Балка сгибается под любым весом, при этом сверху на нее действует сила сжатия, а снизу – сила растяжения
Чтобы балки не гнулись, их делают особой формы
Когда балка сгибается под нагрузкой, вес проходит через нее неравномерно. Верхняя часть балки сжимается, а нижняя растягивается, то есть сверху на нее воздействует сила сжатия, а снизу – сила растяжения. Попробуйте согнуть руками морковку: если попытаться согнуть ее буквой «U», то она рано или поздно сломается снизу. Это происходит в тот момент, когда материал, из которого сделана морковка, не выдерживает силы растяжения, действующей на вершину дуги. Если повторить тот же эксперимент с морковками разных диаметров, станет очевидно, что более тонкие легче сгибаются. Чтобы согнуть более толстую морковку до той же дуги, нужно приложить гораздо больше сил. Таким же образом, чем больше поперечное сечение у балки, тем она прочнее и тем меньше она сгибается под нагрузкой.
Умная геометрия служит еще одним способом сделать балку прочнее. Самая большая сила сжатия действует на балку сверху, а самая большая сила растяжения – снизу. Поэтому чем больше материала сверху и снизу балки, тем она прочнее. Объединяя эти два принципа – толщину и геометрию, – мы получаем наилучшую форму балки: букву «I» (в срезе она похожа на эту букву), потому что в ней больше всего материала как раз сверху и снизу, где действуют самые большие силы. Большинство стальных балок как раз такой формы. (Они немного отличаются от колонн в форме буквы «Н», потому что имеют большую толщину, нежели ширину, а колонны в форме буквы «Н» в разрезе ближе к квадрату.) Бетонные балки тоже можно сделать такой формы, но гораздо легче заливать бетон в обычную прямоугольную форму, так что из соображений экономии и практичности большинство бетонных балок в срезе имеют форму простого прямоугольника.
Большие мосты вроде Квебекского моста слишком длинные для «обычных» балок в форме буквы «I». Чтобы покрыть такое расстояние, их пришлось бы сделать такими вытянутыми и тяжелыми, что их попросту нельзя было бы поднять на нужное место. Вместо этого мы используем другой тип структуры, который основан на устойчивости треугольника, – ферму.
Возьмите четыре палочки и свяжите их концы так, чтобы получился квадрат. Потом надавите на его сторону: квадрат превратится в ромб и сломается. Треугольники, в отличие от квадратов, не деформируются и не ломаются от подобной нагрузки. Ферма – это конструкция из балок, колонн и распорок, образующих между собой треугольники, в которой силы хитро распределяются между всеми частями конструкции. Для создания фермы нужны более мелкие и легкие детали, между которыми образуется пустое пространство, так что для такой конструкции нужно гораздо меньше материала, чем для аналогичной конструкции из горизонтальных балок в виде буквы «I» на опорах.
Квадрат по своей природе гораздо менее прочный, чем треугольник
Фермы легче строить, потому что небольшие стальные детали легче транспортировать на стройку и соединять между собой. В конструкции большинства крупных мостов используются фермы. Взгляните на мост Золотые Ворота: по всей длине моста на уровне автомобильной дороги можно увидеть узор из металлических треугольников. Они напоминают чередующиеся буквы «N» и «И» – а все вместе составляют тщательно спроектированные треугольники фермы.
Благодаря гравитации на все объекты, находящиеся на поверхности земли, действует предсказуемая сила растяжения. Инженер понимает ее природу и может спроектировать колонны, балки и фермы так, чтобы ей противостоять. Но есть и другие, не менее разрушительные, силы, которые не так просто свести к уравнению. Одной из них является ветер. Ветер случаен, изменчив, непредсказуем и на протяжении веков бросает вызов инженерам разных эпох, по-прежнему ставя им задачи, которые необходимо решать, если они хотят, чтобы их конструкции не развалились.
Большинство ферм состоят из небольших треугольников, но иногда в них есть и квадраты
Когда я была в Афинах, самым впечатляющим памятником для меня стала огромная белая мраморная восьмиугольная башня на Римской агоре к северу от Акрополя. Ее построил Андроник Киррский, македонский астроном, около 50 года до н. э. Башня ветров, или часы Андроника Киррского, служила часами с восемью солнечными циферблатами, водяными часами и флюгером. Прогуливаясь вокруг башни, я увидела, что на каждой из ее восьми граней наверху расположен рельеф, изображающий одного из восьми богов ветра, – крылатые фигуры, устремленные вперед с благосклонным либо суровым выражением лица, а иногда с амфорой или гирляндой цветов в руках. Первоначально на верхушке башни располагалась бронзовая статуя Тритона и выполняла функцию флюгера, указывая в сторону того бога, чей ветер дул в данный момент.
Эта башня – дань уважения римлян богам ветров, а также свидетельство их потенциально разрушительной силы. Римский мастер-строитель Марк Витрувий Поллион (р. в 80 г. до н. э.), которого иногда называют «первым архитектором», подробно рассказывает о важности учета ветра в строительстве в труде под названием «Об архитектуре» – фундаментальном десятитомном трактате о проектировании сооружений. В книге первой он называет четыре основных направления: Соланус (восток), Аустер (юг), Фавоний (запад), Септентрио (север) – и других четырех, расположенных между четырьмя основными ветрами.
Меня изумляет то, насколько глубоко римские инженеры понимали, как ветер по-разному воздействует на строения с разных направлений. Несмотря на то что тот способ, которым современные инженеры рассчитывают эти силы, гораздо сложнее, основы нашей работы высечены в скульптурах той восьмиугольной башни еще 2000 лет назад.
Ветер воздействует на строения по всей планете. Когда я работаю над конструкцией ниже 100 метров, я, как правило, пользуюсь картой ветров. В целом это погодная карта, на которой указана основная скорость ветра по всем направлениям в том или ином месте и которая формировалась за десятилетия измерений. Я беру основную скорость ветра и учитываю ее в ряду других измерений, которые показывают, например, как далеко это место расположено от моря, на какой высоте находится, а также рельеф окружающей местности (сколько вокруг холмов и других строений). Формулы объединяют все эти факторы, и я узнаю, по каким из 12 направлений (каждые 30 градусов окружности) и с какой силой ветер будет воздействовать на конструкцию – а это почти то же, что и восемь направлений, названных Витрувием и запечатленных в рельефах Башни ветров.
