Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

• Название: Почему мы не проваливаемся сквозь пол
• Автор: Джеймс Гордон
• Жанр: Строительство

Еще в первые десятилетия нашего века ответ на вопросы о свойствах материалов искали в эксперименте. И лишь последние 40 лет ученые, специалисты в области материаловедения, стали серьезно изучать строение материалов, убедившись, что их свойства зависят от совершенства в расположении атомов. Обо всем этом живо и с юмором рассказывает автор книги профессор университета в Рединге (Великобритания) Джеймс Эдвард Гордон. Книга рассчитана не только на школьников и студентов, но и на тех, кого по роду работы интересует поведение современных материалов и прочность конструкций.

---

Положение дел с клеем к концу войны было, таким образом, следующим. Прекрасная и чрезвычайно водостойкая фанера стала универсальным материалом. В качестве сборочных клеев конкурировали казеин и карбамидная смола. Казеин был исключительно прост в использовании и обладал прекрасной прочностью как в сухом, так и во влажном состояниях, но в то же время при первой же возможности он катастрофически разлагался. Карбамидный клей не подвержен разложению, но поначалу при клейке он требовал определенной сноровки, да к тому же случалось, что он ни с того ни с сего рассыпался. С тех пор карбамидные клеи были значительно усовершенствованы, а два теперешних синтетических клея, резорцин-формальдегидная и эпоксидная смолы, будучи, правда довольно дорогими, обладают практически всеми необходимыми достоинствами. Нужно лишь иметь в виду, что эпоксидная смола часто вызывает воспаление.

Когда необходимо сделать выбор из десятков современных клеев, то главными аргументами за и против обычно служат легкость применения, долговечность и стоимость. Правильно сработанное соединение при использовании любого хорошего клея бывает прочнее окружающей древесины. Как правило, разрушение происходит не по самому шву, и слой клея оказывается покрытым тонким слоем древесины.

Гвозди и шурупы не увеличивают прочности хорошего клеевого шва, но в процессе твердения всякий клей требует, чтобы склеиваемые поверхности были плотно прижаты одна к другой, а это проще всего достигается с помощью гвоздей и шурупов. Ну, а коль уж гвоздь забит, нет особого смысла вытаскивать его после схватывания клеем. Более того, если склейка по каким-либо причинам оказалась неудачной, механическое крепление будет полезной страховкой. В те времена, когда был еще только казеин, в тропиках о некоторых самолетах говорили, что они собраны на гвоздях без шляпок. В большинстве случаев это было, конечно, клеветой, но я сам несколько раз был свидетелем того, что это не так уж далеко от истины. Лично я, когда речь идет о клеях, не постеснялся бы надеть и ремень, и подтяжки.

Слоистая древесина и фанера

Использование древесины всегда было связано с заботами о том, чтобы получить материал нужных размеров и быть уверенным, что полученный материал не содержит скрытых дефектов. Давно прошли те времена, когда можно было купить огромные бревна сосны каури из Новой Зеландии или желтой сосны из-под Квебека, которые были практически совершенными. В наше время в технике чаще всего используется слоистая древесина. Бревна, как правило, разрезаются на сравнительно небольшие куски, которые затем склеиваются в пакеты; делается это обычно на гидравлических прессах с помощью синтетического клея. Таким способом можно получить листы любых размеров. При этом на деле используется весь объем как больших, так и малых деревьев; любой серьезный дефект нетрудно выявить и провести отбраковку. Легко могут быть изготовлены клееные элементы изогнутой формы, на дорогах Англии нередко создают помехи движению грузовики, перевозящие огромные деревянные арки для разного рода архитектурных сооружений. Нехватка высококачественной древесины для авиа- и судостроения могла бы стать серьезной проблемой во время войны, если бы обычная древесина не доводилась до нужных кондиций путем создания слоистых материалов.

Эти слоистые материалы были просто-напросто обычной древесиной, разрезанной на куски и затем снова склеенной. Но существовал, однако, печальный опыт материалов, известных как “улучшенная древесина”, свойства и судьба которой были, казалось, предопределены этим громким названием. Как “улучшалась” древесина? Сначала ее пропитывали некоторым количеством смолы, а затем прессовали до значительно большей плотности. Считалось, что при этом механические свойства материала должны улучшиться. И они действительно улучшались, но, как правило, лишь пропорционально увеличению плотности. В то же время у прессованной древесины значительно снижалась трещиностойкость. Что еще хуже, этот материал разбухал в воде до своих начальных размеров, и разбухание это было почти всегда непредсказуемым и необратимым. И все-таки какое-то время прессованная древесина использовалась для изготовления пропеллеров некоторых типов самолетов.

Совсем иное дело - фанера, которую, пожалуй, следует считать новым и чрезвычайно удачным материалом. Она получается путем склеивания трех или более листов шпона, то есть тонких слоев древесины с перекрестным направлением волокон. Шпон либо нарезается тонкими слоями из бревна на машине, очень напоминающей большой рубанок, либо получается с помощью лущения. Круглое бревно сначала прогревается в течение суток в паровой траншее, а затем устанавливается на специальном лущильном станке. Бревно вращается в станке, а длинный нож врезается в него и начинает по кругу снимать тонкие слои древесины с такой скоростью, что на это зрелище прямо-таки залюбуешься. Далее шпон режется, сушится, из него удаляются дефектные места, и наконец, спрессованный и склеенный на больших прессах, он превращается в фанеру.

Поначалу фанера склеивалась растительными или животными клеями, поэтому она совершенно лишена была влагостойкости и чуть ли не стала почти что бранным словом. Внедрение фенольных клеев все изменило и, между прочим, занятнейшим образом проиллюстрировало, как может трансформироваться отношение к материалу. Современная фанера на фенольных клеях совершенно не поддается воде - она не расслаивается, когда намокает. Поэтому она широко используется в судостроении.

Как и следовало ожидать, размер фанеры при колебаниях влажности изменяется вдвое меньше, чем у обычной древесины. Это значит, что максимальные изменения размеров в двух направлениях составят около 5%. На практике эта величина значительно ниже. Но если поверхностные слои высушиваются, например на горячем солнце, они оказываются под напряжением, растягивающим их поперек волокон. В результате фанера может покрыться густой сеткой малых трещинок. Сами по себе они не слишком страшны, но незакрашенные складки становятся ловушками для влаги и бактерий, что таит в себе известные неприятности. Горячее прессование убивает почти все бактерии и грибки, но после растрескивания попадающая на древесину инфекция в сочетании с водой приводит к быстрому ее гниению.

Аэропланы

Никогда не следует относиться с презрением к каким бы то ни было конструктивным формам, в том числе и к биплану, построенному на струнах и стержнях. Главный показатель, который определяет выбор материалов и конструктивных форм,- это отношение нагрузки на конструкцию к ее размерам. Когда нагрузки сравнительно невелики по отношению к размерам, обычно лучше сосредоточить сжимающие силы в нескольких компактных стержневых элементах (стойках) и распределить растяжение в обшивке и струнах. Именно так построены оснастка парусных кораблей, палатки, ветряные мельницы. С некоторыми оговорками это справедливо и для воздушных шаров. Любые другие решения в подобных случаях приводили бы к тяжелым, дорогим и менее удобным конструкциям.

По понятным причинам все первые самолеты имели очень малую нагрузку на крыло. Размеры во многих случаях были не намного меньше, чем у соответствующих современных самолетов, ну а вес такого самолета составлял менее 10% веса современной машины с жесткой обшивкой. В таких условиях конструкция из ткани, натянутой на каркас из древесины и бамбука, была и логичной, и эффективной. При мощности тогдашних двигателей аэроплан другой конструкции просто не поднялся бы с земли. Форма биплана позволяла построить отличную решетчатую ферму и кессоны - очень жизнеспособные и легкие конструкции. Массивные элементы были нужны только для того, чтобы воспринимать сжатие, и, поскольку главная опасность в таких условиях крылась в потере устойчивости, эти элементы должны были быть возможно более простыми: лучше всего этим целям служили бамбук и ель. Для растянутых элементов использовалась рояльная проволока. Однако соединение бамбуковых элементов, работающих на растяжение, всегда было серьезной проблемой.

Такой способ конструирования давал отличные прочные самолеты лишь тогда, когда конструктор твердо знал, какой элемент будет нагружаться растяжением, а какой - сжатием. Ведь если стойка при необходимости и могла принять на себя растяжение, то уж проволока никогда не сопротивляется сжатию. В некоторых бипланах посложней не всегда можно было проследить пути, по которым передается нагрузка. Недаром в ходу была банальная шутка: лучший способ проверить правильность оснастки крыла биплана - посадить в середину канарейку; если ей удастся вылететь наружу - в конструкции какой-то непорядок.