Скорость приложения нагрузки

Реакция снаряжения на скорость приложения нагрузки - еще один очень не очевидный момент, мало кем правильно понимаемый - это. Несколько разгрузив от математики, приведу цитату о понятии ударной прочности из книги Дж. Гордона "Почему мы не проваливаемся сквозь пол"[5], посвященной упругости и разрушению материалов и конструкций:

"Здесь уместно... поговорить о некоторых особых эффектах, которые возникают при динамических, ударных нагрузках. Сначала напомним, что максимальная скорость, с которой может передаваться нагрузка через любое вещество, равна скорости звука в этом веществе. В самом деле, звук можно представить себе как волну или серию волн напряжений, проходящих через среду с характерной скоростью.

Скорость звука в ... материалах будет очень большой. Для стали, алюминия и стекла она составит около 18000-20000 км/час (~5000 м/сек), что значительно превышает скорость звука в воздухе. Это также намного больше скорости удара молотка и значительно больше скорости полета пули.

Время, в течение которого молоток или пуля действуют с какой-то силой на твердое тело, составляет около сотой доли секунды. А это очень долгое время: фотолюбители знают, как много всего может совершиться за одну сотую. Точно так же и в нашем случае сотая доля секунды намного больше времени, потребного для отвода энергии от точки удара. От этой точки при ударе излучается целая серия волн напряжений, которые распространяются по всему объему тела. Очень быстро, за время, скажем, около нескольких десятитысячных или стотысячных долей секунды, эти волны достигают противоположных границ тела и отражаются от них подобно эху, лишь очень немного уменьшаясь в интенсивности. Дальнейший ход событий определяется многими факторами, в том числе формой тела, местом удара и т.д. Очень может статься, что отраженные волны напряжений постоянно будут встречать в некоторой критической или “несчастливой” точке прямые волны, идущие от места удара, и это нагромождение вызовет прогрессирующий рост напряжения в этой точке вплоть до разрушения. Рассказы о певцах, от голоса которых вылетали стекла в окнах, не так уж и фантастичны.

Можно привести интересные примеры поведения твердых тел под ударной нагрузкой. Например, при исследовании керамик повседневно проводятся ударные испытания керамических пластинок - свободно опертая квадратная пластинка подвергается удару заданной силы по центру верхней поверхности. Во многих случаях пластинка разрушается не в точке удара. Часто случается, что отваливаются четыре угла пластинки, потому что волны напряжений сталкиваются именно в углах.

Иногда случается, что, попав в броню, снаряд не пробивает ее, но от внутренней поверхности броневой плиты отлетает рваный кусок металла, осколок. Скорость и энергия этого осколка могут быть огромными, и разрушения, причиненные им внутри, например, танковой башни, оказываются такими же, как если бы снаряд действительно пробил броню.

Подобным же образом, когда снаряд или пуля попадает в бак с жидкостью, например в топливный бак самолета, выходное отверстие получается намного большим, и заделать его значительно труднее - ударные волны легко распространяются через жидкость и вырывают кусок в задней части бака. Голова человека конструктивно напоминает бак с жидкостью, и последствия попадания пули в нее, к сожалению, слишком хорошо известны.

Менее известно, однако, что аналогичные события могут последовать за тупым ударом в лоб. При проектировании защитных касок заботятся о том, как погасить ударную волну и предохранить затылок при лобовом ударе. Этой цели и служит внутренняя лента в каске, которая на первый взгляд кажется необходимой лишь для вентиляции".

Так распространяются напряжениях в снаряжении из твердых материалов - металлическом. В нежестких эластичных конструкциях вроде веревки и тканых лент ситуация несколько иная в силу их значительной неоднородности и особенностей расположения составляющих нитей и волокон. При медленно прикладываемой нагрузке волокна и нити успевают перераспределиться внутри конструкции, постепенно смещаясь друг относительно друга и вытягиваясь, за счет чего достигается значительное растяжение (деформация) при данной величине нагрузки. При этом большинство волокон деформируется равномерно.

Но если ту же нагрузку приложить со много большей скоростью, конструкция веревки и особенно ленты не успеет среагировать. За счет внутреннего трения между нитями и волокнами и за счет инерции часть из них будет деформироваться больше, чем другие и подойдет к разрушению раньше. В целом веревка или лента не даст такого же растяжения, став как бы менее эластичной. И в итоге такого неравномерного распределения напряжений между волокнами разрушение всей конструкции произойдет раньше. Как в той старинной притче о том, что 100 прутиков переломать по одному легко, а весь пучок одновременно - сил не хватит.

Стендовые испытания снаряжения с разными скоростями приложения нагрузки наглядно это иллюстрируют. Особенно это явление заметно на примере текстильных (то есть изготовленных тканым способом) лент и строп, из которых изготавливают много видов вертикального снаряжения (см. мою работу "Автоматическая страховка в горах и пещерах", 2006 год)[6].

Если при подвешивании груза (статическая нагрузка) на слинг (sling - кольцо из ленты, но может быть и из шнура) последний растянется на некоторую величину, это вовсе не значит, что при воздействии пиковой динамической нагрузки той же величины тот же самый слинг получит такое же суммарное удлинение. Испытания показывают, что чем выше скорость приложения нагрузки, тем меньше удлинение, то есть тем меньше способность снаряжения амортизировать энергию падения - как раз в ситуации, когда от него это больше всего требуется!

Изготовление текстильным способом изделий из высокопрочных, но ничтожно удлиняемых материалов - синтетические ленты из арамидного волокна (кевлар, дайнима, спектра), порождает смертельно опасный результат: сверхвысокие нагрузки при остановке падения, которые могут легко превысить самые высокие прочностные показатели. Даже при очень небольших падениях! Читайте статью Дюан Роли (Duane Raleigh)[7] - там прекрасно все описано! Впрочем, ниже я цитирую выдержки из нее.

Этим же объясняется разница в нагрузках, при которых эксцентриковые зажимы рвут оплетку веревок. При статических тестах разрушение оплетки происходит при более высоких нагрузках, чем при динамических испытаниях (см. инструкцию к "Petzl Ascension" и Рис.22 в предыдущей части работы[8])