Правда, эта задача оказалась за пределами возможностей XVII века. Более того,на протяжении еще двухсот лет не было достаточно полного представления о том,что же на самом деле происходит в конструкциях; даже в XIX веке круг людей,понимавших что-то в этой области, ограничивался несколькими не оченьпризнанными в те времена теоретиками. Инженеры-практики все еще продолжалиделать свои расчеты, что называется, на пальцах. Нужно было пройти долгий путь,полный сомнений и катастроф (вроде случая с мостом через рекуТэй), чтобыони убедились в пользе обоснованных расчетов на прочность. Вместе с темобнаружилось, что правильный расчет может удешевить конструкцию, так какпозволяет экономить материалы более безопасным путем. В наши дни суть разницымежду квалифицированным инженером, с одной стороны, и слесарем или простосамоучкой-любителем - с другой, заключается не столько в изобретательности илистепени мастерства, сколько в теоретической подготовке.
Давайте начнем с самого начала, с Ньютона (1642–1727), который сформулировалосновной закон механики: действие равно противодействию по величине ипротивоположно ему по направлению. Это означает, что каждая сила должна бытьсбалансирована точно такой же по величине силой противоположного направления.При этом природа сил не имеет никакого значения. На пример, сила может бытьсоздана каким-либо неподвижным грузом. Предположим, я стою на полу, мой вес 75кг. Следовательно, мои подошвы давят на пол с силой 75 кг, которая направленавниз; это дело моих ступней. В то же самое время пол должен давить на моиподошвы с той же силой 75 кг, направленной вверх; эта сила исходит от пола.Если доски пола окажутся подгнившими и не смогут обеспечить силу 75 кг, янеминуемо провалюсь. Но если каким-то чудом пол сообщит мне силу, большую, чемта, которую требовал мой вес, скажем, 75,5 кг, то я - ни много ни мало -взлечу. Те же рассуждения применимы к любому грузу: если стул весит, например,20 кг, то, чтобы он оставался на привычном для нас месте, пол должендействовать на него с такой же силой. Однако в законе Ньютона совсем необязательно сила связана лишь с каким-либо неподвижным грузом. Если я направлюсвой автомобиль в стену, то она отреагирует на мои действия с силой, в точностиравной той, которая необходима, чтобы остановить автомобиль, даже если при этомпогибает водитель. И еще один пример: ветер оказывает давление на дымовуютрубу, пытаясь ее опрокинуть, но точно с такой же силой труба действует навоздух - именно поэтому она не опрокидывается.
Все это лишь частные проявления третьего закона Ньютона, который, грубоговоря, утверждает, что для сохранения статус-кво совокупность сил, действующихна тело, должна быть уравновешенной. Правда, закон ничего не говорит отом, откуда берутся все эти силы. Что касается внешних нагрузок на тело,то обычно их обнаружить легче: вес груза возникает из-за гравитационноговоздействия Земли на массу груза (земное притяжение); в случае торможениядвижущейся нагрузки (будь то твердое тело, жидкость или газ) возникающиесилы таковы, что вызывают необходимое замедление движущейся массы (второйзакон Ньютона). Задача любой механической конструкции состоит в сохранениии поддержании статус-кво, для ее выполнения в конструкции должны каким-тообразом возникать силы, которые могли бы уравновесить внешние нагрузки,действующие на нее. Кажется, теперь мы можем понять, как груз давит напол, но как пол давит на груз?
Ответ на этот вопрос далеко не очевиден. Во времена Галилея и Гука,на заре научной мысли, проблема была еще более неразрешимой. Ее решениеусугублялось человеческой склонностью осмысливать непонятное, отталкиваясьот самих себя, от процессов, которые кажутся знакомыми по своему собственномувнутреннему опыту. Но такой "антропометрический" подход и биологическиеаналогии могут лишь запутать дело. Животное имеет два механизма сопротивлениянагрузкам. Его инертные части - кости, зубы, волосы - воспринимают механическуюнагрузку точно так же, как и любое неживое твердое тело. Но живой организмкак целое ведет себя совершенно иным образом. Люди и животные способныактивно сопротивляться приложенным силам: они напрягают свои мышцы и взависимости от того, чего требует сложившаяся ситуация, отталкивают илитянут что-то. Если вы поставите мне на ладонь какой-либо груз (допустим,кружку пива), то, чтобы удержать эту нагрузку, я должен увеличить натяжениев определенных мышцах.
Благодаря сложному и совершенному биологическому механизму наши мышцынепрерывно подстраиваются под внешнюю нагрузку, что позволяет удерживатькружку в вытянутой руке. Однако сохранение биологического напряжения мышцтребует непрерывного расходования энергии (подобно тому как упершийся встену автомобиль, оборудованный гидравлической передачей, продолжает сжигатьбензин в своем двигателе, оказывая давление на стену, но ни машина, нистена при этом не движутся). Расход энергии приводит к усталости мышц руки,и, чтобы снять с них нагрузку, я рано или поздно должен буду выпить пиво.
В отличие от неодушевленных предметов человек всегда, даже когда стоитнеподвижно, производит направленные, хотя, возможно, и неосознанные, подстроечныеоперации в мышцах тела. Со временем он устает и, если обморок или смертьпрерывают мышечные процессы, падает. В неодушевленных телах подобные биологическиепроцессы отсутствуют. Конструкционные материалы пассивны, так что они не"устают" в обычном смысле этого слова. Прежде чем начать сопротивлятьсявнешним нагрузкам, в них должны возникнуть какие-то смещения, то есть,чтобы оказать какое-либо сопротивление, они должны в большей или меньшейстепени поддаться нагрузке. Под смещением мы понимаем не перемещение телакак целого, без изменения его формы, а именно геометрические искажениясамого тела, то есть тело в целом или отдельные его части становятся корочеили длиннее вследствие растяжения или сжатия внутри самого тела.
В природе не существует и не может существовать абсолютно жесткого материала.Все тела в той или иной мере обладают податливостью. Если вы взбираетесьна дерево, то ветки прогибаются под вами, и это сразу становится заметным.Однако, когда вы идете по мосту, его прогиб настолько мал что вы его неощущаете. Но как смещения ветвей, так и отклонения моста могут быть охарактеризованыколичественно. Пока смещения, вызванные внешними нагрузками, не слишкомвелики и не мешают конструкции выполнять свои задачи, их нельзя считатьошибками проекта, они определяют как бы врожденные, обязательные характеристикиконструкции. (Ниже мы дадим им более подробное определение.)
Между прочим, вспомните, что, летая самолетом, вы, быть может, замечали,как смещаются вверх-вниз кончики его крыла. Конструктор, проектируя крыло,наделил его такими свойствами. Вероятно, вам уже ясно, что смещения, будьони малыми или большими, создают силы сопротивления. Эти силы определяютжесткость твердого тела, его способность сопротивляться внешним нагрузкам.Другими словами, в твердом теле возникают именно такие смещения, которыекак раз достаточны, чтобы уравновесить приложенные внешние нагрузки. Этопроисходит совершенно автоматически.
Как же возникают эти силы? Дело в том, что в любом теле атомы химическисвязаны между собой (Приложение I). Эти связи условноможно представить в виде пружинок, хотя, конечно, ничего "твердого" в обычномвульгарном смысле этого слова в промежутках между атомами не существует(рис. 1). Те же силы, которые делают тело твердым, определяют и его химическиесвойства. Разрушение химических связей освобождает энергию пороха и бензина,те же связи делают резину и сталь упругими и прочными.