Физика в технике - Страница 16

Детальное исследование строения кристаллов металла и их взаимного расположения чрезвычайно важно для того, чтобы понять условия, при которых металлы и их сплавы обладают наибольшей механической прочностью, наиболее стойки в химическом отношении и могут выдерживать наибольший нагрев. Иногда сравнительно ничтожные добавки к металлу различных веществ могут заметно изменить его свойства. Это видно хотя бы!на примере нержавеющей стали.

Исследования показывают, что сами кристаллы обладают очень большой прочностью, превышающей практическую прочность соответствующих материалов в десятки раз. Это объясняется тем, что во всяком твердом теле имеются различные не видимые глазом, но очень существенные дефекты в структуре: трещины, пустоты, сильно снижающие прочность.

Чтобы наглядно представить себе это, надо взять лист бумаги и, растягивая его руками, попробовать разорвать. Для этого потребуется некоторое усилие. Если затем сделать на краю листа небольшой надрыв или прорезь, то разорвать лист после этого значительно легче, потому что разрыв произойдет путем разрастания того надрыва или разреза, какой был сделан.

Чтобы по возможности избежать влияния подобных дефектов и увеличить прочность металлов, поверхность их специально обрабатывают и по возможности уменьшают толщину. Тонкие металлические струны, сплетенные в толстый канат, намного прочнее, чем массивный стержень того же веса и из того же материала.

Это свойство металлов учитывают при строительстве крупных инженерных сооружений. Например, на канатах из тонких стальных тросов можно подвешивать огромные мосты, имеющие пролет более одного километра.

В настоящее время быстро развивается производство искусственных химических материалов; на основе соответствующих теоретических расчетов изменяют структурные формулы молекул и изготовляют очень прочные и вместе с тем очень тонкие пленки и нити. Такие пленки и нити все шире внедряются в практику.

Ученые работают над созданием тонкопленочных надуваемых воздухом лодок, планеров и даже самолетов.

Созданы тонкопленочные надувные здания, ангары, башни для радиотехнических целей и другие сооружения.

Широко применяются также пористые вещества из синтетического материала. Они обладают высокими теплоизоляционными свойствами, устраняют вибрации и в десятки раз легче дерева.

Перед инженерами, проектирующими материалы ближайшего будущего, стоит интереснейшая задача — сочетать сознательно рассчитанную и построенную конструкцию молекул с микроскопической структурой твердого вещества. Необходимо, чтобы молекулы вещества, предназначенного для той или иной цели, были построены не менее обоснованно и тщательно, чем, например, детали самолета или космической ракеты.

При строительстве различных сооружений нередко бывает необходимо перейти от малогабаритного сооружения к сооружению такого же типа, но более крупных размеров. Такие задачи встречаются повсеместно: растет высота зданий и башен, увеличиваются пролеты мостов, размеры морских, воздушных и космических кораблей и многих других технических объектов.

Допустим, что какое-либо сооружение, например башня для радиорелейной связи, создается по образцу уже существующей, но все размеры ее увеличиваются вдвое. При таких условиях объем конструкции, а следовательно, и вес ее возрастут в восемь раз. Однако поперечное сечение конструктивных элементов, несущих нагрузку от веса вышележащих частей башни, увеличится только в четыре раза. Это значит, что нагрузка на единицу поперечного сечения увеличится вдвое. Другими словами, нагрузка на единицу площади поперечного сечения увеличивается во столько раз, во сколько возрастут размеры сооружения.

Всякий материал имеет определенный предел прочности. Поэтому различные объекты, изготовленные из тех или иных материалов, имеют определенные предельные размеры. Этим объясняется тот факт, что заводские трубы, башни для антенн радиосвязи и другие конструкции нельзя построить какой угодно высоты. Например, даже используя самые прочные материалы, невозможно построить башню высотой в несколько километров. У такой башни нагрузка от собственного веса так сильно действовала бы на нижние части конструкции, что они неизбежно разрушились бы еще в процессе возведения сооружения.

Те же самые вопросы возникают и при строительстве кораблей. Известно, что морские корабли, встречая большие волны при шторме, испытывают значительные нагрузки, которые быстро растут при увеличении размеров корабля. Существуют определенные ограничения размеров, зависящие от прочности материала корпуса корабля. Поэтому невозможно построить корабль длиной более одной трети километра. При этом вес корабля не должен превышать 100 000 тонн. Максимальные размеры самолетов также ограничены определенными пределами; их вес в современных условиях не превышает 250 тонн. Ограничены также размеры растений и животных.

При сооружении многих движущихся конструкций необходимо учитывать не только силу тяжести, но и силы инерции, возникающие при ускорении или замедлении движения. Эти силы также пропорциональны массе конструкции.

Чем больше ускорения, испытываемые конструкцией, тем меньше ее возможные предельные размеры. Это обстоятельство имеет особенно важное значение при постройке космических ракет. Так, американские ракеты «Атлас» или «Титан», вес которых равен примерно 100 тоннам, нередко разрушаются при пуске. Это свидетельствует о том, что материал конструкции ракеты использован до предела его прочности. Поэтому дальнейшее увеличение веса ракет может быть осуществлено только путем изыскания новых, еще более прочных материалов или новых конструкций, в которых материалы будут использованы более эффективно.

Так, в иностранной печати появились сообщения о том, что свободно плавающие под водой гигантские сосуды для хранения нефти и различных нефтепродуктов могут быть созданы из тонких синтетических пленок. Подъемная сила, действующая на заполненный нефтью сосуд, может в точности уравновесить силу тяжести, поэтому при таких условиях сосуды для хранения жидких топлив могут иметь практически любые размеры.

Следует упомянуть еще об одном интересном явлении.

Известно, что в обычных условиях нефть легче воды, и поэтому она всплывает на поверхность воды. Однако если погрузить нефть на достаточно большую глубину, то давление воды несколько уменьшит объем нефти, а следовательно, увеличит ее удельный вес. При достаточно больших давлениях увеличение удельного веса нефти может стать настолько значительным, что он превысит удельный вес воды. Таким образом, сосуд с нефтью, находящийся на большой глубине в воде, не будет всплывать. Такое хранение нефти оказывается удобным еще и потому, что для доставки нефти на поверхность не требуется каких-либо насосов, поскольку давлением воды нефть будет выжиматься из пластического сосуда (рис. 28).

Применение искусственных пленок открывает широкие возможности для изготовления различного рода конструкций и в космическом пространстве. При помощи алюминироваяных (т. е. покрытых тонким слоем алюминия) тонких искусственных пленок, отличающихся чрезвычайно высокой прочностью, могут быть созданы гигантские зеркала для улавливания солнечной энергии. Практически можно построить такие зеркала любых форм и размеров, поскольку на искусственных спутниках Земли и космических ракетах сила тяжести практически не оказывает своего действия.

Еще в глубокой древности люди замечали, что уровень воды в океанах меняется в зависимости от видимого положения Луны на небосводе. Первые описания приливов относятся еще к I веку нашей эры. Однако причины изменения уровня океанов и морей долгое время не имели объяснения. И только после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения объяснение приливов и отливов стало возможным.