Джеймс Эдвард Гордон - Конструкции. Почему они стоят и почему разваливаются

когда доходит до передачи этих знаний простым людям, дело не клеится: инженеры начинают говорить на птичьем языке и оставляют слушателей в убежденности, что учение о конструкциях и их работе — это нечто невразумительное, малозначительное да к тому же удивительно скучное.

Тем не менее конструкции так тесно вплетены в нашу жизнь, что мы не можем позволить себе не замечать их — любое растение, животное или изделие человека несет бóльшую или меньшую нагрузку. Практически все вещи, что нас окружают, являются конструкциями того или иного типа. В разговоре о них уместен не только вопрос, почему падают мосты, рушатся дома или ломаются машины, но и почему червяк имеет форму червяка и почему летучая мышь пролетает сквозь куст шиповника без ущерба для крыльев. Каков принцип действия сухожилий? Отчего появляется люмбаго? Почему птеродактили весили так мало? Зачем птицам перья? Как работают артерии? Как помочь детям-инвалидам? Почему у парусников такой сложный такелаж? Почему женихи Пенелопы никак не могли натянуть лук Одиссея? Зачем древние люди снимали на ночь колеса с колесниц? Как действовала древнегреческая катапульта? Почему тростник колышется на ветру? Отчего так красив Парфенон? Могут ли инженеры учиться у природы? А чему сами инженеры могут научить врачей, биологов, художников и археологов?

Случилось так, что попытки понять, как работают конструкции и почему они ломаются, оказались гораздо более трудоемкими и заняли гораздо больше времени, чем можно было рассчитывать. Лишь недавно мы смогли заполнить пробелы в знаниях настолько, чтобы ответить на некоторые из этих вопросов более или менее толково и внятно. Чем больше фрагментов головоломки собирается воедино, тем яснее становится общая картина — и предмет из науки для узких специалистов превращается в полезное и общедоступное знание, применимое в разных жизненных ситуациях.

Эта книга — современный взгляд на конструкции в природе, технике и повседневной жизни. Мы поговорим о том, как необходимость в прочности и способности выносить нагрузки повлияла на все виды механизмов и живых существ, включая человека.

Живые конструкции

Биологические конструкции появились на свет задолго до искусственных. До этого никаких конструкций, служащих определенной цели, на Земле не существовало — только горы, груды песка или камней. Но даже самая примитивная форма живого представляет собой точно сбалансированную, самовоспроизводящуюся химическую реакцию, и ей необходимы барьеры и защита от неживого. После того как Природа породила жизнь — а вместе с ней и стремление к обособлению, — ей понадобилась оболочка, куда эту жизнь возможно было бы поместить. Чтобы одновременно удержать в себе живую материю и защитить ее от воздействия внешних сил, эта оболочка или пленка должна была обладать каким-то минимумом механической прочности.

Если, как кажется вероятным, некоторые из самых ранних форм жизни представляли собой плавающие в воде мелкие капельки, для решения этой задачи вполне годился даже самый ничтожный барьер, вероятно просто поверхностное натяжение на границе двух жидкостей. По мере того как живые твари множились, существование становилось более соревновательным, и слабые, шарообразные и малоподвижные организмы оказывались в проигрышном положении. Покровы становились толще, развивались органы передвижения. Появлялись многоклеточные животные, способные кусать и быстро плавать. Выживание определялось формулой «догони или убеги», «съешь или стань едой». Аристотель называл это аллелофагией, или взаимным поеданием, а Дарвин — термином естественный отбор. Эволюционные преимущества достигались за счет появления более прочных биологических материалов и более замысловатых живых конструкций.

Организмы первых примитивных животных состояли из мягких материалов не только потому, что такое тело позволяло извиваться и растягиваться в разные стороны. Это было обусловлено еще и тем, что мягкие ткани обычно весьма прочны (как мы увидим далее), тогда как твердые материалы, например кости, напротив, довольно хрупки. Кроме того, твердые материалы накладывают определенные ограничения на рост

--">