XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Эко-небоскреб будущего: от дерева-великана к дому-защитнику
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы часто слышим слово "великан" в сказках, но существуют ли великаны в реальном мире? Нас окружают свои «великаны»: люди необычно высокого роста, могучие деревья, столетиями защищающие природу, и небоскребы, устремленные в облака. Я решил исследовать этих удивительных "великанов", чтобы понять, что их объединяет и как они помогают людям.
Актуальность исследования обусловлена растущим противоречием между процессами урбанизации и увеличением плотности застройки городов, с одной стороны, и острой потребностью человека в благоприятной, озелененной среде — с другой. Нехватка зеленых насаждений в мегаполисах негативно сказывается на экологии и психологическом состоянии жителей. Как показывают исследования ученых, пребывание среди природы снижает уровень стресса и тревожности. В связи с этим, поиск архитектурных решений, позволяющих совместить высотность застройки с принципами экологичности, становится особенно важным.
Объект моего исследования – современные архитектурные сооружения большой этажности.
Предмет – способы интеграции "зеленых" технологий в архитектурные сооружения большой этажности на примере создания макета высотного экодома.
Цель работы: создать макета экодома-небоскреба будущего.
Для ее достижения мы определили следующие задачи:
- изучить виды "великанов" (природные, архитектурные, человеческие);
- провести эксперименты, доказывающие пользу деревьев-великанов;
- узнать, что такое "дома-великаны" и почему они важны для человека и природы.
Моя гипотеза: хотя люди-великаны поражают воображение, а небоскребы демонстрируют мощь технологий, именно деревья-великаны приносят неоценимую пользу природе. Поэтому эко-небоскребы будущего должны сочетать высоту с «зелеными» технологиями, копирующими способности деревьев.
Методы исследования: анализ литературы и научных статей, синтез информации, эксперимент, наблюдение, сравнение, моделирование (при создании макета).
Источниками работы послужили литература, научные статьи и документальные фильмы (от BBC и National Geographic).
Практическая значимость: материалы исследования и созданный макет экодома могут быть использованы на уроках окружающего мира.
Глава 1. Великаны вокруг нас
1.1 Люди-великаны
В Большом толковом словаре под редакцией С.А. Кузнецова слово «великан» означает человека очень большого роста, обладающего большой физической силой.
Люди-великаны — это захватывающее переплетение медицины, истории, судеб отдельных личностей и даже мифологии. Однако в реальной жизни высокий рост — это чаще всего следствие заболевания, гигантизма, вызванного нарушением работы эндокринной системы.
Истории реальных "великанов", таких как Фёдор Махнов (285 см) из России или Роберт Уодлоу (272 см) из США, поражают воображение. Их жизнь в мире, созданном для людей среднего роста, была полна трудностей: от необходимости заказывать специальную мебель и одежду до серьезных проблем со здоровьем — огромная нагрузка на сердце, суставы и позвоночник.
Но люди – не единственные, кто стремится к большим размерам. Природа сама создала существ, куда более древних и впечатляющих. Если человек-великан – это скорее исключение, то дерево-великан — это воплощение мощи, устойчивости и невероятной продолжительности жизни нашей планеты. Огромные секвойи, упирающиеся кронами в облака, и баобабы с толстыми стволами, похожими на стены замка, – эти древние деревья хранят секреты прошлого и видели историю, которая началась тысячи лет назад.
1.2 Деревья-великаны
Деревья по праву считаются одними из крупнейших организмов на Земле. Согласно выводам ученых, их высота, ограниченная силой тяжести и множеством других факторов не может превышать 130 метров. Настолько высоких деревьев на планете сейчас нет, но существуют гиганты, высота которых превышает 100 метров или приближается к этой отметке [1].
Ближе всех к пределу роста деревьев подобралась секвойя. Она — настоящий голиаф мира растений. Самая высокая на сегодня секвойя была обнаружена в 2006 году и получила имя «Гиперион» [7]. Высота дерева-рекордсмена составляет почти 116 метров. Оно растет в Калифорнии (США), а его точное местоположение держится в секрете ради защиты дерева от любопытных глаз.
Есть и другие гиганты, такие как желтый меранти Менара в Малайзии (высота ~100,8 м) и царственный эвкалипт (Эвкалипт рябиновый) в Австралии. Пихта Нордмана (Кавказская пихта) — самое высокое дерево в России, способное достигать 50–60 метров в высоту [2].
Каждое дерево – великан – это экосистема в миниатюре. Они не просто растения, а целый мир. Кроны формируют целые воздушные «города», где обитают птицы, насекомые и мхи. В развилках ветвей есть уникальные почвы. В кроне дерева-гиганта свой микроклимат: температура отличается от земли на 5–7 °C, а влажность создаёт особые условия для мхов. Такие деревья является природным архетипом "дома" в его максимально универсальном значении. В отличие от рукотворных небоскребов, это дом-экосистема, созданный не для кого-то одного, а для целого сообщества живых организмов. Его "архитектура" подчинена законам биологии, а его "фундаментом" служат тысячелетия эволюции [7].
Дерево — это идеальная природная модель высотного сооружения (оно устойчиво, самодостаточно, является экосистемой), а человек, строя небоскребы, пытается повторить и адаптировать эту модель для своих нужд. Изучение деревьев-великанов заставляет нас задуматься: а не пытается ли человек, строя свои небоскрёбы, повторить и улучшить эту древнюю, проверенную временем природную модель? Этот вопрос мы и исследуем в следующей главе, посвящённой небоскрёбам.
1.3 Архитектурные гиганты
Земля в крупных городах всегда в цене, и не удивительно, что с давних пор люди пытались построить там здания повыше. Однако до конца 19 века технологии не позволяли сооружать дома более чем в несколько этажей.
Небоскрёб — это высотное здание, в котором несущую функцию выполняет внутренний каркас, а не стены. Эта революционная для XIX века идея позволила строить гораздо выше, чем это было возможно с массивными несущими стенами.
Первым в мире небоскребом считается здание, построенное в Чикаго в 1885 году, оно имело лишь 10 этажей, а его высота составляла 42м. На сегодняшний день единого мнения, какое здание можно считать небоскребом, нет. Но в Европе и в США чаще всего так называют здания высотой более 150м.
Есть три способа определения высоты небоскреба: считать до самого высокого этажа, до самой высокой точки здания и до самой высокой точки всей конструкции (включая шпили и антенны). К примеру, небоскреб Абрадж аль-Бейт в Мекке в Саудовской Аравии имеет высоту 494 м, если считать первым способом, 530 м- если вторым и 601 м –если третьим. А вот количество этажей за меру не принимается, ведь высота у них может быть разной [8].
Чемпион среди небоскребов на сегодняшний день - башня Бурдж-Халифа в Дубае (828 м) имеет 163 этажа и собственный парк на 76 уровне [3]. «Лахта-центр» в Санкт-Петербурге — самый высокий небоскрёб в России, его высота — 462 метра, количество этажей — 87 (приложение, фото1).
Однако за впечатляющими рекордами высоты и сложности скрываются серьёзные проблемы — колоссальное энергопотребление, огромная нагрузка на городскую инфраструктуру и отчуждённость от природной среды. Эти проблемы традиционных высоток заставляют задуматься: каким должен быть небоскрёб будущего. И на смену простому соревнованию в метрах приходит концепция «устойчивого развития», где главным показателем становится не высота, а эффективность и гармония с окружающим миром. Это знаменует рождение нового типа зданий — эко-небоскрёба, или «вертикального экогорода», который призван не покорять природу, а интегрировать её в себя.
Эко-небоскребы, или "зеленые" небоскребы, — это высотные здания, спроектированные и построенные с учетом максимальной экологичности и минимального воздействия на окружающую среду [6]. Они сочетают в себе передовые технологии и инновационные подходы для снижения потребления энергии, воды и других ресурсов, а также для улучшения качества жизни своих обитателей.
Ключевые принципы, отличающие эко-небоскрёб от обычного –это его энергоэффективность. Ориентация здания, форма и расположение окон проектируются так, чтобы максимально использовать естественное освещение и минимизировать потребность в искусственном освещении и кондиционировании. При строительстве таких домов используют только высокоэффективные изоляционные материалы. На крыше и фасадах эко небоскребов устанавливают солнечные батареи и ветряные турбины для выработки собственной электроэнергии. В таких домах эффективно управляют водными ресурсами, есть системы для сбора и использования дождевой воды, так же очистка и повторное использование сточных вод. При строительстве домов используют материалы, полученные в результате переработки (например, металл, бетон) [8]. Покрывают стены небоскреба растениями, которые помогают охлаждать здание, улучшать качество воздуха, снижать уровень шума и создавать эстетически привлекательный вид. Крыши покрывают растительностью, что способствует снижению эффекта "городского теплового острова", улучшает изоляцию и создает дополнительные пространства для отдыха или выращивания растений.
Сегодня в мире уже имеются так называемые экологические дома. The Edge (Амстердам, Нидерланды) (приложение 1, фото 2). Часто называют самым "зеленым" офисным зданием в мире, оно оснащено солнечными панелями, умной системой освещения, которая адаптируется к присутствию людей, и системой сбора дождевой воды.
OneCentralPark (Сидней, Австралия) (приложение 1, фото 3). Известен своими впечатляющими вертикальными садами, созданными Патриком Бланком, которые не только украшают здание, но и обеспечивают затенение и улучшают качество воздуха.
BoscoVerticale (Милан, Италия) (приложение 1, фото 4). Два жилых небоскреба, покрытых тысячами деревьев и кустарников, что создает настоящий "вертикальный лес" и способствует биоразнообразию в городской среде.
Таким образом, современный эко-небоскреб — это не просто здание, а попытка человека создать рукотворный аналог дерева-великана. Как и дерево, он использует энергию солнца (солнечные панели), собирает воду (системы сбора дождевой воды), создает свою мини-экосистему (вертикальные сады) и стремится быть автономным и полезным для окружающей среды. Изучая экодома, мы изучаем самое современное и перспективное направление в создании жилищ.
Глава 2. Практическая часть
2.1 Опыты и наблюдения
Мы выяснили, что деревья-великаны являются не только исполинами по размеру, но и выполняют титаническую работу по очистке воздуха и производству кислорода. Чтобы проверить уникальную способность растений вырабатывать кислород, без которого невозможна жизнь на Земле, мы провели следующий опыт.
Опыт 1."Кислородные фабрики"
Мы взяли две стеклянные банки. В одну поместили комнатное растение хлорофитум, другую оставили пустой (приложение 1, фото 5). Через несколько часов мы аккуратно опустили в каждую банку зажженную свечу.
В банке без растения свеча сразу погасла (приложение 1, фото 6). В банке с растением свеча продолжала гореть еще некоторое время (приложение 1, фото 7). Это доказывает, что там присутствовал кислород, необходимый для горения.
Мы делаем вывод, что растение действительно вырабатывает кислород, который является жизненно важным газом для человека и многих других живых существ. Деревья-великаны — огромные "фабрики кислорода".
Помимо производства кислорода, деревья умеют естественным образом регулировать температуру, работая как живые кондиционеры. Следующий наш эксперимент был посвящен именно этой их роли.
Опыт 2 "Дерево-кондиционер" (Регуляция температуры)
В солнечный день мы одновременно измерили температуру воздуха на открытом пространстве и в тени большого дерева. Для точности мы провели несколько измерений в разное время дня (приложение 1, фото 8,9,10,11).
Таблица «Наблюдение за температурой»
|
t время |
t на воздухе |
t в тени дерева |
|
12:00 |
+28°C |
+24°C |
|
12:30 |
+28,5°C |
+24,5°C |
|
13:00 |
+30°C |
+26°C |
Результаты:
· Температура на солнце: +30°C
· Температура в тени дерева: +26°C
Разница в 4 градуса убедительно доказывает, что дерево создает свою собственную, более комфортную микроклиматическую зону. Оно не только дает тень, но и активно испаряет влагу через листья, что и приводит к охлаждению воздуха. Именно поэтому в жаркий день в парке или лесу всегда прохладнее, чем на городской площади.
Мы делаем вывод, что под деревом значительно прохладнее. Деревья-великаны — природные кондиционеры города.
Мы убедились, что деревья дарят нам кислород и прохладу. Но их работа не ограничивается этим. Растения — это еще и мощные «насосы», которые постоянно перемещают огромные объемы воды из почвы в атмосферу. Этот процесс, невидимый для нашего глаза, имеет огромное значение для климата всей планеты. Чтобы «увидеть» его в действии, мы провели следующий опыт.
Опыт 3 «Листья-насосы».
Мы надели прозрачный полиэтиленовый пакет на листья комнатного растения хлорофитум и плотно закрепили его (приложение, фото 12). Оставили растение на несколько часов в освещенном месте.
Уже через 2 дня на внутренней стороне пакета мы заметили мелкие капельки воды (приложение 1, фото 13). Спустя 3 дня пакет капли стали крупнее (приложение 1, фото 14).
Делаем вывод, что листья растений непрерывно испаряют воду, которую они всасывают корнями из почвы. Этот процесс, с одной стороны, охлаждает само растение, а с другой — увлажняет окружающий воздух. Таким образом, деревья-великаны работают как гигантские естественные увлажнители и кондиционеры, создавая комфортный и здоровый микроклимат.
Проведенная серия экспериментов позволила нам на практике доказать уникальные способности растений, которые мы ранее изучали в теории. Каждый опыт стал ярким подтверждением того, что деревья-великаны — это не просто украшение нашей планеты, а сложные живые системы, от которых напрямую зависит жизнь и благополучие человека.
Таким образом, наши опыты однозначно подтвердили гипотезу о неоценимой пользе деревьев-великанов для природы и человека. Они — настоящие многофункциональные защитники: они дарят нам воздух, прохладу и влагу.
Именно эти три принципа — чистый воздух, комфортный температурный режим и оптимальный уровень влажности — должны быть взяты за основу при проектировании домов будущего. Наш макет эко-небоскреба, который мы создадим в следующей главе, будет воплощать именно эти идеи, соединяя мощь технологий с мудростью природы.
2.2 Создание макета экодома-небоскреба будущего.
Основываясь на результатах наших исследований и экспериментов, мы перешли к созданию макета экодома-небоскрёба будущего. Мы назвали наш проект «Зелёная Башня» (приложение 2, фото 1).
Цель создания макета: наглядно продемонстрировать, как могут сочетаться высотность, современные технологии и принципы работы природных великанов — деревьев.
Конструкция и ключевые элементы макета, вдохновлённые экспериментами:
«Зелёные легкие» — фасады с вертикальным озеленением. Стены небоскрёба покрыты растениями в специальных нишах. В ходе проведения опыты «Кислородные фабрики», мы выяснили, что деревья способны вырабатывать кислород. Эти живые стены будут непрерывно очищать воздух от пыли и вредных веществ и обогащать его кислородом для жителей всего дома (приложение 2, фото 2).
На каждом этаже расположены зелёные балконы и террасы с деревьями и кустарниками. В основании макета мы разместили искусственный водоём. Здесь мы применили знания, полученные после проведения опытов «Дерево-кондиционер» и «Листья-насосы», тем самым снизили температуру и увлажнили воздух, для жителей экодома. Растения испаряют влагу, создавая прохладу. Водоём усиливает этот эффект. Это позволяет экономить электроэнергию на работе обычных кондиционеров (приложение 2, фото 3).
«Энергия природы» — автономные источники энергии. На крыше макета мы установили ветряные турбины, трубы для сбора дождевой воды и солнечные панели. Как и дерево, наш дом использует естественные, возобновляемые ресурсы — солнечный свет и ветер. Здание самостоятельно вырабатывает часть необходимой электроэнергии, не загрязняя окружающую среду (приложение 2, фото 4).
«Умная шуба» — энергосберегающая оболочка. Окна в макете сделаны из прозрачной плёнки, а стены утеплены слоем картона. Как кора защищает дерево от перепадов температур, так и эта оболочка сохраняет тепло зимой и прохладу летом (приложение 2, фото 5).
Нам удалось создать макет, который является симбиозом архитектурного и природного великана. «Зелёная Башня» — это не просто высокое здание, а сложный организм, который, как и дерево:
· производит кислород (вертикальные сады);
· регулирует микроклимат (озеленение и водоёмы);
· экономно использует ресурсы (солнечные панели, ветрогенераторы и накопители сточных вод).
В перспективе я планирую разработать 3D-модель нашего эко-небоскреба в специальной программе, чтобы можно было виртуально «пройтись» по его этажам и изучить все экосистемы.
Таким образом, наш макет — это практическая реализация главной цели исследования: будущее за экологичными небоскрёбами, которые, подражая деревьям-великанам, станут не захватчиками пространства, а его защитниками и союзниками природы в городе.
Заключение
В ходе нашего исследования мы изучили удивительный мир «великанов», которые окружают нас. Мы убедились, что это не просто сказочный образ, а реальные объекты, играющие важнейшую роль в жизни планеты и человечества.
Наша работа позволила достичь поставленной цели по созданию экодома-небоскреба будущего и успешно решить все задачи. Мы изучили различные виды великанов: людей-гигантов, деревья-исполины и архитектурные гиганты — небоскребы. В результате экспериментов нам удалось на практике доказать гипотезу о том, что деревья-великаны приносят неоценимую пользу природе и человеку, очищая воздух, регулируя температуру и являясь домом для множества живых существ.
Сравнительный анализ позволил сделать главный вывод: хотя люди-великаны и технологические гиганты поражают воображение, именно дерево является идеальной моделью для подражания. Таким образом, эко-небоскреб будущего — это синтез лучших качеств всех "великанов".
От архитектурных гигантов он берет высоту и технологичность, решая проблему нехватки пространства. От деревьев-великанов он наследует принципы жизни в гармонии с природой: автономность, способность очищать воздух, производить энергию и создавать среду обитания.
Практическим результатом нашей работы стал макет экодома-небоскреба, в котором мы постарались воплотить эти принципы: вертикальное озеленение, аналогичное кроне дерева, системы энергосбережения и элементы, имитирующие природные процессы.
В итоге, наше исследование подтвердило, что будущее — не за противостоянием технологий и природы, а за их разумным союзом, где рукотворные великаны будут не покорять, а бережно поддерживать жизнь, как это делают их древние и мудрые природные прообразы.
Список литературы и источников
1. Вокруг света. «Ветвистые гиганты: 10 самых высоких деревьев в мире». – URL: https://www.vokrugsveta.ru/articles/vetvistye-giganty-10-samykh-vysokikh-derevev-v-mire-id843664/ (дата обращения 12.09.2025)
2. Hi-News.ru. «Обзор самых высоких деревьев России: где растут и чем уникальны местные гиганты». – URL: https://hi-news.ru/eto-interesno/obzor-samyx-vysokix-derevev-rossii-gde-rastut-i-chem-unikalny-mestnye-giganty.html (дата обращения 12.09.2025)
3. Официальный сайта Burj Khalifa. – URL: https://www.burjkhalifa.ae/en/ (дата обращения 18.09.2025)
4. Официальный сайт Lakhta Center. – URL: https://lakhtacenter.ru/(дата обращения 18.09.2025)
5. Фейгин О. Практическая наука: удивительные опыты и эксперименты в домашних условиях, 2015. – 88с. – С.28
Документальные фильмы:
6. National Geographic. Фильмы из цикла «Мегасооружения» (о строительстве небоскребов).
7. BBC. Фильмыизцикла «Силарастений» (The Private Life of Plants).
Периодические издания:
8. Журнал «Эрудит». Номер 11, ноябрь 2024г., статья «Поднебесные великаны» С. 12-14.
Словари:
9. Большой толковый словарь русского языка / Под ред. С.А. Кузнецова. – СПб.: Норинт, 2008.
Приложение
Приложение 1
Фото 1. Сравнительная таблица небоскребов
Фото 2. The Edge (Амстердам, Нидерланды). Самое "зеленое" офисное зданием в мире.
Фото 3. One Central Park (Сидней, Австралия)
Фото 4. Bosco Verticale (Милан, Италия)
Фото 5. Растение, помещенное в банку
Фото 6. В банке без растения свеча погасла
Фото 7. В банке с растением свеча горит
Фото 8, 9. Измерение температуры воздуха на открытом пространстве
Фото 10, 11. Измерение температуры воздуха под деревом
Фото 12. Плотно закрепили пакет на цветке
Фото 13. Спустя 2 дня в пакете появились капли воды
Фото 14. Через 3 дня капель воды стало больше
Приложение 2
Фото 1. Создание макета экодома-небоскреба будущего
Фото 2. Фасады с вертикальным озеленением
Фото 3. Искусственный водоём
Фото 4. Ветрогенераторы, трубы для сбора дождевой воды и солнечные панели
Фото 5. Стены утеплены слоем картона