engineering Structures. - Edward Arnold (current edition).
Johnson R. P. Structural Concrete. - McGraw-Hill, 1967.
Heyman J. Beams and Framed Structures. - Pergamon Press, 1964.
Scott R. F. Principles of Soil Mechanics. - Addison-Wesley, 1965.
Baker J., Home M. R., Heyman J. The Steel Skeleton (2 vols.). - Cambridge University Press, 1960-1965.
Биомеханика
Du’arcy Thompson (abridged edition). On Growth and Form. - Cambridge University Press, 1961.
McNeil A. R. Biomechanics. - Charnpan and Hall, 1975.
Wainwright S. A., Biggs W. D., Currey J. D., Gosline J. M. Mechanical Design of Organisms. - Edward Arnold, 1976.