Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи

Дело не только в том, что для производства одной тонны металла или бетона требуется много энергии. Сами эти громоздкие, но слабо нагруженные конструкции, обычно необходимые для систем с малой плотностью перерабатываемой энергии, могут оказаться в несколько раз тяжелее, если их делать из стали и бетона, а не из более подходящих требующих специальной разработки материалов.

Мы вскоре увидим, что одним из самых эффективных в конструкционном смысле материалов может быть дерево. При больших размерах и малых нагрузках конструкция из дерева во много раз легче, чем конструкция из бетона или стали. В прошлом затруднения с использованием древесины во многом определялись медленным ростом леса и необходимостью дорогостоящей выдержки древесины.

Возможно, самое важное достижение в области материалов за последнее время принадлежит генетикам, которые вывели быстрорастущие породы деревьев, дающих коммерческую древесину. Сейчас разводят разновидности сосны ( Pinus radiata ), ствол которой при благоприятных условиях дает прирост до 12 см в диаметре в год, так что лес готов для рубки на деловую древесину уже через 6 лет после посадки. Появились реальные перспективы превратить дерево в техническую культуру с коротким периодом созревания. Важно, что почти вся энергия, необходимая для выращивания древесины, поступает бесплатно, от Солнца. Кроме того, деревянную конструкцию можно сжечь за ненадобностью, получив большую часть энергии, накопленной деревом во время роста, чего, конечно, нельзя сказать ни о стали, ни о бетоне.

Древесина обычно требовала длительной и дорогостоящей выдержки в специальных сушилках, которые потребляют значительное количество энергии. Сегодня оказалось возможным сократить срок выдержки сортовой мягкой древесины до 24 ч при низкой стоимости процесса сушки. Это имеет очень важное значение не только для строительного дела, но и в связи с мировым энергетическим кризисом.

Анализ весовой эффективности различных материалов в различных конструкциях приведен в приложении 4. Проектирование большинства технически совершенных конструкций, таких, как, например, самолет, во многом определяется величиной E / ρ, которая называется удельным модулем Юнга и определяет, так сказать, весовую "стоимость" деформаций конструкции. Оказывается, однако, что для большинства обычных конструкционных материалов - молибдена, стали, титана, магния, алюминия и дерева - величина E / ρприблизительно одинакова. Именно поэтому в течение последних 15-20 лет правительства разных стран затратили столь большие суммы на разработку новых материалов, основой которых служат такие экзотические волокна, как нити бора и карбида кремния, углеволокна.

Материалы этого типа могут быть более или менее эффективными в авиакосмической промышленности, но одно можно сказать с уверенностью - они не только дороги, но и требуют больших затрат энергии для своего производства. По этой причине они, вероятно, будут применяться только в специальных целях и, по моему мнению, не найдут широкого применения в обозримом будущем.

Требование высокой жесткости конструкции может очень ограничивать наши возможности. Однако, как мы уже видели, стоимость сжатой конструкции - весовая, а часто и денежная - во многих случаях тоже очень высока. Весовая стоимость [118] Здесь весовая стоимость понимается как плата весом силового элемента за данную критическую или разрушающую нагрузку. - Прим. ред. сжатой колонны определяется не отношением E / ρ, а величиной ( E ) 1/2/ ρ. Весовая стоимость панели зависит от ( E ) 1/3/ ρ(приложение 4). Эти параметры приведены в табл. 7.

Таблица 7. Критерии эффективности некоторых материалов в различных условиях

Материал/ Модуль Юнга Е / Плотность ρ/ E / ρ/ ( E ) 1/2/ ρ/ ( E ) 1/3/ ρ

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] Все величины в таблице относительны, за единицу приняты характеристики стали. Все они очень приблизительны.

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

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.

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.