Изучение свойств "строительного материала" растений в архитектурной бионике.
Одним из направлений современной архитектурной бионики является изучение "строительного материала" растений, его уникальной структуры и свойств, значительно превышающих по эффективности и прочностным качествам созданные людьми искусственные строительные материалы. "Подсматривая" за живой природой мы получаем уникальный опыт приобщения к "кладезю информации", которых был получен ею на протяжении на протяжений миллионов лет своей эволюции. И этот опыт позволяет человечеству использовать в своих целях уникальную структуру тканей растений, которая в едином комплексе позволяет достигать просто удивительной прочности растительных структур и многих других поразительных их свойств.
Не случайно, этому направлению развития бионических технологий уделял особое внимание один из "корифеев" советской школы архитектурной бионики - известный архитектор Ю.С.Лебедев. В своей книге "Архитектура и бионика" он по этому поводу писал следующее: "Нас интересует материал природы не как сырье для строительства, а как объект научения его определенных свойств в целях создания нового эффективного искусственного материала. Когда мы хотим узнать строительные свойства материала живой природы, мы начинаем проверять его на прочность - сжатие, растяжение, изгиб и т.д. - на теплопроводность, влагоемкость, сравниваем соотношение веса и прочности и получаем определенные данные. Но сказать, почему они такие, зачастую затрудняемся.
Для того, чтобы это понять, исследователи идут по пути сопоставления механических свойств материала с его структурой, которая, в отличие от большинства применяемых в архитектуре строительных материалов, не однородна. Как правило, материал живой природы состоит из различных по механическим свойствам, по теплопроводности, плотности и т.д. тканей. Они по строительной терминологии представляют собой "композитные" материалы, одновременно выполняющие механические ограждающие функции в зданиях. При этом все компоненты материала природы, что очень привлекает, обладают свойством совместимости и действуют "солидарно", т.е., испытывая механические нагрузки, действие солнечных лучей, влаги, мороза, жары, ветра, не расслаиваются.
Проблема совместимости различных по своим физическим свойствам материалов (а не просто их механические соединения), заключенных в одну панель здания, в один "слоеный пирог", сейчас приобретает особую важность. Особенно она остро стоит в тех климатических районах строительства, в которых наблюдаются резкие годовые и суточные перепады температуры и влажности. Возьмем материал растений, как наиболее дифференцированный и сложный по своим конструктивным особенностям. Ткани растений можно подразделить на образовательные, которые служат 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 и волокна.
Ткани растений как бы специализированы, между ними существует подобие разделения труда. Основную механическую функцию несут механические ткани, хотя и другие ткани также обладают некоторыми механическими свойствами... С точки зрения механической работы у растений интересны не только механические ткани. Как мы уже сказали, все ткани живого организма в какой-то мере способны выполнять механическую работу, но характер ее различен. И примечательно, что использование 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 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 сжимающиеся и скалывающие напряжения, то многие "нежные", но упругие ткани, не отнесенные ботаникой к механическим, выдерживают не меньшие, а часто и большие, к тому же сложные комплексные напряжения (например, растяжение, кручение, изгиб).
И здесь можно удивляться тому, что ткани, соединенные в одной конструктивной системе, работают как единая система, хотя они различны по своим физическим свойствам. Например, в процессе одревеснения (отвердения) клеточных оболочек, превращающихся в механические ткани, пространство между микрофибриллами - тонкими белковыми нитями, их образующими, - заполняется особым веществом - лигнином, в результате клеточные оболочки приобретают значительную прочность на сжатие и растяжение. Образуется структура, которую можно сравнить с железобетоном. При этом микрофибриллы соответствуют арматуре, а лигнин - бетону. Но в отличие от железобетона (где железобетон разрывается при относительном удлинении в 0,01%, и потому высокие механические свойства металла используются в малой степени), сопротивляемость "лигнина-бетона" деформациям велика - он разрушается не ранее того, как разрываются тяжи арматуры-микрофибриллы. В результате механические свойства арматуры растительного материала используются максимально... При всем этом растительные ткани обладают и хорошими удельными свойствами, т.е. хорошим соотношением прочности, жесткости или модуля упругости к плотности тканей...
Известный исследователь в области физических свойств различных материалов Джон Гордон пишет: "Самый тяжкий грех конструкционного материала - это не недостаток прочности или жесткости, которые, конечно, совершенно необходимы, а недостаток вязкости, иными словами - недостаточное сопротивление распространению трещин".
Дело в том, что все более или менее твердые материалы (в том числе и сталь) страдают тем большим недостатком, что их прочностные свойства значительно ниже теоретической из-за микроскопических трещин, расположенных по всей их структуре, появление которых связано с разрывом атомных цепочек. Под действием нагрузок трещины, в связи с концентрацией около них напряжений, начинают распространяться с молниеносной быстротой, резко снижая предел сопротивляемости материала. Значит, необходимо как-то затормозить этот процесс. В растительном мире в стволе дерева, стебля и т.д. благодаря органичному соединению в них твердых и хрупких и эластичных тканей трещины по всему сечению материала распространяться не могут. Кроме того, чем тоньше нити волокон, тем меньшая вероятность возникновения в них трещин. Этот органичный принцип используется для создания новых материалов. При этом применяются очень тонкие "сверхволокна", обладающие прочностью, приближающейся к теоретической (в 20-30 раз больше прочности Стали 3). Располагают тонкие волокна в каком-либо пластичном материале, с которым он должен крепко схватываться, чтобы получить строительный материал для конструирования. В результате возникает модель природной структуры...".
В настоящее время работы по созданию подобных материалов ведутся практически во всех ведущих странах мира и в этой области достигнуты определенные успехи. Однако, в этом аспекте человечество пока еще продолжает значительно отставать от живой природы. А значит, исследования в этом направлении дают большие возможности для дальнейшего развития архитектурной бионики в вопросах создания строительных материалов, близких по своим уникальным свойствам с теми, что использует живая природа. И мы вынуждены пока констатировать, что человечество со всеми своими "продвинутыми" технологиями от уникальных технологий самой природы, пока еще существенно отстает. А значит, всем нам нужно продолжать учиться у нее созданию подобных гармоничных и взаимосвязанных систем, позволящих получать в комплексе множество уникальных свойств. И это касается не только вопросов архитектурной бионики.
michael101063 ©