Vielai nutraukti reikia tam tikros jėgos. Ją galima išmatuoti ir apskaičiuoti, o labai ploną plieninę vielą galima nutraukti net ir rankomis. Tačiau iš šimto tokių gijų nupintas metalinis lynas kažkaip yra daug daugiau nei tik šimtą kartų stipresnis. Kodėl? Iš kur ta papildoma stiprybė?
Beje, ar žinote kodėl varžtui atsukti reikia mažiau jėgos nei panaudojote jam prisukti? Ir kodėl ant įtemptų lynų kartais matome tabaluojančius svorius?
Nelabai aišku, apie ką kalba? Įsivaizduokite, kad plieninei vielai nutraukti reikia jėgos X. Arba, kitaip tariant, ši viela atlaiko X kilogramų svorį. Kiek jėgos reikėtų norint nutraukti iš 100 tokios vielos atkarpų nupintą lyną? 100X? Iš tikrųjų, ne – lynas yra gerokai stipresnis nei visų jo gijų suma ir teisingas atsakymas, priklausomai nuo lyno konstrukcijos, gali siekti net 200X. Ir tą patį galima pasakyti ir apie kitus panašios konstrukcijos daiktus – virvė irgi yra tvirtesnė nei visų jos gijų suma. Tik iš kur ta stiprybė?
Kodėl lynas yra stipresnis jei jo gijos?
Jokios magijos čia nėra ir atsakymas yra metalinio lyno struktūroje – jis yra tvirtesnis, nes yra nupintas.
Virvės naudojamos jau tūkstančius metų – vilnonės, lininės, kanapinės, medvilninės – kokios tik nori. Jei gamtoje yra tvirto pluošto, žmonės bandė iš jo gaminti virves. Tuo tarpu metaliniai lynai nėra labai seni. Tai – vokiečio kalnakasybos inžinieriaus Wilhelmo Alberto išradimas, sukurtas 1831-1834 metais. Kaip galite įsivaizduoti, Albertui metalinio lyno reikėjo kalnakasybai, nes natūralaus pluošto virvės drėgnoje aplinkoje greitai supūdavo, o grandinės nutrūkdavo net nepradėjusios rodyti susidėvėjimo ženklų. Wilhelmo Alberto lynas buvo gana paprastas – jį sudarė trys dalys (vijos) iš keturių gijų. Vėliau, aišku, pinti kur kas sudėtingesni metaliniai lynai.
Dabar metalinių lynų yra labai įvairių. Naudojamos skirtingos pynimo schemos, skirtingo storio gijos, įvairios sintetinės šerdys ir dangos – plieninių lynų technologijos yra labai rimta mechanikos inžinerijos sritis. Bet grįžkime prie to stiprumo.
Už galų tempdami metalinę vielą pirmiausia ją įtempsime kaip kokią stygą – ji šiek tiek pailgės, bet paleista grįžtų į savo pirminę formą. Tai vadinama elastine deformacija. Jei tempsime dar stipriau, pereisime į plastinės deformacijos fazę – viela pakeis savo formą ir paleista visiškai nebeatsistatys. Na, o tempiama toliau viela vis labiau plonės ir galiausiai nutrūks silpniausioje vietoje.
Metalinį lyną sudarančios gijos niekada nėra tiesios – vaizdžiai tariant, jos yra susuktos. Jei kažkaip magiškai pašalintume visas gijas, išskyrus vieną, ji atrodytų kaip spiralė. Arba, kitaip tariant, kaip spyruoklė. Todėl metalinio lyno elastinės deformacijos fazė yra gerokai ilgesnė, nes kai jis tempiamas, gijos tik tiesiasi ir spaudžiasi į krūvą, o ne ilgėja. Kaip spyruoklė yra daug elastingesnė už vielą, iš kurios yra pagaminta, metalinis lynas yra daug elastingesnis už jį sudarančias gijas.
Jei lynas nebūtų susuktas (tai yra, jei turėtume tiesiog tiesios vielos pluokštą), jo elastingumas būtų kaip atskiros gijos. Tai yra viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl metaliniai lynai ir virvės yra stipresni nei visų gijų suma – nes ta spiralinė konstrukcija jiems suteikia šiek tiek daugiau elastingumo, kuris sugeria staigius smūgius, padeda išvengti metalo nuovargio ir staigių trūkimų.
Be to, silpniausi atskirų gijų taškai niekada nėra vienoje lyno vietoje. Vielos tarsi prilaiko viena kitą – vienos stipresnė atkarpa dengia kitos silpnesnę. Dėl šios priežasties lynas nepraranda stiprumo ir nutrūkus kelioms gijos.
Galiausiai, kai lynas yra sulenktas, atskiros jo gijos dėl tos spiralinės vidinės struktūros niekada nėra sulenktos labai aštriu kampu. Apkrovos – tempimo ir spaudimo jėgos – pasiskirsto tolygiai per visą lyno konstrukciją. Ir tik dėl to, kad jis yra pintas.
Taigi, taip – lynai ir virvės yra stipresni nei visų jų gijų suma. Jie yra elastingi, apkrovos jų viduje pasiskirsto labai tolygiai ir gijos sustiprina viena kitos silpnąsias vietas.
