Научно-исследовательская работа «Физика в архитектуре»
Научно-исследовательская работа «Физика в архитектуре» в которой предоставлен доклад и к нему презентация. С данной работой выступал студент по профессии «Архитектура»»на областной конференции.
Просмотр содержимого документа
«физика в архитектуре2»
министерство образования и науки Амурской области
государственное профессиональное образовательное автономное учреждение
«Амурский колледж строительства и жилищно-коммунального хозяйства»
наименование образовательного учреждения
«Физика в архитектуре»
Выполнил: студент 1курса группы А11
Научный руководитель: Дутова О. А.
Показать значение законов физики в архитектуре
Рассмотреть роль понятий «устойчивость», «прочность» и «жесткость конструкций» при создании сложных конструкций
Применить знания, полученные при изучении данной темы, в объяснении окружающих явлений
1. История создания памятника Петру I как задача о равновесии
2. Рассмотрение проблемы в общем виде: как обеспечить равновесие предмета
3. Загадка Пизанской башни
4. Падающие башни мира
6. Останкинская башня
7. Самое высокое здание мира
8. Требования к конструктивным элементам зданий и сооружений
С древних времен человечество занималось строительством. А для того, чтобы построить высотные здания необходимо произвести математические расчеты и посмотреть с точки зрения физики, достаточно ли построенное здание будет прочным и устойчивым. На примере некоторых памятников и башен рассмотрим как действуют законы физики в жизнедеятельности человечества.
1.История создания памятника Петру I как задача о равновесии
200 лет скачет он над Невою, 200 лет им не перестают восхищаться, воспевают в стихах и прозе, запечатлевают на гравюрах и картинах. Во дворе мастерской строители возвели помост, имитирующий пьедестал. Лучшие берейторы на лучших скакунах взлетали на этот помост. Сотни раз они повторяли эти взлеты, пока, наконец, скульптор не понял, что удержать вздыбленную лошадь на двух опорах ему не удастся. Решение очевидно: для усиления устойчивости фигуры необходимо увеличить площадь ее основания, то есть создать еще одну точку опоры. Таково мнение наших учеников.
А вот решение скульптора: под задними копытами коня появляется третья точка опоры – змея, символизирующая поверженных врагов России.
3.Рассмотрение проблемы в общем виде: как обеспечить равновесие предмета
Давайте построим вертикальные конструкции со смещенными относительно друг друга коробками на максимально возможную высоту, и так, чтобы они не падали. Какое условие надо выполнить при строительстве, чтобы конструкция была высокой и не падала? Давайте ответим на этот вопрос.
1.Тело (конструкция, сооружение) находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры – значит, следует увеличить площадь опоры.
2. Вероятность выхода вертикальной линии за границы площади опоры снижается, если центр тяжести расположен низко над площадью опоры, т. е. соблюдается принцип минимума потенциальной энергии
( принцип неваляшки )- значит, следует понизить центр тяжести
Решение очевидно: для усиления устойчивости фигуры необходимо увеличить площадь ее основания, то есть создать еще одну точку опоры.
3. Загадка Пизанской башни
Самой знаменитой достопримечательностью города Пиза является его Башня. Известна она в первую очередь тем, что стоит не строго вертикально, а под наклоном от основной оси. Ведь если бы не этот изъян, то вряд ли бы многотысячные толпы туристов приезжали ежегодно, чтобы взглянуть на эту, ставшую мировой, «падающую» достопримечательность. Далеко не все знают, что «падающая» башня не отдельное сооружение, а часть архитектурного ансамбля. Кроме самой башни, являющейся на самом деле колокольней или же кампанеллой (от итальянского слова campanella, что значит колокольчик), в него входят Пизанский собор (Duomo di Santa Maria Assunta), Баптистерий (Battistero di San Giovanni), кладбище Кампо-Санто (Campo Santo) и площадь чудес (Piazza dei Miracoli) на которой это все расположено. Колокольня расположена недалеко от северо-восточного угла собора. А весь ансамбль считается мировым шедевром итальянской архитектуры средних веков, оказавшим большое влияние на развитие культуры в Италии. Падает Пизанская Башня уже на протяжении восьми столетий. Из-за этого сами итальянцы и называют ее «затянувшимся чудом». Отклонение увеличивается с каждым годом на один миллиметр. А всего здание отклонилось от оси более чем на пять метров, что не так уж и мало. Но, ни смотря ни на что, кампанелла пережила даже землетрясение и сегодня открыта для посещения. С момента постройки Пизанская Башня стала практически символом города. Ее строительство было начато в августе 1173 года, посреди зеленого луга на окраине Пизы вместе с городским собором и крестильней. Вместе с перерывами продолжительность работ составила около двух столетий. Окончательно колокольня была готова в 1370 году. Кто был автором первоначального проекта достоверно неизвестно. Однако исторические хроники предполагают, что это мог быть Бонанно Пизано (Bonanno Pisano). Сегодня определить была ли кривизна постройки задумана изначально или образовалась в результате проседания почвы впоследствии уже невозможно. Хотя второй вариант выглядит более правдоподобным. Скорее всего, изначальный проект уже был в чем том ошибочен. А башня изначально планировалась как вертикальная. Однако практически сразу после постройки первого этажа с колоннадой высотой 11 метров, строение начало кренится в южную сторону. И сначала это были всего лишь четыре сантиметра. После этого строительные работы были приостановлены и возобновились лишь спустя 100 лет. В 1275 году, когда крен Пизанской башни составлял уже 50 сантиметров, ситуацию попытались исправить. Для этого при возведении последующих этажей закладывалось превышение высоты на 10 сантиметров со стороны крена. К сожалению это не сильно помогло, и возведение колокольни пришлось прекратить досрочно, сократив ее на четыре этажа от первоначального проекта. Архитектурные особенности Романо-пизанский стиль Пизанской башни. поражает всех своим изяществом и красотой. Высота ее восьми ярусов после окончания строительства составила 58 метров 36 сантиметров. В самой высокой части высота равна 56 метров 70 сантиметров, а в самой низкой – 55 метров 90 сантиметров. Диаметр основания колокольни, имеющей цилиндрическую форму, составляет 15 метров 54 сантиметра. Толщина внешних стен у основания составляет 4 метра 90 сантиметров, а у вершины – 2 метра 48 сантиметров. Ее отклонение от вертикальной оси на уровне основания составляет 4 метра, а на уровне вершины – 5 метров 30 сантиметров. На верхний уровень кампанеллы возносят 294 ступени. А уж оттуда туристам, одолевшим восхождение, открывается красивый вид на Поле Чудес и ближайшие окрестности. Вся башня выполнена из камня и декорирована цветным мрамором (светло-серого и белого цветов). У ее входа расположены барельефы, на которых изображены мифические фигуры животных. Верх люнета украшен статуей Мадонны с младенцем, выполненной Андреа Гварди (Andrea Guardi). Первый ярус окаймлен глухими арками с пятнадцатью полуколоннами и украшен кессонами, внутри которых можно увидеть розетки идентичные украшениям на баптистерии и соборе. Шесть последующих этажей окружены декоративными романскими аркадами. Их изящество напоминает византийскую архитектуру. Венчает здание звонница, прорезанная арками для семи колоколов. Их вес колеблется от 300 килограмм до 3,5 тонн. Кроме того у каждого из них свое имя и тон. Последующие присоединились к нему уже в 16-17 веках. Кстати все они находятся в рабочем состоянии и до сих пор радуют туристов своим звоном. Колокола Самый первый был отлит в середине 13 века. Его нота соль-бемоль, а имя Паскверечча (Pasquereccia). Второй Терца (Terza) с нотой си-диез появился в 1473 году. Маленький Веспруччо (Vespruccio) с нотой ми выплавили в 1501 году. Крочифиссо (Crocifisso) с нотой до-диез сделал мастер Винченцо Посенти (Vincenzo Posenti), а в 1818 году он был переплавлен Гуаланди да Прато. Даль Поцо (Dal Pozzo) – нота соль изготовили в 1606 году. Во время бомбардировки Второй Мировой войны он был разрушен. После войны его отреставрировали и отправили в музей. А на его месте в 2004 году появилась точная копия. Ассунта (Assunta) с нотой си — самый большой из семи колоколов, появился благодаря Джованни Пьетро Орланди. Последним звонницу пополнил Сан Раньери (нота ре-диез). Причем его неоднократно подвергали переплавке. В последний раз это было в 1735 году. Так как собор, к которому относится Пизанская колокольня, является действующим, то перед каждой мессой, а также в полдень все желающие могут услышать перезвон этих колоколов. Интересно, что в средние века колокола звонили не одновременно, а каждый в свой специально установленный литургический час.
4. Падающие башни мира
Во всем мире около 300 падающих башен. Из них башня церкви в г.Зуурхузен (Германия) занимает первое место по углу наклона, далее- Пизанскаябашня, Болонская Гаризенда, Косая башня Невьянска на Урале. Правда, некоторые «призовики» были выпрямлены реставраторами, например минареты Улугбека В Самарканде.
«Падающие» башни есть в Пизе, Болонье, в Афганистане и др. местах.
Падающие башни Болоньи не так широко известны, как Пизанская, но точно так же являются символом города, в котором находятся. Наиболее высокая, Азинелли, наклонена не так сильно, как её соседка, Гаризенда, зато она гораздо выше: высота башни Азинелли превышает 97 м. Это делает её наиболее высокой исторической постройкой Старой Болоньи и самой высокой «падающей» башней мира.
Угол наклона башни Азинелли от вертикальной оси составляет 1,3°. Казалось бы, не так много, но при высоте конструкции это приводит к отклонению верхней части башни на 2 с лишним метра. Тем не менее Азинелли способна выстоять и в таком положении, а вот её соседке, Гаризенде, повезло меньше: отклонение той превышало изначально 3 м, и это серьёзно угрожало и самой постройке, и окружающим. Гаризенду укорачивали трижды, и теперь её высота составляет только 48 м. Зато именно она, а не более высокая «сестрица», упомянута в «Божественной комедии» Данте. Строить башни в принципе было модным среди итальянской знати в Средние века. Башни служили жилыми помещениями и укреплёнными цитаделями, а также демонстрировали величие и утверждали власть своего хозяина. В одной только Болонье сегодня можно увидеть около 20 башен, при том что изначально, в 13 веке, их насчитывалось порядка полутора сотен.
Конструкция башен была более-менее одинакова. В каждой был фундамент, усиленный вколоченными в землю столбами, присыпанными камнем. Основание делали из больших каменных блоков, а стены становились чем выше, тем тоньше. Обычно стен было две: более толстая внутренняя и тонкая внешняя, а промежуток между ними засыпали щебнем.В 18 веке Джованни Гульельмо изучал гравитацию, бросая предметы именно с башни Азинелли.
С возведением «падающих» башен, конечно, связано множество легенд, в том числе и та, что обещает влюблённому юноше руку красавицы только после постройки самой высокой башни в городе. Однако историческая правда скорее в том, что технологии строительства в те времена оставляли желать лучшего. Для того, чтобы возвести башню типичной конструкции высотой около 60 м, требовалось от 3 до 10 лет работы. Согласно расплывчатым данным, Азинелли одноимённое семейство начало строить на рубеже 12 и 13 веков. Несколькими столетиями спустя башней завладел город, и здесь была устроена тюрьма. Башни-соседки соединили своеобразным мостиком из дерева, но он сгорел во время городского пожара. Во время Второй мировой войны башня Азинелли использовалась как наблюдательный пост, а впоследствии и как телевышка. Сегодня на башню Азинелли можно подняться по винтовой лестнице, которая насчитывает почти 500 ступеней. Гаризенда для осмотра изнутри закрыта.Другие башни Болоньи, на которые стоит обратить внимание, — это Аззогильди, она же Альтабелла (61 м), Прендипарте, она же Короната (60 м), Скаппи (39 м), Угуццони (32 м), Гильдозаньи и Галуцци.
Э́йфелева ба́шня — металлическая башня в центре Парижа, самая узнаваемая его архитектурная достопримечательность. Названа в честь главного конструктора Гюстава Эйфеля; сам Эйфель называл её просто «300-метровой башней» ( tour de 300 mètres ).
Башня, впоследствии ставшая символом Парижа, была построена в 1889 году и первоначально задумывалась как временное сооружение, служившее входной аркой парижской Всемирной выставки 1889 года.
Эйфелеву башню называют самой посещаемой платной достопримечательностью мира и самой фотографируемой. Например, в 2006 году на башне побывало 6 719 200 человек, а за всю её историю по 31 декабря 2007 — 236 445 812 человек. Изначальный проект Нугье и Кёшлена был слишком «сухим» в эстетическом плане и не отвечал требованиям, выдвигаемым к сооружениям Всемирной Парижской выставки, архитектура которых должна была быть более изысканной. Чтобы башня более отвечала вкусам требовательной парижской публики, архитектору Стефа́ну Сове́стру (фр.) было поручено поработать над её художественным обликом. Он предложил обшить цокольные опоры башни камнем, связать её опоры и площадку первого этажа с помощью величественных арок, которые стали бы одновременно главным входом на выставку, разместить на этажах башни просторные застеклённые залы, придать верхушке башни округлую форму и использовать разнообразные декоративные элементы для её украшения.
В январе 1887 г. Эйфель, государство и муниципалитет Парижа подписали договор, согласно которому Эйфелю предоставлялась в личное пользование эксплуатационная аренда башни сроком на 25 лет, а также предусматривалась выплата денежной субсидии в размере 1,5 млн золотых франков, составившую 25 % всех расходов на строительство башни. 31 декабря 1888 года с целью привлечения недостающих средств, создается акционерное общество с уставным фондом 5 млн франков. Половина этой суммы — средства, внесенные тремя банками, вторая половина — личные средства самого Эйфеля.
Чтобы закончить башню в назначенный срок, Эйфель применял, большей частью, заранее изготовленные части. Отверстия для заклёпок были просверлены в намеченных местах уже заранее, и две трети от 2,5 млн заклёпок были заранее установлены. Ни одна из заготовленных балок не весила больше 3 тонн, что очень облегчало поднятие металлических частей на предусмотренные места. Вначале применялись высокие краны, а когда конструкция переросла их по высоте, работу подхватили специально сконструированные Эйфелем мобильные краны. Они двигались по рельсам, проложенным для будущих лифтов. Сложность состояла и в том, что подъемное устройство должно было двигаться вдоль мачт башни по изогнутой траектории с меняющимся радиусом кривизны. Первые лифты на башне приводились в действие гидравлическими насосами. Вплоть до нашего времени используются два исторических лифта фирмы «Fives-Lill», установленные в 1899 г. в восточной и западной опорах башни. С 1983 г. их функционирование обеспечивается электродвигателем, а гидравлические насосы сохранены и доступны для осмотра.
Второй и третий этаж башни связывал вертикальный лифт, созданный инженером Леоном Эду (фр. Léon Édoux ; однокурсник Эйфеля по Центральной высшей технической школе). Этот лифт состоял из двух взаимоуравнивающихся кабин.
Останкинская телебашня — телевизионная и радиовещательная башня, расположенная в Останкинском районе Москвы. Высота — 540,1 м, на момент постройки высочайшая в мире, а по состоянию на декабрь 2017 года — 10-е по высоте свободно стоящее сооружение после: