Тема 6 биологическое формообразование в архитектуре и инженерии Формообразование в живой природе

В живой природе функция и форма тесно сближены и взаимообусловлены. Образование механических тканей живых организмов связано с интенсивностью роста и влиянием многих внешних факторов. Природные формы обладают гармоничной согласованностью частей це­лого, единством общей логики развития, взаимосвязью формы и структуры. Формообразова­ние в живой природе характеризуется пластической сопряженностью, постепенными пере­ходами от одной части формы к другой, развитием пластики формы по принципу взаимосвя­зи элементов структуры. Встречаются в природе и правильные геометрические формы и фи­гуры - окружности и овалы, ромбы и кубы, треугольники, квадраты и другие многоугольни­ки. Бесконечное множество сложных, удивительно красивых, легких, прочных и экономич­ных конструкций создается в результате комбинирования этих элементов. Нередко природа унифицирует конструкции, то есть строит их из элементов одной и той же формы: лепестки цветов, семена злаков, ягоды малины, ежевики, чешуйки рыб, змей, шишек, панцири живот­ных и т.д., что является примером яркого проявления ритма в животном и растительном ми­ре. Гармоничное расположение упорядоченных многообразных или одинаковых элементов формы вызывает ощущение динамики и закономерностей красоты. В современной науке при объяснении закономерностей структурного формообразования живых организмов, прояв­ляющегося как приспособительная реакция на изменения внешней среды, используется ме­тод симметрии, включающий разновидности асимметрии. Симметрия характерна для всего живого и неживого в природе: листья, цветы, травы, насекомые, кристаллы и т.д. по своей природе симметричны. Тело человека- тоже симметричная форма с вертикальной осью симметрии, проходящей через середину тела. Метод симметрии является основным теорети­ческим принципом классификации кристаллов (кристаллография). Наиболее экономичной в отношении затраты материала является конструкция, составленная из плотно сомкнутых правильных шестиугольников или шестигранников. Она очень часто встречается в природе, и наиболее замечательное явление - пчелиные соты, имеющие единственный конструктив­ный элемент - ячейку в виде шестигранной призмы. Феноменом структурной гармонии форм естественного происхождения является отношение «золотого сечения», которое наблюдается в самых раз личных природных объектах: в пропорциях растительных и животных организ­мов, в биоритмах головного мозга, в природе планетарных систем, в энергетическом взаимо­действии на уровне элементарных частиц и т.д. Формообразование в природе отражает эво­люцию развития живых организмов и корректировки их структуры для достижения идеаль­ного варианта.

Природа в своей мастерской создавала растения по всем правилам строительной техни­ки, однако по конструкции природные формы гораздо тоньше и намного совершеннее того, что умеет делать человек. Развитие формы в пространстве и во времени проходит дискретно-поступательно, фиксируя тем самым переход накопившихся количественных изменений в новое качество. В живой природе развитие формы проходит для каждого вида своим опреде­ленным путем (в своем ритме) с развитием в первую очередь несущих, а затем несомых эле­ментов (или фиксацией циклов развития - годичные кольца дерева, дугообразное развитие раковины и т.д.). Этот процесс отражается на внешнем строении формы.

В конструктивном построении крон и стволов деревьев, стеблей и соцветий, грибов, ра­ковин и пр. одной из опорных форм является конус. Устойчивость конусообразных форм выражается в форме статичного конуса, или конуса гравитации (конус основанием вниз), ее легко заметить в кроне или стволе ели, в шляпке или ножке белого гриба. Это оптимальная форма для восприятия ветровых нагрузок и действия сил тяжести. Начало развития выража­ется в форме динамического конуса, или конуса роста (конус основанием вверх), проявляет­ся в грибах бокальчик, лисичка. В природе на основании комбинаций двух одинаковых по

59

форме, но разных по своему началу конусов возникают различные формообразования. При­мером являются кроны многих деревьев, которые внизу начинают развиваться по принципу роста, а заканчивают по принципу конуса гравитационного - вершиной вверх. Большая прочность и устойчивость высоких сооружений, созданных природой, обусловлены рядом особенностей растений: взаимным расположением в стебле прочных и мягких тканей, спо­собностью работать как на сжатие, так и на растяжение. В стеблях злаков большую роль иг­рают его веретенообразная форма и расположенные на нем узлы, представляющие собой j особо устроенные упругие шарниры-демпферы, и не случайно сильная буря вырывает с кор­нем деревья и лишь пригибает к земле тонкий стебель злака.

В мастерской природы часто встречаются конструкции в виде сводов различных про­странственных форм (скорлупа ореха и яйца, панцири и раковины животных, гладкие листья, лепестки растений и др.). Пространственно изогнутые и тонкостенные оболочки, благодаря непрерывности и плавности формы, ее геометрии, обладают свойством равномерного рас­пределения сил по всему сечению. Идеальную по прочности форму изобрела природа для тонкой (0,3 мм) яичной скорлупы. Скорлупа состоит из 7 слоев, каждый несет свою опреде­ленную функцию. Слои не расслаиваются даже при самых резких изменениях температуры и влажности, представляя собой яркий пример совместимости материалов с различными физи­ко-механическими свойствами. Повышенную прочность яичной скорлупе придает тонкая эластичная пленка, которая превращает скорлупу в конструкцию с предварительным натя­жением. Страус придаёт яичной скорлупе не только нужную форму, но и особую структуру. Скорлупа страусиного яйца представляет собой идеальную оболочку для существования и развития живого организма,. Причем, по своему химическому составу скорлупа страусиных яиц ничем не отличается от скорлупы яиц куриных: это та же самая известь.

Напряжение клеточных оболочек, вызванное давлением жидкости в клетках (внутрикле­точным давлением), получило название тургор. Благодаря тургору растения приобретают упругость, происходит активное формообразование в природе, особенно при отсутствии в организме арматурной ткани, как у медуз, гусениц, помидоров, патиссонов.

Спираль, представленная на рис. 27, - одна из форм проявления движения, роста и раз­вития жизни. Описывая спираль, вытягиваются стебли растений, двигаясь по спирали, рас­крываются лепестки некоторых цветов, например флоксов, развертываются побеги папорот­ника. В то же время спираль является в природе и сдерживающим началом, направленным на экономию энергии и материала. Изменение формы природной конструкции в виде спирали приводит к устойчивости в пространстве и появлению дополнительной жесткости в конст­рукции. Раковины простейших одноклеточных организмов форманифер и раковины моллю­сков, закрученные в одной или разных плоскостях (турбоспирали), - это также проявление способа достижения наибольшей прочности при экономном расходовании материала. Благо­даря завитой форме такие тонкостенные конструкции выдерживают большое гидродавление при погружении на глубину.

Широкое распространение в природе имеют плоские и пространственно-изогнутые реб­ристые, сетчатые и перекрестные (решетчатые) конструкции, в которых основной материал концентрируется по линиям главных напряжений. Тонкий лист растения или прозрачное крылышко насекомого обладают достаточной механической прочностью благодаря разветв­ляющейся в них сетке жилок. Этот каркас выполняет основную - несущую - роль, тогда как другие элементы конструкции, например пленка листа или мембрана крыла, могут достигать минимального сечения.

Паутинные нити - самые тонкие линии, которые видит человек невооруженным глазом. Паутина удивительно прочна: она крепче стальной проволоки того же диаметра и настолько эластична, что не рвется, растягиваясь почти на четверть своей длины. Ловчие сети пауков представляют собой большое разнообразие висячих, плетеных сооружений, поскольку каж­дый вид этого животного строит сеть собственной формы и конструкции.