Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

Рис. 11. Свободно опертая балка.

Ответ на этот вопрос дает так называемая теория балок, которую, пожалуй, можно назвать становым хребтом техники. Но, к сожалению, этот "хребет" представляет собой pons asinorum [14] Мост для ослов ( лат. ). Так говорят о том, что, не являясь сложным само по себе, представляет тем не менее затруднение для начинающего. Источник выражения - "Геометрия" Евклида (III век до н.э.). - Прим. перев. для студентов технических вузов. Большинство из них механически заучивают формулы теории балок лишь для того, чтобы проскочить на экзаменах; понимать эти формулы они начинают гораздо позже, когда настает время мучаться над собственными проектами. Поэтому давайте пока оставим всю эту кухню интегрирования эпюр и попытаемся подступиться к существу проблемы.

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

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

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

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

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

Обе эти конструкции одинаково хороши, и мы можем объединить их в одну, способную выдержать вес 2 W , как показано на рис. 13, в . Ясно, что нагрузка 2 W непосредственно воспринимается наклонными элементами 2 и 3 , один из которых сжат, а другой растянут. Горизонтальные элементы 1 и 4 воздействуют на стену, один из них давит, другой - тянет, вместе они обеспечивают целостность конструкции, но не поддерживают вес груза непосредственно.

Рис. 13. Сопоставление напряженного состояния в сплошной балке и решетчатой ферме.

Пристроив к полученной конструкции еще одну, точно такую же, мы получим новую ферму, показанную на рис. 13, г . В этом случае тот же самый груз 2 W поддерживается сжатыми и растянутыми наклонными элементами 2 , 3 , 6 и 7 , в то время как элементы 1 , 5 , 4 и 8 сжаты и растянуты в горизонтальном направлении и, хотя они не поддерживают внешнюю нагрузку непосредственно, благодаря им ферма не рушится. Получается, что каждый элемент выполняет свою функцию и, если хотя бы один стержень или одна струна выйдет из строя, катастрофа неизбежна: каждый элемент по-своему важен.

Теперь посмотрим, как передается в нашей ферме нагрузка от элемента к элементу. Правая ячейка на рис. 13, г работает точно так же, как единственная ячейка на рис. 13, в . Однако в левой (внутренней) ячейке на рис. 13, г дело обстоит иначе. Растягивающее напряжение в струне 1 вдвое больше напряжения в струне 5 , а сжатие в стержне 4 в два раза превышает сжатие в стержне 8 . Это происходит потому, что диагональные элементы (назовем их "сдвиговыми") добавляют нагрузку на элементы, расположенные по направлению к месту заделки консоли. Однако во всех сдвиговых элементах независимо от длины фермы нагрузка одинакова.

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

Если теперь мы преобразуем нашу ферму или балочку, построенную из детского конструктора, в сплошную балку, то получим систему напряжений, изображенную на рис. 13, е . В средней по высоте части балки под углом 45° к оси действуют главным образом сдвиговые напряжения, неизменные по длине балки. Материал верхней и нижней частей балки нагружен в основном растяжением и сжатием. Горизонтальные напряжения растяжения-сжатия быстро возрастают по длине балки и в наиболее опасном сечении становятся намного больше сдвиговых напряжений. Именно эти напряжения обычно повинны в разрушениях балочных конструкций и тяжелых несчастных случаях, которые за ними следуют. Вот почему вычисления, связанные с расчетом напряжений, - это совсем не сухие академические упражнения, интересные только специалистам, они прямо связаны с безопасностью и благополучием большинства из нас.