Растения - архитекторы, строители, механики
Когда во второй половине прошлого века первые исключительно смелые инженерные сооружения из стекла, стали и бетона начали постепенно вытеснять постройки традиционных архитектурных стилей, то их появление ознаменовало глубокий переворот в зодческом искусстве. Успехи в строительной технике позволили создать новые, ранее неизвестные архитектурные формы и конструкции. Провозвестниками новомодных тенденций в зодчестве явились здания вокзала в Ливерпуле (1852 год), Парижская библиотека (1861 год) и Эйфелева башня, открытие которой было приурочено к Всемирной выставке 1889 года в Париже. Однако первым по-настоящему гениальным монументальным сооружением новой архитектуры был Хрустальный дворец в Лондоне, огромное здание павильонного типа, построенное целиком из стекла и металла.
Создатель Хрустального дворца Джозеф Пакстон, в молодости страстный любитель-садовод, принял участие в конкурсе на разработку проекта ярмарочного павильона для Всемирной выставки в Лондоне (1851 год). Честолюбие Пакстона, присущее ему чувство новизны, горячее желание затмить конкурентов — все побуждало его искать эпохальные решения. Ему виделось сооружение, которое, несмотря на свои гигантские размеры, не воспринималось бы как нечто тяжелое и неуклюжее, а напротив, казалось бы почти невесомым. Это должна была быть конструкция, которая позволила бы экономно расходовать строительные материалы и широко применять стекло, стекло и еще раз стекло. В то же время она должна была быть достаточно прочной, с тем чтобы полностью соответствовать требованиям, предъявляемым статикой сооружений.
В архитектуре не было аналогов для подобного проекта, ибо новое не имеет образцов для подражания. Правда, инженеры, строители мостов, уже в течение почти целого столетия на практике демонстрировали конструктивные преимущества и высокую несущую способность стальных конструкций. Сам Пакстон построил в 1837 году крупнейшую для того времени оранжерею из стекла и стали. Но подобные инженерные решения нельзя было безоговорочно переносить в область создания крупных сооружений павильонного типа. Если бы при возведении таких зданий стали использовать лишь тяжелые фермы, какие применяются при строительстве мостов, то здания получились бы чересчур массивными и громоздкими. Творению же Пакстона надлежало быть изящным и легким. И тут бывший садовод-любитель вспомнил о некоей растительной конструкции, которая сочетала в себе, с одной стороны, малые затраты строительных материалов, а с другой — высокую устойчивость и столь же высокую грузоподъемность. В молодости Пакстону часто приходилось любоваться гигантскими плавающими листьями Виктории регии. Ее округлые листья достигают в диаметре 2 метров (фото 6). Несмотря на незначительную толщину, они достаточно прочны, чтобы выдержать тяжесть взрослого человека. Своей столь высокой прочностью листья обязаны тому, что их нижняя поверхность усилена своего рода балками (фото 7). Из центра листа лучами, напоминающими спицы в колесах, расходятся во все стороны толстые, сильно выдающиеся жилки, которые по мере приближения к краю листа становятся все более и более плоскими. Из-за того, что жилки многократно, до пяти раз, ветвятся, расстояние между ними у кромки листа остается небольшим. В результате из одной крупной жилки в центре листа у его периферии образуется до 32 жилок, скрепленных друг с другом более плоскими поперечными связками.
Фото 6. Гигантские плавающие на поверхности воды листья Victoria regia с их высоко приподнятыми краями — прекрасный пример ботанической «лодки». Подъемная сила этих листьев необычайно велика. Юная девушка, изображенная на фотографии, весит почти 40 килограммов.
Фото 7. Совершенная конструкция «распорок» на нижней стороне листа Виктории регии обеспечивает ему очень высокую прочность.
Фото 8. Ажурную конструкцию своего Хрустального дворца архитектор Джозеф Пакстон заимствовал у листьев тропических водяных лилий.
Решение было найдено. Именно таким образом должен конструировать свой Хрустальный дворец и он, Джозеф Пакстон. Основу составят немногочисленные крупные силовые балки, от них отойдут менее крупные распорки, которые соединят между собой многочисленные тонкие связи. Более изящной конструкции он создать не мог (фото 8). Пятнадцатого июля 1850 года королевская комиссия телеграфом подтвердила выбор его проекта. Но если быть справедливым до конца, то истинным победителем в этом конкурсе надо считать не Джозефа Пакстона, а тропическую лилию. Заслуга Пакстона лишь в его наблюдательности, в том, что он сумел воплотить в стекле и металле строительные принципы, какие существуют в растительном мире уже очень много лет.
Когда техническая мысль приходит к тем же результатам, какие дает биологическая эволюция, или же когда в качестве образца она использует инженерные решения, найденные природой, мы можем быть полностью уверены в том, что созданная ею конструкция окажется целесообразной.
Гофрированный лист
Существуют две возможности, позволяющие придать тонкому листу со значительной площадью поверхности, а именно таковы листья многих тропических растений, дополнительную жесткость.
С одной из них мы уже познакомились. Это — образование ребер жесткости. Для водных растений, как Виктория регия, этот метод вполне пригоден. Здесь практически не имеет никакого значения то обстоятельство, что дополнительные конструкции в форме многочисленных распорок утяжеляют лист. Вода, на поверхности которой плавают листья гигантских лилий, хорошо выдерживает их вес.
Иное дело крупные и очень крупные листья наземных растений, и прежде всего тех, которые произрастают в тропических районах Земли с их частыми ураганными ветрами и сильными ливнями.
Длина листьев некоторых видов веерообразных пальм достигает 5—10 метров, в отдельных случаях — 15 метров при ширине 3—4 метра. Площадь поверхности таких листьев-гигантов колеблется от 15 до 60 квадратных метров. Само собой разумеется, что при столь огромных размерах сам лист должен быть предельно легким, с тем чтобы не создавать чрезмерной нагрузки на черешок. Черешок должен не только выдерживать вес листа-гиганта, но и суметь оказывать сопротивление всем воздействующим на него силам. На островах Малайского архипелага почти ежедневно во второй половине дня разражаются тропические ливни. Они сопровождаются ураганными ветрами, подвергающими листья пальм и других растений жесточайшим испытаниям на прочность. Одновременно с неба всего за несколько часов на землю низвергается колоссальное количество воды, какого не может дать даже знаменитый зальцбургский ливень, даже если бы он длился целый месяц. Поэтому крупные листья тропических растений, чтобы противостоять всем превратностям непогоды, должны быть, с одной стороны, исключительно легкими, с другой — в высшей степени прочными. Суметь конструктивно увязать такие характеристики, как легкость и прочность, — чрезвычайно сложная техническая проблема. Растениям удалось успешно решить ее, использовав принцип гофрирования. Хорошо известно, что жесткость на изгиб тонкого листа стали повышается, если сделать на нем ряд параллельных волнистых складок. Сколь значительным может быть при этом увеличение прочности, показывает простой пример. Возьмем лист машинописной бумаги и сложим его гармошкой по длине с таким расчетом, чтобы ширина каждой складки составляла один сантиметр. В итоге мы получим лист гофрированной бумаги. Если теперь лист обычной бумаги положить на две опоры, установленные по его краям, то он прогнется под собственной тяжестью (6 граммов). Этого не произойдет с гофрированным листом, даже если на него поместить значительный груз. На фото 9 такой лист опирается концами на две рюмки, отстоящие друга от друга на 23 сантиметра. В середину пролета поставлен наполненный вином бокал, вес которого равен 230 граммам. Бумага, сложенная гармошкой, выдерживает этот вес. Нагрузку продолжают увеличивать, и лишь когда она достигла 700 граммов, гофрированный лист бумаги прогнулся. Таким образом, соответствующее профилирование поверхности бумажного листа позволило увеличить его прочность, без установки промежуточной опоры, более чем в 100 раз.
Фото 9. Если сложить лист обыкновенной бумаги гармошкой, его прочность возрастет более чем в 100 раз!
Фото 10. Своей прочностью гигантские листья многих видов пальм обязаны все тому же принципу гофрирования «строительного материала». На снимке — лист южнокитайской ливистонии.
Фото 11. На снимке изображена свободнонесущая конструкция перекрытия, установленного над въездом в тоннель под Монбланом. По своей форме она напоминает гигантский лист пальмы.
Метод по-гениальному прост. Его с успехом использует природа, создав листья, имеющие в поперечном разрезе зигзагообразную форму (фото 10). Любопытно, что лист не становится менее прочным даже тогда, когда он оказывается, как это хорошо видно на снимке, надорванным по каждому второму сгибу. Частичное разрушение листовой пластинки ни в коей мере не отражается на его биологической функции, ибо оно «запланировано» природой. У многих видов растений лист, если только он не несет особой нагрузки, в процессе роста самопроизвольно, без какой-либо видимой причины надрывается. Еще в 1893 году такие листья были описаны профессором Г. Хаберландтом, ботаником, художником, исследователем тропической растительности и прекрасным натуралистом:
«Если бы кто-нибудь пожелал написать трактат о нерациональных творениях в царстве растений, тому, несомненно, показалось бы очень заманчивым рассказать о банановом дереве (Musa sapientum), чьи гигантские листья разрезаны дождем и ветром до серединки пластинки на многочисленные узкие полоски. Однако при более тщательном рассмотрении становится ясно, что пример выбран крайне неудачно. Листья, края которых никак не защищены от механических повреждений, легко надрываются; разрыв происходит параллельно вторичным жилкам листа вплоть до самой крупной срединной жилка. Раны листа заживают легко и быстро, а обвисшие, казалось бы вялые, сегменты продолжают нормально функционировать. Сильные ветры превращают чересчур крупные цельные листовые пластинки в лохматую бахрому. Это обстоятельство позволяет растению экономить „строительные“ материалы, иначе для того, чтобы предотвратить разрыв листьев большой площади, потребовалось бы применить мощные механические конструкции. Вместе с тем многократно разорванная листовая пластинка дает растению еще одно преимущество. Свободно висящие узкие сегменты листа жестко не закреплены, и это предохраняет их от повреждений сильными тропическими ливнями и защищает от палящих лучей высоко стоящего тропического солнца: на сегменты по сравнению с неповрежденной поверхностью лучи солнца падают под более острым углом. Итак, буквально „измочаленный“ ветрами и ливнями лист банана являет собой поучительный пример того, как в мире растений из, казалось бы, полностью нерациональных начал формируется нечто целесообразное. Это, далее, напоминание о том, что в области приспособления природе ничто так не чуждо, как ничем не оправданное, упорное сохранение одних и тех же, хотя бы и проверенных практикой схем».
Принцип гофрирования широко применяется в технике для повышения прочностных свойств конструкционных материалов. Этим исключительно простым путем добиваются повышения прочности многих вещей: кровли, стенок металлических гаражей, фюзеляжей самолетов, кузовов автомашин (для чего используется гофрированная листовая сталь), балконов (с этой целью их облицовывают гофрированными асбоцементными или полиэфирными плитами), картона, идущего на производство упаковки, и даже плиссированных бумажных юбок для рождественских карнавалов. Однако к мысли искусственно создавать в рукотворных структурах разрывы, подобные тем, какие наблюдаются у многих видов пальм (фото 10), инженеры пришли сравнительно поздно. Впервые эта идея была реализована в 1965 году при сооружении свободнонесущей конструкции защитного навеса при въезде в один из самых длинных и глубоких современных тоннелей — тоннель под Монбланом (фото 11).
«Арматурная сталь»
Одним из важнейших архитектурных элементов, применяемых с очень давних времен, является колонна. Известна она и в растительном мире. На протяжении более чем четырех тысяч лет архитекторы создают ее с однородной внутренней структурой. В то же время природа испокон веков выращивает колонны, которые в принципе сконструированы столь же рационально, как и те армированные сталью бетонные опоры, с которыми человек знаком на протяжении чуть более 100 лет. Бетон хорошо сопротивляется сжатию, но плохо переносит значительные растягивающие нагрузки, что обусловливает его повышенную восприимчивость к изгибающему напряжению. Вспомним наш опыт с листом гофрированной бумаги и положим бетонную плиту концами на две опоры. Как и в первом случае, нагрузим плиту. Какое-то непродолжительное время ее нижняя часть будет испытывать растяжение. Затем плита треснет, поскольку бетон неэластичен. Однако если бетон армировать сталью, которая устойчива к растягивающим нагрузкам, то вся конструкция обретет ту высокую прочность и долговечность, какие присущи, например, большепролетным автодорожным мостам. Разумеется, стальная арматура в железобетонной конструкции должна располагаться там, где возникают наибольшие напряжения на растяжение. В той бетонной плите, о которой шла речь выше, армировать следует ее нижнюю часть. Напротив, в случае свободнонесущего балкона арматура должна быть помещена в верхнем слое бетонной плиты, поскольку балкон, у которого один конец не закреплен, а свободен, прогибается в направлении, обратном тому, в котором изгибалась бетонная плита, положенная на две опоры.
А что же происходит с колонной? Поскольку она совершенно симметрична, напряжение на изгиб может возникать в любом направлении. Поэтому колонну нужно армировать таким образом, чтобы продольные стальные стержни располагались в ней по всему периметру, в непосредственной близости от поверхности и по всей высоте колонны. Для того чтобы до и в момент заливки бетоном прутковая основа не распалась, стержни связывают Друг с другом мягкой проволокой. В середине колонны, где напряжения не возникают, ставить арматуру нет необходимости.
На фото 12 показан идеальный арматурный каркас, или «короб», как его называют специалисты. Каркас уже построен, остается возвести опалубку и начать заливку бетоном.
Фото 12. Стальной арматурный каркас железобетонной опоры будущего автодорожного моста внутри полый. Он будет располагаться по периферии готовой опоры.
Читателю должно быть известно, что изобретатель железобетона не был ни инженером, ни архитектором. Им оказался французский садовник Ж. Монье. В 1867 году, пытаясь изготовить для своих цветов кадки из цементного раствора, он впервые применил каркас из металлической сетки. Но и он не «изобрел», а скорее «открыл» железобетон, ибо, будучи садовником, Ж. Монье не мог не видеть, каким образом растения усиливают свои несущие конструкции.
Без открытия Ж. Монье были бы просто немыслимы многие современные сооружения из бетона: мосты, небоскребы, телебашни, свободнонесущие конструкции зданий аэропорта и даже навесы автозаправочных станций.
Принцип армирования известен растениям на протяжении уже более 250 миллионов лет. У некоторых видов кактусов, в частности у цереусов, напоминающих своей формой гигантские канделябры, мягкие ткани после отмирания полностью разрушаются, открывая взору внутренний скелет растения (фото 13). Как и в железобетонной конструкции (фото 12), арматура кактуса располагается в непосредственной близости от поверхности ствола, вся же внутренняя часть тела растения свободна от каркаса. Иная, решетчатая форма расположения механических тканей характерна для другой разновидности кактусов — опунции (Opuntia bigelowii) (фото 14). Но и здесь эти ткани находятся близ поверхности, в самом же теле опунции арматурные элементы отсутствуют.
Фото 13. Арматурная структура отмершего канделябровидного кактуса похожа на стальной каркас железобетонной опоры автодорожного моста: она располагается вблизи поверхности «живой» колонны и внутри полая.
Фото 14. Решетчатый остов опунций внутри также пустой.
Но не только оптимальное расположение механических тканей обусловливает совершенство растительных конструкций. По прочности на разрыв и изгиб некоторые растения могут успешно конкурировать со стальной проволокой. Так, стебель злака, диаметром не более 3—5 миллиметров, а высотой до 1,5 метра, выдерживает вес тяжелого колоска и, не ломаясь, сгибается под напором ветра почти до земли, а затем эластично выпрямляется.
На плато Колорадо в североамериканском штате Аризона колония отмерших 15-метровой высоты кактусов-канделябров (разновидность цереусов) представляет собой весьма причудливую, фантастическую картину: словно гигантские кисточки для бритья, принадлежащие какому-то исполину, стоят они, скрашивая собой в высшей степени монотонный пейзаж пустыни. Как видно на фото 13, лишь в нижней части кактуса несущие структуры арматурного каркаса связаны между собой, выше в стволе они располагаются совершенно свободно. Как только мягкие ткани разрушатся, арматурные связки под напором ветра отходят друг от друга, распадаются, и растение приобретает сходство с расплетенным, «размочаленным» концом веревки или каната. Стволы некоторых лиан почти целиком сложены многочисленными механическими тяжами, которые при сгибании растения могут легко перемещаться относительно друг друга. Этим они напоминают тросы, сплетенные из большого числа стальных проволочек.