Материалы, топливо и энергия

 

В будущем XX в., возможно, назовут веком стали и бетона. Но не исключено,что о нем будут говорить и как о веке уродств или расточительства. Однаконе только инженеры одержимы сталью и бетоном (и почти безразличны к последствиямэтой одержимости), ими заразились и политики, и широкая публика.

Болезнь, по-видимому, началась лет двести назад со времен промышленнойреволюции и появления дешевого угля; это привело к дешевому железу и железнымпаровым машинам, превращавшим дешевый уголь в дешевую механическую энергиюи т. д., круг за кругом, раскручивалось колесо производства и потребленияэнергии. В угле и нефти в малом объеме запасено большое количество энергии.Машины очень быстро перерабатывают заметную часть этой энергии, но такжев малом объеме. Затем они выдают эту энергию в концентрированной формев виде электричества или механической работы. На этой концентрации энергииосновывается вся наша современная техника. Материалы этой техники - сталь,алюминий и бетон - сами требуют больших количеств энергии для своего производства(табл. 6).

Таблица 6. Количество энергии, необходимое для производства различныхматериалов [123]

Материал / Энергозатраты для производства 1 т материала, Дж х 10⁹/т /Нефтяной эквивалент, т

Сталь (мягкая) / 60 / 1,5

Титан / 800 / 20

Алюминий / 250 / 6

Стекло / 24 / 0,6

Кирпич / 6 / 0,15

Бетон / 4 / 0,1

Углеволокнистые композиты / 4000 / 100

Дерево (сосна, ель) / 1 / 0,025

Полилиэтилен / 45 / 1,1

Поскольку производство этих материалов весьма энергоемко, их можно эффективноиспользовать только в условиях высокой энерговооруженности экономики. Сооружаятехнические устройства, мы затрачиваем не только денежные средства, нои энергию, а потому необходимо обеспечить возврат того и другого.

Несмотря на высокую стоимость энергии и оскудение ее запасов, потреблениеэнергии скорее увеличивается, чем уменьшается. Такие совершенные машины,как газовые турбины, все более и более лихорадочно производят все большеи больше энергии внутри все меньшего и меньшего объема. Совершенные устройстватребуют совершенных материалов, и такие новые материалы, как высокотемпературныесплавы и пластики, армированные углеволокном, требуют для своего производстваогромного количества энергии.

Весьма вероятно, что такое положение вещей не может продолжаться бесконечно,ибо вся эта система полностью зависит от дешевых и концентрированных источниковэнергии, таких, как нефть и уголь.

Живую природу можно считать совершенно уникальной системой, приспособленнойдля извлечения энергии не из концентрированных, а из "размазанных" источников,причем использует она эту энергию с величайшей экономией. Сейчас предпринимаетсямного попыток собирать энергию для технических целей из таких неконцентрированныхисточников, как солнечный свет, ветер или океан. Многие из них, вероятно,окончатся неудачей, потому что энергетические затраты на постройку соответствующихсистем из стали, бетона и других материалов могут оказаться слишком великии даже не компенсируются при их эксплуатации. Очевидно, необходим совершеннодругой подход ко всей проблеме "эффективности". Природа смотрит на этипроблемы с точки зрения "метаболических затрат", и, быть может, мы должныперенять ее опыт.

Дело не только в том, что для производства одной тонны металла или бетонатребуется много энергии. Сами эти громоздкие, но слабо нагруженные конструкции,обычно необходимые для систем с малой плотностью перерабатываемой энергии,могут оказаться в несколько раз тяжелее, если их делать из стали и бетона,а не из более подходящих требующих специальной разработки материалов.

Мы вскоре увидим, что одним из самых эффективных в конструкционном смыслематериалов может быть дерево. При больших размерах и малых нагрузках конструкцияиз дерева во много раз легче, чем конструкция из бетона или стали. В прошломзатруднения с использованием древесины во многом определялись медленнымростом леса и необходимостью дорогостоящей выдержки древесины.

Возможно, самое важное достижение в области материалов за последнеевремя принадлежит генетикам, которые вывели быстрорастущие породы деревьев,дающих коммерческую древесину. Сейчас разводят разновидности сосны (Pinusradiata ), ствол которой при благоприятных условиях дает прирост до12 см в диаметре в год, так что лес готов для рубки на деловую древесинууже через 6 лет после посадки. Появились реальные перспективы превратитьдерево в техническую культуру с коротким периодом созревания. Важно, чтопочти вся энергия, необходимая для выращивания древесины, поступает бесплатно,от Солнца. Кроме того, деревянную конструкцию можно сжечь за ненадобностью,получив большую часть энергии, накопленной деревом во время роста, чего,конечно, нельзя сказать ни о стали, ни о бетоне.

Древесина обычно требовала длительной и дорогостоящей выдержки в специальныхсушилках, которые потребляют значительное количество энергии. Сегодня оказалосьвозможным сократить срок выдержки сортовой мягкой древесины до 24 ч принизкой стоимости процесса сушки. Это имеет очень важное значение не толькодля строительного дела, но и в связи с мировым энергетическим кризисом.

Анализ весовой эффективности различных материалов в различных конструкцияхприведен в приложении 4. Проектирование большинства технически совершенныхконструкций, таких, как, например, самолет, во многом определяется величинойE   / ρ ,которая называется удельным модулем Юнга и определяет, так сказать, весовую"стоимость" деформаций конструкции. Оказывается, однако, что для большинстваобычных конструкционных материалов - молибдена, стали, титана, магния,алюминия и дерева - величина E   / ρ приблизительно одинакова. Именно поэтому в течение последних 15-20 летправительства разных стран затратили столь большие суммы на разработкуновых материалов, основой которых служат такие экзотические волокна, какнити бора и карбида кремния, углеволокна.

Материалы этого типа могут быть более или менее эффективными в авиакосмическойпромышленности, но одно можно сказать с уверенностью - они не только дороги,но и требуют больших затрат энергии для своего производства. По этой причинеони, вероятно, будут применяться только в специальных целях и, по моемумнению, не найдут широкого применения в обозримом будущем.

Требование высокой жесткости конструкции может очень ограничивать нашивозможности. Однако, как мы уже видели, стоимость сжатой конструкции - весовая,а часто и денежная - во многих случаях тоже очень высока. Весоваястоимость[124] сжатой колонны определяется не отношением E   / ρ , авеличиной (E  )^1/2 / ρ . Весовая стоимость панели зависит от(E  )^1/3 / ρ (приложение 4). Эти параметры приведены в табл. 7.

Таблица 7. Критерии эффективности некоторых материалов в различных условиях

Материал / Модуль Юнга Е   / Плотность ρ / E  /ρ /(E   )^1/2/ρ / (E  )^1/3/ρ

Сталь / 210000 / 7,8 / 25000 / 190 / 7,5

Титан / 120000 / 4,5 / 25000 / 240 / 11

Алюминий / 73000 / 2,8 / 25000 / 310 / 15

Магний / 42000 / 1,7 / 24000 / 380 / 20,5

Стекло / 73000 / 2,4 / 25000 / 360 / 17,5

Кирпич / 21000 / 3,0 / 7000 / 150 / 9

Бетон / 15000 / 2,5 / 6000 / 160 / 10

Углеволокнистые композиты / 200000 / 2,0 / 100000 / 700 / 29

Дерево (сосна, ель) / 14000 / 0,5 / 25000 / 500 / 48

Можно заметить, что малая плотность материала дает ему большие преимущества,и сталь в этом смысле хуже кирпича и бетона. Кроме того, во многих легкихизделиях, таких, как дирижабли или протезы конечностей, дерево превосходитдаже армированный углеволокном пластик, не говоря уже о том, что оно значительнодешевле.

Таблица 8. Конструктивная эффективность различных материалов, выраженная взатратах энергии, необходимых для их производства [125]

Материал / Энергия, необходимая для обеспечения заданной жесткостиконструкции в целом / Энергия, необходимая для изготовления сжатой панелизаданной критической нагрузкой

Сталь / 1 / 1

Титан / 13 / 9

Алюминий / 4 / 2

Кирпич / 0,4 / 0,1

Бетон / 0,3 / 0,05

Дерево / 0,02 / 0,002

Углеволокнистые композиты / 17 / 17

В табл. 8 приведены характеристики конструктивной эффективности материаловв терминах энергетических затрат. Видно, что обычные материалы - дерево,кирпич и бетон - имеют здесь подавляющее преимущество, и таблица заставляетзадуматься, действительно ли оправданна погоня за материалами, в основекоторых лежат экзотические волокна. Во многих случаях рентабельнее использоватьне углеволокна, а пустоты. Природа поняла это очень давно, когда изобреладерево; это понимали и римляне, которые облегчали кладку пустыми виннымикувшинами. Пустоты несравненно дешевле как в стоимостном, так и в энергетическомотношении, чем любые мыслимые высокомодульные материалы. Возможно, лучшетратить больше времени и средств на разработку пористых и ячеистых материалов,чем на волокна бора или углерода.

 

 

Глава 14

 

Катастрофы, или очерк об ошибках, прегрешениях и усталости металла

 

 

Хитрее в мире повозки нет,

Построил мастер на сотню лет. 

Прошло столетье в единый миг -

От той повозки остался...

 

Старый фаэтон

Оливер Вандел Холмc

 

Весь окружающий мир можно рассматривать как огромную энергетическую систему:величественный рынок, где одна форма энергии по определенным ценам и правиламнеминуемо переходит в другую. Энергетически предпочтительное обязательнопроизойдет. В этом смысле каждая конструкция существует лишь для того,чтобы отдалить что-то неизбежное, энергетически выгодное. Так, поднятыйгруз должен упасть, упругая энергия - выделиться и т.п. И действительно,рано или поздно груз падает, а упругая энергия выделяется. Задача конструкции- отложить это событие на год, на век или на тысячелетие. В конечном счетевсе сооружения будут разбиты или разрушатся сами, так же как и всем намв конце концов суждено умереть. Отложить это на некий приличный срок -задача медиков и инженеров.

Весь вопрос заключается в том, каков же этот "приличный срок". Каждаяконструкция должна быть надежной в течение определенного времени службы.Для ракеты это могут быть несколько минут, для автомобиля или самолета- 10-20 лет, для собора - тысячелетия.

Старый фаэтон Оливера Вандела Холмса, сконструированный ровно на столет, - ни на день больше, ни на день меньше, - развалился, как и было задумано,1 ноября 1855 г., лишь только священник добрался в своей проповеди до слов"в-пятых"… Ясно, что это вздор. Эксцентричный герой романа Невила Шьюта"Путь закрыт" предсказывает, что хвост авиалайнера "Райндер" отвалитсяиз-за "усталости металла" после 1440 полетных часов плюс минус один день.И это тоже вздор, о чем наверняка знал Нэвил Шьют, опытный авиационныйинженер.

Практически невозможно с такой точностью планировать время надежнойработы изделия. Возможен лишь статистический, основанный на опытных данных,подход к этой проблеме. Причем по самой природе вещей мы можем дать толькоболее или менее разумные вероятностные оценки надежности. Ослабив конструкциюсверх меры, ее можно сделать легкой и дешевой, но тогда недопустимо возрастаетвероятность частых поломок. И наоборот, слишком прочная, "вечная" с человеческойточки зрения - а именно этого всегда жаждет публика - конструкция можетоказаться слишком тяжелой и дорогой. Как мы увидим ниже, дополнительныйвес чаще увеличивает опасность, чем дополнительная прочность ее уменьшает.Поскольку все учесть невозможно, то, разрабатывая реальную конструкциюдля реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей - пустьмалой, но конечной - вероятностью преждевременного выхода ее из строя.

Как указывает Альфред Пагсли в своей книге "Надежность конструкции",этот довольно интересный момент в рассуждениях как раз и может заставитьнас отказаться от строго логического подхода к проблеме. Как говорит Пагсли,человеку присуща боязнь разрушения - вот почему обыватель цепко и упрямодержится за мысль, что любая конструкция, с которой он лично связан, вообщене должна разрушаться. Последствия такой точки зрения могут быть самымиразличными; иногда это не приносит вреда, но иногда приводит к печальнымрезультатам.

Во время войны английские авиаконструкторы были поставлены перед необходимостьюразумного компромисса между прочностью и другими качествами самолета. Потерибомбардировщиков от действий немецкой противовоздушной обороны были оченьбольшими, примерно один из 20 самолетов не возвращался из каждого боевоговылета[126]. Напротив,потери самолетов вследствие разрушения конструкции были незначительными - многоменьше одного самолета из 10 тыс. Вес силовой конструкции самолета составляетпримерно треть его общего веса, и было бы, видимо, разумным еще уменьшить его вобмен на другое оборудование, дающее самолету дополнительные преимущества. Вэтом случае число катастроф несколько увеличилось бы, но сэкономленный такимобразом вес позволил бы увеличить число и калибр пушек или толщину брони, чтопривело бы к существенному общему снижению потерь. Но авиаторы не хотели дажеслышать об этом. Они предпочитали больший риск быть сбитыми гораздо меньшемуриску аварии по техническим причинам.

Чувство возмущения поломкой конструкции, по мнению Пагсли, унаследованонами от далеких предков, испытывавших постоянный страх, кроме всего прочего,и оттого, что сук или ветка дерева, на котором они жили, сломаются, и ихдети, да и они сами, окажутся в пасти какого-нибудь саблезубого тигра илипещерного медведя. Как бы то ни было, инженеры не могут не считаться сэтим чувством, хотя возникающий вследствие этого дополнительный вес можетзачастую привести и к увеличению опасности.

 

⇐ Предыдущая32333435363738394041Следующая ⇒

Поделиться: