Леонард Эйлер и выпучивание тонких стержней и пластин

Рис. 141. Складки на сжатой стороне круглого изогнутого бревна.

Инженеры обычно уповают на эффективность двутаврового или коробчатого сечениябалок, но иногда это не что иное, как заблуждение. По рядупричин в балках круглого сечения (как древесныйствол) высвобождение упругой энергии, необходимое для распространения трещинили складок сжатия, оказывается менее благоприятным для развития процессовразрушения. Этим, быть может, определяется рациональность круглого сечениябольшинства деревянных луков, и, несомненно, с этим связана округлая формапоперечного сечения костей животных.

Пока на материал действуют только сжимающие нагрузки, развитию складокпрепятствует довольно много причин. Отчасти поэтому дерево обычно являетсятаким надежным строительным материалом. Однако, если нагрузка реверсируется,ситуация может стать чрезвычайно опасной. Дело в том, что система согнутыхволокон, которая образует складку, имеет практически нулевую прочностьна растяжение и в условиях растяжения складки ведут себя подобно трещинам.Это особенно опасно потому, что при растяжении теперь уже ничто не препятствуетвысвобождению упругой энергии, так как две стороны “трещины” теперь могутсвободно разойтись.

Один из безотказных способов сломать крыло деревянного планера в полете- это совершить грубую посадку при предыдущем вылете. Если при посадкемашину сильно ударить о землю, то крыло резко изогнется вниз. Это можетпривести к образованию складок сжатия в полке лонжерона, нагруженной растяжениемв полете. Невероятно, чтобы возникшие складки были обнаружены при обычномосмотре, так что в следующем полете лонжерон сломается именно в этом месте,после чего, конечно, отвалится и все крыло.

Леонард Эйлер и выпучивание тонких стержней и пластин

Все, о чем мы говорили до сих пор, применимо лишь к относительно короткими толстым стержням и другим сжатым элементам. Мы видели, что при сжатииони обыкновенно разрушаются вследствие сдвига или образования локальныхскладок. Однако огромное количество сжатых конструкций содержит длинныеи тонкие элементы, которые выходят из строя совершенно по-другому. Длинныйстержень, тонкий лист металла или страница этой книги выпучиваются присжатии, теряя способность нести нагрузку. В этом легко убедиться с помощьюпростейшего эксперимента: возьмите лист бумаги и попытайтесь сжать егов продольном направлении. Такой вид потери несущей способности (с ним связаныважные технические и экономические последствия) называется потерей устойчивости.Впервые он был изучен Леонардом Эйлером (1707-1783), и потому нередко говорятоб устойчивости (или неустойчивости) по Эйлеру.

Эйлер имел немецко-швейцарское происхождение, в его семье были известныематематики. Он рано приобрел имя в той же области, и еще очень молодым былприглашен Екатериной II в Россию. Большую часть жизни он провел при дворе вПетербурге, лишь по временам, в моменты острой политической ситуации, находяпристанище у Фридриха II в Потсдаме. Жизнь при дворах просвещенных деспотов всередине XVIII в. была, должно быть, интересна и колоритна, однако вмноготомных сочинениях Эйлера мы не найдем каких-либо упоминаний об этом.Насколько я мог выяснить, ни одному из его биографов не удалось установить хотябы одного случая или происшествия в его жизни, которые могли бы удовлетворитьобычное человеческое любопытство. Он просто в течение оченьмногих лет постоянно занимался математикой, описывая свои результаты в огромномколичестве научных статей, которые и после его смерти все еще публиковались втечение сорока лет.

Конечно, Эйлер совсем не собирался заниматься несущей способностью сжатогостержня как конструкционного элемента. Просто среди многих других своихматематических открытий он изобрел то, что теперь называется вариационнымисчислением, и он искал задачи, к которым можно было бы применить этот новыйматематический метод. Один из его друзей предложил попробовать этот метод дляопределения наименьшей высоты тонкого вертикального стержня, при которой этотстержень начнет выпучиваться под собственным весом. Такая формулировка этой неочень реальной задачи объясняется тем, что, как мы уже упоминали в гл. 2понятия напряжения и деформации возникли лишь в значительно более поздниевремена. Для ее решения нужно было применить вариационный метод. Еслипереложить полученный Эйлером результат на современный язык, то получится то,что сейчас называется формулой Эйлера для критической нагрузки потериустойчивости продольно сжатого стержня, а именно:P=π(EI/L), где P – нагрузка, прикоторой выпучиваются стержень или панель; E – модуль Юнга материала;I – момент инерции поперечного сечения стержня или панели (гл. 10);L– длина стержня. Естественно, все эти величины должны быть выражены в одной и той же системе единиц. (Удивительно, что так много важных расчетных формулимеют столь простой вид.)

Формула Эйлера применима к длинным и тонким колоннам и стержням всехвидов – как сплошным так и пустотелым, а что, быть может, и более важно- к тонким панелям и пластинам, которые встречаются в конструкциях самолетов,кораблей и автомобилей. Если мы построим график зависимости критическойнагрузки стержня или панели от длины, то получится нечто похожее на рис.