Архитектурная бионика

182

Архитектурная бионика Но разница здесь заключается в том, что механическая ткань имеет предел пропорциональности (5 прч , тождест ­ венный праделу прочности, у стали же он значительно ниже, и уже при 2000 кгс/см2 сталь перестает под ­ чиняться закону Гука — закону пропорциональности между напряжениями и удлинениями, и материал начи ­ нает, как говорят, течь и лишь потом благодаря некото ­ рой перестройке кристаллической структуры металла наступает последнее усилие в сопротивляемости — или временное сопротивление разрыву. Механическая ткань растения подчиняется закону Гука до предела прочно ­ сти, минуя указанные промежуточные стадии поведения материала, характерные для стали. Этот факт объясняет такое свойство механической ткани растений, как со ­ четание прочности и эластичности, твердости и вязкости, сообщающие особую эффективность материалу в смыс ­ ле универсальности его реакции на действие разно ­ родных нагрузок. При всем этом растительные ткани обладают и хоро ­ шими удельными свойствами, т.е. хорошим соотноше ­ нием прочности, жесткости или модуля упругости к удельному весу тканей: у древесины Е/# — 2,7-10^, у же ­ леза Е/^' = 2,8-10 3 ( Е — модуль упругости, ^ — удель ­ ный вес) . Но. при этом древесина обладает большей надежностью в работе, что связано с ее вязкостью — очень ценным конструктивным свойством. Известный исследователь в области физических свойств различных материалов Джон Гордон пишет: "самый тяжкий грех конструкционного материала — не недо ­ статочность прочности или жесткости, которые, конечно, совер ­ шенно необходимы, а недостаток вязкости, иными словами, — недостаточное сопротивление распространению трещин" ) 4]. Дело в том, что прочность все более или менее твер ­ дых материалов (в том числе и сталь) значительно ниже теоретической из-за расположенных по всей их структу ­ ре микроскопических тращин, появление которых связано с разрывами атомных цепочек. Под действием нагрузок трещины в связи с концентрацией около них напряжений начинают распространяться с молни ­ еносной быстротой, разко снижая потолок сопротив ­ ляемости материала. Следовательно, стоит проблема торможения трещин. В растительном мире в стволе дерева, стебля и т.п. благодаря органичному соединению в твердых и хрупких (например, склеренхимных) и эластичных тканей трещины по всему сечению материала распространяться не могут. Кроме того, чем тоньше нити волокон, тем меньше возможности возникновения в них трещин. Инженеры используют этот природный принцип. Для создания новых материалов применяются специаль ­ ные создаваемые "сверх-волокна", обладающие проч ­ ностью, приближающейся к теоретической. Первая идея этого применения органическая — чем тоньше волокно, тем меньше возможности появления в нем трещин. Прочность таких волокон достигает 70 000 — 100 000 кгс/ /см2, или в 20 — 30 раз большей прочности стали СтЗ (например, кристаллические "усы", возникающие на по ­ верхности металлов) . Вторая органическая идея — расположение таких тонких волокон в каком-то плас ­ тичном материале, с которым он должен крепко схва ­ тываться, чтобы получился строительный материал для конструирования. В итоге возникает модель природ ­ ной структуры, но значительно усовершенствованной (именно таким и должен быть архитектурно-бионичес ­ кий процесс) . Физики в своих лабораториях производят сейчас подобные конструктивные материалы, основываясь на исследовании "строительного материала живой при ­ роды", но результаты их работы пока не доходят до строителей. На перспективу можно было бы говорить о создании не пассивных материалов, какими они являются в

строительстве, а активных, как в органическом мире, т.е. таких, которые можно было бы подпитывать энер­ гией. Снабжая материал энергией, ему можно придать бесконечную эффективную жесткость. И это не фанта ­ зия, а реально открывающаяся возможность. Нужно принять к сведению и еще один важный мо ­ мент, касающийся материала растений, — он легкий, если бы не'вода. Мы знаем, что ткани растений содер ­ жат иногда до 80 — 90% воды. Значит "сухое" вещество в растении составляет чаще всего совсем небольшой процент. Сухое вещество включает в себя органический и не­ органический компоненты. Если сжечь сухое, обезво ­ женное растение, то останется несгораемый серый по ­ рошок — зола. Органическая часть растения, состоящая из углерода, водорода, кислорода . и азота, соединив ­ шись с кислородом и водородом воздуха, превратив­ шись в углекислый газ и парообразную воду, улетучи ­ вается. Золы по отношению к массе сухого вещества в сред ­ нем получается 5% * , по отношению же к массе всего растения с учетом 80 — 90% массы воды количество зо ­ лы понижается до 0,2 — 0,15%. * В живом состоянии в сочетании с водой, материал становится тяжелее, но вместе с тем он приобретает эластичность, гибкость и одновременно упругость, не теряя прочности. Правда, некоторые ткани живой природы, например механические, лишены такой элас ­ тичности и приближаются к минеральным материалам — они как бы переходны. Мы рассмотрели в основном материал растений. Полученные выводы можно отнести и к материалу дру ­ гих видов живого мира. Отметим лишь, что затвердев ­ шим тканям растительного мира соответствуют подоб ­ ные же, еще более твердые ткани в животном мире. Это — скелеты и всевозможные скорлупы, раковины и панцири животных. Многие из подобных образований нашли применение в строительстве — известняк, раку ­ шечник и т.п. По химическому составу они почти по ­ добны естественным строительным материалам, но зна ­ чительно отличаются от них своей структурой, что и заставляет посмотреть на окаменевшие элементы живых организмов другими глазами. Большой интерес представляет костный материал и мышечные ткани животных, выполняющие в организ ­ ме прямо противоположную механическую работу: кос ­ ти скелета в основном работают на сжатие и на изгиб, мышцы и сухожилия — на растяжение. Рассматривая природный материал, нужно отметить еще такой интересный факт, как зависимость механи ­ ческих свойств материала живой природы от окружаю ­ щих природно-климатических условий (особенно влаж ­ ности, так, панцири морских животных в воде приоб ­ ретают эластичность) и питания живых организмов. Установлено, что механические свойства скорлупы яиц, панцирей животных, волокон растений неодина ­ ковы в различных местностях (это нужно учитывать при исследованиях материала живой природы) . В связи с более пристальным изучением материала растений и других видов живой природы в наши дни уже начинает меняться отношение к требованиям, предъявляемым к конструктивным свойствам строй- тельного материала. Например, не только тонкие нити — ванты, но и синтетические пленки стали строительными материалами, выполняющими свою конструктивную роль, часто эффективнее, чем тяжелые минеральные или искусственные каменные материалы. Конструк- В частных случаях от этой цифры есть значительные отклоне ­ ния: в древесине — около 1%, в семенах — 3%, в листьях — 12%. Есть такие водоросли, которые накапливают в сабе до 50% и более неорганических веществ.