Конструкции, или почему не ломаются вещи

Гордон Джеймс Эдвард

Переход от палочек, проволочек и ткани в конструкциях первых самолетов к современным монококам был продиктован не внезапной сменой моды. Это был необходимый и совершенно логичный шаг, связанный с резко возросшими скоростями и нагрузками. Как мы уже говорили, в условиях сжимающих и изгибающих нагрузок монокок всегда окажется тяжелее каркасной конструкции, хотя при увеличении нагрузок этот избыточный вес и уменьшается. С другой стороны, в условиях нагрузок, приводящих к сдвигу и создающих крутящий момент, монокок оказывается предпочтительнее каркасной конструкции [114] .

114

Для

данной площади поперечного сечения элемента.

С ростом скоростей самолетов росли и требования к прочности и жесткости на кручение. Наконец наступил момент (это было в 30-е годы), когда из-за требований к весу конструкций пришлось окончательно перейти от каркасной системы к монококу, в первую очередь при конструировании монопланов. Поэтому современные самолеты обычно делают в виде сплошной оболочечной конструкции из листов алюминия, фанеры или стеклопластика. Возврат к пространственной каркасной системе, который мы наблюдаем в конструкциях современных планеров, действительно чрезвычайно легких, столь же логичен. Большие крутящие нагрузки встречаются лишь в созданных человеком конструкциях, таких, как корабли или самолеты. Мы уже говорили в гл. II, что природе почти всегда удается избежать кручений, и поэтому монокок или внешний скелет встречаются не часто, во всяком случае у крупных животных. Большинство из них позвоночные, и они представляют собой весьма сложную и эффективную пространственную ферму, конструкционно весьма мало отличающуюся от бипланов и парусных кораблей. Очень показательны с этой точки зрения конструкции птиц, летучих мышей и птеродактилей. Они устроены таким образом, что их легкие каркасные конструкции не требуют большой крутильной жесткости, поэтому они не разрушаются в полете. Это полезно иметь в виду авиаконструкторам.

Надувные конструкции

Иногда интересно поразмышлять над некоторыми "если бы" и "но" в истории техники. Если бы Исамбард Кингдом Брюнель возник на "железнодорожном" небосклоне всего несколькими годами раньше, то весьма вероятно, что большинство железных дорог в мире имело бы колею шириной в 2150 вместо чаще всего используемой сейчас колеи в 1435 мм [115] . Такая ширина была введена его конкурентом Джорджем Стефенсоном как ширина "колеи угольной вагонетки", которая в свою очередь исходила от ширины колеи римских колесниц. Стефенсоновская колея имела некоторое начальное преимущество в возникшем соревновании - такую возможность предвидел и Брюнель. Но будь сегодня железнодорожная колея шире, железнодорожный транспорт, возможно, и в техническом, и в экономическом отношении занимал бы сейчас большее место в нашей жизни. Не исключено, что в этом случае картина мира была бы несколько иной.

115

В Советском Союзе ширина железнодорожной колеи 1524 мм.
– Прим. ред.

С другой стороны, если бы надувные шины появились к 1830 г., можно было бы тогда прямо перейти к безрельсовому транспорту, миновав стадию железных дорог. И в этом случае современный мир был бы совсем другим. На самом деле изобретение надувной шины опоздало на 15 лет. Она была запатентована в 1845 г. двадцатитрехлетним Р.В. Томсоном. Шина Томсона технически была удивительно удачной, однако к этому времени железные дороги уже вошли в жизнь. Интересы железнодорожных компаний, совпавшие с интересами владельцев гужевого транспорта, привели к абсурдному законодательству, которое через систему запретов отодвинуло развитие автомобильного транспорта до рубежа прошлого и нынешнего столетий.

Нельзя было и помыслить, что велосипед может составить

какую-либо конкуренцию поездам или лошадям, поэтому его появление было официально признано и разрешено в викторианские времена. Надувная шина с успехом пережила свое возрождение в 1888 г. для использования в велосипеде. Дж.Б. Данлоп сделал на этом состояние, так как Томсон к этому времени уже умер и его патент потерял силу. Скорость грузовика со сплошными шинами была бы ограничена примерно 20 км/час, не намного быстрее двигался бы и легковой автомобиль. Изобретение Томсона не только сделало практически возможным быстрый и дешевый шоссейный транспорт, но и позволило самолетам подниматься с суши и садиться на нее. Без надувных шин мы были бы вынуждены пользоваться, вероятно, какими-то гидропланами.

Шины, смягчающие и выравнивающие ударные нагрузки, которые действуют на колеса экипажа, - это лишь один из видов силовых надувных конструкций. Разного рода силовые надувные конструкции позволяют избежать серьезных затрат материала и снизить стоимость в тех случаях, когда необходимо передавать небольшие изгибающие и вжимающие нагрузки на значительные расстояния. В таких конструкциях сжатию подвергаются не твердые панели или колонны, которые легко выпучиваются, а воздух или вода. Твердые же части конструкции подвергаются только растягивающим напряжениям, что, как мы уже могли убедиться, и легче, и дешевле.

Остроумная идея использования надувных конструкций в технике отнюдь не нова. Примерно за тысячелетие до нашей эры в верховьях Тигра и Евфрата делали лодки и плоты из надувных шкур. Они спускались вниз по течению, нагруженные товарами, на них, как правило, находились также мулы и ослы. По прибытии на место назначения воздух выпускался из шкур, и лодки возвращались обратно домой по суше на спинах этих вьючных животных. Сегодня надувные лодки получили широкое распространение, так же как и надувные палатки и мебель, в упакованном виде их просто перевозить.

Поддерживаемая воздухом крыша была предложена в 1910 г. крупным инженером Ф. Ланчестером. Она представляла собой надувную оболочку, края которой крепились к земле. Оболочка поднималась и держалась в воздухе благодаря очень небольшому избыточному давлению, создаваемому простым вентиляторным компрессором. Хотя входить и выходить приходилось через специальный воздушный шлюз, это не умаляло достоинств конструкции. Крыша Ланчестера позволяет просто и дешево создать перекрытие над большой площадью, однако в настоящее время ее применение ограничивается такими сооружениями, как оранжереи и крытые теннисные корты, применению в строительстве производственных и жилых зданий препятствуют давно устаревшие нормы.

Конечно, в надувных конструкциях не обязательно использовать только воздух. На том же принципе "работает" мешок с песком, так же как и баржи типа "Дракон", которые представляют собой просто большие удлиненные плавающие мешки, наполненные водой или нефтью. Они используются в верховьях Амазонки для транспортировки нефти, и после опорожнения возвращаются назад по суше (только не на ослах), как и древние надувные лодки на Евфрате. В таких мешках доставляется пресная вода в туристские отели, расположенные на островах Греции.

Техника надувных конструкций, вероятно, заслуживает более интенсивного развития, чем это было до сих пор. По-настоящему эксплуатируют принцип надувных конструкций лишь растения и животные, организм которых работает подобно химическому заводу и содержит много самых разных и сложных жидкостей. Нет ничего более естественного и экономичного, чем спроектировать червяка в форме длинного мешка, туго нафаршированного внутренностями. Конструкции такого типа так хорошо работают и представляются настолько естественными, что можно только удивляться, почему животным понадобилось обзавестись скелетом из хрупких и тяжелых костей. Не было ли бы куда как удобнее, если бы человек был устроен наподобие осьминога, каракатицы или хобота слона?