Предисловие редактора перевода ...,,,.............. 7
I. Введение....., . , ,.....,............... 21
II. Нелинейность при малых деформациях.............. 35
2.1. Введение.......................... 35
2.2. Нелинейная упругость против линейной в XVIII веке .... 39
2.3. Нелинейность зависимости между напряжением и деформацией для дерева при малых деформациях: Дюпен (1815) .... 41
2.4. Предшественники Дюпена в XVIII веке: Бюффон (1741), Дю-амель (1742)иГотэ(1774)................. 43
2.5. Детали экспериментов Дюпена с деревянными балками (1815) 46
2.6. Эксперименты по нелинейному поведению дерева, железа и камня и введение понятия микропластичности: Ходкинсон (1824— 1844)........................... 51
2.7. «Закон Герстнера» для стальной фортепианной струны (1824) . 62
2.8. Открытие ползучести металлов: Кориолис и Вика (1830—1834) 64
2.9. Открытие микродеформации: Л. Вика (1831)........ 65
2.Ю. Эксперименты по устойчивости остаточной деформации в железной проволоке: Леблан (1839)............. 70
2.11. О явлении, открытом Саваром (1837) и Массовом (1841) и известном в наше время под названием эффекта Портвена—Ле Шателье (1923)...................... 73
2.12. Первые эксперименты, связанные с термоупругостью: опыты Гафа (1805) и Вильгельма Вебера (1830); открытие Вебером упругого последействия (1835)............... 77
2.13. Большая деформация струн из кетгута: Кармарш (1841) ... 87
2.14. Эксперименты по упругости и прочности основных тканей человеческого тела: Вертгейм (1846—1847)........... 92
2.15. Дальнейшие экспериментальные исследования по упругости органических тканей: сравнение функций отклика для живы з
и мертвых образцов. Вундт (1858), Фолькман (1859) .... 101
2.16. «Отмена» закона Гука Британской Королевской комиссией
по железу в 1849 г.................... 109
2.17. Эксперименты по релаксации напряжений в стекле и латуни: исток нелинейной вязкоупругости. Кольрауш (1863) .... 114
2.18. Об изменении объема при пластических деформациях: опыты Баушингера (1879)..................... 124
2Л9. Исследования нелинейного кручения, включающие изучение влияния на намагничивание, проводившиеся с 1857 по 1881 г........................... 131
2.20. Уменьшение модулей с увеличением остаточной деформации: эксперименты Вертгейма (1844—1848), Кельвина (1865), Том-линсона (1881) и Фишера (1882) с металлами....... 137
v ^y J. IcUlivG мичпис л л1— 1 и у inv-ii I ciai jjii w- iiti\^tiii\j/j,v*i*iw ii*^i/iM4it~im\j-^. * i* j.j.~
таллов при инфинитезимальных деформациях: Джозеф Томпсон (1891)......................L147
2.23. Нелинейный закон Хартига: общая функция отклика в случае малых деформаций твердых тел (1893)........... 153
2.24. Закон Баха — Шюле (1897): переоткрытие параболической функции отклика Якова Бернулли (1695) и Ходкинсона (1824) 159
2.25. Эксперименты Грюнайзена (1906) с использованием интерферометра, установившие закон Хартига для инфинитезимальных деформаций металлов................... 166
2.26. О некоторых примерах независимого переоткрытия в XX веке
нелинейных явлений, впервые наблюдавшихся в XIX веке. . . 176
2.26а. Закон длз красок и лаков: Нельсон (1921)...... 178
2.266. Нелинейный закон Сэйра для малых деформаций стали
(1930)....................... 180
2.26в. Нелинейность, обнаруженная в экспериментах по растяжению сплавов меди: Смит (1940—1948)...... 183
2.26г. Исчерпывающее изучение одного из твердых тел в опытах с образцами, подверженными элементарным деформациям: анализ малых деформаций бериллиевой меди, выполненный Ричардсом (1952)............ 185
2.26д. Парабола Ходкинсона и дефект «упругости»: эксперименты Томаса и Авербаха (1959) и Билелло и Метцгера (1969) по микропластичности................ 194
2.26е. Сравнение функции отклика для волокна мышцы и всей
мышцы: эксперименты Зихеля (1935)......... 195
2.26ж. Нелинейная функция отклика для искусственного камня:
эксперименты Пауэрса (1938) . . .......• • • 1^7
2.26з. «Эффект последействия» в монокристаллах свинца:
Чалмерс (1935)..................; 199
2.26и. Уменьшение значения Е с увеличением микроостаточной деформации: эксперименты Лауриента и Понда с кристаллами алюминия (1956)................ 200
2.27. Некоторые современные исследования по нелинейности при инфинитезимальной деформации в кристаллических твердых телах.......................... 203
2.28. Новые проблемы, подлежащие критике при обзоре экспериментов, описанных в литературе за последнее десятилетие . 208
2.29. Резюме........................... 211
III. Малые деформации: линейная аппроксимация........... 214
3.1. Пионеры XVII века: Гук и Мариотт............ 214
3.2. Эксперименты до 1780 г.: Риккати, Мусшенбрук, Гравесанд, Кулон; введение Эйлером концепции модуля упругости . . . 219
3.3. Начало экспериментальной механики твердого тела как науки: изучение Кулоном кручения в 80-х гг. XVIII века..... 227
3.4. Первое определение значения модуля упругости, выполненное Кулоном, и его эксперименты по вязкости и пластичности (1784)........................... 233
3.5. Об определении значений констант упругости........ 241
3.6. Эксперименты Хладни по продольным колебаниям стержней (1787).......................... 245
3.7. Оценка фактов и мифов о модулях в лекциях Юнга по натуральной философии (1807).................. 249
3.8. Использование Жаном Био труб нового парижского водопровода для первого непосредственного измерения скорости звука в твердом теле (1809)................ 258
ОГЛАВЛЕНИЕ О
3.10. Исследование модулей упругости в течение трех десятилетий (1811—1841) до Вертгейма................. 278
3.11. Гийом Вертгейм: Фарадей без Максвелла.......... 290
3.12. Мемуар Вертгейма 1842 г.: значения Е для 15 элементов и первое изучение эффектов температуры окружающей среды, предварительной истории обработки образцов, уровня нагружения
и межатомного расстояния................. 293
3.13. Мемуар Вертгейма 1843 г.: первые эксперименты с двух- и трех-компонентными сплавами, включающие изучение влияния на модуль Е химического состава и скорости нагружения для
64 сплавов......................... 307
3.14. Мемуар Вертгейма 1844 г.: первое изучение зависимости значения модуля Е от напряженности электрического и магнитного полей......................... 312
3.15. Мемуары Вертгейма 1845—1846 гг. по упругости стекла, древесины и тканей человеческого тела ............ 318
3.16. Первые эксперименты Вертгейма по определению коэффициента Пуассона, доказавшие неприменимость атомистической теории Пуассона — Коши для описания напряженно-деформированного состояния кристаллических тел (1848)...... 325
3.17. Успех Вертгейма в первом определении частоты стоячих волн
в столбах жидкости (1848)................. 334
3.18. Вертгейм о колебаниях пластин и «глубоком тоне» колеблющих-
ся стержней........................ 337
3.19. Полемика Вертгейма с точки зрения XX века....... 341
3.20. Эксперименты Кирхгофа по непосредственному определению
коэффициента Пуассона (1859)............... 344
3.21. Эксперимент Корню (1869), в котором использовалась оптико-интерференционная техника для определения коэффициента Пуассона.......................- ' 349
3.22. Эксперименты Фохта по изучению изотропности стекла и определению для него значений модулей упругости (1882) .... 356
3.23. Определение отношения значений постоянных упругости по первой и второй частотам свободных колебаний пластины, выполненное Меркадье (1888)................. 360
3.24. Эксперименты Амага с использованием пьезометра (1884— 1889).......................... 362
3.25. Эксперименты Бока по изучению зависимости значения коэффициента Пуассона от уровня температуры (1894)..... 368
3.26. Исчерпывающее изучение Штраубелем эксперимента Корню по непосредственному определению коэффициента Пуассона (1899)................7.....! . . . 373
3.27. Эксперименты Грюнайзена по проверке теоретической зависимости между постоянными упругости для изотропного тела посредством независимого определения значений Е, ц и v . . 380
3.28. Повторение эксперимента Кирхгофа по определению значения коэффициента Пуассона, выполненное в середине
XX века......................... 386
3.29. Путаница, вызванная экспериментами Купфера (1848—1863) . 391
3.30. Метод Мэллока для квазистатического определения модуля объемной упругости.................... 399
3.31. Использование Грюнайзеном метода Мэллока для сравнения постоянных упругости изотропных твердых тел (1910) .... 400
3.32. Линейная аппроксимация и одномерное распространение олн: Вертгейм и Бреге (1851).................'_ 403
3.33. Эксперименты Экснера по распространению волн в ое не (1874).......................н. . . 406
3.34. Осевое соударение стержней в предположении линейности функции отклика: эксперименты Больцмана (1881 и последую-
Ui JiJ\DJlE.ntlC.
щие годы) и сопоставление их результатов с теорией Сен-Вена-
на (1867).......................... 411
3.35. Использование Хаузманингером (1884) методики Пуйе (1844) измерения продолжительности контакта при ударе в эксперименте Больцмана и в аналогичных экспериментах, выполнявшихся на протяжении полустолетия (1884—1936)...... 414
3.36. Первое использование электротензометрических датчиков сопротивления для изучения профилей волн в эксперименте Больцмана: Фаннинг и Бассетт (1940)........... 428
3.37. Использование Дэвисом (1948) техники электрической емкости
при определении перемещений во впервые выполненном сравнении профиля волны в стержне с предсказываемым на основе трехмерной теории Поххаммера для цилиндрических брусьев
(1876)........................... 431
3.38. Эксперименты по распространению волн малой амплитуды в металлических цилиндрах, выполнявшиеся в течение последних двух десятилетий: последовательность изменений в технике экспериментов и в интерпретации результатов ...... 437
3.39. Ультразвуковые методы определения постоянных упругости 452
3.40. Истории кратковременных нагружений........... 458
3.41. О зависимости постоянных упругости от температуры (1843—
1910)........................... 461
3.42. Сравнение значений температурных коэффициентов, получен-
ных на основе квазистатических эксперимента! и экспериментов с использованием ультразвуковых волн......... 482
3.43. Об исследованиях температурной зависимости постоянных уп-
ругости и декремента колебаний, выполненных после 1910 г. 487
3.44. Квантованное распределение значений модуля упругости при сдвиге при нулевой температуре по Кельвину для упругих изотропных тел и мультимодульность для данного изотропного твердого тела: Белл (1964—1968).............. 505
3.45. Анизотропия........................ 518
3.46. Термоупругость...................... 525
3.47. Вязкоупругость...................... 528
3.48. Резюме........................... 534
итература.............................. 537
1 переводе некоторых терминов: комментарии редактора перевода .... 565
римечания редактора перевода . . . , ,............... 567
менной указатель ,........................ 579
редметный указатель......................... 587
|; ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Книга, предлагаемая вниманию читателя, представляет собой перевод на русский язык одного из томов физической энциклопедии, издаваемой издательством «Шпрингер» (Encyclopedia of Physics. Chief Editor S. Fliigge, Volume Via/1, Mechanics of Solids I, Editor C. Truesdell, Springer-Verlag. Berlin —Heidelberg— New York, 1973. Подробнее о всей физической энциклопедии см. примечание ' редактора перевода на стр. 567). Этот том написан Джеймсом Фредериком Беллом—профессором Университета Джона Гопкинса (Балтимора, Мериленд, США). Внутреннее название книги, не помещенное на титульном листе оригинала,— «Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел»; именно оно принято для русского издания книги.
Книга представляет собой капитальный исторический обзор. К сожалению, в труде Дж. Белла практически не отражены достижения советской и дореволюционной отечественной школы механики деформируемых тел, что в значительной мере умаляет его ценность и не позволяет считать обзор достаточно полным. Тем не менее книга и в настоящем виде представляет значительный интерес и принесет несомненную пользу.
^На русском языке книга издается в двух частях (книгах). В первой книге помещены первые три главы: «Введение», «Нелинейность при малых деформациях» и «Малые деформации (линейная аппроксимация)». Вторая книга содержит в себе последнюю — четвертую главу «Конечные деформации». Список литературных источников, именной и предметный указатели даются в каждой книге отдельно. Вся книга посвящена экспериментам, проводившимся исследователями для изучения физической (главным образом в механическом аспекте) природы твердых тел и фактически создавшим фундамент для построения определяющих уравнений во всех ветвях механики твердых деформируемых тел, обладающих свойствами упругости, или пластичности, или вязкости, или, наконец, любой комбинацией этих свойств. При этом затронуты и вопросы взаимодействия полей механической природы (деформаций, напряжений) с температурным и электромагнитным полями.
Хорошо известно, что механика твердого деформируемого тела имеет в своей основе три системы уравнений, позволяющие решать
ее проблемы — уравнения равновесия (движения — в динамической задаче), уравнения совместности деформаций и физические, или, как их называют иначе, определяющие уравнения.
Если уравнения совместности деформаций, имеющие чисто геометрический характер, могут быть составлены с любой степенью точности чисто аналитически, минуя эксперимент, а уравнения равновесия, опирающиеся на общие для всех тел и хорошо известные давно установленные экспериментальные факты, не нуждаются в опытной проверке, то последняя система — система определяющих уравнений — может быть составлена лишь на основании эксперимента, выясняющего характер сопротивления каждого тела внешним воздействиям. Поэтому мера достоверности теории полностью зависит от идейной полноценности и точности эксперимента, положенного в ее основу, и от адекватного отображения результатов этого эксперимента в математическом аппарате теории через определяющие уравнения. Отмеченным фактом обусловлено фундаментальное значение для всей механики твердого деформируемого тела тех экспериментов, которым посвящена настоящая книга.
В книге описаны и критически проанализированы с позиций начала семидесятых годов нашего века все экспериментальные исследования, в которых были обнаружены ранее неизвестные явления, установлены новые качественные и количественные зависимости параметров, определяющих напряженно-деформированное состояние тел, в общем случае'изменяющееся во времени, от различных факторов (температура окружающей среды, скорость нагружения, тип силового воздействия, напряженность электрического поля и т. п.) с учетом термомеханической предыстории испытываемого образца. Иными словами, в книге рассмотрены экспериментальные исследования, явившиеся истоком создания той или иной ветви теории в механике твердого деформируемого тела или поворотным пунктом в ее истории. В этом автор справедливо усматривает основную цель экспериментальной механики как науки. По-видимому, никогда не возникнет такая ситуация, при которой в эксперименте не будет нужды по той причине, что все необходимое для построения теории станет известно. Появляются новые материалы, новые способы механической, термической и химической их обработки, возникают новые режимы их работы, возникают принципиально новые средства для более глубокого проникновения в природу материи и явлений, происходящих в ней. Теории, будучи созданы на основе эксперимента, в свою очередь ставят новые задачи перед экспериментальной наукой. Все эти факторы увеличивают потребность в дальнейших экспериментальных исследованиях материалов в образцах.
Другая цель экспериментальной механики, состоящая в определении полей деформаций (напряжений) в деталях и конструкциях сложной формы, когда теория зачастую может дать лишь качественные результаты, в книге не обсуждается.
Книга Дж. Белла утверждает представления об экспериментальной механике как о ветви науки, вполне равноправной с ветвью, использующей теоретический метод. Экспериментальная механика имеет даже приоритет, поскольку именно в эксперименте исследователь осуществляет непосредственный контакт с природой, позволяющий и создать фундамент для построения теории, и произвести оценку достоверности результатов, получаемых на ее основе.
Автор убедительно показал, что экспериментальная механика — это не придаток к механике, изучающей объект средствами теории, а один из важнейших самостоятельных разделов науки, имеющий свои цели, свои задачи, свои предмет и метод; раздел, исследующий свойства тел и явления, происходящие в них, в непосредственном контакте с объективным миром, отрыв от которого выхолащивает теорию и делает недостоверными результаты.
В книге отчетливо показана связь экспериментальной механики с физикой в широком смысле слова, с химией и технологией материалов.
Книга Дж. Белла помогает экспериментатору создать мировоззрение в той области науки, в которой он работает, и воспитать на ярких примерах правильное понимание роли истории науки, имеющей большое значение в современных исследованиях, поскольку она позволяет избежать ошибок прошлого, дает возможность не потерять результаты, полученные ранее, и на основе сопоставления фактов в исторической последовательности их открытия производить экстраполяцию, т. е. осуществлять прогнозирование.
Содержание книги охватывает трехсотлетний период, начинающийся со времени практически самых ранних зафиксированных в научной литературе экспериментальных исследований материалов (имеются в виду опыты Р. Гука и первая — посвященная им — его работа 1678 г.) и кончающийся 1972 годом, т. е. годом завершения работы автора над книгой.
При этом дается обстоятельный анализ всех наиболее существенных исследований, выполненных за этот период.
В области механики твердого деформируемого тела настоящую книгу по широте охвата материала и по глубине анализа можно сравнить лишь со знаменитым критическим обзором И. Тодхантера и К. Пирсона (A History of the Theory of Elasticity and of the Strength fo Materials from Galilei to present Time by the late Isaac Todhunter D. Sc.F.R.S. edited and completed for the syndics of the University Press by KarJ Pearson M. A. professor of Applied Mathematics, University College, London, Vol. I. Galilei to Saint-Venant (1639—1850). Cambridge: At the University Press, 1886 (XVI, 924+12) стр. Vol. II. Saint-Venant to lord Kelvin, Part I (XVI, 762) стр., Part II, 1893 (546+12) стр. Подробнее см. примечание 2 редактора перевода). Однако если произведение этих авторов было посвящено главным образом теоретическим работам и лишь в небольшой мере — экспериментальным, то в книге Белла анализируются лишь ЭКГ.ПРПИМРН-
Цена: 250руб.
