Напряжение кручения возникает, когда давление или тяга оказываются на структуру таким образом, что ее частицы закручиваются вокруг оси. При анализе выясняется, что при кручении происходит попеременное сжатие и растяжение, или сближение и раздвижение частиц, без нарушения оси, хотя структура ослабляется для поддержки в зоне воздействия.
Напряжение сдвига, или сдвиг, вызывается силой, направленной против конструкции под углом к ее оси так, что одна часть скользит по другой, нарушая ось. Это может быть вызвано либо одной силой, направленной на одну деталь, при этом остальная часть конструкции остается жесткой, либо двумя равными силами в противоположных направлениях, действующими на соседние детали.
Изгиб - это сочетание растяжения и сжатия, приложенное таким образом, что ось изгибается, в результате чего конструкция ослабляется для поддержки. Это может быть вызвано неравномерно распределенной боковой нагрузкой или слишком большой верхней нагрузкой. Это самое серьезное из напряжений, и с ним труднее всего бороться.
Эти напряжения могут возникать и обычно возникают в различных сочетаниях и степенях. Если структура однородна, то напряжения, естественно, будут отличаться от тех, которые возникают в структурах из комбинированных веществ; кроме того, непрерывная структура будет реагировать иначе, чем сегментированная.
Рис. 8. Позвоночный столб как пружина. Баланс осевых сил, сжатия и растяжения на качающемся блоке.
(Перерисовано с Брауса.)
МЕХАНИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ
Любое напряжение в структуре угрожает ее целостности, изменяя сцепление молекул. Если напряжение будет продолжаться до тех пор, пока вещество не сможет ему противостоять, структура разрушится. Вещества сильно различаются по способности противостоять различным напряжениям, и их качество определяется реакцией на стресс. Так, эластичное вещество - это такое вещество, которое может выдерживать растяжение, давление или комбинированные нагрузки вплоть до фактического удлинения или укорачивания, возвращаясь в прежнее состояние молекулярного сцепления, когда сила перестает действовать. Некоторые вещества при растяжении, ударе, изгибе или скручивании не ломаются, но и не возвращаются к своей первоначальной форме после прекращения действия силы: они податливы. Хрупкие или слишком мягкие вещества ломаются или рвутся при аналогичном напряжении.
Точка, в которой целостность вещества начинает нарушаться, означает начало деформации. Не обязательно, чтобы вещество деформировалось, разрываясь, ломаясь, раздавливаясь или раздвигаясь, чтобы оно находилось в состоянии деформации. Деформация может начаться задолго до того, как она проявится, и может носить кумулятивный характер. Такая скрытая деформация еще более опасна, чем явная, поскольку она не несет в себе никакого предупреждения.
Чтобы противостоять скрытому существованию деформации, которая может совпадать с напряжением, инженеры обеспечивают прочность конструкции, предоставляя материал или комбинацию материалов, расположенных таким образом, чтобы вместе они могли противостоять напряжению, в несколько раз большему, чем может возникнуть внутри них. При расчете напряжений, которым должна соответствовать такая конструкция, как высокое здание или мост, инженеры могут с достаточной точностью предсказать не только те, которые возникают под действием внешних сил тяжести, ветра, давления и колебаний от предметов, движущихся по конструкции, но и те, которые возникают в результате взаимных реакций между несколькими ее частями. Части конструкции должны уравновешивать друг друга, а также противостоять внешним силам, чтобы конструкция сохраняла свое равновесие.
НАПРЯЖЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ
Пока мы не можем с математической точностью предсказать, чего следует ожидать от противодействия сил, воздействующих на человеческое тело, а также степень стресса, который может возникнуть в нем. Ведь равновесие тела определяется не только физическими принципами статики и динамики, действующими в случае неживых структур, но и присущей живому веществу способностью к изменениям и адаптации, которой нет у неживого.
В человеческом теле тот факт, что действие и реакция всегда равны и противоположны, не всегда заметен, потому что тело способно противопоставить силе живую силу и принести из других частей новые запасы энергии к нуждающейся части; таким образом, вес может быть уравновешен энергией, а не только весом. Это усложняет проблему планирования стрессов и нагрузок, не меняя ее сути. Многолетний опыт преподавания показал, что фундаментальные принципы инженерии одинаково справедливы и для моста, и для небоскреба, и для человеческого механизма. Соблюдение инженерных принципов и их применение позволяет снизить телесные нагрузки и экономить человеческую энергию.