3.3 Математизация, эксперименты и научные исследования в статических задачах на растяжение, сжатие, изгиб, кручение и другие

По такому же пути, как и Кулон, шли многие исследователи прочности материалов. Они сперва теоретически, с помощью математических выкладок, находили как изменится сопротивление детали растяжению, изгибу или скручиванию в зависимости от ее форм, а путем опыта определяли сопротивление образцов с поперечным сечением, равным единице площади.

Для исследования прочности образцов материала были изобретены специальные машины, устраивались лаборатории, в которых производились многолетние опыты и наблюдения. Металлические стерженьки подвергались на изобретенных для этой цели станках растяжению, сжатию, изгибу и скручиванию.

Оказалось, что все эти деформации также происходят по закону Гука, то есть величина их пропорциональна нагрузке. После снятия же нагрузки растянутые проволоки принимали прежнюю длину, изогнутые пластинки выпрямлялись, скрученные стерженьки снова возвращались в прежнее состояние.

В этом и заключается свойство упругости тел. Сохраняют ли металлы способность оказывать сопротивление при любых усилиях? Всегда ли справедлив закон Гука? Что произойдет с деталью при постоянно увеличивающихся нагрузках?

Это были загадки, от разрешения которых зависело будущее машиностроения.

Инженеры буквально заваливали лаборатории образцами. Лаборанты дни и ночи проводили у станков, изгибая, растягивая, скручивая образцы металлов. Увеличивая нагрузки, ускоряя обороты машин, они стали свидетелями удивительного, загадочного поведения металлических стерженьков и пластинок. Оказалось, что металл сохраняет упругость только до тех пор, пока нагрузка не достигнет определенной величины. Когда же этот предел превзойден, то удлинение проволоки растет быстрее, чем нагрузка. При удалении нагрузки проволока не вполне возвращается к прежней длине - часть удлинения остается, как это происходит с растягиваемой восковой свечкой.

Значит, железо наряду с упругой деформацией испытывает уже пластическую деформацию.

Если еще увеличивать нагрузку, то проволока будет удлиняться все быстрее и, наконец, растянется, как тесто. В таких случаях говорят: металл “потек”, хотя он при этом остается твердым.

"Течение" быстро прекращается. Металл опять приобретает прочность. Чтобы проволока снова начала удлиняться, нужно еще увеличивать нагрузку. Но вскоре, в каком-нибудь месте проволока становится все тоньше, слышится сухой треск и она разрывается.

Что же происходит при этом внутри металла? Это оставалось загадкой, связанной с тайной внутреннего строения вещества. Инженеры и ученые долго не могли разгадать ее. Они на опыте устанавливали предел упругости, определяли прочность деталей машин и балок. Поперечные размеры деталей брались с таким запасом прочности, чтобы нагрузка была в несколько раз меньше предела упругости.

Оказалось, что стержни не одинаково сопротивляются различным нагрузкам: самым опасным для них является поперечный изгиб, тогда как усилия, направленные вдоль оси, они переносят легко. Именно поперечный изгиб ограничивал ширину пролета, перекрываемого балкой. При большом пролете приходилось брать все более толстые балки, что сильно удорожало перекрытия и мосты.

И вот явилась мысль: нельзя ли избавиться от изгибающих усилий, вместо того чтобы увеличивать толщину балок?

Выводы Галилея и Гука были многократно проверены и уточнены. Учеными разных поколений в них был вложен более точный смысл.

Настоятель монастыря Сен-Мартенсубон Мариотт, войдя в состав новой Французской академии, пришел к выводу, что теория Галилея дает преувеличенные результаты для разрушающей нагрузки. Подряженный проектировать трубопроводы для Версальского дворца, Мариотт был вынужден перепроверить эксперименты Галилея, приняв во внимание упругую деформацию Гука.

Множество ученых внесли свой вклад в решение теории прочности сооружений и среди них Эйлер, петербургские Бернулли и другие, движимые сначала научной любознательностью, позже — требованиями военной и строительной техники. К началу XIX века все сравнительно простые задачи прочности сооружений были решены, жизнь выдвигала все более и более сложные, их подхватывали новые и новые теоретики.

В распоряжении конструкторов и строителей XIX века были уже возможности теоретически решать простейшие проблемы, теоретически предсказывать поведение устройств в тех или иных условиях.

В сопротивлении материалов опыт и теория тесно переплетаются друг с другом; наука эта является одновременно теоретической и опытной. Все теоретические предположения и выводы проверяются практикой, и только после подтверждения их правильности они принимаются для использования. Опыт приходит на помощь теории и в том случае, когда теория не может разрешить вопроса вследствие его чрезмерной сложности.

Многие ученые своими работами содействовали развитию науки о сопротивлении материалов. Русский народ выдвинул крупнейших ученых и инженеров, исследования которых явились большим вкладом в науку сопротивления материалов.