Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи

В реальной жизни различие между балкой и длинной колонной обычно довольно неясно. Вытянутая колонна, например кость ноги животного, почти всегда подвергается изгибу, в результате чего материал ее вогнутой стороны сжат больше, чем в других местах. С другой стороны, в балках или фермах особенно сложной конфигурации сжатый пояс всегда следует проверять с точки зрения его прочности на сжатие. В любом случае, идет ли речь о балке или о колонне, если материал недостаточно прочен на сжатие, разрушение начнется тогда, когда наибольшее сжимающее напряжение достигнет опасного уровня. Лучшим примером колонн, которые, кроме сжатия, подвергаются и изгибу, служат деревья и мачты парусных кораблей. Ствол дерева должен выдерживать сжимающий вес всех своих ветвей и листвы, но в жизни дерева изгибающие нагрузки, вызванные давлением ветра, могут быть больше и опаснее. Точно так же и мачты, которые номинально являются сжатыми колоннами, испытывают значительный изгиб из-за неравномерного натяжения удерживающих их тросов. Этот изгиб особенно велик, если в оснастке что-нибудь рвется.

Мачты таких больших кораблей, как "Виктория", делались из кусков дерева, соединенных вместе железными обручами, но для мачт средних размеров старые мастера предпочитали использовать один ствол сосны или ели, по возможности оставляя его в первозданном виде. Эти специалисты не только встречали в штыки любые предложения о том, что следует делать пустотелые мачты, имеющие "более эффективное" трубчатое сечение; они старались вообще избегать какой-либо обработки дерева, кроме удаления коры.

В течение многих лет образованные инженеры, которые знали все об изгибе балок, нейтральных осях и моментах инерции второго порядка, презирали эти традиции, считая их обычно чепухой. Первое, что делает с деревом современный инженер, - это режет его вдоль на маленькие кусочки, которые затем снова склеивает вместе, стараясь получить нечто пустотелое в сечении. И только недавно мы стали осознавать, что в том, как устроен ствол растущего дерева, заключена некая высшая мудрость. Среди других хитростей у древесины есть такая: в различных частях ствола она растет таким образом, что ствол оказывается "предварительно напряженным".

В такой балке, как лонжерон крыла планера, где наибольшие изгибающие нагрузки практически имеют всегда одно и то же направление, сжатую полку можно сделать толще растянутой, имея в виду, что при сжатии дерево значительно более непрочно, чем при растяжении. Но деревья или мачты должны выдерживать изгибающие нагрузки, действующие в самых различных направлениях, - все здесь определяется прихотью ветра, - поэтому для них такое решение не подходит. Во всяком случае, ствол дерева должен иметь симметричное сечение, обычно круглое. При изгибе распределение напряжений по сечению предварительно ненагруженной балки линейно, как показано на рис. 140, а . В этом случае, когда напряжение сжатия достигнет величины около 30 МН/м 2(3 кгс/мм 2), балка, то есть дерево, начнет ломаться.

И вот тут-то выступает предварительно напряженная конструкция ствола. Каким-то образом дерево ухитряется расти так, что внешние слои древесины обычно растянуты (примерно до 15 МН/м 2), то есть до 4,5 кгс/мм 2в то время как внутренние сжаты. Примерное распределение напряжений в сечении ствола в обычных условиях показано на рис. 140, б . Теперь напомним одно из важных следствий линейности закона Гука, состоящее в том, что мы можем смело складывать одно распределение напряжений с другим. Тогда, если мы прибавим к распределению напряжений, показанному на рис. 140, а , распределение, показанное на рис. 140, б , то получим распределение, изображенное на рис. 140, в .

Рис. 140. а - поведение под ветром дерева, в древесине которого нет предварительных напряжений; распределение напряжений по сечению ствола линейно и наибольшие растягивающие и сжимающие напряжения одинаковы; б - предварительно напряженное дерево в безветренную погоду; наружные слои ствола растянуты, внутренние - сжаты; в - предварительно напряженное дерево при сильном ветре; сжимающие напряжения уменьшились наполовину, так что дерево может выдержать вдвое большие нагрузки, чем в случае а .

Таким образом, дерево уменьшает наибольшую величину сжимающего напряжения примерно вдвое и тем самым удваивает эффективное сопротивление ствола на изгиб. Правда, при этом возрастает максимальное растягивающее напряжение, но дерево вполне с ним может справиться. То, к чему стремится дерево, создавая предварительно напряженную структуру ствола, противоположно целям, которые мы преследуем в случае предварительно напряженного железобетона. Бетон непрочен при растяжении и сравнительно прочен при сжатии, так что бетонную балку при изгибе опасность подстерегает на растянутой стороне. Чтобы избежать этого, мы армируем бетон стальными стержнями, находящимися под натяжением, так что сам бетон оказывается сжатым. Поэтому балку нужно гнуть довольно сильно, прежде чем сжимающие напряжения в бетоне вблизи от одной из поверхностей балки сменятся растягивающими. Тем самым отодвигается момент начала растрескивания бетона, так как балку следует продолжать гнуть, прежде чем будет достигнут предел прочности бетона на растяжение [101] Отметим, что многие морские водоросли, состоящие в основном из альгиновой кислоты, хрупкого и непрочного вещества, предварительно напряжены так же, как и железобетон. Как железобетон экономит нам сталь, так и водоросли экономно расходуют дефицитный, но прочный материал - целлюлозу. .