§ 1. Очередное самоубийство

В фантастических романах можно встретить множество проектов, связанных с пробуриванием Земли насквозь или строительством лестниц, достающих до Луны. Есть близкие по смыслу примеры и в реальной жизни. Рассмотрим один из них.

При добыче нефти издавна используется метод откачки: насос опускают в скважину, а привод его ("качалка", которую каждый видел хотя бы в фильмах о нефтепромыслах) находится на поверхности. Движение качалки передается насосу через колонну штанг - длинных стальных стержней, соединенных между собой муфтами. Чем длиннее колонна, тем большая нагрузка приходится на верхнюю штангу, так как вес колонны пропорционален ее длине. Но верхняя штанга может выдержать лишь такое напряжение, которое не превышает предела прочности стали, используемой для изготовления штанг.

Человек в поисках нефти "зарывается" все глубже и глубже в землю. Колонна штанг должна удлиняться, нагрузка на верхнюю штангу растет. Попробуем заказать металлургам штанги из более прочной стали. "Нет, - отвечают металлурги, - резервы прочности стали исчерпаны; если ваше изделие не выдерживает заданной нагрузки, мы можем изготовить для вас штанги большего диаметра". Что же, и на том спасибо. Площадь поперечного сечения значительно возрастет, так как она пропорциональна квадрату диаметра и при той же прочности верхняя штанга выдержит вес более длинной колонны. Но стоп! Ведь возрастет сечение и всех остальных штанг их вес и вес всей колонны увеличится точно в той же пропорции, в какой увеличится площадь сечения. Значит, таким образом решить проблему не удается: 10 - 15 км - вот предел длины колонны из обычных сталей.

Рис. 104

Конечно, можно искать выход в уменьшении сечения колонны по мере удаления в глубь Земли, но на этом пути немало технических трудностей, а главное - штанги должны выдерживать не только свой вес, но и передавать усилие от качалки насосу. Здесь уже начнутся обрывы по принципу "где тонко, там и рвется", тонкие штанги не выдержат рабочего напряжения.

Этот пример показывает важность такой характеристики материала, как отношение прочности к удельному весу. Чем выше это отношение, тем с больших глубин мы сможем откачивать нефть. В авиации и ракетостроении эта проблема стоит не менее остро. Если не хватает прочности материала, чтобы он мог выдержать расчетную нагрузку, приходится увеличивать площадь сечения деталей, а значит и их вес. Чтобы оторвать от Земли более тяжелый корабль, нужен более мощный двигатель, который, естественно, сам будет иметь большие габариты и больший вес. Для его работы потребуется больший запас топлива, которое тоже имеет вес и т. д. Одно осложнение вызывает другое, получается замкнутый круг, из которого только один выход - нужны материалы с большей удельной прочностью, с большей прочностью на единицу веса.