Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард

С ростом скоростей самолетов росли и требования к прочности и жесткостина кручение. Наконец наступил момент (это было в 30-е годы), когда из-затребований к весу конструкций пришлось окончательно перейти от каркаснойсистемы к монококу, в первую очередь при конструировании монопланов. Поэтомусовременные самолеты обычно делают в виде сплошной оболочечной конструкциииз листов алюминия, фанеры или стеклопластика. Возврат к пространственнойкаркасной системе, который мы наблюдаем в конструкциях современных планеров,действительно чрезвычайно легких, столь же логичен. Большие крутящие нагрузкивстречаются лишь в созданных человеком конструкциях, таких, как кораблиили самолеты. Мы уже говорили в гл. II, что природе почти всегда удаетсяизбежать кручений, и поэтому монокок или внешний скелет встречаются нечасто, во всяком случае у крупных животных. Большинство из них позвоночные,и они представляют собой весьма сложную и эффективную пространственнуюферму, конструкционно весьма мало отличающуюся от бипланов и парусных кораблей.Очень показательны с этой точки зрения конструкции птиц, летучих мышейи птеродактилей. Они устроены таким образом, что их легкие каркасные конструкциине 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 историитехники. Если бы Исамбард Кингдом Брюнель возник на "железнодорожном"небосклоне всего несколькими годами раньше, то весьма вероятно, что большинствожелезных дорог в мире имело бы колею шириной в 2150 вместо чаще всегоиспользуемой сейчас колеи в 1435 мм [115]. Такая ширина была введенаего 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 возникшемсоревновании - такую возможность предвидел и Брюнель. Но будь сегодняжелезнодорожная колея шире, железнодорожный транспорт, возможно, и втехническом, и в экономическом отношении занимал бы сейчас большее место внашей жизни. Не исключено, что в этом случае картина мира была бы несколькоиной.

С другой стороны, если бы надувные шины появились к 1830 г., можно былобы тогда прямо перейти к безрельсовому транспорту, миновав стадию железныхдорог. И в этом случае современный мир был бы совсем другим. На самом делеизобретение надувной шины опоздало на 15 лет. Она была запатентована в1845 г. двадцатитрехлетним Р.В. Томсоном. Шина Томсона технически былаудивительно удачной, однако к этому времени железные дороги уже вошли вжизнь. Интересы железнодорожных компаний, совпавшие с интересами владельцевгужевого транспорта, привели к абсурдному законодательству, которое черезсистему запретов отодвинуло развитие автомобильного транспорта до рубежапрошлого и нынешнего столетий.

Нельзя было и помыслить, что велосипед может составить какую-либо конкуренциюпоездам или лошадям, поэтому его появление было официально признано и разрешенов викторианские времена. Надувная шина с успехом пережила свое возрождениев 1888 г. для использования в велосипеде. Дж.Б. Данлоп сделал на этомсостояние, так как Томсон к этому времени уже умер и его патент потерялсилу. Скорость грузовика со сплошными шинами была бы ограничена примерно20 км/час, не намного быстрее двигался бы и легковой автомобиль. ИзобретениеТомсона не только сделало практически возможным быстрый и дешевый шоссейныйтранспорт, но и позволило самолетам подниматься с суши и садиться на нее.Без надувных шин мы были бы вынуждены пользоваться, вероятно, какими-тогидропланами.

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

Остроумная идея использования надувных конструкций в технике отнюдьне нова. Примерно за тысячелетие до нашей эры в верховьях Тигра и Евфратаделали 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 возвращалисьобратно домой по суше на спинах этих вьючных животных. Сегодня надувныелодки получили широкое распространение, так же как и надувные палатки имебель, в упакованном виде их просто перевозить.

Поддерживаемая воздухом крыша была предложена в 1910 г. крупным инженеромФ. Ланчестером. Она представляла собой надувную оболочку, края которойкрепились к земле. Оболочка поднималась и держалась в воздухе благодаряочень небольшому избыточному давлению, создаваемому простым вентиляторнымкомпрессором. Хотя входить и выходить приходилось через специальный воздушныйшлюз, это не умаляло достоинств конструкции. Крыша Ланчестера позволяетпросто и дешево создать перекрытие над большой площадью, однако в настоящеевремя ее применение ограничивается такими сооружениями, как оранжереи икрытые теннисные корты, применению в строительстве производственных и жилыхзданий препятствуют давно устаревшие нормы.

Конечно, в надувных конструкциях не обязательно использовать тольковоздух. На том же принципе "работает" мешок с песком, так же как и баржитипа "Дракон", которые представляют собой просто большие удлиненные плавающиемешки, наполненные водой или нефтью. Они используются в верховьях Амазонкидля транспортировки нефти, и после опорожнения возвращаются назад по суше(только не на ослах), как и древние надувные лодки на Евфрате. В такихмешках доставляется пресная вода в туристские отели, расположенные на островахГреции.

Техника надувных конструкций, вероятно, заслуживает более интенсивногоразвития, чем это было до сих пор. По-настоящему эксплуатируют принципнадувных конструкций лишь растения и животные, организм которых работаетподобно химическому заводу и содержит много самых разных и сложных жидкостей.Нет ничего более естественного и экономичного, чем спроектировать червякав форме длинного мешка, туго нафаршированного внутренностями. Конструкциитакого типа так хорошо работают и представляются настолько естественными,что можно только удивляться, почему животным понадобилось обзавестись скелетомиз хрупких и тяжелых костей. Не было ли бы куда как удобнее, если бы человекбыл устроен наподобие осьминога, каракатицы или хобота слона?

Существует мнение, как сообщил мне профессор Симкис, что в животноммире на самом деле никто и никогда не замышлял обзаводиться скелетом; вполневозможно, что самые ранние кости были просто свалкой ненужных организмумельчайших частиц металлов. Но коль скоро живой организм хоть однажды произвелвнутри своего тела твердое неорганическое образование, он мог затем попытатьсяиспользовать его и для прикрепления мускулов.

Колеса со спицами

В обычном деревянном колесе телеги весь ее вес воспринимается спицами,поочередно работающими на сжатие. В этом смысле телега очень похожана сороконожку с огромным количеством длинных ног. Вместе взятые, они многовесят, но работа их неэффективна. Впервые, кажется, этот факт стал ясенДжорджу Кэйли (1773-1857), замечательному и эксцентричному человеку. Кэйлибыл одним из самых блестящих зачинателей авиации, он задался вопросом,как сделать колеса шасси своего самолета более легкими. Уже в 1820 г. онпонял, что можно сильно сэкономить на весе, если изобрести такое колесо,в котором спицы работают не на сжатие, а на растяжение. Эта мысль привелав конце концов к разработке современного велосипедного колеса, в которомпроволочные спицы постоянно растянуты, в то время как сжимающая нагрузкавоспринимается ободом, который можно сделать весьма тонким и легким, таккак он оказывается весьма устойчивым.