Поведение металлов под нагрузкой

С середины XVIII века техника стала быстро развиваться. Во второй его половине была изобретена паровая машина. Этот двигатель позволил приводить в движение станки на заводах и в мастерских, паровозы и пароходы.
По рельсовым путям покатили поезда; пароходы, не имевшие нужды в попутном ветре, бороздили моря; на фабриках завертелись валы с приводными колесами; над реками повисли железные мосты...
На балки мостов, на детали машин действуют различные усилия. Вес грузов, перевозимых по мостам, изгибает балки. Детали машин подвергаются растяжению, изгибу, скручиванию. Если бы они не сопротивлялись этим усилиям, то машина не могла бы работать: растянулся бы шток поршня цилиндра, скрутился бы коленчатый вал... Но под действием нагрузки в детали возникает противодействие, называемое напряжением. Между нагрузкой и напряжением устанавливается равновесие: шток не растягивается, а только чуть-чуть удлиняется; вал также, хотя и скручивается, но незначительно.
Эти изменения формы и размеров деталей должны быть очень малы. В противном случае потеряется гармония между движениями частей машины, произойдет авария— изогнутся, поломаются стальные части и полетят в стороны, сокрушая все на своем пути...
Как же определить размеры деталей машин, чтобы они оказывали достаточное сопротивление нагрузкам?
Эта задача с усложнением машин и увеличением скорости движения деталей приобрела особую важность. Оказалось, что усилия, быстро меняющие величину или направление, действуют на детали машин сильнее, чем постоянная спокойная нагрузка.
Исследования поведения металлов под нагрузкой начались задолго до появления быстроходных машин, вскоре же после выхода в свет «Бесед» Галилея.
Как сопротивляется металлическая деталь растяжению или изгибанию? Что происходит при скручивании металлического стерженька? Какова величина изменения их формы или деформации при различной нагрузке? Вот вопросы, решения которых требовала техника. Ученые и занялись их исследованием.
Впервые результаты этих исследований были опубликованы в 1675 году английским физиком Робертом Гуком.
Гук был очень осведомленным человеком. По окончании университета он помогал в постановке опытов известному английскому физику Бойлю, исследовавшему сжимаемость воздуха. Когда он приобрел известность среди ученых, его пригласили в Лондонское Королевское общество на должность экспериментатора. На обязанности Гука лежало производить различные опыты и докладывать об их результатах на заседаниях общества. Если бы не опыты, производившиеся Гуком, то, по словам его биографов, у Лондонского Королевского общества было бы слишком мало материалов для обсуждения. Неудивительно, что Гук вскоре был избран членом общества и его секретарем. На этом посту он оставался до самой смерти.
Талантливый экспериментатор, Гук сам придумывал приборы для постановки своих опытов и наблюдений. Он изобрел пружинные часы, проекционный фонарь, прибор для исследования дна морей и многие другие.
Однако как ученый Гук имел серьезный недостаток: он брался сразу за несколько исследований и многого не доводил до конца.
Изучая поведение растягиваемой проволоки, Гук сделал наблюдение, что она удлиняется пропорционально нагрузке: во сколько раз увеличится или уменьшится нагрузка, во столько же раз увеличится или уменьшится и удлинение. Не доведя исследования до конца, не изучив поведения проволоки при все возрастающей нагрузке, он поспешил опубликовать свой вывод, получивший название закона Гука. Между тем, если бы он продолжил свои опыты, то мог бы открыть замечательные явления, о которых мы скажем дальше.
Другим исследователем сопротивления материалов был французский физик Шарль Кулон. Он получил техническое образование в Париже и по окончании учения уехал на далекий остров Мартинику, к берегам Южной Америки.
Молодой инженер руководил там сооружением укреплений, проведением дорог, постройкой мостов. Во время практической деятельности у него возникло много вопросов, для разрешения которых требовались исследования.
Почему, например, поднимая груз воротом или полиспастом, приходится прилагать большую силу, чем дает расчет? Как рассчитать балку моста или приводной вал?
Этими вопросами и занялся Кулон, возвратившись в 1776 году в Париж.
Величина движущей силы определялась исходя из «золотого правила» механики, без учета сопротивлений в самой машине. Такой расчет не давал величину движущей силы, которая в действительности оказывалась недостаточной.
Кулон взялся за исследование работы простых машин. Он определил путем ряда опытов величину трения внутри них, жесткость веревок и другие сопротивления.



Приняв их во внимание, он ввел поправки в обычные формулы расчета машин. Эти работы имели важное значение для развития машиностроения. За них Кулон получил премию и был избран в члены Французской академии наук.
Занявшись расчетом балок, Кулон исследовал задачу об изгибе балки, заделанной одним концом в стену, — случай, рассмотренный еще Галилеем. Он указал на ошибку Галилея, который считал, что в изгибаемой балке все волокна растягиваются. В действительности же растягиваются только верхние из них, а нижние сжимаются. Поэтому хотя данная Галилеем формула правильна, но числовой коэффициент должен измениться.
В дальнейшем Кулон исследовал и другие задачи сопротивления материалов, например о скручивании стержней.
По такому же пути шли многие исследователи прочности материалов. Они сперва теоретически вычисляли, как изменяется сопротивление детали растяжению, изгибу или скручиванию в зависимости от ее формы, а путем опыта определяли сопротивление образцов с поперечным сечением, равным единице площади.
Для исследования прочности образцов материалов были изобретены специальные машины, устраивались лаборатории, в которых производились многолетние опыты и наблюдения. Металлические стерженьки подвергались на изобретенных для этой цели станках растяжению, сжатию, изгибу и скручиванию.
Оказалось, что все эти деформации также происходят по закону Гука, то есть величина их пропорциональна нагрузке. По снятии же ее растянутые проволоки принимали прежнюю длину, изогнутые пластинки выпрямлялись, скрученные стерженьки снова возвращались в прежнее состояние.
В этом и заключается свойство упругости тел.

Изгиб балки, заделанной одним концом в стену. Верхние волокна растягиваются, нижние сжимаются.

Сохраняют ли металлы способность оказывать сопротивление при любых усилиях? Всегда ли справедлив закон Гука? Что произойдет с деталью при постоянно увеличивающихся нагрузках?
Это были загадки, от разрешения которых зависело будущее машиностроения.
Инженеры буквально заваливали лаборатории образцами. Лаборанты дни и ночи проводили у станков, изгибая, растягивая, скручивая образцы металлов. Все увеличивая нагрузки, ускоряя обороты машин, они стали свидетелями удивительного, загадочного поведения металлических стерженьков и пластинок.
Оказалось, что металл сохраняет упругость только до тех пор, пока нагрузка не достигнет определенной величины. Когда же этот предел превзойден, то удлинение проволоки растет быстрее, чем нагрузка. По удалении же ее проволока не вполне возвращается к прежней длине — часть удлинения остается, как это происходит с растягиваемой восковой свечкой.
Значит, железо наряду с упругой испытывает уже и пластическую деформацию.
Если еще увеличивать нагрузку, то проволока будет удлиняться все быстрее и наконец растянется, как тесто. В таких случаях говорят: металл «потек», хотя он при этом остается твердым.
«Течение» быстро прекращается. Металл опять приобретает прочность. Чтобы проволока снова начала удлиняться, нужно еще увеличивать нагрузку. Но вскоре в каком-нибудь месте проволока становится все тоньше, слышится сухой треск и она разрывается.
Что же происходит при этом внутри металла? Это оставалось загадкой, связанной с тайной внутреннего строения вещества. Инженеры и ученые долго не могли разгадать ее. Они на опыте устанавливали предел упругости, определяли прочность деталей машин и балок. Поперечные размеры деталей брались с таким запасом прочности, чтобы нагрузка была в несколько раз меньше предела упругости.
Оказалось, что стержни не одинаково сопротивляются различным нагрузкам: самым опасным для них является поперечный изгиб, тогда как усилия, направленные вдоль оси, они переносят легко. Именно поперечный изгиб ограничивал ширину пролета, перекрываемого балкой. При большом пролете приходилось брать все более толстые балки, что сильно удорожало перекрытия и мосты.
И вот явилась мысль: нельзя ли избавиться от изгибающих усилий, вместо того чтобы увеличивать толщину балок?


Загадки техники