В случае трещин обнаруживается еще более опасная ситуация, так как у
трещины длиной в несколько сантиметров и даже метров радиус ее кончика
может иметь молекулярные размеры - менее одной миллионной сантиметра, а
потому величина L/r оказывается очень большой. Таким образом,
напряжение у кончика трещины вполне может быть в сотню или даже в тысячу
раз больше, чем напряжение в других местах материала.
Результаты Инглиса, принятые буквально и целиком, означали, что создать
конструкцию, безопасную при растяжении, вообще вряд ли возможно. В действительности
же материалы, используемые в работающих на растяжение конструкциях, такие,
как металлы, дерево, канаты, стеклопластики, текстильные ткани и большинство
биологических материалов, являются вязкими, трещиностойкими, что означает,
как мы увидим в следующей главе, что они обладают более или менее хитроумными
средствами защиты против концентрации напряжений. Однако даже в случае
лучших, наиболее трещиностойких из материалов эта защита только относительна
и любая конструкция в чем-то уязвима.
Но используемые в технике хрупкие твердые тела (стекло, камень и бетон)
не имеют и такой защиты. Иными словами, они весьма точно соответствуют
исходным допущениям, которые были заложены в расчетах Инглиса. Более того,
чтобы ослабить материал, даже не нужно искусственно создавать надрезы -
концентраторы напряжении. Природа щедро позаботилась об этом: реальные
твердые тела еще до создания из них конструкций, как правило, содержат
множество всевозможных пор, щелей и трещин. По этой причине было бы опрометчивым
подвергать хрупкие твердые тела заметным растягивающим напряжениям. Их,
конечно, широко используют при возведении стен, строительстве дорог и т.
п., где они, как принято считать, работают на сжатие. В тех случаях, когда
нельзя избежать некоторого растяжения, как, например, в оконных стеклах,
необходимо позаботиться о том, чтобы эти напряжения были достаточно малыми,
и вводить большой коэффициент запаса прочности.
Следует отметить, что не только отверстия, трещины и другие пустоты могут быть
причиной понижения прочности материала. Вызвать концентрацию напряжений может,
наоборот, и добавка материала, если это приводит к резкому локальному
увеличению жесткости. Так, если поставить заплату из нового материала на старую
одежду или толстый лист брони на тонкий борт военного корабля, из этого не
получится ничего хорошего[17].
Причина здесь в следующем. Траектории напряжений могут столь же сильно
притягиваться к более жесткой области (заплате), как и отталкиваться от
области с более низкой жесткостью (отверстия). Любой элемент конструкции,
отличающийся от окружающих его элементов своими упругими свойствами, вызывает
концентрацию напряжении и может быть опасным.
Стремясь повысить прочность с помощью добавочных материалов, стоит задуматься,
а не уменьшится ли она на самом деле. Опыт научил меня, что инспекторы
страховых компаний и правительственных учреждений, настаивающие на том,
чтобы сосуды высокого давления и другие конструкции были "подкреплены"
дополнительными косынками и переборками, зачастую бывают ответственны за
те самые несчастные случаи, которые они старались предотвратить.
Представителям живой природы в общем неплохо удается избежать такого
рода перенапряжений. Однако концентрация напряжений может быть существенным
моментом ортопедической хирургии, особенно при соединении относительно
мягких костей жесткими металлическими протезами.
