Почему мы не проваливаемся сквозь пол

Торможение трещины, или как обеспечить вязкость

Плиний старший (23-79 гг. н.э.) в своей весьма путаной “Естественной истории” указывает способ, с помощью которого можно отличить неподдельный алмаз. Он советует положить предполагаемый алмаз на наковальню и ударить его тяжелым молотом как можно сильнее. Если камень не выдержит, он не настоящий алмаз. Надо думать, так было уничтожено немало драгоценных камней - ведь Плиний путает здесь твердость и вязкость. Алмаз - самый твердый из всех веществ, и его твердость очень полезна в тех случаях, когда необходимо резать, царапать или шлифовать; в этом состоит его главное применение в технике. Но алмаз, как и другие твердые драгоценные камни, довольно хрупок; и если бы даже его добывали большими кусками и в больших количествах, широко распространенным конструкционным материалом он бы не был.

Самый тяжкий грех конструкционного материала - не недостаток прочности или жесткости, которые, конечно, совершенно необходимы, а недостаток вязкости, иными словами - недостаточное сопротивление распространению трещин. Можно примириться с недостатком прочности или жесткости и учесть их в процессе конструирования, но бороться с трещинами, которые оказываются очень опасными, застигая инженера врасплох, намного труднее.

Большинство металлов и пород дерева, резина, стеклопластики, кости, зубы, одежда, канаты, нефрит - вязки. Большинство минералов, стекла, посудная керамика, канифоль, бакелит, бетон, печенье - хрупки. Хрупким можно назвать и обычное желе, это легко проверить за столом, наблюдая, как распространяются в нем трещины от ложки или вилки. Вещества, которые мы перечислили в каждом из списков, имеют довольно мало общего, вот почему не так просто выявить то, что делает одни вещи вязкими, а другие - хрупкими. В то же время различие между хрупкостью и вязкостью очень осязаемо. Обожженная глина и кусок жести имеют примерно одинаковую прочность на разрыв. Но если вы уроните на пол глиняный горшок, он разлетится вдребезги, а с упавшей консервной банкой ничего не случится - в худшем случае на ней появится небольшая вмятина. Прочность на разрыв обычных стекол и керамик может быть довольно большой, но никому не придет в голову делать из них, например, автомобиль. Причина ясна - очень уж они хрупки. Здравый смысл подсказывает это каждому из нас. Но почему? Что же такое хрупкость на самом деле?

Прежде всего, скорость нагружения - далеко не главное, что определяет хрупкость. Психологически существует большая разница между статической нагрузкой, которая прикладывается медленно, и динамической мгновенно приложенной ударной нагрузкой. Разница существует и на самом деле, и ею нельзя пренебречь, но она далеко не так важна, как это может показаться с первого взгляда. Мы стучим молотком не потому, что нам нужны удары сами по себе, а потому, что удар тяжелого молотка - очень удобный и дешевый путь получения большой локальной силы. Если бы мы приложили такую же по величине силу медленно, то, как правило, получили бы примерно тот же конечный результат. Это справедливо и в тех случаях, когда мы рассматриваем падение предметов на пол, автомобильные аварии, крушения самолетов, хотя в дальнейшем в этих явлениях мы увидим некоторые важные особенности. Однако независимо от того, медленно или быстро прикладывается сила к хрупкому телу, стоит только начаться разрушению - трещины будут распространяться в нем очень и очень быстро - обычно со скоростью несколько тысяч километров в час. Именно поэтому разрушение кажется нам мгновенным.

Мы уже говорили, что в каком-то смысле нет существенной разницы между механически нагруженным материалом и взрывчаткой. Энергия деформации упругого тела накапливается в натянутых химических связях, а при разрушении тела эта энергия освобождается. Если достигнута теоретическая величина деформации разрыва, все связи оказываются максимально натянутыми, и мы должны считать, что энергия деформации примерно равна энергии химических связей в материале. На практике, однако, материалы обычно разрушаются, не достигнув и малой толики теоретической прочности, так что освобожденная энергия при этом намного меньше, чем энергия, даваемая эквивалентным количеством взрывчатки. И все-таки разрушение может сопровождаться вполне ощутимым хлопком. Наблюдение за тем, как разрываются особо прочные волокна или усы (например, в машине Марша), убедительно показывает, что их прочность составляет значительную долю теоретической. В этом случае после разрыва не найдешь, как обычно, кусков образца: после взрывообразного разрушения волокно исчезает, оставляя лишь мелкую пыль. Такие испытания не опасны лишь потому, что прочные волокна, как правило, очень малы.

Ударная прочность

Здесь уместно прервать наш разговор об общей проблеме распространения трещины и поговорить о некоторых особых эффектах, которые возникают при динамических, ударных нагрузках. Сначала напомним, что максимальная скорость, с которой может передаваться нагрузка через любое вещество, равна скорости звука в этом веществе. В самом деле, звук можно представить себе как волну или серию волн напряжений, проходящих через среду с характерной скоростью.

Скорость звука в веществе равна (E/ρ)^1/2, где Е - модуль Юнга, a ρ - плотность данного вещества. Взяв обычные числовые значения величин Е и g для конструкционных материалов, мы увидим, что скорость звука в этих. материалах будет очень большой. Для стали, алюминия и стекла она составит около 18000-20000 км/час (~5000 м/сек), что значительно превышает скорость звука в воздухе. Это также намного больше скорости удара молотка и значительно больше скорости полета пули.

Время, в течение которого молоток или пуля действуют с какой-то силой на твердое тело, составляет около сотой доли секунды. А это очень долгое время: фотолюбители знают, как много всего может совершиться за одну сотую. Точно так же и в нашем случае сотая доля секунды намного больше времени, потребного для отвода энергии от точки удара. От этой точки при ударе излучается целая серия волн напряжений, которые распространяются по всему объему тела. Очень быстро, за время, скажем, около нескольких десятитысячных или стотысячных долей секунды, эти волны достигают противоположных границ тела и отражаются от них подобно эху, лишь очень немного уменьшаясь в интенсивности. Дальнейший ход событий определяется многими факторами, в том числе формой тела, местом удара и т.д. Очень может статься, что отраженные волны напряжений постоянно будут встречать в некоторой критической или “несчастливой” точке прямые волны, идущие от места удара, и это нагромождение вызовет прогрессирующий рост напряжения в этой точке вплоть до разрушения. Рассказы о певцах, от голоса которых вылетали стекла в окнах, не так уж и фантастичны.

Можно привести интересные примеры поведения твердых тел под ударной нагрузкой. Например, при исследовании керамик повседневно проводятся ударные испытания керамических пластинок - свободно опертая квадратная пластинка подвергается удару заданной силы по центру верхней поверхности. Во многих случаях пластинка разрушается не в точке удара. Часто случается, что отваливаются четыре угла пластинки, потому что волны напряжений сталкиваются именно в углах.

Иногда случается, что, попав в броню, снаряд не пробивает ее, но от внутренней поверхности броневой плиты отлетает рваный кусок металла, осколок. Скорость и энергия этого осколка могут быть огромными, и разрушения, причиненные им внутри, например, танковой башни, оказываются такими же, как если бы снаряд действительно пробил броню.

Подобным же образом, когда снаряд или пуля попадает в бак с жидкостью, например в топливный бак самолета, выходное отверстие получается намного большим, и заделать его значительно труднее - ударные волны легко распространяются через жидкость и вырывают кусок в задней части бака. Голова человека конструктивно напоминает бак с жидкостью, и последствия попадания пули в нее, к сожалению, слишком хорошо известны. Менее известно, однако, что аналогичные события могут последовать за тупым ударом в лоб. При проектировании защитных касок заботятся о том, как погасить ударную волну и предохранить затылок при лобовом ударе. Этой цели и служит внутренняя лента в каске, которая на первый взгляд кажется необходимой лишь для вентиляции.

В технике вязкость материала определяется обычно путем ударных испытаний образца прямоугольного сечения размером 5-10 мм, часто снабженного стандартным надрезом. Образец закрепляют по концам, а затем разрушают тяжелым молотком в форме маятника. Измеряя разницу между высотой, с которой маятник падал на образец, и высотой, на которую он взлетел, разрушив его, определяют энергию, затраченную на разрушение. Строго говоря, это испытание почти ни о чем не говорит, но оно позволяет провести грубое сравнение различных материалов. Поэтому такие испытания очень популярны у инженеров.

Критерий Гриффитса и критическая длина трещины

Вернемся теперь к вопросу о распространении трещины в твердом теле. В данном случае для нас не имеет значения, статическая или динамическая нагрузка разрушает тело. Вообще говоря, если в данной точке достигнуто разрушающее напряжение, то разрушение произойдет независимо от того, каким путем оно достигалось. Правда, существуют некоторые исключения: отдельные вещества, вроде вара или конфеты ириски, чувствительны к скорости нагружения. Даже дети знают, что самую неподатливую ириску легко разломить, ударив по ней чем-нибудь. Иногда удар приводит к успеху там, где бесполезны медленные приемы (глава 8). Обычно же материалы, как правило, меньше чувствуют разницу между динамическим и статическим нагружением.

Конечно, идеально было бы иметь материал, в котором зарождение трещин совершенно исключено. К сожалению, на практике такого, кажется, не бывает. Мы видели в предыдущей главе, что даже самая гладкая поверхность стекла испещрена мельчайшими невидимыми трещинами; более того, если бы удалось получить бездефектную поверхность, она вскоре стала бы дефектной из-за соприкосновений с другими телами. Следовательно, практически все определяется легкостью, с которой трещины распространяются в нагруженном материале. Основы теории распространения трещин были заложены все тем же Гриффитсом.

Гриффитс указал два условия, необходимых для распространения трещины. Во-первых, рост трещины должен быть энергетически выгодным процессом, и, во-вторых, должен работать молекулярный механизм, с помощью которого может осуществиться преобразование энергии. Первое условие требует, чтобы на любой стадии распространения трещины количество запасенной в теле энергии уменьшалось - подобно тому, как уменьшается потенциальная энергия автомобиля, спускающегося с горы. С другой стороны, и при энергетической выгоде автомобиль может спускаться с горы лишь в том случае, если у него есть колеса и их не держат тормоза. Колеса в этом случае служат механизмом, с помощью которого автомобиль скатывается с горы, они обеспечивают преобразование энергии.

Как мы уже говорили, деформированное тело “начинено” энергией, которая предпочла бы высвободиться. Так, поднятый вверх камень имеет потенциальную энергию и стремится упасть. Если материал полностью разрушен, энергия деформации его, естественно, полностью освобождена. Рассмотрим, однако, что происходит на промежуточных этапах процесса разрушения. Когда в деформированном теле появляется трещина, она слегка раскрывается и оба ее края расходятся на некоторое расстояние. Это означает, что материал, непосредственно примыкающий к краям трещины, релаксирует, напряжения и упругие деформации в нем уменьшаются, и упругая энергия освобождается. Давайте проследим за трещиной, начавшейся на поверхности тела и идущей в глубь нагруженного материала (рис. 29). Понятно, что область срелаксировавшего материала будет приблизительно соответствовать двум заштрихованным треугольникам. Общая площадь этих треугольников будет примерно l² (l - длина трещины). Следовательно, количество освобожденной энергии должно быть пропорционально квадрату длины трещины, или глубины ее проникновения в тело. Расчеты подтверждают эту грубую оценку. Иными словами, трещина глубиной 2 микрона высвобождает в 4 раза больше упругой энергии, чем трещина глубиной в микрон, и т.д.

Рис. 29. Распространение трещины Гриффитса. С распространением трещины материал в заштрихованных областях разгружается, освобождая упругую энергию.

На другой чаше наших энергетических весов расположилась поверхностная энергия 2Gl, которая необходима для образования двух новых поверхностей. Очевидно, эта энергия пропорциональна первой степени длины (или глубины) трещины. Величины поверхностной энергии двухмикронной и одномикронной трещин отличаются лишь в 2 раза, в то время как величины освобожденной энергии деформации - в 4 раза. Последствия такого взвешивания достаточно ясны. Мелкая трещина для своего роста должна больше потреблять поверхностной энергии, чем производить свободной энергии вследствие релаксации напряжений. Эти условия невыгодны для роста трещины. Однако, если исходная трещина достаточно велика, картина изменяется на противоположную: с ростом размеров величина освобожденной энергии увеличивается быстрее, она ведь зависит от квадрата длины трещины. Получается, что, если длина трещины превышает некоторую “критическую длину Гриффитса”, трещина производит больше энергии, чем потребляет. Тогда она может с громадной скоростью рвануться вперед, и процесс этот будет подобен взрыву. Для каждой величины напряжения в данном материале существует своя критическая длина Гриффитса. Для теоретически максимальной величины напряжения (теоретической прочности) критическая длина бесконечно мала, для материала, свободного от напряжений, она бесконечно велика - иного мы и не должны были ожидать. К сожалению, для тех напряжений, с которыми нам приходится обычно иметь дело, критическая длина трещины, как правило, очень мала, порядка нескольких микрон, и, конечно, она уменьшается, когда мы пытаемся увеличить напряжение. В этом заключается одна из трудностей, связанных с получением более прочных материалов.

Итак, при обычных уровнях нагружений все трещины, за исключением самых мелких, имеют энергетический стимул к росту. Весь вопрос теперь в том, могут ли они расти. Иными словами, существует ли соответствующий механизм роста, то есть существует ли способ для реализации имеющейся энергетической выгоды, или преобразования одной формы энергии в другую? Гриффитсов баланс энергии, энергетическая выгода распространения трещины, длина которой превышает некоторую критическую величину, - явления совершенно общие для всех упругих тел. Но вот механизм преобразования энергии как раз и отличает вязкие материалы от хрупких.

Этим механизмом является концентрация напряжений. Как мы видели в главе 3, концентрация напряжений на кончике трещины выражается приближенно формулой

K= 2(l/R)^1/2,

где l - длина трещины, идущей с поверхности, или полудлина внутренней эллиптической трещины, R - радиус ее кончика.

В типичном хрупком материале радиус кончика трещины R остается постоянным, он не зависит от длины трещины. Поэтому с ростом трещины концентрация напряжений становится опаснее. На практике R имеет величину, сравнимую с атомными размерами. Пусть R, скажем, 1 ангстрем. Тогда у кончика трещины длиной около микрона (10000 А) напряжение, равное теоретической прочности, появится уже при очень умеренных средних по объему напряжениях. А такого размера трещина обычно соответствует гриффитсовой критической длине. Следовательно, трещина может расти, начиная примерно с этой длины, причем, конечно, момент начала роста сильно зависит от приложенной нагрузки.

Но после того, как трещина двинулась вперед, ситуация обостряется. Концентрация напряжений увеличивается, баланс энергии все более и более склоняется в пользу развития трещины. Если внешняя нагрузка не снимается, рост трещины быстро ускоряется и вскоре достигает максимально возможной величины (обычно она составляет приблизительно 38% от скорости звука). Для стекла это около 6500 км/час (что и наблюдалось в эксперименте). Ну, а в это время волны напряжений гуляют, наверное, в материале во всех направлениях со скоростью звука (то есть быстрее, чем распространяются трещины), отражаясь как от старых, так и от вновь образовавшихся поверхностей, и дело закончится, вероятно, далеко не одной трещиной. Иными словами, материал разбивается вдребезги. Это оказывается возможным благодаря тому, что при больших напряжениях общая упругая энергия материала “заплатит” за образование множества новых поверхностей; в самом деле, при теоретической прочности она могла бы “рассчитаться” за разделение всего материала на слои толщиной в один атомный размер.

Совершенно хрупкие материалы вроде стекла достаточно надежны лишь при очень малых напряжениях. Стекло, например, можно использовать в витрине магазина, потому что в этом случае гриффитсова длина трещины достаточно велика и материал не боится небольших царапин или иных повреждений поверхности. Но если мы хотим работать с высокими уровнями напряжений, где-нибудь около теоретической прочности стекла, мы не имеем права допускать появления на поверхности даже самых мельчайших трещин. Ведь стоит только одной трещине увеличиться до критической длины (а она может быть порядка тысячи ангстрем - одной десятой микрона), как наступит катастрофическое разрушение. Именно поэтому применение однородных хрупких материалов при серьезных нагрузках чересчур опасно.

Нельзя сказать, что отсутствие у некоторых материалов способности сопротивляться распространению трещин казалось всегда недостатком первобытному человеку - он мог делать из кремня и обсидиана различные режущие инструменты. Практически эти минералы представляют собой природные стекла. Если обладать необходимыми навыками, то легкого нажатия рукой на деревянный нож достаточно, чтобы отщепить длинную полоску минерала, которая сама может затем использоваться в качестве ножа. Обработка же нехрупких камней, таких, как нефрит, может быть выполнена только с помощью гораздо более трудоемкого процесса-шлифовки. Чаще всего растягивающие напряжения возникают в инструментах вследствие изгиба, поэтому, придавая каменным инструментам компактные формы, можно не допустить больших напряжений и обеспечить достаточный срок их службы. Конечно, оружие типа каменного меча было бы совершенно непрактичным.

Вязкость неметаллических материалов

История техники - это во многом история борьбы с распространением трещин или история попыток избежать его последствий. Наиболее очевидный способ не дать трещине развиваться в хрупком материале состоит в том, чтобы не использовать такой материал под растягивающей нагрузкой, то есть нагружать его только сжатием. В этом заключается сермяжная правда каменной кладки. Мы видели в главе 1, что, начиная от простейшей стены и кончая аркой, куполом и церковными соборами самых изощренных форм, все держится в состоянии сжатия. Каменная кладка по-своему чрезвычайно эффективна, но по своей природе она всегда тяжела и недвижима. Поэтому появилась целая серия вариаций этой же идеи. Одна из них - предварительно напряженный железобетон, в котором хрупкий компонент держится в состоянии сжатия прочными растянутыми стержнями. Другая - закаленное стекло. Оно однородно в том смысле, что, кроме стекла, ничего в нем нет, но его внешние слои, наиболее подверженные влиянию трещин, находятся в состоянии сжатия за счет растяжения в защищенной сердцевине[29].

Такие стекла широко используются в автомобилях. Разработки в этой области могут обернуться созданием новых материалов. Остается удивляться, что этот способ торможения трещины в конструкционных материалах, по-видимому, совершенно не представлен в биологических материалах, в которых торможение трещины целиком основано на том же принципе, что и в большинстве созданных человеком материалов, - на снижении эффективной концентрации напряжений у кончика трещины. Однако методы, используемые природой, довольно существенно отличаются от тех, которые применяют металловеды.

Еще удивительнее то, как мало изучены механические свойства биологических материалов. Пожалуй, здесь играет психологический момент. Очень многие становятся биологами или медиками просто в результате реакции протеста против механико-математических дисциплин. А техника, наоборот, сейчас переживает тот период, когда природные материалы обычно бракуются. Металлы считаются более “важными”, чем древесина, которая едва ли принимается всерьез как конструкционный материал.

Целлюлоза, главная составная часть древесины, тростника, бамбука и всех растительных волокон, - очень вязкая. Биты для крикета делаются из ивы, молотки для игры в поло - из вяза, мячи для поло - из бамбуковых корней, ткацкие челноки - из персидской хурмы. Самолеты в свое время делали деревянными, планеры остаются деревянными до сих пор. Деревянные суда считаются более пригодными для ледовых условий, чем стальные. Целлюлоза не может считаться непрочной или хрупкой, хотя химически она представляет собой сахар, построенный из связанных вместе молекул глюкозы. Все кристаллические сахара очень хрупки, сахар хрупок и в стеклообразном виде (вспомните ириску).

Материалом костей и зубов служат довольно простые неорганические соединения, которые в своей обычной кристаллической и стеклообразной формах также очень хрупки. Конечно, можно сломать и кость, и зуб, но это случается сравнительно редко. Особенного восхищения заслуживают зубы, которые могут (при соответствующем уходе) разгрызать орехи в течение примерно сорока лет. Даже архисовременные зубные цементы несравненно слабее и более хрупки, чем материал зубов.

Поверхность раздела как тормоз для трещин

В вопросе о вязкости армированных пластиков, среди которых наиболее известны стеклопластики, существует интересный парадокс. Стеклопластик содержит множество тонких стеклянных волокон, склеенных смолой воедино. Стекловолокно не отличается от обычного стекла ни физически, ни химически. Как мы уже видели, стекла катастрофически хрупки; так же ведут себя и волокна из стекла. Более того, смола, которая используется как связующая матрица в стеклопластиках, также достаточно хрупка; может быть, почти в такой степени, как стекло. Однако, когда оба этих компонента объединены вместе, получается материал, который производится в больших количествах главным образом благодаря его вязкости.

Не так давно мы с Дж. Куком решили разобраться в этом явлении количественно. В материаловедении многие задачи связаны с математическими трудностями, теоретически разрешимыми, но требующими слишком трудоемкой вычислительной работы. К таким задачам относится в какой-то мере и расчет распределения напряжений вокруг трещины. Но мы должны знать некоторые особенности картины напряжений вокруг трещины, если хотим предугадать, как поведет себя трещина, столкнувшись на своем пути с какой-либо неоднородностью. Ведь стеклопластик - материал явно неоднородный, особенно интересная неоднородность возникает на границе раздела между волокном и смолой.

В наше время ЭВМ меняют все представления о вычислительных трудностях. Концентрация напряжений у кончика трещины была впервые вычислена Инглисом в 1913 году. Мы уже говорили об этом, его результаты можно считать классикой, они абсолютно верны. С тех пор целый ряд ученых, более способных, чем мы, работали над этой проблемой. Но дьявольски громоздкий математический аппарат одних заставлял предполагать, что кончик трещины бесконечно остер, то есть имеет нулевой радиус; тех же, кто считался с конечным радиусом головки трещины, та же самая математика принуждала использовать очень приближенные методы или же определять картину напряженного состояния только в какой-то ограниченной области. Предположение о бесконечно острой трещине ведет к бесконечно большим напряжениям, что, очевидно, лишено реального смысла и не помогает в решении проблемы разрушения[30].

Приближенные методы, использовавшиеся для случая конечного радиуса головки, не давали достаточно полного представления о том, что делается у самого кончика трещины, то есть там, где идет разрушение.

Как бы то ни было, с электронно-вычислительной машиной или без оной, я, вероятно, не смог бы управиться со всей этой математикой, но Куку нравятся такого рода упражнения, и, использовав вычислительную машину “Меркурий”, он сумел определить напряжения очень близко к кончику трещины с конечным радиусом.

Общая картина напоминает картину, показанную на рис. 18. Немного обобщая ее, мы могли бы изобразить траектории напряжений, то есть направления, по которым напряжения передаются с одной атомной связи на другую, как это сделано на рис. 30. Эта схема поможет нам понять детали картины напряжений, полученной Куком.

Рис. 30. Грубая схема траекторий напряжений в равномерно растянутом стержне, содержащем трещину.

Мы, конечно, понимали, что делаем два допущения, которые упрощают нашу задачу. Во-первых, мы считали, что кончик трещины имеет очертания эллипса или круга - на самом деле в материале, состоящем из атомов, такого быть не может. Во-вторых, мы предполагали, что материал ведет себя как сплошное упругое тело и подчиняется при этом закону Гука - это тоже не учитывает реальных особенностей материала. Но ничего лучшего мы предположить не могли, остается лишь надеяться, что ошибки, вызванные таким огрублением действительной картины, будут не слишком велики.

Первый вывод относительно распределения напряжений в области конца трещины, который Кук сделал из своих упражнений с ЭВМ, заключается в том, что не так уж важно, как приложена внешняя нагрузка. Конечно, общая картина напряженного состояния в теле будет сильно зависеть от того, каким способом мы вынудим трещину расти - будем ли мы расклинивать ее, например, гвоздем или зубилом или приложим растягивающую либо изгибающую нагрузку к телу, содержащему трещину. Но распределение напряжений в области, в которой развивается разрушение, то есть на расстоянии нескольких атомных размеров от кончика трещины, будет во всех случаях примерно одним и тем же. Следовательно, механизм разрушения не должен, по-видимому, зависеть от способа нагружения тела. Задача, таким образом, упростилась, а это уже означало некоторый шаг вперед.

Обратимся теперь к рис. 31 и 32, на которых изображены действительные картины напряжений, рассчитанные для трещины длиной 2 мкм и радиусом кончика 1А. Часть трещины, прилегающая к ее кончику, отмечена на рисунке штриховкой. Кривые линии проходят через точки тела, в которых коэффициент концентрации остается постоянным для напряжении, направленных по вертикали (рис. 31) и по горизонтали (рис. 32) в плоскости листа. (Заметьте, это - не траектории напряжений!) Число у каждой линии обозначает величину коэффициента концентрации, то есть число К, на которое следует умножить величину среднего напряжения на значительном удалении от трещины, чтобы получить соответствующее напряжение в любой точке на заданной линии. Когда размер трещины увеличивается, радиус ее кончика не изменяется; следовательно, концентрация напряжений возрастает. Но характер распределения напряжений остается прежним, все изменяется пропорционально. Для случая, когда трещина укорачивается, справедливо, конечно, обратное.

Рис. 31. Концентрация напряжении вблизи кончика эллиптической трещины.

Растягивающие напряжения направлены под прямым углом к трещине, то есть параллельно приложенной нагрузке. Заштрихованная область представляет собой трещину. Вдоль кривых коэффициенты концентрации постоянны, числа, проставленные на них, показывают, таким образом, во сколько раз местное напряжение превышает среднее по образцу. Максимальная величина концентрации - около 200. Абсолютная величина концентрации зависит от длины трещины, но пропорции остаются неизменными.

Из рис. 31 видно, что напряжения, направленные вертикально, то есть силы, стремящиеся раскрыть трещину, разорвать ее, очень велики, особенно в области, вплотную примыкающей к кончику трещины. Самые опасные напряжения приходятся на область, примерно равную площади одной атомной связи. Численная величина максимального напряжения равна здесь полученному Инглисом напряжению в самой крайней точке трещины (правда, это точное значение не столь уж важно, потому что все подобные расчеты основаны на каких-то допущениях). Но если мы продвинемся вперед от трещины, перескочим, грубо говоря, на следующую атомную связь, то обнаружим, что напряжение на ней упало в два с лишним раза по сравнению с максимальной величиной. Вероятно, эти соотношения верны всегда, и они очень ясно показывают, что большая часть нагрузки концентрируется в материале на единственной цепочке атомных связей, проходящей через самый кончик острой трещины; следует лишь помнить, что мы имеем дело с твердым телом (а не с листом бумаги) и кончик трещины представляет собой линию в трехмерном пространстве. Как только перегруженная связь на кончике трещины лопнет, пик концентрации напряжений переместится на следующую связь и т.д. и т.д., подобно петлям на чулке.

Если увеличивать только прочность химических связей, то это мало повлияет на прочность тела, содержащего дефекты, так как этот путь не уменьшает концентрации напряжений у трещин. Именно поэтому алмаз и сапфир - вещества хрупкие и обычно не очень прочные, несмотря на их большую твердость и высокую энергию химических связей. На этом можно было бы и поставить точку в истории о прочности и хрупкости, если бы дело ограничивалось более или менее упругими и более или менее однородными телами. С такой точки зрения практически безразлично, с какого рода телом мы имеем дело - кристаллическим, стеклообразным или даже полимером; несущественна и величина модуля Юнга. Важно лишь, чтобы тело подчинялось закону Гука в достаточно широкой области деформаций, вплоть до разрушения. Хрупкость - не есть особое состояние, она является нормальным состоянием всех простых твердых тел.

Вязкость присуща более сложному твердому телу; можно даже сказать, что тело должно быть специально “сконструировано” таким образом, чтобы обладать этим свойством. Вязкие материалы часто содержат в своем объеме какие-то границы раздела, многие из этих материалов - тела неоднородные, то есть построены из двух или более составляющих, например из волокна и смолы.

Давайте теперь рассмотрим рис. 32, на котором изображена картина напряжений, параллельных трещине и направленных горизонтально. Сразу и не подумаешь о том, что такие напряжения, и довольно значительной величины, существуют, однако более внимательный анализ показывает, что дело обстоит именно так. Как видно из рис. 30, все траектории напряжений должны обходить край трещины, довольно резко изгибаясь при этом. Траектории напряжений можно образно представить себе в виде натянутых струн, которые стремятся выпрямиться. Если натянутая струна огибает жесткий колышек, она будет давить на колышек в направлении натяжения, а реакция колышка, естественно, будет направлена в противоположную сторону. Иными словами, в области, примыкающей к трещине со стороны ее кончика, должно существовать растяжение в направлении, параллельном поверхности трещины. Вычисления Кука дают распределение и величину соответствующих напряжений (рис. 32).

Рис. 32. Концентрация напряжении вблизи кончика эллиптической трещины. Растягивающие напряжения направлены параллельно трещине, то есть под прямым углом к направлению приложенной нагрузки. Для этого случая максимальная концентрация составляет около 40 - т.е. пятую часть концентрации, показанной на предыдущем рисунке.

Если напряжения, перпендикулярные трещине, достигают максимума на самом се кончике, то напряжение, параллельное трещине (горизонтальное в плоскости чертежа), равно нулю в этой точке. Оно увеличивается с удалением от кончика по горизонтали (рис. 32) и достигает максимума на расстоянии одного-двух атомных размеров от трещины. Но этот максимум размазан, и довольно высокие напряжения сохраняются на значительном расстоянии от трещины. Независимо от формы трещины и способа ее погружения отношение максимальной величины напряжения, параллельного трещине, к максимальной величине напряжения, направленного перпендикулярно ее поверхности, есть величина постоянная и равная приблизительно 1/5. Такое положение имеет, по-видимому, фундаментальное значение для всех трещин, существующих в растянутом материале.

Здесь-то и становятся важными внутренние поверхности в биологических материалах. Важно то, что эти поверхности раздела обычно слабее окружающего их материала И не потому, что Природа не догадалась склеить здесь ткани попрочнее, а потому, что, будучи верно устроенными, слабые поверхности делают материал вязким, упрочняют его.

Посмотрим, что получается, когда трещина приближается к подобной поверхности, расположенном перпендикулярно к направлению ее движения. Вначале к поверхности раздела подойдет зона растяжения, которая движется впереди трещины, и она попытается разорвать тело по этой поверхности на каком-то участке. Если прочность поверхности раздела больше 1/5 от общей прочности сцепления материала, то эта поверхность не разрушится, трещина лишь пересечет ее и поведение материала не изменится. Если, однако, прочность границы раздела меньше примерно 1/5 от величины сцепления материала, то она будет разрушена, прежде чем главная трещина достигнет ее, и образуется ловушка, которая поймает и остановит трещину[31].

Схематически все это показано на рис. 33, а микроснимок действительной картины трещин в армированном материале - на рис. 34. Конечно, если сцепление на поверхности раздела слишком слабое, то материал в целом будет слабым, непрочным; если сцепления не будет вообще, то придется изобретать какое-нибудь веревочное или плетеное приспособление, чтобы хоть за счет трения удержать куски вместе. Конечный результат сильно зависит от правильного выбора сил сцепления на поверхностях раздела, и, коль скоро это сделано, может быть получена блестящая комбинация прочности и вязкости.

Рис. 33. Механизм торможения трещины по Куку-Гордону. а — трещина приближается к слабой поверхности; б — поверхность перед трещиной разрушается; в — Т-образный тормоз для трещины. На практике трещина обычно отклоняется, как показано на рис. 34.

Итак, условие эффективного торможения трещин состоит в пятикратном ослаблении материала. Поначалу такая операция не кажется многообещающей. Еще не взявшись за дело, мы должны уже кое-чем поступиться. Однако если наблюдать за процессом торможения трещин, метод создания слабых поверхностей раздела выглядит вполне эффективным: истинное разрушающее напряжение у кончика трещины должно быть равным теоретической прочности материала, то есть должно лежать, как правило, между E/10 и E/5 (E- модуль Юнга, см. главу 2). Уменьшая эту величину в 5 раз, мы все еще сохраняем прочность E/50 - E/25, достигнутую, кстати говоря, на практике в стеклопластиках и намного превышающую ту, что можно получить для металлов, сохраняя безопасный уровень вязкости (глава 8). К тому же прочность, значительно превышающая E/100, может и не составить особого интереса для практики.

Рис. 34. Влияние внутренних поверхностей на торможение трещин. Слева - материал, содержащий множество внутренних поверхностей; справа - однородный материал.

Хрупкость большинства природных минералов связана с их большей или меньшей однородностью. Но, оказывается, некоторые минералы имеют слоистое строение, причем связь между слоями приблизительно нужной прочности. Самые распространенные минералы такого рода - асбест и слюда, именно поэтому они имеют столь удивительные и полезные свойства. Очень показательны в этом смысле знаменитые опыты со слюдой профессора Орована. Слюда представляет собой минерал с ионными связями, в котором условия баланса электрических зарядов в молекуле требуют существования слоев металлических атомов, вынужденных делить заряд одного электрона с несколькими соседями. Эти слои в кристалле являются слабыми поверхностями. Один из часто используемых типов слюды называется мусковитом (muscovite - московский, этот сорт слюды впервые был найден в России). Прочность межслоевой связи в этой слюде составляет в среднем примерно 1/6 от прочности в остальном объеме кристалла.

Рис. 35. Эксперименты Орована со слюдой. а - образец с ненагруженными кромками, прочность его 320 кГ/мм²; б - нагрузка на кромках равна среднему напряжению в образце, прочность его 17,5 кГ/мм².

Орован измерял прочность мусковита при растяжении. Для первого опыта он вырезал из пластинки слюды образец обычной формы, напоминающий очертаниями контур песочных часов (рис. 35, б). Образец был плоским и достаточно тонким, а плоскости спайности - параллельными широкой грани образца. Такой образец как бы состоял из некоторого числа листов, слабо склеенных между собой. Кромки его имели грубые следы механической резки. Когда образец нагружался в испытательной машине, эти кромки нагружались в той же степени, что и середина, так что трещины начинались на кромках и распространялись в глубину образца обычным путем. Прочность, полученная на этих образцах, была около 17 кг/мм², то есть примерно равнялась прочности обычного стекла.

Затем Орован испытал ту же слюду, но на образцах другой формы. Из слюды вырезались прямоугольные пластинки, которые были несколько шире, чем захваты для крепления образцов в машине. Предполагалось, что образец будет нагружен так, как показано на рис. 35, а, то есть кромки его останутся ненагруженными. Наружные плоскости образца, лежащие на пути передачи нагрузки между захватами, должны быть, конечно, полностью нагруженными, а на них - царапины и другие концентраторы напряжений. Но трещины, появившиеся на этих концентраторах, едва начав расти, упираются на своем пути в относительно слабые плоскости спайности.

Прочность этих образцов оказалась равной приблизительно 320 кГ/мм², то есть была почти в 20 раз выше, чем прочность образцов, в которых трещинам не нужно было пересекать слабые плоскости. Это составляет 1,5% от модуля Юнга - цифра весьма внушительная. Но вот другой сорт слюды - Маргарит - имеет вдвое больше электронов связи через плоскость спайности, а потому хрупок и обладает ничтожной прочностью.

Подобные эксперименты показывают, что для материалов такого типа трудно отделить реальную прочность от хрупкости, поэтому введение слабых внутренних поверхностей можно рассматривать как увеличение общей прочности тела.

Слюда и асбест не использовались людьми каменного века для изготовления инструментов и оружия - плоскости спайности тянутся в них через весь кусок минерала, от одной грани к другой. Другой известный с древних времен минерал, нефрит, представляет собой мешанину малых плотно упакованных игольчатых кристаллов со слабым сцеплением на границах; его можно считать неорганическим эквивалентом вересковой трубки или бамбукового корня. Нефрит поэтому очень вязок и мог бы быть почти идеальным материалом для инструментов и оружия, обрабатывайся он полегче да встречайся в природе почаще.

Поскольку нефрит нельзя расколоть так же легко, как кремень или обсидиан, ему придавали нужную форму путем очень длительной - недели и месяцы - шлифовки с песком на куске дерева. Поэтому очень прочный нефрит оставался материалом для дорогих поделок. Из-за дороговизны, великолепия и редкости материала самого по себе эти предметы сохранились в качестве символов престижа, когда на сцену выступили металлы.

Нефрит встречается редко, потому что он может кристаллизоваться лишь при определенных геологических условиях (температуре и давлении). Эти благоприятные условия иногда встречались в складках земной коры. Такие области есть на Дальнем Востоке, в Новой Зеландии, в Центральной Америке. Новозеландское племя маори делало нефритовые топоры почти на памяти живущего поколения. Генрих Гарер[32] рассказывает, что в центральной Новой Гвинее топоры до сих пор делаются из камня, похожего на нефрит; шлифовка и полировка их требует нескольких месяцев. Любопытная проблема возникла в связи с тем, что недавно в Англии было найдено несколько нефритовых топоров. Если это не шутка типа Пилтдауновской[33], то либо где-то в Европе были раньше месторождения нефрита, либо топоры должны были проделать невообразимый путь с Дальнего Востока. Однако, как заметил Геродот по поводу находки скифских поделок в Делосе, они могли “рассеяться”.

Примеры эффективного торможения трещин в минералах случайны. Когда же имеешь дело с биологическими материалами, поражаешься огромной заботе, которую природа проявляла о разного рода поверхностях раздела. Конструкция зубов - прекрасное тому подтверждение. Зубы состоят из твердого вязкого поверхностного слоя, называемого эмалью, и сердцевины из дентина. И эмаль, и дентин содержат неорганические кристаллы удлиненной формы, распределенные в органической матрице. Главное отличие между ними состоит в процентном содержании органического и неорганического компонентов.

Твердый компонент эмали и дентина - вытянутые кристаллы вещества, которое номинально представляет собой гидроксилапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Фактически же химический состав этих кристаллов изменяется в широких пределах, отражая условия, в которых они формировались. Обычно здесь присутствуют углеапатит, фтороапатит, фтористый кальцин, карбонат кальция и т.д. Кристаллы эти небольшие, их размер в эмали около 3000- 5000 А в длину и 500-1200 А в толщину. В эмали они очень плотно упакованы, их содержание здесь составляет 99% всего объема материала. Между отдельными кристалликами находится тонкий слой очень сложного органического соединения, состоящего главным образом из протеина. Раньше считали, что это соединение подобно кератину, одному из типов протеина, содержащемуся в волосах, однако сейчас полагают, что в зубной эмали содержится свой специальный сорт протеина. Между прочим, он заметно изменяет свой состав при переходе владельца из младенческого возраста к зрелому.

Дентин отличается от эмали прежде всего тем, что неорганическая составляющая занимает лишь около 70% его объема. Кроме того, кристаллы апатита намного меньше и имеют 200-300 А в длину и 40-70 А в ширину. Средой, в которую эти кристаллы заделываются, является органическая матрица, состоящая в основном из коллагена.

Сцепление между гидроксилапатитом и слоями протеина имеет чрезвычайно сложную химическую природу. Частично оно обеспечивается гидроксильными связями, а частично - ионными (см. приложение I). Несомненно, существует очень тонкая настройка величины этого сцепления, а следовательно, и характера распространения трещины. Однако слабая органическая прослойка легко подвержена гниению, которое резко ускоряется, когда очаг разложения, пройдя слой эмали, доходит до дентина. Но, вероятно, это разумный компромисс: если бы отсутствовал легкоуязвимый органический слой, зубы не гнили бы с такой легкостью, но тогда они были бы хрупкими и, наверное, ломались бы еще в молодом возрасте[34].

Очень часто в живых организмах для управления величиной сцепления на границах используется водородная связь в гидроксильной группе (-ОН). Такой способ, безусловно, удобен в случаях постоянной влажности окружающей среды. Поэтому, когда человек использует природные органические материалы в сухих условиях, возникают определенные трудности. Высушивание гидроксилов, то есть удаление водной оболочки, окружающей каждую гидроксильную группу, ведет к усадке материалов, таких, как древесины. Это может привести и к резкому охрупчиванию, так как прочность границ становится слишком большой. То же самое может случиться и со слоновой костью, строение которой очень напоминает структуру зубов. В афинском Парфеноне была знаменитая статуя богини Афины из золота и слоновой кости. В те времена под крышей Парфенона было, должно быть, очень жарко и, чтобы предохранить слоновую кость от охрупчивания и растрескивания, статуя была окружена неглубоким бассейном с водой, которая не только бросала снизу отраженный свет на Афину, но и поддерживала достаточную влажность воздуха. Бассейн всегда был наполнен водой и сохранял статую в течение почти восьми столетий. На полу Парфенона и сейчас можно видеть остатки кольцевой каемки бассейна, глубина которого была всего около пяти сантиметров.

Древесина и целлюлоза, или о деревянных кораблях и железных людях

Во время войны, когда мы работали над прочными пластиками, профессор Чарльз Гурни взял за правило декламировать мне чуть ли не каждый день стишок, смысл которого сводился к тому, что сделать пластик - не фокус, а вот создать материал, подобный дереву, под силу лишь всевышнему. Меня это несколько угнетало, потому что древесина действительно лучше подходила для самолетов, чем те пластики, которые мы в то время умели делать. Даже и по сей день имеются конструкции (например, гидропланы, определенного типа суда), для которых древесина остается наиболее подходящим материалом.

Древесина и другие формы целлюлозы с успехом применяются в технике. Но этого мало, целлюлоза в природе вообще имеет чрезвычайно широкое применение. Целлюлоза является конструкционным элементом всех растений. Именно прочность и жесткость целлюлозы держат зеленую листву растения “лицом к солнцу”, без чего невозможен процесс фотосинтеза - отправной химической точки для всех форм жизни. На долю целлюлозы приходится в среднем около трети веса всей растительности на Земле - практически эта цифра вне пределов точного учета. В целлюлозе заперта большая часть имеющегося на Земле углерода. В телах животных целлюлоза встречается редко, хотя и обитает в океане небольшой класс животных - оболочники, в основном состоящие из целлюлозы, внешне они напоминают продолговатых медуз и, по-видимому, не имеют определенной устойчивой формы. А вот в насекомых содержится полимерное вещество хитин, которое очень похоже на целлюлозу.

Обратившись теперь к материалам, которые использует человек, мы увидим, что целлюлозе здесь принадлежит ведущая роль. Годовое потребление древесины в мире (не считая топлива) - где-то между 800 и 1000 млн. тонн (древесина - достаточно важный материал в технике, чтобы попасть в официальные статистические сборники). Необработанная древесина, идущая на заборы, а также бамбук для строений, солома и камыш для крыш и т.д. используются сельским населением примерно в таком же количестве, но каких-либо статистических данных по таким “неиндустриальным” материалам, конечно же, нет. Мировое производство чугуна и стали составляет около 400 млн. тонн, цифры для любого металла по сравнению с этой пренебрежимо малы[35].

Отнесенные к единице веса величины прочности малоуглеродистой стали и древесины вполне сравнимы, так что возможно, что общая нагрузка, которую несет в мире древесина, даже превышает нагрузку, приходящуюся на сталь. Однако несомненно, что нагрузки, которые доверяют стали, как правило, более впечатляющи.

Поскольку плотность древесины составляет в среднем примерно 1/14 плотности стали, то общий объем используемой в мире древесины может быть больше объема стали раз в 30.

Отношение количества потребляемой древесины к количеству стали от страны к стране сильно изменяется, однако его нельзя считать показателем степени индустриализации или технического прогресса. В Англии и Голландии в год на душу населения приходится около 500 кг стали и лишь 320 кг древесины. В США потребление стали примерно на том же уровне, потребление древесины значительно выше - около 1100 кг. В Канаде еще выше - 1500 кг. В менее развитых странах потребление и того и другого меньше.

Рост растения

Целлюлоза является примером стандартизованного производства в природе. Функции и общий вид молекул целлюлозы во всех, даже весьма сильно отличающихся одно от другого растениях, одинаковы. Правда, молекулы могут быть несколько разной длины, могут по-разному комбинироваться, но все это детали - химическая суть их всегда одна.

Все достаточно развитые растения содержат пустотелые вытянутые веретенообразные клетки-ячейки, стенки которых состоят в основном из целлюлозы. (Вот откуда и название “целлюлоза”: cell - ячейка, клетка, а суффикс ose - общий для всех сахаров, например фруктоза - фруктовый сахар и т. д.) Эти пустотелые веретена оказываются волокнами, которые принимают на себя механические нагрузки, обеспечивая прочность.

Рис. 36. Молекула глюкозы.

Вначале в листьях растений из атмосферного углекислого газа CO₂ и воды под действием солнечного света образуется простой сахар-глюкоза (рис. 36). Подобно другим простым сахарам, глюкоза хорошо растворяется в воде (кстати, поэтому она легко усваивается организмом) благодаря ее пяти гидроксильным группам, которые притягивают молекулы воды, а также тому, что молекулы глюкозы физически достаточно малы и могут свободно блуждать в объеме воды, конечно, при условии, что их там не слишком много. Концентрированный раствор глюкозы напоминает патоку.

Рис. 37. Ячейки целлюлозной цепочки; обычно цепочка содержит несколько сотен таких ячеек

Растворенная в соке растения глюкоза проходит по его внутренним каналам и поднимается к растущей клетке. В стенке этой клетки молекулы глюкозы своими концами соединяются между собой (рис. 37). Соответствующая химическая реакция известна как реакция конденсации: -ОН + НО- → -O- + Н₂O

В результате образуется кислородная связь (-O-) и молекула воды, которая уходит в сок. Всем этим процессом в растении управляет вещество, которое называется ауксин; но как это происходит, в настоящее время не ясно. Кислородная связь между кольцами cахаров все-таки остается уязвимым звеном в целлюлозной молекуле, которая может достигать в длину нескольких сотен глюкозных ячеек. Именно эта связь разрушается с помощью ферментов в желудках жвачных животных, благодаря чему они могут усваивать целлюлозу; она же разрушается, когда дерево атакуют различного рода грибки. Та же связь рвется под воздействием простых химикалиев; так разрушает ее отбеливающий порошок, используемый в прачечных, что оказывается причиной постепенного старения и износа рубашек после многих стирок[36].

Длинные целлюлозные цепочки откладываются в стенках клеток более или менее параллельно клеткам или волокнам, то есть, можно сказать, в направлении приложенной нагрузки. Процесс роста целлюлозы в целом весьма примечателен. Обычное дерево в возрасте нескольких лет имеет ствол с несколькими отходящими от него небольшими веточками. Каждая из этих веточек по существу представляет собой консольную балку, изгибаемую собственным весом (глава 1). Это значит, что верхние слои веток нагружены растяжением, а нижние - сжатием. Сук становится все толще и длиннее, а стало быть, и тяжелее, поэтому напряжения в верхних и нижних волокнах, в том месте где сук выходит из ствола, увеличиваются. Как и ствол, ветка растет: с каждым годом на ее поверхности под корой слой за слоем откладывается новый материал. Если бы очередной слой откладывался каждое лето в свободном от механических напряжений состоянии, то ветка, или балка, провисала бы все больше и больше, и все деревья должны были бы уподобиться плакучей иве. Однако с большинством деревьев такого не случается. Сучья растут примерно под одним и тем же углом к стволу в течение всей жизни дерева, так что молодое деревце можно считать геометрически подобным взрослому дереву. Так получается потому, что у большинства пород новая целлюлоза откладывается уже во вполне определенном напряженном и деформированном состоянии.

Работая с гидрохиноном и другими довольно простыми растворимыми веществами, я выращивал длинные игловидные кристаллы, усы (глава 3), которые утолщались путем как бы натягивания на поверхность новых слоев материала, что геометрически похоже на растущие слои в дереве. Исходные усы, тонкие волоконца, часто были в высшей степени изогнутыми, и можно было заметить, что растущие слои оказывали на них сильное выпрямляющее воздействие, отчего волнистые зародыши, вырастая до миллиметровой толщины, всегда становились очень прямыми. Отсюда ясно, что растущие слои этих кристаллов формировались под значительным механическим напряжением и эти напряжения выпрямляли волокна. Подобные явления встречаются довольно часто в простых небиологических системах, в этих случаях ни о каких дополнительных управляющих веществах или биологических механизмах и речи быть не может. Мы могли бы поэтому предположить, что прямой, без провисания рост ветки идет под механическим напряжением тоже без участия какого-либо биологического механизма. Но не все растения ведут себя подобным образом, и с помощью прививки можно заставить нормально растущее дерево стать похожим на плакучую иву. Есть предположения, что ауксин, управляющий синтезом целлюлозы, под действием тяжести концентрируется в нижних слоях ветки и, следовательно, внизу целлюлозы откладывается больше. Мне кажется, однако, что это далеко не полный ответ.

Целлюлозные цепочки всегда представляют собой простые нитевидные молекулы, которые не переплетаются с соседними нитями путем образования кислородных связей на боковых сторонах сахарных колец, как это делают другие более слабые полисахариды, например крахмал. Растительная клетка имеет форму трубки, стенки которой образованы длинными, уложенными приблизительно параллельно нитевидными молекулами целлюлозы. В природной целлюлозе имеются области, где молекулы-цепочки уложены идеально в параллельные пряди-кристаллы, они удерживаются в таком порядке с помощью гидроксильных связей по боковым сторонам молекул. Такие образования можно считать вполне добротными кристаллами с той удивительной особенностью, что они короче образующих их молекулярных цепочек (рис. 38). Каждый такой кристаллит заканчивается пучком распушенных цепочек, напоминающим по форме помазок для бритья, в котором волоконца уже не очень параллельны. Молекулы могут в дальнейшем вновь собраться в параллельный пучок и образовать новый кристаллит, так что одна молекула иногда тянется через несколько кристаллитов.

Рис. 38. Кристаллически-аморфная структура целлюлозы

Итак, кристаллические области образуются с помощью гидроксильных групп, которые избавились от плотно прилегающих к ним молекул воды; такая жесткая кристаллическая система оказывается недоступной для воды. Мы знаем об этом по рентгеновским измерениям: когда целлюлоза набухает в воде, расстояния между молекулами в кристалле не изменяются. С другой стороны, целлюлоза очень интенсивно притягивает жидкость и атмосферную влагу, и это с инженерной точки зрения ее самый большой порок.

Доля кристаллического материала в натуральной целлюлозе может быть очень различна, но в среднем она составляет 30-40%. Некристаллическая, то есть аморфная, целлюлоза не имеет никакой защиты своих гидроксильных групп от влаги, Поскольку большинство этих групп со своими соседями жестко не связано, они подхватывают любую доступную им молекулу воды, образуя вокруг себя водную оболочку. Это, естественно, снижает взаимное притяжение гидроксилов. Силы, сохраняющие целостность клеточной стенки в боковом направлении, падают, и клетка разбухает. Целлюлоза полностью не переходит в раствор отчасти благодаря большому размеру своих молекул, а главным образом потому, что система в целом механически связана присутствием кристаллических областей, непроницаемых для воды и составляющих значительную часть общей массы. Так называемая “регенерированная целлюлоза”, целлофан, получается путем растворения натуральной целлюлозы химическими методами, разрушающими кристаллиты. Затем полученный раствор осаждается, образуется прозрачная пленка, состоящая в основном из перепутанных отдельных молекул и намного меньшей доли кристаллитов. Намокая, такая пленка становится очень рыхлой и теряет всю свою прочность; целлофан может использоваться в качестве оберточно-упаковочного материала (это его основное назначение) лишь потому, что на него с двух сторон нанесена очень тонкая непроницаемая для воды лаковая пленка. Однако после продолжительного замачивания материалы такого типа становятся безнадежно слабыми, в то время как натуральная целлюлоза сохраняет довольно большую часть своей прочности.

Используемые нами натуральные сорта целлюлозы - это древесина, бамбук, тростник, лен, конопля, хлопок, рамп, сизал, эспарто и т.д. Однако, как и следует того ожидать, их механические свойства, и особенно разбухание в воде, зависимость прочности от температуры и содержания влаги отличаются лишь в деталях. Общая же картина для всех целлюлоз одинакова.

Свойства древесины

Как различны форма и размеры деревьев, так по-разному выглядит и древесина. Однако эти более или менее внешние признаки не столь важны, основное, что отличает разные типы древесины, это их плотность. Так, плотность выдержанной пробки от 0,08 до 0,16 г/см³, ели - около 0,5 г/см³, дуба - примерно 0,8 г/см³, гваякового дерева - 1,1-1,3 г/см³. Химическое же строение вещества любой древесины примерно одинаково (с небольшими видоизменениями), как приблизительно одинакова и его плотность, около 1,45 г/см³ (что очень близко к плотности сахара).

Древесина состоит из большого числа трубчатых ячеек - волокон, плотно прилегающих одно к другому. Чтобы их разделить, обычно приходится прибегать к довольно крутым мерам, как это, например, делается в производстве бумаги. У различных пород деревьев существуют небольшие различия в геометрическом расположении волокон. Например, некоторые породы (в частности, дуб) содержат какое-то число волокон, бегущих по радиусу от центра ствола и пересекающих продольные волокна под прямым углом. Но с инженерной точки зрения любую древесину можно считать пучком параллельных трубок. Поскольку материал этих трубок по существу для всех пород одинаков, плотность отдельных пород зависит от толщины стенок труб. В результате оказывается, что в первом приближении большинство механических характеристик древесины пропорционально ее плотности: древесина, в два раза более плотная, будет и вдвое прочнее. Это не абсолютно точно, но приблизительно верно.

Вещество древесины состоит процентов на шестьдесят из целлюлозы. Кроме целлюлозы, оно содержит различные другие соединения типа сахаров и лигнин, вещество, похожее на смолу, которое пропитывает взрослое дерево какими-то сокровенными путями. Не пропитанная лигнином древесина имеет весьма однонаправленную структуру и поэтому обладает свойством двойного лучепреломления, то есть она поворачивает плоскость поляризации поляризованного света. Кроме того, она ярко окрашивается определенными красителями.

Ни тем, ни другим свойством нормальная древесина, содержащая лигнин, не обладает. Но непосредственно перед механическим разрушением, когда еще никакие механические методы не обнаруживают признаков близкого разрушения, древесина получает свойство двойного лучепреломления и легко окрашивается характерными красителями. По-видимому, причина этого кроется в каком-то необратимом разрыве химических связей между целлюлозой и лигнином, вызванном механическим напряжением. Однако использовать это явление как сигнал скорого неизбежного разрушения конструкции нельзя, потому что наблюдать его можно лишь под оптическим микроскопом на тонких сечениях, вырезанных из нагруженной части. Но оно может оказаться весьма полезным при расследовании причин аварий. Кроме того, это наглядно показывает, сколь хитро устроила природа вещество древесины.

В этой связи интересно еще упомянуть, что некоторые тропические породы, такие, как тик и гринхарт, содержат небольшие количества токсических веществ и кремнезема. Они защищают древесину от насекомых и гниения, но в то же время являются причиной высокой стоимости обработки лучших тропических пород: кремнезем очень быстро тупит инструмент, а щепки гринхарта ядовиты.

Механические свойства древесины в основном не отличаются от свойств, которые можно ожидать от пучка трубок или волокон. В боковом направлении волокна разделяются и сминаются довольно легко, поэтому прочность на разрыв и сжатие поперек волокон очень невелика, меньше 1 кГ/мм². Более легкие породы, например пробку, можно даже сминать пальцами. С другой стороны, как раз потому, что трубчатые волокна легко сминаются, в древесину можно загонять гвозди и шурупы, не расщепляя ее (если, конечно, проделывать это, соблюдая определенную аккуратность). Между прочим, гвозди, достаточно осторожно вбитые в дерево, и ввернутые в него шурупы сколько-нибудь заметно не ослабляют древесину как целое; иными словами, дерево удивительно стойко к концентрации напряжений.

Прочность на разрыв ели составляет около 12 кГ/мм². Она соответствует упругой деформации или межатомному разделению порядка 1%, то есть находится где-то между 1/10 и 1/20 теоретической прочности. Это намного лучше, чем тот же показатель для большинства других технических материалов, особенно дешевых. Ходовая сталь с прочностью 40 кГ/мм² упруго удлиняется на 0,15%. Если соразмерять все характеристики с удельным весом, то по прочности на разрыв древесина эквивалентна стали с прочностью 200 кГ/мм², которая в 4-5 раз прочнее обычно используемых сталей. Но как мы увидим дальше, на практике не так-то легко эффективно использовать высокую прочность древесины на разрыв.

Древесина оказывается слабой при сжатии вдоль волокна. В этом отношении ее свойства противоположны свойствам чугуна, который прочен при сжатии, но слаб при растяжении. Здесь опять модель пучка склеенных между собой волокон оказывается очень реалистичной.

Под сжимающей нагрузкой тонкая стенка одной из трубок теряет устойчивость, на ней образуется складка, а все остальные трубки должны следовать за ней (рис. 39). Прочность на сжатие ели обычно лежит в пределах 3,0- 3,5 кГ/мм². Если сравнивать эти цифры со сталью по удельной прочности (по отношению к плотности), то они выглядят все еще вполне сносно, но, конечно, далеко не так, как удельная прочность на разрыв.

Рис. 39. Разрушение древесины при сжатии. На чистой плоской поверхности, параллельной направлению волокон, место разрушения видно невооруженным глазом. Здесь бегут «складки» под углом 45° к направлению волокон.

Когда древесина начинает разрушаться от сжатия, можно видеть легкую линию складок на волокнах, бегущую под углом 45° к направлению волокон, но рассмотреть ее целиком довольно трудно: для этого нужно иметь чистую поверхность и знать, что и где искать. В течение некоторого времени после начала разрушения (складкообразования) ничего особенно сенсационного или катастрофического не случается, материал лишь постепенно проседает. Поскольку древесина чаще всего нагружается изгибом, то в результате медленного разрушения на сжатой стороне балки нагрузка передается на растянутую сторону. Поэтому номинальное напряжение в изогнутой балке перед окончательным разрушением может быть вдвое больше прочности на сжатие. Это обстоятельство делает деревянные конструкции очень надежными.

Древесина в некотором смысле вещь довольно зловредная: прежде чем появится реальная опасность разрушения, деревянная конструкция может немало потрепать вам нервы пугающими звуками. Планеры не имеют двигателя (они часто запускаются канатом примерно километровой длины, который наматывается на барабан лебедки), поэтому в полете - абсолютная тишина, нарушаемая лишь свистом ветра. И вот при быстром резком запуске деревянный планер будет пугать вас скрипами, тяжелыми вздохами, иногда даже грохотом. Это, естественно, встревожит вас, но скоро вы поймете, что все это притворство и никакой опасности разрушения конструкции нет. Такое представление может повторяться несколько раз на дню. Я почти уверен, что эти шумы не сопровождают процесса разрушения при сжатии. Часто я задавался вопросом, откуда они исходят, но, должен сознаться, никаких идей на этот счет у меня не появилось. Можно сказать одно - если вы слышите деревянную конструкцию, вряд ли вы ее сломаете.

Итак, по удельной прочности древесина вполне конкурентоспособный материал. Но одной лишь прочности практике недостает, ей нужна еще и соответствующая жесткость: вещества вроде нейлона прочности имеют предостаточно, но для инженерных сооружений жесткость их слишком мала. Модуль Юнга для ели составляет примерно 1000-1500 кГ/мм², жесткость других- пород более или менее пропорциональна их плотности. Удивительно, но удельный модуль Юнга для древесины почти в точности равен удельному модулю стали и алюминия и намного больше, чем у синтетических смол. Такая жесткость вместе с малой плотностью делает дерево очень подходящим материалом для балок и колонн. Мебель, полы, книжные полки, флагштоки, мачты парусников лучше всего делать деревянными. В Америке в XIX веке очень быстро и дешево было построено много железных дорог, отчасти это случилось благодаря высокой эффективности. железнодорожных мостов на деревянных эстакадах. Вместе с этими достоинствами древесина, однако, обладает недостатком - она ползет. Это означает, что при достаточно длительной нагрузке материал постепенно деформируется. Следствие ползучести - вогнутые деревянные крыши старых домов и сараев. Из-за ползучести древесины нельзя оставлять надолго натянутыми деревянный лук или струны скрипки. По-видимому, причина ползучести состоит в том, что плохо закрепленные гидроксильные группы аморфных областей целлюлозы, пользуясь изменениями температуры и влажности, увиливают от своих обязанностей. Маловероятно, чтобы сколько-нибудь заметно ползла кристаллическая целлюлоза.

Разбухание

Несомненно, природа при желании могла бы химически соединить молекулы целлюлозы вдоль “боков”. Но тогда они были бы увязаны между собой очень надежно, и материал имел бы примерно одинаковую прочность во всех направлениях. Как мы уже видели в предыдущей главе, наличие слабых плоскостей, параллельных прочнейшему направлению, является, по-видимому, условием прочности и вязкости для материалов такого типа. Если бы такие поверхности отсутствовали, древесина походила бы на глыбу сахара - была бы однородной, но непрочной и хрупкой. Если судить по удельному весу древесины, то нет ничего плохого в ее механических свойствах. Обычно вес деревянных конструкций сравним по крайней мере с весом сооружений из металла. Плохо в древесине другое - она подвержена воздействию влаги. Вода может попадать в древесину под дождем, в реке, в море и т. д., но хуже всего то, что на древесину действует атмосферная влага.

При каждой данной температуре воздух может содержать определенное количество влаги. Любой избыток влаги выпадает в виде дождя, тумана, дымки или росы. Воздух в этом случае называется пересыщенным, и, следовательно, относительная влажность в сырой день равна примерно 100%. В сухую погоду или в помещении относительная влажность меньше, но она редко падает многим ниже 30%, даже в местах с сухим жарким климатом.

Древесина всегда стремится быть в равновесии с относительной влажностью окружающего воздуха. После длительной выдержки во влажном воздухе древесина может содержать 22-23% воды. В очень сухом воздухе содержание влаги в дереве может упасть до 5%. Однако связанные с этим колебания веса материала имеют второстепенное значение по сравнению с влиянием влажности на свойства древесины, в частности на ее усадку или разбухание. Каждый процент изменения влажности дает около половины процента усадки или разбухания. Обычные колебания влажности воздуха могут вызвать колебания поперечных размеров от 5 до 10%, то есть до 1 см на доску шириной 10 см. И если плотники-любители, располагая выбором, предпочтут использовать широкие доски, то профессионалы будут мудрее: они возьмут узкие доски, чтобы уменьшить перемещения в каждом отдельном стыке. Конечно, 5-10% усадки или разбухания не так уж часто случаются, но и 1-2% могут вызвать много неприятностей. Краски и лаки снижают колебания влажности в дереве, но не исключают их, так как нет красок, совершенно не проницаемых для паров воды.

Даже в помещении относительная влажность непрерывно изменяется, особенно между дневным и ночным временем. Полы и мебель “следят” за влажностью воздуха, а отсюда - скрипы и треск по ночам. Если каким-то образом удержать древесину от усадки при уменьшении влажности, она будет расщепляться: ведь она почти не имеет прочности на разрыв поперек волокон. Если геометрически ограничить возможность древесины разбухать, то при увеличении влажности может возникнуть весьма значительное давление. Египтяне использовали это давление для откалывания огромных глыб в каменоломнях, так была получена игла Клеопатры[37].

Предварительно форма будущего куска размечалась канавкой на поверхности, эта же канавка служила концентратором напряжений. Затем вдоль канавки долбились глубокие отверстия, в которые загонялись сухие деревянные колья. Их заливали водой, и, пропитавшись влагой, дерево раскалывало камень вдоль требуемой линии.

Усадка морских канатных снастей и парусной ткани - в принципе то же самое. Отдельные волокна с изменением влажности изменяют не длину свою, а толщину, а остальное делает геликоидная геометрия каната и текстильной пряжи: веревки и одежда, намокая, становятся короче. Льняные паруса были особенно пористыми, и, чтобы уменьшить пористость, их замачивали.

Итак, мы видим, что самым важным следствием воздействия влажности на древесину является ее разбухание. С практической точки зрения влияние влажности на механические свойства, пожалуй, менее существенно. До предела намоченное дерево сохраняет примерно третью часть прочности и жесткости совершенно сухого дерева. Биологические материалы всегда работают в насыщенном состоянии - таким образом, ценою потери прочности снимается проблема усушки и разбухания. В технике целлюлоза никогда не используется в идеально сухих условиях, поэтому величины прочности и жесткости ее совсем не так плохи, как иногда это может показаться,

Сырую древесину гнуть немного легче, чем сухую; но больше всего облегчает гибку дерева нагрев. Так, прежде чем гнуть древесину для теннисных ракеток или шлюпочных шпангоутов, ее пропаривают. Часто считают, что пар делает с древесиной что-то особенное. Это неверно, просто пропаривание - всего лишь удобный путь нагрева древесины без ее высушивания, и механизм действия здесь в точности тот же, какой используют парикмахеры для завивки волос. Иногда древесину перед гибкой оборачивают влажными горячими тряпками. Эта операция помогает термической изоляции древесины, сохраняет ее тепло, предохраняет от слишком быстрого охлаждения. Древесина может без особого для себя вреда выдержать “влажный” нагрев примерно до 140°С, однако сухой нагрев, конечно, вызовет растрескивание вследствие усушки.

Выдержка древесины

Можно услышать довольно много вздора, о так называемой выдержке древесины. Об этом любят толковать старые мастера и романтичные, но несведущие любители. Древесина, как мы уже знаем, состоит из закрытых трубок, которые в живом растении частично заполнены водой или, точнее, соком. В свежесрубленном дереве содержание воды может быть различным, оно может даже превышать по весу количество сухого вещества. Примерно 25% этой воды абсорбировано, притянуто гидроксильными группами к стенкам волокон, остальная жидкость содержится внутри клеток. Во время выдержки большая часть воды удаляется. Выдержка в основном представляет собой операцию сушки и ничего более. Просто содержание влаги в дереве приводится к условиям, примерно равновесным с условиями окружающей среды, в которых ему предстоит работать: если этого не сделать, то изделие всегда будет под угрозой коробления от усушки. Для использования под открытым небом приемлема влажность 20%, для неотапливаемых помещений - около 15%, а для помещений с паровым отоплением - примерно 8-10%.

Клетки дерева представляют собой закрытые веретенообразные трубки, поэтому заключенной внутри них воде не так-то легко выйти наружу. Единственная возможность - медленное проникновение воды через стенки трубок. Такой процесс не представляет трудностей, если иметь дело с единичной клеткой. Но ведь бревно содержит многие тысячи таких клеток, и вода из внутренних клеток должна просочиться через стенки большинства других клеток, лежащих на ее пути наружу. Для этого необходимо поддерживать разницу влажностей между внутренним объемом древесины и окружающей средой. Чем больше эта разница, тем быстрее будет удаляться влага. С другой стороны, при слишком резком перепаде влажности наружные слои в ходе сушки окажутся заметно суше внутренних, будут больше сжиматься и, следовательно, расщепляться и растрескиваться. Поэтому, чтобы не повредить древесину, ее нельзя сушить слишком быстро. Традиционный способ выдержки - на открытом воздухе или под навесом. При сушке таким путем для досок толщиной 20-50 мм требуется около года, а для крупных дубовых заготовок для судов - около семи лет. С примитивными методами и знаниями ничего другого и не придумаешь, В былые времена лучшие судоверфи и хорошие каретники держали залежи ценной древесины, уже выдержанной или находящейся в процессе выдержки - это было одной из причин высокой стоимости их изделий.

В последние годы было предпринято много технологических исследований по выдержке лесоматериалов, в результате разработан ряд способов ускоренной безопасной сушки для древесины всех сортов и размеров. Тщательный контроль скорости сушки в больших сушильных печах позволяет свести время процесса к дням и неделям. Другой путь, также сокращающий время сушки,- современная тенденция применять пиломатериал меньших сечений, используя надежные клеи. Древесина, которая подобающим образом сушилась в печах (печи эти довольно дороги и требуют квалифицированного обслуживания), нисколько не хуже “натурально” выдержанной. Более того, в процессе сушки для нее менее вероятно подхватить грибковую инфекцию.

Содержание влаги в дереве можно определить путем взвешивания небольшого образца до и после печной сушки. В промышленности процент влажности определяется портативными приборами, которые измеряют электрическое сопротивление между двумя вбитыми в бревно иглами. Такая процедура дает ответ намного быстрее.

Если содержание воды в древесине меньше 25%, то вся она связана с гидроксильными группами в стенках клеток. Когда влажность достигает примерно 25%, гидроксилы оказываются насыщенными и стенки клеток не могут больше принимать воду; в таком случае говорят, что достигнута точка насыщения волокон. До этой точки полости клеток остаются пустыми, выше нее практически вся добавочная влага идет на заполнение трубчатых клеток. Все изменения размеров и механических свойств, обусловленные колебаниями влажности, проявляются только ниже точки насыщения волокон, то есть между 0 и 25% влажности. По достижении точки насыщения никакого дальнейшего разбухания не происходит, и добавочная вода просто увеличивает, причем весьма заметно, вес древесины.

Удельный вес вещества дерева около 1,45 г/cм³, однако свежесрубленное дерево в воде не тонет (за исключением очень тяжелых пород), потому что даже в невыдержанной древесине очень много воздуха. Но если оставить дерево в воде, то, пропитавшись водой, оно в конце концов затонет, хотя для этого и потребуется, как и в случае естественной сушки, довольно много времени. В свое время экипаж “Кон-Тики” беспокоило, как поведут себя в плавании пробковые бревна плота, хотя скорость их пропитки не была очень высокой. Американские клиперы середины прошлого века с тремя впившимися в небо мачтами, сделанные из легкого, “мягкого” дерева, пропитывались водой, не прослужив и десяти лет. Однако за годы службы они, вне всяких сомнений, сполна окупали себя. Твердая древесина, которая обычно шла на постройку английских кораблей, была гораздо более водостойкой: можно привести несколько примеров, когда деревянные суда служили больше столетия.

Разложение древесины

Гниение древесины вызывается грибком, который паразитирует за счет целлюлозы: грибки вообще не имеют хлорофилла и не могут производить для себя сахар путем фотосинтеза. Споры различных грибков практически всегда имеются на дереве, подобно тому, как многие болезнетворные микробы живут в организме человека, оставаясь пассивными до той поры, пока не наступят подходящие условия. Болезнь дерева, гниение не может развиваться при влажности меньше 18%, хотя споры сохраняют жизнеспособность в довольно сухой древесине, дожидаясь дождливого дня. Однако и при влажности выше 18% грибок еще не растет, если обеспечена хорошая вентиляция. С другой стороны, если влажность будет около 15%, то нужно совсем немного затхлости в каком-нибудь невентилируемом углу, чтобы началось гниение. Контролировать влажность древесины удается не всегда, но всегда можно обеспечить хорошую вентиляцию, и это будет гарантировать сохранность конструкции.

Сейчас существует много химикатов, убивающих активные споры и грибок в древесине, но их не всегда удобно применять в старых и сложных строениях: до пораженных частей не доберешься без дорогостоящей разборки конструкции. Однако почти всегда можно позаботиться об эффективной вентиляции.

В кругообороте веществ в природе некоторые процессы разложения очень существенны; не будь их, Земля не только была бы завалена стволами ранее живших на ней растений, но и все земные запасы углерода оказались бы связанными в целлюлозе - жизнь не могла бы продолжаться. С этим связано главное возражение против использования биологических материалов человеком: “планы” природы относительно отживающих организмов могут вступить в конфликт с нашими намерениями.

Деревянные суда

Деревянный парусник обеспечил в свое время экспансию Запада и потому более, чем какой-либо другой продукт техники, определил сегодняшние условия в нашем мире. Деревянные парусники открывали новые земли, они делали карту Земли. Они перевозили пассажиров и войска, эмигрантов и каторжников, путешественников и рабов. На них грузили золото и уголь, станки и книги, чай и шерсть, хлопок и дешевую жесть. Они везли это не только за тридевять земель, но и вдоль побережья, по рекам. Многие сотни лет военный корабль был самым веским аргументов королей, которые часто пускали его в ход.

Деревянные корабли - отнюдь не дела давно минувших дней, на памяти нашего поколения существовали первоклассные пассажирские парусные суда, плававшие в Австралию[38]. Живы адмиралы, которые начинали службу на деревянных парусниках.

Хотя примерно в середине прошлого века как корпуса, так и оснастка судов были значительно усовершенствованы, в течение предшествующих трех-четырех столетий основные принципы конструирования оставались неизменными. Они определялись двумя факторами: разбуханием древесины и высокой стоимостью металлов.

Несущая конструкция большого корабля делалась из естественно изогнутой древесины, для таких элементов как шпангоуты, выбирались стволы деревьев, на корню принявших подходящую форму. Водонепроницаемая обшивка и палуба накладывались поверх частой решетки шпангоутов и продольных балок примерно квадратного сечения, пересекающихся со шпангоутами под прямым углом. Эта решетка не имела диагональных связующих элементов, способных воспринимать сдвиг. Кромки примыкающих одна к другой планок обшивки не связывались между собой механически, зазор между ними имел форму V-образной канавки. В эту канавку с помощью специального конопаточного зубила и деревянного молотка загонялась пакля, которую делали из отслуживших свое канатов обитатели тюрем и работных домов.

Поверх пакли между планками оставался открытый зазор шириной примерно 1 см. На палубах его заливали потом с помощью специального черпака горячей смолой. После того как смола застывала, ее излишки легко соскребались - в холодном состоянии смола становится достаточно хрупкой. В итоге палуба расчерчивалась изящными черными линиями. Для днища и боков судна использовалась специальная замазка. Смысл всех этих операций заключался в том, чтобы заставить паклю компенсировать усушку и разбухание деревянной обшивки, а также - в некоторой степени - деформацию корпуса без заметного нарушения герметичности.

Вся конструкция была - в известной мере это делалось умышленно - довольно гибкой, вроде большой корзинки. Вероятно, не без оснований считалось, что, кроме компенсации усушки и разбухания древесины, такая гибкость корпуса вносила свой вклад в скоростные качества и добротность корабля. По-видимому, суда викингов и полинезийские каноэ были еще менее жесткими. Уже в викторианские времена, когда корабли комбинированной конструкции стали намного жестче, было специально построено несколько гоночных клиперов с корпусами, жесткость которых можно было изменять по желанию. Об одном из таких судов, когда оно вырывалось вперед, в экипажах соперников шутили: “Они там развинтили болты, и мы их уже никогда не увидим”.

В гаванях деревянные суда были, как правило, водонепроницаемыми, но все они, без исключений, начинали течь, когда выходили в море. Иногда течь бывала незначительной, а порой грозила опасностью. Несмотря на вековой опыт, корабельных дел мастера никак не могли, кажется, понять, что такое сдвиг. Любая конструкция типа оболочки, подвергнутая изгибу и кручению, претерпевает значительные сдвиги в обшивке, а ведь этому как раз и подвергается корабль в море, особенно парусник. Но традиционная корабельная конструкция была подобна раме ворот без диагональных брусьев.

Поскольку в конструкции судна никаких специальных элементов, эффективно воспринимающих сдвиг, не было, он воспринимался все той же паклей, которая попеременно то сжималась, то возвращалась в прежнее состояние, подобно губке. Время от времени (правда, на удивление редко) плывущий корабль выплевывал шпаклевку из какого-нибудь подводного шва. Случалось, что судно после этого тонуло. Однако чаще оно начинало течь и текло, текло… В этих случаях опасность была не столько в том, что корабль немедленно затонет, сколько в том, что непрерывная откачка воды измотает силы команды, доведя матросов до такого состояния, при котором может случиться все что угодно.

Когда ситуация грозила катастрофой, можно было попытаться “подпоясать” корабль, обвязав его с помощью тросов, пропущенных под корпусом, подобно тому как об этом сказано в Новом Завете. С тех пор эта уловка повторялась много раз, и очень может быть, что именно сейчас где-нибудь в океане ее проделывают с каким-нибудь суденышком. Смысл этой операции заключается только в одном - снабдить корпус судна воспринимающими сдвиг элементами. Но пока она не будет выполняться со знанием дела и точностью, которые, пожалуй, невероятны в подобных обстоятельствах (например, следует направить трос под углом примерно 45° к оси судна), она, надо думать, будет не более успешной, чем на корабле “Св. Павел”.

Что касается британского военного флота, то основные неприятности с течами кончились где-то около 1830 года, когда Роберт Сеппингс (1764-1840) предложил делать в деревянных корпусах кораблей железные диагональные крепления, Сеппингс, который часто приговаривал, что “частичная прочность приводит к общей непрочности”, был, вероятно, одним из первых кораблестроителей, понявших картину напряженного состояния корабельного корпуса. В торговом флоте деревянные корпуса были в основном заменены комбинированными и металлическими конструкциями лишь во второй половине прошлого века. Однако продолжали строиться и деревянные суда без соответствующего укрепления корпуса против напряжений сдвига. Старея, такие суда текли все больше. Они текли, а их эксплуатировали, пока это было экономически выгодным в условиях почти исключительно ручной откачки. Между прочим, вплоть до 1914 года норвежские судовладельцы покупали английские парусные суда и эксплуатировали их с ветряными помпами.

Несмотря на недостатки, деревянные военные парусники находились на вооружении флотов на протяжении трех-четырех веков, и адмиралтейства расставались с ними с сожалением, так как эти корабли были по-своему очень эффективны и экономичны. Они имели хороший радиус действия, были выносливы, независимость от морских баз позволяла им бесследно исчезать в океанских просторах - все эти достоинства флоты обрели вновь лишь недавно, с приходом атомных подводных лодок.

Активные действия флота случались не часто, угрозой был сам факт его существования. Однако до середины XVIII века считалось непрактичным круглый год держать флот в море, так как зимой корабли быстрее портились. Правда, усилиями преданных своему делу офицеров эти трудности преодолевались. Каждому, кто знаком с характером побережья, парусными судами и молекулой целлюлозы, длившаяся круглый год блокада Бреста и Тулона должна показаться почти невероятной. “Эти стоящие вдали избитые штормами корабли, которых Великая армия никогда не видела, стояли между нею и мировым господством”[39].

Канаты и рангоуты балтийского происхождения доставляли морякам блокирующих судов много хлопот. И хотя французов они видели очень редко, им приходилось сражаться денно и нощно, их врагами были канаты, паруса, реи, которые вытягивались, гнили, рвались. Адмирал Нельсон писал: “Ко мне обращались с разных кораблей с жалобами на большую часть парусов и оснастки, но просьбы о замене выполнить было невозможно, так как в запасе был лишь такой же непригодный к службе хлам. Надо было искать другие пути борьбы с этим злом”. И все же “двадцать два месяца флот Нельсона не заходил в порт, - и, когда в конце концов возникла необходимость преследовать неприятеля четыре тысячи миль, корабли оказались во всех отношениях готовыми к этому неожиданному и столь далекому походу”.

Когда парусное судно идет при крепком попутном ветре будь это даже шторм, нагрузки в оснастке не слишком велики. Однако, когда корабль бросает из стороны в сторону на его пути против ветра, общая нагрузка в тросах на которых держатся мачты, может достигать нескольких тысяч тонн. Вплоть до середины XIX века вся эта нагрузка, эквивалентная весу многих железнодорожных составов, приходилась на долю пеньковых канатов, которые всегда подвержены разбуханию и усушке, вытяжке и гниению, поэтому требовалось большое искусство для того, чтобы не лишиться нескольких - а того и гляди, всех - мачт и гренгоутов. Понятно, что моряки всегда стремились избегать длительных походов навстречу ветру в бурную погоду. Пройти, например, мыс Горн всегда было гораздо опаснее, чем следовать знакомой дорогой к восточному побережью Америки или даже в Индию. Известен случай, когда экипаж (то был экипаж капитана Блая на корабле “Баунти”), взбунтовавшись, отказался повторять попытку обогнуть злополучный мыс: после первой попытки корабль едва не разнесло в щепки. В конце концов Блай должен был повернуть назад, держа курс в прямо противоположном направлении, в Тихий океан, вокруг Земли. Блай был превосходным моряком, и если уж он не преуспел здесь, то вряд ли кто-нибудь другой смог бы добиться успеха.

На английских военных кораблях металлические тросы для оснастки начали использовать с 1838 года. В торговом флоте стальные канаты внедрялись очень медленно (этот процесс продолжался до 60-х годов прошлого века), потому что как раз в это время была усовершенствована технология скрутки пеньковых канатов: механическая скрутка делала канаты более плотными, отчего они значительно меньше вытягивались. Появление лучшей оснастки случайно почти совпало с открытием золота в Калифорнии. Около половины эмигрантов и все тяжелые грузы были доставлены туда морем. В те годы быстроходные парусники могли пройти путь от Нью-Йорка до Сан-Франциско за сто дней. В 1849-1850 годах 760 парусных судов обогнуло мыс Горн, провезя 27 тысяч пассажиров. Трудно определить, какая часть этих судов была оборудована стальными канатами, а какая - пеньковыми, ясно только, что покорение американского Запада во многом обязано улучшенным тросам[40].

Еще одним не менее важным шагом вперед явилась якорная цепь. Пеньковый кабельный трос имел определенные достоинства, однако для его хранения требовалось особое место на судне; весьма впечатляют громадные вентилируемые бухты на корабле “Виктория”. Цепь, которая появилась на судах в 1811 году, могла храниться в небольших сырых помещениях; можно сказать, что цепь освободила место для машин и угольных бункеров.

Во времена малых скоростей, когда Новый Свет еще не имел судоверфей, серьезную проблему составляло обрастание днища судна растительностью и разрушение древесины животными-вредителями. Однако она была в основном решена медной облицовкой корпуса (примерно 1770 год). Это было самым крупным усовершенствованием XVIII века, увеличившим скорость и радиус действия судов, и настолько успешным, что судовладельцы впоследствии были весьма резко настроены против использования железа для корабельных корпусов - железо нельзя покрывать медью непосредственно из-за электрохимического взаимодействия между двумя металлами в соленой воде. Иногда железные корпуса обшивались деревом, а уже потом покрывались медью. Чаще других так строили корпуса военных кораблей, но конструкция получалась тяжелой. Много лучших быстроходных парусников имело комбинированный корпус. “Катти Сарк” (1869 год) была обшита тиком, обшивка болтами крепилась к железному каркасу с соответствующими подкреплениями против сдвига. Днище корабля было покрыто сплавом типа латуни, мунтц-металлом. Некоторые специалисты считают такую конструкцию наиболее совершенной для судов средних размеров. Вполне возможно, что это так, но она, к сожалению, еще и очень дорога.

Рис. 40. Клипер "Великая Австралия"

Подешевление чугунных и стальных плит в 70-х годах прошлого века сделало постройку комбинированных корпусов неэкономичной, и к концу столетия большая часть морского грузооборота уже приходилась на большие парусные суда почти стандартной конструкции со стальными корпусами, стальными палубами, стальными рангоутами, стальной оснасткой. Такие суда были полностью герметичными, их мог обслуживать небольшой экипаж. Несколько меньшая скорость из-за более грубого днища компенсировалась возможностью идти под парусами в плохую погоду. Столетиями моряки привыкали лелеять деревянные суда, беречь их, никогда не перегружая сверх меры. Капитаны же стальных парусников считали свои корабли неуязвимыми просто потому, что они были стальными. Немало стальных кораблей затонуло в результате таких настроений.

Пароходы не составляли большинства на флоте примерно до 1890 года. Во всяком случае, они, как правило, использовались на более коротких маршрутах. Конечно, было построено предостаточно и деревянных пароходов, но тенденция к переходу на сталь выявилась здесь раньше, чем в случае парусных судов. Так получилось отчасти потому, что стальной корпус лучше деревянного сопротивлялся вибрациям паровых машин того времени, а также потому, что при непрерывном движении и более коротких маршрутах обрастание днища было не столь сильным. Ведь наиболее интенсивно обрастает попавший в штиль парусник.

Классическая деревянная конструкция все еще используется и сегодня для рыболовных судов, минных тральщиков и яхт водоизмещением до 400-500 т. Обычно она обеспечивает минимум веса для гоночных яхт; кроме тоге, это самая простая и дешевая конструкция яхты.

В простейших своих формах такая конструкция и сейчас страдает все тем же старым недугом - недопустимые течи в плохую погоду. Этот недостаток усугубляется намного большим весом современной оснастки и, следовательно, большими нагрузками на корпус. Конечно, все это можно преодолеть мастерством и усложнением конструкции, но тогда стоимость деревянного корпуса будет больше, чем стального или сделанного из пластика.

Клей и фанера, или слюда в планерах

Тот факт, что прочность конструкционных материалов составляет обычно 1-5% от прочности химических связей, до недавнего времени не имел особого практического значения: соединения деталей и элементов в конструкциях были настолько плохими, что даже такая прочность материалов едва ли использовалась полностью. Правильно сделанные узлы и сплетения канатов дают от 40 до 80% прочности исходного каната. Соединения древесины гвоздями, шурупами, штифтами, шипами еще менее эффективны. Более прочные соединения дают такие операции, как связывание ремнями, шитье, заклинивание; ими пользовались еще первобытные люди и - до недавних пор - моряки; еще и сейчас так делают сани. В 20-е годы корпуса гидросамолетов сшивали, используя в качестве нитки медную проволоку.

Шурупы, которые с удовольствием применяют плотники-любители, являются самым плохим способом соединения. Между первой и второй мировыми войнами в Германии предметом серьезных исследований был гвоздь; немцами были разработаны новые и очень разумные формы механических соединений. Результаты этих работ используются иногда и сегодня в строительстве деревянных домов, но в целом механические соединения древесины сейчас отодвинуты на задний план операцией склеивания. Современные клеи позволяют использовать древесину с большей эффективностью, но вместе с тем возникли, конечно, и новые трудности, и новые проблемы.

Клеи

Стараниями многих ученых мужей и научных комитетов на проблему склеивания наброшен полог таинственности. В действительности же элементарная теория склеивания достаточно проста, трудна практика клейки. Как мы видели в главе 2, любая поверхность обладает энергией - это следует из самого факта существования поверхности, твердой или жидкой. Если мы возьмем твердое тело и жидкость по отдельности - каждое вещество в контакте с воздухом, - то их поверхности будут иметь свои значения поверхностной энергии. Но если жидкость попадает на твердое тело и смачивает его, то энергия поверхности раздела между ним и жидкостью будет меньше суммы исходных энергий этих поверхностей в контакте c воздухом. Смачивание, таким образом, связано с понижением энергии и будет иметь место всегда при контакте жидкости с твердым телом[41].

Жидкость на поверхности твердого тела может тем или иным путем затвердеть, например она может замерзнуть. Энергия границы раздела при этом существенно не изменится. Следовательно, чтобы убрать затвердевшую жидкость с твердой поверхности механическим путем, придется воспользоваться энергией деформации, то есть приложить механическую силу. Таким образом, адгезия (приклеивание, прилипание) в принципе очень похожа на когезию (внутреннее сцепление). Принципиальной разницы между прочностью склейки и прочностью твердого тела нет. Обычно энергия поверхности раздела между клеем и твердым телом несколько меньше энергии свободной поверхности прочного тела, но эта разница не слишком велика. К тому же она и не имеет особого практического значения; реальная прочность все равно значительно меньше, чем, казалось бы, должна быть. Причины слабости адгезии сегодня мы понимаем, пожалуй, хуже, чем причины малой фактической прочности. Несомненно лишь одно - они имеют сходный характер.

Таким образом, любые два твердых тела можно приклеить одно к другому, если мы найдем жидкость, которая будет смачивать их обоих и затем затвердевать. Трудности здесь носят чисто практический характер. Дерево очень хорошо клеится замерзшей водой - такая склейка успешно пройдет большую часть обычных испытаний. Столярный, или мездровый, клей можно рассматривать как модификацию именно такого клея - лед, температура плавления которого поднята до более приемлемого уровня. Мездровый клей - то же самое, что и подаваемое к столу желе, лишь воды к желатину добавлено поменьше, а сам желатин может быть получен из костей, кожи, копыт, рыбы и т.д. Концентрированный раствор желатина размягчается при нагреве до 70-80°С. Намазанный на древесину, он прочно прихватывается к ней при охлаждении, и соединение вскоре готово. К сожалению, этот процесс легко обратим при нагревании или намокании. Кроме того, желатин - прекрасная пища для грибков и бактерий. Поэтому мездровый клей пригоден для использования только в закрытых помещениях. Несмотря на это, его применяли в первых самолетах. Места склейки покрывали защитным слоем лака, но это не всегда достигало цели. Тот же клей в спиннинговых удилищах защищается от воздействия внешней среды путем пропитки всего удилища в формалине. Такая обработка не могла применяться к самолетам только из-за размеров их конструкции. Как бы плохи ни были желатиновые клеи, их конкуренты - гуммиарабики и клейстеры, которые варились из некоторых сортов муки, - уступали им. Но как ни странно, намного лучший клей был известен давным-давно, веками оставаясь в тени. Еще древние египтяне использовали в качестве клея казеин, а средневековые художники применяли его как растворитель для красок. Затем с начала XIX века им начали клеить в Германии и Швейцарии. Не ясно, почему казеин раньше не использовался в технике. Но примерно с 1930 года он стал признанным клеем для самолетов и яхт, сделав реальностью деревянные самолеты и современную оснастку яхт.

Казеин - это содержащаяся в молоке сыворотка, и, следовательно, он подобен сыру. Сыворотка растворима в щелочной воде, но не растворима в кислотах. Поэтому она выделяется из молока любой слабой кислотой, для детского питания казеин получают с помощью сока ревеня, для технических нужд - воздействием слабой соляной кислоты. Выделенную сыворотку можно снова растворить в воде, содержащей немного каустической соды. Казеин медленно реагирует с известью, образуя нерастворимый казеинат кальция.

Казеиновый клей продается в виде сухого белого порошка, состоящего из высушенной сыворотки, каустической соды (или другой щелочи) и извести. Если этот порошок замесить на холодной воде, он прежде всего растворяется, образуя белую, похожую на сметану пасту а затем медленно затвердевает. Этот клей очень прост в применении; единственное, о чем следует помнить, - это о том что крышка банки с клеем при длительном хранении должна быть плотно закрыта, так как в противном случае в банку будет попадать влага и преждевременно пойдет реакция образования казеината кальция. Казеиновый клей схватывается за один-два дня, причем швы получаются более или менее влагостойкими. Однако, хотя казеинат кальция и не растворим в воде, при намокании он немного размягчается. Казеиновые клеи очень широко использовались в самолетостроении во время войны, и вот однажды кто-то обнаружил, что разрывная прочность образцов влажного казеина составляет всего лишь пятую часть прочности сухого казеина. Не без оснований появились опасения, что прочность мокрых самолетов с казеиновыми склейками может быть в пять раз меньше прочности сухих самолетов. В смятении мы набрали сотню примерно одинаковых деревянных стабилизаторов на казеиновом клее. Половину из них опустили на 6 недель на дно пруда, вторую половину держали сухой. Тем временем подготовили установку, которая нагружала стабилизаторы примерно такими же силами, какие действовали на них в полете; когда все было готово, мы испытали всю партию. К нашему удивлению, все стабилизаторы ломались примерно при одной и той же нагрузке под аккомпанемент многочисленных вздохов облегчения. Причина такого счастливого исхода поучительна. Дело в том, что распределение напряжений в склейке далеко не однородно. В типичном случае, показанном на рис. 41, практически вся нагрузка воспринимается концевыми участками склейки и очень небольшая ее часть передается через центральные области шва. Это один из вариантов уже знакомой нам концентрации напряжений, которая так много значит в технике и науке о материалах. Между прочим, в результате прочность клеевого соединения зависит главным образом от его ширины, а не от площади. Кстати сказать, то же самое справедливо и для механических соединений: основную нагрузку несут первый и последний болты (или заклепки). Это одно из обстоятельств, которые отравляют жизнь конструктора.

Рис 41. Клеевое соединение внахлестку; внизу показано распределение напряжений вдоль соединения. Максимальное напряжение - в точках А и B.

Итак, казеин в твердой хрупкой форме передает нагрузку в лучшем гуковском стиле. Когда напряжения на концах склейки достигают прочности сухого казеина, в соединении появляются трещины со своими собственными местными концентрациями напряжений, в конце концов трещина проскакивает через середину клеевого соединения примерно так, как это было бы в стекле.

Влажный казеин очень похож на мягкий сыр, и его поведение не имеет ничего общего с гуковским. В результате в местах концентрации напряжений, у концов склепки он интенсивно течет, передавая часть нагрузки на центральную часть клеевого шва. Поэтому подобные казеину клеи снимают некоторые проблемы, в частности прочность склейки в сухом и влажном состояниях почти одна и та же. Это, конечно, превосходная характеристика и одна из причин популярности казеина. Если бы мир был стерильным, казеин был бы практически идеальным клеем. К сожалению, казеин представляет собой, как мы уже говорили, смесь сыра и извести и c течением времени портится так же, как и сыр. Его последние часы напоминают заключительный этап жизни камамбера: казеин превращается в жидкость с дурным запахом и выползает из соединений, оставляя после себя лишь грязные пятна. Интересно, что добавка фунгицидов в клей не улучшает его.

Все это заставило предпринять значительные усилия (на них ушли годы), чтобы разработать синтетические смолоподобные клеи, основанные на полимерных веществах. Пожалуй, лучшим и наиболее долговечным решением было использование в те годы фенол-формальдегидной смолы, или бакелита. В исходном состоянии бакелит представляет собой либо жидкость, напоминающую по виду патоку, либо сухой порошок. Под действием тепла и давления порошок становится жидкостью, которая со временем затвердевает, если действие тепла и давления продолжается. Получившееся твердое нерастворимое вещество практически не подвержено гниению. Фенол-формальдегид стал основой целой серии действительно великолепных клеев. Правда, использовать их можно лишь тогда, когда допустима тепловая обработка при температуре около 150° С. Важно также, чтобы при склейке не было заметного зазора в соединении. Поэтому операция склейки на практике должна выполняться на гидравлических прессах с подогревом. Такая склейка оказалась очень удобной только в производстве фанеры, где она имела огромный успех.

Фенол-формальдегидные клеи позволили получать хорошую водостойкую фанеру. Но проблема клеевых соединений в самолетах и на судах оставалась нерешенной, потому что на практике оказывается трудным аккуратно нагревать стыки в больших конструкциях. Вообще говоря, фенол-формальдегидные смолы могут твердеть и без нагрева, но для этого в них следует добавить большие количества химических катализаторов, способствующих твердению. Такими катализаторами служат сильные кислоты, которые разрушают древесину да еще и оказываются токсичными.

Первые синтетические клеи для сборки деревянных конструкций были основаны на карбамидной смоле, которая может твердеть со значительно более слабыми катализаторами. Эти первые клеи были довольно хорошими, но, надо сказать, таили в себе некоторые опасности для конструкций. Для предварительно хорошо пригнанного шва тонкая клеевая прослойка была достаточно надежной. Но когда соединение было подготовлено плохо, так что слой клея был толстым, усадка и внутренние напряжения, сопровождающие его твердение, разрушали склейку. Поскольку проверить качество подгонки шва после сборки и склепки невозможно, клеевые соединения были потенциальной причиной катастроф.

Другое неудобство состояло в том, что время твердения клея после добавки катализатора, а следовательно, и время, в течение которого с таким клеем можно было работать, ограничивалось несколькими минутами. Более того, о твердеющем клее нельзя было сказать, сколько минут назад в него был добавлен отвердитель. Эти обстоятельства в сочетании с известными человеческими недостатками часто приводили ко всякого рода ошибкам. Правда, впоследствии были разработаны отвердители, которыми можно было смазывать одну деталь, в то время как другая смазывалась самим клеем - твердение и схватывание начиналось лишь после того, как поверхности прижимались одна к другой. Дальнейшим шагом в сторону повышения надежности (учитывались все те же человеческие недостатки) была окраска клея и отвердителя в разные характерные цвета.

Положение дел с клеем к концу войны было, таким образом, следующим. Прекрасная и чрезвычайно водостойкая фанера стала универсальным материалом. В качестве сборочных клеев конкурировали казеин и карбамидная смола. Казеин был исключительно прост в использовании и обладал прекрасной прочностью как в сухом, так и во влажном состояниях, но в то же время при первой же возможности он катастрофически разлагался. Карбамидный клей не подвержен разложению, но поначалу при клейке он требовал определенной сноровки, да к тому же случалось, что он ни с того ни с сего рассыпался. С тех пор карбамидные клеи были значительно усовершенствованы, а два теперешних синтетических клея, резорцин-формальдегидная и эпоксидная смолы, будучи, правда довольно дорогими, обладают практически всеми необходимыми достоинствами. Нужно лишь иметь в виду, что эпоксидная смола часто вызывает воспаление.

Когда необходимо сделать выбор из десятков современных клеев, то главными аргументами за и против обычно служат легкость применения, долговечность и стоимость. Правильно сработанное соединение при использовании любого хорошего клея бывает прочнее окружающей древесины. Как правило, разрушение происходит не по самому шву, и слой клея оказывается покрытым тонким слоем древесины.

Гвозди и шурупы не увеличивают прочности хорошего клеевого шва, но в процессе твердения всякий клей требует, чтобы склеиваемые поверхности были плотно прижаты одна к другой, а это проще всего достигается с помощью гвоздей и шурупов. Ну, а коль уж гвоздь забит, нет особого смысла вытаскивать его после схватывания клеем. Более того, если склейка по каким-либо причинам оказалась неудачной, механическое крепление будет полезной страховкой. В те времена, когда был еще только казеин, в тропиках о некоторых самолетах говорили, что они собраны на гвоздях без шляпок. В большинстве случаев это было, конечно, клеветой, но я сам несколько раз был свидетелем того, что это не так уж далеко от истины. Лично я, когда речь идет о клеях, не постеснялся бы надеть и ремень, и подтяжки.

Слоистая древесина и фанера

Использование древесины всегда было связано с заботами о том, чтобы получить материал нужных размеров и быть уверенным, что полученный материал не содержит скрытых дефектов. Давно прошли те времена, когда можно было купить огромные бревна сосны каури из Новой Зеландии или желтой сосны из-под Квебека, которые были практически совершенными. В наше время в технике чаще всего используется слоистая древесина. Бревна, как правило, разрезаются на сравнительно небольшие куски, которые затем склеиваются в пакеты; делается это обычно на гидравлических прессах с помощью синтетического клея. Таким способом можно получить листы любых размеров. При этом на деле используется весь объем как больших, так и малых деревьев; любой серьезный дефект нетрудно выявить и провести отбраковку. Легко могут быть изготовлены клееные элементы изогнутой формы, на дорогах Англии нередко создают помехи движению грузовики, перевозящие огромные деревянные арки для разного рода архитектурных сооружений. Нехватка высококачественной древесины для авиа- и судостроения могла бы стать серьезной проблемой во время войны, если бы обычная древесина не доводилась до нужных кондиций путем создания слоистых материалов.

Эти слоистые материалы были просто-напросто обычной древесиной, разрезанной на куски и затем снова склеенной. Но существовал, однако, печальный опыт материалов, известных как “улучшенная древесина”, свойства и судьба которой были, казалось, предопределены этим громким названием. Как “улучшалась” древесина? Сначала ее пропитывали некоторым количеством смолы, а затем прессовали до значительно большей плотности. Считалось, что при этом механические свойства материала должны улучшиться. И они действительно улучшались, но, как правило, лишь пропорционально увеличению плотности. В то же время у прессованной древесины значительно снижалась трещиностойкость. Что еще хуже, этот материал разбухал в воде до своих начальных размеров, и разбухание это было почти всегда непредсказуемым и необратимым. И все-таки какое-то время прессованная древесина использовалась для изготовления пропеллеров некоторых типов самолетов.

Совсем иное дело - фанера, которую, пожалуй, следует считать новым и чрезвычайно удачным материалом. Она получается путем склеивания трех или более листов шпона, то есть тонких слоев древесины с перекрестным направлением волокон. Шпон либо нарезается тонкими слоями из бревна на машине, очень напоминающей большой рубанок, либо получается с помощью лущения. Круглое бревно сначала прогревается в течение суток в паровой траншее, а затем устанавливается на специальном лущильном станке. Бревно вращается в станке, а длинный нож врезается в него и начинает по кругу снимать тонкие слои древесины с такой скоростью, что на это зрелище прямо-таки залюбуешься. Далее шпон режется, сушится, из него удаляются дефектные места, и наконец, спрессованный и склеенный на больших прессах, он превращается в фанеру.

Поначалу фанера склеивалась растительными или животными клеями, поэтому она совершенно лишена была влагостойкости и чуть ли не стала почти что бранным словом. Внедрение фенольных клеев все изменило и, между прочим, занятнейшим образом проиллюстрировало, как может трансформироваться отношение к материалу. Современная фанера на фенольных клеях совершенно не поддается воде - она не расслаивается, когда намокает. Поэтому она широко используется в судостроении.

Как и следовало ожидать, размер фанеры при колебаниях влажности изменяется вдвое меньше, чем у обычной древесины. Это значит, что максимальные изменения размеров в двух направлениях составят около 5%. На практике эта величина значительно ниже. Но если поверхностные слои высушиваются, например на горячем солнце, они оказываются под напряжением, растягивающим их поперек волокон. В результате фанера может покрыться густой сеткой малых трещинок. Сами по себе они не слишком страшны, но незакрашенные складки становятся ловушками для влаги и бактерий, что таит в себе известные неприятности. Горячее прессование убивает почти все бактерии и грибки, но после растрескивания попадающая на древесину инфекция в сочетании с водой приводит к быстрому ее гниению.

Аэропланы

Никогда не следует относиться с презрением к каким бы то ни было конструктивным формам, в том числе и к биплану, построенному на струнах и стержнях. Главный показатель, который определяет выбор материалов и конструктивных форм,- это отношение нагрузки на конструкцию к ее размерам. Когда нагрузки сравнительно невелики по отношению к размерам, обычно лучше сосредоточить сжимающие силы в нескольких компактных стержневых элементах (стойках) и распределить растяжение в обшивке и струнах. Именно так построены оснастка парусных кораблей, палатки, ветряные мельницы. С некоторыми оговорками это справедливо и для воздушных шаров. Любые другие решения в подобных случаях приводили бы к тяжелым, дорогим и менее удобным конструкциям.

По понятным причинам все первые самолеты имели очень малую нагрузку на крыло. Размеры во многих случаях были не намного меньше, чем у соответствующих современных самолетов, ну а вес такого самолета составлял менее 10% веса современной машины с жесткой обшивкой. В таких условиях конструкция из ткани, натянутой на каркас из древесины и бамбука, была и логичной, и эффективной. При мощности тогдашних двигателей аэроплан другой конструкции просто не поднялся бы с земли. Форма биплана позволяла построить отличную решетчатую ферму и кессоны - очень жизнеспособные и легкие конструкции. Массивные элементы были нужны только для того, чтобы воспринимать сжатие, и, поскольку главная опасность в таких условиях крылась в потере устойчивости, эти элементы должны были быть возможно более простыми: лучше всего этим целям служили бамбук и ель. Для растянутых элементов использовалась рояльная проволока. Однако соединение бамбуковых элементов, работающих на растяжение, всегда было серьезной проблемой.

Такой способ конструирования давал отличные прочные самолеты лишь тогда, когда конструктор твердо знал, какой элемент будет нагружаться растяжением, а какой - сжатием. Ведь если стойка при необходимости и могла принять на себя растяжение, то уж проволока никогда не сопротивляется сжатию. В некоторых бипланах посложней не всегда можно было проследить пути, по которым передается нагрузка. Недаром в ходу была банальная шутка: лучший способ проверить правильность оснастки крыла биплана - посадить в середину канарейку; если ей удастся вылететь наружу - в конструкции какой-то непорядок.

Печально известен случаи с бипланом “Кафедральный собор”. Его создатель С.Ф. Коуди питал пристрастие к сложной путанице расчалок, но ему не хватало технической грамотности. Мой дед, один из пионеров авиации, рассказывал мне, что однажды он долго спорил с Коуди по поводу того, будет ли в полете какой-то элемент испытывать растяжение или сжатие. Коуди настаивал, что элемент будет растянут, и поставил струну. Правота моего деда обернулась для Коуди трагически - он погиб через несколько минут после взлета. Есть какая-то ирония судьбы в том, что ситуация с “Кафедральным собором” была прямо противоположна неприятностям с кладкой каменных соборов: они рушились из-за того, что в тех местах, где, по предположению строителей, должно было быть сжатие, оказывалось растяжение.

Потребовалось немало времени и жизней, прежде чем были в достаточной степени изучены и поняты условия нагружения, в которых оказывается самолет в полете. Англичане во многом обязаны этим достижением группе одаренных людей, собравшихся в Фарнборо в первую мировую войну (знаменитая Чадлайфская кучка[42]).

Принципы расчета и испытаний самолетов на прочность остаются и сейчас, в эпоху сверхзвуковых истребителей, во многом теми же, что и в годы деревянных бипланов, хотя в практике этих операций появилось много нового.

Когда самолет спроектирован и построен, полноразмерный образец его должен быть проверен на прочность и жесткость. Испытания на жесткость сравнительно просты, но прочностные испытания иногда требуют громоздких и сложных приспособлений. В 1914 году самолет обычно переворачивали вверх ногами и затем на плоскости крыла укладывали мешки с песком или свинцовой дробью, распределяя их так, чтобы они представляли аэродинамическую нагрузку на самолет в самых опасных условиях полета, например в случае выхода из пике. Довольно скоро нагрузки на самолет стали слишком большими и воспроизвести их этим методом уже не удавалось (хотя мешки с дробью иногда все еще используются для кое-каких простых испытаний). В наши дни обычно прибегают к помощи гидравлического домкрата, который передает нагрузку на крыло через изощренную систему рычагов, напоминающую родословное древо. Каждая ветвь этого древа заканчивается креплением на поверхности крыла. Благодаря тому, что точек крепления много, распределенный характер аэродинамической нагрузки можно имитировать очень хорошо (рис. 42).

Рис. 42. Схема испытания крыла самолета. Нагрузка прикладывается к крылу в сотнях точек, распределенных по обеим поверхностям. 1 - стальная рама; 2 - гидравлический домкрат: 3 - крыло; 4 - имитация крепления к фюзеляжу.

Лучшие образцы деревянных бипланов, такие, как “Авро-504” и серия “Мотс” (“Мотылек”), были почти вечными. Разрушить их можно было, разве что врезав со всего маху в землю. Чувство конструктивной надежности в полете на таких самолетах, которые держались на стойках и расчалках, было очень приятным, настроение могли испортить лишь двигатели. Монопланы с консольными крыльями казались намного опасней.

Однако с ростом нагрузок общая тенденция проектирования твердо повернулась в сторону монококовой конструкции, то есть моноплана с жесткой обшивкой. Нагрузки в ней по возможности воспринимались обшивкой. Тонкая мембрана отлично сопротивляется растяжению; трудности связаны здесь с тем, как заставить ее воспринимать сжатие без выпучиваний. На практике этот вопрос решил компромисс: тонкая обшивка разделила нагрузку с лонжеронами и стрингерами. Вся эта довольно сложная конструкция образовала жесткую на изгиб, а следовательно, устойчивую против выпучивания оболочку.

Отличным примером первых таких самолетов был DC-3 позже известный как “Дакота”. Затем последовали “Спитфайер” и многие другие знаменитые самолеты второй мировой войны. Все они были металлическими, алюминиевые листы обшивки клепались к стрингерам уголкового профиля. Такая конструкция оказалась по весовой эффективности практически эквивалентной деревянно-тканевой. Преимуществами ее были более гладкая наружная поверхность и силовая рама, почти полностью исключавшая уход за ней. Конструкция такого типа остается и сейчас основной при проектировании самолетов.

В 1939 году широко распространилось мнение, что деревянным самолетам пришел конец. Может быть, так оно и случилось бы, не возникни во время войны нехватка алюминия, а также оборудования и квалифицированных кадров. Кроме того, мебельные фирмы сократили производство, да и время разработки деревянного самолета всегда было намного короче, чем металлического.

Один многоопытный эксперт заработал своего рода славу, категорически заявив, что построить современный самолет из дерева технически невозможно. Едва успели просохнуть чернила на его бумагах, как появился “Москито”. Этот деревянный самолет был одной из самых удачных машин, он был построен в 7781 экземпляре. Быть может, немцы не любили его больше, чем любой другой английский самолет[43].

Кроме “Москито” и учебно-тренировочных машин, огромную серию деревянных аппаратов составили планеры. Большинство планеров имело значительные размеры, размах их крыла доходил до 35 метров. Зачастую они предназначались для переброски танков и другого тяжелого снаряжения. Вначале предполагали строить планеры в расчете лишь на один полет. Однако это оказалось непрактичным: необходимы были машины для тренировок, нужно было перебазировать планеры с аэродрома на аэродром в связи с изменениями стратегической и тактической ситуаций и - что более важно - рука не поднималась строить аэроплан только для одного полета. Практически эти планеры были очень похожими на самолет, разве что не имели двигателя.

В целом деревянный самолет был чрезвычайно удачным и, я думаю, сыграл немалую роль в войне. Однако он задал в свое время немало разного рода технических задач, которые с головой завалили работой небольшую группу химиков-органиков Авиационного центра в Фарнборо. Значительным в этой работе оказался вклад молодого кембриджского биолога Марка Прайера, специально отозванного из прожекторной команды. Во многом благодаря Прайеру сократилось число аварий, и большинство планеров долетало до Франции в удовлетворительном состоянии. Немало солдат и авиаторов обязаны жизнью этому неутомимому биологу, который с аэродрома, мчался к микроскопу, от микроскопа - на самолетный завод, оттуда опять к микроскопу и так на протяжении нескольких лет.

Взвешивая сейчас все обстоятельства этой истории, трудно утверждать, что можно было бы заблаговременно предвидеть все возникшие тогда проблемы. К старым обтянутым тканью бипланам не было никаких претензий: их собирали из небольших кусков дерева, содержали в добротных сухих ангарах, они сами по себе хорошо вентилировались. С самолетами военного времени все было не так. Прежде всего новые машины имели монококовую конструкцию со сравнительно тяжелыми лонжеронами и стрингерами, жестко приклеенными к толстым фанерным стенкам и обшивке. (Мы еще поговорим позже о некоторых последствиях, к которым привело такое изменение конструкции). Самолет был разделен на большое число плохо вентилируемых и труднодоступных отсеков. В отсеках самолетов, оказавшихся под английским или тропическим дождем, воздух быстро становился затхлым, на дне их часто появлялись лужи. В таких условиях нескольких месяцев вполне хватало не только на разложение клея, но и на гниение древесины. Нелегко наладить вентиляцию, если конструктор о ней забыл, и очень часто самое лучшее, что можно было сделать, это оставлять все контрольные люки открытыми во время стоянки на земле.

Однако во многих аэропланах свободная вода собиралась часто в самых недоступных местах. Нужно было позаботиться, следовательно, о дренажных отверстиях, делать их следовало не где попало, а в самой нижней точке каждого отсека. Поначалу из этого почти ничего не получилось. Просверленные в фанере отверстия изнутри окружала небольшая корона из щепок, которую нельзя было не только удалить, но и увидеть. Щепки быстро забивались всяким пухом и грязью, блокировали отверстие, и снова появлялась лужа. Пришлось прожигать отверстия раскаленным прутом - казалось бы, очевидное решение, стоило лишь об этом подумать заранее. Такая процедура применялась как к самолетам, так и к торпедным катерам.

Прожженные дренажные отверстия, безусловно, помогали, но возникла новая проблема - грязь, которая забрасывалась вместе с водой не только в дренажные, но и во все другие отверстия колесами самолета при взлете и посадке. Вода стекала, оставляя слой влажной грязи, часто содержащей семена различных растений. Семена попадали при этом примерно в те же условия, в которых прорастают семена огурцов или салата, завернутые во влажную тряпочку. Такой огород в самолете был, конечно, ни к чему.

В целом эти неприятности были особенно опасными в планерах. Самолеты, естественно, летают более часто, а сквозняки в полете идут на пользу конструкции и во вред грибку. Но планеров делали все больше и больше, в ангарах для них не было места, так что их держали под дождем на задворках аэродромов. Более 5000 планеров ожидали начала военных действий. “Эксперты” не могли уследить за состоянием всех этих машин, поэтому по инструкции Марка Прайера они должны были докладывать ему, учуяв исходящее от планера зловоние.

Причин зловония в деревянной конструкции может быть три: отсутствие дренажа, мыши и гниение. Все запахи одинаково неприятны и трудно различимы между собой. Дренажные запахи исходят от недренируемой сточной воды, повреждающей конструкцию. Мыши, забираются в самолет за добычей - под досками пола они находят крошки от сэндвичей рабочих-сборщиков. К тому времени, когда грызуны съедают все крошки, они забывают путь наружу и, голодные, начинают пожирать изоляцию проводов. С мышами Прайер боролся с помощью кошек. Проблема гниения была более сложной и трудной. В тогдашних обстоятельствах некоторые типы разложения в той или иной степени были почти неизбежными в большинстве планеров. В военное время не до погони за совершенством, нужда заставляла отбраковывать лишь планеры, которые были поражены в опасной степени, пытаться приостановить гниение тех планеров, в которых оно только начиналось. Сделать это было непросто, так как существует около сорока различных типов гниения, степень повреждаемости от них неодинакова и не всегда пропорциональна внешним проявлениям.

Проблема гниения все время не давала нам покоя, но были и другие не менее серьезные проблемы. Как я уже сказал, общая схема конструкции этих аэропланов сильно отличалась от старых бипланов. Главные лонжероны и другие основные элементы конструкции представляли собой увесистые брусья слоистой древесины, имевшие несколько дюймов в поперечнике; с трех сторон к ним обычно примыкали фанерные стенки, воспринимавшие сдвиг, и обшивка. Но разбухание и усадка еловых лонжеронов вдвое превышают разбухание и усадку фанеры, к которой они приклеены. Естественно, в результате этой разницы возникают значительные напряжения в клеевых соединениях двух разнородных материалов (рис. 43).

Рис. 43. Типичное для времени второй мировой войны деревянное крыло самолета. Темная часть конструкции - из слоистой ели, светлая - фанера. а - поперечное сечение; б - еловая полка лонжерона деформировалась больше, чем фанерные обшивка и стенки, в - разрушение полки лонжерона.

Большие куски древесины требуют довольно долгого времени чтобы прийти в равновесие с влажностью окружающей среды. Поскольку погода в Англии очень переменчива в деревянных деталях самолетов не успевали возникнуть большие напряжения и, пока самолеты были в Англии, особых оснований для забот не было. Но стоило им попасть за границу, ситуация резко менялась. Во многих странах долгие сухие периоды сменяются не менее длительными дождями, в течение каждого из этих отрезков времени древесина успевает как полностью высушиться, так и до предела пропитаться водой; усадка и разбухание огромны. Вот тут-то и начинаются серьезные заботы. Вдоль склейки появляются большие напряжения. При плохом состоянии клея разрушается соединение; если оно выдерживает, разрушается древесина вблизи склейки. Спасти эти самолеты от такой напасти можно было, лишь отправив их назад в Англию.

Неприятности со склейкой возникали не только от самих клеев, но и по другим причинам. Наихудшим случаем было так называемое “закалочное” разрушение. Вы представляете себе, конечно, что способов испытаний клеевых соединений, которые фактически являются неотъемлемой частью самолета, не существует. Испытать их можно только ценою поломки всего самолета, а это значило бы наносить ущерб самим себе. Поэтому остается полагаться в значительной степени на внешний вид склейки да на контроль в процессе производства. И вот вскоре после того, как было развернуто крупносерийное производство деревянных аэропланов, выяснилось, что некоторая часть авиационной фанеры вообще не склеивалась. Места склейки, выполненной со всей необходимой аккуратностью, выглядели вполне нормально, но не имели никакой прочности. В некоторых случаях их легко можно было разорвать руками. Хуже всего то, что невозможно было сказать, какой лист фанеры плох, а какой - хорош.

А дело оказалось вот в чем. Древесина состоит из трубочек с довольно тонкими стенками. Когда она разрезается, трубки на срезах очень редко бывают параллельны их поверхности. Поверхность образуется большим числом трубок, выходящих наружу под малым углом, то есть она представляет собой набор наклонных отверстий. В то же время операция разрезки в микроскопическом масштабе - действие довольно грубое, поэтому кромки среза у трубок повреждены и механически довольно слабы. Чтобы склейка была надежной, клей должен проникнуть в эти трубки на некоторую глубину, схватывание происходит тогда между их неповрежденными частями.

Если что-то мешает клею просочиться в трубки, склейка произойдет между их поврежденными кромками, которые при малейшей нагрузке легко разрушаются. В процессе изготовления “закаленной” фанеры кромки трубок загнуты внутрь горячими плитами пресса. Они преграждают путь клею внутрь трубок, и клеевое соединение не имеет прочности (рис. 44).

Рис. 44. «Закаленная» (а) и хорошо зачищенная (б) фанера. В первом случае выходящие на поверхность кромки клеток в процессе горячего прессования загнулись внутрь и клей не может попасть в трубочки древесины. Во втором случае клей попадает в трубочки на значительную глубину, обеспечивая надежную склейку

Такая фанера была смертельно опасной, в ней крылась причина многих аварий и жертв. Единственный путь избежать этих опасностей заключался в снятии поврежденного слоя фанеры путем зачистки поверхности шкуркой. Зачистка должна была быть основательной, легкое царапание ничего не давало. Определить, какие листы в дальнейшем не поддадутся склейке, заранее не удавалось, поэтому надо было зачищать всю фанеру, которая использовалась в самолетостроении. Оказалось, что это не так-то просто организовать. Полагаться на ручную зачистку оказалось невозможным, и была разработана система механизированной обработки, после которой на фанере ставился специальный штамп.

Древесина - не тот материал, который может все стерпеть, и громадным числом неприятностей деревянные аэропланы обязаны небрежности, которая могла встретиться на любом этапе их создания и эксплуатации. Некоторые конструкторы считали, что дерево “обязано” вести себя подобно металлу. И если они совершали ошибки по этой причине, то, по их мнению, виновным было дерево, а не они сами. Военные авиатехники, особенно новички, были воспитаны в почтении к металлу, и для работы с древесиной им зачастую не хватало терпения. Бывало и такое: один техник, в гражданской жизни - владелец гаража, каждое утро выстраивал свои самолеты на асфальтированной площадке и основательно поливал их из шланга.

На заводах недоставало опытных контролеров, они работали с перегрузкой. И если некоторые ошибки объяснялись непониманием каких-то тонкостей, то, боюсь, что остальные - только преступной глупостью и безответственностью. Всегда найдутся люди, для которых ничего не значат абсолютно очевидные технические нормы и последствия отступлений от них. Склеивание - работа, требующая не столько специальных навыков, сколько ответственности. Малейшая небрежность может иметь опасные последствия.

С этим, я думаю, связаны истинные трудности изготовления деревянных аэропланов. Нужны они были в больших количествах, и делали их в спешке неквалифицированные рабочие. Древесина же - материал для мастера, она не ответит добром на отступления, неизбежные в чрезвычайном положении.

По всем этим причинам деревянные самолеты теперь в немилости. Однако лишь очень смелый оракул скажет, что им никогда не вернуться. Нельзя предсказать, в какой области техники древесина появится в следующий раз. Сейчас есть очень хорошие автомобили с деревянной рамой. Говорят, их не обошел своей милостью коммерческий успех.

Композиционные материалы, или как делать кирпичи с соломой

Со времен фараона, у которого были трудности с добавлением соломы в кирпичи, человек всегда использовал те или иные армированные материалы. Тем не менее особое положение как прочные материалы они заняли лишь совсем недавно.

Можно сказать почти наверняка, что добавление рубленой соломы в египетские кирпичи преследовало ту же цель, к которой стремились инки и майя, добавлявшие в свою керамику растительные волокна: предупредить растрескивание глины при быстрой сушке на солнце. Египтяне не обжигали свои кирпичи, да это и не имело особого смысла, потому что вряд ли в Египте стоило опасаться дождя. Глина во влажном состоянии образует отличную податливую массу, но ее усадка при сушке очень существенна и проблема сушки глины напоминает проблему выдержки древесины. Если не сушить медленно, глина будет растрескиваться. Египетское солнце сушит блестяще, но уж очень быстро, поэтому полезно добавить немного соломы чтобы уменьшить растрескивание. Возможно, что упрочняющее влияние волокон на глину после сушки было лишь побочным эффектом.

Однако даже довольно малые добавки волокна оказывают существенное влияние на прочность и вязкость сравнительно хрупких непрочных материалов. Можно привести много таких примеров. Вот один из них. Прежде у английских строителей был обычай добавлять в штукатурку стен немного волоса. Я помню даже, как в детстве один штукатур говорил мне, что для этой цели бычий волос гораздо лучше коровьего, потому что бык, конечно же, намного сильнее коровы. Я никогда не экспериментировал ни с бычьим, ни с коровьим волосом, так что собственной точки зрения на сей счет не имею. Но я добавлял сырую бумажную массу в алебастр. Великолепные результаты этой операции показаны на рис. 45.

Рис. 45. Влияние добавки волокон на ударную вязкость алебастра (испытание падающим шариком)

Рис. 46. Влияние добавки волокон на ударную вязкость фосфатного цемента (испытание падающим шариком)

Очевидна очень резкая тенденция к увеличению ударной вязкости, даже совсем небольшие добавки волокна дают весьма ощутимое улучшение. К сожалению, добавка волокон в мокрый алебастр ведет к его быстрому загустению, иногда смесь с 2-3% волокон уже невозможно перемешать. Правда, с этим злом можно как-то бороться, выбирая другие типы цементов и уплотняя полученную смесь под прессом. На рис. 46 показано влияние асбестовых волокон на ударную вязкость фосфатного цемента (этот цемент очень похож на тот, которым пользуются зубные врачи).

Картина напоминает предыдущую с той лишь разницей, что содержание волокон в этом случае может быть большим, следовательно, возрастут и прочность, и вязкость. Во время второй мировой войны самые тяжелые потери на море приходились на центральные районы Атлантики, где невозможно было обеспечить прикрытие с воздуха. Покойный Джефри Пайк предложил довольно эксцентричный выход из положения: отбуксировать в Центральную Атлантику какой-нибудь айсберг чтобы использовать его в качестве базы для самолетов. Это была по-своему блестящая идея, но исследования показали что механические свойства естественного льда слишком неподходящи для ее реализации. Обычный лед очень не прочен при растяжении, трещины в нем распространяются легко (вот почему ледоколы могут зарабатывать себе на хлеб), и - что хуже всего - прочность льда очень не постоянна. Поэтому разбомбить или торпедировать айсберг не составило бы никакого труда. Но даже если бы он и не подвергся нападению, чтобы служить авиабазой он должен быть настолько большим, чтобы на его длине умещались по крайней мере две атлантические волны (во время шторма их бывает примерно 5-6 на милю) А расчеты показывали, что в этом случае он сломался бы, как балка при изгибе.

Пайк предлагал обойти эта затруднения, добавив в лед немного древесной пульпы. Ему удалось доказать, что около 2% обычной сырой бумажной массы, добавленной к воде перед замораживанием, резко улучшают свойства льда и вдобавок делают их более стабильными. Кривая прочности и вязкости льда в зависимости от добавок целлюлозного волокна очень похожа на кривые, показанные на рис. 45 и 46. Расчеты подтверждали, что в этом случае лед был бы достаточно прочным и весь проект оказался бы реальным. Предполагалось добавить древесную массу в воду и дать ей возможность естественным образом замерзнуть в заливе Ньюфаундленда. Но с этой идеей пришлось расстаться, так как возросший радиус действия самолетов и общая военная обстановка на Атлантике сделали ее ненужной. Пожалуй, в некотором смысле об этом стоит пожалеть.

Вообще говоря, хрупкие материалы становятся более вязкими и прочными при очень малых добавках волокна потому, что само присутствие волокон тормозит и отклоняет трещины со своего пути. Вероятно, все это разыгрывается на внутренних поверхностях раздела. Сейчас трудно точно сказать, как это происходит, но, по-видимому, дальнейшие исследования прольют свет на механизм процесса. В той форме, о которой мы сейчас говорили, - довольно малый процент беспорядочно ориентированных волокон в хрупкой матрице, - комбинированные материалы не пользуются сейчас особым спросом (возможно потому, что сегодня никому не нужны кирпичи солнечной сушки или мобильные айсберги). Но я совсем не удивлюсь, если подобная идея, но в другом виде войдет в моду снова. В настоящее же время бытует мода на несколько иной способ использования волокон.

Те, кто работает в области волокнистых материалов, получают всякого рода доброжелательные предложения о схемах и принципах, которые следовало бы опробовать. Почти все эти советчики не учитывают того, что, если вы хотите получить новый материал, способный конкурировать с довольно хорошими существующими материалами, необходимо в заданный объем ввести большое число волокон. А вот здесь-то и начинаются реальные трудности.

Простые системы, о которых мы сейчас говорили, содержат примерно 2% коротких волокон, добавленных в матрицу. Такая матрица на некоторой стадии находится в более или менее жидком состоянии, и, чтобы ввести в нее волокна, достаточно размешать смесь ложкой. При большом содержании волокна такая операция оказывается на практике неудобной, процесс становится неуправляемым. Суспензии длинных тонких волокон в жидкости очень напоминают растворы, содержащие длинные тонкие молекулы. Оба типа веществ имеют тенденцию к загустению, с которой трудно управиться, пока не изучишь все ее особенности. В производстве бумаги (из которой сделана и эта книга) бумажная масса, то есть суспензия древесных волокон в воде, разбавляется до концентрации ~0,5% и именно в таком виде перерабатывается, так как все операции при этом облегчаются.

Папье-маше

Если содержание волокна превышает примерно 2%, добавлять волокна к матрице становится невозможным, приходится добавлять матрицу к волокнам. При этом все, естественно, изменяется. Почти всегда волокна плотно упаковываются, например в форме бумаги или ткани, а затем пропитываются в смоле или каком-либо другом связующем материале. Оказывается, что это тоже очень старая идея, принадлежащая все тем же египтянам. Оболочки египетских мумий, имевшие весьма сложные формы, делались из папье-маше. Этот материал получается наклейкой кусков бумаги на модель с помощью клейстера или гуммиарабика. Когда клей высыхает, оболочка снимается с формы и красится. В Египте в этих случаях зачастую в дело шли папирусы. Когда археологи отпаривают их по слоям, как правило, они уже непригодны для чтения, но, тем не менее, именно этот процесс помог обнаружить небольшое, по важное направление в греческой литературе. Видимо, только так можно надеяться восстановить работы Сапфо.

Когда вышел из употребления папирус, исчезло и папье-маше. Возродилось оно, почти без всяких изменений, уже в XVIII веке. Особенно широко папье-маше из бумаги использовалось тогда во Франции для изготовления мебели. До самого последнего времени в Англии его применяли для рекламных макетов, а в войну из папье-маше делали топливные баки и другие части самолетов, Метод получения изделий из папье-маше вплоть до примерно 1945 года ничем не отличался от древнеегипетского, разве что вместо папируса использовалась бумага.

Поскольку подобные сведения могут оказаться полезными, стоит коротко рассказать, как делается папье-маше. Прежде всего из глины, пластилина или алебастра должна быть сделана необходимая модель. Модель покрывается тальком, льняным маслом или силиконовым лаком, чтобы папье-маше к ней не прилипло. Можно использовать почти любую бумагу, но лучше всего мягкую. Самый хороший клей для наших целей - водянистая смесь мездрового клея и так называемой канцелярской пасты (крахмальной). По густоте эта смесь должна напоминать гороховый суп. Когда все готово, нарвите кусочков бумаги размером примерно в ладонь и замочите их в клее, пока они не станут совсем мягкими. Затем облепите этими листочками модель, продолжая занятие до тех пор, пока не получите нужную толщину. Когда все это полностью высохнет, вид у вашего изделия может оказаться не очень презентабельным, но не огорчайтесь - египтяне, наверное, испытывали то же чувство. Дело можно поправить, если зачистить все шкуркой и покрасить. Не поскупитесь на несколько слоев масляной краски, так как именно от этого зависит защита материала от непогоды. Влагостойкость такого изделия, конечно, неважная, но она не так плоха, как можно было бы предположить, а механическая прочность на удивление высока. Не пытайтесь использовать синтетический клей, иначе ваше изделие будет хрупким, возможно из-за хорошей адгезии.

Если бы у папье-маше сопротивление воде и грибкам не было бы хуже, чем даже у натуральной древесины, этот материал применялся бы гораздо шире, так как легкие и прочные оболочечные конструкции со сложными кривыми поверхностями всегда необходимы для изготовления автобусов, лодок, панцирей, ванн, мебели, тары, топливных баков и т.д. Однако столетиями использование папье-маше было ограничено отсутствием водостойких клеев, и человек вынужден был делать тяжелые легко уязвимые и трудоемкие оболочки из металла.

Пресс-порошки

В 1906 году доктор Бейкеленд обнаружил, что между фенолом и формальдегидом может протекать химическая реакция с образованием смолы. Вначале жидкая или немного тягучая, смола может стать после нагрева твердой, довольно тугоплавкой и нерастворимой. Бейкеленд был человеком весьма предприимчивым, к тому времени он успел уже сколотить некоторое состояние на изобретении и внедрении фотобумаги типа “Велокс”, но, по-видимому, даже он не очень-то рассчитывал на более или менее широкое применение своей смолы. Вначале она появилась в продаже в качестве заменителя натуральных смол в лаках и глазурях. Мне говорили, что огромная компания “Бакелит” начинала свою жизнь под вывеской “Лаковая компания Даммард”, выпустив на рынок три сорта глазурей: “Даммард”, “Даммардер”, “Даммардест”.

Сама по себе затвердевшая бакелитовая смола - твердое хрупкое вещество с небольшой прочностью, очень напоминающее натуральную смолу. Ее использовали как добавку к лакам, особенно в электротехнике для изоляции. Потом обнаружилось, что она превосходно клеит древесину в фанерном производстве. Но в чистом виде для конструкционных целей она не находила применения. Поворотным пунктом послужили наблюдения Бейкеленда - он обнаружил, что если к смоле до ее затвердевания добавить волокон, то это резко меняет ее прочность.

С этого и началось использование так называемых формовочных порошков. Они представляют собой смеси частично затвердевшей смолы и коротких целлюлозных волокон применяемых обычно в виде древесной муки. Такой сухой порошок насыпают в нагретую стальную пресс-форму. Здесь порошок размягчается, и под давлением получившаяся масса затекает во все уголки формы, после чего происходит необратимое твердение. Первой серийной деталью, сделанной по этой технологии, считается ручка рычага переключения скоростей автомобиля “роллс-ройс” (1916 год).

Этот материал, получивший название бакелита, быстро приобрел популярность, так как был легким и дешевым и делал нетрудоемким изготовление деталей даже очень сложных форм. Бакелит стал настолько популярным, что одно время серьезно обсуждался проект наводнения похоронного рынка бакелитовыми гробами. Применение бакелита сдерживалось тем, что обычный технический бакелит был слабым и хрупким, поскольку в нем использовались очень короткие волокна, лишь незначительно упрочнявшие смолу. Он был хорош лишь тем, что смесь легко формовалась, и поэтому стоимость производства была небольшой.

Пресс-порошки сразу же привели к сокращению производства бирмингемовской бронзы. Следующим результатом была волна возмущений (пожалуй, бесплодных) со стороны потребителей, которым не нравились внешний вид и хрупкость нового материала. Частенько, отведя в сторону, мне шептали: “Говорят, сюда засунули опилки, чтобы сделать дешевле?” Нужно было объяснять, что без опилок было бы хуже и что в любом случае чего еще ждать при такой низкой цене. Ведь небольшие бакелитовые изделия вроде корпуса выключателя стоили три шиллинга сотня! Нужно сказать, что вскоре подобные изделия стали значительно лучше. Одной из причин этого явилась конкуренция со стороны намного более вязких термопластов, таких, как полиэтилен и нейлон.

Процесс получения изделий из пресс-порошков очень прост. Достаточно засыпать в горячую пресс-форму заранее взвешенную порцию порошка и нажать кнопку пресса. Какой бы сложной ни была форма, порошок заполнит ее, растекаясь подобно жидкости. Это очень удобный и эффективный процесс, особенно для производства небольших изделий электротехнического назначения. Например, при прессовании корпуса настенного выключателя пластичная масса должна растекаться вокруг многочисленных латунных деталей. Но, как вы уже знаете, для этого нужно использовать довольно короткие волокна, которые дают сравнительно непрочный и хрупкий материал. Ведь в смоле трещина, встретив на своем пути короткое волокно, может легко обойти его и продолжить свой путь дальше.

Слоистые материалы с целлюлозными волокнами

Если от материала требуется максимальная прочность, для армирования следует использовать длинные аккуратно уложенные волокна. Далеко не всегда, однако, можно заставить такой материал заполнить форму. Поэтому в слоистых пластиках, разработанных в 20-е годы, бумага или ткань пропитывались раствором фенольной смолы (обычно спиртовым). После сушки пропитанные слои укладывали между тщательно выверенными параллельными нагретыми плитами гидравлического пресса, где смола затвердевала под давлением около 150 кГ/см².

Такой материал был довольно дорогим, но хорошим по качеству, а некоторые его сорта обладали довольно высокой прочностью и вязкостью. Фенольные смолы имеют черный или грязно-коричневый. цвет, поэтому листы слоистых пластиков не использовали для декоративных целей. Вначале большая часть пластиков, наполненных бумагой (гетинаксы), использовалась в качестве электроизоляционных материалов; пластики на основе ткани (текстолиты), будучи очень вязкими, шли на изготовление шестеренок, подшипников, кулачков. В послевоенные годы появились меламиновые бесцветные смолы, а с ними и возможность делать поверхность листов цветной или узорчатой. Материал в толще листа оставался при этом прежним, на основе коричневой пропитанной фенольной смолой бумаги, что и прочнее, и дешевле. Такой комбинированный материал оказался очень подходящим для покрытий столов и панелей и сыграл большую роль в “кухонной революции”.

Декоративные листы пластика, которых сейчас много в продаже, сравнительно непрочны и хрупки, но, поскольку они почти всегда приклеиваются к достаточно жестким основаниям (например, к деревянной табуретке), это не имеет особого значения. В наши дни трудно себе представить что до появления этих материалов просто не существовало действительно удовлетворительных покрытий для столов. Невероятное число женских человеко-часов тратилось на то, чтобы скрести деревянную поверхность, ведь по своей пористой природе она неотразимо притягивает к себе грязь.

Хотя целлюлоза в таких пластиках и сохраняет в основном свое пристрастие к воде, наивреднейший остаток воды в ней может быть уменьшен путем сушки волокон с последующей формовкой и отверждением материала в возможно более сухом состоянии. Если это сделано, каждое волокно зажато и ограничено в перемещениях матрицей и другими волокнами. Поэтому разбухание резко уменьшается, хотя через смолу и проникают пары воды. Поскольку бумага (или ткань) должна быть покрыта смолой на одной из первых стадий технологического процесса, а сушка производится непосредственно перед прессованием, то вместе с целлюлозой сохнет и смола. А ведь легкость, с которой фенольная смола заполняет горячую форму перед затвердеванием, очень сильно зависит от количества имеющейся воды; поэтому сухая смола требует более высоких давлений для равномерного распределения ее в объеме материала и получения нужных внутренних связей. Это приводит к тому, что получать такие материалы с приличной водостойкостью, используя небольшие давления (заметно меньше 150 кГ/см²), обычно невозможно. Общая нагрузка, которую нужно приложить к стандартной панели размером 240X120 см, будет, следовательно, около 5000 т; поэтому изготовление текстолита и гетинакса требует дорогого оборудования.

На влагостойкость текстолита и гетинакса влияют также некоторые химические особенности процесса пропитки. Можно значительно снизить захват влаги за счет правильного выбора смолы. Так часто и делают в производстве электротехнических материалов. К сожалению, хорошая влагостойкость означает блокирование гидроксилов в целлюлозе, а это делает ее хрупкой и потому малопригодной для конструкционных целей. Сразу после войны я видел самолет, построенный немцами из материала типа гетинакса. Чтобы обеспечить вязкость, они, насколько осмелились, снизили сопротивление материала влаге. Оказалось, что они перестарались: к тому времени, когда я его видел, он простоял под открытым небом три месяца и разваливался на куски.

Во время войны в Англии много работали над листовыми пластиками, армированными целлюлозными волокнами, для замены ими алюминия в обшивке самолета. Нам удалось, сохраняя достаточную вязкость, снизить вызванное колебаниями влажности полное изменение размеров в плоскости листа до 0,8%. Затем в порядке эксперимента мы обшили часть поверхности двенадцати находившихся в строю самолетов. Никаких аварий не последовало, но и положительных результатов мы не получили. Дело в том, что листы были, конечно, приклепаны к алюминиевому каркасу, который не мог ни разбухать, ни усыхать вместе с ними. И в результате на самолетах, летавших в пустыне, пластики так натягивались, что линия заклепочного шва оказывалась усеянной трещинами; в то же время во влажном климате, особенно после таяния снега, листы угрожающе выпучивались и коробились. В конце концов пришлось от этой затеи отказаться. Практически колебания размеров армированных целлюлозой материалов всегда будут составлять около 1%. Это не согласуется ни с металлом, ни с древесиной, ни с фанерой - и потому делает невозможным применение таких материалов в широких масштабах.

Использование прочных слоистых пластиков сегодня практически ограничивается плоскими листами, которые можно прессовать между тщательно выверенными плитами. Для изготовления фигурных изделий необходимо иметь профилированную стальную пресс-форму, состоящую из двух половинок. В любом случае это довольно дорогое практически неизменяемое приспособление, но даже не оно делает профильное прессование на редкость трудным. Трудность здесь связана с тем, что такой материал почти не течет в процессе прессования. Поэтому должен очень точно выдерживаться зазор между двумя половинками пресс-формы. Если этого не обеспечить, то вся нагрузка придется на те участки, где зазор меньше нормы а остальной материал не будет прессоваться совсем.

Трудности и дороговизна этой операции вполне достаточны, чтобы отпугнуть инженеров, особенно сейчас, когда в их распоряжении есть другие, более простые пути получения прессованных изделий. Однако в конце 30-x - начале 40-х годов других путей не было, поэтому, несмотря на тяжелую и дорогую оснастку, несколько серьезных больших деталей пошло в производство по описанной технологии. Помнится, так было сделано стандартное кресло пилота для самолета-истребителя, которое использовалось в “Спитфайере” и некоторых других машинах. Эта довольно большая и сложная конструкция собиралась на болтах из нескольких профильных деталей, полученных прессованием. В работе она выдерживала нагрузки порядка тонны и никогда не доставляла беспокойства. С другой стороны, экономия веса и стоимости по сравнению с клепаным металлическим креслом не была очень уж велика.

Стеклопластики

Современные армированные пластмассы ведут свое начало от материалов на основе неорганических волокон, нашедших применение в конце войны. Впервые подобные материалы использовали для изготовления антенных обтекателей, которые представляют собой куполообразную конструкцию, где размещается антенна локатора. Обтекатель должен быть прозрачным для радиоволн, поэтому материал для него требуется неэлектропроводный. В качестве основы такого рода материала наибольшим успехом и по сегодняшний день пользуется стекловолокно.

Состав его немного изменился, но в остальном волокна похожи на те, которые вытягивал Гриффитс почти полвека назад. Процесс их вытягивания механизирован, сейчас стекло плавится в нагреваемом электротоком платиновом контейнере, в дне которого имеется обычно 200 или 400 маленьких отверстий. Через каждое из этих отверстий тянется волокно, которое охлаждается и затвердевает по пути к расположенному под контейнером вращающемуся барабану, на который оно наматывается. Обычный диаметр волокон - от 5 до 10 мкм. Их прочность на разрыв сразу после вытягивания составляет, по-видимому, 300-350 кГ/мм^2, но при последующих операциях она снижается. Поскольку свежие волокна имеют тенденцию склеиваться между собой, а за этим следует взаимное разупрочнение, волокна на пути от контейнера к барабану подвергаются специальной обработке, в результате которой на них появляется защитная пленка. Эта пленка предохраняет от повреждений при последующих операциях, например ткани. Перед операцией пропитки смолой эта пленка удаляется - ее растворяют или сжигают.

После того как волокна вытянуты и намотаны на барабан, дальнейший ход событий зависит от назначения будущего изделия. Мы уже говорили, что в форму нужно уложить как можно больше волокон просто потому, что они раз во сто (по крайней мере) прочнее смолы. Поэтому при прочих равных условиях прочность полученного материала будет пропорциональна содержанию волокон. В стекломате, содержащем отдельные волокна, их концентрация очень и очень мала, поэтому стекловолокно в таком виде используется редко, только в специальных случаях. Лучшая упаковка волокон получается в параллельных пучках, например в нитях или пряже. Нити обычно содержат несколько сотен отдельных волокон.

Поскольку волокна непрерывные, нет нужды использовать большую крутку нити, чтобы держать их вместе. Иногда после пропитки смолой такая пряжа используется для изготовления путем намотки - разного рода резервуаров, труб, сосудов давления. Для многих высококачественных изделий из стеклонити делают специальную ткань, которая выглядит как дорогой белый сатин.

Стеклопластики из ткани хороши своей прочностью, но изделия из них довольно дороги. И дело здесь не столько в высокой стоимости самого материала, сколько в том, что стеклоткань не очень удобна для автоматизации процесса получения профильных изделий. Поэтому наибольшая часть производимого стекловолокна применяется в виде мата из рубленой стеклопряжи. Пряжа рубится на куски длиною 5 - 8 см и идет главным образом на получение плоских матов путем нанесения этой волокнистой массы на проволочную сетку, покрытую слабым быстросохнущим клеем. Прижимается мат к сетке с помощью воздушной струи. Когда клей высыхает, мат снимается с сетки, и с ним можно обращаться, как с листом бумаги. Для изготовления фигурных изделий мат разрезается на подходящие куски, которыми обклеивают соответствующую модель, пока не получается деталь нужных размеров и конфигурации.

При изготовлении больших партий профильных изделий используют ту же технику обдувания воздушными струями, поскольку этот процесс можно автоматизировать. Он применяется при изготовлении таких изделии, как шлемы корпуса пишущих машинок и т.д. Вместо металлической сетки здесь используется сетчатая модель, на которую тем же способом наносится стекломат. Полученный стекломат автоматически перемещается в нагретую стальную пресс-форму, здесь к нему добавляется основная связующая смола, которая твердеет под давлением.

Помимо высокой прочности, стекловолокно имеет еще одно достоинство - оно не разбухает в воде, поэтому операцию формовки нет нужды проводить под большим давлением. Значит, можно использовать недорогие, легко изменяемые пресс-формы и отказаться от мощных гидравлических прессов.

При формовке стеклопластиков в качестве связующего можно использовать фенольные смолы, но обычно лучше применять смолы (например, полиэфирные), разработанные специально для этой цели. Многие из производимых смол твердеют не только при очень малых давлениях, но и при комнатной температуре - после добавления катализатора.

Это привело к технологии, которую можно было бы назвать “методом ведра и щетки”. Очень популярный среди любителей и небольших фирм, такой способ почти ничем не отличается от египетского способа получения папье-маше. Слои холоднотвердеющей смолы и стекломата (или стеклоткани) попеременно накладывают на простую гипсовую модель и оставляют в таком виде на время, необходимое для отверждения. Если вся процедура проделана добросовестно и аккуратно, получится вполне нормальная конструкция. Правда, затраты труда будут великоваты, если потребуется сделать десятки таких изделий. Но для изготовления очень больших конструкций, например лодок, - это практически единственный путь.

Одна из трудностей этой технологии заключается в том, что она не позволяет получить двух совершенно одинаковых изделий, так как надлежащий контроль практически невозможен. Ну а поскольку прочность такой переменчивой конструкции предсказать довольно трудно, этот метод не совсем годен для изготовления самолетных конструкций.

Чтобы получить изделие хорошего качества, смола должна твердеть в сухой, теплой, контролируемой атмосфере, а это не всегда возможно в условиях полукустарных мастерских. Именно отсюда возникают жалобы на лодки из стеклопластиков - их зачастую делают в холодных сырых сараях. На хороших заводах эту операцию проделывают в обогреваемом (и дорогом поэтому) помещении, а кустари и любители с наибольшим эффектом могут приложить свои силы к доводке корпусов, изготовленных профессионалами на подходящем оборудовании.

Для больших конструкций вроде судовых корпусов становится важной стоимость модели, так как количество производимых изделий обычно невелико. В таких случаях лучше использовать недорогие модели, а смоле дать возможность медленно твердеть при комнатной температуре. Кроме того, при этом допустима длительная ручная доводка затвердевшей оболочки. Но если мы имеем дело с такими изделиями, как шлемы или чемоданы, экономическая картина меняется. В подобной ситуации обычно применяют состоящую из двух половинок стальную нагретую пресс-форму. Стекловолокнистую заготовку опускают в пресс-форму и перед самым захлопыванием добавляют в нее определенное количество жидкой смолы горячего твердения. Скорость затвердевания подбирается так, чтобы смола, прежде чем затвердеть, успела равномерно пропитать стекломассу. Затем остается лишь извлечь из формы готовое изделие - почти никакой ручной доводки не требуется, так как пресс-форма тщательно отполирована. Весь процесс получения волокнистой заготовки, установки ее в пресс-форму, пропитки смолой и твердения может выполняться в одной большой машине в течение нескольких секунд, в то время как ручная укладка стекловолокна требует часов и даже дней.

В первых армированных материалах количество волокон было небольшим и волокно вводилось с целью нейтрализации грубых дефектов слабой хрупкой матрицы. О таких материалах правильно говорить как об армированных. Однако со временем назначение матрицы изменилось - она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой; теперь мы стремимся использовать матрицу лишь в количествах, необходимых для надежного связывания волокон. Такие системы правильнее было бы называть связанными волокнистыми материалами.

Серьезное изучение свойств этих систем - предмет трудный и в высшей степени математизированный. В последнее время он получил признание и даже сделался модным в академических кругах. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что свойства массы склеенных между собой волокон более или менее следуют предсказаниям, полученным с помощью элементарного расчета. Обычно трудно получить материал, содержащий более 50% волокон по объему. Прочность готового стекловолокна можно считать равной примерно 200 кГ/мм², а его модуль Юнга - 7000 кГ/мм². Пруток стеклопластика (например, спиннинговое удилище), в котором все волокна уложены параллельно оси, будет иметь прочность 100 кГ/мм², а модуль Юнга 3500 кГ/мм², поскольку смола почти не вносит своей доли ни в прочность, ни в модуль, хотя, конечно, увеличивает вес. Рассчитанный по простому правилу смесей, удельный вес материала составит 1,85 Г/см³, если в нем не будет пор (а так и должно быть); удельный вес стекла - около 2,5, а смолы - 1,2 Г/см³. Мы можем поэтому составить следующую сравнительную таблицу.

Материал / Удельный вес, г/куб.см. / Предел прочности, кГ/кв.мм. / Удельная прочность / Модуль Юнга, кГ/кв.мм. / Удельный модуль Юнга

Стеклопластик (параллельные волокна) / 1.85 / 100 / 54 / 3500 / 2000

Стеклопластик (стеклоткань) / 1.85 / 50 / 27 / 1750 / 1000

Мягкая сталь / 7.8 / 40 / 5 / 21000 / 2700

Высокопрочная сталь / 7.8 / 200 / 26 / 21000 / 2700

Из таблицы ясно, что сравнивать сталь и стеклопластик не очень просто. Грубо говоря, стеклопластики прочнее стали, особенно по отношению к удельному весу. Но по жесткости они хуже сталей, даже если принять во внимание намного меньшую плотность. В этом отношении они уступают и дереву.

Как и в случае с древесиной, сравнение в известной степени зависит от того, в скольких направлениях должен быть прочным материал. Конечно, наивысшие цифры дает материал, в котором все волокна и, следовательно, прочность, направлены вдоль одной оси; но технические приложения материалов такого типа сильно ограничены. Когда одинаковое число волокон пересекается под прямым углом, мы имеем материал, напоминающий фанеру: половина прочности однонаправленного материала под углами 0° и 90° и несколько меньшая прочность под углом 45°. Такой материал может быть получен при армировании стеклотканью.

Из теории следует, что если мы хотим иметь действительно одинаковые свойства во всех направлениях волокнистого листового материала, то этого можно достичь несколькими способами укладки волокон. Все эти способы армирования дают треть прочности и жесткости однонаправленных систем. Эксперимент очень хорошо подтверждает теорию. Однако на практике обычно используется стеклопластик с матами из рубленой пряжи. Таким армированием очень редко удается достичь содержания волокон 50% (волокна укладываются некомпактно), поэтому мы должны, пожалуй, рассчитывать на прочность, меньшую чем треть прочности однонаправленного материала. Такого рода стеклопластики обычно используются для сравнительно недорогих поделок, где большей прочности, возможно, и не требуется. Но даже и они, как правило, превосходят мягкую сталь по удельной (отнесенной к весу) прочности. Вот по жесткости армированные пластики - и в частности, стеклопластики - не могут конкурировать ни с металлами, ни с древесиной. В этом одна из главных трудностей применения стеклопластиков в больших конструкциях - судах, корпусах автомашин и т.д. По той же причине их вычеркивают в настоящее время из списка материалов, пригодных для силовых конструкций самолета. Правда, можно было бы повысить жесткость автомобильного кузова, подкрепив его изнутри стальными трубами, но стоит ли тогда связываться с пластиками?

Металлы - почти, изотропны, то есть их свойства примерно одинаковы во всех направлениях. Эта особенность очень важна для таких деталей, как коленчатый вал, где металлы поэтому незаменимы. Но там, где это свойство не столь существенно (оболочки, панели), лучше применять волокнистые пластики. Получить изотропные свойства в волокнистом материале практически невозможно, потому что очень трудно плотно уложить волокна в трех направлениях сразу. Даже стог сена - слоистая конструкция. Теория показывает, что прочность трехмерной беспорядочной упаковки волокон была бы равна 1/6 от прочности материала с однонаправленными волокнами - вряд ли стоит стремиться получить такой материал.

Несмотря на все свои недостатки, материалы, подобные стеклопластику, постепенно завоевывают все новые и новые позиции. С течением времени по мере того, как мы лучше их узнаем, мы и используем их все шире. Стоимость сырья для пластмасс мало отличается от стоимости стали и алюминия. Однако если вы сравните стоимость обработки этих материалов, то увидите, что затраты на производство сложных изделий из пластмасс настолько меньше соответствующих затрат при использовании металла, что готовое изделие из пластмассы может быть намного дешевле. Но чтобы реализовать эту возможность, обычно нужно заново спроектировать все изделие, а подобные мероприятия часто натыкаются на сопротивление.

Строить из стали корпус большого судна - вполне резонно, по крайней мере если нет спешки и не нужно слишком заботиться о весе. Но сталь становится безнадежно неэффективной для судовых корпусов меньших размеров: толщина листа получается столь малой, что, если даже удастся решить проблемы выпучивания, вмятин и т.д., за несколько месяцев он насквозь проржавеет. В этой области стеклопластики, кажется, утвердились очень прочно, здесь они вполне могут конкурировать по стоимости с металлами.

За последние десятилетия было сделано много усовершенствований в автомобиле. Лично я не отношу к их числу штампованный стальной кузов. Очень уж он тяжел, а ведь вес увеличивает расход бензина и ухудшает характеристики машины. Такой корпус требует также тщательной звуковой защиты. Но, что хуже всего, он начинает ржаветь сразу же, как только вы начинаете ездить на машине, и, по-видимому, коррозия корпуса, а не механический износ приводит рано или поздно большинство автомобилей на склады металлолома.

Вероятно, две причины тормозят применение стеклопластиков для кузовов автомашин. Во-первых, их массовое производство все еще обходится дорого, а, во-вторых, по мнению тех, кто торгует автомобилями, потребителю нравится лоск полированной поверхности, трудно достижимый при использовании стеклопластиков. В то же время в мелкосерийном производстве почти все автомобили имеют стеклопластиковый кузов. В самом деле, - только такое решение позволяет в подобных случаях вести дело экономично, отказавшись как от дорогостоящих штампов, так и от старомодного кузова. Кузов из стеклопластика позволяет примерно вдвое уменьшить вес автомобилей, а это значит, что приемистость машины резко возрастает.

Несмотря на недостатки стеклопластика, мировое производство изделий из него достигло почти миллиона тонн в год и продолжает быстро расти (алюминия и его сплавов производится примерно 4,5 млн. тонн). Но в конце концов оно, наверно, затормозится из-за относительно малой жесткости материала.

Армированный бетон

Хотя между людьми, работающими с железобетоном, и специалистами по стеклопластикам никогда, по-видимому, не было сколь-нибудь серьезных связей, в этих двух областях много общего, и поэтому уместно закончить настоящую главу небольшим разделом, посвященным армированному бетону. Подобные материалы ведут свое начало с глубокой древности, а различия между ними заключаются главным образом в масштабах: в бетоне, например, арматура намного грубее, чем в пластиках. Еще в Древнем Вавилоне использовали тростник для армирования построек из высушенной грязи; а различные вариации “плетенки и глины” издавна применялись во всем мире. Деревенька в Эссексе, где я пишу эту главу, построена главным образом из грязи и штукатурки поверх сплетенных прутьев.

Вероятно, первыми стали применять железо в качестве арматуры греки. Мы уже говорили в главе 1, что в нормальной кладке все должно быть в состоянии сжатия, поскольку кладка не может противостоять сколько-нибудь значительным растягивающим напряжениям. Это условие привело к использованию арок и куполов, позволяющих создавать большие перекрытия, в которых не возникают напряжения растяжения. Греки об этом отлично знали, но они, кажется, не признавали арок - по крайней мере в формальной архитектуре. Очень возможно что они исходили при этом из эстетических соображений. Греки далеко не всегда подчиняли свои поступки строго рассчитанной необходимости, особенно в архитектуре идущей от деревянных конструкций. Парфенон и все другие дорические храмы - точные мраморные копии деревянных строений вплоть до имитации в мраморе штифтов, скрепляющих между собой деревянные балки. Но так как творения греков блестящи, а наши собственные здания зачастую ужасны, не нам посмеиваться над античными архитекторами по этому поводу.

Деревянная архитектура, по существу, основана на балочных конструкциях, потому что ее строительный материал - разного рода длинные брусья. К тому же древесина обладает хорошей прочностью на разрыв. Греческая архитектура была, таким образом, архитектурой балок и колонн. То же самое прекрасно иллюстрирует американская “колониальная” архитектура. Строители здесь в избытке имели дерево, и потому они охотно и успешно обратились к классическому стилю. Готика и древесина несовместимы, поскольку готический стиль основан на напряжениях сжатия, которые под силу лишь каменным аркам.

Хотя мрамор, пожалуй, лучше других камней с точки зрения прочности на разрыв, его прочность все-таки слишком мала и непостоянна, поэтому делать из него балки какой бы то ни было длины невозможно. В ранних дорических каменных храмах это компенсировалось тем, что пролеты балок были короткими, а капители сверху колонн - широкими. Даже в Парфеноне (строительство началось в 447 году до н.э.) свободный пролет большинства балок не превышает 2,5 м, хотя и выглядят они длиннее. Однако, когда в 437 году до н.э. Мнесикл приступил к строительству входа в Акрополь (Пропилеи), ему потребовалось перекрывать намного большие пролеты. Их длина от 4 до 6 м определялась как архитектурными пропорциями, так и необходимостью церемониала. Чтобы справиться с растягивающими напряжениями, Мнесикл решил замуровать в мраморе в специальных канавках железные стержни длиной около 2 м. Так появился армированный мрамор, который должен был по замыслу создателей вести себя подобно древесине.

Однако Мнесикл не сделал существенного шага вперед: греческие колонисты в Акрагасе (Сицилия) еще в 470 году до н.э. использовали железные армирующие брусья длиною 4,5 м и сечением 12Х30 см. Правда, остается тайной, как были получены такие поковки. Но это заставляет предположить, что греки не испытали бы технологических трудностей в изготовлении паровой машины и другого тяжелого оборудования, если бы до них додумались[44].

Как мы уже говорили, готические церкви рушатся, если в них появляются растягивающие напряжения, а появляются они довольно часто. Выход - быть может, частичный - был найден в контрфорсах. Примерно тот же способ применялся и в поздней классической и романской архитектуре. Так, давление, действующее со стороны купола св. Софии в Константинополе (532 год), уравновешивается силами, созданными двумя полукуполами, на которых он покоится; правда, арки у его основания связаны железными стержнями.

Купола соборов св. Петра и св. Павла[45] покоятся на цилиндрических барабанах. Здесь не было возможности уравновесить силы, направленные наружу, вспомогательными куполами или контрфорсами: это совершенно нарушило бы замысел проекта с изолированными куполами. В обоих случаях проблема была решена, как известно, передачей нагрузки на замкнутую растянутую цепь, заделанную в кладку вокруг основания куполов.

Более общий подход предложил француз Суффло (1713 - 1781), пытавшийся увеличить прочность кладки на растяжение путем замуровывания в нее железных стержней. Однако вдоль швов проникала влага, железо окислялось и расширение продуктов коррозии крошило кладку. Позже Брюнель пытался делать примерно то же самое, вставляя обручное железо (тонкие полоски железа, идущие на обручи для бочек) в соединения кирпичной кладки. Результат был в точности похож на предыдущий.

Затем, вероятно, сразу трое почти одновременно обнаружили, что коррозия железной арматуры в портландцементе не столь значительна, чтобы вызвать повреждения. Французский садовник Жозеф Монье (1823 - 1906) в 1849 году сделал цветочные горшки, а точнее - большие кадки для апельсиновых деревьев, заложив сетку из тонких железных стержней в цемент. Эти кадки оказались удачными и привлекли к себе внимание. Англичанин В. Вилкинсон в поисках применения старым шахтным канатам сделал армированные строительные балки (подобно грекам), расположив канаты на их растянутой стороне. Наконец, французский инженер Ж. Лямбо показал в 1855 году гребное судно, сделанное из бетона, армированного железными стержнями, - по-видимому, оно было первым в длинной веренице не очень удачных бетонных судов. Лямбо запатентовал (казалось бы, поздновато) использование комбинированного железобетонного материала в строительстве.

Железная арматура позволяет бетону довольно успешно нести растягивающие нагрузки. Но деформация растяжения, при которой бетон разрушается, очень мала; поэтому бетон растрескивается задолго до того, как арматура значительно деформируется. Если к такой комбинированной системе приложить сколь-нибудь серьезную растягивающую нагрузку, бетон будет пронизан сеткой трещин. Если эти трещины малы - через них проникнет внутрь вода, если они велики - бетон раскрошится. Лучший способ избежать как одного, так и другого - поставить бетон навсегда в условия сжатия, а арматуру раз и навсегда растянуть. Различные виды такого материала, известного как предварительно напряженный железобетон, начали появляться примерно с 1890 года; но, хотя его применение было вполне успешным, распространение он получил не сразу.

Серьезно и в широких масштабах предварительно напряженный железобетон стал применяться сравнительно недавно. Его использование дает возможность строить намного более эффективные и нагруженные конструкции, чем из обычного железобетона. Естественно, возникает вопрос, не лучше ли делать всю конструкцию из стали? Оказывается, нет. И не только из-за существенной экономии стали. Бетонная матрица предохраняет стальные стержни от потери устойчивости и коррозии. Благодаря последнему конструкция почти не требует ухода.