 |
"СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ" ЖИВОЙ ПРИРОДЫ
Что такое строительный материал живой природы? Если под этим подразумевать те химические вещества, из которых он состоит, то они во всем мире и во всей окружающей нас материи одинаковы. Никакого смысла нет смотреть на него и с тех позиций, с которых мы подходим к строительному материалу в архитектуре. Для строителей материал — это однородная субстанция с одинаковыми механическими свойствами по всем направлениям и т.д., короче говоря, масса, не имеющая структуры, но обладающая определенными физическими свойствами.
Точно так же мы первоначально подходим и к "материалу" живой природы. Мы проверяем его на физические и механические свойства — на прочность: на сжатие, на растяжение, на кручение и т.д.; на теплопроводность, влагоемкость — и получаем определенные данные, называя их свойствами природного материала. Но сказать, почему они такие, чаще всего очень трудно.
Дело в том, что в живой природе не существует такого материала (как, например, в строительстве), из которого "делается" конструкция. В живой природе материал одновременно и конструкция, так как он с рождения конструктивно организован.
Поэтому исследование строительного материала живой природы превращается в сопоставление его механических свойств с его структурой или с конструкцией, и в этом есть большой смысл, особенно в наше время, когда мы стремимся, во-первых, к созданию рациональных конструктивных форм, во-вторых, к производству так называемых "композитных" или составных материалов, обладающих универсальными свойствами и удовлетворяющих разнообразным требо-
ваниям, а в своей разнородной структуре работающих "солидарно".
Рассмотрим первоначальные свойства "строительного материала" живой природы, поскольку их реализация в архитектуре может дать много полезного в деле создания не только новых, более эффективных материалов (предварительные сведения об этом были даны в гл. У), но в первую очередь интересных по своей тектонике и рациональных конструктивных форм.
Возьмем материал растений, как наиболее дифференцированный и сложный по своим конструктивным особенностям.
Ткани растений можно подразделить на образовательные, служащие для роста; покровные (кожица, пробковая ткань и корка); проводящие, предназначенные для перемещения питательных соков; основные, в которых проходят важнейшие процессы образования и накопления органических веществ (сердцевина стеблей, мякоть листьев и сочных плодов и т.д.), и, наконец, механические ткани или волокна.
Ткани растений как бы специализированы, между ними существует подобие разделения труда. Основную механическую функцию несут механические ткани, но также и другие ткани, так как все они обладают теми или иными механическими свойствами.
Имеются следующие типы растительных механических тканей: склеренхима, каменистые клетки — скле-реиды, колленхима. Наиболее прочными тканями, последовательно выполняющими чисто механические функции, являются склеренхимные — затвердевшие ткани и каменистые клетки. Примечательно, что применение в практике архитектуры и строительства тонких эластичных материалов — пленок, а также тонких гибких волокон и создание на их основе растянуто-напряженных конструкций (например, вантовых и аэростатических) заставляет пристальнее вглядеться в эти же ткани живого организма и вдуматься в характер их механической работы. Если затвердевшие ткани образуют как бы каркас и твердую жесткую оболочку живой системы, в основном способную выдерживать сжимающие, изгибающие и в какой-то мере растягивающие напряжения, то многие нежные, легкие ткани, не отнесенные ботаникой к механическим, выдерживают не меньшие, а часто и большие, к тому же сложные комплексные напряжения (например, растяжение и кручение) .
Солидарность тканей растений рассматривалась в гл. У на примере строения клеточной оболочки. Расширим область исследования и выведем его на уровень макроструктуры. Возьмем стебель растения и его сосудисто-волокнистые пучки, в которые входят, наряду с механическими тканями, также проводящие питательные вещества сосуды. Последние представляют собой одревесневшие компоненты длиной до десятка сантиметров, активно включающиеся в механическую работу стебля. Сосуды приобретают различную структуру, согласованную с их физиологическими и механическими функциями: кольчатую, спиральную, сетчатую и т.д.
Интересно также, что в середине сосудисто-волокнистого пучка расположены живые, способные делиться клетки образовательной ткани — камбия. В результате деления камбия возникают те клетки, которые затем, видоизменяясь, дают различные элементы сосудисто-волокнистых пучков. Наружу камбий откладывает клетки ситовидных трубок (нисходящие токи), образующих луб, внутрь — клетки сосудов (восходящие токи), формирующих древесину.
Механическая (арматурная) ткань многих растений обладает пределом прочности на разрыв ^pv~3 700 кгс/ /см2 (у льна бп/>1=7000 кгс/см2), т.е. примерно таким же показателем, что и сталь СтЗ 6nf>4= 3800— 4000 кгс/см2.
Но разница здесь заключается в том, что механическая ткань имеет предел пропорциональности 6прч, тождественный пределу прочности, у стали же он значительно ниже, и уже при 6npli~7 2000 кгс/см2 сталь перестает подчиняться закону Гука - закону пропорциональности между напряжениями и удлинениями, и материал начинает, как говорят, течь и лишь потом благодаря некоторой перестройке кристаллической структуры металла наступает последнее усилие в сопротивляемости — или временное сопротивление разрыву. Механическая ткань растения подчиняется закону Гука до предела прочности, минуя указанные промежуточные стадии поведения материала, характерные для стали. Этот факт объясняет такое свойство механической ткани растений, как сочетание прочности и эластичности, твердости и вязкости, сообщающие особую эффективность материалу в смысле универсальности его реакции на действие разнородных нагрузок.
При всем этом растительные ткани обладают и хорошими удельными свойствами, т.е. хорошим соотношением прочности, жесткости или модуля упругости к удельному весу тканей: у древесины ?/г=2,7-103, у железа ?/^=2,8-103 ( ? - модуль упругости, f- удельный 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 недостаточность прочности или жесткости, которые, конечно, совершенно необходимы, а недостаток вязкости, иными словами, — недостаточное сопротивление распространению трещин" [ 4].
Дело в том, что прочность все более или менее твердых материалов (в том числе и сталь) значительно ниже теоретической из-за расположенных по всей их структуре микроскопических трещин, появление которых связано с разрывами атомных цепочек. Под действием нагрузок трещины в связи с концентрацией около них напряжений начинают распространяться с молниеносной быстротой, резко снижая потолок сопротивляемости 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 специальные создаваемые "сверх-волокна", обладающие прочностью, 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 поверхности металлов). Вторая органическая идея — расположение таких тонких волокон в каком-то пластичном материале, с которым он должен крепко схватываться, чтобы получился строительный материал для конструирования. В итоге возникает модель природной структуры, но значительно усовершенствованной (именно таким и должен быть архитектурно-бионический процесс).
Физики в своих лабораториях производят сейчас подобные конструктивные материалы, основываясь на исследовании "строительного материала живой природы", 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 энергией. Снабжая материал энергией, ему можно придать бесконечную эффективную жесткость. И это не фантазия, а реально открывающаяся возможность.
Нужно принять к сведению и еще один важный момент, касающийся материала растений, — он легкий, если бы не'вода. Мы знаем, что ткани растений содержат иногда до 80—90% воды. Значит "сухое" вещество в растении составляет чаще всего совсем небольшой процент.
Сухое вещество включает в себя органический и неорганический компоненты. Если сжечь сухое, обезвоженное растение, то останется несгораемый серый порошок — зола. Органическая часть растения, состоящая из углерода, водорода, кислорода. и азота, соединившись с кислородом и водородом воздуха, превратившись в углекислый газ и парообразную воду, улетучивается.
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 эластичности и приближаются к минеральным материалам — они как бы переходны.
|
.
страницы: |
рaдизайн
© 2005 
, ссылайтесь... 
