Партон В.З. Механика разрушения:
От теории к практике. [МЕХАНИКУ РАЗРУШЕНИЯ — ВСЕМ: доступное популярное изложение]. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Выбрав механику разрушения темой для написания книги, автор прежде всего представил себе две горы. Гора слева – это круто уходящая ввысь чисто академическая проблема разрушения. Встающая во весь рост гора справа – это диктуемое практикой требование обеспечения безопасности и надежности. Между утесами – тропа по длинной и глубокой долине, которая уходит вверх. Хотелось бы в этой книге шаг за шагом пройти по этой тропе, выводящей на гребень с видом направо и налево одновременно, и в доступной форме рассказать об исторической подоплеке этого пути, о возникающих здесь проблемах и способах их преодоления. И еще хотелось бы передать читателю то воодушевление и энтузиазм в наших научных исследованиях, которые позволили в кратчайший срок создать новую науку о прочности – механику разрушения.

Само по себе разрушение – сложнейшее явление природы, присущее практически всем процессам, происходящим на земле, и известное с момента появления homo sapiens. Оно доставляло людям как радость (извлечение ценных включений при разрушении горных пород, облегчение разрушения при резании металлов и др.), так и горе, связанное с колоссальными материальными потерями и гибелью людей (катастрофы в воздухе, на земле и на воде).

Свойство человека как само собой разумеющееся воспринимать хорошее и не забывать плохое привело к тому, что в основном разрушение относят к глубоко неэстетическим категориям и главные усилия направляют на борьбу с ним. А постоянный ущерб от разрушений огромен. Одна из лабораторий Бательского института (г.Колумбус, шт. Огайо) провела исследование по определению суммарных затрат в экономике США, связанных с возмещением ущерба от непреднамеренных разрушений, а также с мерами, направленными на предотвращение разрушений. Вся сумма затрат была разбита на три части: 1) потери, связанные с недостаточным внедрением современных методов расчета, контроля и технологий, а также с использованием устаревших норм и стандартов; 2) потери, которые могли бы быть потенциально предотвращены благодаря разработкам и внедрению современных научных методов; 3) потери, устранение которых станет возможно только после получения принципиально новых "бездефектных" высокопрочных материалов. В 1978 г. общие затраты, связанные с разрушением, составили в США 88 млрд. долларов, т.е. около 4% валового национального продукта (соответствующие части затрат – 26, 21 и 41 млрд. долларов). В 1982 г. общие затраты оценены в 119 млрд. долларов, т.е. опять около 4% валового национального продукта (соответст- вующие части затрат – 35, 28 и 56 млрд. долларов).

Но сколько бы вреда ни доставляло разрушение, оно не всесильно, и человек научился, зная причины и характер возможного разрушения, создавать аппараты, приборы и машины не только предельно легкими и дешевыми, но и достаточно прочными. Таким образом, проблема разрушения стала центральной проблемой учения о прочности и сопротивлении материалов.

Более 25 лет занимаясь проблемами прочности и разрушения, автор неоднократно убеждался в "многоликости" изучаемых здесь закономерностей, что породило специфические для каждой области науки подходы, терминологии и приемы решения задач, связанные с определением сопротивления разрушению. Зачастую это приводило к непониманию между специалистами смежных областей, решающих одни и те же задачи. Это же многообразие не дает возможности в небольшой книге дать сколь-нибудь полное описание такого сложнейшего явления, как разрушение. Поэтому мы ограничимся кратким и, по мере сил и способностей, популярным изложением основ механики разрушения (использующей основные положения, законы и методы механики сплошной среды) и ее приложений к расчетам на прочность элементов конструкций и машин. Такой подход и определил название книги – "Механика разрушения: от теории к практике".

Книга рассчитана на любознательного читателя, в минимальной степени знакомого с основами механики и математики. Автор стремился написать ее так, чтобы она привлекла внимание будущих исследователей к интересной, еще далеко не изученной проблеме и была полезна как студентам и аспирантам, так и научным работникам и инженерам для первого знакомства с основами механики разрушения и ее приложений.

Из главы I. Прочность и разрушение

§ 1. Что такое прочность и разрушение?

С древних времен человек сталкивался с проблемами прочности и разрушения. Однако долгое время знания о прочности и разрушении материалов и сооружений накапливались случайно, передавались из поколения в поколение как секреты мастерства и относились скорее к области искусства, с которым мы знакомы по великолепным архитектурным ансамблям, удивляющим нас и сегодня. И прежде всего это "семь чудес света": статуя Зевса в Олимпии, Висячие сады Вавилона, Мавзолей в Галикарнасе, Колосс Родосский, маяк в Александрии, храм Артемиды в Эфесе и, наконец, самые древние и единственные сохранившиеся до нас – египетские пирамиды. Очевидно, что при создании этих ансамблей люди неизбежно сталкивались с вопросами: как сделать их прочными, как избежать разрушения?

Что же такое прочность? Под прочностью обычно понимают способность тел быть целыми достаточно длительный период времени, не поддаваясь разрушению. В толковом словаре В.Даля это понятие трактуется как "годное напредки", т.е. характеристика тел как бы "про запас". Мы знаем, что прочностью (в той или иной степени) обладают все тела, независимо от того, находятся ли они в твердом или в жидком состоянии. Прочностью обладают вода, лед и камень; клетка, человеческий волос, кровеносный сосуд и кость; атом, молекула и кристалл и т.д. Отвечая на вопрос "прочно или разрушается?", мы решаем проблему – "быть (что необходимо для существования всего живого и неживого) или не быть!".

Что же такое разрушение? Ответить на этот вопрос просто и не просто. Хочется сразу привести примеры ужасных разрушений, которые известны человечеству и которые неистово призывают: с разрушением надо бороться! Восхищаясь великолепными архитектурными ансамблями, нельзя забывать и о страшных авариях, предотвращение которых в будущем связано с анализом причин происшедшего разрушения.

Римский историк Корнелий Тацит описывает одну из таких аварий, происшедшую в 27 г. н.э., в результате которой погибло и получило ранение 50 000 человек. "В консульство Марка Лициния и Луция Кальпурния... неожиданное бедствие унесло не меньше жертв, чем их уносит кровопролитнейшая война... Некто Атилий, вольноотпущенник, взявшись за постройку в Фидене амфитеатра, чтобы давать в нем гладиаторские бои, заложил фундамент его в ненадежном грунте и возвел на нем недостаточно прочное деревянное сооружение... Туда стекались жадные до таких зрелищ мужчины и женщины, в правление Тиберия, почти лишенные развлечений этого рода, люди всякого возраста, которых скопилось тем больше, что Фидена недалеко от Рима. Это усугубило тяжесть разразившейся катастрофы, так как набитое несметной толпой огромное здание, перекосившись, стало рушиться внутрь и валиться наружу, увлекая вместе с собой и погребая под своими обломками несчетное множество людей, – как увлеченных зрелищем, так и стоявших вокруг амфитеатра". Как констатировал Римский сенат, причины аварии состояли в отступлении от законов строительства и недостаточном обследовании надежности грунта.

Во Франции, в Бове, в XIII в. рухнула башня одного из самых больших готических соборов, который строился по всем канонам классической готической архитектуры и со всей возможной осторожностью, но при незнании законов прочности несущих конструкций (в частности, соотношений между длинами пролетов и площадями сечений).

Вообще катастрофические разрушения происходили практически непрерывно вплоть до наших дней. Особенно часто разрушались мосты. 14 марта 1938 г. в холодную погоду и практически без силовой нагрузки разрушился сварной автодорожный мост через канал Альберта в Хасселте (Бельгия), в 1940 г. произошла катастрофа Такомского моста (рис.1) в США, а в 1962 г. разрушился Королевский мост в Мельбурне (Австралия)...

Об авторе

Партон Владимир Залманович

Доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой высшей математики Московского института химического машиностроения (ныне Московский государственный университет инженерной экологии). Известный ученый в области теории упругости и механики разрушения. Соавтор монографий «Методы математической теории упругости», «Динамика хрупкого разрушения», «Механика упругопластического разрушения» (М., URSS, в 2 кн.).