А так ли хорошо знакомы вам физика + архитектура?

Мой дом построен по законам самой строгой архитектуры. Сам Евклид мог бы поучиться, познавая геометрию моих сот. Пчела («Тысяча и одна ночь»)

Тело, висящее как гибкая цепь, в перевернутом состоянии имеет форму арки. Роберт Гук

Любой звук, произведенный в здании, довольно долго раздается по окончании звучания источника; вследствие многократных отра-

жений, он несколько раз обходит кругом здания… Роберт Вуд Симметрия… есть идея, с помощью которой человек веками пытался объяснить и создать порядок, красоту и совершенство. Герман Вейль Сначала, когда мы взяли модель собора, сделанного из настоящих спичек, и настоящую Землю, то все было отлично и устойчиво. Но потом, когда мы увеличили собор, то должны увеличить и Землю!.. Ричард Фейнман

А так ли хорошо знакомы вам

?

ФИЗИКА + АРХИТЕКТУРА

Когда заходит речь об архитектуре, как правило, в памяти возникает прежде всего целый ряд гармоничных, классических, можно сказать, сувенирных образов – дворцов, усадеб, соборов. Но это всего одна, эстетическая сторона такой многообразной области человеческой деятельности, как зодчество. Другая, может быть не столь возвышенная, земная ее сторона – это воплощение замыслов архитекторов, требующее основательной инженерно-технической подготовки, знания статики и акустики, геодезии и гидравлики, материаловедения и светотехники. Какая же это уникальная профессия – архитектор! И чтобы освоить ее, придется научиться не только чертить и рисовать, но и развивать пространственное воображение – а это геометрия, уметь вычислять – а это алгебра и математический анализ, да и решать физические – куда уж без этого! – задачи. Их же немало разбросано по всем разделам школьного курса физики, требуется лишь должная выборка.

Вопросы и задачи

1. Почему в жарких странах, например в Иране, традиционные постройки размещают $группами?^{2.}$ Высокие здания с проемами на первых этажах непригодны для ветреных районов. Отчего?

2. При проектировании железнодорожного моста один конец его стальной фермы закрепляли, а второй помещали на передвигающуюся тележку. В чем смысл такой $операции?^{4.}$ Плотность используемого для теплоизоляции пенопласта меняется в широких пределах в зависимости от объема его пор. А зависит ли теплопроводность пенопласта от его $плотности?^{5.}$ Почему вытяжку в кухне располагают у $потолка?^{6.}$ Хорошо ли инфракрасные лучи проходят через стекло? А ультрафиолетовые? Какое это имеет значение, если стекло используют при постройке $зданий?^{7.}$ Почему нефтехранилища на крупных предприятиях почти всегда делают цилиндрическими (а иногда даже шарообразными), а не в виде, например, куба, что технологически было бы гораздо $удобнее?^{8.}$ Несколько одинаковых пирамидок с квадратным основанием изготовлены из материала плотностью 1,5 г $см^{3}$. Из них можно собрать кубик с длиной ребер 4 см так, что внутри него не будет полостей. Какова масса одной $пирамидки?^{9.}$ Останкинская телебашня высотой 540 метров имеет массу (без фундамента) более 30 тысяч тонн, а ее верхушка в ветреную погоду колеблется с амплитудой несколько метров. Что же придает башне устойчивость?

10. Эйфелева башня высотой 300 метров имеет массу 7200 тонн. Какую массу будет иметь модель этой башни высотой 30 сантиметров, сделанная из вещества, плотность которого в 3 раза меньше плотности материала $башни?^{11.}$ Построенный почти 2000 лет назад купол римского Пантеона имеет диаметр 43,2 метра, а его вес 4535 тонн. Как удалось распределить в нем внутреннее $давление?^{12.}$ В 1985 году во время сильного землетрясения в Мехико разрушались здания высотой в 7–8 этажей, хотя оставались целыми здания в 4–5 и 10–12 этажей. Чем это можно объяснить?

Микроопыт

Сможете ли вы (очень осторожно!) поставить стол ножками на четыре сырых куриных яйца? Предварительно для устойчивости вертикального положения яиц их надо снабдить снизу резиновыми или пластилиновыми колечками. Если, надеемся, опыт удался, то что он подтвердил?

Любопытно, что…

… развитие городов требовало постройки сооружений для подвода и отвода воды. Задолго до новой эры в городе Мохенджо-Даро на берегу Инда имелись водопровод и канализация для сброса дождевой воды, а Греция славилась публичными банями с совершенной сантехнической системой. … Галилею удалось понять, что прочность материалов изменяется не в прямой пропорции с их размерами. Он был настолько потрясен своим открытием, что счел его столь же важным, как и открытие законов движения. … знакомый школьникам по одному из газовых законов французский физик Эдм Мариотт занимался еще и теорией изгиба балок, внеся поправки в исследования Галилея, а проектируя водопровод для Версальского дворца, изучал прочность труб на разрыв. … великий английский ученый Роберт Гук был и талантливым зодчим – по его проектам был возведен ряд общественных зданий. А важное открытие, касающееся использования цепных кривых в архитек- туре (см. эпиграф), было сделано им в 1671 году. … выдающийся физик Джон Рэлей показал в 1877 году, что задачу о колебаниях сложной системы можно свести к исследованию колебаний с одной степенью свободы. Усовершенствованный позже, этот метод получил большое применение в решении задач теорий сооружений. … строители и архитекторы издавна и с охотой возводят дома на песке. А в 1885 году английский физик Осборн Рейнольдс объяснил, когда и почему песчинки приходят в состояние наиплотнейшего расположения и грунт приобретает все свойства твердого тела. … использование арочных конструкций позволило к концу XlX века создавать гигантские сооружения. Например, к Парижской всемирной выставке 1889 года был построен Дворец машин – в те времена самое большое по пролету здание, занимающее в плане 421 u 115 метров. … один из узнаваемых архитектурных символов Москвы – 150-метровая башня, построенная по проекту инженера и ученого В.Г. Шухова. Ее конструкция состоит из шести секций, собранных из прямых стальных балок, расположенных по образующим гиперболоидов. … за несколько последних десятилетий сложилась отрасль новой архитектуры, занимающейся теорией и практикой проектирования и строительства жилой среды в космическом пространстве. Прежде всего, это разработки концепции орбитальных станций и кораблей для исследования Луны и Марса.

Что читать в «Кванте» о союзе физики и архитектуры

(публикации последних лет) 1. «Аплодисменты здесь тихие» – 2016, №3, с. 34; 2. Калейдоскоп «Кванта» – 2019, №2, с. 32; 3. «Шуховские башни» – 2022, №3, с. 2; 4. «Башня Толи Втулкина» – 2022, №9, с. 26; 5. «Фризы» – 2023, №2, с. 2.

Материал подготовил А. Леонович