Предисловие
Предлагаемая советскому читателю книга профессора Гордона, пожалуй,единственная в своем роде.
Она написана совершенно популярно, для самого широкого круга читателей, но еепрочтет с интересом и специалист, во всяком случае автор предисловия читал ее,как роман, не отрываясь.
Написать популярную книгу о прочности материалов и конструкций очень трудно,эта область науки мало эффектна, в ней нет таких захватывающих идей ивпечатляющих открытий, которые поражают воображение каждого. Когда на воздушнойтрассе появляется новый реактивный самолет, когда на Луну или одну из планетотправляется космический корабль, это понятно и интересно всем, но мало ктопредставляет себе, что великолепные технические достижения последних лет взначительной мере связаны с преодолением основной трудности - сделатьконструкцию достаточно прочной. Это относится не только к новой технике.Человечество было вынуждено решать проблему прочности в течение всей историисвоего существования, но делалось это на ощупь, эмпирически. Если библейскоепредание о вавилонской башне не лишено исторической достоверности, неуспехудревних строителей способствовало совсем не смешение языков, просто слишкомвысокое сооружение развалилось в процессе постройки под действием собственноговеса.
Опыт строительства прочных сооружений накапливался веками, притом дорогойценой. Шедевры архитектуры прошлых эпох восхищают нас и сейчас как памятникичеловеческого гения, но история не сохранила памяти о бесчисленных неудачах. Внаше время учение о прочности - это большая и разветвленная наука о свойствахматериалов и принципах их создания, с одной стороны, и о рациональномиспользовании материала в конструкции, с другой. Эти две стороны неразрывносвязаны между собой, и сейчас мы отчетливо понимаем, что для дальнейшегопрогресса в создании прочных материалов и прочных конструкций необходимообъединение ученых разных специальностей: химиков, физиков и механиков.Необходима общая точка зрения, объединяющая взгляды представителей различныхобластей науки.
Следует отметить, что британская научная школа внесла большой вклад как втеорию прочности материалов и конструкций, так и в практику их создания.Британские физики сумели соединить высокий теоретический уровень с пониманиемреальных задач и четкой прикладной направленностью исследований.
Профессор Гордон - крупный ученый, воспитанный в традициях этой школы. Он былодним из пионеров применения пластиков в авиастроении, много и успешно работалнад созданием высокопрочных нитевидных кристаллов-усов. Книга в значительноймере отражает личные взгляды и пристрастия автора, о чем он предупреждает впредисловии. Она субъективна в лучшем смысле этого слова, при чтении книги успециалиста возникает желание спорить с профессором Гордоном по многимвопросам, но в предисловии к переводу этого делать нельзя: всякая дискуссияпредусматривает продолжение диалога.
В английском издании книги имеется краткая биографическая справка, в нейсообщаются сведения об авторе, которые, казалось бы, не имеют непосредственногоотношения к делу. В частности, там говорится, что в свободное время Дж. Гордонзанимается управлением яхтой (это традиционно), фотографией, лыжами и греческимязыком (совсем нетрадиционно). Последнее увлечение наложило отпечаток и напредлагаемую книгу: профессор Гордон свободно оперирует знаниями мифологии иантичной истории, но главное состоит в том, что за страницами книги виден живойи мыслящий человек с широким кругом идей и интересов. Причем обсуждение чистоспециальных вопросов чередуется у него с размышлениями общего характера.
Последняя глава книги названа «Материалы будущего». За три года, прошедшие содня появления английского издания, произошло многое. Нитевидные кристаллы посуществу не вышли за стены лабораторий, пока еще не удалось найти способовпромышленного производства усов в достаточных количествах и реализация ихвысокой прочности по-прежнему встречает трудности. Зато непрерывныевысокопрочные и высокомодульные волокна, а именно волокна бора и углерода, ужевыпускаются промышленностью. Пока они еще очень дороги, стоимость волокон бораи углерода примерно одинакова, но по оценке большинства специалистов приусовершенствовании технологии стоимость массового производства угольных волоконбудет существенно снижена.
Уже сейчас из углепластиков изготовляются части самолетов и реактивныхдвигателей. По прогнозам зарубежной печати за счет применения углепластиков вестранспортного самолета может быть уменьшен за 4-5 лет на 20% и за 10-15 лет на50%.
В авиации и реактивной технике снижение веса особенно необходимо и покупаетсялюбой ценой. Но с расширением производства стоимость новых материалов будетснижаться и они найдут применение не только в воздухе, но также на земле и наводе, в конструкциях автомобилей, судов, в химической аппаратуре, встроительстве.
Энтузиасты утверждают, что мы стоим на пороге новой технической революции тогоже масштаба, что и промышленная революция начала прошлого столетия, таккрасочно описанная Гордоном. Скептики предпочитают термин «эволюция» и даютболее скромную оценку открывающимся перспективам. Жизнь покажет, сколь глубокибудут технические, а возможно, и социальные последствия появления новыхвысокопрочных материалов, но ясно одно: новые материалы жизненно необходимы длячеловечества, поиски этих новых материалов и новых принципов конструирования —увлекательная и благородная задача, которой стоит посвятить жизнь. Хочетсянадеяться, что эта книга поможет некоторым молодым людям определить свойжизненный путь.
Академик Ю. Работнов
Введение
Кто бы ни взялся писать книгу, посвященнуюстоль обширной области знаний, как наука о прочности материалов, он всегдабудет чувствовать, что специалисты найдут в такой книге много ошибок, упрощенийи просто невежества. Такая книга непременно явится отражением авторскойиндивидуальности, и в первую очередь это коснется отбора материала.
Я писал о том, что интересовало меня в то или иноевремя. Надеюсь, меня за это не осудят. Ведь не мог я писать о легированныхсталях, например, или о титане: есть люди, которые сделают это гораздолучше меня.
Наука о материалах и теория упругости считаются довольноматематизированными дисциплинами. Однако я опустил всю математику, за исключениемсовершенно элементарной алгебры, которая доступна каждому.
Новая наука о прочных материалах, или как задавать трудные вопросы
Какую пищу нашему уму дает созерцание сил сцепления! Как много новых явленийоткрывается здесь! Именно эти силы обеспечивают прочность всего того, чтосооружаем мы на земле, используя железо, камень и другие прочные материалы. Итолько подумайте, что все наши конструкции- взять хотя бы "Грейт Истерн"[1], размеры которого и мощь, кажется, лежат за пределамичеловеческого воображения, - существуют постольку, поскольку существуют силысцепления.[2]
Почему ломаются вещи? Почему вообще материалы обладают прочностью? Почемуодни твердые тела прочнее других? Почему сталь вязкая, а стекло - хрупкое?Почему древесина расщепляется? Что означают такие понятия, как прочность,вязкость, хрупкость? Использованы ли все резервы прочности, скрытые в материалах?Можно ли улучшить существующие типы материалов и создать совершенно новые,отличные от них, которые были бы намного прочнее? Если да, то каким образомэто сделать и как они будут выглядеть? Если мы в самом деле будем располагатьлучшими материалами, то как и где их следует применять?
Фарадея в последние годы его жизни стали занимать некоторые из этих вопросов,но ответить на них он не смог, да, признаться, и мы лишь совсем недавнооказались в состоянии это сделать. Однако уже самой постановкой вопросаФарадей значительно опередил свое время; впоследствии еще долгое времяисследования прочности и сил сцепления не были в чести у ученых. Эта книгарассказывает о том, как мы пришли к пониманию природы прочности материалов,как связаны между собой прочностные свойства металлов, древесины, керамики,стекла, костей, как эти материалы ведут себя в различных конструкциях -станках, кораблях, самолетах, зданиях, мостах.
Новая наука о материалах очень важна, потому что все наши техническиедостижения всегда были ограничены недостаточной прочностью материалов.И если еще совсем недавно человек принимал материалы как нечто ниспосланноесвыше, то сегодня мы можем не только понять характер поведения материалов,но и найти способы улучшения их свойств. Уже видны пути получения несравненнолучших материалов, не похожих на существующие. Они откроют инженерам совершенноновые возможности.
Металлы и неметаллы
В технике всегда существовало деление на металлы и неметаллы, и, хотятакие мастера, как Брюнель, одинаково умело использовали и те и другие,большинство инженеров по традиции становились "металлистами" или "неметаллистами".Причина такого деления лежит в резком различии свойств металлов и неметаллов- мы скоро увидим, в чем здесь дело, - и, следовательно, путей их использования.Однако я склонен думать, что определенную роль в выборе "своего" материалаиграют характеры людей: металлисты представляются мне людьми практичными,земными, они не выносят того, что им кажется бессмысленным, а неметаллисты,вероятно, более лиричны, богаче наделены воображением.
Возможно, мы не должны делать особых выводов из самого факта такогоразделения, но оно так или иначе проходит через всю историю техники. Внашей книге мы проследим развитие этих двух традиционных направлении всвете современной науки о материалах и попытаемся выделить проблемы, которыев свое время требовали решения. Мы постараемся понять, почему произошли