Конструкции, или почему не ломаются вещи - Джеймс Гордон

Наиболее простыми для рассмотрения являются, вообще говоря, такие конструкции, которые должны оказывать сопротивление только растягивающим нагрузкам - силам, возникающим, когда тянут, а не когда толкают. Из этих конструкций самыми простыми являются те, которые растягиваются только в одном определенном направлении; типичным случаем таких конструкций может быть веревка или стержень. Хотя такие одноосные нагружения можно наблюдать у растений, особенно в их корнях, лучше рассмотреть другие биологические конструкции - мышцы и сухожилия животных, голосовые связки и сплетаемую пауком паутину.

Мышцы - это мягкая ткань, которая при получении соответствующего нервного сигнала способна сокращаться и таким образом создавать силы растяжения. Но хотя мышцы представляют собой более эффективное устройство для преобразования химической энергии в механическую работу, чем любая созданная человеком машина, они не очень сильны и прочны. Поэтому, чтобы создавать и выдерживать значительные механические натяжения, мышцы должны быть толстыми и иметь большой объем. Отчасти по этой причине во многих случаях мышцы соединяются с костями, которыми они управляют, посредством промежуточных соединительных звеньев, похожих на струны и состоящих из сухожилий. Хотя сухожилия сами сокращаться не способны, они во много раз прочнее мышц, и поэтому для того, чтобы передать заданную растягивающую силу, достаточно, чтобы их поперечное сечение составляло лишь небольшую часть сечения мышц. Таким образом, задача сухожилий близка к задаче, которую обычно выполняют веревки и проволока, хотя, как мы видели в предыдущей главе, они могут работать и как пружины.

Некоторые сухожилия очень короткие, а некоторые - весьма длинные, и все они проходят по телу не менее сложным образом, чем проволочки в старомодной викторианской системе колоколов. Особенно длинны сухожилия рук и ног. Мышцы ног не только велики, но и тяжелы, поэтому целесообразно, чтобы центр тяжести ног располагался как можно выше. Дело в том, что при нормальной ходьбе нога действует подобно маятнику, колеблясь с присущим ей периодом свободных колебаний и расходуя предельно мало энергии. Бег гораздо утомительнее именно оттого, что мы заставляем ноги колебаться с частотой, большей, чем их собственная частота свободных колебаний. Но собственная частота колебаний ноги будет тем выше, чем ближе центр тяжести ноги к тазобедренному суставу. Поэтому у нас массивные икры и бедра и, к счастью, небольшие ступни и лодыжки.

Однако не меньшей помехой в жизни, чем большие ступни, были бы большие кисти рук (хотя кто-то может сказать, что только не для полисменов). Наши руки, конечно, произошли от передних ног, и идея "дистанционного" управления движением рук реализована с еще большей полнотой, чем в случае ног. С помощью сухожилий, даже более длинных и тонких, чем у ног, кисти и пальцы управляются мышцами, расположенными в предплечьях, то есть на очень большом расстоянии. За счет этого кисть оказывается значительно более тонкой, чем в случае, если бы в ней находились и все управляющие ею мышцы. Преимущества существующего в действительности расположения мышц с механической, а возможно, и с эстетической точки зрения очевидны.

Много простых примеров одноосного растяжения встречается и в конструкциях, созданных человеком; так, к числу их принадлежат рыболовная леска и трос подъемного крана. Эти случаи мало отличаются от задачи о висящем на веревке кирпиче, обсуждавшейся нами в гл. 2. А вот такие случаи, как сооружение парусной оснастки корабля или проектирование линий электропередач, гораздо интереснее и сложнее.

Расчет оснастки корабля - выбор необходимой толщины каждого каната - не вызвал бы никаких трудностей, если было бы известно, какие нагрузки придется выдерживать канатам. Здесь сложность состоит в том, чтобы не ошибиться при определении тех сил, которые действуют в столь сложной системе, как парусный корабль. Хотя существует несколько путей решения этой задачи, я сильно подозреваю, что большинство конструкторов яхт предпочитают строить свои расчеты на догадках бывалых людей. Однако догадки хороши только тогда, когда они оказываются правильными, в противном случае это скорее всего приведет к потере мачты.Если такое случается, когда кораблю угрожают опасные подветренные берега (как в случае фрегата Мэриета), последствия могут оказаться более чем серьезными.

Сегодня увлечение горными лыжами породило огромную международную индустрию, зависящую от исправной работы многих тысяч подъемников и канатных дорог. Большинству из тех, кто оказывается над пугающей бездной, я думаю, не безразлична прочность стальных канатов, на которых держится вагончик канатной дороги или кресло подъемника. Такие канаты рвутся очень редко, поскольку возникающие в этом случае статические нагрузки определяются с большой точностью, и не представляет труда произвести расчеты и гарантировать достаточный запас прочности. Более серьезную опасность представляет сильное раскачивание канатов на ветру, поскольку при этом вагончики могут удариться друг о друга или о поддерживающую опору. Проектировщики же и в этом случае, по-видимому, основываются главным образом на догадках и прецедентах.

Совсем иное применение одноосного растяжения мы видим в музыкальных инструментах. Высота звука, издаваемого натянутой струной, зависит не только от ее длины, но также и от напряжений растяжения в ней[37].

В струнных инструментах соответствующие напряжения создаются путем натягивания струн из жесткого материала, стальной проволоки или сухожилий на подходящую раму, которой может служить гриф скрипки или чугунная станина фортепиано. Поскольку жесткими являются и струна, и рама, весьма небольшое удлинение сильно меняет напряжение в струне и, следовательно, высоту звука. Именно поэтому такие инструменты очень чувствительны к настройке. Если аналогичным образом заставить звучать, словно струну, натянутую веревку, то по высоте звука можно определить напряжение материала. У древних римлян командир боевой катапульты должен был иметь хороший музыкальный слух, чтобы на слух определять, с какой силой натянуты канаты из сухожилий при подготовке к бою.

Хотя устройство, которым наделила человека природа, позволяющее издавать звуки, во многих отношениях отличается от струнных инструментов, принцип его действия аналогичен принципу действия последних. Механизмы работы этого устройства довольно сложны, но и в пении, и в речи человека существенное участие принимает гортань. Интересно отметить, что различные ткани, из которых состоит гортань, относятся к небольшому числу мягких тканей человеческого тела, поведение которых более или менее подчиняется закону Гука; большинство же других тканей человеческого тела, как мы увидим в гл. 7, подчиняется своим собственным, совершенно иным и не всегда ясным законам.

Гортань содержит так называемые голосовые связки. Это полосы, или складки, ткани, напряжение в которой может изменяться с помощью мышечных натяжений, что позволяет управлять частотой вибрации голосовых связок. Поскольку модуль Юнга голосовых связок довольно низок, для возникновения в них нужных напряжений они иногда должны испытывать большие деформации. Так, когда мы хотим получить звук большой высоты, они должны удлиниться на 50 и более процентов.

Между прочим, высокий голос у женщин и детей обусловлен не более сильным натяжением их голосовых связок, а меньшими размерами гортани и голосовых связок (они короче). Удивительна разница в размерах гортани у взрослых мужчин и женщин: примерно 36 мм у мужчин и 26 мм у женщин. А вот размеры гортани у мальчиков и девочек до периода созревания почти одинаковы. "Ломка" голоса у мальчиков в возрасте около 14 лет связана не с изменением натяжения голосовых связок, а с довольно резким увеличением размеров гортани.

Трубы и сосуды высокого давления

С механической точки зрения растения и животных можно рассматривать как системы большого числа трубок и сосудов, назначением которых является удержание и распределение различных жидкостей и газов. Величины давления в биологических системах обычно не очень велики, но ими ни в коем случае нельзя пренебрегать: сосуды и мембраны живого организма время от времени разрываются, нередко с фатальными последствиями.

Появление надежных сосудов высокого давления в технике следует отнести к достижениям сравнительно недавнего времени, а что бы мы делали, если бы не существовало труб, даже трудно себе представить. Отсутствие труб ввергло древних римлян в громадные затраты при создании городской системы водоснабжения: чтобы пустить воду по открытым каналам в холмистой местности, пришлось строить высокие акведуки. Первыми камерами, которые должны были выдерживать высокие давления, были стволы пушек, и, как известно из истории, они никогда не были вполне надежны и часто разрывались. Список убитых при неожиданном разрыве орудийного ствола, начатый шотландским королем Яковом II, был бы длинен и впечатляющ. Тем не менее, когда в начале XIX в. в Лондоне стало вводиться газовое освещение, трубы заказали бирмингемским оружейным мастерам, так что первые газовые трубы на самом деле были цепочками соединенных между собой мушкетных стволов.