Машина времени на службе техники

Проф. Г. ПОКРОВСКИЙ

В 1929 г. высокая, многоарочная железобетонная плотина, воздвигнутая за десять лет до этого и перегораживавшая долину Деццо близ города Бергамо (Италия), внезапно рухнула. Поднятые ею на высоту 43 м воды хлынули вниз, разрушая все на своем пути. Многомиллионные убытки и 600 человеческих жертв были результатом этой внезапной, ничем не предвиденной катастрофы. Эта катастрофа не единична. За последние годы произошли и другие катастрофы, не уступающие ей по своим размерам. Плотина гидростанции Сент-Фрэнсис близ Лос-Анжелеса (Калифорния) также внезапно рухнула. Воды, поднятые на 50 м, хлынув вдоль ущелья, уничтожили гидростанцию и все живое на протяжении десятков километров. Можно назвать еще много других случаев подобных разрушений.

Во всех этих тяжелых катастрофах нельзя всегда винить строителей или проектировщиков. Многие из причин, повлекших за собой несчастье, было почти невозможно учесть своевременно и принять против них соответствующие меры. Большинство подобных катастроф происходит благодаря подмыву грунтов в основании плотины и иным их видоизменениям. Между тем наука о грунтах и об основаниях инженерных сооружений еще очень молода и перед ней стоят трудные, пока неразрешимые задачи.

Однако жизнь не ждет. Огромные гидротехнические сооружения последних лет, осуществленные, строящиеся и проектируемые в нашем Союзе, требуют точного расчета своей точности. Многие из этих сооружений запроектированы или даже осуществлены в особенно трудных условиях. К таким сооружениям относится, например, Свирьская ГЭС. Некоторые из подобных сооружений —  исключительно ответственны. Например строящаяся плотина Химкинского водохранилища возле Москва, на канале Москва — Волга. Эта плотина должна удерживать огромную массу воды. Ее внезапное разрушение может привести к тому, что вся эта вода хлынет в долину Москва-реки и уровень последней повысится в несколько часов, а может быть и десятков минут до такой высоты, которой еще не достигало ни одно наводнение. Последствия этого конечно не нуждаются в пояснениях...

Что же мы можем противопоставить этим страшным силам стихии? Точно рассчитать всего мы, как уже сказано, пока не можем. Поэтому мы вынуждены вводить так называемые «коэффициенты запаса». Это значит, что мы проектируем и строим сооружение в несколько раз прочнее, чем этого требует приближенный расчет. Это значит, что как бы расплачиваясь за свое невежество, мы нагромождаем лишние сотни тысяч кубометров грунта, бетона, дефицитных стройматериалов. Это значит, что слабость теории искупается тяжелым трудом десятков тысяч рабочих, миллионами рублей государственных средств.

Почему же в области грунтов так слаба теория? Эта область науки уже давно привлекает исследователей. Еще в конце XVIII столетия известный французский ученый Кулон (положивший, между прочим, основы учения об электричестве) развил первые части науки о грунтах. Но полного своего развития наука эта не получила и в наше время, ввиду исключительной сложности вопроса. Как это ни странно, но теория грунтов приводит нас к задачам, которые может быть не уступают по трудности самым тонким проблемам атомного ядра или теоретической оптики.

Итак теория пока не вполне удовлетворяет нас. Мы не можем заранее знать точно, в какой степени прочно будет наше сооружение, а главное, сколь надежно его основание. Нам остается при таких условиях прибегнуть очевидно к опыту и на опыте проверить правильность наших проектов. Однако опыты производить в натуральном масштабе было бы слишком дорого. Это значило бы построить несколько настоящих плотин или иных сооружений и потом разрушить их. Поскольку это невозможно, постольку мы должны прибегнуть к моделям. Нам следует попытаться осуществить испытываемые сооружения в малом масштабе. Эта мысль не новая. Так например многие зодчие эпохи итальянского возрождения прибегали к моделям для изучения прочности проектируемых ими построек. Известно например, что великий архитектор Брунеллески в XV в., построивший купол собора Санта Мария дель-Фиоре во Флоренции (Италия), предварительно проверил на модели правильность своих расчетов.

Однако обыкновенная модель может легко привести нас к заблуждениям крайне опасного характера. Дело в том, что прочность модели всегда больше прочности большого сооружения. Действительно, возьмите например игрушечный автомобиль и пустите его с крутой горки так, чтобы он, покатившись, ударился в какое-нибудь препятствие. Такой удар игрушка, вообще говоря, выдержит без особых неприятностей. Большая же машина была бы однако при подобных условиях совершенно разрушена.

Это увеличение прочности при уменьшении размеров сооружения можно объяснить очень просто. При уменьшении какой-нибудь детали например в 10 раз объем ее уменьшится в 1 тыс. раз. Поэтому также в 1 тыс. раз станут меньше ее масса и вообще все силы, действующие на данную деталь. Между тем прочность детали зависит от площадей поперечных сечений, подвергающихся действию тех или иных сил. Эти площади в данном случае уменьшатся только в 100 раз. Поэтому на единицу поверхности будет действовать сила в 10 раз меньшая, чем в действительности. Другими словами, модель во столько раз прочнее, во сколько она меньше настоящего изображаемого ею предмета.

Этот закон можно наблюдать повсюду. Муха например не терпит особенного ущерба, если она ударяется при полной скорости полета об стекло или иное препятствие. Большой же самолет, построенный из более прочных материалов, казалось бы, чем муха, терпит аварию при первом толчке или ударе, не предусмотренном нормальными условиями его работы.

Описанное свойство моделей было давно замечено исследователями. Уже знаменитый Леонардо да-Винчи в конце XV столетия писал об этом. Основоположник современной механики и экспериментальной физики Галилео Галилей также отмечает это в своих трудах. Понятно поэтому, что моделирование сооружений вскоре отошло на задний план. Инженеры предпочитали аналитический метод расчета, который дает во многих случаях прекрасные результаты. Развитие техники за последнее столетие особенно продвинуло этот метод вперед. Однако, как мы видели, таким путем пока не оказалось возможным решить все задачи, поставленные жизнью.

И вот мы вновь обращаемся к модели. Но как исправить несоответствие между моделью и сооружением? Решение этого вопроса было найдено только в 1932 г. Чтобы выяснить сущность найденного решения, возьмем камень и привяжем его к бечевке. Взяв конец бечевки в руку, будем вращать камень так, чтобы центробежная сила натянула бечевку. Это натяжение будет тем больше, чем быстрее движется камень. Очевидно центробежная сила может быть сделана очень большой. Эта сила действует на все частицы камня и может даже при подходящих условиях вызвать его разрушение.

При вращательном движении развивается центробежная сила

Представим себе теперь вместо камня коробку, внутри которой помещена модель исследуемого сооружения. Подобрав подходящую скорость, мы можем легко вызвать в этой модели такие напряжения, которые точно соответствуют действительности. Если при этом модель разрушится, то неизбежно и большое сооружение (из того же материала и той же конструкции) постигнет катастрофа. Если же модель устоит, то можно не сомневаться и в прочности большой постройки.

На этом принципе и была построена в 1932 г. большая машина для испытания плотин в Институте гидротехники в Москве. На ней проведено к настоящему времени много испытаний, в частности для проектируемых волжских гидростанций. Вскоре подобные же машины были построены также в Институте оснований и фундаментов и две машины в Военно-инженерной академии.

Схема машины для испытания прочности моделей сооружений

В настоящее время устанавливается также машина в лаборатории строительства канала Волга—Москва. Можно с уверенностью сказать, что в области моделирования сооружений Советский союз занимает ведущую роль. Работы в этом направлении производились еще только в США, где никаких практически интересных результатов получено не было, и в настоящее время это дело почти заглохло. Мы же имеем ряд существенных достижений. Пишущий эти строки имел возможность доложить о целом ряде законченных работ апрельской сессии Академии наук, причем в прениях было признано необходимым дальнейшее широкое развитие этого метода во всех областях строительной техники.

Однако есть одно обстоятельство, которое мы не затронули пока, но которое имеет решающее практическое значение, особенно для гидротехнических сооружений большого масштаба. Опыт показывает, что катастрофы с такими сооружениями наступают не сразу.

Обычно в течение нескольких лет вода производит в грунте основания свою медленную, но страшную подготовительную работу. День за днем, месяц за месяцем она проникает в глубокие слои, постепенно видоизменяет их свойства и потом вдруг с молниеносной быстротой обнаруживаются результаты этой подготовки.

Можно было бы думать, что у модели, находящейся на описанной машине, подготовка катастрофы будет тоже идти очень медленно. Тогда пришлось бы вращать машину с десяток лет, прежде чем мы добились бы ответа, будет ли катастрофа или нет. Конечно совершено ясно, что такой долгий срок никого не устраивает, да и столь длительное вращение машины вряд ли осуществимо.

Однако здесь на помощь приходит неожиданное обстоятельство. Оказывается, что все процессы, обусловливающие катастрофу, подготовляемую водой — на модели ускоряются во много раз. При этом такое ускорение поддается простому и точному расчету. Оно может быть огромным. Так наиболее быстроходная из всех построенных пока машин может дать ускорение хода времени в 130 тыс. раз. Это значит, что один час работы машины соответствует 15 годам, а за один рабочий день воспроизводится время, превосходящее любую человеческую жизнь. Пространство и время как бы сжимаются при применении описанной центробежной машины. В течение нескольких часов экспериментатор может проследить результаты сложнейших видоизменений своего сооружения, которые должны произойти на протяжении более чем одного столетия.

Так как машина вращается, то непосредственное наблюдение всех изменений конечно невозможно. Поэтому к машине присоединяется киносъемочный аппарат, фиксирующий всю истории модели на пленке. Просматривая потом полученную кинокартину, можно просто и удобно следить за всеми деталями катастрофы и точно устанавливать время ее начала.

На этой машине изучают прочность сооружений

Однако такая внешняя фиксация не регистрирует конечно всего того, что интересно для инженера. Поэтому внутри тела модельной плотины закладываются особые измерительные приборы, автоматически записывающие внутренние напряжения. После долгих затруднений удалось построить такие замечательные регистрирующие приборы, которые укладываются в объеме одного кубического сантиметра и вместе с тем обладают громадной точностью.

На этом рисунке изображен динамометр. Он очень небольшого размера. Об этом можно судить, поглядев на муху и линейку в 5 см

Таким образом мы имеем в данном случае первый пример осуществления так называемой «машины времени», о которой 30 лет назад написал свою увлекательную повесть Герберт Уэллс. Конечно пока эта машина применима лишь в узкой области. Однако описанный метод просуществовал всего два года и уже многое дал для практики. Возможно, что еще больше даст он в дальнейшем.

В заключение надо отметить, что собственно говоря в скрытой форме изложенная идея применяется давно в различных областях техники. Например известно всем, что молоко, находящееся в спокойном состоянии, выделяет слой сливок, собирающихся наверху. Этот процесс протекает довольно медленно. Его можно, однако, ускорить в огромной степени, если применить центробежную силу. Именно на этом принципе устроен обычный сепаратор. Такое же действие проявляют и широко распространенные в различных лабораториях небольшие центрифуги.

Наконец центробежная машина играет важную роль при получении хороших отливок из сплавов, богатых газами. При остывании такого сплава газы выделяются и вызывают раковины, портящие отливку. Так как металл остывает быстро, газы не успевают выйти на поверхность металла и остаются внутри его. Чтобы ускорить выход газов наружу, можно применить центрифугу. Под действием центробежной силы газы успеют выйти раньше, чем остынет металл и отливка получается безупречной.