Конструкции, или почему не ломаются вещи - Джеймс Гордон

Техника надувных конструкций, вероятно, заслуживает более интенсивного развития, чем это было до сих пор. По-настоящему эксплуатируют принцип надувных конструкций лишь растения и животные, организм которых работает подобно химическому заводу и содержит много самых разных и сложных жидкостей. Нет ничего более естественного и экономичного, чем спроектировать червяка в форме длинного мешка, туго нафаршированного внутренностями. Конструкции такого типа так хорошо работают и представляются настолько естественными, что можно только удивляться, почему животным понадобилось обзавестись скелетом из хрупких и тяжелых костей. Не было ли бы куда как удобнее, если бы человек был устроен наподобие осьминога, каракатицы или хобота слона?

Существует мнение, как сообщил мне профессор Симкис, что в животном мире на самом деле никто и никогда не замышлял обзаводиться скелетом; вполне возможно, что самые ранние кости были просто свалкой ненужных организму мельчайших частиц металлов. Но коль скоро живой организм хоть однажды произвел внутри своего тела твердое неорганическое образование, он мог затем попытаться использовать его и для прикрепления мускулов.

Колеса со спицами

На свадьбе немодной этойНе будет, увы, кареты, -Но будешь прекраснаНа первоклассномДвухместном велосипеде!

В обычном деревянном колесе телеги весь ее вес воспринимается спицами, поочередно работающими на сжатие. В этом смысле телега очень похожа на сороконожку с огромным количеством длинных ног. Вместе взятые, они много весят, но работа их неэффективна. Впервые, кажется, этот факт стал ясен Джорджу Кэйли (1773-1857), замечательному и эксцентричному человеку. Кэйли был одним из самых блестящих зачинателей авиации, он задался вопросом, как сделать колеса шасси своего самолета более легкими. Уже в 1820 г. он понял, что можно сильно сэкономить на весе, если изобрести такое колесо, в котором спицы работают не на сжатие, а на растяжение. Эта мысль привела в конце концов к разработке современного велосипедного колеса, в котором проволочные спицы постоянно растянуты, в то время как сжимающая нагрузка воспринимается ободом, который можно сделать весьма тонким и легким, так как он оказывается весьма устойчивым.

Колесо с проволочными спицами и надувными шинами сделало велосипед чрезвычайно удобным и практичным. Однако экономия веса достигается только в случае больших и слабо нагруженных колес, таких, как колеса велосипеда. Когда колесо становится меньше, а нагрузка больше, натянутые спицы обычно почти не дают преимуществ. В современных спортивных автомобилях штампованные стальные колеса лишь чуть тяжелее колес со спицами, которые в данном случае не стоят связанных с ними хлопот и расходов.

О выборе лучшего материала, или что такое "лучший материал"

Можно предположить, что природа знала свое дело, когда выбирала между различными возможными вариантами биологических тканей, но простые смертные, а порой и даже великие, имеют очень странные представления о материалах. Согласно Гомеру, лук Аполлона был сделан из серебра[116] - металла, в котором можно запасти лишь ничтожное количество упругой энергии. В более поздние века поэты говорили, что полы на небесах сделаны из золота или из стекла; оба вещества - чрезвычайно неподходящий стройматериал для полов. Правда, поэты почти всегда безнадежны в отношении материалов, но и большинство из нас не многим лучше. В действительности очень редко кто-либо всерьез задумывается о подобных вещах.

Выкрутасы моды и соображения престижа, кажется, играют здесь главную роль. Золото не очень подходит для часов, так же как и сталь для мебели оффисов. В викторианскую эпоху увлекались чугуном, из него делали даже такие предметы обихода, как подставки для зонтиков. Говорят, вождь одного африканского племени весь свой дворец построил из чугуна. Хотя выбор материала иногда является следствием эксцентричности, чаще он основан на традициях и консерватизме. Конечно, в основе традиционного выбора материала нередко лежат весьма веские причины, но во многих случаях он обусловлен случайными обстоятельствами, а порой обоснованность и случайность так тесно переплетены, что трудно понять, насколько он оправдан. Люди искусства, от Льюиса Кэррола до Сальватора Дали, открыли, что можно вызвать сильный психологический шок одной мыслью о том, что самые знакомые предметы могут быть сделаны из явно неподходящего материала, например резины или хлеба с маслом. Инженеры очень восприимчивы к таким эффектам; их бы сегодня также шокировала идея сделать большой деревянный корабль, как наших предков - идея сделать корабль из железа.

Очень любопытно проследить, как меняется со временем отношение к тем или иным материалам. Возьмем, например, соломенные крыши. Солома была самым дешевым и потому самым непрестижным кровельным материалом, однако в беднейших сельских районах ею часто приходилось покрывать даже крыши церквей. В течение XVII в., когда церковные приходы сделались побогаче, по подписке собирали деньги на замену соломы шифером или черепицей. Иногда денег на всю крышу не хватало, и тогда приходилось оставлять солому в тех местах, где она была меньше заметна для прохожих, - черепицей покрывалась только сторона, обращенная к главной дороге. Сегодня престижность обернулась другой стороной - соломенная крыша в английских графствах служит предметом гордости весьма богатых бизнесменов.

Материалы, топливо и энергия

В будущем XX в., возможно, назовут веком стали и бетона. Но не исключено, что о нем будут говорить и как о веке уродств или расточительства. Однако не только инженеры одержимы сталью и бетоном (и почти безразличны к последствиям этой одержимости), ими заразились и политики, и широкая публика.

Болезнь, по-видимому, началась лет двести назад со времен промышленной революции и появления дешевого угля; это привело к дешевому железу и железным паровым машинам, превращавшим дешевый уголь в дешевую механическую энергию и т. д., круг за кругом, раскручивалось колесо производства и потребления энергии. В угле и нефти в малом объеме запасено большое количество энергии. Машины очень быстро перерабатывают заметную часть этой энергии, но также в малом объеме. Затем они выдают эту энергию в концентрированной форме в виде электричества или механической работы. На этой концентрации энергии основывается вся наша современная техника. Материалы этой техники - сталь, алюминий и бетон - сами требуют больших количеств энергии для своего производства (табл. 6).

Таблица 6. Количество энергии, необходимое для производства различных материалов [117]

Материал / Энергозатраты для производства 1 т материала, Дж х 109/т / Нефтяной эквивалент, т

Сталь (мягкая) / 60 / 1,5

Титан / 800 / 20

Алюминий / 250 / 6

Стекло / 24 / 0,6

Кирпич / 6 / 0,15

Бетон / 4 / 0,1

Углеволокнистые композиты / 4000 / 100

Дерево (сосна, ель) / 1 / 0,025

Полилиэтилен / 45 / 1,1

Поскольку производство этих материалов весьма энергоемко, их можно эффективно использовать только в условиях высокой энерговооруженности экономики. Сооружая технические устройства, мы затрачиваем не только денежные средства, но и энергию, а потому необходимо обеспечить возврат того и другого.

Несмотря на высокую стоимость энергии и оскудение ее запасов, потребление энергии скорее увеличивается, чем уменьшается. Такие совершенные машины, как газовые турбины, все более и более лихорадочно производят все больше и больше энергии внутри все меньшего и меньшего объема. Совершенные устройства требуют совершенных материалов, и такие новые материалы, как высокотемпературные сплавы и пластики, армированные углеволокном, требуют для своего производства огромного количества энергии.

Весьма вероятно, что такое положение вещей не может продолжаться бесконечно, ибо вся эта система полностью зависит от дешевых и концентрированных источников энергии, таких, как нефть и уголь.

Живую природу можно считать совершенно уникальной системой, приспособленной для извлечения энергии не из концентрированных, а из "размазанных" источников, причем использует она эту энергию с величайшей экономией. Сейчас предпринимается много попыток собирать энергию для технических целей из таких неконцентрированных источников, как солнечный свет, ветер или океан. Многие из них, вероятно, окончатся неудачей, потому что энергетические затраты на постройку соответствующих систем из стали, бетона и других материалов могут оказаться слишком велики и даже не компенсируются при их эксплуатации. Очевидно, необходим совершенно другой подход ко всей проблеме "эффективности". Природа смотрит на эти проблемы с точки зрения "метаболических затрат", и, быть может, мы должны перенять ее опыт.