• Главная
• Контакты
• Нашёл ошибку
• Прислать материал
• Добавить в избранное

Философия есть не что иное, как благоразумие.

(Джон Селден)

Мы уже видели, что расчеты на прочность применяются для анализаповедения конкретных конструкций - либо тех, которые предполагается строить,либо тех, которые уже существуют, но их надежность находится под сомнением,либо тех, которые нас озадачили (успев сломаться). Другими словами, еслимы знаем размеры конструкции и свойства материала, из которого она сделана,то можем по меньшей мере попытаться предсказать, сколь прочной она будети как она будет деформироваться под нагрузкой.

Такие расчеты весьма полезны в конкретных задачах. Но они вряд ли помогут,если мы захотим понять, почему тот или иной предмет имеет именно присущуюему форму и сделан именно так, а не иначе, или если нам понадобится выбратьиз широкого класса возможных конструкций наиболее подходящую для нашегослучая. Например, если мы проектируем самолет или мост, то что лучше сослужит,оболочка ли из сплошных пластин или панелей или же конструкция типа решеткииз стержней или труб, связанных, скажем, тросами? Почему у нас так многомышц и сухожилий и относительно мало костей? Как выбрать из огромного количестваконструкционных материалов именно тот, который нужен? Делать ли конструкциюиз стали или из алюминия, пластмассы или дерева?

Привычные для нас "конструкции" растений, животных и типичных творенийнаших рук приняли свой нынешний вид не сразу. Как правило, форма и материаллюбой живой конструкции, прошедшей длительный путь развития в условияхборьбы за существование, приобрели свой вид в результате оптимизации поотношению к нагрузкам, которым они обычно подвергаются, с одной стороны,и к энергетическим затратам, связанным с обменом веществ, - с другой. Втехнике хотелось бы достичь такой же оптимизации, но это удается нам далеконе всегда. И далеко не все понимают, что этот предмет, который иногда называют"философией конструирования", можно исследовать научными методами. Об этомостается только сожалеть, ибо полученные здесь результаты представляютсяважными как для биологии, так и для инженерного дела.

Хотя философия конструирования - предмет, не очень почитаемый, он уже имеетдовольно длинную историю. Впервые серьезные исследования этой проблемы синженерной точки зрения были предприняты около 1900 г. А.Мичеллом[109].

Хотя биологи и публиковали отдельные работы, связанные с законом двухтретей, сформулированным еще Галилеем (см. гл. 8), первой значительнойработой на эту тему была вышедшая в 1917 г. прекрасная книга Арки Томпсона"Рост и форма", в которой он с общих позиций рассмотрел влияние конструкционныхтребований на форму животных и растений. Несмотря на бесспорные достоинства,эта книга не во всем безупречна с инженерной точки зрения. Получив справедливовысокую оценку, "Рост и форма" не оказала тем не менее реального влиянияна биологическую мысль ни в свое время, ни значительно позже. Кажется,она не произвела должного впечатления и на инженеров. Просто тогда ещене настало время для плодотворного обмена идеями между инженерами и биологами.

В наши дни основной вклад в математическое исследование философииконструирования внес X.Л. Кокс. Будучи большим специалистом по теорииупругости, Кокс обладает и еще одним достоинством - он большой знатокпроизведений Беатрис Поттер[110]. Надеюсь, онпростит меня, если я скажу, что в некоторых отношениях он несколько напоминаетвеликого Томаса Юнга: подобно последнему, демонстрирует не только ярковыраженную одаренность, но и значительную неясность изложения. Боюсь, что невсякий смертный разберется в его идеях без "переводчика", а потому работы Коксаполучили меньшее признание, чем они заслуживают. Многое из того, о чем я будуговорить дальше, прямо или косвенно основано на идеях Кокса. Начнем с егоанализа конструкций, подвергающихся растяжению.

Любопытно, что к конструированию даже простейшей детали, работающейна одноосное растяжение, нельзя приступать до изобретения какой-либо законцовки,предназначенной для передачи нагрузки. Будь это стальной прут или лиана,канат или струна, напряженное состояние в концевой области гораздо сложнееодноосного растяжения. Здесь широкое поле деятельности для теории, но иэмпирика будет весьма кстати.

( Проектирование конструкций минимального веса ) (X.Л. Кокс)

Принципы проектирования конструкций, работающих на растяжение, были быкрайне просты, если бы все дело не портили законцовки - детали, передающиенагрузку на обоих концах растягиваемого элемента. Во-первых, вес такойконструкции, рассчитанный на заданную нагрузку, был бы пропорционален еедлине. Скажем, канат, длиной 100 м, рассчитанный на то, чтобы держать грузвесом в 1 т, будет весить в 100 раз больше, чем канат длиной 1 м, выдерживающийтакую же нагрузку в 1 т. Более того, если нагрузка распределена поровну,то безразлично, будет ли она удерживаться одним тросом или стержнем илидвумя, каждый из которых имеет вдвое меньшее поперечное сечение.

Столь простой анализ нарушается необходимостью иметь детали, передающиенагрузку на обоих концах троса или стержня. Даже простая веревка должна иметьпо узлу или петле на каждом конце. Узел или место сращения могут быть довольнотяжелыми и дорогостоящими. При точном расчете вес и стоимость узлов и стыковследует прибавить к весу и стоимости самой растягиваемой детали. Вес истоимость законцовок будут одинаковыми как для длинных, так и для короткихканатов. Поэтому при прочих равных условиях вес и стоимость работающих нарастяжение элементов конструкции на единицу длины с увеличением длины будетуменьшаться. Таким образом, вес не растет пропорционально длине элемента. Можнопоказать также, что общий вес законцовок двух растянутых стержней, работающихпараллельно, меньше, чем общий вес законцовок одного стержня, рассчитанного нату же нагрузку[111]. Следовательно, можносэкономить общий вес, распределив нагрузку между двумя, тремя и болеерастягиваемыми деталями, тросами или канатами.

Кокс подчеркивает, что распределение напряжений в законцовках обычновесьма сложно, в них обязательно появляются зоны концентрации напряжений,в которых при соответствующих условиях распространяются трещины. Поэтомувес и стоимость таких деталей определяются как искусством конструктора,так и трещиностойкостью материала. Чем больше величина работы разрушенияматериала, тем легче и дешевле будут законцовки. Однако, как мы виделив гл. 4, с ростом прочности трещиностойкость материала обычно падает. Дляраспространенных конструкционных материалов, таких, как сталь, работа разрушениякатастрофически падает при увеличении прочности на растяжение.

Тем самым при выборе материала для конструкционного элемента, работающегона растяжение, мы находимся перед лицом двух противоречивых требований.Чтобы уменьшить вес средней части конструкции, нужно использовать материалс большой прочностью на растяжение. Для законцовок же обычно требуетсяболее вязкий материал, весьма вероятно, что он будет иметь невысокую прочностьна растяжение. Как это нередко бывает, здесь следует идти на компромисс.В данном случае выбор материала в основном определяется длиной детали.Для очень длинных деталей, например канатов современных подвесных мостов,следует выбрать высокопрочную сталь, даже если при этом придется миритьсяс дополнительным весом и сложностями, связанными с закреплением концовканата. Все-таки их всего лишь два - на одном и другом берегу, зато междуними может быть целая миля троса. Поэтому экономия веса на средней частиконструкции более чем компенсирует любые потери на ее концах.

Ситуация полностью меняется, если мы будем иметь дело с такими деталями, какцепи с короткими звеньями. В каждом звене вес стыка может быть даже больше весасредней части. Возьмем, например, поддерживающие цепи в старых подвесныхмостах. Обычно они делались из вязкого и пластичного кованого железа снебольшой прочностью на растяжение. Как мы уже говорили в гл. 9, именно по этойвполне убедительной причине растягивающие напряжения в плоских звеньях цепей моста черезМенай[72] составляют всего десятую часть напряжений в тросах современныхподвесных мостов. Примерно то же справедливо и в отношении оболочечныхконструкций, таких, как корпуса судов, резервуары и котлы, изготовленные изотносительно небольших листов железа, или стали. Те же аргументы применимы и ктаким клепаным алюминиевым конструкциям, как современный самолет. Все они могутрассматриваться в большей или меньшей степени как двумерные цепи с достаточнокороткими звеньями. В таких случаях целесообразно использовать менее прочный,но более пластичный материал, иначе вес соединений был бы недопустимо велик(см. гл. 4, рис. 25).

Увеличение числа канатов и тросов в конструкциях судов, бипланов (а такжепалаток) приводит обычно к экономии веса[112]. Но за это приходится платитьповышением лобового сопротивления, общим усложнением конструкции и высокойстоимостью ее эксплуатации. Похожий принцип можно встретить и в животном мире,где природа не скупилась на детали, например мышцы и сухожилия, работающие нарастяжение. Для уменьшения веса законцовок она использовала тот же принцип, чтои моряки елизаветинских времен. Концы многих сухожилий разветвляются внекоторую веерообразную конструкцию, которую Френсис Дрейк назвал бы "птичьейлапой". Каждая веточка сухожилия имеет отдельное крепление к кости. Такминимизируется вес (и, возможно, метаболическая стоимость).

Мы уже говорили в предыдущей главе, что для ряда материалов величиныпрочности на сжатие и растяжение часто сильно различаются, но для многихвесьма распространенных материалов, таких, как сталь, это различие не оченьвелико, так что массы коротких растянутых и сжатых элементов должны бытьболее или менее одинаковыми. На самом деле сжатый короткий стержень можетбыть даже легче растянутого, так как для него иногда не нужны законцовки,совершенно необходимые в случае растяжения.

Однако с увеличением длины такого стержня дает себя знать эйлерова потеряустойчивости. Напомним, что критическая нагрузка, при которой сжатый стерженьдлиной L начинает выпучиваться, изменяется пропорционально1/L². Это означает, что для стержня с заданным поперечным сечением предельноенапряжение при сжатии с увеличением L убывает очень быстро.Чтобы выдержать заданную нагрузку, длинный стержень должен быть гораздотолще и, следовательно, тяжелее короткого. Как мы установили в предыдущемпараграфе, в случае растяжения все происходит как раз наоборот.

Очень поучительно сравнить, как конструкционный элемент длиной 10 мвыдерживает нагрузку весом 1 т (10⁴ Н) в условиях растяженияи сжатия.

Растяжение. Для стального троса допустимое напряжение примемравным 350 МН/м² (35 кгс/мм²). Принимая во внимание крепления на его концах,найдем общий вес конструкции равным примерно 3,5 кг.

Сжатие. Попытаться удержать нагрузку в 1 т (10⁴ Н)с помощью одного сплошного стального стержня длиной 10 м было бы простоглупо: чтобы избежать потери устойчивости, его пришлось бы сделать оченьтолстым и, следовательно, очень тяжелым. На практике можно, например, использоватьстальную трубу диаметром около 16 см с толщиной стенок около 5 мм. Такаятруба будет весить около 200 кг. Другими словами, ее вес будет в 50-60раз больше, чем у стального стержня, работающего в тех же условиях на растяжение.Стоимость конструкции увеличится примерно в той же пропорции. Далее, еслимы захотим распределить нагрузку между несколькими деталями, то ситуацияне только не станет лучше, а значительно ухудшится. Если мы попробуем держатьнагрузку в 1 т не с помощью одной колонны, а, скажем, с помощью похожейна стол конструкции на четырех стержнях 10-метровой высоты, то общий ихвес удвоится и достигнет 400 кг. Чем на большее число элементов мы распределимданную нагрузку, тем больше будет вес всей конструкции: он растет как n^1/2,где n - число элементов (см. приложение 4).

С другой стороны, если мы будем увеличивать нагрузку при фиксированнойдлине, то ситуация в случае сжатой конструкции будет выглядеть получше.Например, если увеличить нагрузку в сто раз, с 1 т до 100 т, то, если весрастянутой конструкции увеличится соответственно с 3,5 до 350 кг, вес однойколонны высотой в 10 м увеличится только десятикратно, с 200 до 2000 кг.Поэтому в случае сжатия гораздо экономичнее поддерживать большую нагрузку,чем малую (рис. 152). Все эти рассуждения справедливы также и для панелей,пластин и оболочек (см. приложение 4).

Рис. 152. Зависимость относительного веса (и стоимости) детали, котораядолжна передать заданную нагрузку, от ее длины.

Приведенный анализ подтверждает рациональность таких конструкций,как палатки и парусные суда. В них сжимающие нагрузки действуют концентрированнона небольшое количество по возможности коротких мачт или шестов. В то жевремя растягивающие нагрузки, как мы уже говорили, лучше распределить средибольшого количества канатов и тросов. Поэтому шатер, имеющий единственныйшест и множество растяжек, является самым легким "зданием", которое толькоможно построить при заданном объеме. Любая палатка будет легче и дешевлекапитального здания из дерева или камня. Точно так же катер или шлюп сединственной мачтой имеет более легкую и эффективную оснастку, чем шхуна,кеч или любой более сложный корабль с большим количеством мачт. Именнопоэтому были тяжелы и неэффективны А-образные или треугольные мачты древнихегиптян и конструкторов викторианских броненосцев (см. гл. 10).

Конструкция человеческого тела имеет много общего с конструкцией шатраи парусного корабля. Небольшое количество сжатых деталей, то есть костей,расположенных примерно в центре конструкции, окружено множеством мышц,сухожилий и связок, работающих на растяжение, причем эта система гораздосложнее системы парусов и канатов полностью оснащенного корабля. Кстати,с конструкционной точки зрения две ноги лучше, чем четыре, а сороконожкаможет существовать только потому, что ноги у нее весьма коротки.

Напомним, что уже столетия назад Галилею пришла мысль о том, что, посколькувес конструкции растет, как куб ее размеров, а поперечное сечение несущихдеталей увеличивается пропорционально квадрату размеров, то напряженияв материале геометрически подобных конструкций должны расти пропорциональноих размерам. Если разрушение конструкции происходит из-за растягивающихнапряжений, прямо или косвенно определяемых ее собственным весом, то этоозначает, что с увеличением размеров относительная толщина и вес несущихдеталей должны расти не пропорционально размерам и весу всей конструкции,а гораздо быстрее. Поэтому размеры таких конструкций не могут превышатьнекоторого предела.

Закон двух третей долгое время был общепринятым как среди биологов,так и среди инженеров. Герберт Спенсер и позднее Арки Томпсон утверждали,что этот закон ограничивает размеры животных, а инженеры в свою очередьприбегали к нему, чтобы показать, почему неразумно строить корабли и самолетызначительно больших размеров, чем уже существующие. Однако, несмотря наэто, размеры кораблей и самолетов продолжали увеличиваться.

В действительности закон двух третей в полной мере применим, по-видимому,лишь к оконным и дверным перемычкам греческих храмов (они делались из непрочноготяжелого камня), к айсбергам и плавучим льдинам (они состоят из непрочноготяжелого льда), а также ко всякого рода предметам типа желе или бланманже.

Мы уже видели, что во многих сложных конструкциях вес сжатых элементов во многораз превышает вес элементов, подвергающихся растяжению. Поскольку сжатыеэлементы обычно выходят из строя вследствие потери устойчивости, с увеличениемнагрузки их эффективность возрастает, иными словами, их эффективность растет сувеличением размеров сооружения. Поэтому, хотя вес силовой конструкции иувеличивается быстрее ее размеров, но происходит это все же значительномедленнее, чем предписывает закон двух третей. На практике этот рост может бытьвполне оправдан тем полезным эффектом, который дает увеличение размеров.Например, для кораблей или рыб, самолетов или птиц сопротивление движениюпримерно пропорционально площади их поверхности, и отношение этой площади квесу будет падать с увеличением размеров. Именно этим руководствовался Брюнельпри проектировании корабля "Грейт Истерн". Хотя его огромный корабль и оказалсянеудачным[113], подход был правильным, именно поэтому мы строимтеперь такие гигантские корабли, как современные супертанкеры. Размеры жебольших животных, как мы видели в гл. 4, скорее связаны с "критической длинойтрещин Гриффитса" в их костях, а не с законом двух третей.

Очень часто инженер стоит перед проблемой выбора между решетчатой каркаснойконструкцией, сделанной, как в детском конструкторе, из отдельных стержнейи брусьев (ее называют пространственной фермой), и оболочечной конструкцией,в которой нагрузки воспринимаются более или менее непрерывными панелями(такой тип конструкции называют монококом). Иногда различие между двумяэтими формами конструкций смазывается, это происходит в тех случаях, когдакаркасная система покрывается какой-нибудь обшивкой, которая на самом делевоспринимает лишь незначительную долю нагрузки. Примером того могут служитьобычные обшитые деревом домики, современные каркасные ангары и склады,покрытые гофрированным железом, и, наконец, животные, покрытые чешуей илипанцирем.

Иногда выбор между двумя этими типами конструкций бывает продиктованне только конструкционными соображениями. Так, опоры для линий электропередачделают только решетчатого типа, поскольку они испытывают меньшее давлениеветра и имеют меньшую площадь окраски, а водяные цистерны предпочитаютделать в виде оболочки из более толстых стальных листов, а не в виде решетчатойсиловой конструкции, поддерживающей водонепроницаемую оболочку из болеетонкого материала, хотя такая форма может иметь меньший вес и используетсяприродой в '"конструкции" желудка и мочевого пузыря.

В одних случаях различие в весе и стоимости двух возможных типов конструкцийнезначительно, и поэтому безразлично, какую из них использовать. В других- разница очень велика. Как мы уже видели, палатка или шатер всегда значительнолегче и дешевле, чем любое здание такого же объема, сделанное из бетонаили кирпича. Кузов автобуса "Вейман" (модель 1930 г.) имел деревянный каркас,обтянутый тканью, и был гораздо легче любого из штампованных металлическихкузовов оболочечной конструкции, вошедших в употребление позже. При нынешнихценах на бензин подобный кузов вполне может обрести вторую жизнь.

Существует, однако, мнение, будто оболочечные конструкции типа монококаболее современны и прогрессивны, чем якобы примитивные и устаревшие пространственныекаркасные конструкции. Такого мнения придерживаются даже опытные инженеры,но в действительности для этого нет объективных оснований. В тех случаях,когда нагрузка носит в основном сжимающий характер, пространственные каркасныесистемы всегда легче и обычно дешевле монокока. Однако весовые издержкипри использовании конструкций типа монокока не так уж велики, если большиенагрузки воспринимаются конструкцией относительно малых размеров. Это оправдываетв ряде случаев их применение. Но для больших слабо нагруженных конструкций,таких, как дирижабль с жестким корпусом, каркасная конструкция практическиявляется единственно возможной. Реальный воздухоплавательный аппарат будетне огромным монококовым дирижаблем, сделанным из блестящих листов алюминия,которыми бредят инженеры, а наполненным газом баллоном.

Переход от палочек, проволочек и ткани в конструкциях первых самолетов ксовременным монококам был продиктован не внезапной сменой моды. Это былнеобходимый и совершенно логичный шаг, связанный с резко возросшими скоростямии нагрузками. Как мы уже говорили, в условиях сжимающих и изгибающих нагрузокмонокок всегда окажется тяжелее каркасной конструкции, хотя при увеличениинагрузок этот избыточный вес и уменьшается. С другой стороны, в условияхнагрузок, приводящих к сдвигу и создающих крутящий момент, монокок оказываетсяпредпочтительнее каркасной конструкции[114].

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.

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.

На свадьбе немодной этой
Не будет, увы, кареты, -
Но будешь прекрасна
На первоклассном
Двухместном велосипеде!

( Дэйзи Белл ) (Гарри Дакр)

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.

Колесо с проволочными спицами и надувными шинами сделало велосипед чрезвычайноудобным и практичным. Однако экономия веса достигается только в случаебольших и слабо нагруженных колес, таких, как колеса велосипеда. Когдаколесо становится меньше, а нагрузка больше, натянутые спицы обычно почтине дают преимуществ. В современных спортивных автомобилях штампованныестальные колеса лишь чуть тяжелее колес со спицами, которые в данном случаене стоят связанных с ними хлопот и расходов.

Можно предположить, что природа знала свое дело, когда выбирала междуразличными возможными вариантами биологических тканей, но простые смертные, апорой и даже великие, имеют очень странные представления о материалах.Согласно Гомеру, лук Аполлона был сделан из серебра[116] - металла, в котором можно запасти лишь ничтожное количествоупругой энергии. В более поздние века поэты говорили, что полы на небесахсделаны из золота или из стекла; оба вещества - чрезвычайно неподходящийстройматериал для полов. Правда, поэты почти всегда безнадежны в отношенииматериалов, но и большинство из нас не многим лучше. В действительности оченьредко кто-либо всерьез задумывается о подобных вещах.

Выкрутасы моды и соображения престижа, кажется, играют здесь главнуюроль. Золото не очень подходит для часов, так же как и сталь для мебелиоффисов. В викторианскую эпоху увлекались чугуном, из него делали дажетакие предметы обихода, как подставки для зонтиков. Говорят, вождь одногоафриканского племени весь свой дворец построил из чугуна. Хотя выбор материалаиногда является следствием эксцентричности, чаще он основан на традицияхи консерватизме. Конечно, в основе традиционного выбора материала нередколежат весьма веские причины, но во многих случаях он обусловлен случайнымиобстоятельствами, а порой обоснованность и случайность так тесно переплетены,что трудно понять, насколько он оправдан. Люди искусства, от Льюиса Кэрроладо Сальватора Дали, открыли, что можно вызвать сильный психологическийшок одной мыслью о том, что самые знакомые предметы могут быть сделаныиз явно неподходящего материала, например резины или хлеба с маслом. Инженерыочень восприимчивы к таким эффектам; их бы сегодня также шокировала идеясделать большой деревянный корабль, как наших предков - идея сделать корабльиз железа.

Очень любопытно проследить, как меняется со временем отношение к темили иным материалам. Возьмем, например, соломенные крыши. Солома была самымдешевым и потому самым непрестижным кровельным материалом, однако в беднейшихсельских районах ею часто приходилось покрывать даже крыши церквей. В течениеXVII в., когда церковные приходы сделались побогаче, по подписке собиралиденьги на замену соломы шифером или черепицей. Иногда денег на всю крышуне хватало, и тогда приходилось оставлять солому в тех местах, где онабыла меньше заметна для прохожих, - черепицей покрывалась только сторона,обращенная к главной дороге. Сегодня престижность обернулась другой стороной- соломенная крыша в английских графствах служит предметом гордости весьмабогатых бизнесменов.

В будущем XX в., возможно, назовут веком стали и бетона. Но не исключено,что о нем будут говорить и как о веке уродств или расточительства. Однаконе только инженеры одержимы сталью и бетоном (и почти безразличны к последствиямэтой одержимости), ими заразились и политики, и широкая публика.

Болезнь, по-видимому, началась лет двести назад со времен промышленнойреволюции и появления дешевого угля; это привело к дешевому железу и железнымпаровым машинам, превращавшим дешевый уголь в дешевую механическую энергиюи т. д., круг за кругом, раскручивалось колесо производства и потребленияэнергии. В угле и нефти в малом объеме запасено большое количество энергии.Машины очень быстро перерабатывают заметную часть этой энергии, но такжев малом объеме. Затем они выдают эту энергию в концентрированной формев виде электричества или механической работы. На этой концентрации энергииосновывается вся наша современная техника. Материалы этой техники - сталь,алюминий и бетон - сами требуют больших количеств энергии для своего производства(табл. 6).

Таблица 6. Количество энергии, необходимое для производства различныхматериалов [117]

Материал / Энергозатраты для производства 1 т материала, Дж х 10⁹/т /Нефтяной эквивалент, т

Сталь (мягкая) / 60 / 1,5

Титан / 800 / 20

Алюминий / 250 / 6

Стекло / 24 / 0,6

Кирпич / 6 / 0,15

Бетон / 4 / 0,1

Углеволокнистые композиты / 4000 / 100

Дерево (сосна, ель) / 1 / 0,025

Полилиэтилен / 45 / 1,1

Поскольку производство этих материалов весьма энергоемко, их можно эффективноиспользовать только в условиях высокой энерговооруженности экономики. Сооружаятехнические устройства, мы затрачиваем не только денежные средства, нои энергию, а потому необходимо обеспечить возврат того и другого.

Несмотря на высокую стоимость энергии и оскудение ее запасов, потреблениеэнергии скорее увеличивается, чем уменьшается. Такие совершенные машины,как газовые турбины, все более и более лихорадочно производят все большеи больше энергии внутри все меньшего и меньшего объема. Совершенные устройстватребуют совершенных материалов, и такие новые материалы, как высокотемпературныесплавы и пластики, армированные углеволокном, требуют для своего производстваогромного количества энергии.

Весьма вероятно, что такое положение вещей не может продолжаться бесконечно,ибо вся эта система полностью зависит от дешевых и концентрированных источниковэнергии, таких, как нефть и уголь.

Живую природу можно считать совершенно уникальной системой, приспособленнойдля извлечения энергии не из концентрированных, а из "размазанных" источников,причем использует она эту энергию с величайшей экономией. Сейчас предпринимаетсямного попыток собирать энергию для технических целей из таких неконцентрированныхисточников, как солнечный свет, ветер или океан. Многие из них, вероятно,окончатся неудачей, потому что энергетические затраты на постройку соответствующихсистем из стали, бетона и других материалов могут оказаться слишком великии даже не компенсируются при их эксплуатации. Очевидно, необходим совершеннодругой подход ко всей проблеме "эффективности". Природа смотрит на этипроблемы с точки зрения "метаболических затрат", и, быть может, мы должныперенять ее опыт.

Дело не только в том, что для производства одной тонны металла или бетонатребуется много энергии. Сами эти громоздкие, но слабо нагруженные конструкции,обычно необходимые для систем с малой плотностью перерабатываемой энергии,могут оказаться в несколько раз тяжелее, если их делать из стали и бетона,а не из более подходящих требующих специальной разработки материалов.

Мы вскоре увидим, что одним из самых эффективных в конструкционном смыслематериалов может быть дерево. При больших размерах и малых нагрузках конструкцияиз дерева во много раз легче, чем конструкция из бетона или стали. В прошломзатруднения с использованием древесины во многом определялись медленнымростом леса и необходимостью дорогостоящей выдержки древесины.

Возможно, самое важное достижение в области материалов за последнеевремя принадлежит генетикам, которые вывели быстрорастущие породы деревьев,дающих коммерческую древесину. Сейчас разводят разновидности сосны (Pinusradiata), ствол которой при благоприятных условиях дает прирост до12 см в диаметре в год, так что лес готов для рубки на деловую древесинууже через 6 лет после посадки. Появились реальные перспективы превратитьдерево в техническую культуру с коротким периодом созревания. Важно, чтопочти вся энергия, необходимая для выращивания древесины, поступает бесплатно,от Солнца. Кроме того, деревянную конструкцию можно сжечь за ненадобностью,получив большую часть энергии, накопленной деревом во время роста, чего,конечно, нельзя сказать ни о стали, ни о бетоне.

Древесина обычно требовала длительной и дорогостоящей выдержки в специальныхсушилках, которые потребляют значительное количество энергии. Сегодня оказалосьвозможным сократить срок выдержки сортовой мягкой древесины до 24 ч принизкой стоимости процесса сушки. Это имеет очень важное значение не толькодля строительного дела, но и в связи с мировым энергетическим кризисом.

Анализ весовой эффективности различных материалов в различных конструкцияхприведен в приложении 4. Проектирование большинства технически совершенныхконструкций, таких, как, например, самолет, во многом определяется величинойE / ?,которая называется удельным модулем Юнга и определяет, так сказать, весовую"стоимость" деформаций конструкции. Оказывается, однако, что для большинстваобычных конструкционных материалов - молибдена, стали, титана, магния,алюминия и дерева - величина E / ?приблизительно одинакова. Именно поэтому в течение последних 15-20 летправительства разных стран затратили столь большие суммы на разработкуновых материалов, основой которых служат такие экзотические волокна, какнити бора и карбида кремния, углеволокна.

Материалы этого типа могут быть более или менее эффективными в авиакосмическойпромышленности, но одно можно сказать с уверенностью - они не только дороги,но и требуют больших затрат энергии для своего производства. По этой причинеони, вероятно, будут применяться только в специальных целях и, по моемумнению, не найдут широкого применения в обозримом будущем.

Требование высокой жесткости конструкции может очень ограничивать нашивозможности. Однако, как мы уже видели, стоимость сжатой конструкции - весовая,а часто и денежная - во многих случаях тоже очень высока. Весоваястоимость[118] сжатой колонны определяется не отношением E / ?, авеличиной (E)^1/2 / ?. Весовая стоимость панели зависит от(E)^1/3 / ? (приложение 4). Эти параметры приведены в табл. 7.

Таблица 7. Критерии эффективности некоторых материалов в различных условиях

Материал / Модуль Юнга Е / Плотность ? / E/? /(E )^1/2/? / (E)^1/3/?

Сталь / 210000 / 7,8 / 25000 / 190 / 7,5

Титан / 120000 / 4,5 / 25000 / 240 / 11

Алюминий / 73000 / 2,8 / 25000 / 310 / 15

Магний / 42000 / 1,7 / 24000 / 380 / 20,5

Стекло / 73000 / 2,4 / 25000 / 360 / 17,5

Кирпич / 21000 / 3,0 / 7000 / 150 / 9

Бетон / 15000 / 2,5 / 6000 / 160 / 10

Углеволокнистые композиты / 200000 / 2,0 / 100000 / 700 / 29

Дерево (сосна, ель) / 14000 / 0,5 / 25000 / 500 / 48

Можно заметить, что малая плотность материала дает ему большие преимущества,и сталь в этом смысле хуже кирпича и бетона. Кроме того, во многих легкихизделиях, таких, как дирижабли или протезы конечностей, дерево превосходитдаже армированный углеволокном пластик, не говоря уже о том, что оно значительнодешевле.

Таблица 8. Конструктивная эффективность различных материалов, выраженная взатратах энергии, необходимых для их производства [119]

Материал / Энергия, необходимая для обеспечения заданной жесткостиконструкции в целом / Энергия, необходимая для изготовления сжатой панелизаданной критической нагрузкой

Сталь / 1 / 1

Титан / 13 / 9

Алюминий / 4 / 2

Кирпич / 0,4 / 0,1

Бетон / 0,3 / 0,05

Дерево / 0,02 / 0,002

Углеволокнистые композиты / 17 / 17

В табл. 8 приведены характеристики конструктивной эффективности материаловв терминах энергетических затрат. Видно, что обычные материалы - дерево,кирпич и бетон - имеют здесь подавляющее преимущество, и таблица заставляетзадуматься, действительно ли оправданна погоня за материалами, в основекоторых лежат экзотические волокна. Во многих случаях рентабельнее использоватьне углеволокна, а пустоты. Природа поняла это очень давно, когда изобреладерево; это понимали и римляне, которые облегчали кладку пустыми виннымикувшинами. Пустоты несравненно дешевле как в стоимостном, так и в энергетическомотношении, чем любые мыслимые высокомодульные материалы. Возможно, лучшетратить больше времени и средств на разработку пористых и ячеистых материалов,чем на волокна бора или углерода.

Хитрее в мире повозки нет,
Построил мастер на сотню лет.
Прошло столетье в единый миг -
От той повозки остался...

( Старый фаэтон ) (Оливер Вандел Холмc)

Весь окружающий мир можно рассматривать как огромную энергетическую систему:величественный рынок, где одна форма энергии по определенным ценам и правиламнеминуемо переходит в другую. Энергетически предпочтительное обязательнопроизойдет. В этом смысле каждая конструкция существует лишь для того,чтобы отдалить что-то неизбежное, энергетически выгодное. Так, поднятыйгруз должен упасть, упругая энергия - выделиться и т.п. И действительно,рано или поздно груз падает, а упругая энергия выделяется. Задача конструкции- отложить это событие на год, на век или на тысячелетие. В конечном счетевсе сооружения будут разбиты или разрушатся сами, так же как и всем намв конце концов суждено умереть. Отложить это на некий приличный срок -задача медиков и инженеров.

Весь вопрос заключается в том, каков же этот "приличный срок". Каждаяконструкция должна быть надежной в течение определенного времени службы.Для ракеты это могут быть несколько минут, для автомобиля или самолета- 10-20 лет, для собора - тысячелетия.

Старый фаэтон Оливера Вандела Холмса, сконструированный ровно на столет, - ни на день больше, ни на день меньше, - развалился, как и было задумано,1 ноября 1855 г., лишь только священник добрался в своей проповеди до слов"в-пятых"… Ясно, что это вздор. Эксцентричный герой романа Невила Шьюта"Путь закрыт" предсказывает, что хвост авиалайнера "Райндер" отвалитсяиз-за "усталости металла" после 1440 полетных часов плюс минус один день.И это тоже вздор, о чем наверняка знал Нэвил Шьют, опытный авиационныйинженер.

Практически невозможно с такой точностью планировать время надежнойработы изделия. Возможен лишь статистический, основанный на опытных данных,подход к этой проблеме. Причем по самой природе вещей мы можем дать толькоболее или менее разумные вероятностные оценки надежности. Ослабив конструкциюсверх меры, ее можно сделать легкой и дешевой, но тогда недопустимо возрастаетвероятность частых поломок. И наоборот, слишком прочная, "вечная" с человеческойточки зрения - а именно этого всегда жаждет публика - конструкция можетоказаться слишком тяжелой и дорогой. Как мы увидим ниже, дополнительныйвес чаще увеличивает опасность, чем дополнительная прочность ее уменьшает.Поскольку все учесть невозможно, то, разрабатывая реальную конструкциюдля реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей - пустьмалой, но конечной - вероятностью преждевременного выхода ее из строя.

Как указывает Альфред Пагсли в своей книге "Надежность конструкции",этот довольно интересный момент в рассуждениях как раз и может заставитьнас отказаться от строго логического подхода к проблеме. Как говорит Пагсли,человеку присуща боязнь разрушения - вот почему обыватель цепко и упрямодержится за мысль, что любая конструкция, с которой он лично связан, вообщене должна разрушаться. Последствия такой точки зрения могут быть самымиразличными; иногда это не приносит вреда, но иногда приводит к печальнымрезультатам.

Во время войны английские авиаконструкторы были поставлены перед необходимостьюразумного компромисса между прочностью и другими качествами самолета. Потерибомбардировщиков от действий немецкой противовоздушной обороны были оченьбольшими, примерно один из 20 самолетов не возвращался из каждого боевоговылета[120]. Напротив,потери самолетов вследствие разрушения конструкции были незначительными - многоменьше одного самолета из 10 тыс. Вес силовой конструкции самолета составляетпримерно треть его общего веса, и было бы, видимо, разумным еще уменьшить его вобмен на другое оборудование, дающее самолету дополнительные преимущества. Вэтом случае число катастроф несколько увеличилось бы, но сэкономленный такимобразом вес позволил бы увеличить число и калибр пушек или толщину брони, чтопривело бы к существенному общему снижению потерь. Но авиаторы не хотели дажеслышать об этом. Они предпочитали больший риск быть сбитыми гораздо меньшемуриску аварии по техническим причинам.

Чувство возмущения поломкой конструкции, по мнению Пагсли, унаследованонами от далеких предков, испытывавших постоянный страх, кроме всего прочего,и оттого, что сук или ветка дерева, на котором они жили, сломаются, и ихдети, да и они сами, окажутся в пасти какого-нибудь саблезубого тигра илипещерного медведя. Как бы то ни было, инженеры не могут не считаться сэтим чувством, хотя возникающий вследствие этого дополнительный вес можетзачастую привести и к увеличению опасности.

Любой рациональный подход к вопросам прочности и надежности требуетот инженера умения предсказать с достаточной точностью прочность предлагаемойим новой конструкции, даже если он толком не знает, на сколько времениэтой прочности хватит. Как мы видели в гл. 3, прочность таких простых конструкций,как канаты, цепи, прямые колонны или балки, можно рассчитать достаточнонадежно. Но этого не получается в случае весьма сложных конструкций, таких,как самолеты и корабли, для которых вопросы прочности особенно важны. Зная,что имеется огромный опыт проектирования различных сооружений, что существуетобширная и математически изощренная литература на эту тему, что читаютсябесконечные лекции по теории конструкций, мы можем не поверить последнемуутверждению. Но это действительно так.

Рассмотрим, например, статистику прочности самолетов. Так как экономиявеса здесь очень важна, а последствия разрушения всегда ужасны, проектированиесамолетов, естественно, ведется со всей тщательностью. Дотошно проверяетсякаждая деталь. Чертежи и расчеты делают высококвалифицированные специалисты,используя при этом самые передовые научные методы.

После окончания работы все расчеты совершенно независимо проверяютсядругой группой специалистов. Таким образом, окончательные результаты настолькобезошибочны и точны, насколько это вообще в человеческих силах. Наконец,для полной надежности полномасштабная модель самолета испытывается на стендахдо разрушения.

За последние годы было разработано лишь несколько новых моделей самолетов,так что современные данные статистически недостоверны. Однако, когда самолетыбыли проще и дешевле, сравнительно большое число моделей разрабатывалосьпо крайней мере до стадии опытного образца. В Англии между 1935 и 1955 гг. было построено и испытано на прочность около ста типов самолетов. Поэтомурезультаты, полученные в этот период, позволяют делать статистически достоверныевыводы.

Естественно, что величина требуемой прочности зависит от размеров и назначениясамолета. Однако можно сказать, что каждое конструкторское бюро стремится ктакой прочности, при которой самолет разрушится только при нагрузке,составляющей 120% от предельной эксплуатационнойнагрузки[121].

Если бы проектирование конструкций хоть сколько-нибудь походило на точнуюнауку, можно было бы ожидать, что результаты различных испытаний, нанесенныена график, или гистограмму, тесно соберутся вокруг величины, равной 120%от расчетной нагрузки, с очень небольшим разбросом. Другими словами, результатыдолжны изображаться узким "нормальным распределением", примерно таким,как показано на рис. 153. Однако известно, что в жизни ничего подобногоне происходит. Реальная гистограмма скорее похожа на рис. 154.

Рис. 153. Ожидаемое статистическое распределениевеличины разрушающей нагрузки самолета (схематическая диаграмма).

Рис. 154. Действительное распределение прочностисамолетов, испытанных на разрушение в течение 1935-1955 гг. (весьма приближенно).

Экспериментальная прочность оказывается почти равномерно распределенноймежду 50 и 150% от требуемой расчетной нагрузки. Поэтому можно утверждать,что даже наиболее выдающиеся конструкторы могут ошибиться в предсказаниипрочности самолета в 2-3 раза. Некоторые из испытанных самолетов имелименьше половины нужной прочности; некоторые были слишком прочны и поэтомуоказались значительно тяжелее, чем могли бы быть.

Что касается кораблей, то, оказывается, для них вообще не существуетданных, на которые можно было бы опереться, так как корабли почти никогдане подвергались испытаниям на разрушение в лабораторных условиях. Поэтомуневозможно сказать, хорошо или плохо делают свою работу конструкторы кораблей,по крайней мере в отношении расчетов на прочность. Однако, как мы виделив гл. 4, число аварий, вызванных конструктивными недостатками судов, весьмазначительно, и в настоящее время количество катастроф на тонно-милю, по-видимому,растет.

Что касается мостов, то расчеты на прочность здесь проще, чем в предыдущихслучаях, в основном благодаря более определенным нагрузкам. И все же количествоаварий современных мостов также довольно велико.

Погрешности теоретического проектирования делают, конечно, необходимымиэкспериментальные исследования прочности всех разрабатываемых самолетов.Однако выгоды эмпирического подхода оказываются даже шире. Мы полагали,что целью конструктора является такая ситуация, при которой конструкцияразрушается, как только нагрузка достигнет расчетной величины. Но маловероятно,что даже тщательным образом рассчитанная конструкция окажется равнопрочнее.

На испытательном стенде конструкция разрушается в одном, самом слабомместе, следовательно, во всех остальных точках прочность конструкции выше.Если силовая конструкция самолета разрушается как раз при требуемых 120%расчетной нагрузки, то это значит, что большая часть конструкции обладаетизлишней прочностью, в которой просто нет необходимости. Но при этом мыничего не можем сказать о том, где и насколько можно облегчить конструкцию.Хотя повторные испытания больших сооружений требуют непомерных затрат времении денег, но там, где это возможно, все-таки лучше сделать так, чтобы первоеразрушение произошло при меньших нагрузках, чем требуемые. Такое испытаниеобнаруживает слабое место, которое следует усилить, затем испытание повторяюти т. д.

Один из самых удачных самолетов в истории авиации - бомбардировщик временвторой мировой войны "Москито" - первоначально разрушался в заднем лонжеронекрыла при 86% расчетной нагрузки. Постепенным упрочнением конструкции самолетабыла достигнута величина 118%. Своими выдающимися боевыми качествами этотсамолет был в значительной степени обязан чрезвычайно легкой и прочнойсиловой конструкции.

Грубо говоря, это - дарвиновский метод; так природа совершенствоваласвои собственные конструкции, правда, она имела на то больше времени именьше задумывалась о ценности жизни, чем нынешние инженеры. Аналогичныйметод с замечательным размахом используют автомобильные фирмы, а такжефирмы, выпускающие дешевые изделия массового производства. Они порой умышленновыбрасывают на прилавки менее прочную продукцию, чтобы на основании жалобпокупателей постепенно выявить дефекты своих изделий.

Таким образом, значительная доля проектирования элементов с заданнойпрочностью сводится к своеобразной игре, в которой последовательно латаютсяслабые места нагружаемой системы. Чем сложнее конструкция, тем это становитсятруднее и ненадежнее. Но, к счастью, проектирование большинства изделий,от мебели до самолетов, не становится совершенно невозможным благодарятому, что требования нужной жесткости часто оказываются значительно важнеетребований прочности. И конструкция, имеющая достаточную жесткость, зачастуюавтоматически оказывается и достаточно прочной. Так как перемещения конструкциизависят скорее от ее общего вида, чем от существования "слабейших" мест,то расчеты на жесткость делать проще и они гораздо надежнее расчетов напрочность. Именно это мы имеем в виду, говоря о проектировании "на глаз".

В основу рассмотрения прочности и устойчивости каменных соборов профессорЖак Хейман положил любопытный принцип: "если строение простоит пятьминут, то оно простоит пять веков". Для каменных сооружений, построенныхна скальном грунте, это, наверное, так и есть. Однако множество зданийстроится на мягком грунте, и если почва ползет (см. гл. 6), а это происходитдовольно часто, то возникают такие феномены, как падающая Пизанская башня.Подобные смещения можно предвидеть, и происходят они достаточно медленно,но борьба с ними чрезвычайно дорогостояща, и многие здания, как древние,так и современные, либо развалились, либо были разобраны по этой причине.

Для большинства конструкций гниение и коррозия являются очень активнымифакторами разрушения. Отчасти именно страх перед гниением заставил английскихархитекторов и инженеров отвернуться от древесины. Однако "бедные невежественные"жители США, Канады, Скандинавских стран и Швейцарии строят около 1500 тыс.деревянных домов в год, по-видимому ни мало не беспокоясь о гниении, ибыло бы неплохо посмотреть, как же они с ним справляются. Использованиедревесины в этих странах растет.

Разные породы деревьев подвержены гниению в весьма различной степени, и регистр"Ллойда"[122] устанавливает определенный срок службы для каждого сорта древесины, используемой в кораблестроении. Однако при современном уровнезнаний и технологии можно добиться практически неограниченного срока службылюбой древесины.

Большинство металлов ржавеет, причем современная мягкая сталь ржавеетгораздо быстрее, чем викторианское кованое железо или чугун, поэтому борьбас коррозией является в некотором смысле проблемой последнего времени. Ручнойтруд сейчас очень дорог, поэтому велика стоимость окраски и содержаниястальных конструкций. Одна из важных причин широкого распространения железобетоназаключается в том, что армирующая бетон сталь не ржавеет.

Такие большие корабли, как современные танкеры, рассчитаны на эксплуатациюв течение примерно 15 лет, и, как правило, их дешевле разрезать на металлолом,чем красить. Срок службы автомобилей по той же причине обычно еще меньше.Правда, для некоторых конструкций можно использовать нержавеющую сталь,но она не всегда спасает от коррозии, к тому же она дорого стоит и значительнотруднее обрабатывается. Кроме того, нержавеющую сталь отличают невысокиеусталостные свойства.

Именно это послужило одной из причин широкого использования алюминиевыхсплавов. Но во многих случаях жесткость алюминия оказывается все же недостаточной,не говоря уже о его высокой стоимости. Существенным недостатком являютсятакже и трудности со сваркой. Некоторые социалистические страны видят заалюминием большое будущее и вкладывают значительные средства в развитиеего производства. В 1961 г. лондонская биржа была взволнована контрактамимежду "Тьюб инвестментс" и "Бритиш алюминиум". Однако рынок алюминия нерасширился в той мере, которой ожидали заинтересованные в этих сделкахбизнесмены. Кроме того, производство алюминия требует значительно большихэнергетических затрат, чем производство стали.

Даже если свойства материала, используемого в конструкции, со временемне ухудшаются, ее надежность все же зависит от различного рода случайностей,которые не всегда можно предвидеть. Многие конструкции разрушаются толькопри исключительных обстоятельствах (корабль - при чрезвычайно высоких волнах,самолет - при бешеном порыве ветра) и может пройти очень много времени,прежде чем это произойдет. Для некоторых сооружений фатально лишь необычноестечение нескольких обстоятельств. Для моста это может быть совпадениесильного ветра с чрезмерно интенсивным потоком транспорта. Хотя вероятностьподобных ситуаций необходимо предвидеть, зачастую проходят годы, преждечем они реализуются, и действительно, ненадежное сооружение может простоятьдолгие годы лишь потому, что оно так и не испытало настоящих нагрузок.

Конечно, инженеры, с ответственностью относящиеся к делу, в своих расчетахпытаются предвидеть необычайные ситуации, но очень часто пиковые нагрузкиявляются результатом того, что страховые компании называют "волейбожьей"[123].

Если корабль врежется в большой мост и при этом пострадает и мост, икорабль, как это произошло не так давно в Тасмании, то трудно сказать,что же именно нужно было учесть проектировщикам и моста, и корабля. Этапроблема относится не к конструкторам, а к местному отделению ассоциациисудоводителей. Нельзя также сделать самолет, на котором не отразилось быстолкновение с горой. Мы хотим (до определенной степени, конечно) иметьтакой автомобиль, чтобы, налетев на кирпичную стену, не нанести ущербаздоровью пассажиров, но не следует думать, что сам автомобиль после этогоокажется годным к дальнейшему использованию.

Одной из наиболее коварных причин, при которой конструкция теряет своюпрочность, является так называемая "усталость" - постепенно накапливающийсяэффект действия циклических нагрузок. Возможные драматические последствияусталости металла впервые обыграл Киплинг в 1895 г. в репортаже о событияхв Бискайском заливе, когда из-за появления усталостной трещины на концегребного вала отвалился винт "Гроткау". Киплинг вышел из моды, но интересширокой публики к усталости металлов был возрожден в 1948 г. романом НевилаШьюта "Путь закрыт". Отчасти своим успехом эта книга, как и поставленныйпо ней фильм, несомненно, обязаны характеру героя - мистера Хани, этоготипичнейшего ученого, а отчасти трем катастрофам самолетов "Комета", которыепроизошли вскоре одна за другой. Как заметил когда-то Вистлер, "Природакрадется за искусством". Обстоятельства аварий с "Кометами" отличалисьот описанных в романе только значительно большим числом жертв, эти катастрофынанесли серьезный урон английской авиационной промышленности.

В действительности, первые инженерные знания об усталостных эффектахносят столетнюю давность. Уже вскоре после промышленной революции былозамечено, что движущиеся части машин выходят из строя при таких нагрузках,которые были бы совершенно безопасны в случае, если бы они были неподвижными.Чрезвычайно опасными были разрушения осей железнодорожных вагонов, которыенеожиданно ломались без видимых причин после некоторого времени эксплуатации.Этот эффект вскоре стал известен как "усталость".

В середине XIX в. служащий немецких железных дорог Вёлер (1819-1914)провел классические исследования этой проблемы. На фотографии герр Вёлервыглядит именно так, как должен был, на наш взгляд, выглядеть типичныйнемецкий железнодорожный служащий того времени, но это не помешало емупроделать весьма полезную работу.

Как уже отмечалось в гл. 4, даже большие локальные напряжения не приведутк росту трещины, если ее длина не превышает "критической длины Гриффитса",поскольку рост трещины в этих условиях потребовал бы затрат энергии, превышающихработу разрушения материала. Однако в случае циклических нагрузок внутрикристаллической структуры металла происходит постоянная перестройка, вчем-то похожая на перестройку, возникающую в местах концентрации напряжений.Это приводит к уменьшению работы разрушения металла, и трещина, хотя иочень медленно, растет, даже если ее длина значительно меньше "критической".

Таким образом, крошечные, не видимые глазом трещинки могут появитьсяв любом отверстии, выемке или нерегулярности в напряженном металле и начатьраспространяться дальше, никак не изменяя внешнего вида детали. Рано илипоздно такая "усталостная трещина" достигает критической длины. При этомскорость ее распространения возрастает и трещина быстро проходит черезвесь материал, часто с очень серьезными последствиями. Уже после разрушенияусталостную трещину сравнительно легко распознать по характерному полосчатомувиду поверхности усталостного разрушения. Однако до разрушения начало усталостногопроцесса проследить практически невозможно.

Естественно, металловеды проводят многочисленные испытания материаловна усталость, для чего разработано очень много различных типов испытательныхмашин. Общепринято рассматривать усталостные свойства материала при знакопеременныхнапряжениях (±s), которые обычно возникают, например,во вращающихся осях любого транспортного средства. (Существуют способыпреобразования этих результатов применительно к другим условиям циклическогонагружения.) Величину знакопеременного напряжения ±sобычно откладывают на графике в зависимости от логарифма числа nциклов нагружения, при котором произошло разрушение образца. Этот графикназывают усталостной кривой (или ±s-n-диаграммой).Типичная усталостная кривая для обычной стали показана на рис. 155.

Рис. 155. Типичная усталостная кривая для железа или стали.

Можно заметить, что с увеличением n разрушающеенапряжение сначала падает, но после примерно миллиона циклов выходит напостоянный уровень, называемый "пределом усталости". Миллион циклов нагружениядля осей автомобиля или вагона эквивалентен пробегу примерно 3000 км, адля двигателя машины, коленчатый вал которого, конечно, вращается быстрееее колес, - примерно 10 ч работы.

Существование определенного предела усталости для материалов типа железаи стали весьма удобно для инженера. Если машина сделала 10⁶или 10⁷ оборотов, для чего может понадобиться лишь несколькочасов, то появляется надежда, что она будет работать почти бесконечно.Но усталость материала - это опасность, которая всегда нуждается в специальномрассмотрении.

Алюминиевые сплавы не имеют определенного предела усталости, их усталостнаяпрочность непрерывно падает с ростом n, как показано на рис. 156. Вследствиеэтого они более опасны в применении, что в какой-то мере оправдывает стародавнеепредубеждение к ним и предпочтение им стали.

Рис. 156. Сплавы цветных металлов, например сплавы алюминия или латунь,обычно не имеют фиксированного предела усталости.

Катастрофы с "Кометами", которые произошли в 1953 и 1954 гг., вызвали,конечно, вполне оправданную тревогу. Расследование этих инцидентов, предпринятоеАрнольдом Холлом совместно с большой группой экспертов, представляет собойклассический образец не только инженерного исследования, но и глубоководныхспасательных работ. Разрозненные части одного из самолетов, упавшего вСредиземное море, приходилось собирать на дне и поднимать с глубины околосотни метров. Спасателям удалось собрать практически все, и бесчисленныеобломки самолета покрыли пол большого ангара в Фарнборо. При этом, насколькоя помню, максимальный размер обломка не превышал 60-90 см.

"Комета" была одним из первых самолетов, имевших фюзеляж с наддувом,чтобы избавить пассажиров от дискомфорта, связанного с резким перепадоматмосферного давления при изменении высоты. Сегодня мы уже забыли, чтопрежде, пролетая над горами, приходилось обедать в кислородной маске. Всамолетах с наддувом фюзеляж представляет собой цилиндрический сосуд стонкими стенками, перепад внутреннего и наружного давления для этого сосударастет с каждым набором высоты и падает с каждым снижением самолета.

Роковая ошибка конструкторов "Кометы" состояла в том, что в этих условияхони не обратили достаточного внимания на опасность "усталости" металлав местах концентрации напряжений. Фюзеляж "Кометы" был изготовлен из алюминиевыхсплавов, а предыдущий опыт фирмы "Хэвиленд" относился к производству восновном деревянных самолетов, в том числе и триумфального "Москито". Яне хочу предположить даже на минуту, что конструкторы фирмы "Хэвиленд"ничего не знали об усталости, но, возможно, именно опасность усталостиалюминиевых сплавов не проникла достаточно глубоко в сознание коллектива.Дерево гораздо менее чувствительно к усталости, и в этом заключается одноиз больших его преимуществ.

В каждой из этих аварий трещины, образуясь скорее всего около небольшихотверстий в фюзеляже, медленно и незаметно развивались, пока их длина недостигала "критической длины Гриффитса". После этого обшивка мгновенноразрушалась и весь самолет взрывался, словно надутый воздушный шар. Многократнонадувая воздухом фюзеляж "Кометы" в наполненном водой бассейне в Фарнборо,Арнольду Холлу удалось воспроизвести этот эффект так, что его можно былонаблюдать, как при замеделенной съемке.

Одна из основных причин описанных аварий крылась в том, что усталостныхтрещин никто никогда не замечал. Скорее всего, на них трудно было обратитьвнимание из-за очень малой длины: они были невидимы при обычном осмотре.В настоящее время самолеты проектируются в расчете на сохранность фюзеляжапри трещине длиной в десятки сантиметров, а такую трещину нельзя не заметитьдаже при самом поверхностном осмотре. Тем не менее известна анекдотичнаяистория о двух уборщицах лондонского аэропорта. Поздно ночью, закончивуборку пустого салона самолета и закрыв дверь, они остановились на ступенькахтрапа, и здесь между ними произошел такой разговор.

—?Мэри, ты не выключила свет в туалете.

—?Откуда ты знаешь?

—?Разве ты не видишь - вон светится трещина в стенке?

Во времена, когда еще не было железных дорог, почти все тяжелые грузыдоставлялись по воде. Кроме океанской и континентальной торговли, а такжевнутренней торговли, осуществлявшейся по рекам и каналам, процветала интенсивнаяприбрежная торговля. Тысячи маленьких бригов и шхун, запечатленных на карикатурахУ.У. Джекобса, перевозили всех и вся не только между прибрежными гаванямии портами, но и между самыми разными точками берега. Корабль приставалк берегу во время прилива, а с наступлением отлива разгружал свой груз(уголь, кирпич, известку или мебель) прямо в телеги, выстраивавшиеся вдольего бортов. С приливом судно опять уходило в море, чтобы повторить всесначала где-нибудь в другом месте.

Естественно, это было довольно рискованным занятием, но в XVIII в. большинствоэтих маленьких посудин в самые суровые зимние месяцы позволяло себе отдохнуть,подремонтироваться, а команда тем временем навещала свои семьи и местныепитейные заведения. Это довольно идиллическое и не связанное со слишкомуж большими опасностями течение дел в XIX в. было нарушено возросшей конкуренцией.Под давлением условий коммерции суда были вынуждены плавать в течение всегогода, не позволяя себе, как правило, дожидаться хорошей погоды. Регулярностьплавания этих корабликов заставила бы краснеть служащих многих современныхжелезных дорог.

Но, конечно, за все приходится платить. В середине 30-х годов XIX в.у побережья Англии ежегодно происходило в среднем 567 кораблекрушений,в результате чего в год погибало в среднем 894 человека. Не мне судить,хуже ли это или лучше, на тонну-милю перевезенного груза, чем у современныхгрузовиков, но, во всяком случае, общественное мнение было взволнованои парламент образовал специальный комитет для расследования причин кораблекрушений.Заслушав огромное количество свидетелей, комитет установил, что, за незначительнымисключением, причиной случившегося послужили: 1) дефекты конструкции, 2)недостатки в оснастке судов, 3) отсутствие своевременного ремонта.

В докладе комитета утверждалось, что дефекты в конструкции судов в значительнойстепени стимулированы использовавшейся в период с 1798 по 1834 г. системойих классификации (то есть правилами, определяющими постройку и ремонт),установленной ассоциацией страховых компаний. Предполагалось, чтобы системаустановления правительственного налога на тоннаж судна заставляла бы придаватьсудам определенную форму корпуса. Бюрократический ум, надо думать, вовсене изменился за последние сто лет.

Честно говоря, проблема регламентации строительства кораблей или любыхдругих конструкций, обеспечивающая требуемую их прочность и безопасность,необычайно сложна. Без сомнения, с 30-х годов прошлого века здесь достигнутопределенный прогресс. Но в то же время ничто так не мешает развитию техники,как строгая регламентация конструирования и постройки. Пагсли в уже упоминавшейсякниге "Надежность конструкций" указывает, что в принципе невозможно установитьсистему регламентаций прочности, направленную против дураков и жуликов,которая одновременно не тормозила бы или по крайней мере не отодвигалаприменение усовершенствований и полезных нововведений. Правила контролябезопасности конструкций, вероятно, необходимы, однако некоторые из нихне только смешны, но и могут стать действительной причиной катастроф.

Однако вернемся к деревянным кораблям. Не только клиперы, но и маленькиебриги, бригантины, шхуны и барки, которые были так же прекрасны, как исовершенны, канули в Лету, а на верфях, где их строили, теперь делают яхты.Конструировать деревянные яхты и проще, и сложнее, чем большие суда. Конечно,корпуса яхт не бьются о береговые камни, пока их грузят щебнем и углем,но здесь есть другая проблема - их тонкая обшивка с трудом выдерживаетместные нагрузки и удары.

Теперь, когда так популярны длительные океанские путешествия на маленькихяхтах, проблема сосредоточенных нагрузок стала очень важной, и виноватыв этом кашалоты. При весе 6 т и скорости до 30 узлов эти животные испытываютособую ненависть к маленьким суденышкам, атакуют их, таранят и пробиваюткорпус ниже ватерлинии. В последнее время это случается так часто, чтоуже не может рассматриваться как "воля божья" (точнее Посейдонова), и кэтой опасности следует относиться серьезно и серьезно от нее защищаться.

По-видимому, нецелесообразно делать корпус маленькой яхты настолькотолстым и прочным, чтобы он мог выдержать удар кашалота. Лучше, вероятно,предусмотреть некоторые надувные устройства, которые в случае полученияпробоины удерживали бы яхту на плаву, а еще лучше, позволяли бы ей продолжатьидти под парусом. До сих пор пострадавшие от встреч с кашалотами были вынужденыспасаться на шлюпках, в которых они проводили много неприятных дней и даженедель, прежде чем их подбирал какой-нибудь пароход.

На протяжении многих лет, еще до того, как получила достаточное развитиесеть железных дорог, львиная доля пассажиров и срочных грузов перевозиласьпо воде. В первой половине XIX в. не только больше, чем сейчас, пароходовходило из Англии в самые разные порты Европы, но и существовало весьмаразвитое пароходное сообщение между городами Великобритании. Самым дешевыми часто самым быстрым и удобным способом добраться из Лондона в Ньюкасл,Эдинбург или Абердин было путешествие на пароходе.

Аварии на пароходах случались реже, чем на парусных судах, просто потому,что последних было намного больше. Тем не менее, между 1817 и 1839 гг.в британских водах произошли 92 крупные пароходные аварии. Из них 23 быливызваны взрывом котлов. Хотя, конечно, это не шло ни в какое сравнениес американским рекордом, установленным речными пароходами несколькими годамипозже, но было все же достаточно печально.

Некоторые из первых котлов делались из совершенно неподходящих материалов,например из чугуна. Так, при взрыве чугунного котла на "Норвиче" погиблонесколько человек. Даже если котлы были сделаны из железа и более или менеетак, как надо, обращались с ними довольно небрежно, позволяя ржаветь до техпор, пока они, наконец, не взрывались. Это послужило причиной гибели"Форфэршира" у берегов Исландии в 1838 г. Пять человек были спасеныисключительно благодаря мореходному искусству и мужеству ГрейсДарлинг[124].

Снова парламент назначил специальный комитет, который в 1839 г. выпустилобширный, изобилующий фактами скрупулезно составленный документ, которыйвыглядит сейчас почти неправдоподобно. В те годы бурного распространенияпаровых машин найти честного, знающего, ответственного и умного механикабыло почти невозможно даже за очень приличное жалованье. И невежды обращалисьс машинами и котлами столь безответственно, что в это просто невозможноповерить.

"Капитан парохода, шедшего ночью при спокойном море из Ирландиив Шотландию, заметил, что скорость судна значительно превышает обычную.Механика на месте не оказалось, и капитан приказал кочегару объяснить,почему машина так работает. Кочегар ничего вразумительного не сказал, крометого, что пар очень маленький и ему непрерывно приходится подбрасыватьуголь. Капитан начал осматривать машину и, подойдя к трубе, на которойбыли расположены предохранительные клапаны, обнаружил там спящего в тепломместечке пассажира. Этот человек с помощью нехитрой поклажи умудрился сделатьсебе постель прямо на плоских грузах предохранительного клапана и давилна них весом всего своего тела. Когда его растолкали и подняли, клапаноткрылся и пар начал выходить с ревом, свидетельствовавшим об очень высокомдавлении.

Здесь не было ртутного манометра, и кочегар привык поддерживать давлениепримерно на том уровне, когда пар начинал выходить из предохранительногоклапана; не слыша этого звука, он продолжал шуровать в топке. Он был слишкомневежественным, чтобы по увеличивающимся оборотам машины сообразить, чтопроисходит что-то неладное.

Несколько свидетелей сообщили нам также, что часто видели кочегаров,машинистов и даже механиков сидящими или стоящими на грузах предохранительныхклапанов, нередко они подвешивали дополнительные грузы или повисали самина рычагах предохранительного клапана, чтобы "поднять пар" в момент старта".

Это выдержка из упомянутого выше доклада. Далее говорится, что "… былопринято также ставить на рычаг клапана угольную корзину". Это послужилопричиной взрыва на пароходе "Геркулес". Удивительно только, что зарассматриваемый период из-за взрывов котлов на английских пароходах погиблолишь 77 человек. На железных дорогах положение было примерно таким же и причиныбыли в основном те же. Непрерывная цепь серьезных катастроф растянулась на 70или 80 лет. Наверное, последняя из них произошла в 1909 г. Взорвался котелпаровоза, хотя манометр показывал нулевое давление. Оказалось, что рабочийнеправильно собрал предохранительный клапан, так что он не мог стравливать пар.Манометр показывал нуль потому, что его стрелка сделала полный оборот иуперлась в стопор с противоположной стороны. Три человека было убито и троетяжело ранено.

В наши дни котлы взрываются значительно реже. Отчасти это связано стем, что их производство и эксплуатация тщательно регламентируются закономи страховыми компаниями, но в еще большей степени из-за того, что сейчаспочти не осталось паровых машин. Действующие паровые котлы находятся, какправило, на больших предприятиях, таких, как электростанции, и обслуживаются,по-видимому, достаточно компетентными людьми.

Но что называть котлом? Это довольно интересный юридический вопрос. Впромышленности существует множество типов сосудов высокого давления,использующихся в различных технологических процессах. Многие из них выглядятсовершенно непохожими на традиционные котлы, вследствие чего их опасностьзачастую бывает не столь очевидна. Вообще говоря, контроль за их производствоми эксплуатацией менее строг, чем в случае обычных котлов[125]. Однако,поскольку многие из этих сосудов нагреваются технологическим паром или горячиммаслом под давлением, последствия аварии могут быть не менее драматичными, чемдля обычных котлов. Следует иметь в виду, что предел усталости металла сварногошва в конструкциях из обычной стали, подвергающихся воздействию влажного пара,может быть не больше 20 МН/м² (1,5 кгс/мм²).

В одном случае, с которым мне пришлось разбираться, два больших вращающихсябарабана для изготовления покрытой пластиком бумаги перевели с подогревамаслом низкого давления на технический пар высокого давления. Надо сказать,что инспектор страховой компании настаивал на том, что барабаны должныбыть "усилены" с помощью треугольных косынок из мягкой стали, приваренныхизнутри к поверхности цилиндра и к плоским крышкам барабана.

Вскоре после переоборудования оба барабана взорвались во время работы.Имея в руках чертежи, я рассчитал, что в этих барабанах было по крайнеймере 48 мест, где должна была бы произойти авария. Но моя оценка оказаласьслишком пессимистической - на самом деле разрыв произошел только в 47 местах.Слава богу, никто не был убит и никто серьезно не пострадал; все это явилосьударом для инспектора страховой компании, который был, надо полагать, прилежными достаточно рассудительным маленьким человеком.

Другой случай оказался более трагическим. Фирма химического машиностроениязакупила где-то на стороне сосуд-смеситель, который предполагалось использоватькак часть строящегося для заказчика завода. Так как смеситель должен былнагреваться маслом под давлением, то нагревательная рубашка была подвергнутаконтрольным испытаниям холодной водой. Она выдержала давление в 5 ат безкаких-либо видимых повреждений. Однако, когда установка была поставленазаказчику и рубашка заполнена очень горячим маслом под давлением всегов 1,5 ат, она взорвалась после нескольких часов работы, обрызгав человекамаслом температурой 280°С, в результате чего тот умер через несколько дней.

Согласно докладу официального инспектора, авария могла произойти тольковследствие халатности моего клиента - фирмы химического машиностроения.В результате фирма была вовлечена в очень сложный и дорогостоящий судебныйпроцесс.

В действительности же официальный доклад об аварии был основан на неверныхвыводах, сделанных на основании осмотра осколков. Резервуар взорвался непотому, что мои клиенты использовали его неподобающим образом, причинойаварии явились ошибки в проекте и изготовлении. И хотя природа техническихпричин аварии была довольно сложной, как мои клиенты, так и непосредственныеизготовители сосуда полагали, что конструирование такого сооружения - задачатривиальная. На самом деле сосуд по-настоящему даже не проектировался,а был "скроен на глазок" и сварен в какой-то третьеразрядной мастерской.

В результате произошло следующее. Во время испытаний под высоким давлениемсварные швы нагревательной рубашки сильно пострадали, но никто этого незаметил. Швы были настолько близки к разрушению, что нескольких цикловнагружения при гораздо меньших давлениях оказалось достаточно для усталостногоразрушения, приведшего к трагическим последствиям. Знающий и опытный инженердолжен был бы предусмотреть такую возможность. По закону и, возможно, посправедливости основная тяжесть вины ложилась на изготовителей сосуда,но я не мог избавиться от мысли, что компетентная фирма, располагавшаяопытными инженерами-химиками, могла бы предотвратить беду. Когда я оказалсяна этой фирме, директор пригласил меня обедать. В ходе беседы я между прочимспросил его:

—?Сколько в вашей фирме дипломированных инженеров, мистер…?

И услышал в ответ:

—?Ни одного, слава богу!

Вообще говоря, вырезать дырки в уже существующих конструкциях довольнобезрассудно, и тем не менее некоторые просто не могут противиться соблазнупроделать это. Случай, о котором пойдет речь, произошел с самолетом "Мастер",построенным перед войной в качестве учебного самолета Королевских военно-воздушныхсил. По характеру исполнения и стилю управления он был похож на "Харрикейн"и "Спитфайер". В трудные дни 1940 г. некоторые из этих самолетов были переоборудованыв истребители, для чего в крыле поставили шесть скорострельных пушек. Первоначальныйучебный вариант машины имел тросовый привод механизмов управления, которыйхотя и прекрасно работал, но был слишком "мягким" для настоящего истребителя.Поэтому кто-то решил заменить в истребительном варианте "Мастера" тросына металлические тяги. Чтобы пропустить тяги, управляющие рулями высотыи поворота, в шпангоуте хвостовой части были сделаны соответствующие вырезы.

Прошло совсем немного времени, и последовала серия из трех катастрофсо смертельным исходом. Во всех трех случаях у самолета в полете отваливалсяхвост. При стендовых испытаниях фюзеляжа выяснилось, что его прочностьупала до 45% расчетной нагрузки. Мораль, я думаю, ясна.

Гораздо более известная катастрофа такого же типа с огромным количеством жертвпроизошла с транспортом "Биркенхед". Этот металлический пароход был спущен наводу в 1846 г. как военный корабль. Он имел должную прочность и был снабжен внужном количестве водонепроницаемыми переборками. Когда его переоборудовали втранспорт, военное ведомство настояло, чтобы в поперечныхпереборках[126] были сделаны большие отверстия, дабы в помещениях для солдат былобольше места и света.

В 1852 г. "Биркенхед" отправился в Индию через Кейптаун, имея на борту648 человек, в том числе 20 женщин и детей. В результате навигационнойошибки судно налетело на одинокую скалу в 4 милях от побережья Южной Африки.Корабль получил огромную пробоину в носовой части, и поскольку переборкикорпуса были практически вырезаны, все люди, находившиеся в носовой частикорабля, были затоплены водой почти мгновенно. Многие солдаты не успелипроснуться: было 2 часа ночи. Под напором заполнившей корабль воды передняячасть его обломилась и быстро пошла ко дну. Было темно, море кишело акулами,спасательных шлюпок не хватало. Оставшиеся в живых сгрудились на корме,которая тонула медленнее. Солдаты вели себя храбро и дисциплинированно:они собрались на верхней палубе, в то время как женщин и детей посадилив немногие уцелевшие шлюпки и отправили на берег. Все женщины и дети былиспасены. Уцелело лишь 173 человека, остальные утонули или были съеденыакулами.

Быстрое затопление водой большинства отсеков корабля явилось очевиднымследствием того, что во многих переборках были вырезаны отверстия, чтои послужило, конечно, причиной гибели судна. Жертв было бы, наверное, значительноменьше, если бы корабль не разломился надвое, что произошло, по-видимому,в результате ослабления корпуса как целого.

История с "Биркенхедом" стала широко известна как пример дисциплиныи героизма экипажа. Когда известие достигло Берлина, прусский король приказалзачитать его перед строем в каждой армейской части. Возможно, было бы лучше,если бы он заставил военное министерство не вмешиваться в вопросы конструкциикораблей - предмет, в котором армейские чины всегда мало что понимали.

Как отмечает К. Барнэби, известный кораблестроитель, представление о том, что втранспортах свежий воздух и свободное пространство важнее безопасности, быловесьма живучим. Он говорит, что даже в 1882 г. судовладельцы жаловались, что,когда они, согласно требованиям адмиралтейства, устанавливали дополнительныепереборки, военные власти отказывались принимать суда на том основании, чтопространство между переборками слишком мало[127].

Почти каждая конструкция почему-то оказывается тяжелее, чем предполагалее автор. Отчасти это происходит из-за слишком оптимистических оценок тех,кто занимается весом будущей конструкции, но отчасти благодаря заботе почтикаждого участника о ее "безопасности". Каждый делает свою деталь чуть-чутьтолще и чуть-чуть тяжелее, чем это в действительности необходимо. В глазахмногих это своего рода добродетель, признак честности и порядочности. Всловах "построено основательно" сквозит оттенок похвалы, в то время какслова "легкая конструкция" звучит скорее как "легковесная", "ненадежная".

Иногда все это не играет роли, но иногда от этого зависит очень многое.Вес самолета имеет тенденцию постоянно возрастать от самой чертежной доски.Лишний вес, естественно, ограничивает запас горючего и радиус действиясамолета. Кроме того, увеличение общего веса почему-то всегда приводитк смещению центра тяжести самолета назад. Другими словами, вес хвоста всегдарастет быстрее, чем вес всех остальных частей .аппарата. Это может иметьсерьезные последствия. Если центр тяжести слишком сильно переместится назад,то самолет будет иметь весьма опасные летные характеристики. Он легко срываетсяв штопор, из которого не может потом выйти. По этой причине удивительномного самолетов - в том числе и самых знаменитых - пролетало всю свою жизньс постоянно прикрученным болтами свинцовым грузом на носу. Не стоит и говорить,насколько это плохо.

Излишний вес судов может оказаться еще более вредным. В этом случае не толькоувеличивается общий вес корпуса, но и смещается центр тяжести, причем всегдатолько вверх. Остойчивость корабля, то есть его способность плавать так, какнадо, а не вверх килем или на боку, определяется так называемой"метацентрической высотой". Она представляет собой расстояние по вертикалимежду несколько мистической, но очень важной точкой, называемойметацентром[128], и его центромтяжести. По весьма веским причинам метацентрическая высота даже большогокорабля обычно довольно мала, она составляет 30-60 см или даже меньше, поэтомуподъем центра тяжести всего на 10 см значительно меняет метацентрическуювысоту, что может сильно сказаться на остойчивости и, следовательно, набезопасности судна. Многие корабли переворачивались из-за этого уже при спускена воду, причем ни корабельные мастера, ни все остальные, кто несетответственность за излишний вес корабля, почему-то не считали себя в этомвиноватыми.

В гл. 10 мы уже упоминали о гибели корабля "Кэптэн". История с ним носилаполитический характер и вызвала в то время много дискуссий. Я полагаю,немногие катастрофы имели столь далеко идущие последствия. "Кэптен" знаменуетсобой поворотную точку в развитии паровых линкоров и, возможно, в развитиисовременной концепции "мировой державы". Слабо разбирающиеся в кораблестроенииисторики не раз упрекали Британское адмиралтейство в излишней медлительностипри переходе от паруса к пару. Историки же рьяно критиковали "империалистическуюэкспансию" и т.п.

Однако следует иметь в виду, что вплоть до сравнительно недавнего времени из-заненадежных машин, большого расхода угля и малого радиуса действия паровыевоенные корабли, стоило им только покинуть родные воды, оказывались целикомзависимыми от баз, пунктов заправки углем и т.д. Реализация концепции "мировойдержавы" с помощью парового военного флота была в корне отличной от политики истратегии, осуществлявшейся с помощью парусного флота в XVIII в. Именно по этойпричине Британское адмиралтейство так долго настаивало на сохранении почти накаждом линкоре в дополнение к паровым машинам парусного снаряжения.

Технические трудности комбинирования паруса и пара определялись не столькосамими парусами и паровыми машинами, сколько необходимостью пушек и брони,возраставшей в течение всего XIX в. Башенные орудия были не только тяжелы,но и требовали широкого сектора обстрела. Еще тяжелее была необходимаязащитная броня. Комбинирование большого сектора обстрела, необходимой остойчивостии полного парусного вооружения создавало чрезвычайно трудные задачи.

Понимавшее все это адмиралтейство в 60-е годы прошлого века намеренобыло вести в этом направлении весьма осторожную политику. Если бы ему позволилиее осуществить, технические трудности были бы преодолены и, возможно, некоторыестраницы истории оказались бы совершенно иными. Эти планы были нарушенынеким военным моряком Купером Коулсом, принадлежавшим к тому типу неглупыхлюдей, звездные часы которых наступают в пылу полемики и саморекламы. Онизобрел орудийную башню нового типа и поставил перед собой цель убедитьадмиралтейство "пристроить" к ней линкор с полным парусным снаряжениеми, следовательно, неограниченной дальностью плавания. Коулсу удалось вовлечьв это дело не только адмиралтейство, но и обе палаты парламента, королевскуюсемью, редактора "Таймс" и практически всех англичан. Устав в конце концовот постоянных обвинений в косности со стороны половины газет и больше чемполовины политиков страны, адмиралтейство уступило. Оно сделало то, чегоникогда не делало раньше и наверняка никогда не сделает вновь: разрешилостроевому морскому офицеру, не имеющему навыка в кораблестроении, спроектироватьего собственный линкор и построить его за счет налогоплательщиков.

Корабль строился на верфях Лэйрда в Биркенхеде под руководством Коулсабез обычных в таких случаях проверок проекта. Более того, строительствовелось в атмосфере поношений и полемики. Сам Коулс большую часть временибыл болен и не покидал своего дома на острове Уайт. В результате вес корабляоказался на 15% выше расчетного. Не случись этого, корабль, быть может,оказался бы удачным и сравнительно безопасным. Но в том виде, в каком "Кэптен"был спущен на воду, он имел слишком большую осадку и недопустимо высокорасположенный центр тяжести. Последующие расчеты показали, что он долженбыл бы перевернуться при крене около 21°. Тем не менее корабль с большойпомпой был принят флотом в 1869 г. Он совершил два океанских плавания,к большому удовлетворению "Таймс" и первого лорда адмиралтейства, сын которогослужил на нем мичманом. Казалось, что проблемы на пути "мировой державы"снова будут решаться одна за другой и можно будет избавиться от трудностей,связанных с разбросанными по всему миру портами и базами снабжения.

В третьем плавании (1870 г.), возвращаясь с эскадрой из Гибралтара,во время довольно обычного шторма в Бискайском заливе "Кэптен" внезапноперевернулся и затонул. Погибло 472 человека - больше, чем англичане потерялив битве при Трафальгаре. Сам Купер Коулс и сын первого лорда адмиралтействаутонули. Спаслись лишь 17 матросов и один офицер.

Гибель "Кэптена" значительно повлияла на ускорение перехода от парусак пару, точнее на изгнание парусного снаряжения с больших линкоров. Какимибы ни были технические последствия этого перехода, политические следствияоказались весьма резвыми. Напомним, что Сузцкий канал, открытый чуть ранееспуска на воду "Кэптена", первоначально принадлежал Франции. В 1874 г.Дизраэли купил акции Суэцкого канала для английского правительства, и строительствораскинутой по всему миру сети баз снабжения сделалось политической необходимостью.Вся история создания и гибели "Кэптена" довольно запутана, но непосредственнаятехническая причина катастрофы несомненно заключалась в стремлении, несмотряна излишний вес, сделать мачты и корпус корабля одинаково прочными. Этобыла одна из многих катастроф, когда ничто не разрушилось, но корень злабыл именно в недостатках конструкции.

Позади какого-либо препятствия, например дерева или каната, поток воздухаили воды образует завихрения. Такие завихрения можно увидеть, посмотревна тростник или камыш, растущий в медленно текущей реке. Завихрения чащевсего образуются попеременно то с одной, то с другой его стороны. Это приводитк возникновению периодических колебаний давления в потоке: давление попеременностановится большим то на одной, то на другой стороне препятствия. Возникающаяпоследовательность, или "дорожка" вихрей, называется "дорожкой Кармана"по имени впервые описавшего ее ученого-механика. Довольно часто можно видетьвихри на гладкой поверхности воды; воздушные вихри обычно невидимы, ноих можно заметить по движению дыма, опадающих листьев или с помощью другихиндикаторов. В действительности такая же дорожка вихрей возникает и в потокевоздуха за флагом, деревом или проводом.

В результате такого попеременного образования вихрей то по одну, топо другую сторону препятствия полощутся на ветру флаги, качаются деревья,гудят и поют телеграфные провода. Именно поэтому свободное полотнище парусахлопает на ветру и вполне может разорваться или ушибить. Я однажды самвидел, как человека сбила с ног вырвавшаяся рея шкота; в ней была запасенадовольно большая энергия. Когда в свежий ветер большой корабль поворачиваетна другой галс, издаваемый парусами хлопок бывает громче пушечного выстрела.

Если частота аэродинамического воздействия, вызванного вихрями, совпадетс одной из собственных частот колебаний обтекаемого тела, то амплитудаколебаний в этом теле может возрастать до тех пор, пока что-нибудь в немне сломается. Именно благодаря этому механизму, а не постоянному давлениюветра ломаются в бурю деревья. То же самое довольно часто происходит ссамолетами и подвесными мостами. Этого можно избежать, если сделать конструкциюдостаточно жесткой, особенно на кручение. Как мы уже отмечали, именно требованиядостаточной крутильной жесткости в основном определяют проектирование ивес конструкции современного самолета.

Хотя подвесной мост Телфорда через Менай уже вскоре после своей постройкидовольно сильно пострадал от вызванных ветром колебаний, потребовалосьоколо ста лет, чтобы строители мостов осознали реальную опасность этогоявления. Классическая катастрофа такого рода произошла в 1940 г. с мостомТэкома Нэрроуз в США. Этот мост с пролетом в 840 м не имел достаточнойжесткости на кручение. Уже при среднем ветре размах колебаний достигалтакой величины, что местные жители прозвали его "скачущей Гертой". Довольноскоро после постройки при ветре всего около 70 км/час амплитуда его раскачкии крутильных колебаний достигла критической величины и он обвалился. Случилосьтак, что рядом оказался кто-то с заряженной кинокамерой в руках. Камераработала, и стоимость пленки оказалась прекрасно вложенным капиталом, посколькус тех пор ее показывают по всему миру практически во всех инженерных институтах(рис. 157).

Рис. 157. Кадры, запечатлевшие разрушение подвесного места ТэкомаНэрроуз[129].

Этот опыт учли, и современные подвесные мосты имеют достаточную жесткость,особенно на кручение. Как и в случае самолетов, вес элементов, обеспечивающихнужную жесткость моста, составляет довольно значительную долю его общеговеса. Так, пролет автомобильного моста через Северн (рис. 86) выполнениз огромных стальных труб шестигранного сечения, изготовленных из листовмалоуглеродистой стали. При сооружении моста они секциями сплавлялись поводе, поднимались на место и затем сваривались в сплошную конструкцию.

Причины любой катастрофы лежат на двух уровнях. Первый связан с непосредственнымимеханическими или технологическими факторами, второй - с факторами субъективногохарактера. Не подлежит сомнению утверждение, что проектирование - не оченьточный предмет, иногда случаются неожиданности, допускаются ошибки и т.д.,однако в большинстве случаев "истинные" причины катастроф кроются в оплошностях,сделанных теми или иными людьми, и этих оплошностей вполне можно было быизбежать.

Сегодня довольно распространено мнение, что оплошность относится к разрядутех слабостей, за которые человека нельзя по-настоящему осуждать, ведьон "сделал все, что мог", он жертва своего воспитания, среды или социальнойсистемы и т.д. и т.п. Но оплошность незаметно переходит в то, что называетсяочень непопулярным сейчас словом "грех". В течение своей долгой профессиональнойжизни, потраченной (или растраченной) на изучение прочности материалови конструкций, мне пришлось разбираться в немалом количестве катастроф,нередко сопровождавшихся гибелью людей. Мой опыт привел меня к убеждению,что лишь немногие из катастроф случаются сами по себе на морально нейтральнойпочве. Девять из десяти происходят не по технически сложным причинам, ав результате стародавних человеческих прегрешений, часто опускающихся доочевидной безнравственности.

Конечно, я не имею в виду такие грязные грехи, как умышленное убийство,особо крупное мошенничество или сексуальные преступления. Причинами гибелилюдей в авариях являются более жалкие грехи: "не знал", "не побеспокоился","не спросил", "вы ничего мне не сказали", "не подумал", гордыня, завистьи жадность, легкомыслие и бездеятельность. Хотя многие технические фирмыимеют прекрасный штат конструкторов, персонал слишком многих фирм в Англиивсе еще технически некомпетентен, и часто в преступной мере. Многие сотрудникитаких фирм не получили должного образования и из-за присущей им спеси всочетании с невежеством обижаются на любое предложение послушаться хорошегосовета или нанять квалифицированный персонал.

Мой опыт свидетельствует о том, что далеко не все аварии попадают настраницы газет и что обычно они вызваны отсутствием должной добросовестностив работе и профессиональной компетентности. Сильно сомневаюсь, что лекарствоот этой болезни можно сыскать на пути большей регламентации всех операций.Что действительно необходимо, так это воспитание такого общественного мнения,чтобы на виновных в подобных "ошибках" смотрели как на людей аморальных.Человек не там, где нужно, просверлил отверстие в деревянном лонжеронекрыла, просто заткнул его и никому ничего не сказал. Он был оправдан. Возможно,присяжные сочли его вину с моральной точки зрения незначительной.

Хотелось бы также большей гласности. Ведь если действительные причиныаварии сделать известными широкой публике, то кое-кому придется не толькопокраснеть, но и понести урон - деловая и профессиональная репутация этихлюдей сильно пострадает. Большинство профессиональных инженеров это оченьостро осознает, и они либо вынужденно ведут себя тихо, либо рискуют понестисерьезные убытки. По-моему, эту трудность следовало бы попытаться как-тообойти. Хотя большинство аварий обычно происходит далеко не на центральныхулицах, а на задворках, о которых многие даже не слышали, случаются и весьмагромкие драматичные катастрофы, которые подолгу не сходят с первой полосыгазет. Такими были катастрофа с мостом через Тай в 1879 г., гибель "Кэптена"в 1870 г. и крушение дирижабля R101. Подобные катастрофы часто несут насебе отпечаток человеческих и политических страстей, имеющих в своей основеглавным образом амбицию и спесь. Такова была гибель "Кэптена". Два человека,которые несли наибольшую моральную ответственность за катастрофу, дорогозаплатили за свои ошибки, один - собственной жизнью, другой - жизнью своегосына. К несчастью, погибли и многие другие.

Крушение дирижабля R101, сгоревшего в Бюво в 1930 г. после удара о землю,имело в своей основе те же причины. Подробно эти события описаны НевиломШьютом в его книге "Логарифмическая линейка". Технической причиной авариибыл разрыв оболочки, которая протерлась в результате неправильного обращения.Однако истинными причинами катастрофы были гордость, зависть и политическиеамбиции. Министр авиации лейбористского правительства Томсон, на которомлежала основная ответственность, сгорел при аварии вместе со своим лакееми экипажем в количестве 50 человек. События, предшестовавшие катастрофе,развивались как раз таким образом, как, согласно моему собственному опыту,это обычно и происходит в подобных ситуациях. Сразу бросается в глаза атмосферанеизбежности всего происходящего. Из-за гордости и зависти, амбиции и политическогосоперничества внимание концентрируется только на каждодневных мелочах.Здесь уже не до широты суждений и здравого смысла - основы инженерногопроектирования. Все становится неуправляемым и на глазах катится к катастрофе.

Людей, работающих в мире техники, не минуют извечные человеческие слабости.Многие катастрофы несут на себе отпечаток драматичности и неизбежности,присущие греческим трагедиям. Быть может, некоторые наши учебники должныбыть написаны пером, похожим на перо Эсхила и Софокла, которые не былигуманистами.

—?Почему мистер Смит не вошел в ваш кабинет, господин президент?

—?Мне не нравится его лицо.

—?Но что бедняга может сделать со своим лицом?

—?После сорока любой может сделать себе лицо.

( Из рассказов о президенте Линкольне )

Как-то мне пришлось работать в лаборатории взрывчатых веществ. Естественно,руководство принимало все возможные меры предосторожности против вторженияв лабораторию посторонних лиц, которые могли не только украсть и продатьвзрывчатку, но и взлететь на воздух вместе с нами. Поэтому все учреждениебыло окружено колючей проволокой, сигнализацией, вооруженной охраной, полицейскимисобаками и всем тем, что только может придумать изобретательный ум представителейслужбы безопасности.

Многие взрывчатые вещества основаны на нитроглицерине, который представляетсобой жидкость, чрезвычайно опасную как в обращении, так и при хранении.Малейшая фамильярность в обращении, например встряхивание бутыли, можетвызвать детонацию со всеми ее ужасными последствиями. Обычная безопаснаявзрывчатка, например динамит, содержит в большом количестве нитроглицерин,и безопасным в обращении его делают различные добавки, разработанные многолетнимиусилиями целого ряда довольно смелых ученых, таких, как Абель и Нобель.Экспериментаторы, вынужденные работать с чистым нитроглицерином, должныпринимать совершенно фантастические меры предосторожности, их работа стольопасна, что многие из них нередко страдают нервными расстройствами.

Лаборатории нитроглицерина отделены от других строений земляными насыпямии широкими свободными пространствами. Персонал обычно носит специальнуюодежду и особую обувь, сделанную так, чтобы мягко ступать и не создаватьстатического электричества, дабы исключить малейшую опасность возникновенияэлектрической искры.

Однажды в выходной день несколько местных ребят проникли через все заграждения,не замеченные охраной, собаками и сигнализацией. Обнаружив, что вокругникого нет, дети забрались в одну из нитроглицериновых лабораторий. Однакотам для них не оказалось ничего особенно интересного. Они уронили какие-тобутылки и мензурки на пол и, прихватив несколько пар специальной обуви,улизнули тем же путем, который остался неизвестным и по сей день.

Это вполне достоверная история, но, я думаю, она может служить и некоейпритчей, ибо возможно, что инженеры и те, кто составляет планы, администрация,рационализаторы, словом, вся компания "идущих впереди", похожи на детей,играющих в лаборатории, полной нитроглицерина, ни в малейшей степени несознавая, что они могут вызвать разрушительный взрыв. Можно, разумеется,сосредоточить все свои усилия на "эффективности" всего сущего, чтобы всеслужило удовлетворению наших материальных потребностей, хотя в действительностинаши материальные потребности - понятие, гораздо более растяжимое и в большеймере приспосабливаемое к обстоятельствам, чем мы склонны думать. Однаколюди имеют и индивидуальные духовные потребности, которые не менее важныи скорее приводят к социальным взрывам, если их постоянно грубо игнорироватьили пренебрегать ими.

Иногда, слушая разговоры некоторых моих коллег-инженеров, я буквальносодрогаюсь. Не столько потому, что они придают слишком малое значение эстетическимпоследствиям своей работы, сколько из-за того, что они считают абсолютнопустым и несерьезным даже касаться этой темы. И все же я думаю, что, чембольше мы увеличиваем свое материальное благосостояние, тем более серьезнойкатастрофой это в конце концов завершится, если только люди не смогут найтиэстетическое удовлетворение в окружающем их мире.

Будучи студентом инженерного факультета, я часто убегал с лекций и виноватопрокрадывался в местный музей. Много лекций по математике я пропускал,рассматривая картины в Художественной галерее Глазго. Без сомнения, картиныв музеях - это спасение, иногда они были мне в высшей степени необходимыкак последнее прибежище в отчаянии, вызванном не столько сухостью теоретическихлекций, сколько всепроникающим уродством городов вроде Глазго.

Конечно, держать "искусство" в отдельных коробочках, называемых музеямии театрами, весьма импонирует аккуратному обывательскому и административномуобразу мыслей. Но такие формы искусства, как живопись, музыка и балет,могут воздействовать на жизнь человека лишь эпизодически. Они могут служитьубежищем, но не заменой всего того, что постоянно окружает нас и должноприносить нам удовлетворение само по себе. Большинство из нас находит некийосвежающий источник в общении с природой, но мы покорно воспринимаеммрачность и унылость наших городов, фабрик, переполненных станций и аэропортов- всего того, в окружении чего мы вынуждены проводить почти всю свою жизнь.Возможно, что рыба, вынужденная постоянно жить в грязной воде, в концеконцов привыкнет к ней, но человек, "выдерживаемый" в таких условиях, долженконце концов восстать.

Как пишет профессор В. Диксон, "Возрождение, этот уникальный период нашейевропейской истории, противостоит как средневековью, так и последовавшим за нимвекам. Как различаются их взгляды на мир, насколько противоположны их системыценностей! Каждая всеобъемлющая доктрина воспринимается как нечто неизбежное инеуязвимое. Каждая эпоха думает, что именно ей свойственны правильные иединственно возможные для разумного человека взгляды"[130].

Итак, на важные вещи каждая эпоха имеет свои установившиеся взгляды.Будучи материалистами, сегодня мы, как и подобает, ужасаемся тому, чтонаши предки были готовы выносить физическую нищету и физическую боль. Нонаши предки, в свою очередь, не в меньшей степени ужаснулись бы тому, чтодолжны терпеть мы, тому, что испытывают каждый день сотни миллионов людейв ужасных городах вроде Лондона и Нью-Йорка. Они ужаснулись бы тому, чтоработающие на наших мрачных "фабриках Сатаны" готовы терпеть весь этотдьявольский грохот и это уродство, чего вполне можно было бы избежать.Даже убранство и атмосфера современных больниц внушили бы им еще большийстрах перед смертью.

Поэтому многие из нас ищут своего рода облегчения в слиянии с природойи при первой же возможности бегут в сельскую местность. Мы находим, чтоона больше подходит нам, чем города, заводы и дороги. Многие действительноверят, что природа не только прекрасна и это ее неотъемлемое свойство,но в некотором смысле она и "добра". Эти взгляды, доведенные до крайности,приводят к чему-то вроде пантеизма - к "Лесам Вестермейна" Мередита. Номне кажется, что если мы сможем избавиться от романтических предрассудкови взглянуть на вещи трезво, то должны будем признать, что эстетически природатакже нейтральна, как она нейтральна и морально. Горы, озера и закаты,возможно, и прекрасны, но море часто бывает грозным и неприютным. А первобытныйлес, как мне известно по собственному опыту, во многих случаях - это обительужаса. Европейский ландшафт нельзя назвать естественным. Растения и деревья,которым позволено здесь расти, тщательно отобраны человеком, а многие ихсегодняшние разновидности выведены искусственно, как и большинство домашнихживотных. То, как посажены растения, общее расположение полей, лесов, изгородейи деревень - не говоря уже о дренаже и улучшении земель,- все это результатчеловеческого отбора и человеческих действий.

До XVIII в., когда ланшафт был более диким, образованные люди страшились"природы" и смотрели на нее только как на источник физического дискомфортаи на склад сырья. Города были для них привлекательны и привычны, сельскаяже местность негостеприимна и опасна. Сегодня, восхищаясь прелестным английскимпейзажем, мы на самом деле восхищаемся результатами продуманной и целенаправленнойдеятельности культурных и толковых английских землевладельцев XVIII в.

Если эстетическая привлекательность сельской местности со временем возросла,то города в значительной степени ее утратили. Когда сегодня мы сетуем натрущобы и фабрики нашей Англии, мы в действительности должны были бы сетоватьна результаты деятельности поколений мещанских преобразователей - инженерови архитекторов, бизнесменов, маленьких сереньких политиков, представлявшихместные органы власти, и неменее серых политиков покрупнее, заседавшихв парламенте. Вред, причиненный этими людьми, превышает то, о чем можнобыло бы сказать: "Они не ведали, что творили". Ведь мы всегда делаемтолько то, что присуще нашей натуре, - это хорошо знал еще Платон. По меньшеймере спорно, что сельская местность выглядит привлекательнее городов толькоиз-за того, что она более естественна, а не потому, что облик города определяладеятельность совершенно иных людей, чем те, кто определял облик деревни.Нам следует осознать уродливость окружающего нас мира, а не восприниматьее как часть естественного положения вещей.

Мы склонны делать лишь то, к чему внутренне предрасположены. Живя вмире, который бездумно восхищается рациональным мышлением, мы часто забываем,что человеческий разум похож на айсберг. Рацио, сознание, - лишь небольшаявидимая часть психики, оно покоится на подсознании, составляющем большую,невидимую ее часть.

Я отдаю себе отчет в том, что вторгаюсь в область, относящуюся к компетенциихудожников, философов и психологов. Конечно, я могу в ней просто заблудиться,но в свое оправдание могу только сказать, что нужда не знает законов, асозданный человеком современный мир вещей отвратителен, и только абсолютнаябезнадежность положения заставляет меня, кораблестроителя по образованию,подставить свою голову под удар. Я считаю действительно важным, чтобы вопросыэстетики в технике, в конструировании были поставлены перед инженерами итехнократами одним из их коллег, даже ли его взгляды и не будут бесспорноверными. Во всем дальнейшем я вверяю себя Афине и Аполлону - и пусть их красотавдохновит кого-нибудь более сведущего в этих материях лучше справиться сподобной задачей.

Мы начнем с того, что подумаем о процессе восприятия, то есть о том,как и почему мы реагируем на те или иные неодушевленные объекты. В глубинеподсознания имеется огромный запас потенциальных реакций и "забытых" ассоциаций.Частично он приходит к нам генетически из отдаленного прошлого ("коллективноеподсознание Юнга"), а частично приобретается каждым человеком на протяжениивсей его жизни. В основном это результат его прошлого опыта, о которомсознание не помнит, тем более что этот опыт может быть довольно печальным.Наши органы чувств - зрение, слух, обоняние и осязание - непрерывно посылаютв мозг значительно больше информации об окружающем мире, чем может воспринятьсознание. Но подсознание постоянно руководит сбором и сортировкой сигналов,поступающих от рецепторов. Оно реагирует на каждую форму и каждую линию,каждый цвет и каждый запах, каждое касание и каждый звук. Мы можем абсолютноэтого не сознавать, но этот процесс происходит постоянно, и внутри насформируется некий субъективный эмоциональный опыт - хороший или плохой.

Такого типа процесс может в некоторой степени объяснить то, как субъективномы воспринимаем неодушевленные предметы, в нашем случае - продукты человеческойдеятельности. Создавая что-либо, человек на какой-то стадии этого процессавстает перед выбором внешней формы или схемы конструкции.

Невозможно создать ни один объект, не вложив в него определенной совокупностиутверждений. Даже прямая линия как бы говорит: "Смотрите, я прямая, а неизогнутая". Даже самое простое изделие содержит набор утверждений, которыйзаложен в нем людьми.

Как не может быть совершенно объективного опыта, так не может бытьи совершенно объективного утверждения без соответствующей эмоциональнойокраски. Это относится ко всем утверждениям, сделаны ли они посредствомслова, музыки, цвета, формы или того, что инженеры называют конструированием.

Это ведет нас от "процесса эстетического восприятия" к тому, что можноназвать "процессом эстетического воздействия". Иными словами, каким образомвещи конструируются именно такими, какие они есть? Что же именно вкладываетв свое изделие его создатель, чтобы заставить его производить должное эстетическоевпечатление? Короткий ответ будет, наверное, таким: свой собственный характери свои собственные внутренние ценности.

Что бы мы ни делали и как бы мы ни поступали, практически все наши произведенияи поступки несут на себе отпечаток нашей личности, выраженный на языке,который может быть воспринят на уровне подсознания. Например, наш голос,наш почерк, походка всегда индивидуальны, их очень трудно спутать с чьими-либоеще, и им очень трудно подражать. Но сказанное распространяется и намногодальше этих известных примеров.

Однажды вечером я находился на яхте, стоявшей на якоре на озере в глубинеШотландии. В трех или четырех милях от нас появилась еще одна яхта подпарусом, которая огибала длинный мыс. Прежде я никогда не видел ее, и стакого расстояния невозможно было разглядеть ни ее названия, ни экипажа,тем не менее я сказал жене, что управляет яхтой профессор Том. И это всамом деле оказалось так, ибо то, как человек ведет яхту против ветра,так же индивидуально, как его голос и его почерк, и это запоминается обычнос первого взгляда. Так же легко летчики различают друг друга по стилю пилотирования,поскольку он тоже несет отпечатки их личностей и характеров. Даже работаначинающего художника-любителя может рассказать гораздо больше о нем самом,чем о предмете его картины. А чтобы по-настоящему подделать полотно большогохудожника, требуется незаурядное и изощренное мастерство. Конечно же, междурисованием, живописью и конструированием нет резкой грани и почти все,созданное в этих областях, содержит какой-то отпечаток личности автора.

То, что верно для отдельных личностей, скорее всего, верно и для обществав целом, культуры или эпохи. По особенностям стиля археологи могут датироватьс точностью до нескольких лет даже черепки сосудов. Побродив по Геркуланумуи Помпеям, уходишь с совершенно удивительным и необоримым чувством, яснопредставая себе людей, которые когда-то здесь жили. Такое восприятие практическиничего общего не имеет с техникой или технологией, с техническими средствамиэпохи, его нельзя получить из исторических книг. Этот тип восприятия недоступенпока и компьютеру; и вряд ли это скоро изменится.

Недавно мы пили пиво с одним весьма уважаемым коллегой. Я довольно глупо,не без самодовольства, заметил, что пивная банка символизирует для меняхудшие черты современной техники - ее убогость и мелкий расчет. Мой весьмауважаемый коллега обрушился на меня словно тонна кирпича: "Я полагаю, вамхотелось бы, чтобы пиво продавалось в кувшинах, деревянных бочках или вбурдюках. В чем еще можно продавать сегодня пиво, кроме как в жестянках?Как можно быть столь непрактичным и консервативным?"

При всем уважении к моему коллеге я все же должен отметить, что совсемне понял, о чем идет речь. Вопрос не в том, что вы делаете, вопрос в том,как вы это делаете. Емкость для пива не может быть красивой или безобразнойтолько из-за материала, из которого она сделана, или даже из-за массовостиее производства. На самом деле все определяется людьми, которые ее делали.Мы оказались обществом, которое не может производить красивых банок дляпива. Вообще, мне кажется, нам недостает естественного изящества и обаяния.

Греческие амфоры красивы, но не потому, что в них было вино и они былисделаны из глины, а потому, что делали их греки. В свое время они былипросто самыми дешевыми сосудами для вина. Если бы греки делали жестяныебанки для пива, то, возможно, в наших музеях сейчас были бы коллекции классическихпивных банок, вызывающих восхищение художников.

Я уверен, что лишь немногие изделия могут быть красивыми или безобразнымитолько из-за их назначения[131]. Они являются скорее отражением эпохи, еесистемы ценностей. В этом смысле XVIII в. имеет много общего с античнойГрецией. И это неудивительно, поскольку он сознательно подражал античному миру.Почти все, к чему прикасалась рука мастера XVIII в., было прекрасно. Этоотносится не только к предметам роскоши, но и почти ко всему, что сделано впору классицизма.

Здесь возникает важный вопрос об "абсолютных" нормах в эстетике. Следуетли считать, что "мое" мнение в принципе ничем не хуже, чем "ваше", хотямой вкус может показаться вам плачевно неразвитым и ограниченным? Я полагаю,что в эстетике есть абсолютные нормы, которые могут меняться только постепенно,в течение веков. Современная демократичность моды представляется мне нигилистическойи порочной, основанной на желании так или иначе нанести удар эстеблишменту.Я придерживаюсь того взгляда, что существует непрерывная традиция в системеэстетических ценностей, так же как и этических. Развитие этих традиций- процесс итерационный, развивающийся болезненно и медленно, от века квеку и от моды к моде, опираясь, как и наука, на опыт прошлого. Как иначевообще могла бы возникнуть цивилизация со всей ее системой ценностей?

Другой спорный тезис можно сформулировать так: положим, что такие повседневныепредметы, как греческие амфоры, прекрасны в некотором абсолютном смысле,но сознавали ли это сами греки? По этому поводу я хочу привестиодно замечание из передовой статьи газеты "Таймс": "Хороший шрифт долженбыть похож на чистое стекло - с его помощью можно видеть все, не замечаяего самого. Но если мы вдруг обратим на него внимание, то тут должны проступитьприсущие ему черты красоты и элегантности, не бросающиеся нам в глаза самипо себе". Я думаю, именно этим объясняется тот феномен, что многиеизделия получают эстетическое признание лишь после того, как они выходятиз обыденного обихода. Но это вовсе не означает, что при использованииони не обладали абсолютной и непреходящей красотой.

Восемнадцатый век породил промышленную революцию. По-моему, важно отметить,что многие ее лидеры не шли на поводу у обывателя, это были тонко чувствующиелюди с развитым и взыскательным вкусом, люди типа М. Боултона (1728-1809)и Дж. Веджвуда (1730-1795). Созданные ими предметы удивительно красивы,а сами они являют собой образец предпринимателя того времени. Однако, ядумаю, черные силы промышленной революции породили не этика и культураклассицизма XVIII в., а алчность и пошлость, которые лежат вне этики.

Уродливость не является атрибутом ни продукции массового производства,ни машин, ее выпускающих. Первые машины для по-настоящему массового производства,например оборудование для изготовления блоков, установленное на Портсмутскойверфи Марком Брюнелем около 1800 г., и внешне привлекательны, и производительны.Именно на этих машинах изготовлены были миллионы блоков, необходимых паруснымсудам времен наполеоновских войн и еще долгие годы спустя. Они сбереглиогромные средства, ибо блоки - дорогая вещь, а только одному военному кораблюих требовалось около полутора тысяч. Некоторые из этих механизмов можноувидеть теперь в Музее науки (рис. 158), но очень многие из них все ещепродолжают служить в Портсмуте, вот уже 180 лет обеспечивая теперь, правда,уменьшившиеся потребности современного флота в блоках. Не только машины,но и их продукция, сами блоки - солидные и красивые вещи. Не знаю, можноли назвать блок прекрасным, - это зависит от точки зрения, - но нанего действительно приятно смотреть.

Рис. 158. Впервые оборудование для действительно массового производства былоустановлено в доках Портсмута и предназначалось для изготовления блоков. Какмашины, так и сами блоки выглядят привлекательно, вероятно, их можно считать икрасивыми.

Марк Брюнель, отец известного Изамбарда Кингдома Брюнеля, был французскимэмигрантом-роялистом; по общему мнению современников, он был очаровательнымчеловеком; гораздо более сердечным, чем это свойственно людям того круга,к которому он принадлежал. Но в манерах, поведении, обращении, костюмеон оставался французским аристократом старых времен. Даже старомодное платье,в котором он ходил, очень ему шло. "При первой встрече я был совершенноим очарован, - писал о нем один из современников. - Меня восхищалов старом Брюнеле разнообразие его интересов и его любовь или, вернее, пылкаясимпатия к вещам, которые он не понимал или не имел времени изучить. Нобольше всего я восхищался его подкупающей простотой и немногословием, егобезразличием к явным барышам и его гениальной рассеянностью. Он жил так,как если бы в мире совершенно не было мошенников и негодяев".

Вряд ли при столь непрактическом складе характера Брюнель-отец без затрудненийполучил бы работу в современной преуспевающей фирме. А вот созданные иммеханизмы почти двести лет спустя все еще производят прекрасные блоки.

Великие инженеры, которые работали до и непосредственно после 1800 г.,заложили фундамент не только китайского промышленного процветания, но исовременного индустриального общества. Многие из них обладали прекраснымвкусом, но ко временам королевы Виктории во всем возобладали испорченныевкусы широкой публики. Эстетические потребности общества к 1851 г. достиглиминимума. Проницательные наблюдатели вроде лорда Пфайфера (1818-1898) ужево время Всемирной выставки заметили, что промышленность Британии постепенноутрачивает свои творческие начала. Сейчас широко распространено и общепринятомнение - оно сделалось своего рода аксиомой, - что уродливость продукциипришла вместе с индустриализацией и является неизбежным следствием массовогопроизводства. Я сомневаюсь, что такая точка зрения могла бы выдержать серьезнуюфактическую проверку. Я лично склонен полагать, что и элегантность, и деловаяинициатива шли к упадку рука об руку, виной чему послужили все те же спесьи самодовольство, которые всплыли в британском характере в связи с промышленнымпреуспеванием.

Шумный протест 70-80 гг. прошлого века против безобразных промышленныхпорождений практически не достиг цели. Я думаю, что его результаты оказалисьничтожными скорее потому, что движением руководили со страниц "Панча" и"Пэйшенс", чем потому, что оно уводило от основных жизненных проблем ибило по неверным мишеням. Те, кто возглавлял движение, оказались неспособнымиразглядеть, что корни всех тех явлений, которые они так сильно ненавиделии против которых выступали, кроются не в самих машинах, а в складе нашегоума. Подобно многим другим реформаторам эстетики, они отвергали технику,вместо того чтобы включить ее в свою систему. Возможно, если бы они сумелиизучить технику и инженерное дело, то они могли бы воздействовать на всюсистему изнутри. Но для этого нужна та дисциплина труда, подчиняться котороймногие люди искусства почему-то считают ниже своего достоинства. Конечно,Уильям Моррис и его последователи изучали и развивали некоторые техническиеремесла, но на самом деле нужно было заниматься техникой массового производстваи экономическими проблемами высокопроизводительного общества.

Увидевши это, ученики его вознегодовали и говорили: к чему такая трата?

Ибо можно было бы продать это миро за большую цену и дать нищим.

( 26, 8-9 ) (Евангелие от Матфея)

Хотя современных инженеров справедливо можно обвинить в мещанстве, большинствоиз них остаются верными нескольким очень важным ценностям, которые не слишкоммодны и популярны во времена вседозволенности. Главные из них - это объективностьи ответственность. Инженеры имеют дело не только с людьми со всеми их слабостямии прихотями, но также и с физическими явлениями. Если с людьми иногда можноспорить и в некоторых случаях их легко обмануть, то спорить с физическимиявлениями бесполезно. Их нельзя третировать, их нельзя подкупить, нельзяиздать против них закон, нельзя сделать вид, что чего-то никогда не былои истина совершенно в другом.

Обыватели и политики могут создавать любые мифы, какие им только заблагорассудится,но что касается инженеров, то "это их забота, чтобы двигатель заводился,а выключатель срабатывал". Существенно, что этот человеческий материалдолжен работать надежно и экономно, как их машины. Именно инженер долженбыл сказать, что король-то голый, как бы неприятно кому-то это ни было;в действительности от нас, инженеров, требуется не меньше, а больше реализма.

В исканиях, присущих их профессии, инженеры разработали систему оценок,которая помогает объективно представить результат их деятельности. Однимиз методов такой оценки является определение эффективности. Очень полезнознать, например, какая доля энергии, подводимой в виде топлива, преобразуетсязатем двигателем в полезную работу. Эта доля, выраженная в процентax, носитназвание коэффициента полезного действия и представляет собой одну из главныххарактеристик работы двигателя. Столь же ценно, например, уметь сравниватьвес, стоимость и способность конструкций различных типов выдерживать нагрузку.В гл. 13 мы говорили о количественных способах делать это.

Определение эффективности настолько полезно и иногда экономически действенно,что возникает опасное желание расширить область его применения. Эффективностьситуации в целом можно определить лишь в случае, если человек наделеннеобыкновенной мудростью и знанием всех фактов, а это недоступнопростому смертному. Об эффективности двигателя можно говорить, еслиречь идет о потребляемом горючем и получаемой работе, но, говоря о его"эффективности вообще", мы становимся на неверный путь. Многое при этомможет остаться за пределами нашего внимания, например шум и чад, создаваемыедвигателем, или то, что человек, которому приходится его заводить, рискуетполучить инфаркт. Если даже мы знаем все факты, относящиеся к данной техническойситуации (что невозможно), то все равно не сможем взвесить их должным образом,ибо чаще всего они несоизмеримы.

Не так давно было много шума вокруг предложения построить огромный аэропортна побережье Эссекса. По этому проекту огромная масса бетона, ангаров имашин должна была задушить мокрые волнистые пески лимана в устье Темзы,где плещутся, кружатся и кричат чайки. Политики, администраторы, экономистыи инженеры приводили неисчислимые цифры и факты в пользу необходимостистроительства второго аэропорта. Но не существует никакого количественногокритерия, с помощью которого можно было бы сравнить доводы экономистови чиновников с правами чаек и красотой песков и воды. Лично я целиком настороне чаек, и мне доставляет огромное удовольствие думать об этих миляхмокрых песков и болот, которые, как я с удовольствием сообщаю, совершеннобесполезны и непродуктивны. Пока, кажется, пески и чайки одерживают верх.

Я думаю, что эффективность аэропорта можно измерить, соотнося количествосамолетов и пассажиров, которые он может принять, с капитальными затратамии эксплуатационными расходами. Эти величины будут иметь определенное практическоезначение, даже если они никак не связаны с миром чаек и мокрых песков.Но для многих вещей оценка эффективности просто неуместна. Бессмысленноговорить об эффективности ювелирного украшения или собора. И тем не менееинженеры цепляются за идею так или иначе измерить эффективность всего насвете. Это, конечно, чепуха.

"Хорошо, - скажет инженер, - но вещи должны быть функциональными; красотатехники заключается в ее функциональности". Если под этим он подразумевает,что изделие должно работать и работать должным образом, то это совершенноочевидное утверждение. Однако оно нередко понимается в том смысле, чтофункциональность может служить эстетическим критерием. Это может завестислишком далеко. Назначение некоторых сооружений, например мостов, настолькоочевидно, что говорит само за себя. Но одни из них красивы, а другие -нет. Есть также довольно дорогие изделия, которые выглядят весьма привлекательно,например "Конкорд" или "Роллс-Ройс". Но есть ли у нас уверенность, что,глядя на них, мы не восхищаемся лишь совершенством мастерства людей, купленнымпрактически за бесценок? Должны ли мы при оценке их функциональности непринимать во внимание их стоимость?

Автомобиль Форда сейчас можно купить за десятую часть стоимости "Роллс-Ройса",хотя многие считают "Форд" более функциональным, чем "Роллс-Ройс". Внешнийвид "Форда" мало связан с его механическим содержимым. Все, что мы видим,- это не более чем жестяная коробка, сооруженная усилиями конструкторовкузовов и дизайнеров вокруг основных механизмов машины. Все механические,можно сказать, функциональные части современных автомобилей выглядят вовсенепривлекательно. Эти куски металла сложной формы едва ли способны вызватьу нас чувство восхищения, как бы полезны они ни были.

Точно так же большинство электро- и радиоустройств в обнаженном видевыглядит довольно страшно, и мы вынуждены прятать их внутрь черных, серыхили отделанных под орех коробок. В целом, если говорить честно, чем функциональнееделается современная техника, тем меньше мы способны выносить еевид.

Но не происходит ли то же самое и в природе? Внешний вид человека илиживотного может быть очень красивым, но внутреннее содержимое (в прямомсмысле этого слова) обычно выглядит отталкивающе. Наше восхищение природойв высшей степени селективно. Нам нравятся определенные стадии роста (ягненок,но не эмбрион), нас пугают гниение и разложение. Но гниение и разложениетак же функциональны и необходимы, как и рост.

Что касается вопроса об эффективности и функциональности, то здесь,кажется, природа проявила если не чувство юмора, то чувство пропорции.Она с величайшей метаболической экономией конструирует стебель растения,который является чудом конструктивной эффективности. Совершив это, онасажает на него огромный цветок, не иначе чтобы посмеяться. Точно так жепавлины носят хвосты, а девушки волосы, что нельзя считать вполне функциональным.Если какая-нибудь унылая личность ответит, будто все это делается, чтобыспособствовать воспроизводству, то это будет не ответом, а лишь видимостьюего. Ибо почему все эти украшения должны быть привлекательными сексуальноили как-нибудь еще?

Хотя многие инженеры свято верят в тесную связь между функциональнойэффективностью и внешним видом, сам я отношусь к этому скептически. Конечно,нечто чрезвычайно неэффективное обязательно будет оскорблять наш взор,но я сильно сомневаюсь, что постоянное техническое совершенствование существенноулучшает внешний вид. Очень часто все получается просто наоборот.

Погоня за последней каплей совершенства приводит к внешнему виду, вызывающемутолько скуку, что легко увидеть на примере современных яхт. Лично я твердоверю, что эстетическое восприятие изделия определяется личностью его создателяи общепринятыми ценностями его эпохи. Если пройти по любой улице с открытымиглазами и непредвзятым мнением, то легко составить и свое собственное суждениеотносительнои того, и другого.

Начиная со времен Ренессанса, наука подвергалась атакам почти со всехмыслимых позиций. Большинство этих атак были весьма неосновательны. Номеня всегда удивляло, что один сильный аргумент никогда не высказывалсявслух, по крайней мере прямо. Наука искусно извращает нашу систему оценкиценностей тем, что учит строить наши суждения на чрезмерно функциональнойоснове. Современный человек скорее спросит, для чего эта вещь илиэтот человек, чем что есть эта вещь или этот человек. Здесь, безсомнения, кроются причины многих наших современных болезней. Эстетика пытаетсяответить, хотя и нестрого, на общие и важные для всех нас вопросы. Слишкомчасто сегодня наши субъективные суждения вступают в конфликт с сужденияминаучными. Но мы заметаем под ковер наши эстетические суждения на свой жестрах и риск.

Естественно, ничто не мешает прекрасной вещи быть одновременно и эффективной.Я просто настаиваю на том, что два эти качества являются, как сказал быматематик, независимыми переменными. В этой связи мне приходит на ум высказываниеодного ирландского яхтсмена: "Безобразная яхта не более привлекательна,чем безобразная женщина, какой бы быстрой она ни была".

Современное искусство и архитектура любят выставлять напоказ свою свободуот традиционных форм и условностей - возможно, именно поэтому их достижениятак невелики. Следование определенному стилю не является помехой ни дляхудожника, ни для конструктора; условности стиля защищают слабых и помогаютсильным.

Все самые красивые суда были построены в традиционной манере, и я немогу даже предположить, чтобы их создатели чувствовали себя как-то связаннымиею. Драматурги Древней Греции писали пьесы по строгим правилам и канонам,но столь же абсурдно было бы думать, что "Антигона" стала хуже из-за соблюденияправила трех единств, как и предполагать, что Джейн Остин могла бы создатьеще более значительные шедевры, если бы она чувствовала себя свободнойпользоваться бранными выражениями и описывать интимные подробности.

Чтобы полностью оценить формальные достижения, сначала необходимо хорошоизучить правила. Это относится к оценке соборов, кораблей и мостов в такойже степени, как и к суждениям об игре в крикет, и служит весомым аргументомв пользу изучения как принципов конструирования, так и истории искусстваи архитектуры.

Когда Иктин проектировал Парфенон (446 г. до н.э.), он работал в рамкаххорошо развитого дорического архитектурного стиля. Парфенон - это бесспорноодно из самых прекрасных сооружений мира, и он, возможно, величайшее изтворений рук человеческих. Хотя храм и посвящен божественной Афине, дляменя он является высшим проявлением гуманизма, того, что ученый-химик ГемфриДэви назвал "сверкающей, но призрачной мечтой о бесконечном совершенствованиичеловека". Парфенон был построен во времена, когда Афины достигли вершинмогущества и славы, и, казалось, говорил всему миру: "Богатые, славные,венценосные Афины, вызывающие зависть народов".

Но Немезида уже тогда поджидала за углом, как это было и в 1914 г. КогдаПарфенон был новым, весь из белого мрамора, в красной и синей росписи ипозолоченной бронзе, он, вероятно, не отличался изысканностью и казалсянесколько вульгарным (как и кое-что у Киплинга!). Но не свойственно лиэто в какой-то мере всякому великому произведению искусства?

Если Парфенон является для меня символом гуманизма, то некоторые болееранние дорические храмы, например храм в Пестуме, выражают, как мне кажется,движение религиозного чувства. Напротив, храм Гефеста в Афинах говоритмне очень немногое, разве что возникает неясное ощущение духа торгашества,свойственного и городской ратуше в Бирмингаме. И все эти совершенно разныеощущения вызывают у нас произведения архитекторов, работавших в строгихрамках одного и того же стиля.

Как все великие произведения искусства, Парфенон можно восприниматьи истолковывать по-разному. Бесспорна лишь грандиозность достигнутого.Но как Иктин добился этого, не погрешив против строгих условностей стиля?Ответить на этот вопрос мог бы только один человек - сам Иктин; он написалоб этом книгу, которая не дошла до нас. Однако мы можем попытаться высказатьпо этому поводу кое-какие, быть может весьма надуманные, суждения.

В традиционной классической паровой яхте грация и величественность достигаютсяутонченностью, неуловимой гармонией обводов корпуса и всего силуэта, любовным иточным размещением мачт, труб и надстроек (рис. 159). Mutatusmutandis[132] - это похоже на точное и любовное размещение слов в стихотворной строке. Проектирование корабля отличается от поэтического творчества только посодержанию, но не по духу.

Рис. 159. Паровая яхта классической формы, предложенной Дж. Л. Уотсоном.

Точно так же в дорической архитектуре важно именно любовное отношениек деталям. Хотя Парфенон кажется прямоугольным, в нем едва ли можно найтиабсолютно прямую линию, в нем не найдешь и двух линий, которые в действительностибыли бы параллельными, хотя они и кажутся нам такими. Его 72 колонны наклоненыдруг к другу, и если мысленно их продолжить, то все линии пересекутся водной точке, на высоте около 8 км над землей. Ожидая сначала увидеть обычнуюконструкцию в виде параллелепипеда, обманываешься, и все эти неуловимыетонкости притягивают взор. Как привлекательная женщина, Парфенон воздействуетна нас и зачаровывает нас, хотя мы едва ли понимаем, за счет чего это достигаетсяи вообще делается ли что-либо для этого (рис. 160).

Рис. 160. О Парфеноне в целом нельзя судить по единичной фотографии; здесьпоказан юго-западный угол, быть может, он даст хоть какое-то представление обэтом шедевре. (Обратите внимание: слева в перемычке - трещина, вот почемуархитрав состоит из трех параллельных балок.)

Но какое отношение все это имеет к напряжениям? С одной стороны, почтиникакого, с другой - весьма непосредственное. Еще в XVII в. Фенелон заметил,что сооружения классической архитектуры обязаны своим воздействием тому,что они кажутся тяжелее, а готические сооружения - тому, что они кажутсялегче, чем оказываются в действительности. В эстетическом плане все этоочень далеко от чистого функционализма, стремящегося к тому, чтобы вещивыглядели настолько тяжелыми, насколько это есть на самом деле.

Здания классического стиля, в особенности дорические, кажутся почтикачающимися под тяжестью собственного веса. Однако большинство их колоннна самом деле несет очень небольшую нагрузку, но им придана некоторая выпуклость,которая должна убедить нас, что выпячиваются они в результате действияогромных сжимающих сил. Этот эффект подчеркивается выпуклыми, похожимина подушки капителями, которые передают сжимающие нагрузки от перемычеквершинам колонн. Эффект тяжести еще более усиливается чрезмерной толщинойархитравов.

Хотя классическая архитектура воздействует на эмоции, используя субъективноеощущение предельной напряженности, нагруженности всех деталей, ее красотане имеет почти никакой связи с современными идеями конструктивной эффективности,олицетворением которых может служить "старый фаэтон". Все эти классическиесооружения в действительности чрезвычайно неэффективны. Сжимающие напряженияв них абсурдно малы, в то время как растягивающие напряжения в перемычкахмежду колоннами слишком велики и часто просто опасны (см. гл. 8). Крышиклассических зданий, как мы уже видели, можно рассматривать только какконструкционное недоразумение. Но с эстетической точки зрения в них почтивсегда нет ничего неверного.

Если мы перейдем теперь к готической архитектуре, то увидим, что напряжениясжатия в каменной кладке здесь, как правило, существенно выше, чем в классическихзданиях, и вся конструкция в целом гораздо более прочная, несмотря на точто она выглядит воздушной, устремленной вверх. Этот эффект достигалсяблагодаря широкому использованию стреловидных арок, которые, в свою очередь,тоже весьма неэффективны. Современному функционалистскому уму готическаяархитектура кажется чрезмерно усложненной. Настоящими же тружениками вготических соборах следует считать многочисленные скульптуры, вознесенныевысоко на бельведеры и арочные контрфорсы. Вес этих скульптур позволяетлинии давления пройти от крыши к фундаменту, не создавая опасностей.

Чтобы получить удовлетворение при виде конструкции, нам, видимо, непременнонеобходимо некоторое субъективное ощущение ее напряженности и прочности,такое ощущение обычно вызывают античные сооружения. В большинстве современныхзданий несущая конструкция, часто сделанная из железобетона, спрятана отнашего взора внутри здания. Все, что мы можем видеть снаружи, это лишьтонкая кирпичная облицовка или стекло; ни то ни другое, очевидно, вообщене может нести сколько-нибудь серьезной нагрузки. Думаю, я не одинок внеудовлетворенности видом этих зданий, они часто представляются мне откровенноуродливыми.

Какими же будут казаться нам конструкции, все несущие части которыхобнажены и подчеркнуто функциональны в современном понимании этого слова?Ясно, что на эту тему можно много и долго спорить. Но если судить по видутех конструкций, которые были разработаны для посадки на Луну в погонеза минимальным весом, то ответ, вероятно, может быть только одним - ужасноуродливыми.

Самые ранние из сохранившихся крупных сооружений Греции находятся вМикенах и датируются приблизительно 1500 г. до н.э.н. э. Они были построеныиз камня и производят впечатление конструкций, спроектированных разумнои осторожно, с полным учетом свойств этого материала. Микенцы, например,прекрасно понимали опасность чрезмерных растягивающих напряжений в каменныхблоках - перемычках. Они использовали весьма остроумные приемы, чтобы уменьшитьизгибающие нагрузки, действующие на каменные балки их сооружений, примеромчему могут служить Львиные ворота в Микенах (рис. 161). В этом смысле микенскаяархитектура может считаться достаточно функциональной.

Рис. 161. Перемычка над Львиными воротами в Микенах, снабженнаядополнительным треугольным каменным блоком, уменьшающим нагрузки растяжения;архитрав представляет собой один каменный блок, испытывающий лишь небольшиенапряжения.

Когда микенская цивилизация пришла в упадок, примерно около 1400 г.до н.э., Греция опять на века погрузилась в темноту и невежество. От этихвремен не сохранилось никаких значительных сооружений, хотя, конечно, людипродолжали жить и поклоняться богам, но делали это в каких-то деревянныххижинах. В период возрождения греческой архитектуры (около 800 г. до н.э.) храмы обычно строились из дерева (так же как и церкви Новой Англии).Естественно, что ни одного такого деревянного храма не сохранилось. Однакопереход от дерева к камню был достаточно медленным и постепенным. По меретого как становилось меньше строевого леса, погнившие деревянные детализаменяли каменными копиями.

Посаниус[133]рассказывает о храме в Олимпии, который существовал еще во II в., что в немболее новые каменные колонны чередовались с еще сохранившимися деревянными.

В основе дорических построек мы можем обнаружить балки, оставшиеся отпрактики деревянных сооружений. Даже когда храмы начали строиться целикомиз камня, архитекторы оставались верными формам и пропорциям, естественнымдля деревянных построек. Архитекторы классического V в. до н.э. не толькоиспользовали непрочные каменные балки вместо деревянных перемычек, но истарательно копировали в мраморе и все другие уже несущественные здеськонструкционные детали, например законцовки брусьев, которые когда-то соединялидеревянные элементы.

Казалось бы, результаты всего этого должны были быть нелепыми, но ониоказались чрезвычайно удачными и в течение двух тысячелетий служили образцомдля всего цивилизованного мира. Пережитки прежних форм, а также подражанияим или имитации в том или ином виде часто встречаются и в технике. Так,например, мы часто имитируем рисунок дерева на поверхности пластмассовыхизделий и мебели.

Имитация не обязательно представляет собой вульгарную подделку, какэто думают приверженцы функциональности в технической эстетике. На практике,конечно, дело обстоит часто именно так, но это происходит не из-за внутреннихпороков, якобы присущих самой идее имитации, а скорее из-за грубого и безвкусногоее исполнения.

Прекрасным примером имитации и успешного подражания минувшему можетслужить паровая яхта Уотсона. Классическая форма большой паровой яхты быларазработана в конце викторианской эпохи крупнейшим из конструкторов яхт,Дж.Л. Уотсоном. (Эпитафия на его могиле гласит: "Воздал должное линиии отвесу".) В своем судне, приводимом в движение только паровой машиной,Уотсон сохранил не только грациозный "клиперный" нос парусного корабля,но и совершенно нефункциональный бушприт, в результате чего получился одиниз самых прекрасных из всех когда-либо построенных кораблей (рис. 159).

Итак, если говорить о "честности" в проектировании, что же следует извсего сказанного? Честность заставляет меня признать, что немногое. Еслиимитации позволительны в греческих храмах и паровых яхтах, то что следуетдумать о "подделках" вообще? Почему бы нам не разукрасить наши подвесныемосты подобно средневековым замковым мостам и не делать автомобили, подобныедилижансам?

Лично мне эта идея не претит. В конце концов все это выглядело бы едвали хуже и вряд ли производило бы более гнетущее впечатление, чем плодысовременного функционализма; многое воспринималось бы как шутка. Что плохогов "псевдоготических" зданиях XVIII в.? Лучшие из них просто прелестны.Павильон в Брайтоне, созданный Горацием Уолполом, на самом деле удивительнохорош.

Есть люди, которые стонут по поводу "этих бессмысленных украшений",но это выражение само по себе довольно нелепо, ибо украшение не может бытьбессмысленным, даже если оно кажется ужасным. Если критик подразумеваетпод этим, что украшение не подходит или никак не связано с украшаемым предметом,-это, возможно, справедливо, но тем не менее любые украшения производятнекий эффект. Мне кажется, что мы нуждаемся в большем, а не в меньшем ихколичестве. Истина, кажется, состоит в том, что мы боимся выразить себяв украшениях. Мы не знаем, как к ним подойти, и страшимся обнажить нашисерые мелкие души. Средневековые строители не страдали комплексами такогорода, возможно будучи душевно более здоровыми.

Не справедливо ли потребовать от технократов, чтобы создаваемые имивещи не только работали, но и радовали своим внешним видом? Иначе в окруженииэтой техники мы погибнем от скуки. Пусть у нас будут украшения. Пусть будутрезные фигуры на носах кораблей, позолоченные розетки на парапетах мостов,статуи на зданиях, кринолины на женщинах и повсюду много-много флагов.Поскольку мы уже создали целый мир новых изделий - автомобилей, холодильников,радиоприемников и бог знает чего еще, - давайте посидим и подумаем, каквсе-таки их можно было бы украсить и сделать более приятными и радующимиглаз.

Примечания:

1

Интересные рассуждения по этому поводу содержатся в книге: Murray G. Five Stages of Greek Religion (O.U.P, 1930). Анимизм заслуживает изучения.

7

"Хотя их светлости весьма уважают науку и очень ценят Вашу статью, она слишком учена…, говоря короче, она непонятна". (Из письма адмиралтейства к Юнгу.)

10

Процесс приспособления может идти и в "обратную" сторону. Так, в состоянии невесомости в костях космонавтов снижается содержание кальция и они становятся менее прочными.

11

Одна из немногих женщин, имя которой известно в теории упругости, - Софи Жермен (1776-1831), была француженкой, Уместно отметить также, что два английских, наиболее высокообразoванных и склонных к теории инженера этого периода, Марк Брюнель (1769-1849) и его сын Изамбард Кингдом Брюнель (1806-1859), были французами по происхождению.

12

Британская традиция игнорировать математику была блестяще продолжена в нынешнем столетии целым рядом известных инженеров, среди которых особо следует отметить Генри Ройса, создателя, кроме, многого прочего, "лучшего в мире автомобиля".

13

См. на этот счет воспоминания В.М. Тихомирова - V.V.

72

http://vivovoco.rsl.ru/VV/E_LESSON/BRIDGES/MENAI/MEN.HTM

109

Michell A. The limits of economy of material in frame structures - Phyl. Mag., 6, 8 (1904), 589.

110

Беатрис Поттер (1866-1943) - известная английская детская писательница. - Прим. перев.

111

Поперечное сечение растягиваемой конструкции пропорционально нагрузке, в то время как объем законцовок с ростом нагрузки растет по степенному закону с показателем 3/2.

112

Вес конструкции, состоящей из n параллельных элементов и имеющей общую длину L, которая должна выдерживать заданную растягивающую нагрузку Р, выражается следующим образом: где Z - полный вес всех п элементов на единицу длины; s - допустимое напряжение; k - коэффициент, связанный с изобретательностью конструктора; W - работа разрушения материала; ? - плотность материала. Вывод этой формулы можно найти в книге Кокса (Сох Н. L. The Design of Structures of Least Weight.- 1965), я лишь слегка ее модифицировал.

113

Неудачным "Грейт Истерн" оказался не с технической, а с коммерческой точки зрения. Дело в том, что он проектировался для рейсов между Англией и Австралией, а использовать его решили для гораздо более коротких трансатлантических рейсов. "Грейт Истерн" завоевал Голубую ленту, оказался незаменим при прокладке подводных телеграфных кабелей между Европой и Америкой. Вплоть до постройки "Лузитании" он был самым крупным судном в мире (подробнее см., например, в книге С.И. Белкина "Голубая лента Атлантики"). - V.V.

114

Для данной площади поперечного сечения элемента.

115

В Советском Союзе ширина железнодорожной колеи 1524 мм. - Прим. ред.

116

Neque semper arcum tendit Apollo! - "Никому не позволено натягивать лук Аполлона!" - говорит Гораций в "Одах"; возможно, он знал, что ползучесть у серебра почти так же велика, как у свинца.

117

Все эти величины весьма приблизительны и в чем-то спорны, но я думаю, что они достаточно близки к истине. Величины, относящиеся к углеволокнистым композитам, предположительны, однако основаны на многолетнем опыте разработки волокон такого типа.

118

Здесь весовая стоимость понимается как плата весом силового элемента за данную критическую или разрушающую нагрузку. - Прим. ред.

119

Все величины в таблице относительны, за единицу приняты характеристики стали. Все они очень приблизительны.

120

Каждый "тур долга" для летчика бомбардировочной авиации состоял из 30 боевых вылетов. Их служба поэтому была исключительно опасной. Потери в бомбардировочной авиации были сравнимы с потерями среди экипажей немецких подводных лодок, которые были весьма высокими.

121

Лишние 20% требуются, как утверждают авиационные авторитеты, из-за колебаний качества материалов и технологии сборки.

122

"Ллойд" - ассоциация английских страховых компании. - Прим. ред.

123

А.П. Херберт определил "волю божью" как "то, чего не может ожидать ни один разумный человек".

124

Она умерла от туберкулеза в возрасте 27 лет. То, что она совершила, было сделано с гораздо большей смекалкой и морскими навыками, чем об этом можно судить по популярным рассказам и картинам.

125

В СССР действуют единые правила проектирования и эксплуатации всех видов сосудов высокого давления, которые весьма строго регламентируют все вопросы соответствующего поведения инженеров и рабочих.- Прим. ред.

126

За исключением, конечно, переборок машинного отделения.

127

Barnaby К. С. Some Ship Disasters and their Causes. - Hutchinson, 1968.

128

Метацентром называется точка, где находился бы центр тяжести вытесненной кораблем воды. - Прим. перев.

129

Из-за низкого качества типографской печати этот рисунок воспроизвести не удалось. Вместо него предлагаем сходные иллюстрации www.ketchum.org/bridgecollapse.html - V.V.

130

Dixon W. М. The Human Situation. - Penguin, 1958.

131

Аристофан считал греческие сосуды для оливкового масла нелепыми, но никогда не утверждал, что они безобразны, сейчас же ими восхищаются в музеях.

132

Изменив то, что должно изменить, - лат.

133

Греческий археолог, около 170 г. - Прим. перев.