Сопромат - базовые знания

Самый первый «учебник по сопромату», с которым в возрасте примерно 3-4 лет сталкивается практически каждый ребёнок – это... сказка «Три поросёнка». Помните? Ниф-Ниф строит себе домик из соломы, Нуф-Нуф – из веток, а Наф-Наф – из камня. Вот вам и первый закон сопромата, самый простой – прочность предмета зависит от материала, из которого изготовлен данный предмет.


А продолжая изучать сопромат, можно наткнуться на множество интереснейших вещей! Ну например: оказывается не существует такого понятия, как «прочность». Не бывает в природе «прочности вообще»! А бывает: «прочность на разрыв», «прочность на растяжение», «прочность на изгиб», «прочность на удар», «статическая прочность», «динамическая прочность» и даже «усталостная (да-да, неживая материя тоже может уставать) прочность».

Немножко пересочиним нашу сказку про трёх поросят. Один из поросят, пускай это будет Ниф-Ниф, решил построить себе домик из бумаги! Бумага это прочный материал или нет? Обычно дети и даже большинство взрослых в ответ на этот вопрос смеются – ну какая может быть прочность у бумаги? А вот и нет! Традиционные дома в Японии представляют собой ажурный деревянный каркас, на котором крепятся панели «сёдзи», сделанные из... бумаги! Из японской бумаги, которая называется «васи». И дома эти отличаются вполне себе недурной прочностью. Как же так?


Проведём опыт. Возьмите обычный тетрадный лист. Сможете разорвать его пополам? Да легче лёгкого: берём лист двумя руками, одну руку тянем на себя, вторая на месте – и лист разлетается на две половинки!

Продолжим. Берём в точности такой же тетрадный лист, но пытаемся разорвать его, растягивая поперёк. То есть действуем руками не «вперёд-назад», а «вправо-влево», как будто растягиваем резинку. Вы тут же почувствуете, что разорвать бумажный лист таким образом уже намного труднее, и сил приходится прилагать намного больше!

Теперь третья часть опыта, самая трудоёмкая. Возьмём собранную из деревянных реек квадратную шарнирную рамку – с не туго затянутыми винтами, то есть так, чтобы рамку можно было свободно сдвигать-раздвигать руками «в ромбик».


Берём всё тот же самый тетрадный лист и наклеиваем на рамку. Даём высохнуть. Попробуйте теперь сжать и деформировать рамку! Это окажется ещё сложнее – такое впечатление, что внутри рамки приклеенный бумажный лист вдруг неожиданно «набрался сил», стал ещё жёстче, крепче! (А японская бумага «васи» толще и прочнее нашей обычной бумаги; так что стены из панелей «сёдзи» на самом деле совсем не «хлипкие»!)

А вот вам другой пример «из той же оперы» – алмаз. Вы, наверное, не раз слышали, что алмаз – это самый твёрдый на Земле камень. Это на самом деле так и есть – твёрдость алмаза по шкале Мооса равняется 10, это самый твёрдый материал на планете. Но означает ли это, что его невозможно разрушить? Ни в коем случае. Даже не самый сильный удар металлическим предметом способен расколоть алмаз на мельчайшие осколки! Вот тебе и «самый твёрдый»... А вывод – это второй закон сопромата: прочность предмета зависит от того, каким именно нагрузкам он подвергается.

Хотите ещё? Возьмём достаточно длинную деревянную рейку квадратного сечения и уложим её краями на два табурета – так, чтобы получился «мостик». В центре этого мостика уложим груз – тяжёлый, но не настолько, чтобы нашу рейку сломать. Под действием груза рейка прогнётся дугой:


Теперь мысленно разделим эту рейку на тонкие горизонтальные слои. Нетрудно понять, что под нагрузкой верхний слой рейки сдавливается, а нижний – наоборот, растягивается. А средний слой? А средний слой «отдыхает», он деформируется совсем мало... То есть разные «слои» нашей деревянной рейки под нагрузкой «работают», «напрягаются» с разной силой! А это значит, что недогруженную «серединку» нашей рейки мы можем совершенно спокойно сделать более тонкой – не теряя при этом общей прочности!

Посмотрите на настоящие строительные металлические конструкции (балки). Часто ли вы видите, чтобы они делались из «сплошных», квадратных или прямоугольных в сечении элементов? Нет. Намного чаще мы видим детали в форме уголка (буквой «Г»), швеллера (буквой «П»), «тавра» (то есть буквой «Т») и «двутавра» (в русском языке такой буквы нет, зато есть японская буква «エ»). Или даже вообще в форме полой металлической трубы! Почему?


Мы не будем приводить здесь расчёты и формулы – они слишком сложны; надеемся, вы поверите нам на слово. Однако оказывается, что стальная пустая внутри трубка диаметром 14 миллиметров и сплошной стальной круглый прут диаметром 10 миллиметров по прочности совершенно одинаковы. Но при этом пустотелая трубка в пять раз легче сплошного прутка! Вот вам и третий закон сопромата: прочность любого предмета под нагрузкой зависит от его формы.

Применение законов сопромата позволяет инженерам создавать конструкции одновременно лёгкие и прочные. При этом учитывается и конструкционный материал, и форма, и характер приложенных нагрузок. Скажем, пошли вы на концерт любимой группы на стадион. Посмотрите – повсюду висят сверхмощные звуковые современные колонки, так называемые «линейные массивы». Каждый такой массив может весить полторы-две тонны, а то и больше – как машина-внедорожник! Но подвешен такой линейный массив на ажурной, практически «воздушной» ферме из лёгкого алюминиевого сплава.


Из таких ажурных ферм сценические техники могут за считанные часы возводить сложнейшие и очень прочные конструкции – с «колоннами», «стенами» и «крышами», для подвеса самых разных звуковых колонок и световых приборов. Между прочим, современные многолучевые прожекторы могут весить по 50 килограмм каждый – а их на концерте задействован не один десяток! А лёгкие фермы, так похожие на детали от конструктора (только большие), весь этот многотонный вес держат без проблем. А всё благодаря сопромату...