Почему происходит разрушение конструкций

Есть предмет в технических вузах - сопротивление материалов (сопромат), который раскрывает причины, почему происходит разрушение конструкций. Его преподают будущим инженерам.

Расчет конструкций на прочность

Чтобы предотвратить разрушение конструкций, сопромат учит рассчитывать конструкции на прочность, и смысл этих расчетов сводится к следующему: необходимо проектировать конструкцию таким образом, чтобы действующие на нее силы приводили к напряжениям, не превышающим некоторой предельной для данного материала величины - предела текучести или предела прочности. Тогда конструкция не разрушится. Оправданность такого подхода доказывается тем, что построенные по законам сопромата здания, мосты, вышки стоят столетиями, корабли и подводные лодки, выражаясь газетным штампом, бороздят океаны, а самолеты и ракеты летают, куда им положено и как положено. Все это правда.

Анализ катастроф и аварий

Но правда не полная. Потому что иногда здания, мосты и вышки рушатся, огромные океанские лайнеры раскалываются во время шторма, как яичная скорлупа, а самолеты разваливаются в воздухе. Такое случается не часто, но случается. Объяснить это ошибками в расчетах или нарушением технологии удается далеко не всегда.

Разрушение происходит при напряжениях, значительно меньших предела текучести, то есть меньших, чем допускаются расчетом. При анализе катастроф и аварий обнаруживается, что причиной разрушения конструкций являются трещины, которые с огромной скоростью распространяются по всей конструкции. Такие трещины называют магистральными трещинами.

Почему прочные металлические материалы вдруг начинают вести себя, как стекло? Как учитывать это в расчетах? Можно, конечно считать, что это случайности, которых нельзя предусмотреть, но это будет самообман, причем очень опасный, влекущий за собой трагические последствия. Так что, значит, вековой опыт конструирования неверен? Нет, этого нельзя утверждать.

Во многих случаях он отлично себя зарекомендовал и его следует использовать. И если человек избирает инженерную специальность, то не надо надеяться, что не придется учить сопромат. Придется.

Разрушение конструкций

Но кроме разделов, которые изучали студенты раньше, в сопромате изучаются новые разделы, посвященные механике разрушения, которая наряду с понятием напряжения и деформации в качестве основного использует понятие энергии разрушения конструкций. Энергетический подход при расчете конструкций является во многих случаях необходимым дополнением к традиционному прочностному.

Суть этого подхода состоит в следующем: материал разрушается, когда накопившаяся в нем упругая энергия деформации становится больше некоторой предельной для данного материала величины. Не сила, не напряжение, как принято в классической теории упругости и сопромате, а энергия.

Основателем такого подхода был А. Гриффитс, (подробнее: Упрочняющие волокна). В 1920 году он решил несложную задачу, из числа тех, что стоят в задачниках в разделе «Закон сохранения энергии». Такую задачу под силу решить школьнику. Подумать только - решил школьную задачку и стал основателем нового направления в науке! Да, задача была не из самых сложных, и результат далеко не всегда соответствовал практике.

Но было главное - была новая и верная по сути идея. И было принципиально правильное объяснение. А этого уже достаточно, чтобы вписать свое имя в историю науки.

Самоутверждение ученого

Признание и понимание пришли не сразу. Были и насмешки, и резкая критика. С этим, к сожалению, в науке приходится сталкиваться часто. Прежде чем ученый придет к какому-то новому утверждению, ему нужно убедить в его правильности главного оппонента - самого себя. Это сложнее всего.

Но когда эта часть работы сделана, когда есть уверенность в своей правоте (а полной она обычно не бывает, потому что всегда есть сомнительные моменты, которые можно трактовать по-разному, наступает этап убеждения других. Это тоже не так просто - убедить специалистов, которые имеют свою точку зрения по данному вопросу, отличающуюся от вашей.

Даже когда оппоненты доброжелательны, дискуссия далеко не всегда проходит спокойно. Вот признание молодого ученого, пытавшегося доказать правоту своей точки зрения:

...Бор втолковывал мне, где я был неправ... Помню, как это кончилось: у меня брызнули слезы - я разрыдался, потому что просто не сумел вынести давления Бора.

Этим молодым ученым был Вернер Гейзенберг - один из самых блестящих физиков прошлого века, автор знаменитого принципа неопределенности, являющегося краеугольным камнем современной атомной физики.

Представляете, каков был накал страстей в дискуссии. К сожалению, слезы - не самый худший исход борьбы в науке, даже если это мужские слезы. Знаменитые уравнения австрийского физика Л. Больцмана, описывающие поведение газов на молекулярном уровне, не признавало большинство коллег.

Во главе оппонентов стоял физик и философ-идеалист Э. Мах. В борьбе с новой теорией Мах и его окружение использовали не только научную дискуссию, но и запрещенные приемы, не выбирая в нападках на Больцмана слов и выражений. Это во многом способствовало трагическому исходу - Больцман покончил с собой.

А через два года Мах публично признал идеи Больцмана правильными. По иронии судьбы современная физика и аэродинамика широко используют и уравнения Больцмана, и число Маха.