Текст книги "Чудеса техники"

Строительство

 
Единый Город скроет шар
земной,
Как в чешую, в сверкающие
стекла.
Чтоб вечно жить ласкательной
весной,
Чтоб листьев зелень осенью
не блекла…
 

В. Брюсов

Одна из самых первых потребностей человека – нужда в жилище. Да и не только человека. Птицы вьют гнезда или устраивают их в дуплах, многие животные роют норы, а есть и такие искусные «мастера», как, например, бобры, которые выстраивают себе поистине хоромы.

В древности человек, конечно, уподоблялся им. Так же как и животные, выкапывал землянки, укрывался от ненастья в пещерах и дуплах или из веток и листьев сооружал шалаши. Но назвать это настоящим домом нам сегодня трудно, скорее всего – убежищем.

А вот когда люди открыли свойства различных материалов, годных для строительства, когда поняли, что перед возведением любой постройки нужно прикидывать, как она будет выглядеть, то есть, как мы говорим сегодня, спроектировать ее, тогда-то и началась эпоха осмысленного строительства. Украшал же свое жилище человек, видимо, всегда – еще с тех пор, когда стал покрывать стены пещер первыми наскальными рисунками.

Шло время, и наши предки стали сооружать постройки не только для жилья. Это были и культовые здания – храмы, церкви, мечети; промышленные строения – фабрики и заводы и, конечно, дороги, мосты и туннели, без которых немыслимо развитие транспорта.

Сегодня вся Земля, можно сказать, представляет собой гигантскую строительную площадку. Ведь как бы прочно и надежно мы ни строили, у каждого сооружения – свой предельный срок жизни. И если какие-то постройки, к примеру выдающиеся памятники зодчества, люди пытаются сохранить на века, то большинство сооружений они со временем сносят, изредка укрепляют или перестраивают, но больше всего возводят заново. «Успокоиться» и остановиться человек здесь, видимо, никогда не сможет.

Мир непрерывно меняется, и самые разительные, хоть и нескорые перемены происходят в обликах городов. Тут заметнее всего смена эпох, определяющих архитектуру. Поэтому символами цивилизаций становились пирамиды, храмы, мосты, башни. А символом нашего времени может стать и космическая архитектура.

Что нам стоит дом построить?

Не стоит относиться к древним строителям пренебрежительно, считая их творения примитивными. Скорее, нам следует удивляться, как скромными средствами, из подручных материалов они умудрялись возводить вполне пригодные для обитания жилища. В ход шло все – и дерево, и камни, и песок, и глина, и даже… снег.

Да-да, тот самый, из которого мы лепим снежки и снежных баб зимой. Но ведь есть такие места на Земле, где снег не тает почти круглый год – приполярные районы. Живущие там сотни лет эскимосы научились строить жилища из снежных блоков, как лиса из сказки – ледяную избенку. Вход в них делали через отверстие в полу, к которому снаружи вел прорытый в снегу коридор, благодаря чему в помещение не проникал холодный воздух. Называется такой дом иглу. Отапливая его жировыми лампами, внутри поддерживали температуру, превышающую наружную на 65 градусов!

А на территории Украины при раскопках были найдены остатки жилищ, построенных около пятнадцати тысяч лет назад из костей мамонта. Это примеры изобретательности наших предков, опробовавших, видимо, все, что попадалось под руку, в надежде приспособить для строительства.

Конечно, эффективность такого перебора материалов была невелика. И когда предстояло возводить крупные постройки типа храмов и пирамид, нужно было заранее знать, выдержат ли будущие нагрузки элементы конструкции. А таковыми служили прежде всего бревна и каменные блоки.

Однако, подбирая прочные материалы, человек сталкивался с проблемой перемещения непосильных тяжестей. Недаром пирамиды даже с применением простейших механизмов строились армиями рабов на протяжении десятилетий.

Прочность конструкций и их вес – вечное противоречие, которое сопровождало строителей и архитекторов. Ведь сооружение по крайней мере не должно было рухнуть под собственной тяжестью. Но пока люди заимствовали у природы такие готовые материалы, как дерево и камень, им приходилось ломать голову над способами их транспортировки и подъема.

И лишь много позже техника оказала ощутимую помощь строителям. Появились подъемные краны, ковши, а ближе к нашему времени – тягачи, бульдозеры, катки, скреперы, экскаваторы и даже вертолеты. Переместить необходимые для постройки детали и блоки теперь можно, лишь нажав на кнопку, приводящую в действие двигатели строительных машин.

Но все-таки кое в чем нам и сегодня нелегко превзойти наших предшественников…

Чудеса земные и… космические

Когда говорят о диковинах древности, то обязательно упоминают знаменитые сооружения, имевшие циклопические размеры. Это те самые «семь чудес света», вошедшие в поговорку. Заметьте, что все они – достижения строительства.

К сожалению, почти все «чудеса» были разрушены либо во время нашествий врагов, либо землетрясениями. Однако по описаниям можно восстановить внешний облик этих поразительных сооружений. Например, около трехсот лет до новой эры на острове Родос у входа в бухту была возведена статуя Аполлона высотой тридцать пять метров. Представить себе эти габариты можно по тому, что мизинец статуи как раз обхватывал один человек. Под раздвинутыми ногами этого Родосского Колосса проходили корабли с поднятыми парусами.

Вряд ли можно говорить о каком-либо практическом назначении огромной статуи. А вот маяк на острове Фарос, выполненный из белого мрамора примерно в то же время, имел высоту 122 метра и располагался у побережья Египта. Этот, как считают, самый первый в мире маяк действовал и выдерживал удары стихий более полутора тысяч лет, но и его в конце концов не пощадило землетрясение.

В Древней Греции и Риме создавали не только «чудеса». Там уделялось большое внимание сооружениям, как мы бы сейчас сказали, коммунального характера. Это были и водопроводы, и бани, и… канализация. Полагают, правда, что самый первый канал для стока отходов был проложен в Древнем Египте за 2500 лет до н. э. А в VI веке до н. э. в Риме был построен канал «клоака максима», который до сих пор обслуживает жителей Вечного города. А первый ватерклозет – устройство, которым мы пользуемся для слива воды в туалетах наших квартир, – был изобретен более 200 лет назад, в 1798 году.

Может быть, вам не очень интересны эти подробности, но представить себе жизнь современного, даже не очень большого, города без развитой системы водоснабжения и канализации просто невозможно. Это нынешнее чудо – сложнейшее хозяйство из труб, насосов, коллекторов и люков, сбои в работе которого моментально напомнят о себе и заставят нас принимать срочные меры.

Помимо того, что возводится на поверхности Земли, строители и архитекторы должны тщательно продумывать устройство и работу этих подземных городов, ведь им надо действовать безотказно.

А как вы считаете, что произойдет, если подобная система откажет… в космосе? И даже в обычном режиме ей непросто справляться там со своими обязанностями – не забывайте про условия невесомости. Вот почему архитекторам космических кораблей приходится использовать массу необычных изобретений для полноценного жизнеобеспечения экипажа, иначе полет пойдет насмарку…

Как перебраться через реку?

Для того чтобы торговать или перевозить строительные материалы, человеку были нужны хорошие пути сообщения. Их учились строить еще в древности: самую старую мощеную дорогу обнаружили в Египте, ей около двух с половиной тысяч лет. По ней доставлялись трехтонные блоки для постройки пирамид. Но это на ровной местности. А что делать, если на пути встречались такие препятствия, как река или гора? Пришлось овладевать умением строить туннели и мосты.

Самый простой мост – плавающий настил. Вы, может быть, встречали на реках понтонные мосты – сооружения из пустотелых, плавающих на поверхности воды «баллонов», по которым прокладывают дорогу с берега на берег.

Но такое сооружение мешает судоходству и вообще неприменимо на быстрых реках. Лучше всего перекинуть через них мост, под которым и суда могли бы свободно двигаться, и течению реки ничего бы не препятствовало. Но это требовало особой прочности от идущих в дело материалов.

Давным-давно стали строить деревянные и каменные мосты. Дерево довольно легкое, но больших нагрузок не выдерживало, камень прочен, но его собственная тяжесть мешала удлинению пролетов между опорами. В конце XVIII века на помощь пришел чугун, а позже, когда по мостам помчались тяжелые поезда, перешли на стальные конструкции.

Из чего бы ни изготовлялся мост, его сооружение требовало специальных знаний. Только наука могла помочь строителям, создав целую систему расчетов, благодаря которым стало возможным возводить вроде бы легкие ажурные конструкции, выдерживающие немыслимые ранее нагрузки.

Недаром создатели древнеримских акведуков, прежде чем начать строительство этих сложных сооружений, камень за камнем складывали их на земле в горизонтальной плоскости, словно рисуя чертеж в натуральную величину. А древние греки делали чертежи непосредственно на поверхностях каменных плит, из которых возводили храмы.

Много похожих задач возникло и при сооружении туннелей. Подумайте, какое огромное давление приходится выдерживать их сводам, если они проложены внутри огромных гор? И здесь были разработаны удивительно эффективные методы строительства. Теперь туннели прокладывают и в горах, например на Кавказе и в Альпах, и под землей, причем не только для метро, но и для соединения сухопутных транспортных линий под дном морских проливов.

Можно ли избежать вредных колебаний?

Мостостроение, как вы убедились, оказалось не изолированным от других направлений зодчества. Найденные при постройке мостов решения были использованы при возведении иных гигантских сооружений – таких, как небоскребы и устремленные, словно иглы в небеса, телебашни.

Вот, скажем, проблема колебаний. Помимо собственной тяжести и веса движущегося транспорта, мосту приходится испытывать нагрузки, связанные с ветром. Дело в том, что обдувающий мост поток воздуха раскачивает его, вызывая колебания. При определенных условиях эти колебания могут достигнуть такого размаха, что приведут к разрушению конструкции.

То, что ритмичное воздействие на конструкцию способно привести к катастрофе, было известно давно. Такое явление называется резонансом, и его всячески старались предотвратить. Например, когда по мостам проходили солдаты, им давали команду идти «не в ногу».

А вот разрушения мостов под действием ветра продолжались до недавнего времени. Так, в 1940 году произошла грандиозная катастрофа с висячим мостом, протянутым через ущелье Такома в Америке. В то время этот мост был третьим в мире по длине центрального пролета, достигавшей 854 метров. Прошло лишь четыре месяца после его постройки, как он рухнул по всей своей протяженности под действием отнюдь не ураганного ветра.

Теперь вы понимаете, насколько важно было справиться с этой проблемой, ведь в мире строилось все больше подвесных мостов, высотных зданий и радиомачт, нефтяных вышек и заводских труб.

И проблема была решена, способы гашения вредных колебаний найдены. Это и механические приемы, когда на мосты навешиваются грузы-противовесы, и так называемые аэродинамические методы, когда вносятся изменения в форму конструкций.

Сегодня строительная индустрия не только использует достижения различных областей науки и техники, но сама щедро делится с ними своими находками. Решение проблемы колебаний подсказало пути, на которых следовало искать разгадки подобных явлений, возникающих, например, при работе стационарных двигателей или при движении самолетов.

На чем и из чего строить?

Что нужно для того, чтобы здание прочно стояло на земле? Конечно, скажете вы, надежный фундамент. Действительно, если наше сооружение не будет как следует укреплено в самом низу, под поверхностью земли, его верхняя часть окажется неустойчивой. Потому-то и роют котлованы, кладут в их основание тяжелые и широкие плиты либо забивают глубоко в землю сваи, а потом уже на этом основании воздвигают стены дома.

Вам, конечно, известно выражение «построить на песке». Сразу представляется зыбкая, ненадежная опора. Почему же тогда территории, на которых собираются начать строительство, часто засыпают многометровым слоем песка? Этим не только приподнимают сооружения над грунтовыми водами. Главное, оказалось, что через некоторое время, так сказать, отстоявшись, песок очень плотно утрамбовывается.

Ученым удалось выяснить, почему интуитивно строители и архитекторы издавна отдавали песку предпочтение. Песчинки под действием силы тяжести приходят в состояние наиплотнейшего расположения – грунт становится поистине твердым. Примером может служить прочно стоящая до сих пор Петропавловская крепость в Санкт-Петербурге – первое крупное архитектурное сооружение, построенное на песке.

А из чего делают прочные стены? Ну, что за вопрос, подумаете вы, достаточно оглянуться вокруг. Это кирпич и железобетонные панели. Все верно, однако это не единственные строительные материалы, которыми пользуются сегодня. Они, конечно, сыграли огромную роль, придя на смену дереву. Здания действительно стали прочнее, да и теплоизоляционные свойства этих материалов весьма неплохие. Более того, кирпич из обожженной глины и панель из железобетона хороши тем, что из них можно собирать самые разнообразные варианты конструкций, как это делают дети из кубиков или деталей «Лего».

Но уже не первый год строят дома и промышленные здания, используя и чисто металлические детали. Еще в середине XIX века в Лондоне был возведен так называемый Хрустальный дворец, сложенный из стеклянных «кирпичиков». Новый для того времени материал позволил выстроить необычное сооружение длиной 555 метров и шириной 124 метра. Несущие конструкции были сделаны из чугуна и частично из дерева. Масштабы постройки позволили провести в ней первую Всемирную промышленную выставку.

Принципы, заложенные в этой конструкции, предвосхитили открытия в архитектуре и строительной технике будущего. Теперь нас не удивляют здания со стеклянными стенами, использование для их облицовки легких металлов и пластмасс. Сегодня изобретаются материалы для строительства, обладающие прекрасными качествами, изготовляемые из обычного кремнезема – кварца или из отходов, как, например, золы от сожженного мусора, или вообще из немыслимых ранее сочетаний.

Недавно удалось совместить в строительном блоке дерево и бетон. Такой материал можно пилить, в него легко вбивать гвозди и ввинчивать шурупы, а самое важное – дом, собранный из подобных блоков, экологически чист.

Докуда «растут» небоскребы и башни?

А могут ли современные строительные материалы позволить возвести сооружения, которые стали бы новыми «чудесами света»? Что ж, вполне. Заметим только, что строительство такого рода не ведется ради рекордов, уж очень дорого они обходятся.

Почему же строят небоскребы? Ведь это дело трудное, нужно решить множество проблем, возникающих при расчете прочности перекрытий, подаче на большую высоту воды, подъеме на лифтах людей. Но вы, безусловно, замечали, хотя бы по фильмам, что такие здания не строят в пустынных местностях, в деревнях и поселках. Они сосредоточены в крупных городах, где земля дорогая, и выгоднее строить не в «ширину», а в «высоту».

Еще больший «рост» необходим радио– и телепередатчикам. Чем выше мы их поднимем, тем большую зону они смогут охватить уверенным приемом. Такие башни стало возможным сооружать, когда появились и подходящие по прочности материалы, и точные расчеты, обеспечивающие долгую жизнь этим громадинам. Раньше их нельзя было испытать на моделях, поэтому строительство велось, как говорится, без черновика.

Весь мир был поражен, когда в Париже появилась Эйфелева башня. Ее высота достигала трехсот метров, а вес – более восьми тысяч тонн. Эта металлическая «игла», вонзившаяся в небо почти 130 лет назад, вписалась в силуэт города выразительным штрихом и даже стала его символом.

Башни из железных «кружев» начали расти в разных странах. Одной из самых известных стала радиобашня в Москве, построенная в 1922 году. Это была оригинальная конструкция, использующая необычные геометрические формы. Хотя она и оказалась лишь в два раза ниже Эйфелевой, весила заметно меньше – триста тонн, иначе говоря, выглядела изящнее.

С 1967 года первенство по высоте перешло к Останкинской телебашне. Ее возвели в Москве из железобетона. Причем добиться при высоте более пятисот метров нужной устойчивости удалось, протянув внутри башни стальные канаты, которые как бы стягивают ее, прижимая к земле. Это сооружение может выдержать землетрясение в 8 баллов и ураганный ветер, при котором верхушка башни отклоняется до 12 метров!

Ныне появились и более высокие башни. За ними «карабкаются» вверх небоскребы. Например, в китайском городе Шанхае должно быть построено административное здание высотой 838 метров, в котором будет 220 этажей!

Где размещать города?

Устремленная в высоту архитектура современных городов во многом определялась необходимостью собрать вместе большое количество людей. Это в каком-то смысле пережиток индустриальной эпохи. Когда создавались крупные предприятия, требовалось поселить работающих на них людей поблизости. И даже выросшие скорости транспорта не позволяют жить в большом удалении от места работы.

Сейчас в мире наметилось направление, которое архитекторы называют сменой вертикали на горизонталь. Новые средства связи, возможно, позволят нам не являться каждый день на работу, а заниматься ею «на дистанции» – ведь наше физическое присутствие в каких-то случаях вполне заменят телефон и компьютер.

А коли так, стоит ли «сгребать» вместе людей и дома, «вытягивать» сооружения вверх, – они могут быть рассредоточены по земной поверхности. Поэтому архитекторы создают такие градостроительные проекты, когда на плоских крышах вытянутых по горизонтали домов разбиваются настоящие парки и сады, засеваются поля и луга. Земная почва словно приподнимается вверх, а отнятая домами площадь возвращается засаженными зеленью крышами.

Но как быть с нехваткой земли? Ведь нас, жителей планеты, сегодня около шести миллиардов! В Японии, например, уже очень остро ощущается недостаток площади для строительства. Там решение проблемы видят в создании искусственных островов. Их насыпают в море, используя отходы городов, причем размеры этих островов таковы, что на них можно поселить десятки тысяч человек. Правда, здесь встречаются трудности из-за проседания почвы, поэтому возникла новая идея – сделать подобные острова плавучими. Недавно завершено сооружение города на понтонах. Они изготовлены из титановых сплавов, не ржавеют, прочно соединены вместе и заякорены на сваях, глубоко вбитых в дно. На острове планируется разместить жилые дома, склады и заводы. Проектируются еще несколько таких островов, которые могли бы стать даже аэропортами.

Но мечты строителей и архитекторов не ограничиваются сейчас работой на поверхности суши и океана, они устремляются ввысь, однако уже за пределы Земли…

Какими будут космические жилища?

Константин Циолковский первым изложил концепцию орбитальных станций, как временных баз на орбите для исследования других миров. Его эскизы космической станции поразительно напоминают современные – цилиндрическая конструкция, вращающаяся вокруг своей оси, в которой находится оранжерея для восстановления атмосферы и рабочие помещения для персонала станции.

Первая космическая станция «Салют» была выведена на орбиту 19 апреля 1971. Экипаж станции периодически сменялся с помощью пилотируемых транспортных кораблей. На этих же кораблях доставляли топливо и материалы для функционирования систем, запасные части для ремонта, запасы продовольствия, предметы гигиены и письма для членов экипажа, материалы для новых научных исследований. Назад транспортные корабли мчались со сменой экипажа и результатами проведенных наблюдений и исследований.

С 1986 года по 2001 год на орбите Земли действовала международная орбитальная станция «Мир». На ее борту провели более 23 000 экспериментов и поставили два рекорда продолжительности пребывания в космосе, проводилась фотосъемка земной поверхности. После того как срок работы станции «Мир» подошел к концу, была построена международная космическая станция – МКС. Не меньше пятнадцати стран объединили свои усилия и финансы, чтобы построить и доставить на орбиту часть блоков-модулей, где роботы-манипуляторы собрали их.

Вспомните, сколь необычны условия пребывания в космосе – радиация, вакуум, большой перепад температур, невесомость…

Намечаемое строительство лунных баз будет происходить в похожих условиях. Это важно для будущего создания уже вполне самостоятельных, удаленных от Земли гигантских кораблей-колоний. Подобные космические поселения, о которых мечтал К. Э. Циолковский, уже спроектированы.

Поначалу небольшие, диаметром до 100 метров, кольца-«бублики», способные принять на себя десятки обитателей, будут вращаться так, что у наружной их стенки образуется искусственная сила тяжести.

Есть и более грандиозные проекты, когда подходящая для жизни людей среда будет создана на внутренней поверхности огромного вращающегося цилиндра. Детально описано, как в этом поселении можно будет разместить миллионы землян.

Конечно, потребность в космических городах возникнет лишь при массовом исходе людей с Земли. Но если такое произойдет, будем надеяться, что к тому времени нас станут ждать в космосе благоустроенные жилища. Во всяком случае их уже готовят нам космические архитекторы.