О соединениях, креплениях и людях, а также о ползучести и колесах колесниц
А теперь я хочу рассказать вам историю о корабле,построенном во время войны. Это был пароход, и он был построен из дерева- из хорошего дерева, и люди, которые его строили, тоже были хорошими изнающими мастерами… Он двигался как человек, несущий слишком большуютяжесть, а вскоре его движение стало прерывистым, он стал дрожать и качаться(на море была только легкая зыбь), потом опрокинулся набок и развалился,как старая корзина, на которую кто-то наступил. Через пять минут от негоне осталось ничего, кроме пятен угольной пыли на воде да нескольких балоки одного или двух барахтавшихся среди всего этого случайно уцелевших людей.
Это правдивая история. И я хочу только добавить, чтоэтот корабль был построен плотниками - мастерами, строящими дома, - береговымиплотниками, а не корабельными мастерами.
Пароход, о котором говорится в истории Вестона Мартира, затонул, затонулдовольно неожиданно, и случилось это оттого, что слишком слабыми оказалисьсоединения его деревянных деталей, хотя строившие судно плотники - людидобросовестные, но до того имевшие дело лишь с домами, - были, вероятно,довольны делом своих рук. Действительно, когда плотник строит дом или столярделает мебель, они обычно применяют такие способы соединения деталей, которыекорабелы сочли бы непрочными и весьма неэффективными. Соединения эти насамом деле нельзя назвать прочными, а являются ли они "неэффективными",зависит от того, где мы их используем. Ведь цели, которые преследуют строителидомов, далеко не всегда совпадают с целями строителей кораблей и самолетов.
Инженеры, возможно, слишком часто полагают, что эффективность конструкцииопределяется прочностью каждого ее компонента и каждого соединения, в точностидостаточной для того, чтобы выдерживать требуемые нагрузки, а потому используютминимальное количество материала, обеспечивающее заданную прочность, достигаяодновременно и минимального веса конструкции. Такая конструкция с равнойвероятностью может как сломаться в любом месте, так и, подобно "старомуфаэтону", развалиться вся сразу. Стремление к эффективности такого родатребует особого внимания со стороны инженера, поскольку малейшая ошибкапри проектировании или неточность в изготовлении может привести к опаснойслабине.
Создание подобных конструкций может быть оправдано при строительствекораблей и самолетов, а также других машин, для которых очень важным параметромявляется низкий вес. Однако такое толкование понятия эффективности оченьузко и не учитывает требований жесткости, не говоря уже о требованиях экономии.Конструкции типа "старого фаэтона" иногда необходимы, но они всегда дорогообходятся и при постройке, и в эксплуатации. Уменьшение веса конструкцииза счет "конструктивной безупречности" - один из факторов, делающих стольдорогостоящими космические путешествия. Но даже на уровне поверхности землистоимость кубометра используемого пространства при переходе от обычногодома к небольшому кораблю возрастает в 20 раз, а стоимость такого же пространствав самолете еще более высокая.
У строителей и монтажников наземных сооружений хватает здравого смыслане стремиться к изощренным конструкциям. Дома и так достаточно дороги,а на практике известно, что в обыденной жизни в подавляющем большинствеслучаев жесткость конструкции играет большую роль, чем ее прочность. Иименно требования к жесткости и прочности и лежат в основе вопроса о стоимостии эффективности конструкций. В тех случаях, когда особые требования предъявляютсяк жесткости, а не к прочности, вся задача становится намного проще, а стоимостьизделий сильно уменьшается.
Так почти всегда обстоит дело, когда речь идет о мебели, перекрытиях,лестницах и зданиях в целом, а также о плитах, холодильниках, многих типахинструмента и машин, некоторых деталях автомобилей. Эти вещи ломаются неочень часто, однако если сильно уменьшить толщину их материала, то прогибы,перемещения и общая хлипкость сделают эти предметы неприемлемыми в эксплуатации.Таким образом, чтобы быть достаточно жесткими, различные части конструкциидолжны, вообще говоря, иметь настолько большую толщину, чтобы возникающиев них напряжения были очень, до смешного малыми с инженерной точки зрения.
Таким образом, для конструкций, о которых идет речь, даже содержаниев материале массы дефектов и концентраторов напряжений обычно не имеетзначения. Кроме того, и прочность соединений здесь не является критической:в большинстве случаев вполне достаточно нескольких гвоздей. Именно этолежит в основе интуитивного подхода к конструированию. Миллионы людей,никогда не слышавшие ни о законе Гука, ни о модуле Юнга, могут лишь наосновании опыта и здравого смысла достаточно точно определить, какой будетжесткость стола или клетки для цыплят, а если эти предметы сделаны достаточножесткими, то очень маловероятно, что они сломаются при действии обычныхповседневных нагрузок.
Далее, небольшая "податливость" некоторых соединений отнюдь не являетсяих недостатком, она в большей степени присуща обычным соединениям, чемболее изощренным. В частности, некоторая податливость соединений способствуетполезному выравниванию нагрузок. Ломать мебель приходится не слишком часто,поэтому рекомендую хороший способ попытаться сделать это: сядьте на стул,три ножки которого стоят на ковре, а четвертая - на голом полу. Если этообычный старый стул, нагрузка может перераспределиться относительно равномернона все четыре ножки за счет перекоса в имеющихся соединениях на шипах.Но если это современный стул фабричного изготовления с "эффективными" соединениямина клею, то эти соединения как раз и могут сломаться, после чего стул труднобудет починить.
Некоторая податливость соединений полезна и по другой причине. Деревоможет усыхать или разбухать в зависимости от погоды, то же относится ик некоторым другим материалам. Для древесины колебания размеров в направлениипоперек волокон достигают 5 или даже 10%. Традиционные "неэффективные"пазовые соединения совместимы с такими колебаниями. Но в Черчилль-колледжеу нас был прекрасный Высокий стол, сделанный из лучшего и самогодорогого дерева, с выполненными по науке прочными и жесткими соединениямина клею. После того как этот стол несколько месяцев простоял в зале (отапливаемомтакже по науке), он усох и треснул посредине. Это была не скромная небольшаятрещина, а многометровая расщелина, в которую можно было бы свободно засыпатьбольшое количество горошин среднего диаметра.
Прочные соединения и человеческие слабости
Многие конструкции, которые строили крестьяне, обеспечивая, как описановыше, лишь необходимую жесткость, отлично работают на своем месте, но кактолько мы начинаем стремиться к уменьшению их веса, увеличению их прочностии мобильности, тут же возникают разного рода трудности, связанные главнымобразом с надежностью соединений различных их частей. Исторически так сложилось,что именно это всегда было наиболее серьезной проблемой при строительствекораблей, а также водяных и ветряных мельниц. Великая искусность старыхкорабельных и мельничных мастеров проявлялась в их умении сочетать прочность,достаточную для безопасности, с небольшой податливостью, необходимой длятого, чтобы дерево могло "работать". Более старые корабельные мастера грешилиуклоном в сторону податливости, и хотя их корабли часто слишком текли,они редко разламывались в море. Чтобы создать деревянные корабли, которыеразваливались в море, потребовались административные усилия правительстввоенного времени.
Неприятности с соединениями в конструкциях кораблей и самолетов во времяобеих мировых войн получили широкую огласку. Во время первой мировой войныамериканцы, зачастую используя неортодоксальные методы, построили большоеколичество деревянных кораблей, как пароходов, так и парусников. Многиеиз этих судов развалились. В годы второй мировой войны они произвели ещебольшее количество сваренных из стали кораблей. И еще большая их доля развалиласьв море или в гавани. В Англии за обе мировые войны было изготовлено оченьмного деревянных самолетов, которые, надо думать, также всегда были подверженытого или иного рода неприятностям, связанным с соединениями. Правда, впоследнем случае это было не очень удивительно, так как, помнится, я самнесколько раз был свидетелем того, как в жизненно важных клеевых соединенияхв несущей конструкции прямо внутри соединения были обнаружены ножницы,карманное руководство по оказанию первой помощи и полное отсутствие клея.
Я не думаю, что виною тому были какие-то тупые или сверхрассеянные лица.Боюсь, что на склейке работали самые обычные люди, но в этом-то и состоитнесчастье. Людям свойственно отвлекаться из-за усталости или от скуки,но я полагаю, что суть дела здесь гораздо глубже.
Очень немногие из тех, кто проклеивал или только делал вид, что проклеивал, этисоединения, когда-либо сами попадали в ситуацию, когда плохо выполненноесоединение может привести к несчастному случаю с фатальным исходом - все онипривыкли иметь дело с предметами вроде шкафов и садовых навесов, где прочностьсоединений реально значит очень мало. Все наши усилия убедить их, что плоховыполненное соединение с моральной точки зрения равносильно убийству,разбивались о их глубокое убеждение, что глупо волноваться по подобным поводам.Все это не было бы столь важным, если бы не то обстоятельство, что проверитьнадлежащим образом соединение после того, как оно выполнено, практическиневозможно.
В недавнее время были созданы очень эффективные клеи, пригодные длясоединения металла с металлом. Их применение весьма эффективно, но толькопри условии, что соединения на самом деле выполнены на совесть. К несчастью,применение этих клеев в современном авиастроении сдерживается тем обстоятельством,что требуются специальные контролеры, каждый из которых следил бы за однимиз рабочих в течение всей операции склейки, а также инспекторы - уже дляконтроля за этими контролерами. Все это, естественно, оказалось дорогимделом. Однако мне говорили, что, несмотря на это, при строительстве современныхметаллических самолетов клей используется все в большей и большей степени.
Распределение напряжений в соединениях
Поскольку в задачи соединения входит передача нагрузки от одного элементаконструкции к другому, то и напряжение должно каким-то образом перейтиот одного из присоединяемых элементов на другой. В таком случае весьмавозможны сильная концентрация напряжений, а отсюда и угроза разрушенияматериала. Однако можно сделать так, чтобы напряжения переходили от одногоиз присоединяемых элементов к другому с возникновением только небольшойконцентрации напряжений или вовсе без нее, как это происходит в случаекосого соединения на клею деревянных брусьев (рис. 36) и в случае соединениядвух кусков металла встык сварным швом (рис. 37).
Рис. 36. Косое клеевое соединение деревянных брусьев.
Рис. 37. Сварное соединение двух металлических брусков встык.
Однако использование таких соединений отнюдь не всегда оказывается практичным,и соединение двух планок или пластинок внахлест, как правило, тоже частонаходит применение. Но именно расположение соединяемых элементов внахлестсразу приводит к значительной концентрации напряжений, и почти не играетроли, какими средствами оно выполнено, с помощью ли клея, гвоздей, винтов,сварки, болтов или заклепок. Во всех случаях наибольшая интенсивность передачинагрузки приходится на концы соединения (рис. 38).
Рис. 38. Распределение касательных напряженийв соединении внахлест.
По этой причине прочность подобных соединений зависит главным образомот ширины соединяемых пластинок и почти не зависит от длины взаимного ихперекрытия. В связи с этим уже наиболее простые и обычные формы сварныхи заклепочных соединений двух металлических пластинок (рис. 39 и 40) сравнительноэффективны, а их усложнение не дает большого выигрыша.
Рис. 39. Заклепочное соединение внахлест.
Рис. 40. Сварное соединение внахлест.
Очень часто требуется закрепить растягиваемый сгержень в отверстии или как-тоиначе на твердой опоре. В этом случае происходит то же, что и при соединениивнахлест, с той разницей, что здесь концентрация напряжений возникает только водном месте - обычно там, где стержень входит в углубление (рис. 41). Если,например, стержень ввинчивается в опору, то почти вся нагрузка приходится напоследние две или три нитки резьбы, и любое увеличение длины нарезки почтиничего не дает. Поэтому те усилия, которые должен приложить дрозд, чтобывытащить червяка из грунта, не зависят от длины червяка: вытащить короткогочервяка столь же трудно, как и длинного[42].
Рис. 41.
Распределение напряжений такого типа, как представлено на рис. 41, возникает,если оба элемента соединения имеют близкие модули Юнга. Обычно так обстоитдело при соединении металла с металлом. Подобное же распределение напряженийвозникает в случаях, когда материал стержня или растягиваемого бруска менеежесток, чем материал основы, в которой они закреплены (случай с вытягиваемымиз земли червем). Если же, наоборот, материал стержня существенно болеежесток, чем материал основы, то ситуация с распределением напряжений обратнапредыдущей, и концентрация напряжений происходит главным образом вблизиконца стержня или другого включения (рис. 42).
Рис. 42. Передача нагрузки от стержня к заделке.
На практике оба случая концентрации напряжений в равной степени делаютсоединение непрочным. Возможно, существует такое соотношение между модулямиЮнга материала включения и окружающего материала, при котором распределениенапряжений в соединении будет оптимальным. Но если это и так, то его оченьтрудно обеспечить на практике.
Одно время я занимался разработкой узлов крепления крыла из армированногопластика с металлическим фюзеляжем самолета. Хотя мне было хорошо известноо существовании концентраций напряжений, о червяках в земле и многом прочем,у меня хватило глупости, чтобы для начала заформовать в тело крыла прочныепроволочные тросы, распадающиеся на концах на отдельные запутанные проволочки.Когда образцы этой плохо продуманной конструкции растянули в испытательноймашине, проволочки стали вытягиваться из пластика одна за другой с характернымтреском, хотя нагрузки были смехотворно малыми. В следующем экспериментевместо тросов в пластик были заделаны покрытые предварительно подходящимклеем суживающиеся на концах стальные зубцы, похожие на клинки или сабли(рис. 43). На этот раз образцы разрушались, издавая не продолжительныйтреск, а один громкий короткий хлопок; происходило это при столь же малыхнагрузках.
Рис. 43. Неправильная конструкция заделки (соединение непрочно).
После перерыва, заполненного обдумыванием ситуации и глубокомысленнымирассуждениями о червяках, мы испытали серию стальных креплений в формелопаты (рис. 44). Все они разрушались при значительно больших нагрузках,каждая из которых была пропорциональна ширине "лопаты" в данном образце.После доработки этой конструкции нам удалось довести нагрузку, передаваемуюс этой пластиковой конструкции, до 40-50 т за счет совсем небольших стальныхузлов крепления.
Рис. 44. Правильная конструкция заделки (достаточно прочное соединение).
Эффективность подобных соединений целиком зависит от качества сцепления междуметаллом и пластмассой, и поэтому металлические включения должны быть заделанына совесть и проверены. При их проектировании следует не забывать, что во всехподобных случаях сцепление между металлом и неметаллом полностью нарушается,когда металл достигает предела текучести и перестает вести себя упругимобразом[43]. Поскольку напряжения, возникающиев рассматриваемых случаях в металле, много выше, чем можно было бы думать, узелкрепления необходимо изготовлять из высокопрочной стали, подвергнутойтщательной термической обработке. Причем хвостовик стального вкладыша должензаостряться подобно долоту.
Заклепочные соединения
— Но я, во всяком случае, подался на одну небольшуючастицу дюйма, — торжествующе провозгласил шпунтовый пояс.
Действительно, так и было, и все дно корабля почувствовалосебя легче.
— В таком случае мы никуда не годимся, — зарыдали нижниезаклепки. — Нам приказали… нам приказали ни в каком случае не подаваться.А мы подались, и вода зальет корабль, и мы все вместе пойдем ко дну! Сперванас бранили напрасно, а теперь у нас даже нет утешения, что мы выполнилисвой долг.
— Не говорите, что я вам это сказал, — прошептал вутешение пар, — но, между нами говоря, это должно было рано или позднослучиться. Вы должны были податься на маленькую частицу и вы подались,не зная этого. А теперь держитесь крепко, как раньше.
Перевод Э. К. Бродерсен
Заклепочные соединения в стальных конструкциях в общем вышли из моды главнымобразом из-за своей высокой стоимости, а также потому, что они тяжелее сварныхсоединений. Это достойно сожаления, поскольку у заклепочных соединений естьнекоторые преимущества[44]. Заклепочныесоединения надежны, и их легко контролировать, а в больших конструкциях ониспособны до некоторой степени останавливать рост трещин. Распространение вконструкции действительно большой и опасной трещины очень часто (хотя и невсегда) может быть остановлено или замедлено областью заклепочного соединения,которая выделяется по своим свойствам из окружающего материала.
Даже более важным является то, что заклепки допускают небольшие взаимныесмещения соединяемых элементов. За счет этого может происходить перераспределениенагрузки, позволяющее избежать последствий концентрации напряжений - бичавсех видов соединений. Этот процесс навеки запечатлен в киплинговской "Душекорабля". То, как Киплинг за много лет до Инглиса и Гриффитса смог почувствоватьсуть проблем концентрации напряжений и распространения трещин в конструкциях,воистину замечательно, и прочесть некоторые его рассказы о конструкцияхбыло бы полезно студентам-механикам.
Каждая отдельная заклепка может чуть-чуть смещаться, ослабляя тем самымнаихудшие последствия концентрации напряжений. Иногда целесообразно использоватьсоединение с несколькими заклепками, поставленными в ряд одна за другой,так как концевые заклепки могут испытать смещения, достаточные для того,чтобы после этого часть нагрузки могли принять на себя заклепки, стоящиепосредине. После того как свежее заклепочное соединение двух стальных илижелезных пластин подверглось нагружению, которое в итоге привело к удовлетворительномураспределению напряжений, положительную роль может сыграть ржавчина. Постепеннообразующиеся продукты коррозии, оксиды и гидроксиды железа, расширяясь,как бы замыкают соединение и исключают проскальзывание соединяемых элементовотносительно друг друга при разгрузке. Далее, ржавчина, подобно клею, частичнопередает сдвиговые усилия между пластинками, и поэтому со временем прочностьзаклепочного соединения внахлестку, как правило, повышается.
Отверстия под заклепки в больших стальных конструкциях, таких, как кораблии котлы, обычно пробивают. Хотя это быстрый и дешевый способ, он не вполнеудовлетворителен, поскольку металл на краях отверстия становится хрупкими часто содержит небольшие трещины. А это уже плохо, так как в областяхоколо отверстий заведомо будет возникать концентрация напряжении. Поэтомулучше пробивать отверстия меньшего размера, а затем их рассверливать. Хотяэто увеличивает стоимость изделий, но в то же время прибавляет соединениюпрочность и надежность.
Заклепочные и болтовые соединения могут иметь самую разную форму и размеры,но возможные пути их разрушения сводятся к трем формам: сдвиг по самимзаклепкам (рис. 45, а), заклепки вырываются из одной из пластинок(то есть круглые отверстия превращаются в удлиненные) (рис. 45, б),разрыв материала одной из пластинок вдоль линии заклепок - как при отрываниипочтовой марки (рис. 45, в).
Рис. 45. Три возможных варианта разрушения заклепочногосоединения.а - сдвиг по самим заклепкам;б - заклепки вырываются из одной пластинки;в - разрыв материала одной из пластинок.
Во всех случаях, когда используется заклепочное соединение, необходимопроверить с помощью расчетов, не разрушится ли оно каким-либо из этих трехпутей. "Правила" проектирования заклепочных соединений можно найти почтиво всех технических справочниках.
Сварные соединения
Сварка всех видов в настоящее время широко используется в стальных конструкциях.Она не только дешевле клепки, но и дает некоторый выигрыш в прочности ивесе. Кроме того, на кораблях заклепочные головки, располагающиеся нижеватерлинии, немного увеличивают сопротивление движению.
Наиболее сложной является электрическая дуговая сварка. Выполняя ее,сварщик посредством изолирующего зажима держит в правой руке стальной электрод,а в левой - защитный щиток или экран, снабженный очень темными стеклами,сквозь которые можно без вреда для зрения наблюдать за электрической дугоймежду концом электрода и выполняемым швом. При обычно используемом напряжениив 30-50 В дуга имеет длину около 7 мм, благодаря ей на конце электродаобразуется небольшое количество расплавленного металла, которым сварщикзаполняет шов, двигаясь вдоль соединения. В результате образуется непрерывнаяполоска - сварной шов шириной 5-10 мм, который застывает, образуя соединение.При необходимости увеличить ширину шва процесс повторяют несколько раз.
Сварка, выполненная надлежащим образом, как правило, очень прочна ислужит надежно, но недостаточное мастерство или недостаточное вниманиесварщика к работе влекут за собой дефекты сварных швов, к их числу принадлежатвключения из шлака, которые уменьшают прочность соединения и наличие которыхтрудно проконтролировать. Неумелый сварщик легко может перегреть металлвокруг соединения, вызвав тем самым серьезные поводки конструкции. Этоособенно часто происходит при сварке тяжелых и толстых деталей. Именнотакого рода дефекты сварки в основаниях двигателей послужили причиной серьезныхнеприятностей с линкором "Граф Спи".
Теоретически сварные соединения в цистернах или корпусах судов должныбыть полностью водонепроницаемы без дальнейшей их обработки, но на практикесварка в этом отношении доставляет больше хлопот, чем клепка. Заклепочноесоединение внахлест можно легко герметизировать, зачеканив края нахлестас помощью специального пневматического или ручного инструмента. Этого нельзясделать в случае сварного соединения, между двумя сварными швами нахлестарекомендуется ввести под давлением жидкую герметизирующую смесь. При всемтом мне, помнится, пришлось повидать при испытаниях на водонепроницаемостьпомещений сварных кораблей немало течей.
В свое время мне довелось поработать несколько недель клепальщиком исварщиком на одной из Королевских верфей, там я и научился кое-чему, чего,думаю, не найти в учебниках. Хотя вогнать пятисантиметровую заклепку вброневую плиту палубы корабля пневматическим молотком - тяжелая и шумнаяработа, это на удивление интересно, и большинство видов клепки, на мойвзгляд, в некотором смысле столь же привлекательно, как и игра в гольф,с той лишь разницей, что клепка более полезна. Элементы спорта содержались,кроме того, и в контроле качества заклепок. В то время нам платили по числупоставленных заклепок, однако за каждую забракованную контролером заклепку,которую нужно было высверлить и заменить новой, вычитали в пятикратномразмере.
Конечно, нельзя сказать, что клепальщики работали в раю, но что касаетсясварки, то она определенно была похожа на ад. Сварка может быть достаточнолюбопытным занятием в течение часа или двух (осмелюсь предположить, чтона такие сроки любопытным может быть и ад), но по прошествии этого времениследить за шипящей и мерцающей дугой и струйкой стекающего расплавленногометалла становится невыносимо скучно, и скуку не особенно развеивают искрыи капельки металла, вдруг оказавшиеся у вас за шиворотом или в башмаках.Уже через несколько дней проклинаешь эту работу, и чувство скуки утверждаетсянастолько прочно, что становится очень трудным сосредоточиться и сделатьудовлетворительный шов.
В настоящее время сварные швы в трубах и сосудах высокого давления выполняютавтоматы, которым, я думаю, не становится скучно, а потому эти швы обычнои надежны. Однако автоматическая сварка часто нерентабельна в случае большихконструкций, таких, как корабли и мосты, и здесь сварные швы нередко заставляютжелать много лучшего. К тому же сварные швы почти не препятствуют распространениютрещин, и это - одна из причин катастроф, которые произошли со многимибольшими стальными конструкциями в недавнее время.
Ползучесть
Гомер знал, что для того, чтобы подготовить колесницук выезду,нужно было в первую очередь надеть на нее колеса.
У микенских и древнегреческих колесниц были очень легкие и гибкие колеса обычнотолько с четырьмя спицами, сделанные из тонкого изогнутого дерева- ивы, вяза или кипариса (рис. 46). Колеса такой конструкции были очень эластичными и, по-видмому, позволяли мчаться в этих повозках по пересеченнымсклонам греческих холмов, где экипажи с более тяжелыми и жесткими колесами былибы бесполезны. В самом деле, обод колеса под действием веса колесницыизгибается подобно луку, но так же как и лук не следует хранить с надетой нанего тетивой, так и колеса древних колесниц не следовало оставлять поднагрузкой. Поэтому по вечерам колесницы либо запрокидывали и прислоняли кстене, как делал это Телемах в четвертой книге "Одиссеи", либо совсем снимали сних колеса. Даже на Олимпе богиня Геба по утрам прилаживала колеса к колесницесероглазой Афины. Когда в более поздние времена колеса стали тяжелее, этапроцедура перестала быть столь необходимой, хотя можно предположить, что колесаэкипажа нынешних лорд-мэров имеют заметный эксцентриситет, так как они подолгунаходятся под нагрузкой без движения[45].
Рис. 46. Колеса гомеровских времен делались из тонких деревянных планок.Продолжительное действие постоянной нагрузки легко изменяет их форму, колеса"ползут".
Изменение формы луков и колес колесниц в результате продолжительногодействия нагрузки является результатом процесса, называемого инженерамиползучестью. Приняв понятие простого гуковского материала, мы полагаем,что, если материал выдерживает некоторое напряжение, он сможет выдержатьего бесконечно долго, кроме того, мы считаем, что, если напряжения в твердомтеле не меняются со временем, деформации также остаются постоянными. Вреальных обстоятельствах оба этих предположения лишь относительно справедливы,поскольку всякое вещество при действии постоянной по величине нагрузкис течением времени будет "ползти", то есть деформироваться.
Однако разные материалы подвержены ползучести совершенно по-разному.Среди материалов, используемых в технике, особенно заметно ползут дерево,бетон и канаты, и этого нельзя не учитывать. Ползучесть тканей - одна изпричин, по которым одежда теряет свою форму и образуются мешки на брюкахв области колен. Причем ползучесть натуральных волокон, например шерстяныхи хлопковых, больше ползучести современных искусственных волокон. Поэтомутериленовые паруса не только сохраняют свою форму, но и не требуют стольтщательной натяжки, как паруса из хлопка или льна.
Металлы, вообще говоря, меньше подвержены ползучести, чем неметаллы,и хотя сталь заметно ползет при больших напряжениях и высоких температурах,эффектом ползучести при небольших нагрузках и обычных температурах частоможно пренебречь.
Вследствие ползучести напряжения в материале некоторым образом перераспределяются,и это часто играет положительную роль, поскольку области более высокихнапряжений подвержены ползучести в большей степени. По этой причине старыеботинки удобнее новых. Точно так же, если за счет ползучести уменьшаетсяконцентрация напряжений в соединении, то его прочность может расти со временем.Но, естественно, если внешняя нагрузка начнет действовать в противоположномнаправлении, роль ползучести поменяется на обратную и соединение окажетсяменее прочным.
Перекосы, вызванные ползучестью в старых деревянных конструкциях, особеннобросаются в глаза. В зданиях зачастую живописно оседают крыши, а старыедеревянные корабли нередко "выгибают спину" - концы судна опускаются, а егосередина поднимается. Это очень заметно, например, на батарейных палубахкорабля "Виктория"[46]. С ползучестью металлов, в частности стали, мы сталкиваемся,когда "садятся" и требуют замены рессоры автомобиля.
Хотя эффект ползучести в различных твердых телах проявляется с разнойсилой, форма его проявления практически для всех материалов одинакова.Если мы будем откладывать зависимость деформации данного материала от логарифмавремени (переход к логарифму удобен для сокращения шкалы времени) при постоянныхнапряжениях, равных s1, s2и т.д., мы получим график, приведенный на рис. 47. Из него видно, что существуеткритическое напряжение (на графике это напряжение, близкое к s3),ниже которого материал, по-видимому, никогда не разрушится, сколь долгони держать его под нагрузкой. При напряжениях больше критического деформациине только растут со временем, но и материал все более и более приближаетсяк состоянию, в котором происходит его разрушение, - результат, которогообычно стараются избежать.
Рис. 47. Типичные кривые ползучести (зависимости деформации от времени)материала, нагруженного постоянным напряжением.
Грунты и горные породы, подобно другим материалам, также подверженыползучести. Поэтому требуется следить за оседанием фундаментов зданий,если только они построены не на скале или очень твердом грунте. Оседаниефундаментов крупных сооружений может быть особенно значительным, поэтомуих воздвигают на бетонной "подушке". Обратите внимание, как осели основанияарок моста Клэр-на-задах - рис. 76.