Архитектура и физика: Архитектурная физика : Учебник для вузов. — М., 2007

Научно-исследовательская работа «Физика в архитектуре»

министерство образования и науки Амурской области

учредитель

государственное профессиональное образовательное автономное учреждение Амурской области «Амурский колледж строительства и жилищно-коммунального хозяйства»

наименование образовательного учреждения

Научно-исследовательская работа

по теме

«Физика в архитектуре»

	Выполнил: студент 1курса группы А11 Балашов Данил Специальность: архитектура
	Научный руководитель: Дутова О. А.

Цели работы:

1. Показать значение законов физики в архитектуре

1. Рассмотреть роль понятий «устойчивость», «прочность» и «жесткость конструкций» при создании сложных конструкций

2. Применить знания, полученные при изучении данной темы, в объяснении окружающих явлений

а

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	стр.4
Теоретическая часть	стр.4
1. История создания памятника Петру I как задача о равновесии	стр.4
2. Рассмотрение проблемы в общем виде: как обеспечить равновесие предмета	стр.5
3. Загадка Пизанской башни	стр. 5
4. Падающие башни мира	стр.8
5. Эйфелева башня	стр.10
6. Останкинская башня	стр.12
7. Самое высокое здание мира	стр.15
8. Требования к конструктивным элементам зданий и сооружений	стр.16
Результаты исследования	стр.17
Заключение	стр.18
Используемая литература	стр.19
Приложения	стр.20

Введение

С древних времен человечество занималось строительством. А для того, чтобы построить высотные здания необходимо произвести математические расчеты и посмотреть с точки зрения физики, достаточно ли построенное здание будет прочным и устойчивым. На примере некоторых памятников и башен рассмотрим как действуют законы физики в жизнедеятельности человечества.

Теоретическая часть

1.История создания памятника Петру I как задача о равновесии

200 лет скачет он над Невою, 200 лет им не перестают восхищаться, воспевают в стихах и прозе, запечатлевают на гравюрах и картинах. Во дворе мастерской строители возвели помост, имитирующий пьедестал. Лучшие берейторы на лучших скакунах взлетали на этот помост. Сотни раз они повторяли эти взлеты, пока, наконец, скульптор не понял, что удержать вздыбленную лошадь на двух опорах ему не удастся. Решение очевидно: для усиления устойчивости фигуры необходимо увеличить площадь ее основания, то есть создать еще одну точку опоры. Таково мнение наших учеников.

А вот решение скульптора: под задними копытами коня появляется третья точка опоры – змея, символизирующая поверженных врагов России.

3.Рассмотрение проблемы в общем виде: как обеспечить равновесие предмета

Давайте построим вертикальные конструкции со смещенными относительно друг друга коробками на максимально возможную высоту, и так, чтобы они не падали. Какое условие надо выполнить при строительстве, чтобы конструкция была высокой и не падала? Давайте ответим на этот вопрос.

1.Тело (конструкция, сооружение) находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры – значит, следует увеличить площадь опоры.

2. Вероятность выхода вертикальной линии за границы площади опоры снижается, если центр тяжести расположен низко над площадью опоры, т. е. соблюдается принцип минимума потенциальной энергии

( принцип неваляшки )- значит, следует понизить центр тяжести

Решение очевидно: для усиления устойчивости фигуры необходимо увеличить площадь ее основания, то есть создать еще одну точку опоры.

3. Загадка Пизанской башни

Самой знаменитой достопримечательностью города Пиза является его Башня. Известна она в первую очередь тем, что стоит не строго вертикально, а под наклоном от основной оси. Ведь если бы не этот изъян, то вряд ли бы многотысячные толпы туристов приезжали ежегодно, чтобы взглянуть на эту, ставшую мировой, «падающую» достопримечательность. Далеко не все знают, что «падающая» башня не отдельное сооружение, а часть архитектурного ансамбля. Кроме самой башни, являющейся на самом деле колокольней или же кампанеллой (от итальянского слова campanella, что значит колокольчик), в него входят Пизанский собор (Duomo di Santa Maria Assunta), Баптистерий (Battistero di San Giovanni), кладбище Кампо-Санто (Campo Santo) и площадь чудес (Piazza dei Miracoli) на которой это все расположено. Колокольня расположена недалеко от северо-восточного угла собора. А весь ансамбль считается мировым шедевром итальянской архитектуры средних веков, оказавшим большое влияние на развитие культуры в Италии. Падает Пизанская Башня уже на протяжении восьми столетий. Из-за этого сами итальянцы и называют ее «затянувшимся чудом». Отклонение увеличивается с каждым годом на один миллиметр. А всего здание отклонилось от оси более чем на пять метров, что не так уж и мало. Но, ни смотря ни на что, кампанелла пережила даже землетрясение и сегодня открыта для посещения. С момента постройки Пизанская Башня стала практически символом города. Ее строительство было начато в августе 1173 года, посреди зеленого луга на окраине Пизы вместе с городским собором и крестильней. Вместе с перерывами продолжительность работ составила около двух столетий. Окончательно колокольня была готова в 1370 году. Кто был автором первоначального проекта достоверно неизвестно. Однако исторические хроники предполагают, что это мог быть Бонанно Пизано (Bonanno Pisano). Сегодня определить была ли кривизна постройки задумана изначально или образовалась в результате проседания почвы впоследствии уже невозможно. Хотя второй вариант выглядит более правдоподобным. Скорее всего, изначальный проект уже был в чем том ошибочен. А башня изначально планировалась как вертикальная. Однако практически сразу после постройки первого этажа с колоннадой высотой 11 метров, строение начало кренится в южную сторону. И сначала это были всего лишь четыре сантиметра. После этого строительные работы были приостановлены и возобновились лишь спустя 100 лет. В 1275 году, когда крен Пизанской башни составлял уже 50 сантиметров, ситуацию попытались исправить. Для этого при возведении последующих этажей закладывалось превышение высоты на 10 сантиметров со стороны крена. К сожалению это не сильно помогло, и возведение колокольни пришлось прекратить досрочно, сократив ее на четыре этажа от первоначального проекта. Архитектурные особенности Романо-пизанский стиль Пизанской башни. поражает всех своим изяществом и красотой. Высота ее восьми ярусов после окончания строительства составила 58 метров 36 сантиметров. В самой высокой части высота равна 56 метров 70 сантиметров, а в самой низкой – 55 метров 90 сантиметров. Диаметр основания колокольни, имеющей цилиндрическую форму, составляет 15 метров 54 сантиметра. Толщина внешних стен у основания составляет 4 метра 90 сантиметров, а у вершины – 2 метра 48 сантиметров. Ее отклонение от вертикальной оси на уровне основания составляет 4 метра, а на уровне вершины – 5 метров 30 сантиметров. На верхний уровень кампанеллы возносят 294 ступени. А уж оттуда туристам, одолевшим восхождение, открывается красивый вид на Поле Чудес и ближайшие окрестности. Вся башня выполнена из камня и декорирована цветным мрамором (светло-серого и белого цветов). У ее входа расположены барельефы, на которых изображены мифические фигуры животных. Верх люнета украшен статуей Мадонны с младенцем, выполненной Андреа Гварди (Andrea Guardi). Первый ярус окаймлен глухими арками с пятнадцатью полуколоннами и украшен кессонами, внутри которых можно увидеть розетки идентичные украшениям на баптистерии и соборе. Шесть последующих этажей окружены декоративными романскими аркадами. Их изящество напоминает византийскую архитектуру. Венчает здание звонница, прорезанная арками для семи колоколов. Их вес колеблется от 300 килограмм до 3,5 тонн. Кроме того у каждого из них свое имя и тон. Последующие присоединились к нему уже в 16-17 веках. Кстати все они находятся в рабочем состоянии и до сих пор радуют туристов своим звоном. Колокола Самый первый был отлит в середине 13 века. Его нота соль-бемоль, а имя Паскверечча (Pasquereccia). Второй Терца (Terza) с нотой си-диез появился в 1473 году. Маленький Веспруччо (Vespruccio) с нотой ми выплавили в 1501 году. Крочифиссо (Crocifisso) с нотой до-диез сделал мастер Винченцо Посенти (Vincenzo Posenti), а в 1818 году он был переплавлен Гуаланди да Прато. Даль Поцо (Dal Pozzo) – нота соль изготовили в 1606 году. Во время бомбардировки Второй Мировой войны он был разрушен. После войны его отреставрировали и отправили в музей. А на его месте в 2004 году появилась точная копия. Ассунта (Assunta) с нотой си — самый большой из семи колоколов, появился благодаря Джованни Пьетро Орланди. Последним звонницу пополнил Сан Раньери (нота ре-диез). Причем его неоднократно подвергали переплавке. В последний раз это было в 1735 году. Так как собор, к которому относится Пизанская колокольня, является действующим, то перед каждой мессой, а также в полдень все желающие могут услышать перезвон этих колоколов. Интересно, что в средние века колокола звонили не одновременно, а каждый в свой специально установленный литургический час.

4. Падающие башни мира

Во всем мире около 300 падающих башен. Из них башня церкви в г.Зуурхузен (Германия) занимает первое место по углу наклона, далее- Пизанскаябашня, Болонская Гаризенда, Косая башня Невьянска на Урале. Правда, некоторые «призовики» были выпрямлены реставраторами, например минареты Улугбека В Самарканде.

«Падающие» башни есть в Пизе, Болонье, в Афганистане и др. местах.

В Болонье рядом высятся две знаменитые «падающие» башни из простого кирпича. Более высокая башня (высота 97 м, вершина отклонена на 1,23 м от вертикали), продолжает наклоняться и ныне. Вторая -достигает половины высоты своей соседки и наклонена ещё сильнее (её высота 49 м, отклонение от вертикали 2,4 м)

Падающие башни Болоньи не так широко известны, как Пизанская, но точно так же являются символом города, в котором находятся. Наиболее высокая, Азинелли, наклонена не так сильно, как её соседка, Гаризенда, зато она гораздо выше: высота башни Азинелли превышает 97 м. Это делает её наиболее высокой исторической постройкой Старой Болоньи и самой высокой «падающей» башней мира.

Угол наклона башни Азинелли от вертикальной оси составляет 1,3°. Казалось бы, не так много, но при высоте конструкции это приводит к отклонению верхней части башни на 2 с лишним метра. Тем не менее Азинелли способна выстоять и в таком положении, а вот её соседке, Гаризенде, повезло меньше: отклонение той превышало изначально 3 м, и это серьёзно угрожало и самой постройке, и окружающим. Гаризенду укорачивали трижды, и теперь её высота составляет только 48 м. Зато именно она, а не более высокая «сестрица», упомянута в «Божественной комедии» Данте. Строить башни в принципе было модным среди итальянской знати в Средние века. Башни служили жилыми помещениями и укреплёнными цитаделями, а также демонстрировали величие и утверждали власть своего хозяина. В одной только Болонье сегодня можно увидеть около 20 башен, при том что изначально, в 13 веке, их насчитывалось порядка полутора сотен.

Конструкция башен была более-менее одинакова. В каждой был фундамент, усиленный вколоченными в землю столбами, присыпанными камнем. Основание делали из больших каменных блоков, а стены становились чем выше, тем тоньше. Обычно стен было две: более толстая внутренняя и тонкая внешняя, а промежуток между ними засыпали щебнем.В 18 веке Джованни Гульельмо изучал гравитацию, бросая предметы именно с башни Азинелли.

С возведением «падающих» башен, конечно, связано множество легенд, в том числе и та, что обещает влюблённому юноше руку красавицы только после постройки самой высокой башни в городе. Однако историческая правда скорее в том, что технологии строительства в те времена оставляли желать лучшего. Для того, чтобы возвести башню типичной конструкции высотой около 60 м, требовалось от 3 до 10 лет работы. Согласно расплывчатым данным, Азинелли одноимённое семейство начало строить на рубеже 12 и 13 веков. Несколькими столетиями спустя башней завладел город, и здесь была устроена тюрьма. Башни-соседки соединили своеобразным мостиком из дерева, но он сгорел во время городского пожара. Во время Второй мировой войны башня Азинелли использовалась как наблюдательный пост, а впоследствии и как телевышка. Сегодня на башню Азинелли можно подняться по винтовой лестнице, которая насчитывает почти 500 ступеней. Гаризенда для осмотра изнутри закрыта.Другие башни Болоньи, на которые стоит обратить внимание, — это Аззогильди, она же Альтабелла (61 м), Прендипарте, она же Короната (60 м), Скаппи (39 м), Угуццони (32 м), Гильдозаньи и Галуцци.

5.Эйфелева башня

Э́йфелева ба́шня  — металлическая башня в центре Парижа, самая узнаваемая его архитектурная достопримечательность. Названа в честь главного конструктора Гюстава Эйфеля; сам Эйфель называл её просто «300-метровой башней» (tour de 300 mètres).

Башня, впоследствии ставшая символом Парижа, была построена в 1889 году и первоначально задумывалась как временное сооружение, служившее входной аркой парижской Всемирной выставки 1889 года.

Эйфелеву башню называют самой посещаемой платной достопримечательностью мира и самой фотографируемой. Например, в 2006 году на башне побывало 6 719 200 человек, а за всю её историю по 31 декабря 2007 — 236 445 812 человек. Изначальный проект Нугье и Кёшлена был слишком «сухим» в эстетическом плане и не отвечал требованиям, выдвигаемым к сооружениям Всемирной Парижской выставки, архитектура которых должна была быть более изысканной. Чтобы башня более отвечала вкусам требовательной парижской публики, архитектору Стефа́ну Сове́стру (фр.)  было поручено поработать над её художественным обликом. Он предложил обшить цокольные опоры башни камнем, связать её опоры и площадку первого этажа с помощью величественных арок, которые стали бы одновременно главным входом на выставку, разместить на этажах башни просторные застеклённые залы, придать верхушке башни округлую форму и использовать разнообразные декоративные элементы для её украшения.

В январе 1887 г. Эйфель, государство и муниципалитет Парижа подписали договор, согласно которому Эйфелю предоставлялась в личное пользование эксплуатационная аренда башни сроком на 25 лет, а также предусматривалась выплата денежной субсидии в размере 1,5 млн золотых франков, составившую 25 % всех расходов на строительство башни. 31 декабря 1888 года с целью привлечения недостающих средств, создается акционерное общество с уставным фондом 5 млн франков. Половина этой суммы — средства, внесенные тремя банками, вторая половина — личные средства самого Эйфеля.

Итоговый бюджет строительства составил 7,8 млн франков. Башня окупилась за период работы выставки, а её последующая эксплуатация оказалась весьма доходным бизнесом. Строительные работы в течение двух лет, двух месяцев и пяти дней (с 28 января1887 года по 31 марта 1889 года) выполняли 300 рабочих^[3]. Рекордным срокам возведения способствовали чертежи чрезвычайно высокого качества с указанием точных размеров 18 038 металлических деталей, для сборки которых использовали 2,5 млн заклёпок.

Чтобы закончить башню в назначенный срок, Эйфель применял, большей частью, заранее изготовленные части. Отверстия для заклёпок были просверлены в намеченных местах уже заранее, и две трети от 2,5 млн заклёпок были заранее установлены. Ни одна из заготовленных балок не весила больше 3 тонн, что очень облегчало поднятие металлических частей на предусмотренные места. Вначале применялись высокие краны, а когда конструкция переросла их по высоте, работу подхватили специально сконструированные Эйфелем мобильные краны. Они двигались по рельсам, проложенным для будущих лифтов. Сложность состояла и в том, что подъемное устройство должно было двигаться вдоль мачт башни по изогнутой траектории с меняющимся радиусом кривизны. Первые лифты на башне приводились в действие гидравлическими насосами. Вплоть до нашего времени используются два исторических лифта фирмы «Fives-Lill», установленные в 1899 г. в восточной и западной опорах башни. С 1983 г. их функционирование обеспечивается электродвигателем, а гидравлические насосы сохранены и доступны для осмотра.

Второй и третий этаж башни связывал вертикальный лифт, созданный инженером Леоном Эду (фр. Léon Édoux; однокурсник Эйфеля по Центральной высшей технической школе). Этот лифт состоял из двух взаимоуравнивающихся кабин.

6.Останкинская башня

Останкинская телебашня — телевизионная и радиовещательная башня, расположенная в Останкинском районе Москвы. Высота — 540,1 м, на момент постройки высочайшая в мире, а по состоянию на декабрь 2017 года — 10-е по высоте свободно стоящее сооружение после:

1. небоскрёба Бурдж-Халифа (Дубай),

2. Небесного дерева Токио,

3. Шанхайской башни (Шанхай),

4. Абрадж аль-Бейт (Мекка),

5. Международного финансового центра Пинань (Шэньчжэнь),

6. Lotte World Tower (Сеул),

7. телебашни Гуанчжоу,

8. телебашни Си-Эн Тауэр (Торонто)

9. Башни Свободы (Нью-Йорк).

Первое название — «Общесоюзная радиотелевизионная передающая станция им. 50-летия Октября». Останкинская телебашня является высочайшим сооружением в Европе и России, а также полноправным членом Всемирной федерации высотных башен.
На момент окончания строительства в зоне действия передатчиков проживало около 10 000 000 человек, башня охватывает территорию с населением свыше 15 000 000 человек. Телебашня принадлежит филиалу ФГУП «Российская телевизионная и радиовещательная сеть» — «Московскому региональному центру».

Московский телевизионный центр на улице Шаболовка был построен в 1936—1938 годах возле Шуховской башни, на которой была установлена передающая телевизионная антенна. 9 марта 1938 года в эфир вышла первая пробная передача, а в 1939 году телецентр начал регулярную работу. Сигнал с Шуховской башни обеспечивал уверенный приём телепрограмм почти на всей площади Москвы и Московской области, но в масштабах страны его мощность была недостаточной. В 1953 году Сергей Новаковский, Ф. Большаков и Н. Скачков обратились к председателю Всесоюзного радиокомитета Алексею Пузину с предложением построить в Москве «фабрику телевизионных программ» — многопрограммный телецентр с 15—20 студиями, передающей станцией и башней-антенной высотой 500 метров, которая обеспечила бы уверенный приём за пределами московского региона. Пузин дал проекту одобрение и представил его Никите Хрущёву, и 15 июля 1955 года Совет министров СССР издал постановление «О строительстве нового телепередающего центра». В январе 1956 года для строительства был выделен участок в районе Черёмушек, но изыскания показали непригодность почв для строительства массивного сооружения. После Черёмушек рассматривались участки около Берсеневской набережной, в районе Крапоткинской улицы и Калужской заставы, а подходящий был найден на территории Останкинского питомника Управления благоустройства города Москвы.

Был проведён всесоюзный конкурс на лучший проект телебашни, который выиграл киевский проектный институт, специализировавшийся на стальных конструкциях и предложивший ажурную металлическую башню наподобие башни Эйфеля в Париже. Заявка не вызвала энтузиазма у архитекторов, которым предстояло претворять проект в жизнь, а член конкурсной комиссии, специалист по железобетонным и металлическим конструкциям Николай Никитин выступил с неожиданным альтернативным предложением — выполнить башню из бетона. Подобный проект бетонной телебашни был успешно выполнен 2 годами ранее в Штутгарте, поэтому ко мнению Никитина прислушались, и инженеру дали возможность подготовить собственную заявку. Предложенная им конструкция была основана на наработках Юрия Кондратюка, автора нереализованного проекта Крымской ветряной электростанции на горе Ай-Петри, помощником которого Никитин работал в 1930-х годах. Кондратюк задумал бетонную конструкцию ветроэлектростанции тонкой и полой, а её прочность должны были обеспечивать стальные канаты под напряжением. В проекте Никитина предотвращение деформации и разрушения бетонного каркаса из отдельных круглых блоков также обеспечивали 149 натянутых тросов. Никитин утверждал, что разработал проект за 1 ночь, а прообразом конусообразного основания башни стала привидевшаяся инженеру во сне перевёрнутая лилия — цветка с крепкими лепестками и толстым стеблем. Впрочем, Никитин стал не первым, кто предложил подобное решение: в 1932 году популярный в Советском Союзе итальянский инженер Пьер Луиджи Нерви представил на один из конкурсов 300-метровую стройную башню, выраставшую из конусообразного основания и увенчанную металлической мачтой. Башня Никитина отличалась от проекта Нерви более длинным стволом и более широким основанием. Секрет Останкинской башни прост: она построена по принципу неваляшки: его вертикальное положение является положением устойчивого равновесия. В этом случае центр тяжести находится на самом низком уровне, потенциальная энергия принимает наименьшее значение 3/4 всей массы башни на 1/9 её высоты

7. Самое высокое место в мире

Тайбэй . — небоскрёб, расположенный в столице Тайваня — Тайбэе. Этажность небоскрёба составляет 101 этаж, высота — 509,2 м, вместе со шпилем. На нижних этажах находятся торговые центры, на верхних расположены офисы. Является восьмым по высоте в мире и пятым по высоте в Азии (самое высокое здание континента с 2003 по 2007 год).

Строительство небоскрёба началось в 1999 году. Официальное открытие состоялось 17 ноября 2003 года, в эксплуатацию здание было введено 31 декабря 2003 года. Стоимость небоскрёба составила 1,7 млрд долларов.

В этом небоскрёбе находятся самые быстрые лифты в мире, поднимающиеся со скоростью 60,6 км/ч. С пятого этажа до обзорной площадки на 89-м можно доехать за 39 секунд. Здание из стекла, стали и алюминия поддерживают 380 бетонных опор, каждая из которых уходит в землю на 80 м. Опасность обрушения при урагане или землетрясении снижает огромный 660-тонный шар-маятник, помещённый между 87 и 91 этажами. По словам разработчиков, башня сможет выдержать землетрясение такой силы, какое бывает в этой местности раз в 2500 лет. Владельцем здания является Тайбэйская финансовая корпорация, оно управляется международным подразделением американской корпорации городских продаж со штаб-квартирой в Чикаго. Название, которое первоначально предполагалось для здания — Тайбэйский мировой финансовый центр — происходит от названия владельца.

Здание является одним из главных символов современного Тайбэя и всего Тайваня. Имеет 101 надземный и 5 подземных этажей. Его архитектурный стиль в духе постмодернизма сочетает современные традиции и древнюю китайскую архитектуру. Многоэтажный торговый комплекс в башне содержит сотни магазинов, ресторанов и клубов.

8. Требования к конструктивным элементам зданий и сооружений

Архитектурные сооружения должны возводиться на века.

Конструктивные элементы (деревянные, каменные, стальные, бетонные и т.п.), воспринимающие основные нагрузки зданий и сооружений должны надёжно обеспечивать прочность, жёсткость и устойчивость зданий и сооружений. Прочность — способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних нагрузок. Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др. Повышение прочности материалов достигается термической и механической обработкой, введением легирующих добавок в сплавы, радиоактивным облучением, применением армированных и композиционных материалов. Чем выше архитектурное сооружение, тем строже требования к его устойчивости.

Причиной устойчивости Эйфелевой башни в Париже и многих других высотных сооружений является близкое к земле расположение центра масс сооружения. Фундамент – это в полном смысле слова основа здания. Расчёты фундаментов основаны прежде всего на учёте силы давления на грунт: при данной массе сооружения давление уменьшается с ростом площади опор

Результаты исследования

Опыт 1

Поставим один на другой 15 – 20 пустых спичечных коробков так, чтобы получить из них ровную прямую колонну. Она будет очень неустойчива: Малейшего толчка достаточно, чтобы колонна рассыпалась. Поставим один на другой 15 – 20 пустых спичечных коробков так, чтобы получить из них ровную прямую колонну. Она будет очень неустойчива: Малейшего толчка достаточно, чтобы колонна рассыпалась

Опыт 2

Составим колонну из тех же спичечных коробков, устанавливая их так, чтобы каждый верхний коробок был немного сдвинут относительно нижнего, на который он опирается. Создается такое впечатление, что колонна очень неустойчива и вот — вот упадет. Но оказывается, что она может простоять, не падая, столько же , если не больше времени, что и первая, прямая колонна. Во втором случае колонна из спичечных коробков будет расти в высоту до тех пор, пока ее центр тяжести не сместится так, что проведенная из него вертикальная прямая выйдет за пределы опоры.

Опыт 3

Игрушка-неваляшка не падает и устойчиво стоит на одной нижней точке сферы-основании. Поведение игрушки легко объяснимо: его вертикальное положение является положением устойчивого равновесия. В этом случае центр тяжести находится на самом низком уровне, потенциальная энергия принимает наименьшее значение. У неваляшки внутреннее устройство со смещенным вниз центром тяжести.

Вывод:

Заключение

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

Литература

1. Абышева Н.А. Авторская программа предпрофильного межпредметного курса «Физика и искусство» Газета «Физика» 1 сентября №2 2006г

2. Я.И. Перельман «Занимательная физика» Москва «Наука» 1982г.

3. И.Л. Юфанова «Занимательные вечера по физике в средней школе» Москва «Просвещение» 1990г.

4. И.Я. Ланина «Внеклассная работа по физике» Москва «Просвещение» 1977г.

5.М.И. Блудов «Беседы по физике» Москва «Просвещение» 1984г.

Рис.1 Памятник Петру1 Рис.2 Пизанская Башня Рис.3 Падающая Пизанская башня Рис.4 Падающая башня в БолоньеРис. 5 Эйфелева башняРис.6 Останкинская башняРис.7 Самое высокое здание на Тайване

Рис.8 Падающая башня в Китае

9

Исследовательская работа «Физика и архитектура»

Поделиться  

8,330
просмотров

Презентации / Физика / Исследовательская работа «Физика и архитектура»

Скачать презентацию Понравилось   |   8

Текст этой презентации

Слайд 1

Исследовательская работапо физике на тему
Физика и архитектура

Слайд 2

Цель: рассмотреть общие положения на основе материала, позволяющие понять, как решается проблема создания технических сооружений и вопросы энергосбережения. Научиться определять центр тяжести, разработать свой проект здания необычной формы с элементами «зеленых» технологий и воплотить этот проект в макете. Задачи: 1. Исследовать конструкцию строительства зданий и выявить основные физические свойства строительных материалов 2. Подробно описать и исследовать основные проблемы и свойства строительства архитектурных сооружений, найти проблемы неустойчивости зданий, сооружений 3. Изучить энергосберегающие технологии в архитектуре и воплотить свои идеи в макете

Слайд 3

Гипотеза: Если подробно разобрать конструкцию строительства и выявить все признаки строительства с учетом физических законов, то архитектурные сооружения будут возводиться на века. Человек будет полностью обеспечен не только пространственной средой для его жизни и деятельности, но и дополнительным источником энергий.

Слайд 4

Научная новизна

Слайд 5

Слайд 6

Слайд 7

Слайд 8

«зеленые» дома

Слайд 9

Слайд 10

История возникновения
Ряд вопросов, связанных с равновесием, очень важных для строительной техники, решил Архимед. Он, в частности, доказал, что любая плоская фигура имеет одну замечательную точку: если фигура находится на весу, опираясь на острие только этой точкой, то такая фигура сохранят равновесие в любом положении. Эту точку Архимед и назвал центром тяжести. Открытие центра тяжести тела имело очень большое значение для строительства. За тысячи лет до Архимеда египтяне устанавливали гигантские колонны – обелиски, но не сумели открыть обязательное условие, при котором обелиск не падает. Конечно, они понимали, что нужно устанавливать его вертикально. Но ведь и слегка наклонившийся обелиск еще сохраняет равновесие. Насколько же можно наклонить обелиск, чтобы он не упал? На этот вопрос ученые нашли ответ после исследований Архимеда. Строители узнали, что пока отвес, мысленно опущенный из центра тяжести сооружения, не выходит за пределы площади опоры, оно сохранит равновесие.

Слайд 11

Правило Архимеда

Слайд 12

Слайд 13

Слайд 14

Требования к конструктивным элементам зданий: Архитектурные сооружения должны возводиться на века. Конструктивные элементы (деревянные, каменные…), воспринимающие основные нагрузки зданий и сооружений должны надежно обеспечивать прочность, устойчивость зданий и сооружений.

Слайд 15

Немаловажным фактором является учет таких физических свойств зданий как сопротивление теплопередаче паро- и воздухопроницание

Слайд 16

Примерные годовые потери тепла в обычном доме

Слайд 17

Теплофизическая характеристика строительных материалов и конструкций.
Сравнение теплопроводности различных стеновых материалов: Сравнение теплопроводности различных стеновых материалов: Сравнение теплопроводности различных стеновых материалов:
Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/м °С Толщина стен, см при температуре до — 30°С
Кладка из обыкновенного глиняного кирпича на цементно-песчаном растворе 0,56 62
Блоки из ячеистого бетона при различной плотности 0,11-0,14 13-16
Древесина сосны (поперек волокон) 0.09 10

Слайд 18

Использование древесины

Слайд 19

Слайд 20

Витражи

Слайд 21

Слайд 22

Слайд 23

Фундамент зданий

Слайд 24

Зависимость давления здания от площади основания

Слайд 25

Слайд 26

Останкинская башня

Слайд 27

Последствия неправильной закладки фундамента

Слайд 28

«Бесоба» в Караганде

Слайд 29

Знаменитая пизанская башня

Слайд 30

Слайд 31

Центр тяжести геометрических фигур

Слайд 32

Энергосберегающее жилье

Слайд 33

Слайд 34

Мой проект «Зеленый Дом»

Слайд 35

Теплоизоляционные материалы в строительстве
№ Материал Скорость изменения температуры, °С/с Коэффициент теплопроводности Вт/м·°С
1 Алюминий 0,343 230
2 Бетон 0,315 1,75
3 Кирпич 0,256 0,810
4 Асбест 0,271 0,350
5 Рубероид 0, 241 0,170
6 Древесина 0,232 0,150
7 Бумага 0,206 0,140
8 Пробка 0,157 0,047
9 Стекловата 0,104 0,045
10 Пенопласт 0,069 0,040
11 Пенополистерол 0,057 0,027
12 Пенополиуретан 0,056 0,025

Слайд 36

Инженерное обеспечение. Строительство

Слайд 37

Размер и Форма

Похожие презентации

Исследовательский метод обучения на уроках физики Работа с интернет ресурсами ГИА и ЕГЭ пр физике Физика в природе и быту Информационный материал для стенда в кабинет физики Физика в народных приметах

Физика архитектуры — Блог

16.10.2014

9 комментариев

 

Архитекторы должны учитывать вышеупомянутые горизонтальные силы, действующие против него, а также вертикальные силы, действующие на него. Небоскребы высотой в несколько сотен метров подтверждают это утверждение. Во-первых, сооружения различной длины строятся на достаточно твердой земле. Когда возникают проблемы, возникающие из-за осадков или наводнений, это называется проседанием.

Проседание – это состояние, при котором размягчение грунта приводит к смещению положения зданий. Обычно это решается закачкой бетона под здание, позволяя ему подняться в исходное положение.

Во-вторых, почему здание не рушится само по себе? Как и следовало ожидать, нижние этажи здания должны выдерживать значительно больший вес, чем верхняя половина. Это означает, что нижние этажи подвергаются большему давлению. Давление, определяемое как количество силы, действующей на единицу площади. Неудивительно, что создание зданий, в которых фундамент состоит только из картона, а верхние слои сделаны из кирпичей, вызовет немедленные проблемы, поскольку картон не сможет выдержать оказываемое на них давление. Однако новые разработки, такие как углеродное волокно, неизбежно изменят масштабы строительства зданий.

9 комментариев

09.10.2014

0 комментариев

 

Архитекторы должны понимать основы физики применительно к процессам, происходящим в зданиях и сооружениях.

Часть общего образования, физика расширяет наше понимание физического мира вокруг нас.

Поскольку физика в значительной степени зависит от математики, решение физических задач улучшает аналитические и научные навыки мышления учащихся.

0 комментариев

09.10.2014

0 комментариев

 

Тепло – это передача энергии. Есть несколько способов, которыми эта энергия может течь: проводимость, связь и излучение. Архитекторы должны понимать это, чтобы здания оставались при правильной температуре.

Поскольку энергия передается из горячих регионов в холодные, архитектор всегда должен находить более эффективные способы регулирования теплового потока. Одним из способов борьбы с этими изменениями температуры является изоляция. Достижения привели к созданию материала, который обеспечивает высокоэффективную изоляцию при относительно небольшой толщине.

---

0 комментариев

08.10.2014

3 комментария

 

Одной из основных проблем, с которой сталкивается любой архитектор, является поддержание конструкции в вертикальном положении, особенно в постмодернистских стилях архитектуры. Этот вопрос вращается вокруг гравитации: силы притяжения между объектами в нашей Вселенной. Область, где масса наиболее сконцентрирована, известна как ее центр тяжести. Гипотетически говоря, предположим, что есть кирпичная стена, скрепленная известковым раствором. Его центр тяжести будет в середине кирпича. Однако, если бы стена была на наклонной поверхности, центр тяжести сместился бы в одну сторону. Сила гравитации создаст эффект поворота, называемый моментом. Если момент достаточно мал, стена все равно будет целой благодаря прочности раствора. Однако достаточно большой момент приведет к тому, что раствор расколется и стена рухнет.

---

3 комментария

08.10.2014

2 комментария

 

Небоскребы высотой в несколько сотен метров нуждаются во множестве опор, созданных под землей, чтобы поддерживать части над землей. Как правило, это известно как основа. Фундамент помогает эффективно противостоять силам, с которыми может столкнуться здание. Как правило, это помогает противостоять всему, что может привести к наклону центра тяжести.

2 комментария

Физика в архитектуре 2022

Почему Пизанская башня не падает? Если вы когда-либо серьезно думали над ответом на этот вопрос, у вас, скорее всего, было достаточно любопытства и понимания физики в архитектуре, чтобы стать архитектором. Несмотря на широко распространенное мнение, что архитекторам нужны особые способности в физике (и арифметике), в повседневных наблюдениях это не совсем так.

В этой статье мы рассмотрим, как архитекторы на самом деле используют физику, почему физика так необходима, когда мы строим, и захотите ли вы повторить эту тему в колледже и колледже, чтобы иметь прибыльную профессию в архитектура. Мы также включили десять вдохновляющих примеров зданий, которые стали достижимыми исключительно благодаря одержимости их архитекторов тем, что телесно достижимо.

(Если вы никогда не гуглили причину, почему Пизанская башня не падает: это потому, что она была построена на мягком грунте. Хотя это позволило башне наклониться, она дополнительно поглотила подземные вибрации, связанные с двумя мировыми войнами и несколькими землетрясениями, защищают его как бы в вертикальном положении с 1178 года!)

2 Какое значение имеет физика в архитектуре?

• 2. 1 Жесткость и сжатие
• 2.2 Нагрузки
• 2.3 Термодинамика
• 2.4 Дневной свет
• 2.5 Вибрации

3 Должны ли архитекторы хорошо разбираться в физике?

4 Могу ли я изучать архитектуру, если у меня плохо с физикой в ​​архитектуре?

5 Требуют ли университеты {квалификацию} средней школы по физике?

6 Примеры физики в архитектуре

• 6.1 1. Habitat 67, Монреаль, Канада
• 6.2 2. Танцующий дом, Прага, Чехия
• 6.3 3. Wonderworks, шесть мест в США
• 6.4 5. Тагасуки-ан, префектура Нагано, Япония
• 6,6 6. The Sharp Centre, Школа искусства и дизайна Онтарио, Торонто, Канада
• 6,7 7. Krzywy Domek, Сопот, Польша
• 6,8 , Англия
• 6,9 9. Музей завтрашнего дня, Рио-де-Жанейро, Бразилия
• 6.10 10. Robinson Tower, Сингапур

7 часто задаваемых вопросов

• 7.1 Я действительно ненавижу физику. Должен ли я забыть об архитектуре?
• 7. 2 Вообще-то я люблю физику. Я должен быть инженером, а не архитектором?
• 7.3 Будет ли физика обязательной частью моего диплома по архитектуре?
• 7.4 Как мне стать лучше в физике?

8 Резюме

• 8.1 Связанные

Является ли физика неотъемлемой частью архитектуры?

Совершенно очевидно, что физика является необходимой частью архитектуры; без него здания могли бы часто рушиться повсюду. Вам достаточно понаблюдать за малышом, пытающимся складывать гигантские блоки поверх маленьких, чтобы убедиться, что это правда.

Тем не менее, это не тот случай, когда углубленная информация по физике важна для архитекторов .

Архитектура — это и наука, и произведение искусства, и отсюда следует, что сильные стороны совершенно разных людей будут заключаться в нескольких областях. Скорее всего, вы будете больше в форме и добрее, чем в движении и давлении, и это нормально. Конечно, архитекторы хотят фундаментального понимания юридических принципов физики, однако в реальном мире сложные научные расчеты обычно выполняются инженерами. Беспокойство или неприязнь к физике не должны мешать вам поступить в архитектурный колледж.

Какое значение имеет физика в архитектуре?

Замечательная особенность физики внутри архитектуры заключается в том, что она все время используется для решения разумных вопросов. Вам не нужно делать сводные расчеты, как вы сделали в колледже.

Архитекторы используют физику, чтобы здания и различные конструкции были защищены, поэтому во время получения степени по архитектуре вы будете знакомиться с телесными идеями в довольно чистом и обоснованном виде. Среди ключевых идей вы с большей вероятностью встретите одобрение:

Жесткость и сжатие

Жесткость относится к силам, отталкивающим друг друга; сжатие относится к силам, толкающим вместе. Некоторые материалы лучше справляются с жесткостью (примите во внимание, что веревка используется в перетягивании каната), тогда как другие лучше справляются со сжатием (вспомните кусок блу-така или пластилина).

Важно, чтобы архитекторы использовали лучшие расходные материалы, чтобы конструкции не ломались и не деформировались, а также подвергали людей риску. Точно так же они должны понимать, как отдельные части человека, сравнимые с арками, используют сжатие, чтобы увеличить мощность зданий.

Нагрузки

Массы – это силы, которые заставляют здания маневрировать или реально испытывать другие формы стресса. Обычно они делятся на два вида: живые массы (которые меняются со временем, например, количество людей, использующих здание) и безжизненные массы (которые устанавливаются, например, бремя снабжения здания).

Кроме того, вы услышите, что массы описываются как горизонтальные/латеральные (относящиеся к чистым явлениям, таким как ветер и землетрясения), так и «вертикальные»/гравитационные.

Термодинамика

Архитекторы несут ответственность за обеспечение того, чтобы тепло доставлялось туда, где оно нужно, и остается вдали от мест, где его нет. Для этого им нужно немного представлять о переключении тепла (проводимостью, конвекцией, излучением и частичным обменом — со всем этим вы, скорее всего, сталкивались на уроках физики в классе).

Обеспечение того, чтобы в зданиях не было слишком жарко или холодно, это не только вопрос утешения жильцов; это дополнительно защищает от таких проблем, как сырость и плесень, которые связаны с конденсацией.

Дневной свет

Дневной свет — это использование чистого света для освещения зданий. Это необходимая способность для изучения архитекторами, хотя специалист по световому дизайну, вероятно, будет нести ответственность за любые превосходные расчеты в этом отношении. Доказано, что дневное освещение улучшает физическое и психологическое состояние посетителей зданий и, естественно, также сохраняет жизненные силы.

Вибрации

Как мы заметили выше на примере Пизанской башни, поглощение вибраций может иметь огромное значение в том, останется ли здание стоять или рухнет! Однако есть много разных причин, по которым архитекторы хотят учитывать вибрации: если они услышаны и/или почувствуют, что они будут раздражать клиентов здания, они, как правило, могут, кроме того, повредить приспособления, фурнитуру и содержимое здания с течением времени.

Существуют различные внетелесные идеи, с которыми вы, скорее всего, столкнетесь на протяжении всего обучения (обычно в модулях с фразой «структура»), однако, в отличие от инженеров, которых вы получили, вы не должны знать их наизнанку.

Должны ли архитекторы хорошо разбираться в физике?

Они должны пройти модули своего диплома, которые включают элементы физики. Помимо этого, архитекторам не обязательно быть гением науки, потому что инженеры и другие специалисты несут ответственность за подробные расчеты.

Могу ли я изучать архитектуру, если я

плохо по физике в архитектуре?

Вы, скорее всего, сможете изучить архитектуру для тех, кто разбирается в физике, но не для тех, кто активно болен. К счастью, быть нездоровым в физике — это не то же самое, что быть нездоровым в пении или танцах — большинство людей, если они изучают физику, в конечном итоге улучшатся.

Вы просто должны вкладывать часы, даже для тех, кто на самом деле не получает от этого удовольствия. И когда вы получите этот архитектурный диплом в свои руки, вы, возможно, сможете бояться этого намного меньше.

Требуют ли университеты {квалификацию} средней школы по физике?

Могут. В США рекомендуется сделать физику (и/или математику) одним из предметов по выбору в старшей школе; некоторые факультеты потребуют этого, тогда как другие могут запросить это. В Великобритании обычно считается, что лучшими A-levels / Highers являются математика, физика, искусство и дизайн, но вы можете подать заявку на диплом по архитектуре вместе с другими.

Если вы на самом деле не хотите изучать физику на более высоком уровне, убедитесь, что вы получили очень хорошую оценку на пониженном этапе или можете в любом другом случае показать, что вы просто справитесь с курсом архитектуры . Где бы вы ни жили, если у вас есть мысли о конкретном колледже, вы захотите проверить их требования к поступлению как можно раньше!

Примеры физики в архитектуре

Далее приведены некоторые примеры зданий и сооружений по всему миру, которые зависят от превосходной физики для своего впечатляющего вида. Возможно, вам захочется просмотреть их еще раз для мотивации, пока мучаетесь над домашним заданием по физике, или начать работать самостоятельно, записывая ведро!

1. Habitat 67, Монреаль, Канада

Habitat 67, любимый модернистами во всем мире, изначально был разработан для World’s Truthful в 19 году.67. Сложный корпус состоит из 354 бетонных блоков, соединённых вместе, что на первый взгляд может показаться случайным объединением. Моше Сафди спроектировал Habitat с использованием Lego, когда он еще был учеником магистратуры, но он остается источником вдохновения для строительства жилья с высокой плотностью более 5 лет спустя после его замысла.

2. Танцующий дом, Прага, Чешская Республика

Танцующий дом Владо Милунича, который обычно называют «Фред и Джинджер» в честь Фреда Астера и Джинджер Роджерс, был построен между 1992 и 1996 годы, когда деконструктивизм был на пике своего развития. Здание, состоящее из двух частей, состоит из каменной башни с неравномерно расположенными окнами (Фред) и стеклянной башни (Джинджер), которая сужается из-за подъема. 2 выглядят как качающиеся вместе, предлагая четкое отличие от классической архитектуры окружающего пространства.

3. Wonderworks, шесть мест в США

Парки развлечений Wonderworks — это здания, которые кажутся перевёрнутыми вверх, с фронтонами, кажущимися вдавленными в дно, и колоннами, рассыпающимися наверху. (Внутри гости могут симулировать ураганы и землетрясения.) Уникальный парк в Орландо был открыт в 1998 и разработан Терри О Николсоном.

4. Bibliothèque Tête Carrée, Good, France

Скандальная площадь «Sq. Головная библиотека (2002 г.) на юге Франции – это элементное здание, наполовину скульптура, созданная совместно Сашей Сосно, Фрэнсисом Шапу и Ивом Баярдом. Tête carrée может быть оскорблением, относящимся к «учитыванию содержания в поле» или к английской аудиосистеме, которые отказываются изучать французский — как бы это ни нравилось или ненавиделось, на этой планете нет ничего более похожего на это здание библиотеки. Вечером семь торговых точек здания обозначены схемой освещения Яна Керсале.

5. Тагасуки-ан, префектура Нагано, Япония

Тагасуки-ан — «чайный дом, построенный слишком чрезмерно» — это работа печально известного эксцентричного Тэронобу Фухимори, выполненная в 2004 году. Исторически сложилось так, что гости японского чайного дома наклоняются. когда они входят, Фуджимори переворачивает эту конференцию, заставляя их подниматься по лестнице в качестве замены. Небольшой дом возвышается на шесть метров над дном и поддерживается двумя несущими кустами каштана.

6. Центр Sharp, Школа искусств и дизайна Онтарио, Торонто, Канада

Центр Sharp 2004 года сразу узнаваем по дизайну Уилла Олсопа: белый кубоид с пикселизированными окнами домов, который издалека кажется парящим над городом, однако определенно удерживается на высоте 26 метров тонкими, яркими металлическими колоннами. . Хотя его приподнятый вид создает благоразумное и защищенное пространство под открытым небом, RIBA назвала здание Олсопа «немного безумным».

7. Krzywy Domek, Сопот, Польша

Krzywy Domek интерпретируется как «Кривой дом», и хотя здание на самом деле не является домом (это часть торгового центра), у него определенно мало времени для прямых следов. Архитекторы Szotyńscy & Zaleski были впечатлены иллюстрацией к сказкам Яна Марцина Шанцера, и здание кажется будто бы рассматриваемым в кривом зеркале. Открыт в 2004 году.

8. Балансирующий амбар, Саффолк, Англия

Несмотря на расположение, этот дом для отпуска был спроектирован голландским агентством MVRDV в 2010 году. Он имеет невероятно консольный вид — при 30-метровом размере половина подвешена над холмом. внизу — со светоотражающей металлической облицовкой и стеклянным полом. Здание черпает вдохновение в местных народных традициях, однако никто не спутает Балансирующий амбар с настоящим сельскохозяйственным зданием! На остром конце консоли есть даже качели.

9. Музей завтрашнего дня, Рио-де-Жанейро, Бразилия

Этот неофутуристический музей, спроектированный Сантьяго Калатравой и открытый в 2015 году, приглашает широкую публику узнать об устойчивом будущем. Он потребляет на 40% меньше энергии, чем обычные здания, и Guardian описал его как «большой блок кондиционирования воздуха», хотя архитектор настаивал на том, что его впечатлили бромелиевые в Ботаническом саду Рио.

10. Robinson Tower, Сингапур

Архитекторы Kohn Pedersen Fox взломали Robinson Tower (2019 г.)) на два посередине вверху, отделяя заготовительную середину внизу от рабочих мест наверху. В «взломанной» зоне расположен задний двор с видом на пристань для яхт, а наклонные фасады небоскреба напоминают крышу близлежащего рынка Лау Па Сат (1824 г.).

Часто задаваемые вопросы

Я ненавижу физику. Должен ли я забыть об архитектуре?

Нет, за исключением того, что у вас может быть множество вариантов выбора профессии на столе, что чары так же много. Вы должны хорошо успевать по физике в старшей школе, а также вы должны узнать о телесных идеях в колледже. Однако, когда вы являетесь обучающим архитектором, вы можете обнаружить, что эта тема на удивление редко встречается.

Вообще-то я люблю физику. Я должен быть инженером, а не архитектором?

Вы одинаково любите физику и дизайн? Если вас в конечном итоге очень сильно потянет математический и научный аспект архитектуры, вполне возможно, что вы станете счастливее как инженер. Однако для тех, кто также любит привлекать и создавать проблемы, архитектура может стать профессией вашей мечты!

Полезно помнить, что вы сможете получить диплом бакалавра в области архитектуры, а затем перейти на степень в области инженерии, для тех, кто открывает для себя художественную грань, не волнует вас так сильно, как вы думали. К сожалению, обратное (получить диплом бакалавра в области инженерии, а затем перейти на Grasp в области архитектуры) недостижимо в Великобритании, хотя это может быть в США.

Будет ли физика обязательной частью моего диплома по архитектуре?

Вам обязательно нужно будет пройти модули по «конструкциям» или «проектированию конструкций», которые могут включать идеи из физики. Тем не менее, они, вероятно, будут использоваться для работы, которую вам придется выполнять в реальном мире; вам не нужно заново переживать свои ужасные школьные курсы.

В качестве альтернативы, для тех, кто особенно увлекается физикой, вы можете выбрать модули, которые разумно концентрируются на инженерной стороне проблем, а не на эстетической.