XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Модель тенсегрити

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Туприков П.Д. 1

---

1МОУ "СОШ №48" Копейского городского округа

Туприкова И.И. 1

---

1МОУ "СОШ №48" Копейского городского округа

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность исследования. Летом мы с папой делали лавочку и столик для дачи. Прежде, чем приступить к работе, мы стали читать и смотреть видео в интернете, и случайно наткнулись на парящую мебель – тенсегрити. Она выглядела интересно и необычно. Верхняя часть таких изделий имела плавающий, подвешенный вид, с прерывистыми секциями, парящими в воздухе без видимых опор. Мне захотелось узнать, что это за принцип соединения деталей и можно ли что-то подобное сделать самостоятельно. Выпилить и собрать большой деревянный стол мне пока сложно, поэтому я решил попробовать сделать понравившиеся тенсегрити модели из подручных материалов. Интересно, у меня получится?

Темой моей научно-исследовательской работы стала: «Модель тенсегрити».

Объектом исследования: принцип тенсегрити

Предметом исследования: применение принципа тенсегрити при изготовлении мебели.

Цель работы: изготовить различные модели по принципу тенсегрити из подручных материалов.

Для достижения цели, мы поставили следующие задачи:

1. Изучить литературу и интернет-источники по теме исследования

2. Рассмотреть понятие и принцип «тенсегрити»

3. Изучить сферу применения тенсегрити и преимущества конструкций, построенных по данному принципу

4. Найти фотографии известных тенсегрити сооружений мира

5. Проверить устойчивость изготовленных моделей

В качестве гипотезы исследования было выдвинуто следующее предположение: если понять принцип, который лежит в основе тенсегрити, то можно изготовить модель тенсегрити из подручных материалов самостоятельно.

Для решения поставленных задач и проверки гипотезы, были использованы следующие методы исследования:

1. Изучение литературы, интернет-источников

2. Анализ и отбор информации

3. Беседа

4. Наблюдение

5. Эксперимент

Практическая значимость работы: изготовленную модель тенсегрити можно использовать в качестве наглядного пособия на уроках физики.

Глава I Теоретическая часть

1.1 Принцип тенсегрити

Тенсегрити (tensegrity от англ. tensionalintegrity — соединение путём натяжения) — принцип построения конструкций из стержней и тросов, в которых стержни работают на сжатие, а тросы — на растяжение. При этом стержни не соприкасаются друг с другом, но висят в пространстве, а их относительное положение фиксируется растянутыми тросами, в результате чего ни один из стержней не работает на изгиб.

Термин был придуман учёным и архитектором Ричардом Бакминстером Фуллером. В России подобные конструкции называются напряжённосвязанными. В России изучением тенсегрити занимался ученый Карл Иогансон (1890—1929). Он, еще за четверть столетия до создания этого термина Фуллером, восхищал посетителей технических выставок своими «самонапряженными конструкциями».

Тенсегрити — способность каркасных конструкций использовать взаимодействия работающих на сжатие цельных элементов с работающими на растяжение составными элементами для того, чтобы каждый элемент действовал с максимальной эффективностью и экономичностью.И хотя конструкция выглядит хрупкой и эфемерной, она удивительно устойчива. 

1.2 Тенсегрити концепция нашего тела

Наше тело построено по тому же принципу «баланса сжатия и напряжения». Твердые стержни – наши кости, эластичные тросы – связки, мышцы, фасции и другие мягкие ткани.

Когда мы даем чрезмерную нагрузку на определенную часть системы, то получаем ответ от всей системы – ее перестройку и повреждение, но совсем не обязательно в том месте, куда была приложена сила. Именно поэтому, когда у нас болит плечо или поясница – проблема может лежать далеко за пределами этих областей.

Зная принцип тенсегрити, можно более грамотно подходить к коррекции нарушений опорно-двигательного аппарата. Целесообразно воздействовать на мягкие ткани (компонент натяжения), нежели на костный компонент (компонент сжатия).
В системе нашего «биологического тенсегрити» имеются цепи (линии), которые делятся на поверхностные и глубокие. Первые отвечают за выполнение амплитудных движений, а глубокие – за стабилизацию тела, когда оно совершает движение.

1.3 Сфера применения и особенности тенсегрити конструкций

Тенсегрити - структуры могут применяться как в гражданском, так и в архитектурном строительстве, в основном в таких конструкциях, как купольные сооружения, мосты, башни, крыши стадионов, временные сооружения, а также палатки.

Строения, выполненные на основе принципа тенсегрити, имеют ряд преимуществ:

1) легкость конструкций дает экономию веса, т.к. не нужно всю конструкцию делать из металлических балок, можно некоторые элементы заменить натянутыми тросами.

2) Жесткость конструкции достигается за счет натянутости тросов, поэтому она будет сохранять свою форму под действием внешних сил. Кроме того, конструкции имеют решетчатую форму. Для высоких сооружений основную опасность несёт ветровая нагрузка, а у решётчатой конструкции она невелика. Благодаря этим особенностям конструкции являются прочными.

Возведение таких сооружений усложнено отсутствием алгоритма для расчета и отсутствием разработанной технологии возведения подобных конструкций, вследствие чего самонапряженные конструкции «Тенсегрити» были причислены к декоративным и пока не получили широкого распространения.

В настоящее время идея «тенсегрити» активно внедряется в производство мебели (столы, стулья, декоративные подставки) и элементов декора. Мебель тенсегрити имеет прочную конструкцию и интересный дизайн, который может быть использован в различных интерьерах.

Мебель тенсегрити - это особый тип мебели, который использует принципы тенсегрити, то есть сочетание сжимаемых и напряженных элементов, для создания прочной конструкции без использования традиционных соединений.

1.4 Известные тенсегрити сооружения мира

1. «Игольчатая башня» Кеннета Снельсона в Вашингтоне (США)

Музей и Сад скульптур Хиршхорна в Вашингтоне может похвастаться удивительной структурой, получившей название «Башня Игла» (Needle Tower). Спроектированная художником Кеннетом Снельсоном.
Стоя в центре «Башни Иглы» (у ее основания), посетители могут увидеть шестиконечную звезду Давида (Приложение 1). А вот при взгляде издалека стальные тросы становятся практически незаметными, поэтому создается впечатление, что вся башня балансирует над землей, стараясь противостоять законам гравитации.

2. Олимпийский парк в Мюнхене (Германия)

Олимпийский парк в Мюнхене (Munich Olympic Park), спроектированный Фреем Отто – архитектором и инженером-строителем является свидетельством того, как знание принципов устройства растяжимых конструкций помогает построить огромный комплекс. Опыт в создании палаток во время Второй мировой войны вдохновил его на исследования и инновации, которые вылились в масштабные объекты, ставшие свидетельством того, как принципы тенсегрити помогают ускорить и удешевить процессы строительства. При этом, несмотря на видимую хлипкость, такая сборка никак не скажется на их устойчивости, тем более на эстетическом облике. А как раз наоборот, обязательно привлечет внимание к объекту, глядя на который многие не только восхищаются, но и пытаются разгадать технологию вполне реальной иллюзии (Проложение 2).

3.Мост Курилпа через реку Брисбен (Австралия) - один из самых длинных пешеходных мостов мира, соединивший два берега реки Брисбен в австралийском штате Квинсленд (Приложение 3).

4. «Биосфера» в Монреале от Бакминстера Фуллера (Канада)

Монреальская биосфера (Montreal Biosphere) – Экологический музей (Приложение 4). Эстетически привлекательное архитектурное сооружение, в котором сейчас находится музей Монреальская биосфера, первоначально являлось американским павильоном, построенным для Всемирной выставки Экспо 67. Но строение настолько очаровало канадцев, что они решили его не демонтировать. Расположено в парке Жан-Драпо на острове Святой Елены.
5. Международный аэропорт Денвера (США)

Культовый международный аэропорт Денвера (Denver International Airport), являющийся одним их крупнейших аэроузлов США и мира, стал наглядным примером того, как можно использовать растяжимые структуры для строительства масштабных объектов. Конструкция культового объекта, напоминающего вершины скалистых гор, создана по принципу тенсегрити, а вот в роли оболочки остроконечных крыш выступает стекловолокно с тефлоновым покрытием (Приложение 5).

6. «Исчезающая башня» от Томаса Ван Девентера (Африка)

«Исчезающая башня» была построена в 2015 году для проведения южноафриканской версии американского мероприятия Burning Man (Горящий человек) с соответствующим континенту названием – AfrikaBurn. Южноафриканское региональное мероприятие, собирающее людей искусства, которые представляют свои творения стало довольно популярным в мире современного искусства. К его проведению представляют самые невероятные арт-композиции. В рамках такого мероприятия и была построена «Исчезающая башня», поразившая «парящей» конструкцией (Приложение 6).

Глава II Практическая часть

2.1 Беседа с учителем физики

Перед тем как приступить к изготовлению модели, я побеседовал с учителем физики Кондратенко Виталием Александровичем. Он сказал, что «Самонапряженные конструкции» в школьном курсе физики не изучаются, но изготовленная модель тенсегрити может служить в качестве наглядного пособия при изучении темы: «Равновесие». Виталий Александрович дал мне советы по изготовлению моделей и обратил внимание, что один из тросов должен проходить под геометрическими центрами столешницы и ножек. Это для того, чтобы центр тяжести стола не сместился и модель получилась устойчивой.

Еще Кондратенко В.А. объяснил, как работает тенсегрити:

• Жесткие сжатые элементы (стержни) удерживаются друг от друга непрерывной сетью гибких натяжных элементов (тросов).

• Жесткие детали передают сжимающие усилия, а тросы образуют непрерывные линии натяжения.

• Этот баланс стабилизирует всю форму без необходимости каких-либо жестких соединений между сжатыми элементами.

• Силы распределяются по всей конструкции посредством растяжения и сжатия в равновесии.

2.2 Процесс изготовление тенсегрити моделей

Сначала я решил попробовать по описанию в интернете сделать самую простую модель тенсегрити.

1. Подготовим все необходимое для работы (картон, карандаш, линейка, клей-пистолет, отвертка, нитки, канцелярский нож).

2. На картоне чертим детали: 3 равносторонних треугольника (со стороной 12 см)

3. Вырезаем канцелярским ножом детали.

4. Из одного треугольника делаем 2 ножки (это стержни конструкции). У двух других треугольников закругляем края.

5. В углах треугольников и на концах ножек прокалываем отверстия с помощью отвертки.

6. Приклеиваем ножки к серединам треугольников. Получаем две симметричные детали.

7. Натягиваем нить произвольной длины между ножками. Затем натягиваем 3 дополнительных нити по углам основания (это тросы конструкции). Закрепляем нитки клеем.

Модель готова (Приложение 7).

В основе модели – равносторонние треугольники, к каждому приклеивается ножка (это стержни). Соединением и опорой для двух симметричных элементов служат одна натянутая нить посередине и 3 дополнительных по углам основания (это тросы). Сначала надо натянуть нить произвольной длины между ножками, а затем одинаковые по длине по углам основания. Вот моя первая модель. Результатом я доволен, модель получилась, но я заметил, что со временем нить растягивается, нужно было использовать леску. К тому же она менее заметна.

Вторую модель я решил сделать в виде столика. В интернете я нашел чертеж понравившегося стола (Приложение 8), уменьшил все размеры в 2 раза, начертил свой чертеж. Затем перенес все детали на картон, нанес разметку. Вырезал детали канцелярским ножом. Затем наложил ножки стола на столешницу, совместил центры и диагонали. Проколол отверстия отверткой на ножках и столешнице одновременно. Это для того, чтобы центр тяжести стола не сместился и модель получилась устойчивой.

Дальше я склеил горячим клеем боковые перекладины, между ними натянул нить. Затем приклеил одну перекладину к ножкам, а другую – к столешнице. Теперь осталось самое сложное - натянуть леску по углам. И модель стола готова (Приложение 9).

Третью модель я собрал под руководством папы из обрезков панелей и бруска (Приложение 10). Здесь тоже две симметричные детали соединяются между собой леской. Эффект парения в воздухе получился, даже когда держим модель боком, нижняя часть не провисает. Получилась полочка-подставка.

2.3 Эксперименты с моделями тенсегрити

Я решил испытать изготовленные модели, проверить их устойчивость и узнать предметы какой массы они выдержат (Приложение 11).

Вывод: все изготовленные модели довольно устойчивы.Модели №1 и №2 выдерживают предметы, масса которых больше в несколько раз массы самих моделей. Если у модели №3 натянуть толще леску (трос), то она тоже будет удерживать предметы большей массы.

Заключение

Изучив литературу и интернет-источники по теме исследования, я узнал, что:

• с точки зрения физики «тенсегрити» – это принцип построения конструкций из стержней и тросов посредством баланса сжатия и растяжения в равновесии.Расположение и размеры элементов сжатия и растяжения обеспечивают структурную прочность конструкции;

• конструкции тенсегрити имеют разнообразные формы;

• наше тело тоже построено по принципу «баланса сжатия и напряжения»;

• идея «тенсегрити» сейчас активно внедряется в производство мебели и элементов декора.

Мы заметили, что практически все модели мебели, изготовленные по принципу тенсегрити, состоят из двух симметричных деталей, соединением и опорой служат натянутые тросы. При изготовлении моделей тенсегрити один из тросов должен проходить под геометрическими центрами столешницы и ножек. Это для того, чтобы центр тяжести стола не сместился и модель получилась устойчивой. Я собрал три разные модели из различных материалов, проверил их устойчивость. Гипотеза подтверждена.

Изготовленные модели можно использовать на уроках физики в качестве наглядного пособия при изучении темы «Равновесие». Третью модель можно использовать как полочку-подставку. В интерьере такая мебель будет выглядеть интересно и необычно. А если она еще и сделана своими руками, то это вдвойне приятно.

Источники информации

1. Большой Российский энциклопедический словарь. Научное издательство «Большая российская энциклопедия» М.: 2006г.

2. Концепция Тенсегрити – как наше тело приспосабливается к нагрузке. Режим доступа: https://institut-osteopatii.ru/blog/tensegrity/

3. Левитирующая подставка своими руками. Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=9ESJ8aTHXIY

4. Напряженная целостность: 6 архитектурных объектов, бросающих вызов гравитации. Режим доступа: https://novate.ru/blogs/200323/65843/

5. Самые удивительные примеры тенсегрити в дизайне. Режим доступа: https://fishki.net/3527687-tensegriti-i-drugaja-samaja-neobychnaja-nauchno-obosnovannaja-mebely.html

6. Тенсегрити - Википедия. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Тенсегрити

7. Физика в действии: удивительная конструкция, части которой парят в воздухе. Режим доступа: https://www.maximonline.ru/guide/progress/_article/fizika-v-deistvii-udivitelnaya-konstrukciya-chasti-kotoroi-paryat-v-vozdukhe-video/

Приложение 1

Башня «Игла» (США)

Приложение 2 Приложение 3

Олимпийский парк (Германия) Мост Курилпа (Австралия)

Приложение 4

«Биосфера» (Канада)

Приложение 5 Приложение 6

Аэропорт Денвера (США) «Исчезающая башня» (Африка)

Приложение 7

Модель №1

Приложение 8

Приложение 9

Модель №2

Приложение 10

Модель №3

Приложение 11

Модель №1

Модель №2

Модель №3