Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

У пластичных материалов всегда есть предел пластичности. Вы можете несколько раз сгибать и выпрямлять металлическую линейку (это значит, что металл пластичен – вы можете его деформировать). Но в какой-то момент она распадется на две части. Это отлично видно на примере металлических скрепок для бумаги. Если вы согнете и разогнете скрепку с десяток раз, она, скорее всего, сломается. Почему? Потому что в кристаллической решетке металла нарушается порядок расположения атомов. Повторное воздействие силы заставляет деформироваться новые слои атомов, что в итоге приводит к разрыву структуры. На финальной стадии для структуры энергетически выгоднее распасться, чем оставаться единой. В критической точке (в науке она называется критической длиной трещины Гриффитса) этот разрыв может получить изнутри материала достаточно энергии для того, чтобы разъединить его части.

▲ Использование трещин в материалах. Материалы обычно распадаются, когда маленькие трещины в них получают достаточно энергии, чтобы превратиться в разрывы. Производители шоколада используют этот принцип, чтобы помочь вам разделить его на дольки. Для этого на поверхности плитки при отливке делаются специальные канавки, по которым она разламывается. Когда вы давите на края плитки, в шоколаде создается натяжение и его силы действуют на плитку по параллельным линиям. На поверхности плитки силы концентрируются вокруг канавки. В результате она ломается вдоль канавок – как вы и хотели[129].

Некоторые материалы разрушаются в силу своей непрочности. В других разрушения могут происходить из-за ошибок производства, когда наибольшая нагрузка падает на самые слабые места. В злополучных самолетах Havilland Comet причина состояла в том, что вырезы в фюзеляже для окон и дверей ослабили металлическую конструкцию корпуса. В результате систематического воздействия гигантских сил на фюзеляж ослабли заклепки и другие соединения, что привело к фатальным последствиям. Производитель протестировал самолеты и определил срок их службы в небе в 10 лет, но ошибся. Реальные нагрузки оказались втрое больше тех, которые инженеры обнаружили при лабораторных испытаниях. В результате произошли трагические катастрофы этих самолетов после пары лет эксплуатации[130]. Грубо говоря, эти аппараты были похожи на металлические скрепки, которые без конца сгибались и разгибались огромной силой сопротивления воздуха. Эти случаи стали классическими примерами того, что мы называем усталостью металла: неожиданное его разрушение под воздействием кумулятивного эффекта от постоянного механического напряжения.

Скрип

Признаки возможного разрушения материалов не всегда надежны. Если вы живете в старом доме со скрипящими полами, то можете так привыкнуть к ним, что даже будете находить в этом какое-то очарование. Вы начнете узнавать каждую доску по звуку и даже научитесь проходить на цыпочках между скрипящими половицами, когда встаете ночью. Но если вы живете в современном многоквартирном доме и неожиданно оказываетесь на чьих-то скрипящих полах, то вас может посетить мысль: а насколько безопасно это жилище? Не означает ли этот скрип ослабление и обветшание всей конструкции дома? А вдруг он и вовсе обрушится вам на голову?

Поющие и скрипящие полы – обычно благоприятный признак. Это значит, что дерево сжимается и разжимается, успешно поглощая давление и напряжение. Деревья на ветру тоже постанывают, и это вовсе не значит, что они вот-вот упадут (хотя при сильном ветре такое случается). Почему дерево скрипит и издает звуки, похожие на стон, а другие материалы нет? Дерево – единственный природный растительный материал, который используется для строительства больших сооружений, несущих значительную нагрузку. Оно состоит из полых трубчатых волокон, плотно сжатых в прочной структуре. По мере того как эта структура сжимается и растягивается, волокна внутри ее трутся друг о друга, издавая разные звуки. Полы в домах поют, когда половицы трутся друг о друга, а также в местах сочленения с основанием пола – брусьями или лагами. Особо прочные породы дерева обычно малоэластичны и не издают звуков. Чем мягче и эластичнее дерево, тем больше движения происходит между его волокнами и тем чаще оно «поет». Изменения температуры и влажности тоже заставляют дерево расширяться или сжиматься, поэтому громкость и тон скрипов в доме могут меняться от сезона к сезону. Полы обычно больше скрипят летом, когда они суше, чем зимой, когда они более холодные и влажные, а волокна дерева набухшие.

Дерево и корабли

Старые деревянные корабли ужасно скрипели и стонали, когда прыгали по волнам. Но это всегда был и знак того, что их корпус может сгибаться и растягиваться под ударами стихии. В XIX веке появились стальные корабли, и они не скрипели, как деревянные. Испуганные инженеры боялись, что эти суда окажутся менее податливыми и безопасными. Легко понять, почему они так переживали, если представить себе прыжок человека со стены. При приземлении немного согните колени и сгруппируйтесь – и вы сможете поглотить значительную часть энергии удара. Попробуйте «зафиксировать» и выпрямить при приземлении ноги – и вы запросто можете повредить себе спину. Деревянный корабль, «растягивающийся» на волнах, немного похож на подростка на скейтборде, который ловко сгибает колени, чтобы смягчить удары от неровностей на дороге.

Разламывались ли стальные корабли? Опасения инженеров оказались напрасными: сегодня металлические суда правят океаном. Но есть и проблемы. Как пишет известный историк флота Джордж Голдсмит-Картер, более жесткие стальные корабли «более склонны к инцидентам». Тяжело груженные, они прыгали по волнам, подвергая слишком сильной нагрузке мачты и опалубку, и в результате часто переворачивались[131]. Интересно, что деревянные суда оказывались более подходящими для плавания в арктических широтах в замерзающих льдах. Большая упругость деревянного корпуса позволяла легче высвобождаться из ледового «плена»[132]. Известный полярный исследователь Фритьоф Нансен намеренно построил свое экспедиционное судно «Фрам» из очень прочного железного дерева, нектандра. Это судно способно было зимовать во льдах, а затем продолжать свой путь при открытии воды[133].