Путь одной проблемы Часть 1

Путь одной проблемы Часть 1

Автомагистрали

Быстро растет 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 решенная 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.

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 колес с поверхностью дороги. А без достаточного сцепления езда становится ненадежной: машину заносит на поворотах, она перестает слушаться тормозов и т. д. При очень больших скоростях даже ничтожные неровности дороги могут сделать машину неуправляемой.

Возьмем 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 V²/R. Как видно, центробежное ускорение растет пропорционально квадрату скорости, т. е. если скорость увеличится в 3, в 4 раза, то центробежное ускорение возрастет в 9, в 16 раз и т.д..

Если центробежное ускорение сделается равным ускорению силы тяжести, 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 V²/R = g/2 (g, как известно из механики, равняется 9,8 м/сек²). Отсюда можно найти значение R, т. е. определить, какая выпуклость является предельно допустимой для той или иной скорости. Получается R = 2V²/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 = 2×28²/9,8 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 ее 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 расчет, даже самые ничтожные неровности дороги могут сделать скоростное движение ненадежным.

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 ее 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 расчете 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. Расчет ее прочности, с первого взгляда, куда проще, чем расчет прочности какой-либо детали мотора или самолета. 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 расчете покрытия автострад.

Познакомимся вкратце с одним из методов расчета, при помощи которого определяют, как распространяются давления в слоях асфальта, бетона и грунта. Этот расчет осуществляется довольно неожиданным способом. Чтобы понять его сущность, вспомним законы распространения света. Когда свет распространяется в какой-либо однородной среде, он идет точно по прямой линии. Если же свет переходит из одной среды в другую, то происходит так называемое преломление. Это значит, что свет меняет свое 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.

Вернемся теперь к автострадам. Колесо, катящееся по поверхности асфальта, вызывает волну напряжений и деформаций. Эта волна идет 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 свое 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 расчете напряжений в грунте асфальт и бетон можно заменять слоем однородного грунта с увеличенной толщиной.

Этот прием значительно упрощает расчеты и позволяет сравнительно просто определить, какой слой асфальта и бетона должен быть применен 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 приемов. Вот этот подвергающийся деформации слой грунта и должен быть заменен при подсчетах соответствующим слоем асфальта и бетона.

Мы познакомились в самых общих чертах с некоторыми проблемами, которые возникают при строительстве современных усовершенствованных дорог. Но невольно хочется заглянуть в будущее. Какие изменения принесет оно в области автомобильных магистралей? Здесь есть много интересного, о чем можно подумать и поговорить.

Возьмем 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 рулем, следить за всеми поворотами и «вписываться» в направление дороги. Это требует напряженного внимания. Малейшая ошибка может при больших скоростях привести к тяжелой аварии. Нельзя ли избавить водителя машины от этой тяжелой 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.

источник: проф. Г. Покровский «Путь одной проблемы» «Tехника-молодежи» 1939-04