Введение
Конструкции в нашей жизни, или как общаться с инженерами
Двинувшись с Востока, они нашли в земле Сеннаар равнину и поселились там.
И сказали друг другу: наделаем кирпичей и обожжем огнем. И сталиу них кирпичи вместо камней, а земляная смола вместо извести.
И сказали они: построим себе город и башню, высотою до небес; исделаем себе имя, прежде нежели рассеемся по лицу всей земли.
И сошел Господь посмотреть город и башню, которые строили сыны человеческие.
И сказал Господь: вот, один народ, и один у всех язык; и вот чтоначали они делать, и не отстанут от того, что задумали сделать.
Сойдем же и смешаем там язык их, так чтобы один не понимал речидругого.
И рассеял их Господь оттуда по всей земле; и они перестали строитьгород.
Посему дано ему имя: Вавилон; ибо там смешал Господь язык всей землии оттуда рассеял их Господь по всей земле.
11, 2-9 Книга БытиеКонструкцию можно определить как материальное образование любого рода,предназначенное для того, чтобы выдерживать нагрузки. Изучение конструкций- одна из традиционных областей науки. Поскольку при разрушении инженерныхконструкций возможны человеческие жертвы, поведение конструкций исследуетсяс предельной тщательностью. Однако, когда инженеры пытаются поведать широкойпублике о своем предмете, дело зачастую оканчивается полным провалом. Бедазаключается в том, что они пользуются при этом каким-то странным языком,который рождает убеждение, будто изучение конструкций и всего того, чтоопределяет их сопротивление нагрузкам,- это непостижимый, несуразный искорее всего скучный предмет.
Но ведь конструкции проходят через всю нашу жизнь, н мы не можем позволитьсебе ничего о них не знать. Кроме того, любое растение и животное и почтилюбой продукт человеческого труда должны выдерживать большие или меньшиемеханические нагрузки, не разрушаясь, так что практически все предметывокруг нас представляют собой того или иного рода конструкции. Говоря оконструкциях, мы задумываемся не только о том, почему порой рушатся зданияи мосты и разваливаются машины и самолеты, но и о том, отчего черви имеютименно присущую им форму тела и почему летучие мыши, не повреждая крыльев,летают в кустах роз? Как работают наши сухожилия? Отчего возникают "прострелы"и боли в пояснице? Как птеродактили могли иметь столь малый вес? Почемуу птиц оперенье? Как работают наши артерии? Что можно сделать для детейс врожденными дефектами опорно-двигательного аппарата? Случайно ли парусныесуда имеют именно известную нам оснастку? Почему лук Одиссея должен былбыть столь тугим? Отчего древние по ночам снимали колеса со своих колесниц?Как действовала греческая катапульта? Почему тростник колеблется под дуновениемветра и почему столь прекрасен Парфенон? Могут ли инженеры что-либо перенятьу природных конструкций? Чему медики, биологи, художники и археологи могутнаучиться у инженеров?
Как оказалось, понимание истинных причин того, почему вообще могут работатьконструкции и почему ломаются вещи, дается со значительно большим трудоми требует значительно большего времени, чем можно было бы ожидать. Толькосовсем недавно удалось в такой мере заполнить пробелы в наших знаниях,чтобы на некоторые из поставленных выше вопросов дать сколько-нибудь полезныеи разумные ответы. Чем больше частных загадок удается решить, тем яснее,естественно, становится и общая картина, а потому и весь предмет в целомне остается уделом лишь узкой группы специалистов.
Настоящая книга отражает современную точку зрения на конструктивныеэлементы в природе, технике и повседневной жизни. Конструкции должны бытьпрочными, выдерживающими определенные нагрузки, и мы рассмотрим, как этитребования повлияли не только на совершенствование всякого рода рукотворныхсооружений, но и на развитие живых существ, в том числе и человека.
Живые конструкции
Биологические конструкции возникли несравненно раньше искусственных.Пока на Земле не существовало жизни, не существовало и конструкции, котораяслужила бы определенным целям, - были лишь горы, скалы и песок. Но дажесамые простые, примитивные формы жизни сбалансированы весьма тонко; такоеравновесие, а также протекающие при этом самоподдерживающиеся химическиереакции нуждаются в том, чтобы отгородиться и защититься от "нежизни".Изобретая жизнь, природа оказалась перед необходимостью создать для неекакое-то вместилище: этого требовал индивидуальный характер живого организма.Соответствующие пленки или мембраны должны были обладать хотя бы минимальноймеханической прочностью как для того, чтобы удерживать живую материю, таки для того, чтобы противостоять внешним воздействиям.
Если говорить о возможных наиболее ранних формах жизни в виде крошечныхкапелек на поверхности воды, то для указанных целей, вероятно, было достаточноочень простого и слабого барьера, каким явилось поверхностное натяжение,возникающее на поверхностях раздела между различными средами. Постепенно,по мере роста числа живых существ, обострялась конкуренция, шансы выжитьдля слабых, неповоротливых и малоподвижных существ падали. Оболочки становилисьпрочнее, совершенствовались способы передвижения. Появились большие многоклеточныеорганизмы, которые уже могли кусаться и быстро плавать. Охотиться и бытьпреследуемым, есть и быть съеденным - вот что определяло выживание. Аристотельназвал это аллелофагией - взаимным поеданием, а Дарвин - естественным отбором.В процессе эволюции появлялись более прочные биологические материалы иболее хитрые живые конструкции.
Примитивные существа наиболее раннего периода были большей частью измягких материалов не только потому, что это позволяло им легче извиватьсяи менять форму, но и потому, что мягкие ткани обычно оказываются вязкими(это мы увидим впоследствии), тогда как твердые, подобные костям, зачастуювесьма хрупки. К тому же жесткие материалы менее приспособлены к нуждамроста и воспроизводства. Известно, что деторождение сопряжено с большимидеформациями и перемещениями. К тому же развитие зародыша позвоночных (подобноэволюции природных конструкций в целом) есть в определенном смысле развитиеот мягкого к твердому, причем этот процесс продолжается и после рождения.
Создается впечатление, что природа использует жесткие материалы довольнонеохотно, однако с ростом размеров и выходом животных из воды на сушу эволюция,как правило, награждала их твердыми скелетами, зубами, а иногда рогамии панцирем. Все же в отличие от большинства современных механизмов животныеникогда не становились полностью твердыми. Обычно скелет составляет лишьнебольшую часть туловища и, как мы увидим ниже, мягкие части туловища оченьчасто ограничивают приходящиеся на него нагрузки, защищая скелет от неблагоприятныхпоследствий собственной хрупкости.
В то время как у животных большую часть тела составляют, как правило,гибкие, податливые материалы, у растений это не всегда так. Небольшие инаиболее примитивные растения обычно бывают мягкими - ведь им не приходитсяни добывать себе пропитание охотой, ни убегать от врага. Зато для растенияважно быть высоким, что до некоторой степени уберегает от недругов и позволяетполучать больше света и влаги. Так, деревьям особенно хорошо удается нетолько тянуться вверх, собирая рассеянную световую энергию, но и противостоятьпорывам ветра, притом, заметьте, наиболее экономным образом. Превосходядругие живые конструкции по срокам жизни и размерам, деревья порой дотягиваютсядо 110 метров. Чтобы растение могло достигнуть хотя бы десятой доли такойвысоты, его несущая конструкция должна быть не только прочной, но и легкой;мы увидим в дальнейшем, что здесь содержится несколько важных уроков инженерам.
Хотя, должно быть, достаточно очевидно, что вопросы прочности, жесткостии вязкости имеют отношение к медицине, зоологии и ботанике, врачи и биологидолгое время со всей присущей им страстью и не без успеха не хотели этогопонимать. Надо думать, такое отношение отчасти объясняется разницей в темпераментахи отсутствием общего с инженерами языка, а возможно, здесь сказываютсятакже неприязнь к математизированным инженерным понятиям и страх передними. Зачастую биологи просто не могут заставить себя достаточно серьезноизучить те стороны стоящих перед ними проблем, которые относятся к областиконструкций. Но нет никаких оснований полагать, что при столь тонких химическихмеханизмах регуляции в природе характер самих конструкций может быть менеетонок.