АВТОМАГИСТРАЛИ
Быстро растёт число автомашин в нашей стране. В конце третьей пятилетки выпуск автомобилей достигнет 400 тыс. в год — вдвое больше, чем в 1937 г. Автоперевозки за это же время увеличатся в 4,6 раза. Автомобиль — очень удобное средство связи и для городских перевозок, и для междугородных сообщений. Но для него нужна широко развитая сеть усовершенствованных дорог — автомагистралей.
С первого взгляда строительство хороших дорог кажется не таким уж сложным делом.
Дороги строятся уже давно. Более двух тысяч лет тому назад в Римской империи строились большие торговые и военные дороги. Во многих местах Италии, Франции, Греции, Малой Азии и Африки сохранились остатки таких дорог. Казалось бы, хорошие дороги — задача, давно уже решённая техникой.
Однако такая точка зрения совершенно ошибочна. Строительство новых дорог является прекрасным примером того, какой сложной и трудной может быть задача, которая на первый взгляд кажется совсем простой.
 |
| Остатки древнеримской дороги. В некоторых местах такие дороги, построенные более двух тысяч лет назад, так хорошо сохранились, что ими пользуются еще и сейчас. |
Для того чтобы быстро преодолевать большие расстояния, автомобили должны развивать громадные скорости. Но это возможно далеко не на всякой дороге. Скоростные дороги должны удовлетворять особым требованиям. Здесь-то и начинаются неожиданные трудности.
Рассмотрим одну из таких трудностей. Известно, что чем больше скорость автомашины, тем хуже становится сцепление колёс с поверхностью дороги. А без достаточного сцепления езда становится ненадёжной: машину заносит на поворотах, она перестаёт слушаться тормозов и т. д. При очень больших скоростях даже ничтожные неровности дороги могут сделать машину неуправляемой.
Возьмём в качестве примера простейший случай. Представим себе, что полотно дороги образует небольшую выпуклость. Поверхность этого выпуклого участка можно изобразить в разрезе в виде дуги, имеющей радиус \(R\). При движении по выпуклой кривой развиваются центробежные силы, которые стремятся как бы оторвать машину от полотна дороги. Пусть скорость машины равна \(v\). Тогда, по законам механики, получается центробежное ускорение, равное \(\frac{v^2}R\). Как видно,
центробежное ускорение растёт пропорционально квадрату скорости, т. е. если скорость увеличится в 3, в 4 раза, то центробежное ускорение возрастёт в 9, в 16 раз и т. д.
Если центробежное ускорение сделается равным ускорению силы тяжести \(g\), то колесо машины перестанет прижиматься к поверхности дороги, и машина будет совершенно неуправляемой. Даже тогда, когда центробежное ускорение равно примерно половине ускорения силы тяжести, машина становится непослушной. Итак, можно считать, что неприятности начинаются, когда \(\frac{v^2}R=\frac g2\) (\(g\), как известно из механики, равняется 9,8 \(\frac м{сек^2}\)). Отсюда можно найти значение \(R\), т. е. определить, какая выпуклость является предельно допустимой для той или иной скорости. Получается
\(R=\frac{2v^2}g\).
Попробуем определить по этой формуле допустимое значение \(R\) при скорости машины в \(100\) километров в час (приблизительно \(28\) метров в секунду). Находим, что \(R=\frac{2,28^2}{9,8}\), т. е., в круглых цифрах, \(160\) метрам.
Итак, мы нашли, что при скорости машины в 100 километров в час радиус выпуклости дороги не должен превышать 160 метров. Выпуклость с таким радиусом настолько незначительна, что вы напрасно стали бы пытаться заметить её на дороге. Если предположить, что длина такой выпуклости по направлению движения составила бы 2 метра, то высота этой двухметровой дуги не превышала бы... 3 миллиметров! Как показывает наш расчёт, даже самые ничтожные неровности дороги могут сделать скоростное движение ненадёжным.
 |
| При большой скорости даже самая ничтожная выпуклость на дороге может сделать машину неуправляемой, так как колесо машины потеряет сцепление с поверхностью магистрали. |
Поверхность скоростной автомобильной магистрали должна быть сделана с такой точностью, что ни о каком сравнении с римскими дорогами не может быть и речи. Даже асфальтированные улицы столиц могут быть сделаны гораздо грубее, чем автомагистрали, потому что в городе скорость движения никогда не бывает особенно большой. Доли миллиметра — вот точность, с какой приходится рассчитывать и строить усовершенствованные автомобильные дороги. На тысячи километров нужно протянуть ленту автомагистрали, уложив её с точностью не ниже той, которая требуется при многих работах в машиностроении. Но главная трудность заключается в том, что эту точность надо выдержать, не удорожая постройки дороги.
Поверхность автомагистрали представляет собой бетонную плиту, закрытую сверху слоем асфальта. Бетонная плита должна быть рассчитана так, чтобы она выдерживала нагрузку проезжающих машин и вместе с тем не была чрезмерно толстой, иначе это вызовет большие непроизводительные расходы. Так, например, при расчёте толщины бетона на таких больших магистралях, как Москва—Минск, ошибка в несколько сантиметров может привести к излишним затратам десятков миллионов рублей.
Казалось бы, плита из бетона, лежащая на грунте, — вещь очень простая. Расчёт её прочности, с первого взгляда, куда проще, чем расчёт прочности какой-либо детали мотора или самолёта. Однако такой вывод глубоко ошибочен. Действительно, плита, лежащая на грунте, по своей внешней, геометрической форме — очень простое инженерное сооружение. Но, по существу, оно очень сложно по двум причинам.
Во-первых, на бетонную плиту действуют весьма сложные динамические нагрузки, зависящие от устройства рессор автомашин, от системы шин, от различных усилий при поворотах, торможении и т. д.
Во-вторых, плита лежит на грунте и, так сказать, «работает» вместе с ним. А грунт с точки зрения строительной механики — очень сложная и капризная система. Влажность его меняется, в нем происходят и замерзание, и оттаивание, и разные другие явления. В связи с этим меняется и механическая прочность грунта. Все это необходимо строго и точно учитывать при расчёте покрытия автострад.
Познакомимся вкратце с одним из методов расчёта, при помощи которого определяют, как распространяются давления в слоях асфальта, бетона и грунта. Этот расчёт осуществляется довольно неожиданным способом. Чтобы понять его сущность, вспомним законы распространения света. Когда свет распространяется в какой-либо однородной среде, он идёт точно по прямой линии. Если же свет переходит из одной среды в другую, то происходит так называемое преломление. Это значит, что свет меняет своё направление. Вследствие этого, например, палка, опущенная в воду, кажется как бы сломанной в том месте, где она проходит через поверхность воды. По той же причине источник света, видимый через толстый слой воды, стекла или иной прозрачной среды, кажется нам находящимся не там, где он помещается действительно, а ближе или дальше, в зависимости от коэффициента преломления этой среды.
Вернёмся теперь к автострадам. Колесо, катящееся по поверхности асфальта, вызывает волну напряжений и деформаций. Эта волна идёт вниз сквозь асфальт, бетон и грунт. Она, конечно, сильно отличается от световых волн, но обладает и общими с ними свойствами. В частности, она может преломляться и менять своё направление при переходе из одной среды в другую. Именно такое преломление и будет происходить при переходе волны напряжений и деформаций из асфальта в бетон и из бетона в грунт. В результате волна распространяется в грунте так, как будто между ним и колесом машины находится не тонкий слой бетона и асфальта, а очень толстый слой такого же грунта. Поэтому при расчёте напряжений в грунте асфальт и бетон можно заменять слоем однородного грунта с увеличенной толщиной.
 |
| Слой асфальта и бетона, лежащий на грунте, действует, как слой однородного грунта значительно большей толщины. Законы преломления помогают нам определить, каким должен быть слой покрытия магистрали. |
Этот приём значительно упрощает расчёты и позволяет сравнительно просто определить, какой слой асфальта и бетона должен быть применён для покрытия того или иного грунта. Как известно, колесо, катящееся по поверхности ничем не покрытого грунта, оставляет за собой более или менее глубокую колею. Это значит, что в грунте произошли какие-то разрушения и перемещения частиц. Такая деформация происходит не только на поверхности грунта, но распространяется на некоторую глубину, которую можно определить с помощью различных приёмов. Вот этот подвергающийся деформации слой грунта и должен быть заменён при подсчётах соответствующим слоем асфальта и бетона.
 |
| Современная автомагистраль в разрезе. Эта полоса из асфальта и бетона должна быть уложена на протяжении многих километров с исключительной точностью. |
*
Мы познакомились в самых общих чертах с некоторыми проблемами, которые возникают при строительстве современных усовершенствованных дорог. Но невольно хочется заглянуть в будущее. Какие изменения принесёт оно в области автомобильных магистралей? Здесь есть много интересного, о чем можно подумать и поговорить.
 |
| Пересечение современной автомагистрали. Не мешая друг другу, без всяких задержек и «пробок» автомобили могут переходить с одной магистрали на другую, поворачивать назад и менять направление в любую сторону. |
Возьмём хотя бы такой вопрос. Автомобильный транспорт имеет существенный недостаток по сравнению с рельсовым, потому что каждая машина требует квалифицированного водителя. Водитель должен все время управлять рулём, следить за всеми поворотами и «вписываться» в направление дороги. Это требует напряженного внимания. Малейшая ошибка может при больших скоростях привести к тяжёлой аварии. Нельзя ли избавить водителя машины от этой тяжёлой ответственности? Нельзя ли с помощью автоматического механизма направить машину точно по автостраде, так, чтобы машина не сходила со своего пути, сама останавливалась перед препятствиями и закрытыми светофорами и вновь приходила в движение, когда путь открыт?
Этот вопрос мы рассмотрим в следующей статье, а пока пусть читатели сами подумают над тем, что можно было бы предложить в этой области.
Комментариев нет:
Отправить комментарий