Что показал Инглис? Он нашел, что если мы, вырезав в пластинке отверстие,уменьшим сечение, скажем, на одну треть, то напряжение на кромке отверстияне будет составлять 3/2 от первоначального, а может быть во много раз больше.Число, показывающее, во сколько раз местное напряжение превышает среднеезначение напряжения - коэффициент концентрации напряжений, - зависит отформы отверстия, или надреза, и от свойств материала. Наихудшая ситуациявозникает в случае острых надрезов и хрупких материалов.
Этот вывод Инглиса, который он получил чисто математическим путем, былвстречен с обычным пренебрежением тем удивительно непрактичным племенемлюдей, которые сами себя зовут почему-то "практиками". Произошло это восновном потому, что мягкая сталь менее других материалов чувствительнак концентрации напряжений, хотя и ни в коем случае не безразлична к ней.
Глава 2
Внутреннее сцепление, или Насколько прочными должны быть материалы
Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным,
То состоять из начал крючковатых должно несомненно,
Сцепленных между собой наподобие веток сплетенных,
В этом разряде вещей, занимая в, нем первое место.
Будут алмазы стоять, что ударов совсем не боятся,
Далее - твердый кремень и железа могучего крепость,
Так же как стойкая медь, что звенит при ударах в засовы.
О природе вещей
Лукреций
Прежде чем ставить вопрос о том, сколь прочными должны быть материалы,следует научиться измерять их реальную прочность. К настоящему временинакоплено довольно много экспериментальных данных, полученных в чисто научныхцелях. Но львиная доля механических испытаний всегда. проводилась и проводитсяс целями сугубо практическими - без знания прочности материалов развитаяцивилизация существовать не может.
Вообще говоря, сведения о прочности нужны нам по двум причинам. Перваяи наиболее очевидная - конструктор должен располагать данными, без которыхон не может рассчитать прочность изделия. Правда, более или менее строгийрасчет стал возможен сравнительно недавно. Зато вторая причина - контролькачества материала - известна и вошла в практику издавна. Дело в том, чтовсегда нужно знать, является ли данная партия материала столь же качественной,как и предыдущая. Иногда вопрос этот может быть поставлен и так: можноли использовать данный материал взамен предложенного ранее?
Конечно, занятия, столь "ученые", как механические испытания, не были в честини у ремесленника, ни у его хозяина. Процедура испытаний, описанная ВестономМартиром (1885–1966) в его книге, посвященной строительству деревянных судов в НовойШотландии в двадцатые годы нашего века, была, должно быть, оченьраспространенной.
По-видимому, первое зарегистрированное испытание на растяжение было проведенофранцузским философом и музыкантом Мариной Мерсеном (1588–1648), которогоинтересовала прочность струн в музыкальных инструментах. В 1636 году Мерсенпровел серию испытаний струн из различных материалов; правда, сведений о том,были ли как-то использованы полученные им данные, до нас не дошло.
Насколько я знаю, первое упоминание об объективных механических испытаниях,за которыми последовало практическое применение полученных результатов,датировано 4 июня 1662 года.
Сэр Баттен, Повей и я поплыли в Вулвич, где были свидетелямииспытаний голландской пряжи сэра Форда (в последнее время этот вопрос оченьбеспокоил нас, я сам подумывал о мистере Хью, который поставлял нам канатыи, судя по всему, не справлялся с делом). И действительно, канаты былиочень плохими: испытания показали, что пять таких прядей рвутся быстрее,чем четыре нити рижской пряжи. Кроме того, отдельные веревки оказалисьявно старым хламом, вымазанным дегтем, лишь сверху они были покрыты новойпенькой. Все это походило на неслыханное жульничество.
Экспериментаторы в Вулвиче могли рвать канат, привязав один его конец ккакой-нибудь балке вверху, а к другому концу пристроив корытце, в котороеможно было класть мерные грузы. Но скорее всего они проводили сравнительныеиспытания: связывали два каната, которые хотели сравнивать, и рвали этусвязку с помощью ворота. Число прядей в каждом канате можно было потомподогнать так, чтобы получилась равная вероятность разрыва обоих канатов.
Испытать канат или проволоку довольно просто, так как их концы легкозакрепить, намотав на барабан ворота или лебедки. Закреплять для разрываобразцы других материалов намного труднее, поэтому долгое время испытанияограничивались сжатием и изгибом. Современные испытательные машины имеютзахваты, в которых можно закрепить любой металлический стержень и разорватьего. Правда, если взять обычный стержень, такое испытание, как правило,будет неудовлетворительным: захваты повредят металл и вызовут преждевременноеразрушение стержня у одного из его концов. Поэтому лучше изготовить специальныйобразец с утоненной средней частью, такой образец порвется по неповрежденномузахватами тонкому сечению. Вообще же, чтобы правильно выбрать форму образца,нужно обладать некоторым опытом и умением, потому что для каждого типаматериала должна быть найдена своя наилучшая форма.
Что касается техники испытаний, то, конечно, к образцу можно прикладыватьнагрузку непосредственно грузами. Однако разрушающее усилие для обычноиспользуемых образцов лежит между одной и десятью тоннами, а в большинствеслучаев испытания проводят девушки-лаборантки. Поэтому нагрузка обычносоздается с помощью механического или гидравлического устройства. Промышленностьвыпускает различные машины такого рода, многие из них в той или иной степениавтоматизированы. Все, что должен сделать оператор, это вставить образец,увидеть, как машина порвала его, а затем разделить за фиксированную нагрузкуна измеренную площадь поперечного сечения образца. В результате получаетсяразрушающее напряжение.
Разумеется, полученное число ничего не говорит о том, почему материалимеет именно такую прочность и не должен ли он быть прочнее. С другой стороны,прочность любого технического материала практически достаточно постоянна.Поэтому в свое время прочность считали неотъемлемой характеристикой материала,которой он наделен более или менее случайным образом. Металловеды знали,что та или иная добавка или термическая обработка могут упрочнить или разупрочнитьсплав, но эти знания были чисто эмпирическими, и наблюдаемые эффекты неудавалось объяснить.
Инженерам нравилось такое постоянство в поведении материалов: их радоваламысль, что каждый материал обладает свойственной ему прочностью, котораяможет быть определена раз и навсегда, стоит только провести достаточноечисло испытаний. Еще совсем недавно в лабораториях материаловедения главнойзаботой было создание блестящих коллекций больших испытательных машин.Результатами испытаний исписывалось огромное множество бумаги, однако знанийо прочности материалов прибавлялось весьма немного. И в самом деле, труднопреувеличить строгость той тайны, которая веками окутывала проблему прочностии разрушения твердых тел.
Представления об атомном строении материи были впервые сформулированыДемокритом (460–370 гг. до н.э.). Затем они были существенноразвиты Лукрецием (95–55 гг. до н.э.), намного опередившимсвое время. Но эта теория была целиком построена на догадках, об убедительныхэкспериментальных свидетельствах не приходилось и думать. И все же Лукрецийпредставлял себе существование проблемы сцепления, или когезии, он предположил,что атомы имеют какие-то связывающие их воедино зацепки. Увы, и в серединеXIX века мудрейший Фарадей ничего не мог сказать о прочности твердого тела,кроме того, что она определяется сцеплением между его мельчайшими частицами.Он добавлял к этому, что вся проблема очень интересна. Хотя оба утвержденияверны, они не многим отличаются от высказываний Лукреция.