Читать онлайн «Конструкции, или почему не ломаются вещи». Страница 63

Колесо с проволочными спицами и надувными шинами сделало велосипед чрезвычайноудобным и практичным. Однако экономия веса достигается только в случаебольших и слабо нагруженных колес, таких, как колеса велосипеда. Когдаколесо становится меньше, а нагрузка больше, натянутые спицы обычно почтине дают преимуществ. В современных спортивных автомобилях штампованныестальные колеса лишь чуть тяжелее колес со спицами, которые в данном случаене стоят связанных с ними хлопот и расходов.

О выборе лучшего материала, или что такое "лучший материал"

Можно предположить, что природа знала свое дело, когда выбирала междуразличными возможными вариантами биологических тканей, но простые смертные, апорой и даже великие, имеют очень странные представления о материалах.Согласно Гомеру, лук Аполлона был сделан из серебра [116] - металла, в котором можно запасти лишь ничтожное количествоупругой энергии. В более поздние века поэты говорили, что полы на небесахсделаны из золота или из стекла; оба вещества - чрезвычайно неподходящийстройматериал для полов. Правда, поэты почти всегда безнадежны в отношенииматериалов, но и большинство из нас не многим лучше. В действительности оченьредко кто-либо всерьез задумывается о подобных вещах.

Выкрутасы моды и соображения престижа, кажется, играют здесь главнуюроль. Золото не очень подходит для часов, так же как и сталь для мебелиоффисов. В викторианскую эпоху увлекались чугуном, из него делали дажетакие предметы обихода, как подставки для зонтиков. Говорят, вождь одногоафриканского племени весь свой дворец построил из чугуна. Хотя выбор материалаиногда является следствием эксцентричности, чаще он основан на традицияхи консерватизме. Конечно, в основе традиционного выбора материала нередколежат весьма веские причины, но во многих случаях он обусловлен случайнымиобстоятельствами, а порой обоснованность и случайность так тесно переплетены,что трудно понять, насколько он оправдан. Люди искусства, от Льюиса Кэрроладо Сальватора Дали, открыли, что можно вызвать сильный психологическийшок одной мыслью о том, что самые знакомые предметы могут быть сделаныиз явно неподходящего материала, например резины или хлеба с маслом. Инженерыочень восприимчивы к таким эффектам; их бы сегодня также шокировала идеясделать большой деревянный корабль, как наших предков - идея сделать корабльиз железа.

Очень любопытно проследить, как меняется со временем отношение к темили иным материалам. Возьмем, например, соломенные крыши. Солома была самымдешевым и потому самым непрестижным кровельным материалом, однако в беднейшихсельских районах ею часто приходилось покрывать даже крыши церквей. В течениеXVII в., когда церковные приходы сделались побогаче, по подписке собиралиденьги на замену соломы шифером или черепицей. Иногда денег на всю крышуне хватало, и тогда приходилось оставлять солому в тех местах, где онабыла меньше заметна для прохожих, - черепицей покрывалась только сторона,обращенная к главной дороге. Сегодня престижность обернулась другой стороной- соломенная крыша в английских графствах служит предметом гордости весьмабогатых бизнесменов.

Материалы, топливо и энергия

В будущем XX в., возможно, назовут веком стали и бетона. Но не исключено,что о нем будут говорить и как о веке уродств или расточительства. Однаконе только инженеры одержимы сталью и бетоном (и почти безразличны к последствиямэтой одержимости), ими заразились и политики, и широкая публика.

Болезнь, по-видимому, началась лет двести назад со времен промышленнойреволюции и появления дешевого угля; это привело к дешевому железу и железнымпаровым машинам, превращавшим дешевый уголь в дешевую механическую энергиюи т. д., круг за кругом, раскручивалось колесо производства и потребленияэнергии. В угле и нефти в малом объеме запасено большое количество энергии.Машины очень быстро перерабатывают заметную часть этой энергии, но такжев малом объеме. Затем они выдают эту энергию в концентрированной формев виде электричества или механической работы. На этой концентрации энергииосновывается вся наша современная техника. Материалы этой техники - сталь,алюминий и бетон - сами требуют больших количеств энергии для своего производства(табл. 6).

Таблица 6. Количество энергии, необходимое для производства различныхматериалов [117]

Материал / Энергозатраты для производства 1 т материала, Дж х 10⁹/т /Нефтяной эквивалент, т

Сталь (мягкая) / 60 / 1,5

Титан / 800 / 20

Алюминий / 250 / 6

Стекло / 24 / 0,6

Кирпич / 6 / 0,15

Бетон / 4 / 0,1

Углеволокнистые композиты / 4000 / 100

Дерево (сосна, ель) / 1 / 0,025

Полилиэтилен / 45 / 1,1

Поскольку производство этих материалов весьма энергоемко, их можно эффективноиспользовать только в условиях высокой энерговооруженности экономики. Сооружаятехнические устройства, мы затрачиваем не только денежные средства, нои энергию, а потому необходимо обеспечить возврат того и другого.

Несмотря на высокую стоимость энергии и оскудение ее запасов, потреблениеэнергии скорее увеличивается, чем уменьшается. Такие совершенные машины,как газовые турбины, все более и более лихорадочно производят все большеи больше энергии внутри все меньшего и меньшего объема. Совершенные устройстватребуют совершенных материалов, и такие новые материалы, как высокотемпературныесплавы и пластики, армированные углеволокном, требуют для своего производстваогромного количества энергии.

Весьма вероятно, что такое положение вещей не может продолжаться бесконечно,ибо вся эта система полностью зависит от дешевых и концентрированных источниковэнергии, таких, как нефть и уголь.

Живую природу можно считать совершенно уникальной системой, приспособленнойдля извлечения энергии не из концентрированных, а из "размазанных" источников,причем использует она эту энергию с величайшей экономией. Сейчас предпринимаетсямного попыток собирать энергию для технических целей из таких неконцентрированныхисточников, как солнечный свет, ветер или океан. Многие из них, вероятно,окончатся неудачей, потому что энергетические затраты на постройку соответствующихсистем из стали, бетона и других материалов могут оказаться слишком великии даже не компенсируются при их эксплуатации. Очевидно, необходим совершеннодругой подход ко всей проблеме "эффективности". Природа смотрит на этипроблемы с точки зрения "метаболических затрат", и, быть может, мы должныперенять ее опыт.

Дело не только в том, что для производства одной тонны металла или бетонатребуется много энергии. Сами эти громоздкие, но слабо нагруженные конструкции,обычно необходимые для систем с малой плотностью перерабатываемой энергии,могут оказаться в несколько раз тяжелее, если их делать из стали и бетона,а не из более подходящих требующих специальной разработки материалов.

Мы вскоре увидим, что одним из самых эффективных в конструкционном смыслематериалов может быть дерево. При больших размерах и малых нагрузках конструкцияиз дерева во много раз легче, чем конструкция из бетона или стали. В прошломзатруднения с использованием древесины во многом определялись медленнымростом леса и необходимостью дорогостоящей выдержки древесины.

Возможно, самое важное достижение в области материалов за последнеевремя принадлежит генетикам, которые вывели быстрорастущие породы деревьев,дающих коммерческую древесину. Сейчас разводят разновидности сосны (Pinusradiata), ствол которой при благоприятных условиях дает прирост до12 см в диаметре в год, так что лес готов для рубки на деловую древесинууже через 6 лет после посадки. Появились реальные перспективы превратитьдерево в техническую культуру с коротким периодом созревания. Важно, чтопочти вся энергия, необходимая для выращивания древесины, поступает бесплатно,от Солнца. Кроме того, деревянную конструкцию можно сжечь за ненадобностью,получив большую часть энергии, накопленной деревом во время роста, чего,конечно, нельзя сказать ни о стали, ни о бетоне.