Физика в архитектуре

           Муниципальное казённое общеобразовательное  учреждение

                                                    гимназия №259

Школьный конкурс научно-исследовательских работ «Я- исследователь».

                          Учебный  проект по физике

Физика в архитектуре

                                   Предмет:   Физика.

             Работу  выполнил:

              Кипаренко Владислав , 7А МКОУ гимназия №259, ул.Усатого 8, кв.19

            Руководитель проекта:

            Куличкова Лариса Валентиновна

            Учитель физики, МКОУ гимназии  №259 (ул. Постникова 4, г. Фокино)

                                            ЗАТО г.Фокино

                                                 2017 год.

Содержание.

1.Введение. Главный вопрос проекта.

2.Актуальность проекта.

3.Задачи и  цель работы.

4.Теоретический материал.

5. Реализация проекта.

6.Заключение.        

7.Используемые ресурсы.

Введение. Главный вопрос проекта.

В такой важной науке как архитектура используются различные законы физики. Важнейшими из них являются закон Всемирного тяготения и закон Гука. Оба закона тесно связаны с силой – одной из фундаментальных физических величин. Любая форма вещества неизбежно подвергается действию физических процессов. Я решил исследовать применение вышеупомянутых законов физики в архитектуре.

Актуальность проекта.

Я выбрал эту тему, потому что мне стало интересно, как возводились архитектурные сооружения,  какие технологии строительства использовались и как физика связана с архитектурой.

Архитектурный памятник — это научный документ, исторический источник.

Актуальность моей исследовательской  работы заключается в том, что она является   практической проверкой  взаимосвязи физики и архитектуры, в которой используются знания, полученные в школе.

Задачи: 

1. Найти из различных источников, что такое сила упругости и сила тяжести. Определить степень влияния этих сил на состояние архитектурного сооружения.

 2.Выяснить, в каких случаях проблемы устойчивости и прочности проявляются в конкретных архитектурных сооружениях

Цель работы.

Доказать тесную связь архитектуры с физическими законами.

Исследовать зависимости  сил тяжести и упругости в архитектуре.

Гипотеза: Я предполагаю, что:

1.Действие законов физики в архитектуре могут изменяться в зависимости от различных внешних факторов.

2.В зависимости от погодных условий влияние сил сказывается по-разному.

Теоретическая часть.

Архитектурой называют не только систему зданий и сооружений, организующих пространственную среду человека, а самое главное – искусство создавать здания и сооружения по законам красоты.

Слово «архитектура» происходит от греческого «аркитектон», что в переводе  означает «искусный строитель». Сама архитектура относится к той области человека, где особенно прочен союз науки, техники и искусства.

 Еще в I в. до н.э. древнеримский архитектор Витрувий сформулировал три основных принципа архитектуры: практичность, прочность и красота. Здание практично, если оно хорошо спланировано и им удобно пользоваться. Оно прочно, если построено тщательно и надежно. Наконец, оно красиво, если радует глаз своими материалами, пропорциями или деталями убранства.  

 В архитектуре, как в ни каком другом искусстве, тесно переплелись, постоянно взаимодействуя между собой, красота и полезность функционального назначения построек. Неделимое целое в архитектуре создается средствами эстетической выразительности, главным из которых является тектоника – сочетание конструкции архитектурной формы и работы материала. Воплощая свой замысел, архитектор должен знать многие физические свойства строительных материалов: плотность и упругость, прочность и теплопроводность, звукоизоляционные и гидроизоляционные параметры, функциональные характеристики света и цвета.

Любое сооружение должно быть долговечным, а, значит, прочным. Достижение высокой конструктивной эффективности в архитектурно-строительной практике последних лет достигается физическим моделированием природных форм.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних нагрузок, в узком смысле — только сопротивление разрушению. Прочность твёрдых тел обусловлена в конечном счете силами взаимодействия между атомами и ионами, составляющими тело. Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.), от условий эксплуатации (температура, скорость нагружения, длительность и число циклов нагружения, воздействие окружающей среды и т. д.). В зависимости от всех этих факторов в технике приняты различные меры прочности: предел прочности, предел текучести, предел усталости и др. Повышение прочности материалов достигается термической и механической обработкой, введением легирующих добавок в сплавы, радиоактивным облучением, применением армированных и композиционных материалов.

Устойчивость равновесия - способность механической системы, находящейся под действием сил в равновесии, почти не отклоняться при каких-либо незначительных случайных воздействиях (лёгких толчках, порывах ветра и т.п.) и после незначительного отклонения возвращаться в положение равновесия.

Жёсткость - способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации; физико-геометрическая характеристика поперечного сечения элемента конструкции. Понятие жёсткости широко используется при решении задач сопротивления материалов.

Как повысить устойчивость равновесия? Тело (конструкция, сооружение) находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры. Равновесие утрачивается, если линия действия силы тяжести не пройдет через площадь опоры. Как повысить устойчивость равновесия?

1. Следует увеличить площадь опоры, помещая точки опоры дальше друг от друга. Лучше всего, если они будут вынесены за границу проекции тела на плоскость опоры.

2. Вероятность выхода вертикальной линии за границы площади опоры снижается, если центр тяжести расположен низко над площадью опоры, т. е. соблюдается принцип минимума потенциальной энергии.

Среди всех наук физика занимает важное место, которое особенно возросло в современной архитектуре и строительстве.

 В основе выбора архитектурной композиции лежат данные многих наук: надо учитывать назначение сооружения, его конструкцию, климат местности, особенности природных условий. Требования к конструктивным элементам зданий:

Архитектурные сооружения должны возводиться на века.

Конструктивные элементы (деревянные, каменные, стальные, бетонные и т.п.), воспринимающие основные нагрузки зданий и сооружений должны надёжно обеспечивать прочность, жёсткость и устойчивость зданий и сооружений.

Чем выше архитектурное сооружение, тем строже требования к его устойчивости. 

С 1829 года на Дворцовой площади в Санкт-Петербурге начались работы по подготовке и строительству фундамента и пьедестала Александровской колонны.Фундамент памятника был сооружён из каменных гранитных блоков полуметровой толщины. Он был выведен до горизонта площади тёсовой кладкой. В его центр была заложена бронзовая шкатулка с монетами, отчеканенными в честь победы 1812 года.

Работы были закончены в октябре 1830 года.

Строительство пьедестала

После закладки фундамента, на него был водружён громадный четырёхсоттонный монолит, привезённый из Пютерлакской каменоломни, который служит основанием пьедестала.

Инженерная задача установки столь крупного монолита была решена О. Монферраном следующим образом:

Установка монолита на фундамент. Монолит закатили на катках через наклонную плоскость на платформу, построенную вблизи от фундамента. Камень свалили на кучу песка, предварительно насыпанную рядом с платформой. Были подведены подпорки, потом работники выгребли песок и подложили катки.Подпорки подрубили, и глыба опустилась на катки. Камень вкатили на фундамент.Канаты, перекинутые через блоки, натянули девятью кабестанами и приподняли камень на высоту порядка одного метра.

                        Подъём Александровской колонны

По наклонной плоскости колонну подкатили на особую платформу, находившуюся у подножия лесов и обмотали множеством колец из канатов, к которым были прикреплены блоки.

Большое число канатов, опоясывающих камень, огибало верхние и нижние блоки и свободными концами были намотаны на кабестаны, расставленные на площади.

Каменная глыба наклонно приподнялась, неспешно поползла, затем оторвалась от земли и её завели на позицию над пьедесталом. По команде канаты были отданы, колонна плавно опустилась и стала на своё место.

Скульптура « Родина-мать зовет» сделана из предварительно напряжённого железобетона — 5500 тонн бетона и 2400 тонн металлических конструкций (без основания, на котором она стоит).

Статуя стоит на плите высотой 2 метра, которая покоится на главном фундаменте.

Скульптура полая. Внутри вся статуя состоит из отдельных ячеек-камер. Толщина железобетонных стен скульптуры составляет 25—30 сантиметров. Жёсткость каркаса поддерживается 99 металлическими тросами, постоянно находящимися в натяжении.

Меч длиной 33 метра и весом 14 тонн был первоначально сделан из нержавеющей стали, обшитой листами титана. Огромная   масса и высокая парусность меча, обусловленная его колоссальными размерами, вызывали сильное раскачивание меча при воздействии ветровых нагрузок, что приводило к возникновению избыточного механического напряжения в месте крепления руки, держащей меч, к телу скульптуры. Деформации конструкции меча также вызывали перемещения листов титановой обшивки, создавая неприятный для слуха звук гремящего металла. Поэтому в 1972 году лезвие заменили на другое — целиком состоящее из стали,— а в верхней части меча предусмотрели отверстия, позволившие уменьшить его парусность.

Останкинская телебашня          

Внешне лёгкое элегантное сооружение высотой 540 м, удачно вписанное в окружающий ландшафт. Возвышаясь над окружающей застройкой, выразительная и динамичная по композиции, башня играет роль основной высотной доминанты и своеобразной эмблемы города.

Авторы проекта Останкинской телебашни уверены в инженерных расчётах по устойчивости сооружения: огромная полукилометровая башня была построена по принципу неваляшки. Три четверти всего веса башни приходятся на одну девятую её высоты, т. е. основная тяжесть башни сосредоточена внизу у основания. Потребуются колоссальные силы, чтобы заставить упасть такую башню. Ей не страшны ни ураганные ветры, ни землетрясения.

По первоначальному проекту у башни было 4 опоры, позже — по совету всемирно известного немецкого инженера-строителя Фритца Леонхардта автора первой в мире бетонной телебашни в Штутгарте — их число увеличили до десяти. Высота башни была увеличена до 540 м, увеличено количество телевизионных и радио программ.

 Причиной устойчивости Александрийской колонны в Санкт-Петербурге  и многих других высотных сооружений является близкое к земле расположение центра масс сооружения.

Тело (конструкция, сооружение) находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры. Равновесие утрачивается, если линия действия силы тяжести не пройдет через площадь опоры.

Реализация проекта.

Я обратился к различным источникам информации о существующих масштабных сооружениях на территории России. Меня заинтересовали четыре архитектурных объекта: Александровская колонна в Санкт-Петербурге, Останкинская  телебашня в Москве, мемориальный комплекс с главным сооружением «Родина -мать зовет» в Волгограде и памятник «Медный всадник» в Санкт-Петербурге.

Любое сооружение должно быть долговечным, а, значит, прочным.

Я решил узнать, каким образом эти масштабные объекты удерживаются на земле и не падают. Как законы физики помогают им  находиться в состояниях устойчивого равновесия.

Александровская колонна.

   Архитектор-Огюст Монферран.  Воздвигнута в 1834г.

    Общая высота сооружения 47,5 м.

   Высота ствола (монолитной части) колонны 25,6 м

   Высота пьедестала 2,85 м

   Высота фигуры ангела 4,26 м,

   Высота креста 6,4 м

  Нижний диаметр колонны 3,5 м (12 футов), верхний — 3,15 м

   Размер постамента — 6,3×6,3 м.

   Общий вес сооружения 704 тонны.

    Вес каменного ствола колонны около 600 тонн.

     Общий вес навершия колонны около 37 тонн.

Вывод:

Я выяснил, что колонна была установлена вручную при помощи простых механизмов: блоков, наклонных плоскостей.

 Монумент обладает удивительной чёткостью пропорций, лаконизмом формы, красотой силуэта.

Это самый высокий монумент в мире, выполненный из цельного гранита и третья по высоте из всех монументальных колонн .

Колонна стоит на гранитном основании без каких-либо дополнительных опор, лишь под действием силы собственной тяжести равной  7040000Н=7,04МН

Ствол колонны — самый высокий и самый тяжёлый монолит, когда-либо установленный в виде колонны или обелиска вертикально, и один из величайших (пятый за всю историю и второй — после Гром-камня — в Новое время) перемещённых человеком монолитов.

А так же я выяснил, что  причиной устойчивости  колонны является близкое к земле расположение центра масс сооружения.

Архитектурное сооружение    «Родина-мать зовёт!»г.Волгоград 1967г.

Архитекторы-Е.В.Вуетич,Н.В.Никитин

Скульптура «Родина-мать зовёт!» занесена в книгу рекордов Гиннеса как самая большая на тот момент скульптура-статуя в мире.

Её высота — 52 метра,

длина руки — 20 м.  и меча — 33 метра.

 Общая высота скульптуры — 85 метров.

 Вес скульптуры — 8 тысяч тонн, а меча — 14 тонн.

Вывод:

Я выяснил, что статуя стоит на плите высотой 2 метра, которая покоится на главном фундаменте. Скульптура полая. Жёсткость каркаса поддерживается 99 металлическими тросами, постоянно находящимися в натяжении.

Сила упругости имеет огромную величину и уравновешена силой тяжести скульптуры равной 80000000 Н=80МН.

Для меня стало открытием, что в руках этой скульптуры  было два разных меча. Первый- длиной 28м сильно раскачивался на 1,5-2 метра при сильном ветре, что могло привести к разрушению всей скульптуры .Выйти из положения решили путем создания нового меча большей массы и длины до 33м, была использована сталь с большим содержанием углерода, что повысило его прочность. Теперь при сильном ветре отклонения меча составляют не более  1,5-2 см.

Останкинская телебашня               Главный конструктор — Н. В. Никитин.     

                                    Главный архитектор — Л. И. Баталов

 Высота — 540 метров

Глубина фундамента не превышает 4,6 метров.

Диаметр основания — 60 метров.

Масса башни вместе с фундаментом — 55 000 тонн.

Коническое основание сооружения опирается на 10 опор

Кольцевые сечения ствола башни обжаты 150  канатами.

Средний диаметр между опорами-ногами — 65 метров.

Высота опор — 62 метра.

Максимальное теоретическое отклонение вершины башни при максимальных расчётных скоростях ветра — 12 метров

Вывод:

Я узнал, почему устойчива Останкинская башня:

У основания она  опирается десятью железобетонными «ногами» в кольцевой фундамент с внешним диаметром 74 м, заложенный в грунт на глубину 4,65 м. Такой фундамент, несущий 55 000 т бетона и стали, обеспечивает шестикратный запас прочности на опрокидывание. На изгиб запас прочности был выбран двукратный.  Напряжённый железобетон, сжатый стальными тросами, позволил сделать конструкцию башни простой и прочной.

Амплитуда колебаний верхней части башни при сильном ветре достигает 3,5 м!  Узнал, что врагом башни является  Солнце: из-за нагрева с одной стороны корпус башни переместился у вершины на 2,25 м, но 150 стальных тросов удерживают ствол башни от искривления. Велика сила упругости, уравновешивающаяся силой тяжести в 550000000Н=550МН  .

Я восхищен прогрессивной идеей Никитина об  использовании относительно мелкого фундамента, когда башня должна была бы практически стоять на земле, а её устойчивость обеспечивалась бы за счёт многократного превышения массы конусообразного основания над массой мачтовой конструкции.

 До возведения Останкинской Башни в нашей стране использовалась Шуховская Башня  160 м. на Шаболовке-37 (проект В.Г.Шухова) – самое лёгкое в мире сооружение. В этом году ей 95 лет. Её лёгкость обусловлена тем, что все её элементы работают только на сжатие (это обеспечивает прочность сооружения), а ажурность конструкции уменьшает вес башни.

Памятник  Петру I   (Медный Всадник).Санкт-Петербург

   Высота памятника-10,4 м, масса приблизительно 1600 т.

«Гром-камень»- основа пьедестала Медного всадника.

Монумент уникален тем, что имеет всего три точки опоры:

задние ноги коня и извивающийся хвост змеи.

«Гром-камень»перевозили на деревянной платформе, под которую были уложены тридцать металлических шаров диаметром 5 дюймов каждый (прообразы современных подшипников) .Шары катились по двум

параллельным желобам. Скала проехала расстояние 8,5 верст (9 км), в ее транспортировке участвовало около 1000 человек.

Вывод:

 Я познакомился с условиями устойчивого равновесия.

 Узнал,  что монумент имеет всего три точки опоры: задние ноги коня и извивающийся хвост змеи.

Для того, чтобы скульптура приобрела устойчивость, мастера должны были облегчить ее переднюю часть, потому толщина бронзовых стенок передней части намного тоньше задних стенок, что значительно усложнило отливку монумента.

Я был удивлен, тому, что  камень начали обтесывать по ходу перемещения с берега Финского залива. Однако императрица запретила его трогать: будущий пьедестал должен прибыть в столицу в естественном виде! Свой нынешний облик «Гром-камень» обрел уже на Сенатской площади, значительно «похудев» после обработки.

«Гром-камень» перевозили на деревянной платформе, под которую были уложены тридцать металлических шаров диаметром 5 дюймов каждый. Шары катились по двум параллельным желобам (прообраз современных  подшипников).

 Заключение. В ходе проекта моя гипотеза подтвердилась.

Вывод: В результате проделанной работы я узнал, на сколько важны силы тяжести и упругости в архитектуре, и какова роль закона устойчивого равновесия в строительстве архитектурных сооружений. Я привёл четыре примера различных памятников и скульптур. В них во всех действуют законы физики. Александровская колонна стоит лишь под действием силы собственной тяжести, что достигается за счёт увеличения площади опоры. Останкинская телебашня опирается на десять железобетонных “ног” в каждой из которых – пятнадцать стальных тросов. Такая конструкция увеличивает жёсткость постройки. Меч “Родины – матери” был заменён на стальной, с отверстиями на конце, которые позволяли уменьшить его парусность, тот есть понизить воздействие ветра. А толщина стенок Медного всадника неравномерна, что позволяет повысить его устойчивость.

 P.S .  

На этом я не останавливаюсь, буду продолжать следить за новыми технологиями строительства.  А также сравнивать с архитектурой прошлых веков и рассмотрю симметрию в оформлении  зданий.

Использованные информационные ресурсы:

Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2006.

  Иллюстрированный энциклопедический словарь.

  Энциклопедия «Мир вокруг нас»

  Детская энциклопедия Кирилла и Мефодия 2006.

   Библиотека наглядных пособий.

  Ресурсы интернет и Википедия

Высота памятника-10,4 м, масса приблизительно 1600 т.

Спустя некоторое время после создания проекта и многочисленных поисков, литейщик, наконец-то, нашелся. Им оказался Емельян Хайлов, пушечных дел мастер. Совместно с французским скульптором он подбирал сплав нужного состава и делал пробы. Непосредственно отливка памятника стартовала в 1774 году и проводилась по невероятно сложной технологии. Необходимо было добиться, чтобы передние стенки в толщине своей непременно уступали задним, что придавало бы композиции необходимую устойчивость. Но вот незадача: труба, по которой расплавленная бронза поступала в форму, вдруг лопнула, испортив верхнюю часть монумента. Её пришлось удалить и еще три года затратить на подготовку ко второй заливке. В этот раз фортуна им улыбнулась, и всё было готово в срок и без происшествий. После трехлетней подготовки была проведена повторная отливка, оказавшаяся полностью удачной. Именно по его чертежам изготовили приведшую всех в восторг машину, с помощью которой транспортировали «Гром-камень», легший в основу пьедестала Медного всадника.

Кстати, о «Гром - камне». Его нашел в окрестностях деревушки Конная Лахта крестьянин Семен Вишняков, откликнувшийся на обращение в «Санкт-Петербургских ведомостях». Мегалит весил 1600 тонн и когда был извлечен из земли, то оставил после себя огромный котлован. Он заполнился водой и образовался водоем, названный Петровским прудом и сохранившимся до наших дней. Чтобы доставить камень к месту погрузки, нужно было преодолеть почти 8 километров. Но как? Решили дождаться зимы, чтобы подмерзшая почва не проседала под его тяжестью. Транспортировка началась 15 ноября 1769 года и завершилась 27 марта 1770 года (по старому стилю) на берегу Финского залива. К тому моменту здесь построили пристань для отгрузки исполина. Чтобы не терять драгоценное время, камень начали обтесывать по ходу перемещения. Однако императрица запретила его трогать: будущий пьедестал должен прибыть в столицу в естественном виде! Свой нынешний облик «Гром-камень» обрел уже на Сенатской площади, значительно «похудев» после обработки. «Гром-камень» перевозили на деревянной платформе, под которую были уложены тридцать металлических шаров диаметром 5 дюймов каждый. Шары катились по двум параллельным желобам (прообраз подшипников).

Монумент уникален тем, что имеет всего три точки опоры. Чтобы скульптура приобрела устойчивость, мастера должны были облегчить ее переднюю часть, потому толщина бронзовых стенок передней части намного тоньше задних стенок, что значительно усложнило отливку монумента. 

Заключение.

Вывод: В результате проделанной работы я узнал, на сколько важны силы тяжести и упругости в архитектуре, и какова роль закона устойчивого равновесия в строительстве архитектурных сооружений. Я привёл четыре примера различных памятников и скульптур. В них во всех действуют законы физики. Александровская колонна стоит лишь под действием силы собственной тяжести, что достигается за счёт увеличения площади опоры. Останкинская телебашня опирается на десять железобетонных “ног” в каждой из которых – пятнадцать стальных тросов. Такая конструкция увеличивает жёсткость постройки. Меч “Родины – матери” был заменён на стальной, с отверстиями на конце, которые позволяли уменьшить его парусность, тот есть понизить воздействие ветра. А толщина стенок Медного всадника неравномерна, что позволяет повысить его устойчивость.

На этом я не остановлюсь, я буду проводить опыты, и увижу эти законы в действии.