Исследовательская работа по физике на тему «Физика и архитектура»

Цель работы: исследовать взаимосвязь и взаимозависимость физики и архитектуры.

Задачи исследования:

• Найти и выяснить значимость законов и явлений физики в планировке зданий и сооружений;
• На примере физических законов и явлений обосновать, как здания возводятся и остаются устойчивыми;
• Рассмотреть на предложенных примерах эту взаимосвязь.

Объекты исследования: существующие здания: Останкинская телебашня и Штаб-квартира CCTV.

Предмет исследования: влияние законов физики и физических явлений на конструкцию и устойчивость сооружений.

Гипотеза: физика является неотъемлемой базой для установки и проектирования архитектурных сооружений.

Практическая значимость: результат данной работы будет способствовать расширению знаний и кругозора читающего и станет дополнительным материалом в изучении физики.

Тема моей исследовательской работы "Физика в архитектуре". Данная тема актуальна и важна для каждого образованного человека. Архитектурные сооружения являются неотъемлемой частью нашей жизни и сопровождают нас повсеместно. Значит, важно знать, как перекликаются знания науки физики и чувства эстетики.

Основная часть

Основные понятия архитектуры

Архитектура – это искусствo проектирования и строительствa зданий, сооружений и их комплексов, организовывающее материальную средy, которая необходима людям для жизни и жизнедеятельности, а так жe для удовлетворения чувствa прекрасного.

Архитектура представляет собой многогранную систему. Каждый структурный элемент зависим от архитектурного целого. Структуру составляет как сама планировка, так и пространственные ситуации на основе базовых и строгих правил

Основной задачей архитектора состоит в выработке новых архитектурных идей, создание концепции здания, его облик и увязка всех критериев воедино. Проектировка зданий совершается согласно потребностям заказчика или населения и четким зонированием сооружаемого комплекса.

К возводящимся зданиям существует ряд основных требований: прочность, устойчивость, экономичность, функциональная целесообразность, техническая целесообразность, архитектурно-художественная выразительность, долговечность и благоприятное влияние на людей. Несмотря на все вышеперечисленные требования, архитектор, в первую очередь, это творец. Его главной задачей является создание новых инновационных идей в плане зданий, комплексов и сооружений.

Основные стили и виды архитектуры

Стили архитектуры - единая совокупность черт и признаков произведения архитектуры присущие определенному времени и месту. Архитектурные стили формируются с помощью особенностью, свойствами и возможностями того исторического периода страны или региона, которые реализованы в отличительных чертах здания.

Основные базовые стили:

1. Античная архитектура (греческая ордерная система, римская ячейка);
2. Средневековая архитектура (романский стиль, готика);
3. Архитектура нового времени (барокко, классицизм, модерн);
4. Архитектура новейшего времени (конструктивизм).

Архитектура, как часть искусства, имеет свои виды:

1. Архитектура объемных сооружений (жилые дома, общественные здания, промышленные сооружения, культовые постройки, крепостные постройки);
2. Ландшафтная архитектура (скверы, бульвары и парки с фонтанами, мостиками и т.д.);
3. Градостроительство (создание нового и реконструкция старого).

Архитектурные стили и виды являются взаимозависимыми. Они формируются на протяжении всего времени и являются отголоском определенного периода в виде практической реализации.

Физика в профессии архитектора

Физика – это наука о природе, практически во всех ее областях. Она изучает механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые и световые явления, которые применяются практически во всех направлениях: геодезии, медицине, архитектуре и т.д.

В архитектуре - физика имеет наибольшее значение. Она помогает более четко рассмотреть понятия устойчивости, прочности и жесткости конструкций. Без простейших законов физики невозможно рассчитать даже освещение внутренней и внешней части сооружения.

Существует даже наука о методах расчетов прочности, жесткости и устойчивости элементов сооружений, называемая сопротивлением материалов.

• Прочность - способность элемента конструкции сопротивляться разрушению под нагрузкой;
• Жесткость - способность элемента конструкции сопротивляться деформациям;
• Устойчивость - способность элемента конструкции сопротивляться воздействию больших отклонений от равновесия при малых изменениях нагрузки.

Ограждающее пространство архитектурного объекта — его физическое тело, формируется конструкцией и проходит оценку прочностью и временем.

Физические и природные явления в строительстве и их влияние на объекты

Архитектор, который знает, как конструирование и строительство объектов связано с физическими явлениями, позволяет ему правильно предусматривать мероприятия по шумоизоляции здания, ориентация здания по свету, тип и вид ограждающей конструкции и т.д.

Факторы, воздействующие на возведение зданий, подразделяют на внутренние и внешние.

К внешним факторам относят природные и искусственные явления: шум, влага, осадки, радиация, электромагнитные волны, звуковые колебания, сейсмические волны и т.д.
К внутренним факторам относят технологические и функциональные явления: удары, пролив жидкости, биологические вредители, оборудования и люди.

При эксплуатации зданий различают силовые и агрессивные воздействия окружающей среды.

Агрессивная среда – среда, вызывающее деформацию или разрушение свойств материалов, которая приводит к снижению прочности сооружения.

Воздействие воздушной среды способствует к преждевременному разрушению, износу, растрескиванию здания (грязь, пыль + влага или выделение СО₂ и SO₂).

Воздействие грунтовых вод способствует развитию коррозии конструкции и выщелачиванию извести в бетоне, снижению прочности основания.

Воздействие отрицательных температур способствует разрушению тех конструкций, которые увлажняются. Промерзание грунтов в основаниях опасно для зданий, построенных на глинистых и пылеватых грунтах, мелко- и средне-зернистых песках, в которых вода по капиллярам и порам поднимается над уровнем грунтовых вод и находится в связанном виде.

Наиболее явно знание влияний всех вышеперечисленных явлений и элементов, можно рассмотреть при строительстве моста. Необходимо рассчитывать противодействие оказываемой нагрузки на мост; не будут ли размываться и разрушаться сваи моста.

Это всего лишь малая часть продемонстрированных основных физических явлений в природе, но все это обязан учитывать архитектор на стадии планировки своего сооружения.

Требования к конструкции зданий и сооружений

Все требования можно свести в четыре основные группы: функциональные, технические, архитектурно-художественные и экономические.

• Функциональные требования – соответствие здания поставленным требованиям (а также создание необходимых качеств и условия быта и труда людей).
• Технические – защита помещений от внешних воздействий среды.
• Архитектурно-художественные (эстетические) – внешний облик здания, гармонично связанный с окружающей средой (удовлетворение потребностей прекрасного).
• Экономические – предусмотренное уменьшение затрат на материалы, рабочую силу и время.

Важно выделить одно из технических требований – огнестойкость. Огнестойкость определяется степенью возгораемости материалов, применяемых при строительстве (несгораемые, трудно-сгораемые и сгораемые). Все эти основные требования в купе дают максимальную функциональность и безопасность сооружаемых зданий.

Останкинская телебашня

Перейдем к конкретным и наиболее наглядным примерам применения физики в архитектуре. Как наиболее показательную модель верных физических расчетов, правильный выбор места в противодействие природным и физическим явлениям. Рассмотрим Останкинскую телебашню.

Останкинская телебашня

Авторы проекта башни уверены в ее устойчивости: она строилась по принципу неваляшки. Три четверти общего веса башни приходятся на одну девятую ее высоты, значит, основная тяжесть башни сосредоточена внизу у основания. Этой башне не страшны землетрясения и ураганы.

Нет никакой магии и загадки в ее устойчивости. Данное высотное сооружение, как и многие другие, имеет близкое к земле расположение центра масс объекта. Останкинская башня находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры. Небоскреб выполнен в интернациональном стиле – брутализм.

Штаб-квартира CCTV

Еще одним необычным построением можно выделить штаб-квартиру CCTV в Пекине.

Штаб-квартира CCTV в Пекине

Самой главной проблемой архитекторов являлась сейсмичность зоны.

Небоскреб CCTV выходит из общей платформы как две башни, которые наклонены друг к другу, а в конце сливается в перпендикулярную 75-метровую консоль. Структура штаб-квартиры CCTV и схема работы ее конструктивной схемы можно увидеть на фасаде здания - в областях, на которые оказываются большие нагрузки, структурная сетка становится более плотной, а еще наоборот, в областях, где испытываются меньшие нагрузки она менее плотная. Сам фасад является визуальным проявлением структуры объекта.

Правильное распределение нагрузок в разных фасадах здания и придает ему устойчивость и опору.

Исследовательская часть

Практическая часть

Опыт 1

Для первого опыта нам понадобятся два листа бумаги А4, клей и книги. Лист мы скрутим в трубку и зафиксируем с помощью клея. Данную процедуру проделаем еще с одним листом.

Опыт 1

Далее установим трубки вертикально и сделаем нагрузку с помощью книг, более-менее подходящих по весу. В процессе мы придем к выводу, что чем больше мы кладем книг, тем сильнее будут прогибаться трубки и конструкция упадет.
Опыт 2

Для следующего опыта нам так же понадобится клей, два листа бумаги А4 и книги. Листы мы сложим гармошкой, получиться что-то вроде гофрированной бумаги. Затем, как в первом опыте, скрутим листы в трубки и установим вертикально. Нагрузку совершим тоже с помощью книг.

Опыт 2

Заметим, что данная конструкция выдерживает намного больший вес, чем первая.

Вывод

Устойчивость объекта зависит от формы и распределения внутреннего веса. Основываясь на этом, можно правильно сконструировать объект, не боясь за его безопасность и сохранность.

Заключение

На основе исследованных и найденных мною данных и полученной информации, моя гипотеза подтвердилась.

Физика является неотъемлемой частью архитектуры. без нее уже на первом этапе реализации архитектурного проекта, конструкция могла начать разрушаться или стать неустойчивой. Именно знания физики помогают рассчитать устойчивость, прочность и жесткость здания, предотвратить скорого размывания или коррозии объекта через воздействие факторов среды.