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.

---

Замеренные в опыте величины модуля упругости очень хорошо согласуются с известной жесткостью вандерваальсовых связей и с жесткостью молекулярных кристаллов типа фталоцианина (глава 1).

Оказывается, что углеродные цепочки, характерные для синтетических полимеров (таких, как полиэтилен), очень гибкие, и с термодинамической точки зрения существует весьма сильная тенденция к складыванию их регулярным способом во время кристаллизации. Цепи природных полимеров (например, полисахариды и, в частности, сахар) так не складываются, и потому они намного жестче. Именно этому в значительной мере обязана нестареющая популярность целлюлозы в качестве строительного материала, и, между прочим, это же дает основания журналам мод писать о “хрустящем” хлопке.

Предотвратить складывание синтетических углеродных цепочек на редкость трудно, но как раз совсем недавно коллеги автора получили кристаллы полиэтилена в условиях, когда складывание сводится к минимуму. Модуль упругости этих кристаллов превышал 3500 кГ/мм2. Ему все еще очень далеко до теоретической величины, но это все-таки примерно в 15 раз выше, чем все достигнутое на полиэтилене прежде.

Как будет это направление развиваться и будет ли оно развиваться вообще - трудно сказать. Ясно лишь, что полиэтилен с цепочками, вытянутыми при кристаллизации в одном направлении, будет совершенно иным материалом по сравнению с тем полиэтиленом, который мы хорошо знаем. Вероятно, существует также принципиальная возможность делать неармированные пластики с модулем Юнга стали и одной восьмой ее плотности. Можно предположить также, что прочность и вязкость такого материала также будут высоки.

Чего можно ожидать от материалов будущего?

Невозможно пророчествовать подробно о том, как будут выглядеть новые материалы. Но мы можем оговорить вполне определенные верхние пределы механических свойств пассивных конструкционных материалов (глава 1). Ясно, что ключевое свойство есть модуль Юнга, поскольку он определяет не только жесткость, но и, в конечном счете, прочность. Наибольшей жесткостью обладает углеродная связь, причем она максимальна как в абсолютном, так и в удельном выражении (относительно плотности). Правда, некоторые ковалентные связи по жесткости мало отличаются от углеродных связей в алмазе. Но в общем-то максимум Е должен быть около 12x104 кГ/мм2, а максимальная величина удельного модуля Юнга - на порядок выше, чем для стали.

Следовательно, возможности улучшения удельных свойств больше, чем абсолютных. Но, вероятно, к этому и следует стремиться.

Можно было бы, наверное, как-то приблизиться к теоретической прочности, то есть примерно к E/10 если бы такая цель имела реальный смысл. Но все дело в том что если бы эта громадная прочность и была получена в большинстве случаев соответствующая ей упругая деформация, которая достигала бы 10%, оказалась бы недопустимой. Более того, такой материал неизбежно был бы хрупким, даже, пожалуй, слишком хрупким.

Более приемлемой следует считать деформацию около 1-2% (такой материал имел бы некоторый запас для торможения трещин - см. главу 4). Это дало бы удельную прочность, на один-два порядка превосходящую удельную прочность стали. Таким образом, мы вправе ожидать максимальную величину удельной жесткости порядка 12-14 жесткостей древесины, стали и других металлов, а для удельной прочности ориентироваться в пределе на 10-100 удельных прочностей стали.

Вероятно, как-то приблизиться к этим свойствам вначале можно будет с помощью материала, армированного параллельными волокнами. Если же прочность и жесткость нужны более чем в одном направлении, тогда придется распределить волокна по разным направлениям и удовлетвориться более низкими свойствами. Но рано или поздно, я думаю, мы получим изотропные материалы, свойства которых во всех трех направлениях будут одинаково хороши.

Это, кажется, и будет пределом, которого мы сможем добиться с пассивными материалами. Продвижение по этому пути - вот занятие, которое занимает в наши дни целую армию материаловедов. Но картина изменится, если мы займемся активными материалами (то есть такими, которые каким-то образом подпитываются энергией) Несколько лет назад к этой идее независимо пришли профессор Бернал и я. В самом деле, снабжая материал энергией, можно придать ему бесконечную эффективную жесткость (как это бывает у животных). А сделать это можно, по-видимому, с помощью пьезоэлектричества.

Важным следствием реализации этой идеи было б не столько повышение прочности, сколько использование бесконечной жесткости. Можно было бы делать очень жесткие конструкции, работающие на сжатие, — телеграфные столбы могли бы быть тонкими, как проволока; крылья самолетов стали бы тоже очень тонкими, почти любая техническая операция выполнялась бы легче и дешевле. Насколько мне известно, в этом направлении никто сейчас не работает. Но если бы даже и начались такие исследования, потребовалось бы весьма много времени, прежде чем удалось получить что-нибудь реальное; но этот путь отвергать, по-видимому, не следует.

Другая очень привлекательная идея связана с самоподстраивающимися конструкциями. По сути своей она также биологическая. Основной принцип здесь заключается в том, что конструкция сама утолщается в местах большего напряжения, и опять-таки сама уменьшается в слабо нагруженных частях. Почти все небиологические конструкции спроектированы неоптимальным способом, они неэффективны и топорны. Можно было бы начать с того, что попробовать оптимизировать какую-нибудь грубо спроектированную оболочку или раму, нагружая ее, например, в гальванической ванне. Но, как и предыдущая идея, сегодня это всего лишь мечта. Я хотел лишь сказать, как велики потенциальные возможности сокращения времени проектирования и изготовления.

Ближайшее будущее

В 80-х годах прошлого века идея использования электричества в широких масштабах висела еще в воздухе и привлекала внимание лишь ученых и некоторого числа предпринимателей; история биржи оживляется серией паник газовых компаний, которые возникали после каждого объявления о новом усовершенствовании динамомашины или электрической лампочки. Но оказалось, что акции газовых компаний оставались в безопасности в течение жизни почти целого поколения: трудности разработки и внедрения совершенно новой области техники были очень велики, несмотря на то что научные принципы были уже довольно хорошо поняты, да и экспериментальная проверка проходила довольно удачно. Конечно, маловероятно, что разработка и восприятие новых необычных материалов будет идти столь же медленно, как и внедрение электротехники, но все-таки, видимо, это будет тянуться долго, и на пути встретятся как взлеты, так и падения. Несомненно, что ставить вопрос о радикальной замене традиционных материалов (сталь, древесина) еще очень и очень рано.

Однако мне кажется, что новые армированные материалы, о которых мы говорили в этой главе, доведены уже до такого уровня, когда их технические достоинства оправдывают попытки использования этих материалов на практике. Такие попытки предпринимаются, и вполне возможно, что в специальных конструкциях (компрессорные лопатки газовых турбин и другие авиационные детали) современные армированные материалы будут работать уже ко времени выхода этой книги[51]. Сегодня эти материалы дороги, на них к тому же скептически смотрят инженеры-практики. Однако, если они выдержат испытания и покажут свои преимущества на практике, на их стороне будет то, в чем они нуждаются,- интерес и одобрение конструкторов. После этого пойдет постепенный процесс удешевления, расширится область применения, хотя они будут оставаться достаточно специальными в течение длительного времени.

Широкое применение дает реальные выгоды, но, вероятно, главным результатом будет переворот в области инженерного мышления. Идея о материале, который с самого начала разрабатывается с определенным назначением и строится, исходя из первых принципов, а не путем модификаций традиционных веществ,- эта идея нова и всеобщего признания еще не заслужила. Но стоит ей добиться всеобщего признания, и трудно сказать, что за этим последует. Ведь вплоть до настоящего времени технические идеи основывались (сознательно или подсознательно) на характеристиках и недостатках небольшого списка веществ; но стоит воображению инженеров проститься с мыслью о том, что все эти ограничения обязательны, а взамен этого понять, сколь созидающим может быть союз конструктора и материаловеда, - границы техники необычайно раздвинутся.

Необходимые исследования и опытные разработки могут стоит очень дорого, но это по силам бюджету развитого государства. Ведь некоторые другие области техники сейчас обходятся гораздо дороже. Если эти расходы приведут к созданию новой отрасли техники, в которой мы так нуждаемся, - игра стоит свеч.