Каркасные конструкции против монокока

 

Очень часто инженер стоит перед проблемой выбора между решетчатой каркаснойконструкцией, сделанной, как в детском конструкторе, из отдельных стержнейи брусьев (ее называют пространственной фермой), и оболочечной конструкцией,в которой нагрузки воспринимаются более или менее непрерывными панелями(такой тип конструкции называют монококом). Иногда различие между двумяэтими формами конструкций смазывается, это происходит в тех случаях, когдакаркасная система покрывается какой-нибудь обшивкой, которая на самом делевоспринимает лишь незначительную долю нагрузки. Примером того могут служитьобычные обшитые деревом домики, современные каркасные ангары и склады,покрытые гофрированным железом, и, наконец, животные, покрытые чешуей илипанцирем.

Иногда выбор между двумя этими типами конструкций бывает продиктованне только конструкционными соображениями. Так, опоры для линий электропередачделают только решетчатого типа, поскольку они испытывают меньшее давлениеветра и имеют меньшую площадь окраски, а водяные цистерны предпочитаютделать в виде оболочки из более толстых стальных листов, а не в виде решетчатойсиловой конструкции, поддерживающей водонепроницаемую оболочку из болеетонкого материала, хотя такая форма может иметь меньший вес и используетсяприродой в '"конструкции" желудка и мочевого пузыря.

В одних случаях различие в весе и стоимости двух возможных типов конструкцийнезначительно, и поэтому безразлично, какую из них использовать. В других- разница очень велика. Как мы уже видели, палатка или шатер всегда значительнолегче и дешевле, чем любое здание такого же объема, сделанное из бетонаили кирпича. Кузов автобуса "Вейман" (модель 1930 г.) имел деревянный каркас,обтянутый тканью, и был гораздо легче любого из штампованных металлическихкузовов оболочечной конструкции, вошедших в употребление позже. При нынешнихценах на бензин подобный кузов вполне может обрести вторую жизнь.

Существует, однако, мнение, будто оболочечные конструкции типа монококаболее современны и прогрессивны, чем якобы примитивные и устаревшие пространственныекаркасные конструкции. Такого мнения придерживаются даже опытные инженеры,но в действительности для этого нет объективных оснований. В тех случаях,когда нагрузка носит в основном сжимающий характер, пространственные каркасныесистемы всегда легче и обычно дешевле монокока. Однако весовые издержкипри использовании конструкций типа монокока не так уж велики, если большиенагрузки воспринимаются конструкцией относительно малых размеров. Это оправдываетв ряде случаев их применение. Но для больших слабо нагруженных конструкций,таких, как дирижабль с жестким корпусом, каркасная конструкция практическиявляется единственно возможной. Реальный воздухоплавательный аппарат будетне огромным монококовым дирижаблем, сделанным из блестящих листов алюминия,которыми бредят инженеры, а наполненным газом баллоном.

Переход от палочек, проволочек и ткани в конструкциях первых самолетов ксовременным монококам был продиктован не внезапной сменой моды. Это былнеобходимый и совершенно логичный шаг, связанный с резко возросшими скоростямии нагрузками. Как мы уже говорили, в условиях сжимающих и изгибающих нагрузокмонокок всегда окажется тяжелее каркасной конструкции, хотя при увеличениинагрузок этот избыточный вес и уменьшается. С другой стороны, в условияхнагрузок, приводящих к сдвигу и создающих крутящий момент, монокок оказываетсяпредпочтительнее каркасной конструкции[120].

С ростом скоростей самолетов росли и требования к прочности и жесткостина кручение. Наконец наступил момент (это было в 30-е годы), когда из-затребований к весу конструкций пришлось окончательно перейти от каркаснойсистемы к монококу, в первую очередь при конструировании монопланов. Поэтомусовременные самолеты обычно делают в виде сплошной оболочечной конструкциииз листов алюминия, фанеры или стеклопластика. Возврат к пространственнойкаркасной системе, который мы наблюдаем в конструкциях современных планеров,действительно чрезвычайно легких, столь же логичен. Большие крутящие нагрузкивстречаются лишь в созданных человеком конструкциях, таких, как кораблиили самолеты. Мы уже говорили в гл. II, что природе почти всегда удаетсяизбежать кручений, и поэтому монокок или внешний скелет встречаются нечасто, во всяком случае у крупных животных. Большинство из них позвоночные,и они представляют собой весьма сложную и эффективную пространственнуюферму, конструкционно весьма мало отличающуюся от бипланов и парусных кораблей.Очень показательны с этой точки зрения конструкции птиц, летучих мышейи птеродактилей. Они устроены таким образом, что их легкие каркасные конструкциине требуют большой крутильной жесткости, поэтому они не разрушаются в полете.Это полезно иметь в виду авиаконструкторам.

 

Надувные конструкции

 

Иногда интересно поразмышлять над некоторыми "если бы" и "но" в историитехники. Если бы Исамбард Кингдом Брюнель возник на "железнодорожном"небосклоне всего несколькими годами раньше, то весьма вероятно, что большинствожелезных дорог в мире имело бы колею шириной в 2150 вместо чаще всегоиспользуемой сейчас колеи в 1435 мм[121]. Такая ширина была введенаего конкурентом Джорджем Стефенсоном как ширина "колеи угольной вагонетки",которая в свою очередь исходила от ширины колеи римских колесниц.Стефенсоновская колея имела некоторое начальное преимущество в возникшемсоревновании - такую возможность предвидел и Брюнель. Но будь сегодняжелезнодорожная колея шире, железнодорожный транспорт, возможно, и втехническом, и в экономическом отношении занимал бы сейчас большее место внашей жизни. Не исключено, что в этом случае картина мира была бы несколькоиной.

С другой стороны, если бы надувные шины появились к 1830 г., можно былобы тогда прямо перейти к безрельсовому транспорту, миновав стадию железныхдорог. И в этом случае современный мир был бы совсем другим. На самом делеизобретение надувной шины опоздало на 15 лет. Она была запатентована в1845 г. двадцатитрехлетним Р.В. Томсоном. Шина Томсона технически былаудивительно удачной, однако к этому времени железные дороги уже вошли вжизнь. Интересы железнодорожных компаний, совпавшие с интересами владельцевгужевого транспорта, привели к абсурдному законодательству, которое черезсистему запретов отодвинуло развитие автомобильного транспорта до рубежапрошлого и нынешнего столетий.

Нельзя было и помыслить, что велосипед может составить какую-либо конкуренциюпоездам или лошадям, поэтому его появление было официально признано и разрешенов викторианские времена. Надувная шина с успехом пережила свое возрождениев 1888 г. для использования в велосипеде. Дж.Б. Данлоп сделал на этомсостояние, так как Томсон к этому времени уже умер и его патент потерялсилу. Скорость грузовика со сплошными шинами была бы ограничена примерно20 км/час, не намного быстрее двигался бы и легковой автомобиль. ИзобретениеТомсона не только сделало практически возможным быстрый и дешевый шоссейныйтранспорт, но и позволило самолетам подниматься с суши и садиться на нее.Без надувных шин мы были бы вынуждены пользоваться, вероятно, какими-тогидропланами.

Шины, смягчающие и выравнивающие ударные нагрузки, которые действуютна колеса экипажа, - это лишь один из видов силовых надувных конструкций.Разного рода силовые надувные конструкции позволяют избежать серьезныхзатрат материала и снизить стоимость в тех случаях, когда необходимо передаватьнебольшие изгибающие и вжимающие нагрузки на значительные расстояния. Втаких конструкциях сжатию подвергаются не твердые панели или колонны, которыелегко выпучиваются, а воздух или вода. Твердые же части конструкции подвергаютсятолько растягивающим напряжениям, что, как мы уже могли убедиться, и легче,и дешевле.

Остроумная идея использования надувных конструкций в технике отнюдьне нова. Примерно за тысячелетие до нашей эры в верховьях Тигра и Евфратаделали лодки и плоты из надувных шкур. Они спускались вниз по течению,нагруженные товарами, на них, как правило, находились также мулы и ослы.По прибытии на место назначения воздух выпускался из шкур, и лодки возвращалисьобратно домой по суше на спинах этих вьючных животных. Сегодня надувныелодки получили широкое распространение, так же как и надувные палатки имебель, в упакованном виде их просто перевозить.

Поддерживаемая воздухом крыша была предложена в 1910 г. крупным инженеромФ. Ланчестером. Она представляла собой надувную оболочку, края которойкрепились к земле. Оболочка поднималась и держалась в воздухе благодаряочень небольшому избыточному давлению, создаваемому простым вентиляторнымкомпрессором. Хотя входить и выходить приходилось через специальный воздушныйшлюз, это не умаляло достоинств конструкции. Крыша Ланчестера позволяетпросто и дешево создать перекрытие над большой площадью, однако в настоящеевремя ее применение ограничивается такими сооружениями, как оранжереи икрытые теннисные корты, применению в строительстве производственных и жилыхзданий препятствуют давно устаревшие нормы.

Конечно, в надувных конструкциях не обязательно использовать тольковоздух. На том же принципе "работает" мешок с песком, так же как и баржитипа "Дракон", которые представляют собой просто большие удлиненные плавающиемешки, наполненные водой или нефтью. Они используются в верховьях Амазонкидля транспортировки нефти, и после опорожнения возвращаются назад по суше(только не на ослах), как и древние надувные лодки на Евфрате. В такихмешках доставляется пресная вода в туристские отели, расположенные на островахГреции.

Техника надувных конструкций, вероятно, заслуживает более интенсивногоразвития, чем это было до сих пор. По-настоящему эксплуатируют принципнадувных конструкций лишь растения и животные, организм которых работаетподобно химическому заводу и содержит много самых разных и сложных жидкостей.Нет ничего более естественного и экономичного, чем спроектировать червякав форме длинного мешка, туго нафаршированного внутренностями. Конструкциитакого типа так хорошо работают и представляются настолько естественными,что можно только удивляться, почему животным понадобилось обзавестись скелетомиз хрупких и тяжелых костей. Не было ли бы куда как удобнее, если бы человекбыл устроен наподобие осьминога, каракатицы или хобота слона?

Существует мнение, как сообщил мне профессор Симкис, что в животноммире на самом деле никто и никогда не замышлял обзаводиться скелетом; вполневозможно, что самые ранние кости были просто свалкой ненужных организмумельчайших частиц металлов. Но коль скоро живой организм хоть однажды произвелвнутри своего тела твердое неорганическое образование, он мог затем попытатьсяиспользовать его и для прикрепления мускулов.

 

Колеса со спицами

 

 

На свадьбе немодной этой

Не будет, увы, кареты, -

Но будешь прекрасна

На первоклассном

Двухместном велосипеде!

 

Дэйзи Белл

Гарри Дакр

 

В обычном деревянном колесе телеги весь ее вес воспринимается спицами,поочередно работающими на сжатие. В этом смысле телега очень похожана сороконожку с огромным количеством длинных ног. Вместе взятые, они многовесят, но работа их неэффективна. Впервые, кажется, этот факт стал ясенДжорджу Кэйли (1773-1857), замечательному и эксцентричному человеку. Кэйлибыл одним из самых блестящих зачинателей авиации, он задался вопросом,как сделать колеса шасси своего самолета более легкими. Уже в 1820 г. онпонял, что можно сильно сэкономить на весе, если изобрести такое колесо,в котором спицы работают не на сжатие, а на растяжение. Эта мысль привелав конце концов к разработке современного велосипедного колеса, в которомпроволочные спицы постоянно растянуты, в то время как сжимающая нагрузкавоспринимается ободом, который можно сделать весьма тонким и легким, таккак он оказывается весьма устойчивым.

Колесо с проволочными спицами и надувными шинами сделало велосипед чрезвычайноудобным и практичным. Однако экономия веса достигается только в случаебольших и слабо нагруженных колес, таких, как колеса велосипеда. Когдаколесо становится меньше, а нагрузка больше, натянутые спицы обычно почтине дают преимуществ. В современных спортивных автомобилях штампованныестальные колеса лишь чуть тяжелее колес со спицами, которые в данном случаене стоят связанных с ними хлопот и расходов.

 

О выборе лучшего материала, или что такое "лучший материал"

 

Можно предположить, что природа знала свое дело, когда выбирала междуразличными возможными вариантами биологических тканей, но простые смертные, апорой и даже великие, имеют очень странные представления о материалах.Согласно Гомеру, лук Аполлона был сделан из серебра[122] - металла, в котором можно запасти лишь ничтожное количествоупругой энергии. В более поздние века поэты говорили, что полы на небесахсделаны из золота или из стекла; оба вещества - чрезвычайно неподходящийстройматериал для полов. Правда, поэты почти всегда безнадежны в отношенииматериалов, но и большинство из нас не многим лучше. В действительности оченьредко кто-либо всерьез задумывается о подобных вещах.

Выкрутасы моды и соображения престижа, кажется, играют здесь главнуюроль. Золото не очень подходит для часов, так же как и сталь для мебелиоффисов. В викторианскую эпоху увлекались чугуном, из него делали дажетакие предметы обихода, как подставки для зонтиков. Говорят, вождь одногоафриканского племени весь свой дворец построил из чугуна. Хотя выбор материалаиногда является следствием эксцентричности, чаще он основан на традицияхи консерватизме. Конечно, в основе традиционного выбора материала нередколежат весьма веские причины, но во многих случаях он обусловлен случайнымиобстоятельствами, а порой обоснованность и случайность так тесно переплетены,что трудно понять, насколько он оправдан. Люди искусства, от Льюиса Кэрроладо Сальватора Дали, открыли, что можно вызвать сильный психологическийшок одной мыслью о том, что самые знакомые предметы могут быть сделаныиз явно неподходящего материала, например резины или хлеба с маслом. Инженерыочень восприимчивы к таким эффектам; их бы сегодня также шокировала идеясделать большой деревянный корабль, как наших предков - идея сделать корабльиз железа.

Очень любопытно проследить, как меняется со временем отношение к темили иным материалам. Возьмем, например, соломенные крыши. Солома была самымдешевым и потому самым непрестижным кровельным материалом, однако в беднейшихсельских районах ею часто приходилось покрывать даже крыши церквей. В течениеXVII в., когда церковные приходы сделались побогаче, по подписке собиралиденьги на замену соломы шифером или черепицей. Иногда денег на всю крышуне хватало, и тогда приходилось оставлять солому в тех местах, где онабыла меньше заметна для прохожих, - черепицей покрывалась только сторона,обращенная к главной дороге. Сегодня престижность обернулась другой стороной- соломенная крыша в английских графствах служит предметом гордости весьмабогатых бизнесменов.

 

⇐ Предыдущая31323334353637383940Следующая ⇒

Поделиться: