Ничто не вечно?

Ничто не вечно?

На пороге XXI века: Интервью с ленинградскими академиками

Японский рудовоз-гигант «Калифорния Мару» 22 ноября 1970 года принял в Лос-Анджелесе 60 тысяч тонн железного концентрата и направился к берегам Японии. Плавание долгое время проходило спокойно. Но вот ] однажды в море разыгрался сильнейший шторм. Высота волн достигала 15 метров. Черные тучи проносились над судном, задевая за мачты. В ночь на 10 февраля уже в 225 милях от Токийского залива на судне почувствовали толчок и услышали ! треск. Это разрушилась обшивка в районе балластного танка. Вода стала быстро наполнять танк, а затем и смежные трюмы. Вскоре судно, а вместе с ним и пять членов экипажа затонули...

«Калифорния Мару» была построена в 1965 году одной из лучших японских фирм. Что же послужило причиной ее гибели? Трещина, обшивку внезапно прорезала трещина...

27 марта 1966 года норвежское судно «Бретань» направлялось из Осло в Амстердам. Волны наносили ему один удар за другим, и наружная обшивка кормы не выдержала... Когда судно находилось всего в 14 милях от голландского порта Эймедбен, воды накопилось столько, что | крен составлял уже более 20 градусов. Вызванное спасательное судно ничем помочь не смогло...

20 января 1905 года через Египетский мост в Петербурге двигался эскадрон гвардейской кавалерии. Лица солдат были хмурыми и усталыми, и лишь лошади, натренированные парадами и походами, бодро и ритмично били копытами. Вдруг мост задрожал, заскрипел, закачался и с грохотом в минуту обрушился. Лед проломился, люди и лошади оказались в воде. К счастью, было неглубоко, и вскоре все они, замерзшие, выбрались на берег.

Через несколько дней специальная комиссия установила причины аварии, j В металле одного из звеньев цепи, поддерживавшей колонну моста, был обнаружен дефект— внутренняя трещина...

В 1984 году при посадке пассажирского самолета «Бо-пнг-747» в аэропорту небольшого японского города случилось непоправимое. Самолет, не долетев до посадочной полосы, на глазах у встречающих развалился на части, рассыпался, как игрушечный. Погибли 500 человек.

Расследование выявило трещину в хвостовой части самолета, как говорят специалисты, усталостную, появившуюся в результате долгой эксплуатации. Хвостовая часть, наконец, оторвалась, и самолет разрушился прямо в воздухе.

Опять эта предательская трещина... Что же такое разрушение? И что такое прочность? Как ее рассчитывать и как предвидеть разрушение? Катастрофы судов и машин, самолетов и ракет, вызванные внезапным распространением трещин, говорят о несовершенстве традиционных методов расчетов и о необходимости иного подхода как к механике разрушения, так и к проблеме прочности.

Именно этой крупной научной теме — выяснению физической природы прочности — посвятил всю свою жизнь ленинградский ученый, Герой Социалистического Труда, академик Серафим Николаевич Журков. Основатель и руководитель лаборатории физики прочности в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе АН СССР, с чьим именем связаны и те новаторские идеи, радикальные сдвиги, которые определили успешное развитие науки о прочности в последние десятилетия. Главный редактор самого «толстого» академического журнала «Физика твердого тела», Серафим Николаевич в течение многих лет являлся вице-президентом Международного конгресса по разрушению.

В его кабинете уютно, светло, много зелени, но внимание гостей всегда привлекает массивное кресло в углу У окна. Кожа на его сиденье основательно потрескалась, стерлась — много десятилетий служит оно, со времен Абрама Федоровича Иоффе,— это «его» кресло, чем и дорого хозяину кабинета, ученику прославленного ученого.

Серафим Николаевич пришел в Физико-технический вуз как раз тогда, когда его организатор и первый директор Абрам Федорович Иоффе собрал в стенах института целую плеяду молодых талантливых исследователей, составивших впоследствии славу советской физики. Это Игорь Васильевич Курчатов, Анатолий Петрович Александров, Борис Павлович Константинов, Яков Борисович Зельдович, Юлий Борисович Харитон, Исаак Константинович Кикоин, Владимир Максимович Тучкевич...

Более восьмидесяти академиков и членов-корреспондентов дала отечественной науке школа Иоффе. Среди ее питомцев и академик Серафим Николаевич Журков. Теперь у него самого десятки учеников, у них — свои ученики, и этой цепочке нет конца, этот источник не оскудевает, переходя из поколения в поколение, сквозь годы и десятилетия...

— Серафим Николаевич, наука о прочности твердых тел относится к одной из самых древних в истории человеческих знаний. И вот на наших глазах она буквально пережила «вторую молодость». Чем, на ваш взгляду это вызвано?

— Да, проблема прочности сопровождает человечество на воем его пути, и нет, пожалуй, никого, кто так или иначе не сталкивался бы с ней. Естественно, что и в глубокой древности, когда люди начали создавать различные орудия труда, охоты и войны, они заботились о прочности всего того, что изготовляли. И долгое время знания о прочности и разрушении материалов передавались из поколения в поколение, как секреты мастерства, относились скорее к области искусства, с которым мы знакомы по великолепным архитектурным ансамблям, удивляющим нас и поныне.

Тем не менее истинная природа прочности этого, казалось бы, хорошо известного свойства еще и сегодня выяснена далеко не полностью. С развитием научно-технической революции внимание к проблеме возрастает, а новейшие достижения и потребности техники еще больше подняли актуальность ее разработки.

Действительно, уже для авиации стали необходимы не только легкие, но и прочные сплавы. В эпоху же космической техники потребность в материалах с супервысо-кой удельной прочностью обострилась, как никогда. Ведь каждый килограмм веса, выводимого на орбиту, требует многих килограммов ракетного топлива. Поэтому, тольк» обеспечив большую мощность ракет-носителей и высокую прочность материалов в космических аппаратах, можно решить задачу надежной работы конструкций и людей на орбите.

Борьба за прочность имеет и огромное экономическое значение. Например, в масштабах нашей страны даже небольшое увеличение прочностных свойств материалов ведет к экономии миллионов тонн металлов, бетона, пластмасс. А ведь это как раз одна из важнейших народнохозяйственных задач. Так что древнейшая по возрасту проблема прочности остается более чем животрепещущей н в наши дни.

Интересно и еще одно обстоятельство. В своем прошлом и настоящем эта наука пережила любопытные поворотные моменты. Они были столь значительны и неожиданны, что временами как бы опрокидывались прежние представления и разработки в области прочности. И вся эта «драма идей», как говорил когда-то Альберт Эйнштейн, разворачивалась, можно сказать, на моих глазах, потому что начиная с 20-х годов нашего столетия ведущее положение в развитии физики прочности занял Ленинградский физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе Академии наук СССР. В его стены я пришел сразу после окончания физико-математического факультета Воронежского государственного университета, здесь и работаю уже более 55 лет.

— Интересно было бы подробнее узнать об этой «драме идей»...

— Наука о прочности, по-видимому, зародилась тогда, когда впервые был осмыслен факт: всякий материал сопротивляется деформированию и разрушению. Основоположником же этой науки по праву считается Галилей. Испытывая на разрыв деревянные брусья, он установил, что разрушающая нагрузка не зависит от длины бруса и прямо пропорциональна площади его поперечного сечения. Кстати, этот несколько видоизмененный результат используется и сейчас при инженерных расчетах на прочность.

Первый этап в развитии этой науки связан с именами Галилея, Гука, Лагранжа, Юнга, многих других ученых. В XVIII веке блестящее развитие получила математическая механика, описывающая деформационное поведение твердых тел под нагрузкой. Вспомним хотя бы еще со школьной скамьи знакомый закон Гука: большей относительной упругой деформации соответствует большее напряжение, испытываемое образцом. Он знаменовал собой один из важнейших этапов развития науки о прочности.

Но вплоть до начала XX века в разработках теории механических свойств твердые тела рассматривались как сплошные среды — упругие или вязко-упругие. Причем значения соответствующих коэффициентов упругости или вязкости брались чисто эмпирически, без физического обоснования.

Что касается разрушения, то само это явление представлялось механикам как некое неожиданное, критическое событие. Действительно, образец, казалось бы, имеет возможность еще деформироваться, все коэффициенты допускают это, а он «вдруг» разрывается. Поэтому пришлось вводить эмпирически оправданные, но ни логически, ни физически не обоснованные теории «предельных состояний».

Этими проблемами вслед за Галилеем занимались многие крупнейшие ученые — Лейбниц, Мариотт, Кулон... Но в различных теориях провозглашалась, по сути, одна идея: для каждого материала существуют (почему-то?) предельные значения тех или иных напряжений или же деформаций, стоит превысить их — и тело распадается на части.

С тех пор понятие «предел прочности» широко вошло в научный и инженерный обиход. Оно сохранилось и до наших дней. А то, что «предел прочности» для каждого конкретного материала мог значительно меняться в зависимости, скажем, от обработки — обжига, закалки, изменения состава примесей, от температуры, от скорости или длительности воздействия нагрузки,— все это, конечно, вызывало вопросы, однако ответы на них были получены спустя многие десятилетия.

— Почему так надолго отложились эти поиски?

— Потому, в первую очередь, что механики долго обходили представления об атомности строения вещества, которые еще со времен Демокрита через идеи передовых естествоиспытателей постепенно все же проникали в научное мировоззрение. И, наконец, возьмем само явление разрыва. Оно рассматривалось, напомню, как критический акт, а не как процесс, иными словами, было лишено физического смысла.

Итак, что же мы имели в области прочности к началу XX века? Имели неплохую инженерную основу для расчета надежности конструкций из известных материалов. Но добытые многими поколениями ученых знания, увы, не могли составить научную основу для дальнейшего повышения прочности. Не говоря уже о возможности прогнозировать поведение материалов непосредственно в условиях эксплуатации, которые к тому же все больше усложнялись.

Разумеется, ученые, инженеры бились над повышением прочности материалов — составляли новые сплавы, разрабатывали различные режимы ковки, закалки, но эти поиски велись на ощупь, сугубо эмпирически. Не было опоры. А на что можно опираться в поиске? На научно обоснованные закономерности! Но они, к сожалению, даже не проглядывались. Так на протяжении двух столетий наука о прочности оставалась разделом механики. Но в 10-х годах XX века произошли поистине революционные события как для этой области знания, так и для науки вообще.

— Вы имеете в виду великие открытия в физике, создание теории атома?

— Ну, конечно. Именно к этому времени физики получили не только прямые доказательства существования атомов, они непосредственно определили и многие их характеристики — размеры, массу, элементы внутреннего строения. Вот тогда прежние представления о твердом теле как о некоей сплошной среде, внутренние свойства которой не имели физического основания, потеряли всякий смысл. А если тело — это «конструкция» из атомов, то чем должна определяться его прочность? Конечно, силами межатомного сцепления. Так началось проникновение физических идей и представлений в науку о прочности.

Новые данные позволили впервые рассчитать так называемую «теоретическую прочность» твердых тел. «Что это такое?» — спросите вы.

— Непременно попрошу пояснить, ведь среди наших читателей далеко не все физики.

— Допустим, нас заинтересовал вопрос о прочности какого-нибудь материала. Зная, например, силы сцепления, связывающие атомы в твердом кристаллическом теле, можно определить прочность материала путем расчета. Таким образом и получают теоретическую прочность.

А можно изготовить образец из того же материала и измерить значение прочности экспериментально. Прочность, найденную практическим путем, принято называть технической. И что вы думаете: сопоставление обоих значений прочности применительно к одному и тому же материалу буквально ошеломило исследователей. Оказалось, что теоретическая прочность значительно ■— в десятки и сотни, подчеркиваю — сотни раз превышала техническую, то есть измеряемую на практике.

— Чем же объясняется столь резкое различие?

— В 1924 году Абрам Федорович Иоффе, первый директор нашего Физико-технического института, ответил на этот вопрос несложным и эффектным опытом. Взял кристалл каменной соли. Экспериментально измерил его прочность. Затем погрузил в горячую воду, в которой растворяется поверхностный слой некоторой толщины, и вновь измерил прочность кристалла. На этот раз она оказалась намного более высокой — почти в 400 раз! Это значение уже приблизилось к расчетному, теоретическому, отставая от него всего в 2—3 раза.

Вывод напрашивается сам собой. Лишившись поверхностного слоя, кристалл освободился и от многочисленных ран, которые накопил на своих боках за долгую жизнь,— щербин, царапин, трещин и прочих поверхностных дефектов. В них-то и заключалась причина былой непрочности кристалла.

Итак, по расчетам, опирающимся на физические данные, природа заложила в твердые тела поистине гигантский ресурс прочности. Однако дефекты, неоднородности в их строении приводят к неравномерности «загрузки» действительно очень прочных межатомных связей. Там, где возникают локальные перенапряжения, там и начинается разрушение материала.

— А можно ли добиться прочности, близкой к теоретической, идеальной?

— Надо совершенствовать структуру кристалла. Или в крайнем случае постараться убрать дефекты, хотя бы уменьшить их количество или опасность. Тогда и можно ожидать значительного повышения прочности. Это с успехом продемонстрировали ленинградские физики, те же физтеховцы. В 30-х годах Анатолий Петрович Александров, ныне академик, президент Академии наук СССР, и ваш покорный слуга продолжили начатые Абрамом Федоровичем исследования на стеклянных и кварцевых нитях. Мы протравляли их поверхность в плавиковой кислоте, удалявшей трещины, и сумели достигнуть таких значений прочности, которые тоже были сопоставимы с теоретическими.

Следуя принципу, выдвинутому учеными нашего института, удалось поднять потолок прочности до таких значений, которые до сих пор считались недосягаемыми в технике. В 50-х годах в лаборатории профессора Александра Васильевича Степанова были получены нитевидные монокристаллы — «усы» некоторых металлов с прочностью до 1 ООО кг/мм2. Под руководством профессора Федора Федоровича Витмана прочность оконного стекла возросла ни много ни мало — в сто раз!

Так теоретическая прочность становилась как будто бы реальностью. А раз ее физический ресурс столь высок, то надо постараться достигнуть его — сперва частично, а затем и полностью. Как всколыхнуло это поиски путей повышения технической прочности!

В наши дни, «исправляя» дефекты кристаллов, удалось увеличить их прочность на несколько порядков и приблизить ее к теоретическому значению. Серийно выпускаются, например, проволоки из различных сталей, полимерные и стеклянные волокна, отличающиеся очень высокой прочностью.

— Но исчерпалось ли новое в науке о прочности «атомным» этапом «офизичивания»? Оказалась ли она в главном завершенной?

— Так ведь техническая прочность, хоть в несколько раз, но все же оставалась ниже расчетной, теоретической. О каком же завершении исследований могла идти речь?!

А главное, на практике многократно отмечались случаи преждевременного разрушения конструкций и сооружений. Теория предельных состояний говорила: для каждого твердого тела есть такая величина нагрузки, которая ведет к разрушению. Мы давали меньшие нагрузки — тело разрушалось. Еще и еще меньшие — то же самое. Только разрушение происходило не сразу, а через некоторое время. Значит, дело не в нагрузке, тем более предельной, или, по крайней мере, не только в ней, значит, не менее важен и фактор времени. Но в формулах старой теории он нигде учтен не был.

А температура? Данные отдельных опытов, разбросанных, как острова, в необъятном океане экспериментальных работ, указывали на зависимость процессов разрушения и от температуры. Но какова была эта зависимость? Естественно, эти обстоятельства требовали научного объяснения, очень осложняли, а иногда и заводили в тупик технические расчеты.

Между тем техника в те годы развивалась стремительно, повышались рабочие температуры, менялись нагрузки на различных деталях машин, строились крупные объекты, рассчитанные на то, что они будут эксплуатироваться много лет... Жизнь, практика, опыт заставляли ученых искать и искать...

— И как же был найден выход из очередного тупика?

— Вспомним, как с позиций классической механики трактовалось явление разрушения. Как критический акт, событие, происходившее внезапно и как бы случайно, неожиданно. А разве можно до конца понять природу прочности без физического осмысления «контрпрочности» — разрушения. Ведь разрыв происходит в результате развития реальных дефектов, стало быть, ему всегда предшествует определенная подготовка.

И вот согласно новому подходу разрушение начали рассматривать как процесс, а прочность (то есть устойчивость) как характеристику процесса разрушения в; смысле доведения его до определенной стадии — разрыва. Как только проблема была поставлена именно так, принципиально иначе, чем прежде, сразу обнаружились, неожиданные и новые аспекты в физике прочности.

Новое направление так и назвали — кинетика разрушения, цель его — изучение самого процесса разрыва. В нашей стране эти исследования развернулись опять-таки в Ленинграде, в Физико-техническом институте. И примерно в то же время была создана всемирная организация — Международный конгресс по разрушению.

— Именно так он и стал называться — не Конгресс по прочности, а Конгресс по разрушению?

— Именно так. Еще раз подчеркну, что интересы ученых были не в том, как легче и эффективней разрушать (хотя, к сожалению, и такую проблему тоже приходится решать). Задача ученых и вновь созданной организации состояла в выяснении путей упрочения материалов и повышения надежности работы конструкций. Конгресс по> разрушению решал, как лучше... препятствовать разрушению. Вот для чего потребовалась своеобразная «ода» разрушению. Во имя прочности!

Человеку, мало-мальски знакомому с задачей, странной казалась сама постановка вопроса: от века механики процесс разрушения не принимали в расчет. А тут в исследованиях ему стала отводиться заглавная роль.

Прежде всего мы обратили внимание на способность тел разрушаться и при малых нагрузках, для этого требовалось то или иное время ждать разрыва — от тысячных долей секунды до многих месяцев. Как помните, это «досадный» факт в концепции «предельных» критериев разрыва. Так вот, время ожидания разрушения стало важнейшей его характеристикой. Оно было тоже любопытно-названо — «долговечность».

— Наверное, потому, что одновременно испытывалось-и долготерпение исследователей?

— По-видимому. Мы изучили более сотни веществ из всех основных типов твердых тел: металлы, сплавы, стекла, полимеры, кристаллы, полупроводники... От опыта к опыту широко варьировали прикладываемую механическую силу и температуру тела. Павлов говорил: факты — воздух и крылья ученого. Мы копили факты. И что же выяснилось? «Долговечность» — время ожидания разрыва — чрезвычайно резко зависела от температуры. А что такое температура? Это мера интенсивности теплового движения атомов.

Воздействию внешней, той же механической силы противостоит не конструкция из неподвижных атомов, не статическая система, а такая, в которой элементы колеблются, «дрожат». Атомы в твердом теле, как известно, не находятся в покое, они совершают колебания, интенсивность которых возрастает с температурой.

Однако, когда они совершают небольшие колебания около положений равновесия, то влияние их на прочность невелико. Тогда мы вслед за известным теоретиком из нашего института Я. И. Френкелем приняли во внимание, что такой картиной тепловое поведение атомов в твердом теле отнюдь не исчерпывается. В силу хаотичности теплового движения отдельные атомы приобретают резко повышенные значения энергии — выше средних в десятки раз! Происходят резкие вспышки кинетической энергии. Время от времени в разных точках как бы вспыхивают «микровзрывы». Простите, что завел вас и читателей в эти физические «дебри», но в конце концов, надеюсь, они не такие уж непроходимые!

— Обычно популярно объяснять современную физическую идею ученые не любят. Говорят: «Адекватного перевода не существует». Однажды мне даже напомнили про лекцию Чебышева, которую он начал словами: «Примем для простоты, что тело человека имеет форму шара...» Лекцию, кстати, он читал для парижских модельеров. Похожие, а может, даже большие огрубления для популяризации приходится делать сейчас и физикам. Непосвященному степень такого упрощения понять трудно. Но специалисту, занятому, по существу, очень тонким и сложным делом, должно быть от этого не по себе. И все оке, не вдаваясь в детали нового исследования, хотелось бы понять его суть.

— Мы убедились: с увеличением температуры частота ^вспышек» резко возрастала. И, как показал анализ зависимости «долговечности» (времени ожидания разрушения) от температуры, именно за счет «вспышек» энергии происходят разрывы межатомных связей.

Но какова же в таком случае роль прикладываемой силы, нагрузки в разрушении? Ведь ничто не казалось более очевидным, чем то, что внешняя нагрузка, распределившись по межатомным связям, их и разрывает. Но нет. Как это уже не раз бывало в науке раньше, «очевидность» тут нисколько не соответствовала физической реальности.

Внешняя нагрузка лишь напрягает межатомные связи, уменьшая величину энергии их разрыва. А далее напряженные связи «ждут» возникновения «микровзрывов». Отсюда и появляется «долговечность» тела — время ожидания достаточного количества «микровзрывов» энергии для разрушения достаточного количества межатомных связей. И тем самым — разрыва всего тела.

Иначе говоря, внешняя нагрузка играет роль своеобразного «вентиля», облегчая разрыв связей, вызванный «изнутри». Ибо подчеркиваю: сам разрыв производит не внешняя сила, а порожденные тепловыми колебаниями «микровзрывы» энергии.

С позиции классической механики такой вывод звучал, можно сказать, фантастически. Оказалось, что в представлявшейся простой и очевидной картине механического разрушения обнаружились парадоксальные с точки зрения привычных понятий формы разрушения...

— Кстати, о простых и очевидных картинах. Рассказывают, что один из самых талантливых ученых нашего времени, великий итальянский физик Энрико Ферми, собирался на склоне лет написать книгу, посвященною трудным вопросам в физике, о которых обычно говорят: «Как хорошо известно» или «Как нетрудно показать», и даже начал собирать вопросы, лишь кажущиеся элементарными. К сожалению, у него на это не хватило времени...

— Мы не будем гадать, попал бы в такой список процесс разрушения, хотя уже отмечали, что долгое время природа этого явления считалась тривиальной, не заслуживающей внимания физиков. Между тем поразительное предвидение механизма разрушения сделал еще в 70-х годах прошлого века Фридрих Энгельс. В книге «Анти-Дюринг» он писал: «Если камень будет висеть достаточно долгое время, то веревка оборвется, как только она, вследствие химического разложения, окажется недостаточно крепкой, чтобы поддерживать камень».

Таким образом, Энгельс сформулировал самую суть разрушения как процесса не чисто механического, а связанного с внутренней динамикой тела. И опирался он не на конкретные факты, которых тогда просто не было, а на общие физические и химические представления, сложившиеся к тому времени.

Но лишь спустя сто лет мы сумели заглянуть внутрь процесса разрушения, впервые используя для решения, казалось бы, чисто механических проблем современные физические и физико-химические методы. Изменили и сам характер исследований разрушений. Применили непривычные для экспериментов по прочности методы, такие, как инфракрасная спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс, масс-спектроскопия, ядерный магнитный резонанс, хромотография, дифракция света и рентгеновских лучей, электронная микроскопия...

Только с помощью такого комплекса удалось получить уникальные данные об «интимных» процессах разрыва межатомных связей, поднять экспериментальное изучение разрушения на новую ступень. Такой подход поставил изучение прочности на твердую физическую основу, открыл новые перспективы для развития исследований вглубь, для построения теории прочности.

А согласно такой теории, процесс разрушения — это атомно-кинетический процесс. И прочность тела, как мера его устойчивости к внешнему силовому воздействию, определяется не только силами межатомного сцепления, но и интенсивностью теЦлового движения. Отсюда и возникло представление о кинетической природе прочности твердых тел. Введение этих новых представлений объяснило многие загадки в области прочности.

Появилась возможность вести расчеты работоспособности изделий и конструкций в сложнейших условиях эксплуатации, когда резко меняются и температуры, и режимы нагрузок. Стали развиваться и прочностные исследования нового типа. Коль скоро разрушение есть процесс, идущий во времени, то, естественно, необходимо изучение конкретных форм и деталей этого процесса. Вот последние десятилетия и характеризуются небывалым размахом в использовании тонких физических и физикохимических методов для получения прямой информации о сложном механизме разрушения.

В опытах непосредственно регистрируются разрывы межатомных связей, измеряется их накопление. Прослеживается очень важный этап разрушения — переход от одиночных разрывов к возникновению мельчайших, или, как их еще называют, зародышевых, трещин, с размерами всего-то в десятки — сотни размеров атомов.

Далее выясняются закономерности укрупнения микротрещин — путем индивидуального «роста» или же за счет их слияния. Наконец, прорастают магистральные трещины, они-то и приводят к разрушению. Но во всех этапах разрушения проявляется единый атомно-кинетический механизм.

Вот в чем заключается главный, фундаментальный вывод об истинной природе механического разрушения твердых тел. Эти новые представления о прочности, развитые в Ленинградском физико-техническом институте, получили признание не только в нашей стране, но и за рубежом. Хотя, конечно, споры продолжаются и сегодня.

— Каковы же в свете этой теории пути дальнейшего упрочения материалов, увеличения их работоспособности, продления долговечности? Оправдываются ли в этом случае известные слова о том, что нет ничего практичней хорошей теории?

— Еще как оправдываются, и ключ к успеху на этом пути — использование атомно-кинетической концепции в решении практических задач. Ведь не только механическое, но и электрическое (пробой диэлектриков), и лучевое (лазерное) разрушения носят кинетический характер, определяемый закономерностями внутренней атомной динамики в различных веществах.

Вот почему уже сейчас можно говорить о выходе исследований прочности на новый этап — кинетический. И есть все основания считать, что решающие методологические основы для такого перехода найдены.

Например, изучение кинетического процесса разрушения, который идет в изделии, работающем под экстремальной нагрузкой, сделало возможным прогнозировать макроразрушения. Проблема, как вы понимаете, большой практической важности. Новые данные позволяют выяснить, насколько исчерпаны ресурсы прочности уже эксплуатируемых систем, а значит, и контролировать их работоспособность.

Наряду с концепцией кинетики роста трещин развивается и встречная концепция — кинетики их залечивания. Все большее применение в промышленности находят новые методы восстановления, существенного увеличения срока службы деталей и конструкций целенаправленным «лечением» микротрещин, накопившихся в условиях эксплуатации. Еще пример. Тот же кинетический подход позволил резко повысить прочность полимерных волокон, и прежде всего — технических.

Я придаю большое значение роли поверхностных областей в кинетике разрушения материала. С помощью различных тонких физических методов мы изучаем особенности динамики поверхностных слоев в нагруженных деталях и конструкциях.

Вообще говоря, не случайно из физики твердого тела сейчас выделяется важное самостоятельное направление фундаментальных и прикладных исследований — физика поверхности. Тут обнаруживаются удивительные вещи.

Выясняется, например, что коррозийную стойкость металла могут резко повысить ничтожные количества некоторого вещества, в сто раз меньшие, чем нужно, чтобы покрыть всю поверхность металла тончайшим мономолекулярным слоем.

Поверхность любой детали, любого изделия никогда не бывает абсолютно гладкой. От степени ее шероховатости многое зависит в жизни машины. Ведь шероховатости первыми вступают в борьбу с трением, принимают на себя удары другого твердого тела, волн жидкости, газа. Значит, шероховатостями надо научиться управлять.

Глубокое понимание процессов, происходящих на поверхности, может открыть новые возможности для многих областей техники и технологии. Но речь идет именно о глубоком понимании процессов, их детальном теоретическом и экспериментальном изучении. Ситуация чем-то на-* поминает то, что происходило с полупроводниковой электроникой — новая область техники может появиться лишь на фундаменте физических исследований.

Таким образом, кинетический подход к проблеме прочности не только отражает важнейшие стороны физической природы этого явления, но и является фундаментом для решения актуальных практических задач.

— В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года, в частности, сказано: «...повысить прочностные характеристики конструкционных материалов». Выполнение этой программы во многом будет зависеть от вклада ученых, специалистов в области прочности...

— Пока, к сожалению, теоретическая прочность тех же металлов еще значительно превышает результаты, получаемые на практике. Но эксперименты показывают, что, применяя специальные методы, можно достичь прочности значительно более высокой. Такие результаты подтвердили испытания тонких нитей из железа и меди, по своей структуре их строение приближается к идеальным кристаллам. Однако при переходе к заготовкам, которые реально используются в конструкциях, в кристаллической структуре металлов возникают различные дефекты, они-то и снижают прочность изделий.

Между тем металл, как никакой другой материал, может выдерживать самые большие и разнообразные нагрузки. Он таит в себе богатейшие возможности, не используемые пока еще техникой. Задача, в том числе и специалистов по прочности,— найти ключи к тайникам этих богатств и заставить работать на человека всю скрытую силу металлов.

— Как мы убедились, своей «второй молодостью» учение о прочности целиком и полностью обязано стремительному развитию физики, но, думается, оно все же еще далеко от финиша?

— А разве может быть в развитии какого бы то ни было научного направления некий финиш? Ведь это означает остановку...

Вот мы с вами говорили о «микровзрывах», которыми, собственно, и осуществляется разрушение. Эти «микро-взрывы» называют флуктуациями энергии. Слово «флуктуация» означает отклонение от среднего. Коль скоро они играют такую активную роль в разрушении, то надо понять внутренний механизм этих флуктуаций. Посудите сами: атом или некоторая группа атомов «ухитряются» собрать тепловую энергию с десятков и сотен атомов вокруг себя и затем израсходовать ее на разрывы межатомных связей. Вот если бы мы могли помешать такому «ограблению» соседей! Это ведь тоже вело бы к повышению прочности. Но для этого нам и надо знать механизм формирования флуктуаций. А такого знания у нас пока мало. Этот вопрос для меня сейчас один из самых интересных.

Кстати говоря, энергетические флуктуации играют ведущую роль не только в разрушении. Возьмите процессы испарения, диффузии, химические реакции... Да и функционирование живых организмов происходит тоже благодаря флуктуациям, «взрывам». Нормальная температура тела, как известно, 36,6, а чтобы человек заболел, ей достаточно повыситься всего на один-два градуса. Этого достаточно, чтобы началась цепная реакция «микровзрывов». Частота энергетических вспышек возрастает в сотни раз, вот организм и выходит из равновесия...

— И все же теория прочности — это традиционная, классическая область исследования, привлекает ли она молодежь, для которой естествен интерес к новым научным направлениям — лазерам, ускорителям, космосу?..

— Наша область, спору нет, старая, но подход к исследованиям, повторю, принципиально, качественно другой. Тот, кто работает сегодня в нашем «древнем» направлении, работает на самом современном уровне. Так что на отсутствие тяги к нам молодых жаловаться не приходится.

Мы пытаемся сейчас продвигаться в изучении механизма флуктуаций. Используем теоретико-аналитические, экспериментальные методы, а также новые для физики методы: моделирование на ЭВМ атомно-молекулярной динамики, когда можно «увидеть» всю историю рождения, жизни и рассасывания флуктуаций. Захватывающее зрелище, скажу я вам!

Судите сами: каждый атом делает в секунду десять в тринадцатой степени, или десять тысяч миллиардов, колебаний. Как проследить за их эволюцией? Только с помощью ЭВМ. Этот, как мы говорим, «супермикрохроноскоп» дает возможность моделировать интимную жизнь атома, наблюдать в деталях, как нарастают «микровспышки», как в конце концов они осуществляют разрыв межатомных связей.

В результате проведенных работ наметилось участие в формировании флуктуаций коллективных колебаний атомов, стали вырисовываться их пространственные и временные характеристики. Но об определенных выводах пока говорить рано. Мы взялись за очень сложный вопрос, идет поиск, и впереди долгий и трудный путь.

Возьмем, к примеру, механизм разрушения при низких температурах. Тепловые колебания в таких условиях должны бы ослабляться вплоть до полного затухания. Тогда исчезнут и «вспышки» энергии на тепловых колебаниях и, следовательно, отпадет кинетический механизм разрушения. Казалось бы, наконец-то можно получить классический случай разрыва — только за счет внешней механической силы.

Но этого и тут не происходит. Фундаментальные квантовые законы физики утверждают, что в твердых телах колебания атомов не прекращаются и при абсолютном нуле. Остаются так называемые нулевые квантовые колебания, и это вполне обоснованная — экспериментально и теоретически — реальность. А раз твердое тело не замерзает и при самых низких температурах,— значит, и здесь возможны эффекты, подобные «микровзрывам», возможна, следовательно, и знакомая нам кинетика разрушения.

Эти эксперименты сейчас только начаты, получены первые обнадеживающие результаты. Сотрудничество механиков и физиков становится все более тесным, жизненно необходимым. Ведь то, что мы называем наукой, по словам Эйнштейна, преследует одну-единственную цель: установление того, что есть на самом деле. А мой учитель Абрам Федорович Иоффе непременно добавил бы: важно не только понять, но и использовать. Потому и институт он назвал физико-техническим.

— Как известно, есть физика теоретическая и экспериментальная. К какой из них относятся эти исследования?

— К промежуточной. Появилось и такое определение в последние годы. Имеется в виду не теоретическое рассмотрение и не натурный эксперимент, а именно промежуточный метод, при котором создается математическая модель той или иной системы, но затем она как бы начинает жить своей жизнью и благодаря ей мы можем проследить за всеми процессами, происходящими в системе. Кстати, такой тип исследования с помощью ЭВМ-мо-делирования широко применяется сейчас не только в физике, но и в различных областях техники, экономики, производства.

— Народная мудрость гласит: ничто не вечно под луной. Уж не хотят ли специалисты по прочности ее опровергнуть?

— На то мудрость и народная, что опровергнуть ее нельзя. Разрушается, увы, все, и всякая прочность имеет свой предел. Однако если мы научимся управлять разрывными флуктуациями, этими энергетическими «выбросами», так или иначе гасить их или хотя бы тормозить, тогда мы научимся управлять и процессом разрушения. Продвижение вперед в решении этой важнейшей задачи сулит достижение невиданных рубежей в понимании и управлении прочностью.

Так в древе эволюции науки о прочности не перестают появляться все новые и новые ростки ветвей, направленных на создание не только прочных, но и сверхпрочных материалов, на оптимальное использование и управление этим удивительным свойством всех твердых веществ. Ясно и то, что путь за горизонт сегодняшних представлений потребует еще более полного перехода на атомно-кинетический уровень исследований в этой области. Теория прочности готовит переход на новые рубежи, и он может привести к тому, что вся предыдущая история этой древнейшей науки окажется лишь прологом к будущему.

Беседу вела Татьяна Чесанова