Конструкции, или почему не ломаются вещи

Гордон Джеймс Эдвард

Рис. 136. Разрушение пластичного материала (металла) при сжатии происходит вследствие сдвига, но в этом случае сдвиг приводит к расплющиванию образца.

Материалы типа дерева или искусственных волокнистых композитов, например стеклопластика или углепластика, при сжатии обычно разрушаются иначе. Армирующие волокна под действием сжимающих нагрузок изгибаются все вместе, "коллективно", образуя складку, бегущую поперек образца. Эти складки могут проходить под углом 90° к направлению сжимающих сил или наклонно под различными углами (рис. 137). К сожалению, в композиционных материалах складки часто образуются уже при сравнительно небольших напряжениях, то есть на сжатие

эти материалы работают плохо, что следует иметь в виду при использовании их в конструкциях.

Рис. 137. Разрушение волокнистых материалов (дерево или стеклопластик) при сжатии. Поперечная складка (а) под углом 90°приводит к уменьшению объема, а потому возникает только в материалах, содержащих пустоты, например в дереве. Косая складка (б) характерна для композитных материалов, так как ее формирование не требует уменьшения объема.

Сравнение прочности материалов на растяжение и на сжатие

Содержимое многочисленных учебников и справочников - обширные таблицы прочности на разрыв практически всех конструкционных материалов. Как правило, книги эти гораздо более сдержанны в отношении прочности на сжатие. Одна из причин этого в том, что экспериментальные значения прочности при сжатии в большей мере зависят от формы испытуемого образца. Иногда материал оказывается столь чувствительным к ней, что становится почти бессмысленным приводить какие-либо цифры. Хотя обращаться с величинами прочности на сжатие мы обязаны очень осторожно и это оправданно, использование данного понятия все же позволяет лучше постигнуть работу конструкции. Прежде всего мы должны иметь в виду, что на самом деле не существует никакой однозначной зависимости между прочностью материала на сжатие и его прочностью на растяжение [100] .

100

Если разрушение как при сжатии, так и при растяжении определяется сдвигами, как, например, в пластичных металлах, величины прочности на сжатие и растяжение в принципе должны быть одинаковы. Однако из этого правила есть слишком много исключений, что делает его практически неприменимым.

Весьма приблизительные величины прочности некоторых распространенных материалов приведены в табл. 5. Величины прочности на сжатие получены на образцах, имеющих отношение длины к толщине от 1 до 3-4. Прочность более толстых или более тонких образцов может быть совершенно другой.

Таблица 5 Приблизительные значения предела прочности на сжатие и растяжение для некоторых материалов

Материал / Предел прочности на растяжение, МН/м² / Предел прочности на cжатие, МН/м²

Дерево / 100 / 27

Чугун / 40 / 350

Литой алюминий / 40 / 300

Литые цинковые сплавы / 35 / 300

Бакелит, полистирол и другие хрупкие пластмассы / 15 / 55

Цемент / 4 / 40

Один из очевидных выводов, который следует из табл. 5, состоит в том, что если мы конструируем элемент, например изгибаемую балку, в которой есть и область растяжения, и область сжатия, то нужно "глядеть в оба". Лучшим проектом может оказаться балка с совершенно асимметричным сечением. В чугунных балках викторианских времен площадь растягиваемой зоны обычно гораздо больше, чем сжимаемой, потому что чугун лучше работает на сжатие, чем на растяжение (рис. 138). И наоборот, лонжерон крыла деревянного самолета, например планера, всегда гораздо толще сверху, то есть на сжатой стороне, так как при сжатии дерево менее прочно, чем при растяжении (рис. 139).

Рис. 138. Чугунная балка обычно на растянутой полке делается более толстой, чем на сжатой, потому что прочность чугуна на разрыв меньше его прочности на сжатие.

Рис. 139.

Деревянный лонжерон крыла планера обычно на сжатой стороне толще, чем на растянутой, потому что дерево при сжатии менее прочно, чем при растяжении.

Прочность дерева и композиционных материалов при сжатии

Он сказал, что делает мачты вот уже пятьдесят лет и, насколько знает, их всегда делали из целого дерева. Он сказал, что из всех, кого он встречал, я первый и единственный, кто хочет умышленно погубить хорошую мачту, вырезав ее сердцевину, самое чувствительное место. Он сказал, что всякий, кто может сделать это (и здесь я немного смягчаю его выражения), может ругаться в церкви, сморкаться в скатерть, издавать неприличные звуки и портить инструменты.

…Такие вот дела. Мы оба, Джордж и я, в душе думали, что брус выглядит чересчур гибким и поэтому не могли чувствовать себя спокойно, но перед лицом этих знатоков решили, что поступим мудро, оставив эти мысли при себе. И это было правильно. Ибо знатоки есть знатоки. Позднее, когда наши главные ванты были сорваны свирепым шквалом в Гольфстриме, эта мачта гнулась и гнулась, и гнулась, пока не стала похожа на букву S, но она стояла.

Моряк из южных морей Вестон Мартир

В реальной жизни различие между балкой и длинной колонной обычно довольно неясно. Вытянутая колонна, например кость ноги животного, почти всегда подвергается изгибу, в результате чего материал ее вогнутой стороны сжат больше, чем в других местах. С другой стороны, в балках или фермах особенно сложной конфигурации сжатый пояс всегда следует проверять с точки зрения его прочности на сжатие. В любом случае, идет ли речь о балке или о колонне, если материал недостаточно прочен на сжатие, разрушение начнется тогда, когда наибольшее сжимающее напряжение достигнет опасного уровня. Лучшим примером колонн, которые, кроме сжатия, подвергаются и изгибу, служат деревья и мачты парусных кораблей. Ствол дерева должен выдерживать сжимающий вес всех своих ветвей и листвы, но в жизни дерева изгибающие нагрузки, вызванные давлением ветра, могут быть больше и опаснее. Точно так же и мачты, которые номинально являются сжатыми колоннами, испытывают значительный изгиб из-за неравномерного натяжения удерживающих их тросов. Этот изгиб особенно велик, если в оснастке что-нибудь рвется.

Мачты таких больших кораблей, как "Виктория", делались из кусков дерева, соединенных вместе железными обручами, но для мачт средних размеров старые мастера предпочитали использовать один ствол сосны или ели, по возможности оставляя его в первозданном виде. Эти специалисты не только встречали в штыки любые предложения о том, что следует делать пустотелые мачты, имеющие "более эффективное" трубчатое сечение; они старались вообще избегать какой-либо обработки дерева, кроме удаления коры.

В течение многих лет образованные инженеры, которые знали все об изгибе балок, нейтральных осях и моментах инерции второго порядка, презирали эти традиции, считая их обычно чепухой. Первое, что делает с деревом современный инженер, - это режет его вдоль на маленькие кусочки, которые затем снова склеивает вместе, стараясь получить нечто пустотелое в сечении. И только недавно мы стали осознавать, что в том, как устроен ствол растущего дерева, заключена некая высшая мудрость. Среди других хитростей у древесины есть такая: в различных частях ствола она растет таким образом, что ствол оказывается "предварительно напряженным".

В такой балке, как лонжерон крыла планера, где наибольшие изгибающие нагрузки практически имеют всегда одно и то же направление, сжатую полку можно сделать толще растянутой, имея в виду, что при сжатии дерево значительно более непрочно, чем при растяжении. Но деревья или мачты должны выдерживать изгибающие нагрузки, действующие в самых различных направлениях, - все здесь определяется прихотью ветра, - поэтому для них такое решение не подходит. Во всяком случае, ствол дерева должен иметь симметричное сечение, обычно круглое. При изгибе распределение напряжений по сечению предварительно ненагруженной балки линейно, как показано на рис. 140, а. В этом случае, когда напряжение сжатия достигнет величины около 30 МН/м² (3 кгс/мм²), балка, то есть дерево, начнет ломаться.