Бионика: подсказано природой

Достигнув в строительстве зданий высокого мастерства, люди, тем не менее, долгое время не рисковали строить высотные дома. Ведь строительные материалы были не настолько прочны, чтобы выдерживать огромные нагрузки, возникающие при возведении небоскребов.

К тому, о чем мы говорили ранее, обсуждая, на какую высоту поднимаются в деревьях соки, надо добавить, что ограничения на рост растений накладывает и их вес. Дерево циклопических размеров раздавит само себя.

Проблема, однако, заключается не только в прочности материала, но и в способах соединения изготовленных из него деталей сооружения. Скажем, из легких и длинных деревянных бревен можно соорудить каркасы различной формы, а вот из камня нет смысла вырубать длинную перекладину – при испытываемых ею нагрузках от собственного веса такое его применение будет совсем неоправданным.

Использование металла в строительстве довольно быстро привело к появлению так называемых ажурных конструкций. Иными словами, монтировался «скелет» здания, а уже к нему крепились остальные элементы – стены, оконные и дверные блоки, лестницы и прочее.

Сказав слово «скелет», мы не просто прибегли к наглядной аналогии. Не только медикам и физиологам известно, какой прочностью обладают составляющие его кости. Например, бедренная кость человека выдерживает нагрузку до полутора тонн (это вес автомобиля). Конечно, хорошо, что природа «сооружает» нас с таким запасом прочности. Но как ей это удается?

Сотни миллионов лет она словно ставила опыт за опытом, отрабатывая жизнеспособные «конструкции». В последние десятилетия были найдены останки нескольких гигантских древних ящеров. Сначала – сейсмозавра («сотрясателя земли»), весившего около восьмидесяти тонн. Позже – аргентинозавра ростом свыше тридцати метров и весом более 100 тонн. И маменчизавра, вес которого доходил до 120 тонн. Какие же прочные им были нужны скелеты!

Исследование костей показывает, что прочность их строения определяется в том числе и своеобразным распределением составляющих их тканей. Они выстилаются таким образом, что разносторонние – и с торцов, и с боков – нагрузки вызывают прежде всего сжатие или растяжение костей, а не их изгиб. Для сравнения вспомните: как легче сломать палку – вдоль или поперек? К тому же основная масса костей сосредоточена в их внешней части, а внутри они пористы, практически пусты. Особенно это заметно у птиц.

Такое созданное природой распределение материала удивительным образом совпадает с инженерными находками человека. Например, люди уже давно поняли, что столбы и опоры не обязательно делать сплошными, можно вполне обойтись трубами. В конструкциях различных металлических башен порой можно обнаружить буквальное повторение конструкции костей. Таково, например, устройство знаменитой Эйфелевой башни. А вот выяснилось это чуть ли не через сто лет после ее создания.

Так что теперь при постройке высотных сооружений люди уже намеренно стремятся заимствовать решения, найденные и опробованные природой.

Чья скорлупа крепче?

Помните выражение «не стоит выеденного яйца»? В этих словах кроется пренебрежительное отношение к яичной скорлупе.

А ведь это не что иное, как пример чудесной природной конструкции. Толщина скорлупы куриного яйца – доли миллиметра, но попробуйте раздавить его, сжав ладонями с концов. Не так-то легко, правда?

Недаром свое потомство «заключали» в яйца не только птицы, но и черепахи, змеи, крокодилы и даже громадные динозавры. Примером прочности может служить скорлупа страусиного яйца, выдерживающего груз в 105 килограммов.

В чем причина прочности яичной скорлупы? Главным образом в ее геометрической форме. На рисунке показано, что при внешнем давлении на скорлупу усилие передается таким образом, что сжатие скорлупы происходит в направлении, почти перпендикулярном силе. Иными словами, давление воспринимается не отдельно каким-либо участком скорлупы, а распределяется по всей ее поверхности. Поэтому сидящая на яйцах курица не расплющивает их, но в то же время удары вылупляющегося птенца изнутри сравнительно легко разрушают его обитель.

Скорлупа куриного яйца состоит из семи оболочек, причем они не расслаиваются даже при резких перепадах температуры и влажности. Это объясняется тем, что хотя слои не одинаковы по составу, некоторые их физические свойства весьма близки. Важный элемент скорлупы – тонкая внутренняя пленка, порой мешающаяся нам добраться во время еды до сердцевины яйца.

Эта пленка в свое время здорово помогла строителям. Они возводили театр, крыша которого должна была иметь форму огромной яичной скорлупы. Во время строительства по крыше пошли трещины. Что же здесь упустили проектировщики? Или природа «дала маху»?

Изучив скорлупу более тщательно, заметили, что к ней «крепится» изнутри тонкая эластичная пленка, создающая предварительное напряжение, как бы стягивая всю конструкцию скорлупы. Выход из сложного положения был найден: крышу снабдили подобной пленкой, и театр благополучно достроили.