Джеймс Гордон - Конструкции, или почему не ломаются вещи

От редактора перевода

Человек, как и все живое, неотделим от силовых конструкций. Будучи сам конструкцией, доведенной природой до достаточной степени совершенства, он и производит конструкции - орудия труда, с помощью которых в свою очередь либо создаются, либо разрушаются другие конструкции. Создавая всякую конструкцию, будь то самолет, мост, дорожное покрытие, мы хотим, чтобы она надежно нам служила, то есть прежде всего была прочной, не разрушалась; как правило, для нас немаловажно достичь этого с минимальными затратами труда, материала, энергии. Разрушая конструкции (занимаясь, к примеру, заготовкой дров, бурением скважины), мы опять-таки стремимся к минимальным затратам труда и энергии. Таким образом, прочность и разрушение материалов и конструкций в той или иной степени касаются каждого из нас, и тем удивительнее отсутствие популярных книг на эту тему.

Предлагаемая вниманию читателя книга написана ученым, который обладает редким даром: он пишет о вещах важных и сложных так, что его книги оказываются по-настоящему увлекательными и в то же время поучительными не только для весьма широкого круга читателей, но и для специалистов. Об этом я могу судить и по собственному опыту и по многочисленным отзывам коллег, прочитавших первую изданную несколько лет назад в русском переводе книгу автора "Почему мы не проваливаемся сквозь пол" (М. Мир, 1971), а также по свидетельствам людей, чьи профессиональные интересы далеки от области материаловедения и механики материалов и конструкций.

Помимо несомненного таланта, профессор Гордон обладает глубоким знанием предмета и огромным практическим опытом; читателя покоряет и широта его интересов: техническое мастерство древних греков, парусные яхты, фотография, биомеханика. И хотя в своем предисловии профессор Гордон пишет, что не обо всем ему удалось сказать достаточно популярно, сохранив безукоризненную точность, а потому специалист найдет, за что его упрекнуть, нам представляется, что человек с широким взглядом на вещи не будет слишком придирчив: он поймет стремление автора сделать общепонятными основные идеи. Автор искренне хотел заинтересовать читателя предметом, который традиционно считается сложным и не пользуется особой популярностью. И, следует признать, делает он это весьма профессионально.

Касаясь прочности конструкций, невозможно обойти молчанием конструкции из композиционных материалов: это направление развития материалов и конструкций приносит сегодня наиболее интересные плоды. Профессор Гордон был одним из первых, кто начал понимать очевидную сейчас перспективность этих материалов. Дело в том, что металлические материалы в своем традиционном виде несмотря на все их достоинства обладают одним принципиальным недостатком: в них с ростом прочности ограничиваются возможности пластической деформации, а вместе с этим падает сопротивление трещине и, стало быть, надежность. Поэтому в поисках компромисса между весом конструкции и ее надежностью приходится соглашаться на применение сравнительно малопрочных сплавов. Правильно построенная композиционная структура лишена этого недостатка, более того, можно так сконструировать материал, что одновременно будут расти и его прочность и его надежность. За словами "сконструировать материал" стоит многое: материалы будущего невозможно представить себе вне конструкции, как нельзя представить себе сегодня материал конструкции живого организма вне самого организма.

Писать о композитах можно было бы очень много, но ограничимся сказанным, поскольку читателя ждет книга, которую мы рекомендуем и школьнику, и студенту и инженеру, и биологу.

С. Милейко

Предисловие

Моим внукам Тимоти и Александеру

Многое в жизни показывает нам, сколь неоправданна человеческая самонадеянность. Взять хотя бы наше непонимание большинства обычных объектов и явлений - изъян, который делается еще более ощутимым при каждой попытке его исправить. Неразвитые и ленивые умы путают обыденную осведомленность со знанием и полагают, что им известна природа вещей, коль скоро они видят их внешние формы и знают их назначение. Мыслитель же, не удовлетворяющийся объяснением существующего сверхъестественными силами, изводит себя бесплодным любопытством, и чем больше он пытается проникнуть в суть вещей, тем яснее осознает всю бездну своего непонимания.

Я полностью отдаю себе отчет в том, сколь опрометчива попытка написать книгу о конструкциях на элементарном уровне. Только изгнав математику предмета, начинаешь сознавать, как трудно описать суть тех понятий, на которых он строится, - понятий, которые часто называют элементарными, хотя, я полагаю, на самом деле считают их основными, или фундаментальными. Порой читатель может не обнаружить в книге каких-то важных, на его взгляд, сведений или столкнуться с излишними упрощениями; иногда это сделано намеренно, а иногда может оказаться следствием моего невежества и недостаточного понимания предмета.

Хотя настоящая книга в какой-то мере является продолжением моей книги "Почему мы не проваливаемся сквозь пол", ее можно читать и совершенно независимо от последней. В связи с этим в начальных главах были неизбежны некоторые повторения.

Я считаю своим долгом поблагодарить всех тех, кто помог мне при работе над книгой ценными сведениями и советами или участием в горячих дискуссиях, которые не могли не способствовать ее написанию. Из ныне здравствующих мне великодушно помогали коллеги по Редингскому университету, особенно проф. В.Б. Биггс (он строитель по специальности); д-р Р. Чаплин, д-р Дж. Еронимидис, д-р Ю. Винсент и д-р Г. Блют. Профессор философии А. Флу дал мне полезные советы относительно содержания последней главы. Я благодарен также Дж. Бартлету, консультанту-нейрохирургу Брукской больницы. Профессор Т. Хьюджес из Вестиндского университета помог мне в целом ряде вопросов, в том числе в вопросе, касающемся ракет. В трудную минуту поддержкой мне была мой секретарь г-жа Джейн Коллинз. Г-жа Нетеркот из журнала "Вог" любезно помогла в вопросах кройки и шитья. Неизменно благожелательными и… терпеливыми ко мне были Дж. Лич и другие сотрудники издательства "Пингвин".

Очень многим я обязан покойному д-ру Марку Прайеру (Тринити-колледж, Кембриджский университет), с которым на протяжении почти тридцати лет я обсуждал вопросы биомеханики. В заключение же по причинам, надо думать, вполне очевидным, я должен смиренно поклониться Геродоту, гражданину древнего Галикарнаса.

Дж. Гордон.

Мы выражаем глубокую признательность за любезное разрешение цитировать многим авторам и издательствам "Панч пабликейшнз лимитед" (Дуглас - "Английская поэма), "Уильям Блэквуд лимитед" (В. Мартин - "Моряк из южных морей"), "Э.П. Уотт энд сан" (Р. Киплинг - "Хлеб, отпущенный по водам"), а также праводержательнице, ныне покойной, г-же Бэмбридж и издательству "Макмиллан компани" (Лондон и Бейзингсток). Кроме того, мы благодарим г-на X.Л. Кокса, который позволил воспользоваться его книгой "Проектирование конструкций минимального веса", и издательства "Оксфорд юниверсити пресс" и "Кембридж юниверсити пресс", любезно разрешившие привести выдержки из Новой английской библии (2-е изд. (c) 1970).

Мы глубоко благодарны также всем лицам и организациям, которые предоставили иллюстрации и позволили воспроизвести их, в том числе: д-ру Р. Чаплину, д-ру Дж. Винсенту, проф. А. Хорриджу, Институту гражданских инженеров, фирме "Бритиш стил корпорейшн", Музею военного корабля "Виктория", г-же Нетеркот и журналу "Вог", фирме "Фейри компани лимитед", Лондонскому научному музею, фирме "Г.Л. Уотсон энд компани лимитед".

Мы приносим свои извинения тем, кого случайно здесь не упомянули.

Введение

Конструкции в нашей жизни, или как общаться с инженерами

Двинувшись с Востока, они нашли в земле Сеннаар равнину и поселились там.

И сказали друг другу: наделаем кирпичей и обожжем огнем. И стали у них кирпичи вместо камней, а земляная смола вместо извести.

И сказали они: построим себе город и башню, высотою до небес; и сделаем себе имя, прежде нежели рассеемся по лицу всей земли.

И сошел Господь посмотреть город и башню, которые строили сыны человеческие.

И сказал Господь: вот, один народ, и один у всех язык; и вот что начали они делать, и не отстанут от того, что задумали сделать.

Сойдем же и смешаем там язык их, так чтобы один не понимал речи другого.