Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

Стоимость разработки экзотических материалов может быть очень высокой, но порой такие материалы могут сберечь не только большие средства, но и жизни. И потом- вспомним историю. Сталь была получена как дорогой материал для мечей; алюминий пошел в ход для кавалерийских касок, когда килограмм его стоил 150 фунтов стерлингов; полиэтилен был разработан как дорогой материал для использования в локаторах.

Потенциальное воздействие новых, необычных для сегодняшнего времени материалов иллюстрируется некоторыми цифрами, приведенными ниже (табл. 1). Эти цифры показывают изменение веса самолета и полезной нагрузки с внедрением новых материалов, появление которых можно предвидеть. Они относятся к дозвуковым самолетам трансатлантических линий. Следовательно, полезная нагрузка самолета может увеличиться втрое, равно как втрое может, вероятно, уменьшиться и цена билета.

Таблица 1. Доля в общем весе самолета, %

Горючее / Двигатели / Планер / Полезная нагрузка

“Боинг-707” / 47 / 9 / 33 / 11

Проектируемый самолет / 40 / 4 / 23 / 33

Ясно, что подобное приложение новых материалов стоит внимания, поэтому оно является сегодня целью многих материаловедческих исследований. Каким же путем можно достичь нужных результатов? Какого сорта материалы необходимы?

Практически мы не в силах сколько-нибудь заметно повлиять на свойства природной древесины. Но, может быть, мы способны изменить свойства металла, например алюминия, или заменить его другим металлом, получше? На первый взгляд кажется, что стоит лишь увеличить прочность нашего металла - и все проблемы решены: ведь в конце концов самолеты проектируются так, чтобы запасы прочности были бы по возможности меньше, лишь бы обеспечить надежность. Следовательно, если бы материалы были прочнее, части самолета можно было бы делать более тонкими, а потому и более легкими. До известной степени это верно, но только до известной степени.

Следует помнить, что, хотя мы и можем значительно изменять прочность и вязкость твердых тел, их жесткость не поддается нашему контролю. Модуль Юнга зависит исключительно от химической природы твердого тела, и как с данным веществом ни возись, модуль упругости его не изменить. Если нам нужен другой модуль, мы должны взять другое вещество. Следовательно, если мы увеличиваем прочность какого-либо тела, например металла, то делаем это путем увеличения предельной упругой деформации. Поэтому, чтобы использовать более высокую прочность, мы должны работать при больших деформациях. Это означает, что перемещения в конструкции возрастут, и, если мы резко повысим напряжения с целью экономии веса, мы получим намного большие перемещения. Последствия такого рода усовершенствований видны на рис. 5; ясно, что такие формы крыла недопустимы.

Многие элементы конструкции самолета находятся в состоянии сжатия. Более того, сжатые элементы обычно имеют вид стержней и пластинок, тонких в сравнении с их длиною. А как уже говорилось в главе 1, элементы такого рода теряют несущую способность не потому, что они разлетаются на куски, а вследствие упругого выпучивания, связанного не с недостатком прочности, а с пониженной жесткостью. Это явление называется эйлеровой потерей устойчивости.

Кроме того, некоторые элементы самолетной конструкции выходят из строя не под нагрузкой, постоянно действующей в одном направлении, а вследствие так называемого флаттера. Это означает, что в определенных условиях обшивка ведет себя в потоке воздуха подобно полощущемуся на ветру флагу. Бороться с флаттером следует путем увеличения жесткости, а не прочности.

Получается так, что, когда мы начинаем увеличивать прочность материала, то есть вытаскивать нос, хвост оказывается увязшим - слишком мал модуль Юнга. Следовательно, увеличить модуль упругости столь же важно, как и увеличить прочность.

Далее, когда мы имеем дело с конструкциями минимального веса - например, с самолетом, - нас интересуют не столько абсолютные свойства материалов, сколько их удельные свойства; мы должны знать, сколько прочности и жесткости приходится на единицу веса. Удельные величины получаются делением абсолютных величин на удельный вес или плотность материала. С этой точки зрения полезно взглянуть на модули Юнга обычных технических материалов, которые приведены в табл. 2.

Таблица 2

Материал / Удельный вес γ, г/см 3/ E , кГ/см 2x 10 -4/ Е /γ условные единицы