Все сложные деформации, то есть изменения первоначальной формы и размеров различных деталей, можно свести к некоторым простейшим видам деформаций.

Проделаем несколько опытов, которые помогут нам познакомиться с этими деформациями.

Сила в этом случае действует на деталь наружу, стремясь растянуть и разорвать ее. Например, когда вы едете в трамвае и держитесь за подвешенную ручку, она испытывает растяжение.

Палочка из пластилина, изображающая в нашем опыте балку с круглым сечением, при растяжении начинает утончаться и затем в наиболее тонком месте разрывается.

При сжатии сила направлена внутрь тела. Она стремится сдавить, смять его. Кубик, сделанный из пластилина, не выдержав чрезмерной нагрузки, расплющивается.

Когда действуют силы, стремящиеся переместить в разные стороны соседние участки тела, происходит деформация, называемая срезыванием или скалыванием.

Соедините заклепкой из пластилина или хлебного мякиша две линейки или дощечки с одинаковыми круглыми отверстиями. Затем сдвиньте линейки в разные стороны, и вы увидите, что пластилиновая заклепка срезана в том месте, где линейки соприкасались друг с другом.

Эта деформация может возникнуть у так называемых балок — деталей, имеющих длину значительно большую, чем их сечение. Сила в этом случае действует перпендикулярно к продольной оси балки.

Спичка в наших опытах будет миниатюрной балкой. Укрепленная на двух опорах, она при нажатии на ее середину ломается в месте нажима.

Спичка, закрепленная у одного своего конца, под действием силы ломается в месте крепления.

Излом происходит всегда в том месте, где больше так называемый изгибающий момент — произведение силы на плечо (расстояние от точки приложения силы до места крепления балки).

При продольном изгибе сила действует вдоль оси балки, как и при сжатии.

Эту деформацию можно проследить, например, нажимая на линейку, поставленную вертикально. Пока сила незначительна, линейка выдерживает сжатие, а затем теряет устойчивость, сразу выгибается и может сломаться.

Валы во время работы и болты, когда затягивают на них гайки, испытывают скручивающее усилие. Силы, вращающие детали, стремятся повернуть одно поперечное сечение относительно другого в параллельной плоскости.

Зажмите один конец пластилинового валика и вращайте его за другой. Вы убедитесь, что частицы валика, стремясь передвинуться под действием вращающей силы, не выдерживают дальнейшего перенапряжения, отрываются друг от друга, и валик ломается.

Когда конструируют машины, всегда учитывают, как направлены силы, действующие на их отдельные детали. Высчитывают величину этих сил и берут детали таких размеров, чтобы они могли выдержать все приложенные к ним нагрузки.

На первый взгляд кажется странным, как это металл может вдруг устать. Но на самом деле это слово очень метко выражает то, что происходит с некоторыми деталями машин. Они во время работы подвергаются либо быстрой смене сжатия и растяжения, либо быстрым изгибам в разные стороны.

Вам часто приходилось, не имея под рукой нужных инструментов, ломать проволоку или забитый наполовину гвоздь, быстро сгибая их то в одну, то в другую сторону.

Выражаясь техническим языком, вы подвергали проволоку или гвоздь знакопеременной нагрузке, если считать, что сгибание в одну сторону — это «плюс», а сгибание в другую сторону — «минус».

Частицы металла в месте, наиболее подвергающемся такой быстрой смене нагрузок, расходятся, образуются «усталостные трещины», и затем происходит полное разрушение — разрыв.

В месте излома даже невооруженным глазом хорошо видно, что поверхность неровная, зернистая, видны крупинки металла.

Конструкторы хорошо знают, что металл может «уставать», и при конструировании машин либо стараются избежать таких знакопеременных нагрузок, либо, когда избежать этого никак нельзя, делают детали повышенной прочности.

Не всегда прочность зависит только от материала и его размеров.

Конечно, толстую палку труднее сломать, чем тонкую, но есть еще одна причина, влияющая на прочность, — это форма. От формы деталей или сооружений часто зависит их прочность.

Сейчас на опытах мы рассмотрим случаи, когда сами по себе непрочные материалы становятся очень прочными, если им придать нужную форму.

Вырежьте из писчей бумаги две полоски длиной 15 и шириной 3 сантиметра и положите их рядом на две книги, лежащие на расстоянии примерно 10 сантиметров друг от друга.

Середины бумажных полосок прогнутся от собственной тяжести. А уж о том, чтобы положить на них какой-нибудь груз, например коробку спичек, и говорить не приходится. Но стоит согнуть эти полоски по их длине пополам, как они сразу приобретут жесткость. Положите их рядом уголком вверх на те же книги. Теперь на них можно класть коробку спичек, и они почти не прогнутся.

Оказывается, прочность на изгиб зависит не только от самого материала, но и от формы, которую придали этому материалу.

Строя какое-либо сооружение, например мост, можно взять заведомо прочные стальные балки толщиной с бревно. Такие стальные «бревна», конечно, способны выдержать очень большие нагрузки. Но ведь это будет неразумная трата материала. И материал будет стоить дорого, и работать с такими массивными стальными балками трудно.

Поэтому творческая мысль конструкторов пошла по другому пути. Балкам стали придавать такую форму сечения, при которой они были бы и легкими и прочными.

Стальные балки в настоящее время изготовляют самых разнообразных сечений; или, как говорят, профилей. Существуют балки с сечением, имеющим форму уголка.

Строители их так и называют «уголки». Сечение тавровых балок похоже на букву «Т». У двутавровых балок сечение напоминает ту же букву «Т», но с дополнительной перекладиной внизу. Она в результате этого больше похожа на очень широкую букву «Н», но уж так повелось называть ее «двутавром». Существуют еще и другие виды профилей, и в зависимости от их сечения они применяются в тех или других случаях.

Из профильной стали строят каркасы заводов и домов, мосты, основания водонапорных башен, опоры для линий электропередач и т. п.

Да и в быту необходимо иметь легкие и прочные конструкции. Ну, возьмем, например, обыкновенный зонтик. У него прочные легкие спицы, удерживающие зонт в раскрытом виде. А посмотрите на их сечение, и вы увидите, что оно имеет U-образную форму. Этой форме спицы обязаны своей легкостью и прочностью.

Рассмотрим еще случаи, когда непрочное становится прочным.

Песок и бумага в своем обыкновенном виде очень непрочные материалы. Песок рассыпается, бумага рвется. Но если склеить из бумаги в два слоя цилиндр и насыпать в него сухой песок, то получится довольно крепкий столбик, способный выдержать значительное давление. Давление на песок распределяется равномерно по стенкам цилиндра. Этот принцип используется иногда и в строительстве.

Материал, из которого сделана коробка спичек, — хрупкая, тонкая деревянная пластинка. А в склеенном виде спичечная коробка способна выдержать большую нагрузку.

Поставьте вертикально четыре пустые спичечные коробки, оставив только их наружную часть. На них положите небольшую доску так, чтобы она своими углами опиралась на все стоящие коробки. На эту доску можно поставить четырехлетнего ребенка — подставка выдержит. Оказывается, спичечная коробка способна выдержать на себе нагрузку в две тысячи раз большую, чем ее собственный вес.