Различные виды разрушения при сжатии, или сэндвичи, весла и Леонард Эйлер

А вот вращающиеся валы двигателей или других механизмовчасто имеют совершенно недостаточную прочность, хотя и делаются обычноиз сплошной стали, так как площадь поперечного сечения у них обычно жесткоограничена. В этом одна из причин огромного веса таких машин. Как скажетвам всякий опытный конструктор, именно требования к жесткости и прочностина кручение, когда они становятся определяющими, являются бичом их создателей.Сразу возрастают вес и стоимость, и все это вместе приводит к непропорциональномуросту трудностей и забот инженера.

Природа, кажется, не заботится об экономии времени и своих усилий, атем более о деньгах, но она очень чувствительна к “метаболической стоимости”,то есть стоимости конструкции в терминах пищи и энергии, кроме того, онавообще довольно тонко “чувствует” вес конструкции. Не удивительно поэтому,что она избегает кручения как яда. Действительно, ей почти всегда удаетсяувернуться от любой серьезной необходимости обеспечить большую жесткостьи прочность на кручение. Животные, как правило, пока на них не действуют”нерасчетные” нагрузки, могут позволить себе быть “слабыми” на кручение.Никто из нас не любит, когда ему выкручивают руки, а крутящие нагрузкина ноги обычно достаточно малы. Однако, когда мы крепим к своим ногам длинныерычаги, называемые лыжами, то при неважной езде легко возникают действующиена ноги большие крутящие моменты. Поскольку в этом причина большинствапереломов ног, для горнолыжников были разработаны современные безопасныекрепления, автоматически освобождающие ногу при кручении.

Не только ноги, но и практически все кости удивительно слабы на кручение.При надобности убить курицу или другую домашнюю птицу проще всего, какхорошо известно, свернуть ей шею. Но не все знают, как слаб на кручениепозвоночник, а сей малоприятный прием очень наглядно демонстрирует это.Но сворачивание голов, как и катание на лыжах, – это опасности, совершенноне предусмотренные природой. В отличие от инженеров она никогда не проявлялаинтереса к вращательному движению и (подобно африканцам) даже не позаботиласьоб изобретении колеса.

Различные виды разрушения при сжатии, или сэндвичи, весла и Леонард Эйлер

По причине слабости натуры нашей не можем всегда не согбенны быть.

Как и следовало ожидать, при действии сил сжатия конструкцииразрушаются иначе, чем при растяжении. Когда мы нагружаем твердое телорастяжением, расстояния между образующими его атомами и молекулами увеличиваются.При этом натягиваются и межатомные связи, но они могут растягиваться лишьв ограниченных пределах. Если деформации превышают примерно 20%, химическиесвязи ослабевают и в конце концов исчезают совсем. Хотя в действительностиполная картина процесса разрыва твердого тела достаточно сложна, можно,вообще говоря, утверждать, что, когда растяжение какой-то большой частимежатомных связей достигнет предельного значения, произойдет и разрушениематериала в целом. Нечто подобное происходит и тогда, когда материал разрушаетсяпри кручении. Однако при сжатии происходит несколько иное.

Если сжимать твердое тело, то расстояния между его атомами и молекулами будутуменьшаться, а межатомные силы отталкивания в любых нормальных условиях сростом деформации сжатия будут возрастать почти безгранично. И только в случае,когда действуют огромные гравитационные силы, существующие в некоторых звездах,называемых астрономами белыми карликами, силы отталкивания уже не могутпротивостоять фантастическим силам гравитационного сжатия, причем скатастрофическими последствиями.

Тем не менее множество обычных земных конструкций при сжатии все-такиразрушается. Дело в том, что сжимающие напряжения в любой данной конструкцииникогда не могут расти беспредельно, материал или конструкция всегда находитспособ избежать этого, просто “выскользнув” из-под нагрузки куда-нибудьв боковом направлении. С энергетической точки зрения конструкции выгодноизбавиться от избытка упругой энергии при сжатии с помощью того или иногомеханизма обмена энергией, удобного в данной конкретной ситуации.

Из-за этого сжатые конструкции обладают весьма прихотливыми свойствамии изучение их разрушения – это изучение способов, какими можно выбратьсяоттуда, где на тебя давят. Как известно, это можно сделать разными способами.Выбор возможного способа определяется формой, пропорциями и материаломсамой конструкции.

О каменной кладке мы говорили уже довольно много. И хотя здания – этопо сути своей сжатые конструкции и кладка всегда должна находиться в сжатомсостоянии, следует сказать, что от сжатия они не разрушаются никогда. Какни парадоксально, но они могут разрушиться, только если в них возникнутрастягивающие напряжения. При этом у стены появляется бурная тенденцияк порождению “шарнирных” точек; поворачиваясь вокруг этих точек, стенырушатся.