Невидимый конфликт

Итак, сила, с которой всякое тело сопротивляется нагрузке, стремясь вернуть свою первоначальную форму, пропорциональна деформации, которую вызывает внешняя сила. Необходимо четко разграничить понятия «внешняя сила» и «внутренняя сила». Внешняя сила — это воздействие нагрузки, которое чаще всего обусловлено земным притяжением. А внутренняя сила (или, как ее еще называют, внутреннее сопротивление) обусловлена молекулярным строением тела, когезией внутренних частиц. Эти простые истины, которые мы повторяем в течение целой минуты, помогут объяснить многие явления, связанные с работой различных конструкций. Простой стальной прут, подвергающийся нагрузке на растяжение, и закон Гука явно или тайно будут нас преследовать всюду.

Когда речь идет о внутреннем усилии, гораздо удобнее брать не всю силу, а лишь ту ее часть, которая действует на единицу площади сечения. Эта относительная сила называется напряжением. Хорошо запомним это слово, чтобы оно уже никогда не звучало для нас абстрактно. По тем же причинам гораздо удобнее рассматривать не полное удлинение элемента, а удлинение по отношению к единице длины, например к одному метру. Такое относительное удлинение (или укорачивание) называется деформацией. Это точный научный термин, хотя он довольно свободно и безответственно употребляется в «ненаучном» мире.

После такого, может быть, досадного, но необходимого вступления давайте перенесемся в современную лабораторию испытаний строительных материалов, где повторим один из опытов Роберта Гука.

Это — большой и светлый зал, вокруг серьезно и сосредоточенно движутся люди в белых халатах, в воздухе носится приглушенный гул испытательных машин. Их много: для испытаний на растяжение и на сжатие, на изгиб и на срез, на скручивание и на смятение, для испытаний бетона, стали или дерева. Испытуемые тела тоже отличны от тех, которыми пользовались во времена Гука. Наш стальной образец (так его называют специалисты) имеет круглое сечение диаметром 20 мм и в десять раз большую рабочую длину, а по краям снабжен специальными расширениями, которые вставляются в зажимы машины. Сталь должна быть с малым содержанием углерода (около 0,2%). Именно такая сталь в основном используется для строительных целей во всех странах мира. Болгарский вариант такой арматурной стали в государственном стандарте НРБ обозначен символом A-I.

Зажимаем образец челюстями машины, нажимаем на кнопку — и гидравлическое устройство начинает работать. Нагрузка на образец становится все больше, увеличивается и его удлинение. В это время специальное устройство автоматически вычерчивает график зависимости между напряжениями и деформацией. От нас требуется только наблюдать и делать выводы.

Рис.6. "Удостоверение личности" низкоуглеродистой мягкой стали. Экспериментально установленные зависимости между деформациями и напряжениями являются важнейшей характеристикой строительно-конструкционного материала

Первый, довольно длительный период эксперимента подтверждает слова Гука о том, что «каково удлинение, такова и сила» или наоборот (рис. 6). Записывающее устройство с начала опыта до точки «а» вычерчивает круто поднимающуюся прямую линию. Однако внезапно эта линия перестает подниматься и идет по другому пути: это тоже прямая (или почти прямая) линия, но только горизонтальная. От точки «а» до точки «б» деформации в материале резко нарастают … при фиксируемом, но почти незаметном росте напряжения. Если бы Гук стоял рядом с нами, он бы очень расстроился, так как происходит что-то такое, о чем он даже не подозревал. При предельной нагрузке в структуре тела происходит качественный скачок: его полированная поверхность становится матовой, появляются едва заметные линии, направленные под углом 45° к его оси. Материал как бы течет. Поэтому горизонтальная площадка называется площадкой текучести, а его начало — в точке «а» — точкой текучести. В интервале «а—б» происходят деформации, которые приблизительно в 20 раз больше, чем в точке текучести.

Но и это еще не предел возможностей материала. От точки «б» график начинает подниматься вверх: растут напряжения, растут и деформации. Но теперь он идет вверх не так круто и к тому же криволинейно. Зависимость между напряжениями и деформациями уже не подчиняется в чистом виде закону Гука, поскольку деформации растут быстрее, чем напряжения. Говоря обыденным языком, эта часть графика свидетельствует о том, что увеличение напряжений в материале происходит ценой значительных деформаций. А это слишком большая цена, которая ни в коем случае не приемлема.

Опыт приближается к концу. В последний момент образец разрывается. Эта маленькая катастрофа происходит после того, как испытуемое тело удлиняется на 25%. Или, как сказали бы специалисты, деформация разрушения равна 0,25. Это соответствует сопротивлению материала приблизительно в 4200 кг/см².