|
|
Навигация:  Развитие "ясновидения" в строительстве
Развитие "ясновидения" в строительстве Древние строители были лишены одного очень важного оружия -научных знаний. Если бы они владели хотя бы самыми основами строительной механики, им было бы достаточно четырех действий арифметики, чтобы точно знать, выдержат ли балки приложенную нагрузку, выдержат ли стены тяжесть свода, а свод – свою собственную тяжесть. Но древние строители были далеки от самых простых истин механики. Это оплачивалось дорогой, очень дорогой ценой. История не сохранила свидетельств о неудачах – о катастрофах дворцов, обрушивании башен, разрушении мостов. Но мы можем быть уверены, что такие события не были редкостью. Катастрофы практически оказывались единственной возможностью проверить границы несущей способности и устойчивости сооружения. Но, разумеется, от острого ума древних народов не укрылись некоторые закономерности природы; присутствовало и стремление к широким обобщениям на базе скромного и одностороннего опыта. Человеческое сознание уже было способно оперировать такими абстрактными понятиями, как “длина”, “сила”, “отношение”. Постепенно в разных местах и в разное время начали возникать научные центры, пытавшиеся интерпретировать накопленный до этого момента опыт в виде теорий создававшихся чисто умозрительно. Одной их наиболее известных научных школ древности была Афинская школа Аристотеля, а также ее прямой наследник Александрийская. Именно там создавался прообраз инженерной науки -науки, которая ставит своей целью практическую пользу, решение жизненно важных задач. Это яркое и нетипичное для своего времени явление связано с деятельностью великого ученого древности Архимеда. Разумеется, это преувеличение; до него было много людей с богатым техническим опытом и тонкой интуицией, построивших много замечательных сооружений. Однако Архимед был первым ученым, применившим результаты своих научных исследований на практике. Значителен его вклад в механику, который почти полностью относится к строительному делу: основы статики и гидростатики, теория центра тяжести; Архимед точно определил понятие “момент силы”, ввел понятие “относительный вес”. Условие равновесия рычага, в отличие от расплывчатой формулировки Аристотеля, было дано им в точном и ясном математическом виде. Следующий яркий всплеск человеческого технического гения произошел многими веками позже – после падения Римской империи и нашествия варваров, где-то на закате мрачного средневековья, речь идет об универсальном гении Леонардо да Винчи: Леонардо – ученый с современными представлениями. “В науке не может быть никакой достоверности, – писал он, – если отсутствует почва для приложения математики. Всякая практика должна опираться на теорию. Наука – полководец, а практика – воин”. И далее:“Мудрость -дочка опыта. Опыт непогрешим; грешат наши суждения, которые ожидают от опыта то, что находится вне его власти”. Многие из нынешних инженерных наук уходят своими корнями в труды Леонардо. Мы могли бы назвать его и первым инженером-строителем. Многое свидетельствует о том, что он размышлял над вопросом: почему одни сооружения прочны, надежны и стоят веками, а другие при тех же условиях очень быстро разрушаются? Ответы, которые он себе давал, тоже были современными: во-первых, необходимо целесообразное и хорошо продуманное конструктивное решение и, во-вторых, необходимо знать, какие силы действуют в самой конструкции и какова несущая способность ее элементов. Но как это узнать? До этого момента никто и никогда не ставил вопроса так правильно и так необычно для того времени. И соответственно, не было никакой основы, на которую можно было бы опереться, кроме основ статики, сформулированных еще Александрийской школой. Леонардо да Винчи был первым человеком, который использовал скромные достижения тогдашней статики для определения усилий, возникающих в отдельных элементах конструкции. Более того, он был первым человеком, который провел натурные испытания конструктивных элементов с целью определения их несущей способности. Известны его опыты с металлическими нитями, испытывавшимися на растяжение. Хотя он и был далек от выводов Роберта Гука, но с помощью своей достаточно сложной опытной установки смог определить несущие возможности тел разного сечения и длины, а также место и характер их разрушения. Позднее он провел серию опытов с деревянными балками, подвергавшимися нагрузке на изгиб при разных типах опирают (свободно лежащими на двух опорах и с жесткой заделкой с одной стороны). А вот вывод, который мы находим в его рукописях: “Если балка длиной в два локтя выдерживает сто фунтов, то балка длиной в один локоть – двести фунтов. Насколько короче балка, настолько большую нагрузку она может выдержать”. Леонардо путем опытов смог дойти до истины, что несущая способность балок обратно пропорциональна их длине и прямо пропорциональна ширине сечения. От его внимания ускользнула зависимость между высотой сечения и несущей способностью элемента, которая была открыта несколько веков спустя. Великий художник исследовал и несущую способность колонн. Он установил, что она прямо пропорциональна сечению колонны (что соввершенно верно) и обратно пропорциональна длине (достаточно приблизительно). Так или иначе, он руководил строительством с истинно научных позиций, и можно себе представить, какое сильное впечатление производило на невежественных современников его строительное “ясновидение”. К сожалению, после его смерти многие его труды и открытия долгое время оставались неизвестными, а некоторые были безвозвратно потеряны. “Инженеры” следующих веков определяли размеры элементов, как это делали древние римляне, – по интуиции, “на глазок”, так что аварии и катастрофы продолжали оставаться неизменным спутником строительной практики. Люди учились на своем горьком опыте, даже не подозревая, какую большую помощь им может оказать наука. Первым исследователем, чьи труды не были утеряны, уничтожены или забыты, а наоборот, стали общепризнанными, многократно повторяемыми, проверяемыми и уточняемыми, является Гилилео Галилей. После перипетий со святой инквизицией и “добровольного” отречения от своей космогонической теории он был вынужден уединиться в деревеньке Арчетри близ Флоренции. Там он посвятил свой деятельный дух давно задуманному (и далеко не безопасному) фундаментальному труду по физике, математике и механике. По важности идей и ценности выводов эта книга имеет не меньшее значение, чем его астрономический труд. Галилей был глубоко убежден, что “книга природы еще будет написана... на языке математики; ее буквами будут треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без которых человек не поймет языка этой книги, а будет блуждать в темном лабиринте природы”. Кроме того, Галилей очень правильно понимал и роль эксперимента, считая, что он должен быть хорошо продуманным и спланированным, явление должно изучаться в чистом виде, без нарушающих факторов, и может интерпретироваться математически. Следуя по этому пути, великий итальянец дошел до некоторых основных истин механики, неизвестных в то время. Современники называли его всевидящим, что можно рассматривать как неофициальное признание его прозорливости. Он начал с опытов на осевое растяжение, сначала на металлических нитях, а затем на деревянных балках. Введя понятие “абсолютное сопротивление” (по нынешней терминологии – несущая способность при осевом растяжении), Галилей доказал, что оно зависит не от длины элемента, а от площади его сечения, притом прямо пропорционально. Следующие опыты были на изгиб балок. Опытными телами были призматические деревянные балки, опирающиеся на массивную стену. И тут его острый глаз заметил то, что ускользнуло от внимания Леонардо. “Всякая пластинка или призма, – писал Галилей, – ширина которой больше толщины, оказывает наибольшее сопротивление изгибу тогда, когда она поставлена на ребро, а не когда лежит плоско. При этом сопротивление будет настолько больше, насколько ширина больше толщины”. Хотя математическая трактовка этих наблюдений была не совсем верной, Галилей все же сделал еще один шаг по пути познания. Он доказал, что геометрически подобные балки обладают разной прочностью, что балки меньшего размера всегда отличаются большей несущей способностью. На этом основании он позволил себе сделать более общее заключение: размеры всех живых и мертвых объектов в природе имеют некий верхний предел, поэтому, например, мухи не бывают такими, как слоны, а слоны такими, как горы. Материалы – кости животных, древесина растений – имеют некие предельные несущие возможности, которые не могут быть превышаны. Величина объекта обусловлена усилиями и напряжениями, которые может выдержать его скелет, а также деформациями, которые не должны быть платой за функционирование организма или целостность объекта. Приблизительно так звучат фундаментальные выводы о живой и мертвой природе, сделанные с подчеркнуто инженерных позиций около пяти веков назад. А после этого . . . После этого было открытие Гука — новый ключ к объяснению природы твердых тел. Оказалось, что они упруги, упорно сопротивляются внешним воздействиям и обладают особенностями поведения, которые придают индивидуальный облик конструкции, образуемой этими телами. Несколько позже известный французский ученый Мариотт самостоятельно разобрался в сущности закона и даже использовал его в вычислениях, связанных со строительством нового водопровода Версальского дворца. Более того, он заметил, что изгиб – это своеобразный симбиоз растяжения и сжатия: мысленно выделенные слои, параллельные оси элемента, укорачиваются или удлиняются, т. е. работают на растяжение или на сжатие. В 1776 г. Кулон смог дать метод определения нейтрального слоя в элементе, работающем на изгиб, – слоя, который разделяет зоны растяжения и сжатия и в котором напряжения и деформации равны нулю. Он первым зарегистрировал и наличие необратимых пластических деформаций в реальных твердых телах. Он также первым разработал метод определения напряжений и деформаций в цилиндрическом стержне, подвергающемся сравнительно редкому в строительной практике воздействию – скручиванию. Требования времени обусловили стремительное развитие науки. В конце ХУД1 — начале XIX в. произошел настоящий бум в этой застойной области человеческих знаний. Качественно новой основой ее бурного развития стало дифференциальное и интегральное исчисление — эта природосообразная форма абстрактной мыслительной деятельности. Капитализм начал набирать скорость. Его молодая интенсивная экономика нуждалась в дорогах, мостах, машинах и больших фабричных зданиях. Нужны были новые знания, новые умения, новая фундаментальная база для категорического утверждения этого нового и на первых порах прогрессивного общественно-экономического строя. Именно эти требования времени обусловили такое почти взрывоподобное развитие научной мысли. Гук, Мариотт, Бернулли, Кулон, Лагранж, Пуассон, Клапейрон, Максвелл, Эйлер – вот имена, которые все мы хорошо знаем еще со школьной скамьи. Мы знаем об их большом вкладе в развитие физики и почти ничего о том, что они были механиками — ниженерами-строителями. А ведь в большой степени это было именно так. Надежность зданий и сооружений была одним из главных мотивов в научной жизни их бурного времени. 1807 г. знаменателен в истории строительной науки. В первый раз был сделан качественный скачок от относительных величин, которыми в основном оперировали до этого, к абсолютным, характеризующим работу реальных материалов. Английский исследователь Юнг экспериментальным путем определил модуль упругости для различных материалов. Благодаря этому таинственное число, которое как множитель присутствует в законе Гука, наконец лишилось анонимности и приобрело точное значение, а словесная формулировка Роберта Гука стала математической формулой. Так “одним махом” была наполовину обеспечена вычислительная база тогдашнего инженера, скромного в своих требованиях. Теперь он мог выполнять некоторые несложные на вид, но важные расчеты, связанные с прочностью и деформациями конструкций. Так, например, при известных (скажем, вычисленных) напряжениях в данной точке несущего элемента путем одного лишь умножения можно получить соответствующие деформации. И наоборот, если каким-либо образом (напримеруС помощью измерения) сначала определены деформации, то путем простого деления на волшебное число Е выводятся соответствующие напряжения. Подобные вычисления мы можем производить и сами для некоторых элементарных конструкций, которые нас окружают, — например для веревок качелей. Но самое важное и интересное еще не это. Закон Гука благодаря его математической формулировке лег в основу многих важных инженерных теорий и является как бы столбом, на котором держится почти весь инженерно-теоретический аппарат. В 1820 г. француз Навье полностью исследовал поведение прямой балки при изгибе и на основе всех известных в то время теоретических и экспериментальных данных вывел общие уравнения равновесия упругого твердого тела. Круг замкнулся – теперь налицо были все фундаментальные знания, которые положили начало развитию новой науки, которая называется “сопротивление материалов”. Закон Гука, формула Юнга и общие уравнения Навье – вот основа сопромата. Сопротивление материалов – это единственная наука, которая почти век назад взялась ответить на издавна волнующий человека вопрос: “Упадет или не упадет?” Это наука, позволяющая “предсказать”, какими должны быть размеры конструктивных элементов, чтобы обеспечивалась достаточная несущая способность и приемлемые деформации при минимальном расходе материала. В сущности, эта наука дала пищу для воображения крупнейшим математикам минувшего столетия, подвинув математику на несколько шагов вперед. Сопромат (вернее его “благородный” спутник – теория упругости) стал проблемным импульсом для Лагранжа, Коши, Адама-ра, Грийна, Ламе, Лейбница, Гаусса и многих других математиков прошлого. А в наши дни многочисленные отрасли строительной механики являются своеобразным “банком” идей для некоторых направлений современной математики. Похожие статьи: Навигация: Статьи по теме:
Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум |
|
|
|
|
Информационный сайт о строительных материалах и технологиях. Контакты: Никита Королёв - © 2008-2014 |
© Все права защищены.
Копирование материалов невозможно. |
|