Конструкции, или почему не ломаются вещи - Джеймс Гордон

Энергетический подход к расчетам конструкций на прочность

Шумели небо и вода,Но сам ты прятался всегда.Ты звал меня, касался щек,Но я поймать тебя не мог.

Перевод Игн. Ивановского

До самого недавнего времени в теории упругости и связанных с нею исследованиях пользовались терминами напряжение, деформация, прочность и жесткость, то есть, по существу, можно сказать, понятиями сил и перемещений. До сих пор и мы в этой книге вели рассуждения только в рамках этих понятий, и, мне кажется, многие считают такой подход наиболее простым. Однако, чем больше наблюдаешь закономерности природы и размышляешь о технике, тем больше склоняешься к энергетической концепции. Такой подход позволяет объяснить очень многое, и он лежит в основе современных моделей прочности материалов и поведения конструкций, то есть в основе довольно модной науки - механики разрушения. С его помощью проясняются многие моменты не только из области прочности инженерных конструкций, но и из совсем других наук, даже таких, как история и биология.

Досадно, что в сознании многих само представление об энергии было основательно запутано значением этого слова, употребляемым в обиходе. Подобно слову "напряжение", слово "энергия" часто используется для характеристики человеческого поведения. Такое словоупотребление имеет весьма слабую связь с обозначением реальной и точно определенной физической величины, к рассмотрению которой мы сейчас переходим.

В науке под энергией понимается способность совершать работу. Именно с такой величиной, имеющей размерность силы, умноженной на расстояние, мы и будем иметь дело. Так, поднимая груз весом в 5 кг на высоту 2 м, нужно совершить работу в 10 кгм, в результате в грузе будет запасено 10 кгм потенциальной энергии. До поры до времени эта энергия "законсервирована" в грузе, но, позволив грузу опуститься, ее можно вновь освободить. Высвобождаемый при этом запас энергии (10 кгм) может быть на что-то израсходован, например на работу часового механизма или на дробление льда на пруду.

Существует множество видов энергии - потенциальная, тепловая, химическая, электрическая и т. д. В нашем материальном мире всякое событие сопровождается превращением одной формы энергии в другую. Подобные превращения происходят в соответствии с некоторыми строго определенными правилами, главное из которых: "нельзя получить что-либо из ничего". Энергия не может быть создана или уничтожена, так что общее количество энергии, имевшееся до какого-либо физического процесса, остается тем же и после него. Этот принцип называется законом сохранения энергии.

Таким образом, энергию можно рассматривать как "универсальную валюту" науки, и часто наблюдения за ее превращениями, особенно при использовании соответствующей методики учета, могут быть очень информативными. Но для этого необходимы правильно выбранные единицы, а, как этого и следовало ожидать, в традиционных единицах энергии господствует неразбериха. Инженеры-механики склонны использовать килограммометры, физики привержены к эргам и электрон-вольтам, химикам и диетологам нравится использовать калории, счета за газ приходят в термах[18], а за электричество - в киловатт-часах. Все эти единицы, конечно, взаимообратимы и их можно переводить друг в друга, но в настоящее время лучше пользоваться единицей энергии системы СИ - джоулем. Джоуль определяет работу, производимую силой в 1 ньютон на пути в 1 метр[19].

Несмотря на то что энергию можно измерять достаточно точными методами, для многих осмыслить это понятие оказывается более трудным, чем, например, понятия силы и расстояния. Энергию, как и ветер из стихотворения Стивенсона, мы можем воспринимать лишь через ее проявления. Возможно, именно поэтому понятие энергии вошло в науку довольно поздно - в современной форме его ввел Томас Юнг в 1807 г. Сохранение энергии стало общепризнанным законом только в самом конце XIX в., и только после Эйнштейна и атомной бомбы огромная важность энергии как объединяющей концепции и как фундаментальной реальности была оценена всеми в достаточной степени.

Существует много способов - химических, тепловых, электрических и т.п. - накопления и сохранения энергии до тех пор, пока она не понадобится. Если мы собираемся использовать для этого механические средства, то можно применить метод, о котором уже говорилось, - использовать потенциальную энергию поднятого груза. Однако это довольно примитивный способ, и на практике как в инженерном деле, так и в биологии значительно чаще используется энергия деформации, или упругая энергия.

Очевидно, что энергию можно запасти в сжатой пружине, однако, как заметил Гук, поведение пружин является частным случаем упругости твердого тела при воздействии нагрузки. Таким образом, любое упругое вещество, находящееся в напряженном состоянии, содержит упругую энергию независимо от того, идет ли речь о растягивающем или сжимающем напряжении.

Если выполняется закон Гука, напряжение в материале нарастает от нуля до максимума в момент, когда материал растянут до предела. Упругая энергия на единицу объема представлена заштрихованной площадью под кривой деформирования (рис. 13). Эта площадь составляет 1/2 х напряжение х деформация = 1/2 se.

Рис. 13. Упругая энергия = площадь под кривой деформирования = 1/2 se.

Автомобили, лыжники и кенгуру

Все мы хорошо представляем себе упругую энергию автомобильных рессор. В машине без рессор должны были бы происходить бурные превращения потенциальной энергии в кинетическую (энергию движения) и обратно всякий раз, когда колесо проходит ухаб или рытвину. Эти превращения энергии неприятны как пассажирам, так и экипажу. Давным-давно, однако, какой-то гений изобрел рессоры, которые служат резервуаром энергии, позволяющим временно запасать изменения потенциальной энергии в виде упругой энергии, что смягчает удары при езде и предохраняет и экипаж, и пассажиров от "угрозы разрушения". Впоследствии инженеры затратили много времени и усилий, совершенствуя подвеску автомобиля и проявляя незаурядную изобретательность. Но автомобили ходят по дорогам, назначение которых - обеспечить гладкую поверхность для движения. Так что подвеска автомобиля служит только для того, чтобы нейтрализовать небольшие остаточные неровности. Задача же сконструировать подвеску для автомобиля, предназначенного для движения с большой скоростью по пересеченной местности, была бы исключительно трудной. Чтобы справляться с возникающими при таком движении ситуациями и в достаточных количествах запасать энергию, рессоры должны были бы быть очень большими и тяжелыми и сами по себе содержать столько "неподрессоренного веса", что вряд ли вся конструкция оказалась бы практичной.

Рассмотрим теперь ситуацию, возникающую при движении лыжника. Несмотря на снежное покрытие, лыжня обычно значительно более бугриста, чем любая нормальная дорога. Даже если бы можно было создать вдоль лыжни эффективное покрытие, например, из песка, предотвращающее пробуксовку, так что автомобиль мог бы двигаться по нему без скольжения, любая попытка прокатиться по лыжне на машине со скоростью несущегося с горы лыжника (например, 80 км/ч) кончилась бы печально, поскольку подвеска не смогла бы смягчить тряску. Но как раз с этой задачей и должно справляться тело лыжника. На самом деле значительную часть соответствующей энергии, по-видимому, принимают на себя сухожилия ног лыжника, вес которых не превышает и полукилограмма[20]. Таким образом, если мы собираемся носиться на лыжах без опаски или совершать другие атлетические подвиги, наши сухожилия должны обладать способностью принимать и возвращать очень большие количества энергии. Отчасти для этого они и предназначены.

Приближенные значения способности различных материалов запасать упругую энергию приведены в табл. 3. Некоторые сравнения биологических материалов с металлами, возможно, вызовут удивление инженеров, а разница величин, характерных для сухожилий и стали, проливает свет на соответствующие качества лыжников и живых существ вообще. У сухожилия способность запасать энергию, отнесенная к единице массы, примерно в 20 раз больше, чем у современных пружинных сталей. Хотя лыжники в качестве "устройств" для накопления упругой энергии эффективнее большинства механизмов, даже тренированный атлет не может конкурировать с оленем, белкой или обезьяной. Интересно было бы выяснить, какой по сравнению с человеком процент веса этих животных приходится на сухожилия.