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

Рис. 122. При растяжении ткани параллельнонитям основы или утка материал оказывается жестким и его поперечное сокращениенезначительно.

Но если вы теперь потянете ткань под углом 45° к направлению нити, то естьпо диагонали, или, как говорят портные, "по косой", то она растянется гораздобольше; можно сказать, что в этом случае модуль Юнга весьма невелик. Одновременнопроизойдет большое поперечное сокращение, так что в этом направлении величинакоэффициента Пуассона станет гораздо больше, а он может достигать величинпорядка 1 (рис. 123). В целом же, чем более свободно соткана ткань, тембольше будет различие между ее поведением в диагональном и продольно-поперечномнаправлениях.

Рис. 123. Если ткань растягивается по диагонали, то материал легко поддаетсярастяжению, коэффициент Пуассона для этого направления велик и соответственнопоперечное сокращение значительно.

Думаю, что немногие слышали слово "анизотропия", но такое поведениетканей на протяжении веков, должно быть, было известно почти каждому. Довольноудивительно, однако, что анизотропные свойства тканей до недавнего временине только не использовались в технике и обыденной жизни, но даже не былиосознаны.

Оставим пока в стороне существо анизотропии и обратимся к ее проявлениям.Первое, что нам совершенно ясно, это то, что мы можем свести к минимумуискажения формы текстильных изделий, если нам удастся направить главныенапряжения по возможности вдоль нитей основы и утка. Обычно это приводит кпродольно-поперечному раскрою материала. Если обстоятельства таковы, что тканьтянется под углом 45°, по косой, возникают гораздо большие искаженияпервоначальной формы, но они симметричны. А вот если мы окажемся настольконепредусмотрительными, что рабочие нагрузки будут приложены не в продольном илипоперечном и не в диагональном, а в некотором промежуточном направлении, тогдавозникнут не только большие, но и совершенно не симметричные искажения. Одеждав этом случае растянется и примет странный и почти наверняка непривлекательныйвид [91].

Изготовление парусов почти во все времена было важной отраслью хозяйства,и тем не менее европейские мастера никогда до конца не понимали сути поведенияпарусины. Столетиями они делали паруса таким образом, что их материал растягивалсяв косом по отношению к нитям основы и утка направлении. Такие паруса быстроделались мешковатыми и плохо работали при встречном ветре. Свою лепту внеслоздесь европейское пристрастие к льняной парусине, которая особенно легкодеформировалась из-за неплотного переплетения нитей.

Изготовление парусов на современном уровне относится к началу XIX в.Приоритет здесь принадлежит американским мастерам, которые использовалитуго сотканную парусину из хлопка и так располагали швы, чтобы направлениенитей более или менее соответствовало направлению возникающих напряжений.Вследствие этого американские корабли могли плавать быстрее и круче к ветру,чем британские. Потребовалась, однако, основательная встряска, прежде чемвсе эти простые факты дошли до сознания английских мастеров. Это произошлоблагодаря шуму вокруг яхты "Америка", которая в 1851 г. пришла из Нью-Йоркав Ковец для участия в гонках с быстроходнейшими английскими яхтами.

Гонки происходили вокруг острова Уайт. В качестве приза победителю предназначалсядовольно безобразный предмет из серебра, подаренный королевой Викторией.(Эта кувшиноподобная штука впоследствии получила известность как "КубокАмерики".) Когда королеве доложили, что первой пересекла финишную черту"Америка", она спросила:

—?А второй?

И услышала в ответ:

—?Второй еще не видно, ваше величество.

После этого английские мастера пересмотрели свою технологию и подтянулисьнастолько, что через несколько лет американские яхтсмены уже покупали парусау Ратсея из Ковеца. Урок, преподанный американцами, запомнился надолго,и, хотя современные паруса в большинстве своем делаются из терилена, кроятсяони таким образом, чтобы нити утка, насколько это возможно, были параллельнысвободным краям паруса, в направлении которых обычно действуют наибольшиенапряжения (рис. 124).

Рис. 124. В современных парусах нити утка направлены параллельно свободномукраю паруса.

Задачи, связанные с приданием ткани желаемой трехмерной формы, не сильноразличаются, шьем ли мы паруса или одежду. Однако портные и модельеры оказалисьздесь более сведущими, чем строители судов. Всегда, когда это было практическивозможно, они резали ткань лишь вдоль и поперёк, чтобы наибольшие окружныенапряжения действовали в направлении нитей. Если же требовалось, чтобыодежда тесно прилегала к телу, то это достигалось с помощью системы сосредоточенныхнагрузок, иными словами, с помощью шнуровки. Молодая леди викторианскихвремен порой имела не меньшую оснастку, чем парусный корабль. В годы, последовавшиеза правлением короля Эдуарда, от системы шнуровок стали отказываться (возможно,в связи с недостатком горничных), так что над женщинами нависла угроза"бесформенности".

Но вот в 1922 г. мадемуазель Вионе, открывшая магазин в Париже, изобрела"диагональный крой". Вряд ли мадемуазель Вионе слышала о своем знаменитомсоотечественнике Пуассоне и тем более о коэффициенте его имени, но онаинтуитивно поняла, что добиться нужного облегания можно не только с помощьюшнурков, крючков и кнопок. В материале платья действуют вертикальные растягивающиенапряжения, связанные как с весом самой ткани, так и с движениями его владельца.И если ткань расположить так, чтобы ее нити составляли угол 45° с этимивертикальными нагрузками, то можно использовать большое поперечное сокращениеи добиться эффектного облегания фигуры. Такого рода наряды были, несомненно,дешевле и удобней, чем решения времен Эдуарда, но тем не менее тоже моглиразорить (рис. 125 и 126).

Рис. 125. Одно из первых платьев с новым кроем по диагонали, созданное мадемуазель Вионе (1926).

Рис. 126. Платье с прямым кроем, созданное мадемуазель Вионе.

Аналогичные проблемы возникают и при конструировании больших ракет.Существуют ракеты на жидком топливе, например на керосине, для сжиганиякоторого требуется жидкий кислород. Но жидкостные ракетные двигатели имеютсложную систему подачи топлива и окислителя, которая работает не всегданадежно. Поэтому лучше, наверное, использовать двигатели на твердом топливе(на полимерной основе). Оно горит очень хорошо, но относительно медленно,выделяя огромное количество горячих газов, которые со страшным шумом вылетаютиз сопла двигателя, толкая ракету вперед.

Как топливо, так и производимые им газы находятся в прочном цилиндрическомкорпусе или сосуде давления, стенки которого не следует подвергать действиюпламени и высоких температур. По этой причине заряду топлива придаетсяформа толстостенной полой трубы, которая плотно прилегает к корпусу ракеты.Когда ракету запускают, горение начинается с внутренней поверхности трубыи распространяется затем в направлении корпуса. В результате благодаряналичию еще не сгоревшего топлива материал корпуса оказывается защищеннымот воздействия пламени вплоть до последнего момента.

Твердое топливо на полимерной основе и выглядит, и ведет себя подобнопластилину и, как и пластилин, склонно к растрескиванию, особенно при низкихтемпературах. При запуске ракеты ее корпус, естественно, стремится расширитьсявследствие давления газа, так же как расширяются артерии от давления крови;но вместе с корпусом должно расширяться и твердое топливо. Если заряд ещене нагрелся, в нем могут возникнуть трещины, когда окружная деформациякорпуса достигнет примерно 1%, после чего пламя проникнет через трещиныи разрушит корпус. Это приводит иногда к сенсационным взрывам, подобнымтому, когда развалилась одна из ракет Поларис.