Виктор Финкель - Портрет трещины

• Название: Портрет трещины
• Автор: Виктор Финкель
• Жанр: Техническая литература

Разрушение… Мы сталкиваемся с ним ежедневно, ежечасно. Вот слабый стебель травы пророс сквозь асфальт и победно зеленеет. Как это призошло? Вот совершенно неожиданно переломилась мощная металлическая конструкция, которой стоять бы века… Почему? В чем причина катастроф и разрушений, происходящих в мире прочнейших материалов? Как ведет себя микроскопическая трещинка, откуда у нее такая сила и такое коварство? Как человек учится управлять этой страшной силой и обращать ее себе на пользу? На эти и многие другие вопросы отвечает автор. Непринужденная форма изложения, поэтические примеры, подтверждающие мысль автора, делают книгу интересной и познавательной. Книга предназначена для широкого круга читателей, для всех, кто хочет постичь одну из великих загадок природы. И прежде всего она адресована молодежи, стоящей перед выбором профессии.

---

– Добро, старик! Будешь ты наблюдать каждое утро, крепко ли стоит памятник Петру. Назначаю тебя его смотрителем. И если заметишь какую неисправность, то немедленно доноси мне через дежурного флигель-адью-танта…

После смерти Тимофея Краснопевцева «смотрителей памятника» больше не назначали. В каком же состоянии находится он теперь? Недавно было сообщено, что в задних ногах коня развивались трещины. Что случилось с сооружением Фальконе? На этот вопрос можно было бы дать несколько ответов. Простейший из них основан на законах извечной науки о прочности – механике и звучит примерно так: это результат больших перегрузок на задние ноги и хвост коня. Это кажется тем более реальным, что скульптура обладает значительной па-

1 Воронов Н, Люди, события, памятники. – М.: Просвещение, 1984, с. 45.

русностыо и расположена с юга на север, а роза ветров в Ленинграде ориентирована с запада на восток. Поэтому под действием ветра конь как бы «переваливается» с ноги на ногу. Второй ответ глубже: металл памятника «устает». Ведь с момента его сооружения прошло более двухсот лет, и если ориентировочно считать, что ветер изменялся ежедневно, то переминаний с ноги на ногу было более 70 ООО! Есть и третий ответ – металл подвергается коррозии. Тем более, что вначале через трещины в корпусе накапливались тонны дождевой воды. Здесь следует остановиться и пояснить, что хотя прямых наследников у Тимофея Краснопевцева и нет, МЕДНЫЙ ВСАДНИК, относящийся к когорте мировых скульптурных ценностей человечества, не безнадзорен. В последнем столетии он, по меньшей мере, трижды подвергался капитальному ремонту. В 1909 году – со вскрытием люка в крупе коня. При этом, в частности, были проделаны отверстия в пятках всадника и в брюхе коня во избежание накапливания воды внутри монумента. Позднее эти отверстия были расчищены и расширены. Следующий ремонт, на этот раз без вскрытия люка, провели в 1935 году. В его описании отмечена значительная по размерам трещина длиной примерно в 30 сантиметров на правой задней ноге между копытом и пяткой коня. Ее тогда же запаяли. Поскольку, однако, в последние годы трещины нз ногах коня продолжали развиваться, в 1976 году было проведено обстоятельное исследование монумента, о котором подробно рассказал в журнале «Литейное производство» К. П. Лебедев1. Выяснилось, что прочность и устойчивость МЕДНОГО ВСАДНИКА была достигнута Фальконе, помимо всего прочего, за счет специального железного каркаса в крупе, задних ногах и хвосте коня. Большая часть каркаса, а его масса составляла около 4 тонн, была удалена впоследствии через люк. Однако часть его в виде кованых стальных стоек и брусьев является и поныне единственной опорой, удерживающей весь монумент. Роль литой бронзы в отношении прочности сводится к тому, чтобы связать отдельные части каркаса и обезопасить его от коррозии. Что касается трещин, то их происхождение оказалось следующим. При заливке бронзы непосредственно на

1 Лебедев К. П. Новые данные о литье памятника «Медный всадник»//Литейное производство. 1978. № 12. С. 37, 38.

стальной каркас появились горячие трещины и можно предполагать, что первым их видел сам Фальконе. Кроме того, образовались так называемые неслитины – чисто литейный дефект, принимаемый иной раз за холодные, то есть обусловленные механическим нагружением трещины. Печальная роль этих двух дефектов-горячих трещин и неслитин – заключалась в обеспечивании доступа воздуха и влаги к стальному каркасу. Его ржавление сопровождалось увеличением объема и распира-нием бронзовой оболочки, что в свою очередь интенсифицировало процесс. При ремонте в 1976 году дефектные куски бронзы были сняты, отлиты по моделям вставки и после установки кромки их тщательно зачеканили. Итак, если памятник Петру и «хворает», то причина тому-коррозионная. Справедливости ради отметим, что на процесс ржавления могут влиять и влияют механические напряжения и усталость, так и говорят: «Коррозия под напряжением». Так что же, неужели ничему не дано победить время и творение Фальконе рано или поздно обречено? Возможно это бы и произошло, случись нарисованное Александром Сергеевичем Пушкиным в действительности

За ним несется всадник медный На звонко скачущем коне

– динамических нагрузок памятник бы не выдержал. Сегодня же, несмотря на всю экспрессию, неподвижно взмывший на каменной волне Петр вне времен и опасений. Забота и внимание пусть не бессмертных, но талантливых и преданных искусству и истории страны людей позволят монументу неколебимо стоять века!

В этом рассказе нас интересует первый подход к причинам разрушения. Ведь разрушение-явление столь же древнее, как человеческая цивилизация. Вначале оно «нападало» на примитивное человеческое жилище и каменный топор, позднее – на деревянные дома, конструкции мостов и каравелл.

Вот как Торнтон Уайлдер описывает разрушение древнего моста: «В полдень в пятницу 20 июля 1714года рухнул самый красивый мост в Перу и сбросил в пропасть пятерых путников. Мост стоял на горной дороге между Лимой и Куско, и каждый день по нему проходили сотни людей. Инки сплели его из ивняка больше века назад, и его показывали всем приезжим. Это была просто лестница с тонкими перекладинами и перилами

из сухой лозы, перекинутая через ущелье… но люди – даже вице-король, даже архиепископ Лимы – предпочитали идти по знаменитому мосту короля Людовика Святого. Сам Людовик Святой французский охранял его – своим именем и глиняной церковкой на дальней стороне. Мост казался одной из тех вещей, которые существуют вечно: нельзя было представить себе, что он обрушится…»1

Нет ничего удивительного в том, что инки не знали ни о прочности, ни о законах механики. Но мы знаем, что задолго до случившегося, в конце XV-начале XVI веков, великий Леонардо да Винчи уже пользовался расчетами деревянных конструкций, говорил о мельчайших частицах древесины, расшатывающихся под действием переменной нагрузки, о проникновении в материал «пространства», еще более раздвигающего их и приводящего к появлению «полости», т. е в современном понимании трещины. Мало того, да Винчи хорошо знал опасные точки конструкции, к которым он относил, например, шпоночные, пазовые и другие соединения. Особенно угрожающими представлялись ему различные «тупики», в таких соединениях, то есть места, в которых плоскости соприкосновения смежных поверхностей меняют свое направление. Так Леонардо да Винчи пришел к одному из самых важных понятий современной механики прочности – понятию концентрации и концентратора напряжений. Не надеясь на Людовика Святого французского, великий мыслитель и ученый заложил тем самым основы современной механики разрушения. Это тем более удивительно, что речь-то идет о средних веках, времени, когда ограниченность знаний и беспомощность человека перед силами природы толкали его на фаталистическое представление о мире.

Что же такое концентрация напряжений? Представьте себе, читатель, простую задачу: надо разрезать лист резины. Способов для этого много. Можно, например, резать его ножницами. Но если резина достаточно толста, вряд ли мы справимся с задачей. Попробуем ножом. Но при этом можно повредить поверхность стола. Сделаем проще – изогнем слой резины и легко проведем по нему лезвием бритвы. При этом сразу же появляется

' Уайлдер Т. Мост короля Людовика Святого.-М.: Прогресс, 1976. С, 25-26.

быстро вскрывающийся разрез. Еще одно движение лезвием и ;лесго изгиба как бы вскрывается на все свое сечение. Что же произошло? Когда слой резины согнули, мы «сформировали его и «загнали» поле напряжений. Это поле стремится распрямить резину и исчезнуть. Тут-то и приходит ему на помощь лезвие: оно создает вначале маленький надрез – концентратор напряжений, небольшой участок материала, как бы сосредоточивающий всю энергию упруго-деформированного объема на очень маленьком «пятачке». Если вдуматься, то это нисколько не отличается от военной практики прорыва фронта противника на узенькой полосе, где можно собрать превосходящие силы, стянув свои войска с других участков. А как только фронт прорван… в него со всех концов устремляется основная лавина войск. Концентратор напряжений – это очаг разрушения. Интересно, что чем он «лучше», то есть острее, тем скорее наступит разрушение, иначе говоря тем «хуже» для конструкции. Это и понятно, во всяком случае, на словах, коль скоро мы решили не пользоваться формулами и математическими расчетами.

Для дальнейшего, однако, нам следует иметь в виду, что с увеличением остроты надреза, напряжения в его вершине растут очень быстро – обратно пропорционально корню квадратному из радиуса надреза. Это означает, что если он размером в одну десятую сантиметра, то напряжения в нем возрастут, примерно, в три раза. А если он совсем мал и составляет одну десятитысячную сантиметра, то существующие в металле напряжения увеличатся в сто раз.