|
Содержание
Предисловие автора
Эта книга возникла на основе лекций по истории сопротивления материалов, которые я читал на протяжении последних 25 лет для студентов, специализировавшихся в технической механике и уже прослушавших курсы сопротивления материалов и теории сооружений. При подготовке книги к печати первоначальный материал этих лекций был значительно пополнен, однако общий характер курса не подвергся изменениям. Работая над книгой, я имел в виду главным образом тех студентов, которые, изучив обязательный курс сопротивления материалов, обнаруживают желание углубиться в эту науку и познакомиться с историей ее развития. При этом я не пытался создать справочник по вопросам теории упругости или дать полный библиографический указатель по этому предмету. Такую библиографию можно найти в имеющейся литературе, например в "Истории теории упругости и сопротивления материалов" Тодхентера и Пирсона, а также в статьях из IV тома "Энциклопедии математических наук", выходившей под редакцией Ф.Клейна и К.Мюллера. Я стремился скорее следовать "Краткому историческому очерку" Сен-Венана и дать широкому кругу читателей исторический обзор главных этапов в развитии нашей науки, не входя в излишние подробности. В соответствии с этим я счел желательным включить в эту историю краткие биографии наиболее крупных ученых, работавших в интересующей нас области, а также осветить связь развития сопротивления материалов с состоянием технического образования и промышленным развитием в различных странах. Нет сомнения, что развитие, например, железнодорожного транспорта, а также использования стали в качестве строительного материала поставили множество новых проблем, связанных с определением прочности конструкций, и оказали сильное влияние на развитие сопротивления материалов. Такой же эффект в более близкое к нам время произвели применения двигателей внутреннего сгорания и легких конструкций самолетов. Нельзя удовлетворительно изложить историю сопротивления материалов без рассмотрения развития смежных наук – теории упругости и теории сооружений. В своем развитии все эти науки тесно связаны между собой, и потому в настоящую книгу пришлось внести кое-что из истории и этих двух наук. При этом в истории теории упругости я касался лишь тех ее разделов, которые имели близкое отношение к развитию сопротивления материалов, и опускал все то, что относилось к чисто теоретическому, математическому усовершенствованию самой этой науки. Точно так же и в отношении теории сооружений я не включил в книгу вопросов, представлявших лишь узко практический, прикладной интерес. В своем изложении я пытался следовать хронологической последовательности и с этой целью разделил историю нашей науки на несколько периодов. Для каждого из этих периодов я дал картину развития как в области сопротивления материалов, так и в смежных науках. Строго выдержать такой порядок не всюду, однако, удалось, и иногда при обсуждении трудов того или иного автора я находил более удобным дать в одном месте обзор всего его творчества, хотя бы некоторые из его работ и не укладывались в рассматриваемый период. В работе над этой книгой большую помощь мне оказали существующие труды по истории науки. Кроме уже упомянутых, я имел в своем распоряжении третье издание книги Навье "Resume des Lecons...", отредактированное Сен-Венаном и содержавшее его "Historique abrege", а также многочисленные его примечания, представляющие большой исторический интерес. Я обращался также к переведенной Сен-Венаном на французский язык книге Клебша по теории упругости, в которой содержится и история этой науки в ее ранних стадиях. Что касается биографий, то и этой области я нашел следующие весьма содержательные источники: Marie M., Histoire des sciences mathematiques et physiques; Riihlmann M., Geschichte der technischen Mechanik; ряд английских биографий, а также "Собрание академических похвальных речей" Араго и Бертрана (Arago F., Bertrand J., Eloges academiques). Переходя к более близкому к нам времени, потребовалось тщательно разобрать в большом объеме периодическую литературу на различных языках. Это заняло много времени, но автор почувствует себя вполне вознагражденным, если его работа сбережет в какой-то мере время и труд других работников в области истории сопротивления материалов. Выражаю благодарность моим коллегам по Стенфордскому университету: профессору Альфреду Найлсу (Alfred S., Niles) за его указания по тем частям рукописи, где излагаются начала истории ферм и метод Максвелла–Мора расчета статически неопределимых ферм; профессору Доновану Юнгу (Donovan Young) за его многочисленные ценные советы при подготовке рукописи. Я весьма обязан также д-ру Р.Бишопу (Dr. R.E.D.Bishop) за прочтение всей рукописи и за многочисленные важные замечания, сделанные им при этом, и моему аспиранту Джэмсу Джеру (James Gere) за ведение корректуры. Стэнфорд, Калифорния, декабрь 1952 С.П.Тимошенко
Введение
Уже в то отдаленные времена, когда людям впервые пришлось заняться строительством, они убедились в необходимости располагать сведениями о сопротивлении материалов, на основе которых можно было бы назначать надежные размеры частей сооружений. Нет сомнения в том, что египтянам были уже известны некоторые эмпирические правила подобного рода, поскольку без них нельзя было бы возводить грандиозные монументы, храмы, пирамиды, обелиски, из которых некоторые существуют еще и поныне. Греки внесли крупный вклад в дело дальнейшего развития строительного искусства. Они разработали статику, лежащую в основе механики материалов. Архимед (287–212 до н.э.) дал строгое доказательство условий равновесия рычага и указал методы отыскания центров тяжести тел. Он применил свою теорию для конструирования различных подъемных механизмов. Использованные греками приемы транспортировки колонн и архитравов храма Дианы Эфесской показаны на рис.1–3. Широкий размах получило строительство у римлян. До нашего времени сохранились не только их памятники и храмы, но также дороги, мосты и фортификационные сооружения. Об установившихся в их практике строительных приемах мы кое-что узнаем из книги Витрувия, знаменитого римского архитектора и инженера эпохи императора Августа. В этой книге приведены описания некоторых строительных материалов и типов сооружений. На рис.4 показан тип механизма, применявшегося римлянами для подъема тяжелых камней. В своих сооружениях римляне часто использовали арки. На рис.5 мы видим арки знаменитого Гардского моста (Южная Франция), и по сей день выполняющего свою службу. Сравнение римских арок с подобными же сооружениями нового времени в отношении их пропорций указывает на то, что позднее строители научились выполнять эти сооружения значительно более легкими; римляне еще не владели знаниями, которые даются анализом напряженного состояния. Они не знали, чем следует руководствоваться в выборе надлежащего очертания арки, и потому, как правило, придавали им форму полуокружности и ограничивались сравнительно небольшими пролетами. Опыт, накопленный в практике строительства греками и римлянами, был в значительной своей части утрачен на протяжении средних веков, и только в эпоху Возрождения это искусство было поднято на прежнюю высоту. Так, например, когда знаменитый итальянский архитектор Фонтана (1543–1607) построил по указу папы Сикста V в. Ватикане обелиск (рис.6), это сооружение обратило на себя почтительное внимание инженеров всей Европы, между тем как египтяне, как известно, воздвигали такие обелиски за несколько тысяч лет до этого, вырезая камни в каменоломнях Сиены (Египет) и транспортируя их по Нилу. Впоследствии римляне вывезли целый ряд подобных египетских обелисков из тех мест, где они первоначально были построены, и установили их в Риме. Отсюда можно заключить, что инженеры XVI века были оснащены для такой трудной работы не столь хорошо, как их предшественники. Эпоха Возрождения принесла с собой и оживление интереса к науке. Появились крупные мастера в области архитектуры и строительного искусства. Наиболее ярко дух эпохи воплотился в образе Леонардо да Винчи (1452–1519). Он был не только великим мастером в области искусства, но и широко мыслившим ученым и инженером. Он не писал книг, но в его записных книжках было найдено много данных о сделанных им крупных открытиях в разных областях науки. Его глубоко интересовала механика, и одна из его записей гласит: "Механика – это рай математической науки, поскольку мы получаем в ней плоды математики". Леонардо да Винчи пользуется методом моментов и получает с его помощью правильные решения задач, представленных на рис.7,а и 7,б. Он применяет идею принципа виртуальных перемещений к расчету различных систем блоков и рычагов, применявшихся в подъемных механизмах. По-видимому, Леонардо да Винчи имел правильное представление о распоре, возникающем в арках. В одной из его рукописей имеется схематический рисунок двухстержневой системы (рис.8), на которую действует вертикальная нагрузка Q и относительно которой ставится вопрос: какие силы нужно приложить в а и b, для того чтобы система осталась в равновесии? Из показанного на рисунке штриховыми линиями параллелограмма можно заключить, что Леонардо да Винчи знал правильное решение этой задачи. Леонардо да Винчи экспериментально изучал прочность строительных материалов. В заметке "Испытание сопротивления железных проволок разных длин" он дает эскиз, приведенный на рис.9, сопровождая его следующим разъяснением: "Цель настоящего, испытания – найти нагрузку, которую может выдержать железная проволока. Укрепив железную проволоку длиной 2 локтя на чем-либо так, чтобы она крепко держалась, затем подвесив, к ней корзинку, ящик или что-либо подобное, через малое отверстие на дне воронки насыпать туда некоторое количество мелкого песка. Как только проволока лопнет, отверстие воронки закроется укрепленной на ней пружиной. Падая, корзина не опрокинется, так как она падает с небольшой высоты. Вес песка я место разрыва проволоки следует заметить. Испытание повторяется несколько раз для контроля результатов. Затем испытывают проволоку вдвое меньшей длины, причем отмечается увеличение выдерживаемой ею нагрузки; далее подвергается испытанию проволока, составляющая по длине 1/4 первоначальной, и т.д.; при этом всякий раз отмечаются предельное сопротивление и место разрыва". Леонардо да Винчи исследовал также сопротивление балок изгибу и установил такое общее положение: "Во всяком бруске, опирающемся на опоры, но имеющем возможность свободно изгибаться, при неизменности поперечного сечения и однородности материала, та его часть, которая находится на наибольшем расстоянии от опор, изгибается больше всего". Он рекомендует провести серию опытов, начиная с балки, способной нести определенную нагрузку при опирании обоими концами, а затем, переходя последовательно к более длинным балкам той же ширины и высоты, отмечать всякий раз величину нагрузки, которую они выдерживают. Он приходит к тому заключению, что прочность балок, опертых обоими концами, изменяется в обратном отношении к длине и в прямом отношении к ширине. Он проделал ряд опытов над балками с одним заделанным и другим свободным концом, в результате чего устанавливает: "Если балка в 2 локтя длиной выдерживает 100 фунтов, то балка длиной в 1 локоть будет выдерживать 200 фунтов. Во сколько раз короткая балка меньше более длинной, во столько же раз больший груз она способна выдержать в сравнении с этой более длинной". Относительно влияния высоты на сопротивление балок в записках Леонардо да Винчи не дается определенных заключений. По-видимому, Леонардо да Винчи проводил также некоторые исследования по сопротивлению колонн. Он указывает, что их несущая способность обратно пропорциональна длине, но находится в прямом отношении к площади их поперечного сечения. Эти вкратце отмеченные нами достижения да Винчи представляют собой, вероятно, первую попытку применения статики к определению сил, действующих на элементы строительных конструкций, а также первые опытные определения сопротивления строительных материалов. Но эти ценные научные открытия оставались погребенными в записных книжках Леонардо, и инженеры XV и XVI столетий продолжали, как и в римскую эпоху, назначать размеры элементов своих сооружений, полагаясь лишь на практический опыт или на догадку. Первые попытки установления безопасных размеров элементов сооружений аналитическим путем относятся к XVII веку. Знаменитая книга Галилея "Две новые науки" обнаруживает в ее авторе стремление привести известные ему методы анализа напряжений в логическую систему. Она знаменует собой возникновение науки о прочности, т.е. сопротивления материалов. Об авторе
Степан Прокофьевич Тимошенко (1878–1972)
Крупнейший ученый в области механики, преподаватель, автор многочисленных учебников и научных работ, исследователь и научный консультант. Считается отцом современной механики сплошных сред, основоположником школы технической механики в США. Родился в с. Шпотовка Черниговской губернии. В 1901 г. окончил Петербургский институт путей сообщения. Преподавал там же в 1903–1906 гг. С 1907 по 1911 гг. – профессор Киевского политехнического института, с 1912 по 1917 гг. работал в Петрограде. В декабре 1917 г. выехал в Киев, где принял участие в организации Академии наук УССР и стал ее академиком (1918). В 1920 г. эмигрировал в Югославию и занял кафедру сопротивления материалов Загребского политехнического института. В 1922 г. переехал в США, где в 1923–1927 гг. работал в компании "Вестингауз". В 1927 г. стал профессором Мичиганского университета, в 1936 г. – Станфордского университета. С 1964 г. жил в ФРГ. С.П.Тимошенко – автор множества трудов в области механики сплошных сред и сопротивления материалов. Он разработал теорию устойчивости упругих систем, развил вариационные принципы теории упругости и применил их в решении различных инженерных задач. Им был выполнен цикл работ по изгибу, кручению, колебаниям и удару стержней, теории тонких пластин и оболочек, решена задача о концентрации напряжений вблизи отверстий, произведен расчет отдельных конструкций. Он был избран членом Национальной академии наук США, Королевского научного общества Великобритании, являлся иностранным членом Академии наук СССР. Его именем названы лаборатория в Станфордском университете и медаль Американского общества инженеров-механиков. Работы С.П.Тимошенко, в том числе ставшие классическими учебные пособия "Курс сопротивления материалов" (1911) и "Курс теории упругости" (в 2 т., 1914–1916), переведены на многие иностранные языки. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||