XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физика в архитектуре
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Многие думают, что физика – сложная, скучная, бесполезная и далекая от реальной жизни наука. В своей работе я решила опровергнуть это и доказать значимость физики в архитектуре, являющейся неотъемлемой частью жизни человека.
Я выбрала эту тему, потому что мне стало интересно, как возводились архитектурные сооружения, какие технологии строительства использовались и как физика связана с архитектурой. Архитектура относится к той области деятельности человека, где тесно связаны наука, техника и искусство. Среди наук физика занимает важное место в архитектуре, которое особенно возросло в наши дни. И физика, и архитектура отражают один и тот же реальный мир, но пользуются при этом разными средствами. Физика отражает действительность в понятиях, законах, теориях, а архитектура - в сооружениях. Возникла проблема: какие основные элементы физики значимы при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений и к чему приводит несоблюдение законов физики в архитектуре? В вышеизложенном и заключается актуальность моего проекта.
Чтобы реализовать идею проекта я выдвинула гипотезу: существуют основные элементы физики, законы, без которых архитектура немыслима.
Актуальность: Многие подростки нашего поколения затрудняются в выборе своей будущей профессии. Моя работа открывает дверь к таким направлениям, как архитектура, инженерия, строительство, разновидности дизайна и др.
Цель исследовательской работы: исследовать связь архитектуры с основными элементами и законами физики.
Задачи исследования:
1. Используя различные информационные источники, расширить свои теоретические знания о значении физики в архитектуре.
2. Изучить законы физики в архитектуре.
3. Рассмотреть, как влияет климат на постройку сооружений.
4. Провести исследования.
Методы и методики: теоретический, анализ и синтез материала, наблюдения.
Проектный продукт: модель Пизанской башни.
Практическая значимость: результат работы будет способствовать расширению знаний и кругозора тех, кто обратится к данной теме, станет дополнительным материалом в изучении физики, а также можно использовать как дополнительный материал на факультативных занятиях, спецкурсах.
Глава 1. Теоретическая часть
1.1 Понятие архитектуры
Архитектура – это искусство проектирования и строительства зданий, сооружений и их комплексов, то есть искусство создания материально организованной среды. Слово «архитектура» происходит от греческого «аркитектон», что в переводе означает «искусный строитель». Сама архитектура относится к той области человека, где особенно прочен союз науки, техники и искусства.
Еще в I в. до н.э. древнеримский архитектор Витрувий сформулировал три основных принципа архитектуры: практичность, прочность и красота. Здание практично, если оно хорошо спланировано и удобно в эксплуатации. Оно прочно, если построено тщательно и надежно. Наконец, оно красиво, если радует глаз своими материалами, пропорциями или деталями убранства.
Воплощая свой замысел, архитектор должен знать многие физические свойства строительных материалов: плотность, упругость, прочность, теплопроводность, звукоизоляция, гидроизоляция, функциональные характеристики света и цвета.
Любое сооружение должно быть долговечным, а, значит, прочным.
1.2. Основные физические законы в архитектуре
В архитектуре важнейшими законами являются закон Всемирного тяготения и закон Гука. Они тесно связаны с силой – одной из фундаментальных физических величин. Рассмотрим суть законов поближе.
1) Закон Всемирного тяготения: две материальные точки притягивают друг друга с силой, пропорциональной массой этих точек и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Иначе такую силу называют силой гравитации, или гравитационного взаимодействия. Она действует на все материальные объекты, начиная от частиц атомов и заканчивая звездами и планетами, но в большинстве случаев заметить такое притяжение практически невозможно.
2) Закон Гука: утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле, прямо пропорциональна силе упругости, возникающей в этом теле.
Он справедлив для упругих деформаций, то есть деформаций, устраняющихся при снятии внешней силы, вызвавшей деформации.
Закон Гука выполняется только при малых упругих деформациях и не справедлив при пластических деформациях. При превышении предела пропорциональности связь между силой и деформацией становится нелинейной. Для многих сред закон Гука неприменим даже при малых деформациях.
1.3. Физика в профессии архитектора
В архитектуре физика играет очень важную роль. Она помогает четче рассмотреть понятия устойчивости, прочности и жесткости конструкций. Без простейших законов физики невозможно рассчитать даже освещение внешней и внутренней части здания.
-
Прочность – способность элемента конструкции сопротивляться разрушению под нагрузкой;
-
Жесткость – способность элемента конструкции проявлять сопротивление деформациям;
-
Устойчивость – способность элемента конструкции сопротивляться воздействию больших отклонений от равновесия при малых изменениях нагрузки.
Различают 3 вида равновесия: устойчивое, неустойчивое, безразличное. Если при отклонении тела от положения равновесия, возникают силы или моменты сил, стремящиеся вернуть тело в положение равновесия, то такое равновесие называется устойчивым.
Неустойчивое равновесие — это противоположный случай. При отклонении тела от положения равновесия, возникают силы или моменты сил, которые стремятся увеличить это отклонение.
Безразличное равновесие — это равновесие, при котором тело, выведенное из положения равновесия и предоставленное самому себе, не меняет своего положения (состояния).
Равновесие устойчиво, если центр тяжести тела занимает наинизшее положение по сравнению со всеми возможными соседними положениями. При таком равновесии выведенное из равновесия тело возвращается на первоначальное место.
1.4. Влияние климата на постройку зданий
Строительная климатология — раздел отраслевых норм, который определяет требования к проектированию зданий и строительству домов с учетом климатических условий. На территории России выделяют 4 климатических района, 16 подрайонов. Требования к строительству в этих зонах разные и определяются климатическими условиями.
1) Температурный режим
Среднегодовые, среднемесячные показатели температур для теплого и холодного времени года, суточные колебания, число переходов через 0°C и т.п.
Проектирование и строительство ведется так, чтобы компенсировать резкие колебания температур, исключить вероятность перегрева на юге и переохлаждения на севере.
При частых переходах температуры через 0°C используют материалы, стойкие к перепадам, сохраняющие свои свойства при замерзании и оттаивании.
Температурный режим влияет на глубину промерзания грунта и требования к обустройству фундаментов, подведению коммуникаций. Водопроводные, канализационные трубы укладывают ниже глубины промерзания. Дополнительно для них могут использоваться теплоизоляционные материалы. Подошва фундамента также должна располагаться ниже отметки глубины промерзания.
2) Показатели влажности
В этой группе параметров — относительная влажность воздуха, ее колебания, средние значения объема осадков (дождей, снега), показатели увлажненности почвы, их колебания в течение года.
При строительстве во влажной зоне строители используют отвод воды с кровли, использование элементов безопасности кровли зимой (распределяют снеговую нагрузку, защищают от схода снега, наледей с крыши), обустройство промежуточных конструкций, вентилируемых прослоек в ограждающих конструкциях.
Аналогичные меры применяются в зоне с нормальными показателями влажности.
3) Ветровой режим
Проектирование выполняют с учетом розы ветров. Это — наглядная диаграмма, которая дает информацию о направлении, силе ветра в конкретной местности для определенного времени года.
При комплексной застройке ветровой режим влияет на взаимное расположение отдельных объектов. Для усиления циркуляции воздуха между строениями оставляют больше пространства. В местности с сильными ветрами застройку уплотняют, чтобы исключить выдувание тепла.
4) Инсоляция территории
Это — уровень освещенности, вероятность облачности и чистого неба, интенсивность действия солнечной радиации. Значение солнечной радиации измеряют для вертикальных и горизонтальных поверхностей при безоблачном небе для разных периодов (по месяцам).
Показатели инсоляции влияют на уровень освещенности внутренних помещений, расположение окон и выбор материалов наружной отделки. [3]
1.5. Секрет Пизанской башни
На Пьяцца деи Мираколи (или Площади Чудес) в итальянской Пизе находится одно из самых узнаваемых в мире строений – башня из белого мрамора, которая сохраняет неестественный наклон более восьмисот лет.
Когда фундамент будущей колокольни был уже заложен, а само строение возведено до третьего уровня (всего их восемь), башня накренилась. Архитектор допустил ошибку: он не учел, что почва на месте постройки была илистой. Вместо того чтобы разрушить постройку, ее решили сохранить. Укрепили грунт, скорректировали центр тяжести в верхних уровнях. В общей сложности строительство длилось 177 лет. [1]
Несмотря на кажущуюся хрупкость баланса башня вполне безопасна для посетителей. Она пережила 4 сильных землетрясения. Но так и не упала.
Долгое время было не совсем ясно, кто создал Пизанскую башню. В 2019 году выяснилось, что проект все-таки принадлежит Боннано Пизано. Тайна разрешилась благодаря найденной каменной табличке, спрятанной в основании башни. Ее должны были разместить на видном месте. Но Боннано, считавший накренившуюся башню своим позором и архитектурной неудачей, позаботился о том, чтобы мемориальную табличку не нашли. Когда латинский текст расшифровали, то правда вышла наружу. [2]
Британские исследователи считают, что секрет феноменальной устойчивости Пизанской башни заключается в сочетании значительной высоты и жесткости конструкции здания с мягкостью фундамента. Этот "микс" изменяет вибрацию грунта таким образом, что башня перестает резонировать с движением Земли во время сейсмических толчков.
Ученые считают конструкцию Пизанской башни уникальной.
Глава 2. Практическая часть
-
Простые эксперименты из подручных средств.
-
Сборка модели Пизанской башни.
Изучив литературу о равновесии и центре тяжести различных тел, я узнала, что равновесие предмета зависит от положения его центра тяжести.
Цель экспериментов:
-
найти центр тяжести у некоторых предметов,
-
проверить зависимость устойчивости от формы конструкций.
Ниже описана серия экспериментов, выполненных в домашних условиях.
Опыт №1
Оборудование: книги, листы бумаги А4, степлер.
Цель: Показать, какую максимальную нагрузку может выдержать опора
Ход работы:
Лист бумаги скручиваем в трубочку и закрепляем степлером. Тоже самое делаем со вторым листом А4. Далее на трубки, установленные вертикально, делаем нагрузку, в виде книг.
Вывод: Чем больше нагрузка, тем сильнее прогибаются трубки, и конструкция падает, т. к. теряет свою устойчивость.
Опыт №2
Оборудование: книги, листы бумаги А4, степлер.
Ход работы:
Листы мы складываем в гармошку, получается что-то вроде гофрированной бумаги. Затем, как в первом опыте, скручиваем трубочки и устанавливаем вертикально. На трубки складываем книги.
Вывод: Трубки, сложенные в гармошку, выдерживают больший вес, чем трубки цилиндрической формы. Устойчивость зависит от формы и распределения веса.
При выполнении первого опыта у труб я увеличила диаметр, и они выдержали вес больше, чем гофрированные. Отсюда следует, что чем больше площадь поверхности, тем больше нагрузки может выдержать опора.
Выполнение опытов 1, 2 показано в приложении 1.
Опыт №3
Оборудование: книги.
Ход работы:
С помощью двух книг делаем опору будущей «Эйфелевой башни» и положим их горизонтально. Третью ставим перпендикулярно, по отношению к опоре. Если мы толкнем опору немного в сторону, то третья книга будет удерживать свое положение – конструкция не упадет.
Если же мы поменяем местами опору и книгу, то при воздействии на две верхние книги башня упадет.
Вывод: Расположение центра тяжести конструкции на нижнем уровне обеспечивает более устойчивое свойство, т.к. потенциальная энергия имеет наименьшее значение.
Опыт №4 - «Книжная Пизанская башня»
Оборудование: книги.
Ход работы:
Сложить книги стопкой, чтобы каждая верхняя книга выступала над нижней.
Вывод: Устойчивое положение нарушилось в тот момент, когда центр тяжести стопки книг вышел за пределы нижней книги.
Выполнение опытов 3 и 4 показано в приложении 2.
В интернет магазине я заказала модель самой Пизанской башни. В высоту модель составляет 23 см, что примерно в 243 раза меньше настоящей. Детали представляют собой картонный конструктор. На концах деталей присутствуют зубчики, которые скрепляются между собой без помощи клея. Сборка составила приблизительно 5 часов. При её сборке я убедилась, что центр тяжести башни находится на нижнем уровне и не выходит за его пределы, обеспечивая её устойчивость. Я считаю, что достигла цели, задачи, поставленные в начале работы над проектом, выполнены. Действия законов физики подтвердились экспериментальным путём. (Приложение 3)
Заключение
Архитектура тесно связана с физикой и не может существовать без нее; строгое соблюдение законов физики необходимо как при проектировании, строительстве, так и при эксплуатации архитектурных сооружений; чем сложнее проект, тем больше внимания требуется уделять физическим законам.
В основе созданных человеком архитектурных композиций лежат результаты многосторонних исследований, в частности полностью выполняются законы физики, а также выполняются свойства равновесия, устойчивости, прочности и жесткости.
Благодаря данному проекту я больше узнала о значимости физики в архитектуре. Эти знания очень пригодятся в моей будущей профессии. На сегодняшний день я освоила дополнительную профессиональную программу в области искусств, что является первой ступенью к моей мечте.
Список использованных источников
1. Интернет источник: https://www.kp.ru
2. Интернет источник: https://weekend.rambler.ru
3. Природно-климатические факторы, влияющие на жилищное строительство [Электронный ресурс]. - https://www.skmsk.ru
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
1.
2.
3.
Приложение 3. Продолжение
4. 5.
6. 7.