Как теория упругости застыла на месте

 

Но стать врагом Ньютона было роковым шагом:

ведь Ньютон был непримирим независимо от своей правоты.

"Роберт Гук" (Хайнеман, 1956)

Маргарет Эспинас

 

Закон Гука сослужил инженерам очень большую службу, хотя в той форме, вкоторой Гук выдвинул его первоначально, практической пользы от него былоне так уж много. Гук фактически говорил о перемещениях законченной конструкции- пружины, моста или дерева, - когда к ней приложена нагрузка.

Если мы задумаемся на мгновение, то поймем, что величины смещений зависятот двух факторов - от размеpa и геометрической формы конструкции и от материала,из которого конструкция сделана. Материал от материала очень сильно отличаетсяприсущей ему жесткостью. Такие материалы, как резина или мягкие животныеткани, деформируются под действием столь малых сил, как нажатие пальцем.В то же время жесткость дерева, кости, камня, большинства металлов гораздовыше, и хотя абсолютно "твердых" материалов в природе не существует, некоторыетвердые тела, подобные сапфиру н алмазу, являются весьма жесткими.

Пусть два предмета, например два обычных промывочных ерша одной и тойже формы и размера, сделаны из стали и резины. Очевидно, что стальной ершбудет гораздо (примерно в 30 000 раз) более жестким, чем резиновый. С другойстороны, если мы из одного и того же материала, например стали, сделаемтонкую спиральную пружину и толстую массивную балку, то пружина, естественно,будет намного более гибкой, чем балка. Упомянутые два фактора, определяющиежесткость конструкции, необходимо уметь отличать друг от друга и оцениватьвклад каждого, поскольку в инженерном деле, как и в биологии, мы постоянноимеем дело с изменениями обоих факторов.

Достойно удивления, что после столь многообещающего старта на протяжении120 лет после смерти Гука наука так и не нашла путей, чтобы справитьсяс этой проблемой. В действительности XVIII столетие на удивление мало продвинулоизучение упругости. Причин на это, несомненно, было много, но в общем можносказать, что если ученые XVII в. рассматривали свою науку в тесной связис прогрессом техники - такое понимание целей науки для того времени былопочти откровением,- то большинство ученых XVIII в. считали ниже достоинствамыслителя задачи промышленности и торговли. Это был явный возврат к прошлому,к древнегреческому взгляду на науку. Закон же Гука уже давал общее философскоеобъяснение довольно широкому кругу явлений, - объяснение, вполне достаточноес точки зрения джентльмена-философа, не очень интересующегося техническимидеталями.

И тут мы не можем обойти молчанием такое обстоятельство, как влияниеличности Ньютона (1643-1727), и не сказать о последствиях жестокой вражды,существовавшей между Ньютоном и Гуком. Гук, вероятно, был не менее талантлив,чем Ньютон, и, определенно, более обидчив и тщеславен, чем он, но в остальныхотношениях это были люди совершенно различных темпераментов и интересов.Довольно скромное происхождение не мешало Ньютону быть снобом, а Гуку приотсутствии снобизма - личным другом Карла II.

В отличие от Ньютона Гук принадлежал к типу "земных" людей, его занимали задачипрактического характера, касающиеся упругости, пружин, часов, зданий,микроскопов и даже анатомии обычной блохи. Среди изобретений Гука,применяющихся и поныне, - универсальное соединение, используемое в передачахавтомобиля, и ирисовая диафрагма, используемая в большинстве фотокамер. Еголампа для экипажей, в которой пламя сгорающей свечи удерживается в центреоптической системы с помощью специальной пружины, вышла из широкогоупотребления только в 20-е годы нашего века. Но и сейчас еще такую лампу можноувидеть у парадного подъезда. Что касается частной жизни, то Гук грешил большесвоего друга Сэмюеля Пепса[4], как говорится, не пропуская ни одной служанки.

Взгляд Ньютона на мир был, возможно, шире, но его интересы в науке лежализначительно дальше от практики. Подобно интересам многих академическихученых меньшего масштаба, их можно было бы во многих случаях охарактеризоватькак "антиутилитарные". Однако это не помешало Ньютону занять должностьдиректора монетного двора. Хотя, по-видимому, здесь сыграла роль не столькосклонность заниматься прикладными науками, сколько желание иметь правительственнуюдолжность, что по тем временам давало значительно более высокое общественноеположение, чем кафедра в Тринити-колледже, не говоря уже о жалованье. Немаловремени Ньютон потратил и на размышления теологического порядка. Я думаю,что у него не было склонностей да и времени для плотских радостей.

Короче говоря, Ньютон был в немалой степени предрасположен к тому, чтобыпитать отвращение к Гуку как к человеку и ко всему, что тот отстаивал,включая и теорию упругости. Так случилось, что после смерти Гука Ньютонудовелось прожить еще 25 лет, и значительную часть этого времени он посвятилочернению памяти Гука и прикладных наук. А поскольку авторитет Ньютонав научном мире был непререкаем и его точка зрения совпадала с общественнымнастроением и интеллектуальными течениями того времени, такие дисциплины,как расчет конструкций, не обрели популярности в течение многих лет дажепосле смерти Ньютона.

Таким образом, в течение всего XVIII в. сохранялось такое положение,при котором, несмотря на то, что принцип сопротивления материалов был всамом общем виде объяснен Гуком, его труды и дела не имели последователей.При таком состоянии дел какие-либо расчеты для практических целей былиедва ли возможны.

Следовательно, пользы от того, что существовали представления об упругости,для инженерных целей почти не было. Французские инженеры XVIII в. отдавалисебе в этом отчет и с сожалением создавали конструкции (которые довольночасто разваливались) с помощью той теории, которая имелась в их распоряжении.Английские же инженеры, которые также понимали это, обычно были безразличнык "теории", и конструкции промышленной революции создавались кустарнымиметодами. Они разрушались, может быть, чуть реже французских.

 

 

Глава 2

 

Изобретение напряжения и деформации, или барон Коши и расшифровка модуля Юнга

 

Чем, как не ареной ужасов, была бы жизнь без арифметики?

письмо к юной леди от 22 июля 1835 г.

Сидней Смит

 

Кроме Ньютона и предрассудков XVIII в. главной причиной столь долгогозастоя в теории упругости было то, что те немногие ученые, которые всеже занимались атой проблемой, пытались анализировать силы и перемещения,рассматривая конструкцию целиком как это делал и Гук, - вместо того чтобыперейти, к силам и деформациям, которые существуют в каждой точке внутриматериала. Предпринимавшиеся в XVIII и XIX вв. такими выдающимися умами,как Леонард Эйлер (1707-1783) и Томас Юнг (1773-1829), попытки решать вполнестандартные с сегодняшней точки зрения задачи кажутся современному инженеруневероятнейшими интеллектуальными ухищрениями.

Концепция упругости материала в точке сводится к понятию о напряжениии деформации, которое впервые в обобщенной форме было сформулировано ОгюстомКоши (1789-1857) в его статье, направленной во Французскую академию наукв 1822 г. После работ Гука эта статья была, быть может, самым важным событиемв истории развития теории упругости. После нее появилась надежда, что этанаука наконец станет орудием в руках инженеров, а не эмпиреями несколькихэксцентричных мыслителей. На портрете, написанном примерно в то же время,Коши выглядит довольно бойким молодым человеком; несомненно, в прикладнойматематике он был большой силой.

Когда в XIX в. английские инженеры наконец снизошли до того, чтобыпознакомиться с работами Коши, то обнаружили, что, усвоив основные понятия онапряжениях и деформациях, можно сразу упростить все исследования по расчетуконструкций. Сегодня эти понятия в широком ходу, и трудно объяснить тозамешательство и смущение, которые иногда испытывают при упоминании о нихнеспециалисты. У меня как-то была аспирантка, незадолго до этого удачнозащитившая диплом по биологии. Изучение понятий о напряжениях и деформацияхвывело ее из душевного равновесия настолько, что она сбежала из университета ибесследно исчезла. Почему - я так и не пойму до сих пор.

 

Напряжение

 

Оказывается, к представлению о напряжении был очень близок еще Галилей.В "Двух новых науках" - книге, написанной им в старости в Арцетри, - онясно указывает, что растягиваемый стержень имеет прочность, которая припостоянстве остальных условий пропорциональна площади его поперечного сечения.Иными словами, если стержень сечением 2 см² разрывается принагрузке 1000 кгс, то стержень сечением 4 см² разрывается принагрузке 2000 кгс. Кажется почти невероятным, что потребовалось почти двастолетия, чтобы разделить разрушающую нагрузку на площадь поверхности вместе разрыва, дабы получить величину, называемую сегодня разрушающим напряжением(в упомянутом выше случае 500 кгс/см²) и относящуюся ко всемстержням из того же материала.

Коши осознал, что такое представление о напряжении можно использоватьне только для того, чтобы предсказать разрушение материала, но и для болееобщего описания состояния тела в любой его точке. Другими словами, напряжениев твердом теле напоминает давление в жидкости или газе. Оно является меройвоздействия внешних сил на атомы и молекулы, из которых состоит материали которые вынуждены под действием этих сил сближаться или удаляться другот друга.

Таким образом, сказать, что напряжение в данной точке какого-то куска сталисоставляет 500 кгс/см², ничуть не более вразумительно и не менее таинственно,чем сказать, что давление в шинах моего автомобиля 2 кгс/см². Однако, хотяпонятия о давлении и напряжении вполне сопоставимы, нужно иметь в виду, чтодавление действует в любом направлении внутри жидкости, тогда как напряжениеявляется величиной, характеризующейся определенными направлениями действия.Напряжение может, в частности, действовать в одном-единственном направлении; вовсяком случае, пока мы будем считать, что это именно так.

В количественном выражении напряжение в заданной точке определяется отношениемсилы, или нагрузки, приходящейся на небольшую площадку в окрестности этойточки, к величине этой площадки[5].

Если напряжение в некоторой точке мы обозначим буквой s  ,то напряжение = s = (нагрузка/площадь) = (Р/А ), где Р    - нагрузка, а А    - площадь, на которую,как можно считать, эта нагрузка действует (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Напряжение, возникающее в бруске при растяжении.(Ситуация при сжатии выглядит аналогичным образом.)

Вернемся теперь к нашему кирпичу, который в предыдущей главе мы оставиливисящим на веревке. Если кирпич весит 5 кг, а веревка имеет сечение 2 мм², токирпич натягивает веревку с силой 5 кгс, а напряжение в веревке s =(нагрузка/площадь) = (Р/A ) = 5 кгс/2 мм² = 2,5 кгс/мм², или, еслиугодно, 250 кгс/см².

 

Единицы напряжения

 

В связи со сказанным возникает порой вызывающий досаду вопрос о единицахнапряжения. Напряжение можно выразить, и часто его именно так и выражают,в различных величинах, соответствующих какой-либо единице силы, деленнойна какую-либо единицу площади. Чтобы не было путаницы, в этой книге мыограничимся использованием следующих единиц.

Меганьютон на квадратный метр - МН/м². Это единица СИ - Международнойсистемы единиц, которая в качестве единицы силы использует Ньютон - Н.

1Н = 0,102 кгс (приблизительно весу одного яблока).

1 МН (меганьютон)=1 млн. Н, что составляет почти 100 т.

Килограмм силы на квадратный сантиметр - кгс/см²

Перевод одних единиц в другие:

1 MH/м²= 10,2 кгс/см², 1 кгс/см²=0,098 МН/м².

Таким образом, полученное в нашей веревке напряжение составляет 250 кгс/см²или 24,5 МН/м². Обычно для приближенного вычисления напряжений нетнеобходимости и в абсолютно точных коэффициентах перевода одних единиц вдругие.

Стоит повторить: важно осознать, что напряжение в материале, подобнодавлению в жидкости, есть величина, привязанная к некоторой точке; ононе относится к какой-либо определенной площади поперечного сечения, такой,как квадратный сантиметр или квадратный метр.

 

Деформация

 

В то время как напряжение говорит нам о том, сколь интенсивно принуждаютсяк расхождению в данной точке твердого тела атомы, деформация говорит отом, сколь далеко этот процесс растяжения зашел, то есть каково относительноерастяжение межатомных связей,

Так, если стержень, имевший первоначально длину L  , поддействием силы удлинился на величину l  , то деформация, илиотносительное изменение длины стержня, которую обозначим буквой е  ,будет e = l/L  (рис. 7)

 

 

Рис. 7. Деформация, возникающая в бруске при растяжении.(Деформация при сжатии выглядит аналогичным образом.)

Возвращаясь к нашей веревке, можно сказать, что если ее первоначальнаядлина была, допустим, 2 м (200 см), а под действием веса кирпича она удлиниласьна 1 см, то деформация веревки е = l/L = 0,005, или 0,5%.

Деформации, возникающие в инженерной практике, обычно весьма малы, поэтомуинженеры, как правило, выражают их в процентах, что уменьшает вероятностьошибки, если оперировать десятичными дробями с множеством нулей.

Подобно напряжению, деформация не связана с какой-либо опеределеннойдлиной, сечением или формой материала. Она также характеризует состояниематериала в точке. Поскольку для определения деформации мы делим удлинениена первоначальную длину, она выражается безразмерной величиной - числом,не требующим какой-либо единицы измерения. В равной мере все сказанноеотносится не только к растяжению, но и к сжатию.

 

Модуль Юнга, или какова жесткость данного материала?

 

Как уже говорилось, в своей первоначальной форме закон Гука хотя и заслуживалвнимания, но свалил в одну кучу свойства материала и поведение конструкций.Произошло это в основном из-за отсутствия понятий "напряжение" и "деформация",не последнюю роль сыграли здесь существовавшие в прошлом трудности, связанныес испытанием материалов.

В настоящее время для испытания материала как чего-то отличного от конструкциииз него изготовляют так называемый образец. Форма образца может быть самойразной, но, как правило, это стержень с участком постоянного сечения, накотором и производятся измерения, и утолщенными концами для закрепленияв испытательной машине. Обычная форма металлических образцов показана нарис. 8.

 

 

Рис. 8. Типичный образец для испытаний на растяжение

Испытательные машины также могут сильно различаться размерами и конструкцией,но по существу все они представляют собой механические приспособления дляприложения к образцам нагрузки, которую при этом можно точно измерять.

Напряжение в стержне вычисляется путем деления нагрузки, регистрируемойна каждой стадии испытаний по шкале устройства, на площадь поперечногосечения образца. Растяжение стержня-образца под действием нагрузки (а следовательно,деформация материала) обычно измеряется с помощью экстензометра - чувствительногоустройства, которое крепится к двум точкам образца.

Такое оборудование позволяет довольно просто измерить напряжения и деформации,которые возникают в образце материала по мере того, как мы увеличиваемнагрузку. Графическое изображение зависимости напряжения от деформацииназывается кривой деформирования. Эта кривая, обычный вид которой представленна рис. 9, является характеристикой данного материала и практически независит от размеров испытываемого образца.

 

 

Рис. 9. Типичная кривая деформирования.

При постройке кривых деформирования для металлов и многих других твердыхтел мы неизменно будем обнаруживать, что по крайней мере для небольшихнапряжении эти кривые имеют прямолинейные участки. В этих случаях о материалеговорят, что он "подчиняется закону Гука" или является "гуковским материалом".

Мы обнаружим также, что наклоны этих прямолинейных участков для различныхматериалов различны (рис. 10), Очевидно, что наклон кривой деформированияявляется мерой деформации материала при заданном напряжении. Другими словами,он является мерой упругости или, наоборот, податливости данного твердоготела.

 

 

Рис. 10. Кривая деформирования. Тангенс угла наклона ее прямолинейногоучастка является параметром материала, который называется модулем упругости иобычно обозначается Е

Для любого материала, который подчиняется закону Гука, тангенс угла наклонакривой деформирования должен быть величиной постоянной. Таким образом,отношениенапряжение/деформация = s/e = E  и носит название модуля упругости, или модуля Юнга. Модуль Юнга - величинапостоянная для данного материала. Иногда при обсуждении технических вопросово нем говорят как о "жесткости". Кстати, слово "модуль" в переводе с латинскогоозначает "малая мера".

Вспомним, что деформация нашей веревки под действием веса кирпича составляла0,5%, или 0,005, при напряжении 24,5 МН/м² Поэтому модуль ЮнгаверевкиE = s/e = 24,5/0,005 = 4900 МН/м²= ~ 5·10⁴ кгс/см².

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: