Упругая энергия как причина разрушения

 

…обращались назад, как неверный лук.

Псалом 77

 

Достаточно высокий резильянс - качество, существенное для любой конструкции,без него она не могла бы поглощать энергию ударов. С этой точки зрения,чем большим резильянсом обладает конструкция, тем лучше. Столь хитроумныеустройства, как корабли викингов и американский конный кабриолет, обладалиочень большой гибкостью и высоким резильянсом. Если такого рода конструкциичрезвычайно не перегружать, после снятия нагрузки они тут же приходят впервоначальное состояние. Но, естественно, больших перегрузок и они невыдержат.

Далее, чтобы разорвать материал, в нем должна возникнуть трещина. Однако,как мы вскоре увидим, чтобы такая трещина продвинулась на своем пути, необходимозатратить энергию, которую надо где-то взять. Как мы говорили выше, можнобез труда сломать лук, "стреляя" из него без стрелы. При этом запасеннаяв луке упругая энергия не может благополучно высвободиться и перейти вкинетическую энергию стрелы, а потому часть ее идет на образование трещинв материале самого лука. Другими словами, упругая энергия лука его же иломает. Однако сломанный лук - это только частный случай разрушения вообще.

Все упругие вещества, находящиеся под действием нагрузки, содержат большееили меньшее количество упругой энергии, и эта энергия потенциально всегдаможет пойти на процесс разрушения их самих. Другими словами, запасеннаяупругая энергия может пойти на то, чтобы покрыть энергетические затратына распространение трещины в конструкции и, следовательно, на поломку последней.В конструкции с высоким резильянсом может содержаться большая упругая энергия;того же рода энергия, к которой прибегали древние римляне, чтобы пробитьмассивные стены Карфагена, в равной мере годна на то, чтобы сам себя сломалпополам громадный супертанкер.

Согласно современной точке зрения, в том случае, когда материал подвергаетсярастягивающей нагрузке, мы не должны рассматривать его разрушение как результатнепосредственного растяжения химических связей между атомами. Иначе говоря, этоотнюдь не простое следствие, вызванное действием растягивающего напряжения, какможно подумать, начитавшись классическихучебников[36]. Прямымрезультатом увеличения нагрузки, действующей на конструкцию, будет лишьувеличение запаса упругой энергии в материале. Ответ на вопрос, поломается лина самом деле конструкция в любом заданном месте (цена ответа может составить,например, 64 тыс. долларов), зависит от того, может ли упругая энергия перейтив энергию разрушения так, чтобы образовать трещину.

Современную механику разрушения занимает прежде всего не вопрос о нагрузкахи напряжениях, а вопрос о том, как, почему, где и когда упругая энергияможет перейти в энергию разрушения. Конечно, в простых случаях, когда имеютдело с веревками и стержнями, действует классическая концепция критическогоразрушающего напряжения, однако для больших или сложных конструкций, таких,как мосты, пароходы или сосуды высокого давления, она, как мы уже видели,страдает опасным переупрощением. Оказывается, что независимо от того, подвергаетсяли конструкция удару или действию статической нагрузки, разрушение путемразрыва зависит главным образом от следующего:

1) от цены в единицах энергии, которую нужно заплатить, чтобы протолкнутьтрещину;

2) от количества упругой энергии, которым располагает конструкция, готоваязаплатить указанную цену;

3) от размеров и формы наиболее опасных отверстий, трещин или дефектовконструкции.

Тот факт, что величины энергии, необходимые для того, чтобы разрушить материалв любом данном поперечном сечении, для различных твердых тел весьма различны,легко подтвердить, ударив молотком сначала по стеклянной, а потом по консервнойбанке. Количество энергии, требуемое для разрушения материала, отнесенноек поперечному сечению, определяет его вязкость разрушения, или "трещиностойкость",которую в настоящее время чаще называют энергией или работой разрушения.Упомянутое свойство совершенно отлично и независимо от прочности материалана разрыв, которая определяется как напряжение (а не как энергия), требуемоедля разрушения твердого тела. От трещиностойкости, или работы разрушенияматериала, в значительной мере зависит реальная прочность конструкции,особенно если она велика по размерам. А поэтому нам следует немного поговоритьо работе разрушения различных типов твердых тел.

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: