Стенка балки в условиях сдвига - изотропные и анизотропные материалы

Как мы уже видели в предыдущей главе, хотя в верхней и нижней полках балки (или верхних и нижних стержнях фермы) возникают большие растягивающие или сжимающие напряжения (или усилия в стяжках), которые уравновешивают направленную вниз нагрузку и позволяют балке выполнять возложенную на нее миссию, - это напряжения сдвига, возникающие в стенке балки, соединяющей верхнюю и нижнюю ее полки. Стенка балки обычно представляет собой сплошную металлическую пластину, в ферме те же самые функции выполняет какая-либо решетчатая структура.

Так как между материалом и конструкцией нельзя провести четкой грани, то и здесь не очень важно, чем воспринимается перерезывающая сила в балке, сплошной ли стенкой или же решеткой, которая может быть из стержней, проволоки, деревянных брусьев или чего-либо другого. Правда, одно важное отличие здесь есть. Если стенка сделана, скажем, из металлической пластины, то не имеет никакого значения, под каким углом она была вырезана из большого листа, так как свойства металла по всем направлениям одинаковы. Такие материалы, а к ним относятся металлы, кирпич, бетон, стекло и большинство видов камня, называются изотропными, что по-гречески означает "одинаковые во всех направлениях", Тот факт, что металл изотропен (или почти изотропен) и имеет одинаковые по всем направлениям свойства, упрощает жизнь инженеров и объясняет их особое пристрастие к металлам.

Рассмотрим теперь стенку в виде решетки. Очевидно, что ее стержни должны располагаться под углом около +45° к оси балки. В противном случае стенка не будет иметь достаточной сдвиговой жесткости (рис. 120 и 121), под нагрузкой решетка сложится, и ферма скорее всего разрушится. Материалы, поведение которых напоминает поведение нашей решетки, называются анизотропными (или иногда аллотропными), что по-гречески означает "различные в различных направлениях".

Рис. 120. Сдвиг приводит к сжатию и растяжению под углом +45° к направлению сдвига.

Рис. 121. Системы, подобные той, что изображена справа, являются жесткими на сдвиг, а системы, подобные изображенной слева, плохо ему сопротивляются.

Дерево, ткани и почти все биологические материалы анизотропны, причем каждый по-своему; это обстоятельство весьма усложняет жизнь, и не только инженерам. Ткань для одежды является самым распространенным рукотворным материалом, и она в высшей степени анизотропна. Как мы уже не раз говорили, различия между материалом и конструкцией довольно туманны, и ткань, хотя портные и называют ее материалом, на самом деле представляет собой конструкцию, состоящую из отдельных нитей, перекрещивающихся под прямым углом, и ведет себя при действии нагрузкой почти так же, как и решетчатая стенка балки или фермы.

Взяв в руки квадратный кусок обыкновенной ткани - это может быть носовой платок, - вы увидите, что в зависимости от направления приложенной растягивающей силы она деформируется совершенно по-разному. Если вы тянете строго вдоль нитей основы или утка[90], ткань почти не растягивается; другими словами, ее жесткость на растяжение в этих направлениях велика. Более того, внимательно присмотревшись, вы заметите, что при этом сужение ткани в поперечном направлении тоже невелико (рис. 122), так что коэффициент Пуассона (о котором мы говорили в гл. 7 в связи с артериями) мал.

Рис. 122. При растяжении ткани параллельно нитям основы или утка материал оказывается жестким и его поперечное сокращение незначительно.

Но если вы теперь потянете ткань под углом 45° к направлению нити, то есть по диагонали, или, как говорят портные, "по косой", то она растянется гораздо больше; можно сказать, что в этом случае модуль Юнга весьма невелик. Одновременно произойдет большое поперечное сокращение, так что в этом направлении величина коэффициента Пуассона станет гораздо больше, а он может достигать величин порядка 1 (рис. 123). В целом же, чем более свободно соткана ткань, тем больше будет различие между ее поведением в диагональном и продольно-поперечном направлениях.

Рис. 123. Если ткань растягивается по диагонали, то материал легко поддается растяжению, коэффициент Пуассона для этого направления велик и соответственно поперечное сокращение значительно.

Думаю, что немногие слышали слово "анизотропия", но такое поведение тканей на протяжении веков, должно быть, было известно почти каждому. Довольно удивительно, однако, что анизотропные свойства тканей до недавнего времени не только не использовались в технике и обыденной жизни, но даже не были осознаны.

Оставим пока в стороне существо анизотропии и обратимся к ее проявлениям. Первое, что нам совершенно ясно, это то, что мы можем свести к минимуму искажения формы текстильных изделий, если нам удастся направить главные напряжения по возможности вдоль нитей основы и утка. Обычно это приводит к продольно-поперечному раскрою материала. Если обстоятельства таковы, что ткань тянется под углом 45°, по косой, возникают гораздо большие искажения первоначальной формы, но они симметричны. А вот если мы окажемся настолько непредусмотрительными, что рабочие нагрузки будут приложены не в продольном или поперечном и не в диагональном, а в некотором промежуточном направлении, тогда возникнут не только большие, но и совершенно не симметричные искажения. Одежда в этом случае растянется и примет странный и почти наверняка непривлекательный вид[91].

Изготовление парусов почти во все времена было важной отраслью хозяйства, и тем не менее европейские мастера никогда до конца не понимали сути поведения парусины. Столетиями они делали паруса таким образом, что их материал растягивался в косом по отношению к нитям основы и утка направлении. Такие паруса быстро делались мешковатыми и плохо работали при встречном ветре. Свою лепту внесло здесь европейское пристрастие к льняной парусине, которая особенно легко деформировалась из-за неплотного переплетения нитей.

Изготовление парусов на современном уровне относится к началу XIX в. Приоритет здесь принадлежит американским мастерам, которые использовали туго сотканную парусину из хлопка и так располагали швы, чтобы направление нитей более или менее соответствовало направлению возникающих напряжений. Вследствие этого американские корабли могли плавать быстрее и круче к ветру, чем британские. Потребовалась, однако, основательная встряска, прежде чем все эти простые факты дошли до сознания английских мастеров. Это произошло благодаря шуму вокруг яхты "Америка", которая в 1851 г. пришла из Нью-Йорка в Ковец для участия в гонках с быстроходнейшими английскими яхтами.

Гонки происходили вокруг острова Уайт. В качестве приза победителю предназначался довольно безобразный предмет из серебра, подаренный королевой Викторией. (Эта кувшиноподобная штука впоследствии получила известность как "Кубок Америки".) Когда королеве доложили, что первой пересекла финишную черту "Америка", она спросила:

—?А второй?

И услышала в ответ:

—?Второй еще не видно, ваше величество.

После этого английские мастера пересмотрели свою технологию и подтянулись настолько, что через несколько лет американские яхтсмены уже покупали паруса у Ратсея из Ковеца. Урок, преподанный американцами, запомнился надолго, и, хотя современные паруса в большинстве своем делаются из терилена, кроятся они таким образом, чтобы нити утка, насколько это возможно, были параллельны свободным краям паруса, в направлении которых обычно действуют наибольшие напряжения (рис. 124).

Рис. 124. В современных парусах нити утка направлены параллельно свободному краю паруса.

Задачи, связанные с приданием ткани желаемой трехмерной формы, не сильно различаются, шьем ли мы паруса или одежду. Однако портные и модельеры оказались здесь более сведущими, чем строители судов. Всегда, когда это было практически возможно, они резали ткань лишь вдоль и поперёк, чтобы наибольшие окружные напряжения действовали в направлении нитей. Если же требовалось, чтобы одежда тесно прилегала к телу, то это достигалось с помощью системы сосредоточенных нагрузок, иными словами, с помощью шнуровки. Молодая леди викторианских времен порой имела не меньшую оснастку, чем парусный корабль. В годы, последовавшие за правлением короля Эдуарда, от системы шнуровок стали отказываться (возможно, в связи с недостатком горничных), так что над женщинами нависла угроза "бесформенности".

Но вот в 1922 г. мадемуазель Вионе, открывшая магазин в Париже, изобрела "диагональный крой". Вряд ли мадемуазель Вионе слышала о своем знаменитом соотечественнике Пуассоне и тем более о коэффициенте его имени, но она интуитивно поняла, что добиться нужного облегания можно не только с помощью шнурков, крючков и кнопок. В материале платья действуют вертикальные растягивающие напряжения, связанные как с весом самой ткани, так и с движениями его владельца. И если ткань расположить так, чтобы ее нити составляли угол 45° с этими вертикальными нагрузками, то можно использовать большое поперечное сокращение и добиться эффектного облегания фигуры. Такого рода наряды были, несомненно, дешевле и удобней, чем решения времен Эдуарда, но тем не менее тоже могли разорить (рис. 125 и 126).

Рис. 125. Одно из первых платьев с новым кроем по диагонали, созданное мадемуазель Вионе (1926).

Рис. 126. Платье с прямым кроем, созданное мадемуазель Вионе.

Аналогичные проблемы возникают и при конструировании больших ракет. Существуют ракеты на жидком топливе, например на керосине, для сжигания которого требуется жидкий кислород. Но жидкостные ракетные двигатели имеют сложную систему подачи топлива и окислителя, которая работает не всегда надежно. Поэтому лучше, наверное, использовать двигатели на твердом топливе (на полимерной основе). Оно горит очень хорошо, но относительно медленно, выделяя огромное количество горячих газов, которые со страшным шумом вылетают из сопла двигателя, толкая ракету вперед.

Как топливо, так и производимые им газы находятся в прочном цилиндрическом корпусе или сосуде давления, стенки которого не следует подвергать действию пламени и высоких температур. По этой причине заряду топлива придается форма толстостенной полой трубы, которая плотно прилегает к корпусу ракеты. Когда ракету запускают, горение начинается с внутренней поверхности трубы и распространяется затем в направлении корпуса. В результате благодаря наличию еще не сгоревшего топлива материал корпуса оказывается защищенным от воздействия пламени вплоть до последнего момента.

Твердое топливо на полимерной основе и выглядит, и ведет себя подобно пластилину и, как и пластилин, склонно к растрескиванию, особенно при низких температурах. При запуске ракеты ее корпус, естественно, стремится расшириться вследствие давления газа, так же как расширяются артерии от давления крови; но вместе с корпусом должно расширяться и твердое топливо. Если заряд еще не нагрелся, в нем могут возникнуть трещины, когда окружная деформация корпуса достигнет примерно 1%, после чего пламя проникнет через трещины и разрушит корпус. Это приводит иногда к сенсационным взрывам, подобным тому, когда развалилась одна из ракет Поларис.

Примерно около 1950 г. кому-то пришло в голову, что корпус ракеты лучше делать не из металла, а в виде цилиндрической трубы, полученной геликоидной намоткой двух семейств прочных стекловолокон, связанных между собой смолой. Если правильно рассчитать углы намотки, то можно добиться того, чтобы изменение диаметра трубы под давлением было мало. Правда, при этом осевая деформация такого корпуса будет больше, чем металлического (как и талии в платьях мадемуазель Вионе). Однако по ряду причин продольное удлинение менее опасно для топлива. Если не ошибаюсь, эта идея берет свое начало от диагонального кроя вечерних туалетов, популярных в то время.

Допустимые деформации корпуса ракеты отнюдь не допустимы для кровеносных сосудов. Как мы видели в гл. 7, при колебаниях давления крови артерия должна при значительных изменениях ее диаметра сохранять более или менее постоянную длину. Оба эти требования может удовлетворить конструкция трубы с соответствующей геликоидной намоткой волокон. С такого рода проблемами, как ни странно, постоянно сталкиваются биологи. Примечательно, что Стив Вейнрайт, профессор университета Дюка, изучающий червей, совершенно независимо провел те же самые расчеты, которыми мы занимались лет 20 назад в области ракетной техники[92]. Заинтересовавшись этим обстоятельством, я выяснил через профессора Биггса, что и в этом случае толчком послужил крой по косой.

Изобретение косого кроя принесло мадемуазель Вионе. славу в мире модельеров. Она дожила до глубокой старости и умерла недавно в возрасте 98 лет, так, по-видимому, и не узнав о своем весьма значительном вкладе в космическую и военную технику и биомеханику червей.