Масштабные эффекты, или еще раз о законе двух третей
Напомним, что уже столетия назад Галилею пришла мысль о том, что, поскольку вес конструкции растет, как куб ее размеров, а поперечное сечение несущих деталей увеличивается пропорционально квадрату размеров, то напряжения в материале геометрически подобных конструкций должны расти пропорционально их размерам. Если разрушение конструкции происходит из-за растягивающих напряжений, прямо или косвенно определяемых ее собственным весом, то это означает, что с увеличением размеров относительная толщина и вес несущих деталей должны расти не пропорционально размерам и весу всей конструкции, а гораздо быстрее. Поэтому размеры таких конструкций не могут превышать некоторого предела.
Закон двух третей долгое время был общепринятым как среди биологов, так и среди инженеров. Герберт Спенсер и позднее Арки Томпсон утверждали, что этот закон ограничивает размеры животных, а инженеры в свою очередь прибегали к нему, чтобы показать, почему неразумно строить корабли и самолеты значительно больших размеров, чем уже существующие. Однако, несмотря на это, размеры кораблей и самолетов продолжали увеличиваться.
В действительности закон двух третей в полной мере применим, по-видимому, лишь к оконным и дверным перемычкам греческих храмов (они делались из непрочного тяжелого камня), к айсбергам и плавучим льдинам (они состоят из непрочного тяжелого льда), а также ко всякого рода предметам типа желе или бланманже.
Мы уже видели, что во многих сложных конструкциях вес сжатых элементов во много раз превышает вес элементов, подвергающихся растяжению. Поскольку сжатые элементы обычно выходят из строя вследствие потери устойчивости, с увеличением нагрузки их эффективность возрастает, иными словами, их эффективность растет с увеличением размеров сооружения. Поэтому, хотя вес силовой конструкции и увеличивается быстрее ее размеров, но происходит это все же значительно медленнее, чем предписывает закон двух третей. На практике этот рост может быть вполне оправдан тем полезным эффектом, который дает увеличение размеров. Например, для кораблей или рыб, самолетов или птиц сопротивление движению примерно пропорционально площади их поверхности, и отношение этой площади к весу будет падать с увеличением размеров. Именно этим руководствовался Брюнель при проектировании корабля 'Грейт Истерн'. Хотя его огромный корабль и оказался неудачным[113], подход был правильным, именно поэтому мы строим теперь такие гигантские корабли, как современные супертанкеры. Размеры же больших животных, как мы видели в гл. 4, скорее связаны с 'критической длиной трещин Гриффитса' в их костях, а не с законом двух третей.
Каркасные конструкции против монокока
Очень часто инженер стоит перед проблемой выбора между решетчатой каркасной конструкцией, сделанной, как в детском конструкторе, из отдельных стержней и брусьев (ее называют пространственной фермой), и оболочечной конструкцией, в которой нагрузки воспринимаются более или менее непрерывными панелями (такой тип конструкции называют монококом). Иногда различие между двумя этими формами конструкций смазывается, это происходит в тех случаях, когда каркасная система покрывается какой-нибудь обшивкой, которая на самом деле воспринимает лишь незначительную долю нагрузки. Примером того могут служить обычные обшитые деревом домики, современные каркасные ангары и склады, покрытые гофрированным железом, и, наконец, животные, покрытые чешуей или панцирем.
Иногда выбор между двумя этими типами конструкций бывает продиктован не только конструкционными соображениями. Так, опоры для линий электропередач делают только решетчатого типа, поскольку они испытывают меньшее давление ветра и имеют меньшую площадь окраски, а водяные цистерны предпочитают делать в виде оболочки из более толстых стальных листов, а не в виде решетчатой силовой конструкции, поддерживающей водонепроницаемую оболочку из более тонкого материала, хотя такая форма может иметь меньший вес и используется природой в ''конструкции' желудка и мочевого пузыря.
В одних случаях различие в весе и стоимости двух возможных типов конструкций незначительно, и поэтому безразлично, какую из них использовать. В других - разница очень велика. Как мы уже видели, палатка или шатер всегда значительно легче и дешевле, чем любое здание такого же объема, сделанное из бетона или кирпича. Кузов автобуса 'Вейман' (модель 1930 г.) имел деревянный каркас, обтянутый тканью, и был гораздо легче любого из штампованных металлических кузовов оболочечной конструкции, вошедших в употребление позже. При нынешних ценах на бензин подобный кузов вполне может обрести вторую жизнь.
Существует, однако, мнение, будто оболочечные конструкции типа монокока более современны и прогрессивны, чем якобы примитивные и устаревшие пространственные каркасные конструкции. Такого мнения придерживаются даже опытные инженеры, но в действительности для этого нет объективных оснований. В тех случаях, когда нагрузка носит в основном сжимающий характер, пространственные каркасные системы всегда легче и обычно дешевле монокока. Однако весовые издержки при использовании конструкций типа монокока не так уж велики, если большие нагрузки воспринимаются конструкцией относительно малых размеров. Это оправдывает в ряде случаев их применение. Но для больших слабо нагруженных конструкций, таких, как дирижабль с жестким корпусом, каркасная конструкция практически является единственно возможной. Реальный воздухоплавательный аппарат будет не огромным монококовым дирижаблем, сделанным из блестящих листов алюминия, которыми бредят инженеры, а наполненным газом баллоном.
Переход от палочек, проволочек и ткани в конструкциях первых самолетов к современным монококам был продиктован не внезапной сменой моды. Это был необходимый и совершенно логичный шаг, связанный с резко возросшими скоростями и нагрузками. Как мы уже говорили, в условиях сжимающих и изгибающих нагрузок монокок всегда окажется тяжелее каркасной конструкции, хотя при увеличении нагрузок этот избыточный вес и уменьшается. С другой стороны, в условиях нагрузок, приводящих к сдвигу и создающих крутящий момент, монокок оказывается предпочтительнее каркасной конструкции[114].
С ростом скоростей самолетов росли и требования к прочности и жесткости на кручение. Наконец наступил момент (это было в 30-е годы), когда из-за требований к весу конструкций пришлось окончательно перейти от каркасной системы к монококу, в первую очередь при конструировании монопланов. Поэтому современные самолеты обычно делают в виде сплошной оболочечной конструкции из листов алюминия, фанеры или стеклопластика. Возврат к пространственной каркасной системе, который мы наблюдаем в конструкциях современных планеров,
