CC BY
15Юрьев А.Г., д-р техн. наук, профессор Белгородский государственный технологический университет
имени В.Г. Шухова, MICE
ПРИНЦИП АНАЛОГИИ В ИНЖЕНЕРНОЙ ПРАКТИКЕ
В.Г. ШУХОВА
В историю отечественной науки и техники Владимир Григорьевич Шухов вошел как выдающийся исследователь и инженер, сочетавший в себе глубокие познания с блестящей конструкторской интуицией.
Особенно значительным в исследованиях В.Г. Шухова было использование принципа аналогии в инженерной практике. Об одном из таких случаев использования писал в 1919г. профессор П.К. Худяков в статье «Изыскания инженера Шухова в области сгибания балок»: «Инженер Шухов останавливается в своих работах, прежде всего на инженерной аналогии, существующей между поворотом поперечного сечения у плавающего тела и поворотом поперечного сечения упруго согнутой балки. В обоих случаях этот поворот характеризуется действительно одними и теми же, в сущности, формулами». Аналогия с плавающим брусом позволила В.Г. Шухову успешно и притом совершенно необычно решить задачу опирания днища железного резервуара. Шухов показал, что днища вертикальных резервуаров целесообразно опирать непосредственно на грунт и назначать толщину листов днища из конструктивных соображений.
В широком смысле слова под аналогией понимают сходство предметов (явлений, процессов и т.д.) в каких-либо свойствах. При умозаключении по аналогии знание, полученное из рассмотрения какого-либо объекта (модели), переносится на другой, менее изученный в определенном отношении объект. Гипотетичность та-
кого рода представлений очевидна. Однако при установлении между объектами или явлениями отношений изоморфизма или гомоморфизма выводы по аналогии могут давать достоверные заключения. Единство природы находит отражение в экспериментальных принципах и их проявлениях.
Для перевозки нефти водным путем В.Г. Шухов предложил конструкции специальных нефтеналивных судов. Изучив теорию плавающего бруса, он предложил метод расчета наливных барж и установил, что при некоторых условиях изгибающий момент в брусе не зависит от его длины, что привело к возможности строительства нефтеналивных судов значительной длины. Размеры строившихся барж постепенно росли. В 1893г. В.Г. Шухов руководил строительством и пуском на воду баржи длиной 170 м и емкостью 165 тыс. пудов нефтепродуктов.
Еще в годы учебы в высшей школе Шухов познакомился с открытием швейцарского профессора К. Кульмана, установившего в 1860-х годах принцип организации структуры костной массы. Траектории растягивающих и сжим ающих напряжений в кости находят отражение в ее губчатой структуре, то есть в системе костных балочек. Их оптимальное расположение не запрограммировано генетически, а возникает как ответ на нагру-жение скелета в процессе морфогенеза. Таким образом, максимально облегченная конструкция должна иметь решетчатую структуру из стержней, расположенных по траекториям действия напряжений.
В 1897 году вышла в свет книга В.Г. Шухова «Стропила», в которой изложена его теория арочных ферм. Строго научно доказав известный из практики факт, что наиболее рациональной является ферма с параболическим очертанием верхнего пояса, Шухов нашел способ глубокого совершенствования конструкции путем замены традиционных раскосов, испытывающих сжатие и требующих решения проблемы устойчивости равновесия, системой легких лучевых затяжек из предварительно напряженного металла, испытывающих растяжение - самый выгодный для элементов конструкции вид усилия [1].
Устройством затяжек Шухов достиг выгодного перераспределения усилий в верхнем поясе, прежде всего выравнивания эпюры изгибающих моментов. Это обеспечивало наиболее правильное распределение материала и соответствующее снижение веса фермы. «Располагая возможностью увеличить число наклонных тяг без особого увеличения затрат на материал и изделие их, можно значительно уменьшить сгибающие моменты и тем самым облегчить вес арки», - отмечал изобретатель и тут же указывал, что существует известный предел, «далее которого при данном пролете увеличивать число тяг не представляется экономичным».
В книге «Стропила» нашел отражение опыт автора в области проектирования и строительства перекрытий из металла, в частности, конструкций перекрытий Верхних торговых рядов на Красной площади в Москве, известных впоследствии как ГУМ. Возведенные торговые ряды представляли собой одно из самых крупных торговых заведений Европы и были оснащены по последнему слову науки и техники. Венцом всего явились свегопрозрачные перекрытия В.Г. Шухова, определив внутреннее пространство зданий и создавшие его неповторимый облик.
Выдающийся немецкий инженер и ученый Ф. Отто, посетивший Москву в середине 1960-х годов, отметил, что шуховские конструкции перекрытий ГУМа затмевают прославленный Хрустальный дворец в Лондоне. Следует сказать, что эти конструкции служат более 100 лет без реставрации.
Во второй половине XIX века исключительно смелые инженерные решения привели к постройке сооружений из стекла, стали и бетона, которые стали постепенно вытеснять строения традиционных архитектурных стилей. Создатель Хрустального дворца Дж. Пак-стон, в молодости страстный любитель - садовод, принял участие в конкурсе проектов ярмарочного павильона для Всемирной выставки в Лондоне (1851 год). Ему виделось сооружение, которое, несмотря на свои гигантские размеры, не воспринималось бы как нечто тяжелое и громоздкое, а напротив, казалось бы почти невесомым.
И тут бывший садовод - любитель вспомнил плавающие листья Виктории регии. Ее округлые листья достигают в диаметре двух метров. Несмотря на незначительную толщину, они достаточно прочны, чтобы вос-
принять вес взрослого человека. Столь высокую прочность обеспечивает усиление нижней поверхности листьев своего рода балками. Из центра листа расходятся во все стороны толстые жилки, которые по мере приближения к краю листа становятся более плоскими. Из-за того, что жилки многократно, до пяти раз, ветвятся, расстояние между ними у кромки листа становится небольшим. В результате из одной хрупкой жилки в центре листа образуется у его периферии до 32 жилок, которые сцеплены друг с другом более плоскими поперечными связями.
В проекте Дж. Пакстона, победившего в конкурсе, основу составили немногочисленные силовые балки. От них отходят менее крупные распорки, которые соединены между собой многочисленными тонкими связями. Лавры победителя следов ало бы р азделить с тропической лилией. Заслуга Пакстона в его наблюдательности, в том, что он сумел воплотить в стекле и металле строительные принципы, существующие в растительном мире [2].
Когда техническая мысль приходит к тем же результатам, какие дает биологическая эволюция, или же когда в качестве образца она использует инженерные решения, найденные природой, конструкция оказывается целесообразной. В отличие от Пакстона Шухов избрал первый путь, и в этом его гениальность. По прекрасному высказыванию архитектора И.В. Жолтовского, «создать живой образ из мертвого материала можно только, если мастер настолько сроднился с этим материалом, что научился им «думать», научился формировать его по законам построения живой органической материи» [3].
Создание В.Г. Шуховым арочной фермы с наклонными тягами явилось завершением долгого поиска инженерами всего мира наиболее оптимального типа стропильных ферм. Их дальнейшее совершенствование при возрастающих пролетах было уже невозможным. Этому было дано строгое научное доказательство в книге «Стропила». Там же указан единственный выход из положения - создание висячих сетчатых пространственных систем.
Такого рода конструкции широко распространены в природе. Яркий пример - паутина. Сеть паутины может иметь вертикальное и горизонтальное расположение. Крепление паутины в одной точке не надежно, поэтому, кроме первой нити, к опоре подводится система треугольных связей, создающих мощный опорный блок. Если сравнить сделанные зоологом Э. Кульманом с помощью электронного микроскопа фотографии мест прикрепления нитей в паутине, узлов, системы краевых образований с деталями применяющихся на практике сетчатых конструкций, можно испытать изумление от сходства решения проблемы [4].
Здания, возведенные на XVI Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде по проектам В.Г. Шухова, воплощали собой три его принадлежащие будущему идеи и утверждали приоритет России в изобретении арочных и висячих сетчатых пр остр анственных покрытий, а также
висячей оболочки - мембраны. Все три вида покрытий в полной мере отвечали формуле П.К. Энгельмейера: «механизм (конструкция) есть организм» [5], конечно не в смысле грубого и поверхностного внешнего подражания природе, но в том смысле, что в совершенной конструкции должны быть достигнуты органичная целостность, гармоничное сочетание и согласованной, слаженное действие всех, даже самых мелких и второстепенных ее частей, полное соответствие формы свойствам материала и условиям, в которых конструкции предстоит «жить». Только в этом случае она будет по-настоящему целесообразной и экономичной, как всякий прир одный организм.
В 1930-1950 годы в западной архитектуре сложилось «органическое» направление, возглавляемое Ф.Л. Райтом. Но задолго до этого идею виртуозно выполнил на практике русский инженер В.Г. Шухов. Идея сетчатых сводов была с успехом перенесена на железобетон и нашла одно из лучших своих воплощений в работах П.Л. Нерви.
Интересна история изобретения В.Г. Шуховым ги-перболоидных башен. Главное применение такой конструкции предвиделось для водонапорных башен и маяков. Шухов встретился с гиперболоидами на лекциях по аналитической геометрии в Техническом училище. Уже тогда он обратил внимание на практически важное свойство однополостного гиперболоида - возможность образования его криволинейной поверхности из прямолинейных элементов. Идея конструкционного воплощения гиперболоида запала ему в душу, но изобретению предшествовал случай, подобный яблоку Ньютона.
В.Г. Шухов вспоминал: «И вот однажды прихожу раньше обычного в свой кабинет и вижу: моя ивовая корзинка для бумаг перевернута вверх дном, а на ней стоит довольно тяжелый горшок с фикусом. И так вдруг ясно встала передо мной будущая конструкция башни. Уж очень выразительно на этой корзинке было показано образование кривой поверхности из прямых прутков». Корзинка выдержала и его вес. Предстояло продумать конструктивные детали, разработать методы! расчета и способ оформления проектной документации.
Как и сетчатые покрытия, пространственная сетчатая конструкция башни представляла собой систему, в
которой обеспечивалась равнопрочность материала за счет единого, совместного сопротивления ее элементов всем видам нагрузок. Изящная конструкция башни рациональна и по форме, так как представляет собой минимальную обтекаемую поверхность для ветра, который является одной из основных нагрузок для высотных сооружений.
Единственным мастером, который на рубеже XIX-XX веков обращался к той же конструктивной форме, был знаменитый испанский архитектор А. Гауди. Но, как и Пакстон, он шел по пути непосредственного использования природных форм. Напротив, В.Г. Шухов сознательно создавал абстрагированные конструкции, органичность, «биоподобность» которых заключается в использовании главного принципа «творчества» природы - экономии средств для достижения цели. Наблюдение природных и рукотворных форм, способствующих высокой прочности при минимальной затрате материала костей скелета, древесных стволов [6], тех же плетеных корзинок, перерабатывалось в уме инженера в точные математические модели, принимавшие в конечном итоге вид рациональных, практически полезных сооружений.
Автору статьи в 80-е годы XX века удалось установить вариационный принцип синтеза несущих конструкций, распространяющийся на природные и инженерные системы. Ему в полной мере отвечают шедевры инженерного искусства В.Г. Шухова.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шухов В.Г. Стропила. Изыскание рациональных типов прямолинейных стропильных ферм и теория арочных ферм.
- М.: Изд-во Политехнического общества, 1897.
2. Патури Ф. Растения - гениальные инженеры природы. -М.: Прогресс, 1982. - 272 с.
3. Мастера советской архитектуры об архитектуре. В 2 т. Т 1. - М., 1975.
4. Юрьев А.Г. Естественный фактор оптимизации конструкций. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. -110 с.
5. Шухова Е.М. Владимир Григорьевич Шухов. Первый инженер России. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.
- 368 с.
6. Юрьев А.Г. Архитектоника дерева - прообраз оптимизации конструкций // Современные проблемы строительного материаловедения: матер. 6-х академ. чтений РААСН.
- Иваново: Изд-во ИАГАСА, 2000. - С. 620-622.
