Конструктивные свойства материала Biotecton

Для моделирования взято за основу стебель злака / Gramineae, Triticale / как формотворческий архитектурный элемент дизайна сверхвысотных сооружений. Структурные формы живой природы и особенно стебельчатого, вертикально стоящие растения представляют собой очень рационально устроены, крепкие, упруго-гибкие и устойчивые сооружения, и могут рассматриваться как аналоги искусственных сверхвысотным сооружений.

История исследований

Интерес к конструктивной стороне стебля давно привлекал внимание многочисленных исследователей. Еще Галилей отмечал, что в полых балках без увеличения веса значительно возрастает сопротивление, и полотрубчатая конструкция подвергается изгибу тела рационально, и в качестве примера приводил соломинку злака. Роберт Гук (1670), совместно с одним из основателей анатомии растений Неемиею Грю, анализируя содержание полотрубчатой конструкции соломинки, отмечали, что в стебле создается такое расположение материала, который должен предоставить ему прочность, препятствовать его изгибу и заставлять расти его прямо вверх. Инженер-философ Герберт Спенсер вместе с ботаником Гукером в ряде гипотетических выводов дали не только объяснение формированию полотрубчатой конструкции, но и указали на ряд имеющихся приспособлений, необходимых для сохранения вертикального положения.

Исследования ботаника Швенденера

Первые специальные исследования, касающиеся вопросов структурного строения стеблей, появились в конце XIX в., например, работа немецкого ботаника Симона Швенденера «Механический принцип в анатомическом строении однодольных». В ней автор гораздо более полно, чем его предшественники, развил мысль о наличии у зеленых растений «специальных механических тканей» и установил связь между свойствами растительных клеточных стенок, расположением их в теле зеленых растений и функцией обеспечения прочности органов. С. Швенденер пришел к выводу: растение достигает наибольшей устойчивости при концентрическом периферийном распределении массы прочного материала по поперечному сечению стебля растения, то есть при большом удалении материала от продольной оси. Им было установлено также, что механические ткани расположены в поперечном сечении стебли там, где они оказывают наибольшее сопротивление внешним силам, стремятся деформировать стебель в естественных условиях его роста. Швенденер достаточно убедительно доказал и то, что механическая ткань придает устойчивость и расположена внутри стебля так, как расположил бы ее инженер для предоставления стеблю устойчивости при выгодном расположении материала.

Строительно-механические функции стеблей

Строительно-механические функции стеблей по В.Раздорскому состоит в том, что они должны сопротивляться как статически действующим механическим факторам (силе тяжести, гравитации, постоянной скорости ветра), так и динамическим нагрузкам (сильным порывам ветра, теплофизическим и химическим изменениям среды). Сопоставляя стебель с комплексными конструкциями – железобетонной балкой или железобетонной колонной В.Раздорский отмечал целесообразность строения тканей прочности, высокие их физико-механические свойства, обеспечивающие надежность функционирования естественной структуры. Все вышеизложенное свидетельствует, что внутренняя структура стебля представляет большой интерес с точки зрения конструктивной целесообразности строения.

Склеренхима и колленхима

Исследуя в основном свойства материалов, выполняющих опорную функцию, нужно учитывать функции других тканей, которые способствуют обеспечению надежности организма. Основную опорную (несущую) функцию стеблей растений выполняют механические ткани, обладающие большой прочностью и обеспечивают надежность деталей и узлов каркаса (скелета) стебля. К механическим (конструктивным) тканям относятся: склеренхима и колленхима.

• Склеренхима (от греческих слов «склеро» – жесткий и «енхима» – наполняет) обозначают комплекс толстостенных одеревеневших клеток, которые, выполняя опорную функцию, дают возможность стеблю противостоять растяжению, сгибанию, давлению и другим различным напряжениям, которые обусловлены влиянием ветра, снега, дождя, собственного веса растения. Также склеренхимы обладают большой прочностью и упругостью. При растяжении по величине временного сопротивления почти не уступают стали, а по величине удельного живого сопротивления до предела упругости – каучука.
• Колленхима (от греческого «колла» – клей и «енхима» – наполняет) есть, главным образом, тканью прочности молодых, сильно растущих в длину и в толщину стеблей. Сочетает значительную (хотя и меньшую, чем склеренхимы) прочность на разрыв с гибкостью и пластичностью.

Сравнение колленхимы с волокнами показывает, что она способна выдерживать нагрузки в 15-20 кг/мм2. Последние восстанавливают свою прежнюю длину даже после воздействия нагрузки в 15-20 кг/мм2, тогда как колленхима остается в растянутом состоянии даже после приложения нагрузки в 15-20 кг/мм2. Иными словами, волокна эластичны, а колленхима пластична. Механическая ткань стеблей растений имеет пределом прочности на разрыв чп = 3470 кг/см2, то есть примерно таким же показателем, что и сталь марки Ст3/чп = 3800-4100 кг/см2. Механическая ткань, выполняющая опорную функцию растений, имеет равные и значительные пределы прочности и упругости, которые не уступают тем же показателям стали Ст3, а показатели эластичности выше более чем в 10 раз. Именно это, очень ценное для материала, сочетание высокой прочности с большой эластичностью при относительно небольшой удельному весу и является преимуществом «строительных материалов» живой природы. Материал стеблей обладает особой упругостью по сравнению со сталью.

Механическая прочность материала

Немецкий исследователь Э.Детлефсен видел в низких значениях модуля упругости фактор, оказывающий стеблям растений необходимую гибкость, упругость и податливость, в силу которой они способны выдерживать значительные изгибы, то есть способны гнуться, при этом давление ветра на стебель, естественно, уменьшается. Жесткость материала, как известно зависит не только от модуля Юнга, но и от геометрической формы конструкции и сооружения в целом. Свойства «сопротивляемости по форме» (срок определен итальянским инженером П.Л.Нерви), когда конструктивную эффективность определяет не только прочность, но и форму материала, находит отражение в его структурному (клеточному) строении. Форма естественной конструкции повышает механическую прочность ее материала (обладая при этом на целый порядок меньше модулем упругости), что и создает предпосылки динамики, гибкости живых систем.

Эти выводы имеют большое значение, так как известно, что техника повышение надежности достигается за счет избыточности материала по сравнению с минимально необходимым для существования и функционирования структуры.

Природные структуры материалов

Природные структуры созданы при минимальном расходе материала, который в силу своей легкости и меньшей жесткости (по сравнению со сталью) обеспечивает упругую работу элементов живой конструкции. Более глубокий уровень изучения конструкционных свойств биосистем связан с анализом отношений связей между элементами, которые обусловливают солидарную работу компонентов опорной системы. Природа для создания своих «высотных сооружений» использует материалы с уникальными свойствами. Композиция материала стебли формируется из материалов, различных по структуре и функциональным назначением. Именно по композиционной структуре материалы стебли разные, и этого практически достаточно, чтобы их механические свойства были непохожи.

Следует подчеркнуть, что природные комплексные материалы по прочности, сопротивлении, тепловому воздействию и ряду других свойств превосходят любой из входящих в них компонентов. Такие материалы характеризуются, как правило, низким удельным весом, высокой прочностью, способностью к упругим деформациям, и при любом сочетании нагрузок ведут себя как единое структурное целое. В этом одна из главных характеристик природных материалов. Ее воспроизведения в искусственных строительных материалах очень важно.

Вывод

Раскрывая основы структурного построения материала стеблей, основные принципы тектоники, определяя важнейшие функциональные зависимости (организм ↔ среда) и анализируя их с точки зрения возможности использования для поиска новых конструктивно-тектонических систем сверхвысотным сооружений «биотектонов» установлено, что стебель злака представляет собой совершенную пространственную структуру «высотной постройки» природы, где:

• большая несущая способность, устойчивость, пространственное развитие стеблей по вертикали обусловлены конструктивными свойствами несущих материалов, высокой механической прочностью и целесообразным использованием прочности материала по высоте;
• опорные (несущие) ткани, выполняют роль строительной арматуры или каркаса, наряду с высокой прочностью обладают упругостью, эластичностью. Сочетание высокой прочности и эластичности обеспечивает упругую податливость каркаса стеблей;
• свойство «сопротивляемости по форме», когда эффективность работы материала определяется не только его прочностью, но и формой, становится одним из важных факторов экономии;
• композиция материала является природный моделью конструктивной совместимости материалов различных как по структуре, так и по функциональному назначению и солидарная связь его структурных компонентов, где качественный переход свойств одного материала в другой представляются важнейшими принципами создания адекватных конструкционных строительных материалов с заданными свойствами;
• принципы строения и функционирования опорных (несущих) тканей, расположенных по периферии и в сочетании с отдельными ведущими (коммуникационными) тяжами образуют систему пространственных несущих оболочек взаимосвязь несущих элементов, внутренние процессы самоорганизации, которые обеспечивают надежность биосистем, могут быть использованы при создании крупномасштабных вертикальных пространственных структур с многофункциональной организацией;
• как функциональная биологическая модель, построение которой обусловлено, в значительной степени, особенностями структурно-функциональной организации пространства и подчинено определенным тектоническим закономерностям, стебель злака может быть аналогом вертикальных сверхвысотным структур в архитектуре и дизайне.

Именно качественный переход свойств одного материала (клеточной оболочки) в другой – представляется интересным объектом дальнейших исследований для получения новых конструкционных биоматериалов.

Стекловолокнистые обои нового поколения из стеклопряжи

Обои нового поколения - стекловолокнистые. Стекловолокнистые обои состоят из стеклопряжи. На протяжении мн...

Искусственный камень как декоративная облицовочная плитка

Искусственный камень - декоративная облицовочная плитка, поверхнос...

Теплоизоляционный материал минеральная вата

Это отличный материал для утепления стен внутри и снаружи на основе базальта, шлака и пр. Вып...