Читать онлайн «Конструкции, или почему не ломаются вещи». Страница 34

Как мы уже говорили, другое назначение коллагеновых волокон в тканях- это обеспечить сравнительно большую величину работы разрушения. Для животныхэто хорошо, но это неудобно для людей, которые едят мясо. Другими словами,именно коллаген делает мясо "вязким". Однако представляется, что Природане на стороне вегетарианцев, поскольку она, к ее мудрости, устроила так,что коллаген превращается в желатин - вещество, обладающее в жидком состояниималой прочностью, при такой температуре, которую еще выдерживает эластин,или мышечная ткань. Поэтому процесс приготовления пищи заключается в превращениибольшей части коллагеновых волокон в желатин (представляющий собой желеобразнуюмассу) с помощью жарения, варки или кипячения. Таким образом, мы имеемздесь дело с наукой, укрепляющей веру в мудрость Природы.

Часть III. Конструкции в условиях сжатия и изгиба

Глава 8

Стены, арки и плотины, или башни, уходящие в облака, и устойчивость каменной кладки

Как мы уже убедились, простых смертных, не наделенных сверхъестественнымразумом Природы, на пути создания конструкций, подвергающихся растяжениям,подстерегают трудности, осложнения и хитроумные ловушки. Особенно это относитсяк случаям, когда мы хотим создать конструкцию из нескольких кусков материалаи сталкиваемся с проблемой прочности соединений. Не случайно наши предкистарались по возможности избегать конструкций, подвергающихся растяжениям,и стремились использовать такие конструкции, в которых всюду действуюттолько сжимающие нагрузки.

Этому требованию лучше всего удовлетворяет каменная кладка. Тот замечательныйуспех, который во все времена сопутствовал ее применению, обязан двум факторам.Первый вполне очевиден - это возможность избежать растягивающих напряжений,особенно в соединениях. Второй менее очевиден - это удивительная совместимостьзадач конструирования больших строений, сложенных из камней, с ограниченностьювозможностей "донаучного" подхода.

Из всех конструкций самых различных видов только каменные сооружениядопускают слепое копирование традиционных пропорций, которой не ведет автоматическик беде. Именно поэтому на протяжении всей истории строения из камня далекопревосходили по своим размерам и внушительности все остальное, что былосоздано руками человека. Желание строить теряющиеся в облаках башни и величественныехрамы уходит своими корнями в глубины истории и даже в предысторию человечества.Эпиграфом к началу этой книги послужили строки из книги Бытие о Вавилонскойбашне. Напомним, что там говорилось о намерении построить "башню, высотоюдо небес". Впрочем, я думаю, ни один богослов не задавался вопросом, какойвысоты можно было бы ее построить на самом деле.

Почти вся нагрузка, приходящаяся на стены такой башни, определяласьбы их собственным весом, и можно вычислить то напряжение сжатия, котороесоздавала бы у основания башни действующая вертикально вниз статическаянагрузка каменной кладки. В этом случае предельной явилась бы та минимальнаявысота башни, при которой ее кирпичи были бы раздавлены приходящимся наних весом.

Плотность камня и кирпича составляет около 2500 кг/м³, а их прочность насжатие, вообще говоря, несколько больше 5 кгс/мм² или 50МН/м².

Элементарный расчет показывает, что высоту башни с вертикальными стенамиможно довести до 2 км, и кирпичи в ее основании все еще не будут раздавлены.Башня же, имеющая суживающиеся кверху стены, могла бы быть значительновыше; примерно такой принцип избрала Природа для горообразования. ВысотаДжомолунгмы около 9 км, и пока не похоже, чтобы она собиралась обвалиться.Так что суживающаяся кверху башня простой формы с широким основанием вполнемогла бы быть доведена до такой высоты, на которой людям Сеннаара сталобы трудно дышать из-за нехватки кислорода, прежде чем статическая нагрузкаее стен раздавила бы кирпичи в основании.

Хотя в такого рода вычислениях не содержится ничего принципиально неправильного,в действительности высота всех построенных когда-либо башен и близко недоходила до теоретически предельной. Так, самое высокое из существующихсегодня зданий, Нью-йоркский центр международной торговли, лишь на 400м возвышается над землей, да и это для нас не самый удачный пример, поскольку,подобно всем небоскребам, оно построено из стали. Пирамида Хеопса и шпилисамых высоких кафедральных соборов достигают немногим более 150 м, и лишьнекоторые из огромного множества каменных строений достигают хотя бы половиныэтой высоты, подавляющее же большинство зданий намного ниже.

Поэтому обычно напряжения сжатия, возникающие в каменной кладке поддействием ее собственного веса, весьма малы. Как правило, они редко превышают0,01 прочности камня на сжатие и на практике не накладывают ограниченийна высоту зданий или на их прочность. Тем не менее известно, что, начинаяс библейской Силоамской башни, которая, не будучи особенно высокой, упалаи убила 18 человек, они все же время от времени неожиданно рушатся (несмотряна уверенность архитекторов и строителей в их прочности). Такое происходилово все времена, а иногда происходит и сегодня. И под тяжестью каменнойкладки (а она немалая) нередко гибнут люди.

Но если стены рушатся не под давлением сжимающих напряжений, так поддействием чего? Ответить на этот вопрос помогают детские игры. Все мы вдетстве строили башни из кубиков, довольно неустойчивым образом поставленныхдруг на друга. Достигнув некоторой высоты, такое сооружение неизменно разваливалось.Даже дети понимают, хотя и не могут выразить этого в научных терминах,что виной тому отнюдь не сжимающие напряжения. Эти напряжения на деле ничтожномалы, а башня опрокидывается потому, что ее стены не строго вертикальны.Другими словами, речь здесь должна идти не о недостатке прочности, а онедостатке устойчивости. Хотя разница между этими двумя понятиями очевиднамаленьким детям, она не всегда ясна строителям и архитекторам и тем болееисторикам искусства, которые пишут о кафедральных соборах и подобных имсооружениях.

Линии давлений и устойчивость стен

Во времена королевы Анны культурная жизнь Англии не могла быть особенноразрозненной и можно быть почти уверенным в том, что Конгрив (1670-1729)имел беседы и делил застолье с Ванбруфом, автором многочисленных пьес исоздателем Бленхеймского дворца, а также с самим Кристофером Реном. Дляэтих людей в общих чертах было совершенно ясно, что устойчивость зданийопределяет не столько прочность камня и скрепляющего "раствора", сколькораспределение их веса.

Однако одно дело понимать это и совсем другое - конкретно представлятьсебе все в деталях и уметь определить заранее, будет ли здание безопаснымили нет. Чтобы достичь научного понимания того, как ведет себя каменнаякладка, ее необходимо рассматривать как упругий материал, то есть следуетучесть то обстоятельство, что материал камня деформируется под действиемнагрузки и что он подчиняется закону Гука. Полезно также, хотя это и неабсолютно необходимо, использовать понятия напряжения и деформации.