Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи

Корабль строился на верфях Лэйрда в Биркенхеде под руководством Коулса без обычных в таких случаях проверок проекта. Более того, строительство велось в атмосфере поношений и полемики. Сам Коулс большую часть времени был болен и не покидал своего дома на острове Уайт. В результате вес корабля оказался на 15% выше расчетного. Не случись этого, корабль, быть может, оказался бы удачным и сравнительно безопасным. Но в том виде, в каком "Кэптен" был спущен на воду, он имел слишком большую осадку и недопустимо высоко расположенный центр тяжести. Последующие расчеты показали, что он должен был бы перевернуться при крене около 21°. Тем не менее корабль с большой помпой был принят флотом в 1869 г. Он совершил два океанских плавания, к большому удовлетворению "Таймс" и первого лорда адмиралтейства, сын которого служил на нем мичманом. Казалось, что проблемы на пути "мировой державы" снова будут решаться одна за другой и можно будет избавиться от трудностей, связанных с разбросанными по всему миру портами и базами снабжения.

В третьем плавании (1870 г.), возвращаясь с эскадрой из Гибралтара, во время довольно обычного шторма в Бискайском заливе "Кэптен" внезапно перевернулся и затонул. Погибло 472 человека - больше, чем англичане потеряли в битве при Трафальгаре. Сам Купер Коулс и сын первого лорда адмиралтейства утонули. Спаслись лишь 17 матросов и один офицер.

Гибель "Кэптена" значительно повлияла на ускорение перехода от паруса к пару, точнее на изгнание парусного снаряжения с больших линкоров. Какими бы ни были технические последствия этого перехода, политические следствия оказались весьма резвыми. Напомним, что Сузцкий канал, открытый чуть ранее спуска на воду "Кэптена", первоначально принадлежал Франции. В 1874 г. Дизраэли купил акции Суэцкого канала для английского правительства, и строительство раскинутой по всему миру сети баз снабжения сделалось политической необходимостью. Вся история создания и гибели "Кэптена" довольно запутана, но непосредственная техническая причина катастрофы несомненно заключалась в стремлении, несмотря на излишний вес, сделать мачты и корпус корабля одинаково прочными. Это была одна из многих катастроф, когда ничто не разрушилось, но корень зла был именно в недостатках конструкции.

Позади какого-либо препятствия, например дерева или каната, поток воздуха или воды образует завихрения. Такие завихрения можно увидеть, посмотрев на тростник или камыш, растущий в медленно текущей реке. Завихрения чаще всего образуются попеременно то с одной, то с другой его стороны. Это приводит к возникновению периодических колебаний давления в потоке: давление попеременно становится большим то на одной, то на другой стороне препятствия. Возникающая последовательность, или "дорожка" вихрей, называется "дорожкой Кармана" по имени впервые описавшего ее ученого-механика. Довольно часто можно видеть вихри на гладкой поверхности воды; воздушные вихри обычно невидимы, но их можно заметить по движению дыма, опадающих листьев или с помощью других индикаторов. В действительности такая же дорожка вихрей возникает и в потоке воздуха за флагом, деревом или проводом.

В результате такого попеременного образования вихрей то по одну, то по другую сторону препятствия полощутся на ветру флаги, качаются деревья, гудят и поют телеграфные провода. Именно поэтому свободное полотнище паруса хлопает на ветру и вполне может разорваться или ушибить. Я однажды сам видел, как человека сбила с ног вырвавшаяся рея шкота; в ней была запасена довольно большая энергия. Когда в свежий ветер большой корабль поворачивает на другой галс, издаваемый парусами хлопок бывает громче пушечного выстрела.

Если частота аэродинамического воздействия, вызванного вихрями, совпадет с одной из собственных частот колебаний обтекаемого тела, то амплитуда колебаний в этом теле может возрастать до тех пор, пока что-нибудь в нем не сломается. Именно благодаря этому механизму, а не постоянному давлению ветра ломаются в бурю деревья. То же самое довольно часто происходит с самолетами и подвесными мостами. Этого можно избежать, если сделать конструкцию достаточно жесткой, особенно на кручение. Как мы уже отмечали, именно требования достаточной крутильной жесткости в основном определяют проектирование и вес конструкции современного самолета.

Хотя подвесной мост Телфорда через Менай уже вскоре после своей постройки довольно сильно пострадал от вызванных ветром колебаний, потребовалось около ста лет, чтобы строители мостов осознали реальную опасность этого явления. Классическая катастрофа такого рода произошла в 1940 г. с мостом Тэкома Нэрроуз в США. Этот мост с пролетом в 840 м не имел достаточной жесткости на кручение. Уже при среднем ветре размах колебаний достигал такой величины, что местные жители прозвали его "скачущей Гертой". Довольно скоро после постройки при ветре всего около 70 км/час амплитуда его раскачки и крутильных колебаний достигла критической величины и он обвалился. Случилось так, что рядом оказался кто-то с заряженной кинокамерой в руках. Камера работала, и стоимость пленки оказалась прекрасно вложенным капиталом, поскольку с тех пор ее показывают по всему миру практически во всех инженерных институтах (рис. 157).

Рис. 157. Кадры, запечатлевшие разрушение подвесного места Тэкома Нэрроуз [129] Из-за низкого качества типографской печати этот рисунок воспроизвести не удалось. Вместо него предлагаем сходные иллюстрации www.ketchum.org/bridgecollapse.html - V.V. .

Этот опыт учли, и современные подвесные мосты имеют достаточную жесткость, особенно на кручение. Как и в случае самолетов, вес элементов, обеспечивающих нужную жесткость моста, составляет довольно значительную долю его общего веса. Так, пролет автомобильного моста через Северн (рис. 86) выполнен из огромных стальных труб шестигранного сечения, изготовленных из листов малоуглеродистой стали. При сооружении моста они секциями сплавлялись по воде, поднимались на место и затем сваривались в сплошную конструкцию.

Причины любой катастрофы лежат на двух уровнях. Первый связан с непосредственными механическими или технологическими факторами, второй - с факторами субъективного характера. Не подлежит сомнению утверждение, что проектирование - не очень точный предмет, иногда случаются неожиданности, допускаются ошибки и т.д., однако в большинстве случаев "истинные" причины катастроф кроются в оплошностях, сделанных теми или иными людьми, и этих оплошностей вполне можно было бы избежать.

Сегодня довольно распространено мнение, что оплошность относится к разряду тех слабостей, за которые человека нельзя по-настоящему осуждать, ведь он "сделал все, что мог", он жертва своего воспитания, среды или социальной системы и т.д. и т.п. Но оплошность незаметно переходит в то, что называется очень непопулярным сейчас словом "грех". В течение своей долгой профессиональной жизни, потраченной (или растраченной) на изучение прочности материалов и конструкций, мне пришлось разбираться в немалом количестве катастроф, нередко сопровождавшихся гибелью людей. Мой опыт привел меня к убеждению, что лишь немногие из катастроф случаются сами по себе на морально нейтральной почве. Девять из десяти происходят не по технически сложным причинам, а в результате стародавних человеческих прегрешений, часто опускающихся до очевидной безнравственности.