Надежность механических систем

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 17Следующая ⇒

Надежность и ее оценка. Подн а д е ж н о с т ь ю, как уже упоминалось во введении, понимают свойство объекта сохранять выходные характеристики в установленных пределах в течение заданного промежутка времени. Изучением количественных соотношений при расчете надежности занимается теория надежности. Основой этой теории является эксперимент.

Рассмотрим, к примеру, результат испытаний на прочность образцов, работающих в условиях переменного нагружения. Очевидно, время работы до разрушения для каждого из образцов различно, и его можно рассматривать как случайное событие. Время работы до отказа называется н а р а б о т к о й д о о т к а з а.

ПустьT — случайная величина, обозначающая время наработки до отказа. Если за выделенный промежуток времени Δ t разрушилось i n образцов из общего количества N, то, вероятность разрушения за выделенный промежуток времени равна

P= ni/N

Пусть f(t) — плотность вероятности отказа (функция отказов). Вероятность отказа в течение промежутка времени от t₀ до t, равна площади под кривой плотности:

P(t₀< T< t)=ò ^t_t₀ftdt

Вероятность того, что система выйдет из строя к моменту времени t, т. е. функция распределения наработки до отказа F(t), имеет вид:

Ясно, что если t→ ∞, то

Вероятность безотказной работы R(t) (т. е. вероятность того, что система будет выполнять требуемую функцию в заданный момент времени t) определим как

Вероятность отказа в данный промежуток времени (t₁, t₂ ), можно выразить либо через функцию распределения F(t):

либо через вероятность безотказной работы R(t):

Частота появления отказа h(t₁, t₂ ), в некотором промежутке времени (t₁, t₂ ), называется и н т е н с и в н о с т ь ю о т к а з о в в указанном интервале. Интенсивность отказов вычисляется по формуле

Если обозначить t₁ =t и t₂ =t+ Δ t, то мгновенное значение интенсивностиотказов h(t) определяется как предел интенсивности отказов при стремлении к нулю интервала Δ t:

Учитывая, что согласно справедливо равенство

для мгновенной интенсивности отказов (1.3.6) имеем

при дальнейшем интегрировании позволяет получить фундаментальную зависимость теории надежности:

В статистическом плане под интенсивностью отказа понимают отношениечисла отказов n_i за малый промежуток времени к числу работоспособных объектов

Рис. 2.3.1.

Статистические законы надежности. Статистической характеристикой работы изделия до разрушения может служить введенная выше функция распределения наработки до отказа F(t). Для нахождения функции распределения, адекватно описывающей рассматриваемое явление, обычно проводят ряд наблюдений за поведением объекта в процессе его эксплуатации и обобщают полученную об отказах информацию методами математической статистики. С теоретической точки зрения функций, которые соответствуют результатам наблюдений, может быть бесчисленное множество. Однако накопленный практический материал выделяет из них ряд наиболее значимых с точки зрения их распространенности в теории надежности. К их числу относятся показательное (экспоненциальное) распределение, нормальное распределение и распределение Вейбулла. При показательном распределении функция плотности имеет вид, так что в соответствии с (1.3.3) вероятность безотказной работы определяется как

Очевидно, что интенсивность отказов при этом постоянна и равна

Из этой формулы следует, что экспоненциальный закон надежности для описания надежности машин и механизмов справедлив только в том случае, если интенсивность их отказов постоянна, т. е. в режиме нормальной эксплуатации. Для постепенных отказов требуются такие законы распределения времени небольшая, затем резко возрастает и далее спадает до нуля из-за уменьшения числа работоспособных элементов. Такими законами являются, например, нормальное распределение и распределение Вейбулла.

Нормальное распределение наиболее широко применяется на практике, поскольку оно в значительной степени универсально. Дело в том, что, как уже упоминалось ранее, любая случайная величина подчиняется нормальному закону распределения, если на ее изменение оказывают влияние многие приблизительно равнозначные факторы, причем чем таких факторов больше, тем точнее нормальное распределение приближается к реальному поведению случайной величины.

Статистические модели надежности. Так как любая механическая система

состоит из комбинации собранных в единое целое объектов, то надежность этой совокупности оказывается отличной от надежности составляющих ее элементов.

Если сложная механическая система моделируется цепочкой из n последовательно расположенных элементов (рис. 2.3.2), то вероятность безотказной работы R_r(t) системы в целом равна, по теореме умножения вероятностей, произведению

где R_i(t) — вероятность безотказной работы текущего i -го элемента из цепочки. Это означает, что при низкой надежности составляющих надежность сложной системы крайне низка.

Рис. 2.3.2.

Рис. 2.3.3. Рис. 2.3.4.

Для системы из параллельно установленных элементов (рис. 2.3.3) характерно то, что выход ее из строя возможен только при условии выхода из строя всех составляющих ее элементов. Вероятность отказа такой системы равна произведению вероятностей отказа составляющих ее элементов:

а вероятность безотказной работы вычисляется по формуле:

Если система состоит из совокупности последовательно и параллельно соединенных элементов, вероятность безотказной работы также определяется по сформулированным выше правилам. При этом участки только последовательно и только параллельно соединенных элементов объединяются в более крупные структуры, для каждой из которых рассчитывают вероятность безотказной работы по формулам и соответственно. Поэтапное укрупнение структур позволяет, в конечном итоге, получить значение вероятности безотказной работы системы в целом.

Оптимальное проектирование

3.1. Аналогии оптимальных решений в природе и технике

Большое количество инженерных решений, использующихся в различных областях техники, имеет аналогии в живой природе и растительном мире. В некоторых случаях человек осознанно пытается копировать природные решения, иногда это происходит неосознанно, являясь результатом накопленного жизненного опыта. Ценность решений, скопированных у природы, нельзя переоценить, так как здесь речь идет фактически о наилучших из всех возможных, т.е. об оптимальных решениях. Человечество это осознало достаточно давно, в частности, Леонардо да Винчи писал: “Хотя человеческая искусность способна многое изобрести… все же она никогда не создаст предмета более прекрасного, простого и правильного, чем создает природа, потому что в ее изобретениях нет ничего лишнего, ничего недостающего (ничего нельзя прибавить, ничего отнять)”.

Конструкции, созданные природой, совершенны. Целесообразность элементов их строения удивительна и тем больше поражает, чем больше узнаешь о ней.

Попробуем рассмотреть конструкторскую деятельность природы на примере двух ее созданий: из мира растений – дерева, из мира живого – животных «с наружным скелетом», как называли древних моллюсков с раковинами.

Дерево имеет три крупных элемента – крону, ствол и корень. Для воспроизводства веществ дереву необходима развитая поверхность листьев. Это приводит к увеличению парусности, что при сильном ветре может вызвать изгибающие моменты, которые либо сломают ствол, либо вывернут корень из почвы. Поэтому природа уменьшает величину внешних сил, прикладываемых к дереву: во-первых, все листья укрепляются на длинных и тонких черешках, легко гнущихся и скручивающихся без разрушения. Как только подует ветер, листья поворачиваются таким образом, что воздух между ними проходит свободно, в результате чего сила ветра, гнущая дерево, резко ослабляется. Во-вторых, для веток и ствола природа подобрала достаточно эластичный материал: они гнутся, при этом площадь, обдуваемая ветром, уменьшается. Говоря техническим языком, создается эффект обтекания струи воздуха, как это бывает с округлым предметом.

Как видим, природа в первую очередь ослабила силы воздействий, а не пошла в лобовую атаку, увеличивая прочность ствола и корневой системы. Надежному сопротивлению изгибающим силам с любой стороны способствует то, что ствол дерева круглый, утолщающийся у корня (например, изгибающий момент у стойки с заделанным концом увеличивается к основанию).

Некоторые деревья-соломины вынуждены, склонившись в одну сторону и раскачиваясь, как пшеница в поле, воспринимать труднейшее сочетание нагрузок – изгиб с кручением. Природа остроумно решила конструкцию стволов и таких деревьев. Например, стволы разных видов бамбука представляют собой круглую пустотелую тонкостенную трубу, подкрепленную внутри жесткими поперечинами. Это оптимальное решение при минимуме материала, которое необходимо было затратить на преодоление такого вида внешней нагрузки. У очень больших деревьев круглый ствол внизу укрепляется мощными подпорками из доскообразных корней, которые, как контрфорсы, с нескольких сторон подпирают его. Это позволяет высоким деревьям многих пород эффективно сопротивляться огромным прикорневым моментам.

Наконец, природа разработала удачную конструкцию корня. Он разветвлен, подобно ветвям кроны, что позволяет ему сильнее закрепиться в земле. Стержни корней эластичны: несущие, наиболее прочные и жесткие волокна расположены в центре корневого стержня, а не на периферии, как у ствола, которому необходимо больше сопротивляться крутящим моментам.

Всмотримся далее в конструкцию дерева. Природа ловко использовала свое «знание» о концентрации напряжений возле участков с переменой сечения. Ветви у стыка со стволом утолщаются, плавно переходят в его тело. Наоборот, черешки листьев и плодов, которые должны опадать в свое время, имеют явный концентратор напряжений в месте прикрепления к ветке. Осенью в этом стыке изменится структура связей, и достаточно будет легкого ветра для обламывания.

Природа сумела создать и другие эффективные способы, благодаря которым ее конструкции выживают в, казалось бы, очень сложных условиях.

Приведем несколько наиболее примечательных примеров, свидетельствующих о прочности и выносливости природных конструкций.

Как известно, есть деревья-гиганты и деревья-карлики. Самые высокие эвкалипты достигают 162 м, секвойи и секвойи-ядендроны – 110 м с объемом древесины в одном стволе до 1800 м³. Некоторые экземпляры таких деревьев живут до 4000 лет. Самое маленькое дерево с романтическим названием кассиопея имеет высоту не более 10 см и растет в горах. На удивление прочной в пересчете на единицу удельного веса (всего 0, 27 от удельного веса воды) является древесина «дерева гробов», как ее называют в Китае за долгую сохранность в земле. Впрочем, по удельному весу рекорд принадлежит дереву амбач из тропической Африки. Удельный вес его древесины составляет всего 0, 15 г/см³.

Знаменитое дерево Индии баньян, из которого, кроме всего прочего, добывают шеллак, имеет самую большую по ширине крону – в окружности до 500 м. Для того чтобы ветви такого дерева не обломились от собственной тяжести, от них к земле отрастают корни-подпорки в виде колонн диаметром около 2 м. Знаменитый каль-кутский 150-летний баньян опирает свои ветви на 300 таких колонн.

Иратерия, растущая на илистых почвах, приподнимает свой ствол на корнях-ходулях высотой в рост человека. Система таких ходулей обеспечивает гибкость дерева при ветрах, а их большое отклонение уменьшает силу на каждый корень, что так важно в слабых илистых грунтах. Этот же способ пружинящих опор применила природа и для конструирования мангровых деревьев.

Очень тяжелую древесину (до 1, 2 г/см³) имеет южноамериканское дерево квебахо (испанское название, звучащее в переводе так: «сломайтопор»). Однако чемпионами по твердости и удельному весу являются самшит и диоспирос эбеновый (удельный вес 1, 33 г/см³).

Уникальная прочность и удобная форма бамбука нашли применение в самых неожиданных изделиях человека: стрелах, мотыгах, кирках, кинжалах и просто трубах. Но, пожалуй, менее известно, что бамбук применялся в качестве пушечного ствола тибетцами и в германской кавалерии, а Япония изготовляла из бамбука гранатометы, в частности, они использовались при штурме Порт-Артура в 1904 г. Наконец, еще 20 лет назад в Китае защищалась диссертация, посвященная прочности бамбукобетона. Кстати, прочность волокон бамбука близка к прочности стали.Возможности природы, вооруженной законами естественного отбора и освобожденной от ответственности за неудачную конструкцию, огромны.Рассмотрим теперь другой вид конструкций природы. Предками существующих сегодня морских раковин наутилус, принадлежащих к головоногим, были небезызвестные аммониты. Аммониты плавали с помощью реактивной струи; для обеспечения плавучести в камерах их раковин должно было поддерживаться давление газа около 1 атм. Именно из-за этих газовых камер в первую очередь надо было решить вопросы прочности раковины, ведь наутилусу приходится жить на глубине до 600 м. На такой глубине стенки испытывают давление в 60 атм. То, что прочность раковин для таких глубин достаточна, ученые Дентон и Джилпин-Браун проверили еще в 1966 г. Разрушение раковины наступало на глубинах, несколько превышающих 600 м. Как же раковина аммонитов, имеющая более 10 см в диаметре, выдерживает такие давления? Весь длинный, закрученный в спираль конический интерьер раковины разделен перегородками, число которых увеличивается по мере увеличения диаметра и при наибольшем диаметре достигает ста.

Рис. 3.1.1. – Линии контакта перегородок наутилуса

Эти перегородки, которые получили название перегородок жесткости, наутилус строит очень быстро, одну в две недели. Особое значение имеет прочность стыка перегородки с корпусом раковины. У самых первых перегородок линия контакта слабоволнистая. Чем диаметр перегородки больше, тем большую волнистость приобретает линия контакта, доходя до очень сложной формы. Это увеличивает и устойчивость перегородок, и прочность при давлении на нее тела моллюска, и прочность стыка, и условия опирания внешней оболочки раковины на перегородку (рис. 1). Так природа создала прочную раковину при минимальной затрате материала. Последнее в живом мире особенно важно. Ведь на производство раковины приходится затрачивать энергию, которую может дать только пища, добываемая в борьбе. Естественно, что на конструктивное решение раковины повлиял вид материала и способ «монтажа». Материал перегородки наутилуса вырабатывается всей опорной поверхностью его мясистой мантии, выделяющей углекислый кальций. Этим методом удобнее всего создавать сплошную перегородку, обеспечивая ее жесткость гофрированием у заделки.

Человек подобные жесткие диафрагмы, вероятнее всего, создал бы в виде стержневых решеток или жесткого кольца, что еще выгоднее по расходу материала. Но и здесь нужно было еще выбрать между требованиями экономии материала и экономии затрат на технологию.

Самое совершенное и сложное творение природы – живой организм. Одним из основных изобретений здесь является механизм, обеспечивающий изменение формы тела или расположение членов в пространстве. Два жестких диска из кости соединены между собой жесткими же, но упругими пружинами, например, из коллагеновых хрящей. Соответствующие выступы дисков соединены активной тягой – мышцей и пассивным винтом – сухожилием. Возможны варианты, когда на месте сухожилия также располагается мышца или сухожилие отсутствует, но развиты хрящи. Описанный тип механизма широко распространен. Усложняя или упрощая детали этой схемы, природа применила их среди насекомых, птиц и животных. Для каждого элемента модели природа подобрала специальные материалы со свойствами, в наибольшей степени отвечающими их функции. При этом стоит помнить, что каждый элемент в то же время представляет собой сложную биологическую систему, растущую, постоянно обновляющуюся на молекулярном уровне, питающуюся и производящую работу. Итак, типичный механизм состоит из типичных материалов: кость, хрящ, сухожилие, мышца.

В анналы судебно-медицинской практики вошел такой случай. В человека, шедшего по улице, выстрелил некий субъект.

Выстрелил в упор, в лоб, из боевого пистолета. Пострадавший, потрясенный случившимся, проводил глазами убежавшего субъекта и... побежал в милицию. Сотрудники милиции, выслушав сбивчивый рассказ взволнованного человека, оказали ему первую помощь и немедленно отвезли в судмедэкспертизу. Эксперты не верили своим глазам: на лбу пострадавшего было классическое входное отверстие от пули, а на затылке, точно напротив входного – выходное отверстие со всеми его характерными признаками. Расположение порошин в коже, диаметр отверстия, сдвиг тканей и характер их повреждения не оставляли сомнений: налицо сквозное огнестрельное ранение головы из боевого пистолета патроном крупного калибра. Эксперты недоумевали: человек должен был умереть мгновенно, а он сидел и рассказывал, уже не так взволнованно, о случившемся. Его тем не менее отправили в больницу, откуда через несколько дней он выписался. Рентген не показал никаких изменений, и, как только зарубцевалась кожа, человек, здоровый и невредимый, вышел на работу. Что же произошло?

Оказывается, пуля скользнула по поверхности черепа, прошла под кожей вокруг головы и вышла в затылке. Как же кость могла выдержать такой сильный удар и не разрушиться? Какова ее прочность?

Человек попадает в аварию, его конечности оказываются под движущимся транспортом, под вращающимися деталями рабочего механизма, под падающим грузом. Как при этом будут сопротивляться механической нагрузке кости и ткани человека? Имеются ли какие-то механические характеристики частей человеческого тела?

В течение многих веков ученые собирали различные данные, сопоставляли, экспериментировали. В последние десятилетия развилась наука – биомеханика, изучающая сопротивление материалов живых тканей.

На прочность костей животных люди обратили внимание еще в первобытные времена. Более того, это свойство ими активно использовалось. Из кости изготовлялись ножи, иглы, наконечники стрел и копий, мотыги, щиты. Из крупных костей таких животных, как киты, мамонты и др., строились даже жилые помещения, где кости использовались как колонны, балки, плиты.

Строение кости пытались постичь и древние греки, и ученые эпохи Возрождения (в частности, Галилей). Однако детальное исследование ее свойств началось только в XIX в. Одним из первых, кто попытался изучить прочность кости человека на растяжение, считают французского исследователя Вертхайма, который в 1874 г. опубликовал результаты растяжения до разрыва тонких длинных полосок из большой и малой берцовой костей свежих трупов людей в возрасте от 1 года до 74 лет. Он обнаружил, что у женщин кости на 25% менее прочны, чем у мужчин, а кость мужчин показала прочность почти в 1000 кг/см².

Немецким ученым Роубером в 1876 г. были проведены более тщательные исследования, при которых вырезались образцы с учетом направления волокон кости. После чего исследованием прочности кости стали заниматься многие ученые.

Вначале прочность кости изучалась так же, как прочность неорганических материалов. Было замечено, что прочность кости на растяжение поперек волокон ее ткани в 10 раз меньше, чем прочность вдоль волокон, которая достигала 2200 кг/см². Это равносильно рабочим напряжениям в современных стальных конструкциях. Что касается сопротивления сжатию, то оказалось, что прочность кости сильно зависит от скорости приложения сжимающей силы и при больших скоростях достигает величины 4000 кг/см².

В результате всех этих исследований было сделано два серьезных вывода. Во-первых, выяснилось, что кость в процессе жизни человека приспосабливается к нагрузкам, упрочняя и развивая (иногда до уродства) свой материал и конструкцию в местах наибольшего действия сил. Во-вторых, стало понятно, что конструкция кости скелета такова, что она с наименьшими затратами энергии достигает наибольшего функционального эффекта. Так, обеспечение жесткости при кручении и изгибе в протяженных костях происходит благодаря тому, что они представляют собой трубчатые конструкции с наиболее прочным, минерализованным слоем, расположенным на периферии. Прочность костей, на которые действует большое местное давление, например в суставах, увеличивается за счет специальных Рис. 3.1.2. – Распределение напряжений в бедренной кости: 1 – сжатие; 2 – растяжение; 3 – сжатие и растяжение одновременнопротяженных структур, называемых на языке специалистов костными балками и направленных по линиям действия наибольших главных напряжений.

Твердость собственно кости как материала обеспечивает сложное неорганическое минеральное вещество типа апатита, которым как бы наполнена органическая пространственная сеть.

Костная ткань пронизана остеонами – трубчатыми ветвящимися образованиями с толстыми стенками и тонкими каналами для кровеносных сосудов. Остеоны располагаются вдоль кости и состоят на 70% из неорганических кристаллов, вытянутых также вдоль оси. Длина кристаллов – до 0, 04 мкм, ширина – до 0, 003 мкм. Таким образом, кость является сложным структурным образованием с анизотропными свойствами. Сама анизотропия – неравенство свойств во всех направлениях – также может рассматриваться как разумное решение проблемы: зачем сохранять одинаковую прочность во всех направлениях, когда она нужна, если говорить о функциях, только в одном направлении?

И в этих случаях природа выбрала наиболее целесообразный путь.

В качестве примеров аналогий в природе и технике можно рассмотреть следующее.

В технике широко применяются длиннопролетные несущие конструкции, в которых по длине для защиты от потери устойчивости с определенным шагом устанавливаются поперечные перегородки – диафрагмы. Одной из аналогий в природе является устройство веток бамбука, состоящих из секций, между которыми имеется утолщение с поперечной перегородкой.

В технике широко применяется принцип многоконтактности. Примерами могут служить шлицевые соединения и гусеничные опоры. Смысл многоконтактности – в повышении площадки контакта и увеличении надежности сцепления поверхностей. В природе этот принцип реализуется, в частности, наличием нескольких пальцев и перепонок у животных и птиц.

Общепринято, что необходимо усиливать небольшие, наиболее нагруженные зоны конструкций, или же придавать особые свойства именно активным элементам конструкций, непосредственно взаимодействующим с окружающей средой. Это реализуется установкой ребер жесткости, накладками и усилениями металлоконструкций, установкой зубьев, режущих кромок и тому подобных рабочих органов. Принцип местного качества в природе реализуется, к примеру, повышенной прочностью панциря у черепахи, наличием клыков и когтей у большинства животных.

Резервирование – один из наиболее широко распространенных принципов проектирования технических систем, позволяющих применять устройства меньших габаритов, меньшей единичной мощности и производительности, и одновременно повысить надежность всей системы. К примеру, на карьерных экскаваторах зачастую дублируются двигатели подъема и поворота. В живой природе принцип резервирования выражается в дублировании жизненно важных органов, или же в больших запасах прочности тех органов, которые существуют в единственном числе.

Характерным для техники и природы является стремление избежать острых углов, придать конструкциям и живым организмам обтекаемые формы. Это важно как с точки зрения сопротивления окружающей среды при движении, так и с точки зрения снижения концентрации напряжений.

Одно из широко распространенных решений в инженерном деле – предварительное напряжение элементов конструкций. Это дает возможность значительно уменьшить эксплуатационные напряжения, массу и металлоемкость конструкций. В живой природе предварительно напряженными являются несущие кости скелета человека и животных.

Принцип равнопрочности – важный принцип оптимального проектирования. Последовательное применение этого принципа приводит к созданию конструкции минимально возможной массы, т.е. к оптимальному проекту. Равнопрочность в природе проявляется в частности, в форме стволов деревьев. Сечение растущего ствола дерева формируется таким образом, чтобы обеспечить несущую способность каждого сечения относительно вышележащей массы ствола и кроны. Также по принципу равнопрочности формируется ствол дерева при преобладании ветров определенного направления. Тогда ствол в сечении приобретает форму эллипса, направление большой оси которого совпадает с преобладающим направление ветра. Еще пример – железнодорожная платформа.

Равнодолговечность в технике в настоящее время является скорее желаемым, чем достижимым фактом. В идеале за один и тот же промежуток времени, равный сроку службы всей конструкции, должна произойти полная выработка ресурса всех ее элементов. На современном этапе развития техники метода расчета пока не достигли такого совершенства. Равнодолговечность в природе проявляется примерно в одновременном износе и старении органов животных, живущих в естественных условиях обитания.

Обеспечение рациональности форм сечений – важная задача инженерного проектирования. Она решается расчетом удельного момента инерции сечения по отношению к площади этого сечения. Такие расчеты показывают, что при изгибе балок наиболее рациональными сечениями являются двутавр (если направление нагрузки определено) и кольцо (при возможности действия нагрузки в произвольном направлении). В живой природе кости животных и человека, как правило, имеют полое трубчатое сечение.

Принцип реактивного движения получил широкое распространение в технике ХХ века. В природе наиболее ярким представителем реактивных двигателей является кальмар.

Для обеспечения максимальной свободы сочлененных элементов конструкции стержневой формы в технике широко применяются различные шарниры, а шаровой шарнир является практически полной аналогией костных суставов.

Современное строительное искусство находится сейчас в стремительном, безостановочном движении, отражающем прогресс в жизни общества и технике. Химия, высшая математика, теоретическая и физико-химическая механика, кибернетика и ряд других наук становятся основами строительного дела, они способствуют максимальному использованию разнообразных научно-технических достижений в архитектуре и строительстве.

Строители и архитекторы уже много веков занимаются изучением «архитектуры» растительного мира и заимствуют у природы методы и принципы конструирования. Это ярко символизирует тесную связь между природой и трудовой деятельностью человека. Вторжение бионики в архитектуру и строительство является сегодня наивысшим этапом этой связи, позволяющим говорить о синтезе природы со строительным искусством.

Окинем беглым взором историю этой связи.

Уже в легких постройках африканцев отражены характерные, черты цветков, растений, а временами и формы животных, обитающих в данной местности. На Востоке возвышаются пагоды, подобные елям, и гробницы, гармонирующие с окружающими их соснами, как бы в знак поклонения местных жителей природе. Подобные сооружения вызывают чувство законного восхищения перед строителями тех времен.

Изучение природы архитекторами прошлых времен обычно заключалось в познании законов гармонии, пропорций, единства частей и целого природных структур. Потому-то большинство древних построек так гармонирует с окружающей их природой. Архитекторы помнили, что «здание – как бы живое существо, создавая которое, следует подражать природе». Но низкий технический и теоретический уровень не давал им возможности до конца пользоваться плодами «великого конструктора» – природы. Возводимые сооружения, несмотря на их внешнюю «подвижность» и органичность, были так же инертны и статичны, как и применявшиеся природные материалы – песчаники, ракушечник, дерево и т. д.

Конструктивная сторона стволов и стеблей становится объектом внимания не только ботаников, но и механиков в XVII–XIX вв. Появляются многочисленные работы биологов Грю, Гука, Мюллера, посвященные архитектонике растений. В 1874 г. С. Швенденер, основатель изучения физико-механических свойств частей живых растений, писал: «Растение строит себя несомненно по тем же правилам, по которым инженеры строят здания», а спустя 16 лет К. А. Тимирязев в своей речи «Факторы органической эволюции» сказал: «Именно на стеблях узналимы целый ряд поразительных факторов, доказывающих, что они построены по всем правилам строительного искусства».

Благодаря открытиям биологов в области физико-механических структур организмов и постоянному изучению некоторых закономерностей в организации живых конструкций возникла реальная возможность у конструкторов и архитекторов по-иному посмотреть на их собственный и окружающий миры.

Так, например, если рассмотреть поперечные разрезы стебля пухоноса германского и современной фабричной трубы, то уже при первом взгляде бросается в глаза подобие их конструктивных схем. Для нас не составит большого груда разобраться в их конструктивных особенностях и объяснить причины подобия их конструкций.

Назначение фабричной трубы, как известно, создавать тягу и отводить вредные газы подальше от земли. Стебель пухоноса, кроме чисто конструктивной роли, занимает не последнее место в жизнедеятельности растения – он служит проводником питания. Значительные его вертикальные размеры обусловлены непрестанной потребностью растения в энергии солнца. Как труба, так и пухонос находятся под постоянным воздействием однотипных статических и динамических нагрузок – собственного веса, ветра и т. п. Вот причины их конструктивного сходства. Обе конструкции полые. Тяжи стебля пухоноса, как и продольная арматура трубы, расположены по периферии всей окружности. Вдоль стенок обеих конструкций расположены овальные пустоты. Роль спиральной арматуры в стебле пухоноса играет кожица.

Не менее интересно недавнее сообщение биологов о том, что стальная Эйфелева башня напоминает по своему строению трубчатые кости человека (бедренной или берцовой). Они усмотрели подобие и во внешних формах конструкций, в углах между «перекладинами» и «балками» кости я раскосами башни.

Безусловно, ни Эйфель, ни безвестные строители дымовых труб не копировали природу сознательно. Сходство возникло потому, что инженерные конструкции были доведены до совершенства. Строительное искусство природы и людей развивается, руководствуясь одними и теми же принципами, принципами экономии материала и энергии.

Развитие новых строительных материалов заметно отразилось на характере современной архитектуры, и пневматические сооружения являются наиболее характерными ее представителями. А между тем этот совершенно новый вид архитектуры, плод архитекторов и конструкторов двадцатая) века, весьма широко распространен в природе – возьмите, к примеру, фрукты, воздушные пузыри, кровеносные сосуды, листья растений и т.д. Технические сооружения из пневмоконструкций, являясь результатом сугубо технических исследований, вполне соответствуют природным формам. Поэтому естественным кажется пожелание, чтобы формы подобных сооружений, а значит, и их конструкции исходили не из технико-математических концепций, а непосредственно из природных образцов, и несомненно, что дальнейшее развитие пневмоконсгрукций будет связано с анализом подобных им живых конструкций. Здесь можно найти пути усовершенствования как отдельных узлов, так и общих схем.

Разнообразие конструктивных форм в природе беспредельно. Невидимые невооруженным глазом морские одноклеточные организмы радиолярии могут привести в истинное замешательство любого архитектора и инженера. Такого изобилия конструктивных форм не знает современная техника, причем каждая из структур обладает законченной схемой. Среди них можно найти аналогии куполов собора Петра в Риме и собора Софии в Константинополе и геодезических куполов Фуллера.

Отличие большинства технических структур от живых можно объяснить тем, что проблемы, возникающие перед людьми и природой, были различны. Поэтому следует рассматривать любую живую конструкцию как оптимальную для определенной проблемы. Если задача природы тождественна технической задаче, живая система может стать прообразом технической. Каждый лист, каждая травинка, каждый лепесток могут послужить живой моделью технической конструкции и быть использованы при проектировании различных типов сооружений или их элементов.

Итак, любая природная конструкция является оптимальной для определенных конкретных условий. Это не всегда скажешь об инженерных системах. Ведь выбор их конструктивных схем и их эффективность зависят не только от задачи, но и от способностей инженера-расчетчика и от выбранного метода расчета и конструктивной схемы. Ни один конструктор не может сказать твердо, что данная схема – самая рациональная. Поэтому изучение природных принципов структурообразования и механизма саморегуляции роста живой материи должно стать для инженера-строителя актуальнейшей темой.

Познание природы естественного роста живых структур позволит создавать живые модели технических конструкций для любых целей, а если заглянуть немного вперед, то не только модели, но и реальные конструкции: башни, перекрытия, резервуары и даже дома. Некоторые даже думают, что подобный биологический рост технических конструкций сделает ненужным их математический расчет.

Как уже было сказано, такие строительные материалы, как песчаник, ракушечник или дерево, не позволяли сделать конструкции пластичными. В XIX в. с развитием строительных материалов и конструкций появляются первые сооружения, допускающие значительные перемещения. Распределение материала в конструкциях в это время очень близко к природным аналогам (вспомните пример с дымовой трубой), но количественный и качественный его состав, разумеется, ничуть не похож на состав природных сооружений.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒