НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Шевченко Наталия,

средняя школа ╧ 651, 11 класс

Научный руководитель:

Азарова Марина Евсеевна,

учитель физики средней школы ╧ 651

Введение

Меня заинтересовали вопросы, связанные со строительством высоких зданий. Почему они не падают? Как башни могут устоять при ураганах, землетрясениях и т.д.? Ведь башни – творения рук человека - стоят в веках! Как смог человек придумать, спроектировать и построить их без соответствующих технологий и достижений современной науки.

Инженерное дело, техника, строительство и гидростроительство принадлежат к числу мощнейших рычагов цивилизации в борьбе человека с природой и за облегчение жизни. Основные отрасли инженерного дела возникли еще в древности. Коренной перелом в техники совершился сравнительно не давно – инженерное дело в течение последних нескольких столетий превратилось из традиционного ремесла в отрасль человеческой деятельности, базирующуюся на прочных научных основах.

Размышляя над данными вопросами, я обратилась к энциклопедиям. Там я нашла закон о единстве формообразования естественных и искусственных структур.

Этот закон говорит о том что, самый гениальный строитель – это Природа. Именно она помогает нам своими творениями. Строение растений, костей животных поражают своими формами и прочностью.

Человек, создавая что-то новое, интуитивно брал за основу то, что открывалось ему при наблюдении за живыми существами. Много сооружений в мире построены по законам гармонии природы. Благодаря открытиям естествоиспытателей стало возможным создать прочные гибкие красивые сооружения, такие как башни.

Цель исследования: изучение величайших башен мира с точки зрения физики и эстетики.

Гипотеза: Закон формирования естественных структур лежит в основе современной архитектуры, а в частности, в строительстве башен мира (Эйфелева, Останкинская, Пизанская башен).

Задачи исследования: рассмотреть различные конструкции башен мира.

Методики исследования:

·         изучение научно-популярной литературы;

·         наблюдение;

·         анализ;

·         конструирование.

Дырчатые конструкции

В 1889 г. в Париже по проекту Эйфеля была сооружена трехсотметровая металлическая башня, ставшая символом столицы Франции. Эта конструкция является ярким примером единства закона формообразования естественных и искусственных структур. Ученые обнаружили, что распределение силовых линий в конструкциях башни и в берцовой кости человека идентично, хотя при создании инженер не пользовался живыми моделями.

Легкая и хрупкая кость, способная выдерживать большие нагрузки, стала предметом исследований ученых и архитекторов. Всесторонне изучая скелет как комплекс пространственных систем, известный математик-конструктор Ле-Реколе установил, что прочность этой биологической конструкции заключается в соответствующем расположении в материале не плоскостей, а пустых пространств, т.е. обрамлений отверстий соединяемых различным образом. На основе конструктивного изучения структуры костей и других природных моделей родился в архитектуре принцип дырчатых конструкций, положивший начало разработке новых пространственных систем. Так французские инженеры использовали принцип  дырчатых конструкций при строительстве моста в виде внешнего скелета морской звезды.

Для творчества архитекторов природа в своей мастерской предоставляет немало образцов дырчатых конструкций, например, скелеты некоторых глубоководных губок, солнечников и особенно радиолярий – простейших микроскопических организмов. Скелеты радиолярий поражают богатством и разнообразием форм и конструктивных решений. При удивительной экономии материала они обладают большой прочностью и выдерживают большое гидростатическое давление. Это яркий пример достижения максимальной прочности наиболее рациональным путем.

Ле-Роколе, исследовав строение некоторых радиолярий, разработал ряд универсальных конструктивных ячеек, которые могут быть применены в различных пространственных конструкциях – от перекрытий залов до мостов и платин.

Эйфелева башня

В заоблачную даль поднялась Эйфелева Башня 320, 7 м в 1889 г., оставаясь самым высоким сооружением в мире до 1931 года, когда в Нью-Йорк-сити был построен небоскреб Эмпайр-стейт-билдинг.

Оказалось, что башня привлекает не только своими размерами и видом, но и огромными возможностями для обслуживания туристов. Четыре подъемника поднимали ежедневно тысячи желающих взглянуть на Париж с высоты птичьего полета. Они могли подняться на первую, вторую или третью платформы, и даже забирались пешком на верхушку башни, чтобы, при желании, потом спуститься вниз по 1792 ступеням. Башня была возведена к Всемирной выставке 1889 года, приуроченной к 100-летию Великой Французской Революции. Правительство Третьей республики решило поразить воображение современников, построив сооружение, равного которому мир еще не видел. Большая пирамида в Гизе имеет высоту 146 метров, Кельнский собор - 159 метров, незадолго до выставки рекорд высоты захватил Вашингтонский обелиск - 175 метров, но Гюстав Александр Эйфель выдвинул проект 300-метровой железной башни, которая должна была по высоте превзойти все созданные до нее сооружения.

В июне 1886 года Эйфель представил чертежи и расчеты в главный совет выставки, а уже в ноябре получил первые полтора миллионов франков ассигнований для ее строительства. 28 января 1887 года на левом берегу реки Сены началось строительство. Полтора года было затрачено на закладку фундамента, а на монтаж башни ушло всего чуть больше восьми месяцев.

Во время закладки фундамента было проведено заглубление до 5 метров ниже уровня Сены, в котлованы были уложены блоки 10-метровой толщины, ибо для безусловной гарантии устойчивости нельзя было пренебрегать ничем. В каждый из четырех фундаментов для башенных ног были вмонтированы гидравлические прессы грузоподъемностью до 800 тонн. Они предназначались для точной регулировки вертикальности башни, проектный вес которой составлял 5000 тонн.

Для сборки башни потребовалось 12000 составных элементов. Четыре лифта внутри ног башни поднимаются до второй платформы, пятый ходит от второй до третьей платформы. Первоначально лифты были гидравлическими, но уже в начале XX века их электрифицировали.

Спроектированные Эйфелем лифты безотказно работали полвека и внезапно сломались в июне 1940 года, когда в Париж вошли немецкие войска. В течение четырех лет, пока во французской столице оставались оккупанты, башня была закрыта. Специально выписанные из Берлина инженеры так и не смогли наладить работу лифтов. Как только Париж был освобожден, старый механик лишь на полчаса спустился вниз - и подъемники, к великой радости парижан, заработали. Эйфелева башня снова стала символом Парижа, и ее первую увенчали трехцветным национальным флагом, который взвился над французской столицей 25 августа 1944 года.

Судьба творения Эйфеля не раз висела на волоске. В 900-х годах прошлого века дело уже почти дошло до демонтажа, и спасло башню только появление радио. Она стала опорой антенн для радиовещания, потом телевидения и радарной службы. На башне находится уникальная метеостанция, где ведется изучение суточных колебаний атмосферного электричества, степени загрязнения и радиации атмосферы. Отсюда транслирует свои программы парижское телевидение. На ней установлен передатчик, который обеспечивает связь полиции и пожарных.

Эйфелева башня - это легкое ажурное сооружение высотой 320 м, состоящей из сваренных металлических деталей, опирается на четыре огромных пилона с цементным основанием. Башня разделена на три уровня: первый - на высоте 57 м, второй - 115 и третий – 274. На двух первых платформах находятся рестораны и бары, где туристы могут отдохнуть и насладиться уникальной панорамой. В особо ясную погоду взгляд может охватить расстояние радиусом до 70 км.

Самым романтическим местом в Париже, по всей видимости, является площадка перед Эйфелевой башней, куда влюбленные парочки приходят специально, чтобы целоваться. Вечером перед башней начинает работать фонтан с подсветкой, да и вообще вечером это место выглядит очень красиво.

Пизанская башня

Все, кто видел ансамбль Пизанского собора на Площади Чудес, признают, что он невероятно красив. В него входят баптистерий, собор и колокольня высотой в 55 м. Даже немного досадно, что ансамбль знаменит не своей красотой, а своей падающей башней. Наверное, меньше всего создатели собора рассчитывали прославиться именно таким образом.

Ансамбль возводился в два этапа - с 1063 по 1118 гг. и с 1261 по 1272. Колокольня (1174-1271) опасно накренилась уже в процессе строительства. Причина - недостаточно мощный фундамент. Чтобы поправить дело и уравновесить здание, два последних яруса строители выполнили в форме клина. Таким образом, Пизанская башня не только наклонная, но еще и кривая.

Наклон башни оказался полезным. В последние столетия он привлекает потоки туристов, а в XVII веке профессор Пизанского университета, придворный философ герцога Козимо II Медичи - Галилео Галилей - бросал с башни шары различной массы, проверяя свои гипотезы о природе свободного падения.

При отклонении почти в 4 метра, башня устояла при землетрясении 14 августа 1846 г, не пострадала она и при бомбардировках в годы Второй мировой войны, хотя казалось, достаточно легкого толчка для ее падения. В настоящий момент грунт под основанием башни просел примерно на 10 метров, башня отклонена от вертикали на 4,2 м. Угол наклона увеличивается на 1,1° каждые десять лет. В ожидании катастрофы за башней наблюдают несколько видеокамер-автоматов различных телеканалов. Будем надеяться, однако, что им не придется заснять ничего ужасного: несколько лет назад проведена реконструкция здания, фундамент укреплен, а на колокольню снова пускают туристов.

Останкинская Башня

Высота Останкинской башни, построенной в 1967 г. достигла 539 м., она и сейчас сохраняет 1-е место среди высотных сооружений в России. Пределы прочности у нее фантастические: башня обладает столь сильным полем, что отталкивает от себя электрический разряд - молнии уходят параллельно стволу и бьют в землю, она в состоянии выдержать 8-балльное по шкале Рихтера землетрясение, ураганный ветер силой до 44 м в секунду, а также отклонение вершины в радиусе до 14 м. Единственное, чего инженеры не могли предвидеть, а вернее, предотвратить - это элементарную человеческую халатность. Скорее всего, именно она и стала причиной пожара, случившегося 27 августа 2000 г. на высоте 320 - 350 м.

Гендиректор госхолдинга «Российская телерадиовещательная сеть» (РТРС) Г. Скляр пообещал, что к концу следующего года «вернет Останкинскую башню народу». На полное ее восстановление после пожара в августе 2000 г. будет затрачено еще 1,5 млрд рублей. Уже через несколько месяцев на башне будут установлены лифты. После этого смотровая площадка вновь откроется для туристов. А с самой башни народ сможет прыгать с парашютом. В планы госхолдинга входит также строительство у подножия 500-метровой конструкции культурно-развлекательного комплекса.

Польза, прочность, красота

Польза, прочность, красота сегодня составляют цели и задачи строительства, этой древнейшей отрасли человеческой деятельности, смысл любой постройки, любого строительного процесса.

Прочность – способность конструкций или сооружений успешно сопротивляться действиям и силам, стремящимся их деформировать или разрушить, устойчивость сооружения при всяких непредвиденных обстоятельствах, надежность ее работы.

Каждый материал обладает многими физико-техническими качествами (плотность, хрупкость, теплопроводность, морозостойкость, цвет, фактура и др.). Одно из главных строительных задач является снижение веса конструкций. Это достигается применением высоких марок бетона, легких заполнений (керамзита, шлаковой плазмы и т.д.), силикатобетонных изделий.

Для строительства Эйфелевой башни использовалась сталь. А основной материал, используемый при строительстве Останкинской телебашни – это железобетон.

Железобетон – основной материал ХХI века – представляет широчайшие возможности для развития архитектуры. Пределы прочности Останкинской башни фантастические: она в состоянии выдержать 8-балльное по шкале Рихтера землетрясение, ураганный ветер силой до 44 м в секунду, а также отклонение  вершины в радиусе до 14 м. Башня обладает столь сильным полем, что отталкивает от себя электрический разряд – молнии уходят параллельно стволу и бьют в землю,

Также в основе архитектурного строительства лежат законы статики – раздела механики в курсе физики.

Устойчивость любой конструкции зависит от положения ее центра тяжести – чем центр тяжести ниже и ближе к площади опоры, тем она устойчивее. Отвесная линия через центр тяжести должна проходить через площадь опор. Это достигается:

·         пирамидальной формой здания, обладающей более низким центром тяжести;

·         стены сооружения в нижней части делаются толще;

·         более массивным и широким делается фундамент.

Примером, подтверждающим это, является знаменитая падающая башня ансамбля Пизанского собора. Колокольня (1174-1271) опасно накренилась уже в процессе строительства. Причина этому – недостаточно мощный фундамент. Чтобы поправить дело и уравновесить здание, два последних яруса строители выполнили в форме клина. Таким образом, Пизанская башня не только наклонная, но еще и кривая.

Под термином «польза» мы понимаем способность зданий и сооружений удовлетворять личные и общественные потребности человека, способность конструкций отвечать своему назначению.

И Эйфелева, и Останкинская башни используются для радиопередачи и телевещания. Пизанская же башня явилась местом великих открытий Галилео Галилея. На ней он проводил свои опыты, бросая с нее вниз ядра разной массы и тем самым, вывел закон свободного падения тел.

Еще одно немаловажное «назначение» величественных построек – доставлять эстетическое наслаждение людям. Красота играет в нашей жизни огромную роль. Красивое влияет на наше отношение к людям, вещам и событием, подчиняя, организуя его неким особым, не всегда ясным способом.

Особые разделы архитектурной теории посвящены ритму – порядку чередования элементов сооружения, симметрии и асимметрии, законам применения цвета в композиции, масштабности построек – зрительному соотношению их размеров с человеком и друг с другом.

Все, кто видел ансамбль Пизанского собора на Площади Чудес, признают, что он невероятно красив. В него входят баптистерий, собор и колокольня высотой в 55 м., 8 ярусов, которой украшены красивыми колоннами и арками.

Конечно, Эйфелева башня тоже поражает своей красотой, возвышаясь над Парижем. Но красота – понятие субъективное. Символом Парижа башня стала относительно недавно. А ведь в далеком XIX веке башня жутко не нравилась парижанам. Негодовали Мопассан, Гюго и Верлен, великие деятели культуры писали длинные гневные письма с требованием немедленно убрать этот «громоотвод» с улиц Парижа. Гюго даже регулярно обедал в ресторане на самом верху башни. На вопрос, зачем он так поступает, если башня ему жутко не нравиться, Гюго отвечал: «Это единственное место во всем огромном Париже, откуда ее не видно». Но до сих пор ее романтический и необычайный вид привлекает людей со всего света.

Нельзя не отметить и Останкинскую башню. Она построена в 1967 г. ее высота 539 м. Такая высокая, строгая, стройная и красивая не перестает удивлять нас тем, как она сочетает в себе все эти качества.

Выводы

Патент на изобретение самых прочных конструкций, самых легких и красивых, получен природой давным-давно. Можно предположить, что человек, являясь частью природы, интуитивно стремиться воспроизвести ее гармонию в своих творениях. Эйфелева башня – модель берцовой кости человека, куполообразные перекрытия, повторяющие строения некоторых радиолярий, наблюдения за полетом стрекозы, давшее возможность создания вертолета, проекты Леонардо Да Винчи – все это факты, которые дают возможность сделать вывод о том, что в их основе лежит закон единства формообразования естественных и искусственных структур. Изучив и проанализировав башни с разных точек зрения, можно сказать, что при строительстве башен действительно используется принцип дырчатых конструкций.

Список литературы

1.       Аксенова. Биология. – М.: Аванта+. - т.2. – 1998.

2.       Аксенова. Человек. – М.: Аванта+. - т.8. – 2001.

3.       Аксенова. Физика. – М.: Аванта+. - т.16. – 2001.

4.       Билимович Б.Ф. Законы механики в технике.. - М.: Просвещение, 1975.

5.       Лянина И.Я. Внеклассная работа по физике. - М.: Просвещение, 1977.

6.       Лянина И.Я. Не уроком единым развитие интереса к физике. - М.: Просвещение, 1991.

7.       Попов. Польза, прочность, красота. - М.: Педагогика, 1979.

8.       Соберсяк Р. Шеренга великих физиков. – Варшава: Наша ксенгарня, 1981.

9.       Дырчатые конструкции / Изобразительное искусство. – М.: 1981.