Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард (читаем книги онлайн бесплатно без регистрации .txt) 📗

Консоли и шарнирно опертые балки

Длинная, в виде сплошного куска материала балка (деревянный брус, стальнойстержень, труба) в функциональном отношении ничем не отличается от фермы,которая может быть деревянным перекрытием, морской конструкцией из брусьеви канатов или современной решетчатой конструкцией из металла - мостом илиопорой линии электропередач. Как мы увидим в дальнейшем, и в живой природетакже имеются конструктивные элементы и типа ферм, и типа балок. Тот факт,что мосты, перекрытия крыш и спина лошади или таксы обычно более или менеегоризонтальны, а корабельные мачты, опоры линий электропередач, телеграфныестолбы и шеи страусов обычно более или менее вертикальны, существенногозначения на самом деле не имеет. Основное назначение всех этих конструкцийодно и то же - выдерживать нагрузку, направленную под прямым углом к направлениюсамой балки; продольных нагрузок на опоры балки при этом не возникает.

Можно было бы подумать, что мачты корабля и все похожие на них конструкцииявляются исключением, так как сильно давят вниз на корпус. Но ванты и штаги стакой же силой тянут корпус корабля вверх, так что, за исключением веса самоймачты, на весь корабль не действует никакой суммарной силы и его погружение вводу не увеличивается и не уменьшается [80].

Аналогичные рассуждения применимы и к многим конструкциям живой природы.Шея лошади в этом смысле очень похожа на мачту, позвонки в ней сжаты идавят вниз, но они удерживаются шейными сухожилиями, которые действуютна тело с силой, равной по величине и противоположной по направлению.

Все балки, и "живые", и искусственные, в сущности делают одну и ту жеработу. Среди балок чаще всего встречаются консоли и шарнирно опертые балки.На самом деле существует и более подробная классификация, но мы оставимее для экзаменаторов и пока не будем рассматривать.

Консоль - это балка, один конец которой закреплен в какой-то жесткойоснове, например в стенке или в земле (рис. 100). Инженеры называют условияна этом конце просто "заделкой". Свободный вылет консоли подвергается нагружению.

Рис. 100. Консоль с распределенной нагрузкой.

Рис. 101. Шарнирно опертая балка.

Опоры электропередач и телеграфные столбы, корабельные мачты и лопаткитурбин, рога, зубы, шеи животных, деревья, башни и одуванчики - все этоконсоли, так же как крылья птиц, самолетов и бабочек, хвосты мышей и павлинов.

Шарнирно опертая балка (рис. 101) - это балка, которая обоими концами свободнопокоится на опорах [81]. Конструктивно два этих случая тесно связаны между собой. Из рис. 102 вы можете заключить, что шарнирно опертая балка эквивалентна двумсоединенным "заделанными" концами и перевернутым консолям [82].

Рис. 102. Шарнирнуюбалку можно рассматривать как две соединенные вместе и перевернутые вверхногами консоли.

Фермы мостов

Английские железные дороги тянулись ровно и прямо через холмистый английскийландшафт благодаря щедрому использованию насыпей, выемок и прекрасных каменныхи чугунных виадуков. Вся эта инженерная роскошь определялась наличием средстви рабочих рук, которыми в изобилии располагала викторианская Англия. Совершеннодругие условия были в Америке [83]: расстояния были гигантскими, капиталыскудными, зарплата даже неквалифицированных рабочих весьма велика, множестводилетантов, квалифицированные мастера европейского типа были чрезвычайноредки.

Железо было дорого, но дешевое дерево имелось в неограниченных количествах.Кроме того, американские путейцы, подобно своим коллегам - судостроителям,готовы были в такой мере рисковать жизнью и собственностью людей, что убританских инженеров от одной мысли об этом волосы под котелками всталибы дыбом. И это при том, что британских инженеров тех времен отнюдь нельзяназвать особенно осторожными, сегодня мы скорее назвали бы их опрометчивыми.Американцы XIX в. привыкли жить в состоянии постоянной опасности, но заэто они должны благодарить скорее своих инженеров, чем бандитов или индейцев.

Железные дороги прокладывались на запад весьма быстро и с минимальнымиспользованием дорогостоящих земляных работ - выемок и насыпей. Часто долиныпересекали виадуки в виде длиннейших деревянных эстакад, которые так напугалипреподобного доктора Мэннинга. Многие из них сохранились и до наших дней,и они всегда будут ассоциироваться с американскими железными дорогами (рис.103).

Рис. 103. Деревянная железнодорожная эстакада.

После того как все было построено, американские железные дороги сделалисьчрезвычайно прибыльными предприятиями - говорят, что на Центральной тихоокеанскойдороге дивиденды достигали 60%. Это позволило вскоре заменить большинствоненадежных эстакадных мостов сплошными земляными насыпями. Грунт из специальносконструированных вагонов ссыпался с эстакады, пока вся деревянная конструкцияне скрывалась под землей, чтобы спокойно там сгнить.

Широкие и бурные реки нельзя было пересечь с помощью деревянных эстакад,поэтому возникла необходимость в больших мостах с длинными пролетами.

Стационарные мосты европейского типа не подходили здесь ввиду отсутствияденег и квалифицированной рабочей силы. В связи с этим возникла насущнаяпотребность в длинных (и дешевых) деревянных фермах, которые были бы посилам обычным плотникам. Поскольку их постройка была потенциально доходнымделом, а американцы - народ чрезвычайно находчивый, создается впечатление,будто в XIX в. чуть ли не каждый американец приложил руку к изобретениюмостовых ферм. Вы можете обнаружить в учебниках немалое количество разновидностеймостовых ферм, конструкции которых лишь незначительно отличаются друг отдруга, но зато каждая из ферм носит имя ее изобретателя. Нет нужды детальнорассматривать их все, так как принципы работы этих конструкций весьма сходны,но несколько типов заслуживают внимания.

Одной из первых появилась ферма Больмана (рис. 104), она получила в Америкеширокое распространение благодаря скорее политическим, чем техническим талантамее создателя. Больману каким-то образом удалось убедить американскоеправительство в том, что его конструкция фермы "единственно надежная" и одновремя ее там внедряли даже принудительно. Последнее, возможно, не столькурьезно, как могло бы показаться непосвященному: профессиональные инженеры ужедавно исходят из убеждения, что техническое невежество американскихконгрессменов не имеет границ [84].