К несчастью, во время укладки пола подача воздуха внутрь была уменьшена и еще более снижена в результате установки решетки в верхней части купола. «Мы думали, — как мне сказали позднее, — что выходит такое же количество воздуха, как подается, но воздух выходил намного быстрее». В купол воздуха поступало недостаточно, и конструкция «обмякла». С гор подул ветер, ударил в купол, и верхушка его лопнула. Результат, конечно, парадоксален: взрыв был настолько эффектен, что его намеренно повторили в кульминации фильма.
Когда же были предприняты все меры предосторожности, купол вел себя прекрасно. Это был самый большой в мире прозрачный купол, давший возможность режиссеру Роберту Фримену провести съемки.
До недавнего времени большинство пневматических конструкций проектировалось на основании предшествующего опыта. Некоторые предприниматели наладили производство и выпустили в продажу ряд стандартных форм, уже оправдавших себя на практике. Однако, когда возникала необходимость в новом материале, возникали сложности, так как специалистов-проектировщиков в этой области не существовало, а сам процесс проектирования пневматических конструкций еще не был достаточно разработан. Вероятно, этим можно объяснить медленное развитие пневматических конструкций в Европе, и, в особенности, в Великобритании.
Но теперь картина меняется. Изданы справочники, где излагаются основы проектирования и расчета разнообразных форм; все больше инженеров интересуются этим предметом. Однако расчеты, касающиеся проверки работы пневматической формы, сложны, занимают много времени и должны исходить из конкретного проекта, который является результатом разумного или, скорее, интуитивного подхода проектировщика к предмету.
Пневматическая конструкция низкого давления будет устойчивой, если внутреннее давление будет равно или же будет слегка превышать массу оболочки. Если масса ткани составляет 1,4 кг/м2, потребуется давление, лишь немного ее превышающее. Этого достаточно для стабильности конструкций только при тихой погоде.
Ветер — причина многих осложнений, и поэтому внутреннее давление всегда должно быть равно или, когда требуется, слегка превышать давление, оказываемое на конструкцию ветром. Устойчивая форма может предотвратить вибрацию, которая иногда достигает угрожающей величины.
Оболочка должна также выдерживать давление снега, который может скапливаться на горизонтальных или почти горизонтальных плоскостях.
Так как внутреннее давление в конструкциях этого типа равномерно распределяется по всей поверхности, нужно определить самое сильное возможное внешнее давление и учитывать его при проектировании. Максимальное давление должно определяться в каждом отдельном случае — например, если человеку надо взобраться на конструкцию для ухода или чистки. В этом случае было бы неправильным считать, что этой нагрузке (около 40 кг/см2) нужно создать противодействие по всей поверхности оболочки. Правильнее считать, что временная локализованная деформация допустима.
Можно подумать, что при выборе материала оболочки проектировщики руководствуются общим уровнем напряжения, который должна выдержать оболочка, но в действительности может возникнуть очень сильная концентрация напряжения, которая и будет диктовать прочность мембраны.
Итак, основная цель расчета заключается в том, что оболочка в целом должна выдержать максимальную нагрузку в любой части. Можно по-разному «раскраивать» оболочку для улучшения эксплуатационных свойств в определенных местах, однако это не всегда возможно по финансовым соображениям.
Наконец, должна быть рассчитана подъемная нагрузка, определяемая давлением, приходящимся на единицу площади основания. Эту нагрузку считают одинаковой по всему периметру, хотя в действительности при порывах ветра она может различаться.
Форма диктуется стремлением к минимальной площади поверхности. Она может быть также изменена за счет раскраивания. Например, если бы кто-нибудь надувал оболочку кубической формы, она бы стремилась к форме шара. К форме можно Добавлять всевозможные отростки, но и они при надувании будут походить на причудливые шары с рогами и носами.
Шары приводят к пузырям. Поэтому логическое проектирование пневматических конструкций низкого давления может быть основано именно на изучении формы пузырей.
Пузырь, как и любая пневматическая форма низкого давления, состоит из оболочки, заключающей в своем объеме воздух под невысоким давлением, достаточным для восприятия массы оболочки. Пузырь всегда ограждает определенный объем при минимальной площади поверхности оболочки.
Не будем говорить об очевидном случае с мыльным пузырем. Каждый, вероятно, может представить себе проволочное кольцо, которое, каким бы ни было сложным по своей конфигурации, будет затянуто лежащей в одной плоскости пленкой. Однако, если кольцо согнуть, пленка приобретет форму, которая может оказаться очень сложной, но будет все же самой малой по площади возможной поверхностью.
Здесь я привожу слова автора многих работ о природе пузырей и не только пузырей, но также и о физическом строении вещей и явлений природы, например капель воды и т. п., Д'Арси Уэнтуорта Томпсона, который в 1917 г. опубликовал великолепную книгу «О развитии и форме», необходимую каждому проектировщику.
Интересно, скольких из нас удивляла и эта книга, и те необычайные факты, которые автор время от времени находил. Например, при анализе состоящего из кремнезема скелета представителя семейства губок, известных под названием Радиолярии 1, он случайно заметил, что «никакой системой из шестиугольников нельзя оградить пространство; при равных или неравных шестиугольниках, правильных или неправильных — при всех обстоятельствах это математически невозможно».
1 Радиолярии, или лучевики, — группа морских организмов, обладающих наружным скелетом, часто имеющим геометрически правильные формы решетчатых шаров, многогранников и пр. (прим. науч. реб.).
Таким образом, прежде чем перейти к недавним публикациям работ Фрея Отто, заметим, что проектирование должно отталкиваться от этого положения. Всегда нужно помнить, что для проверки работы новой формы, созданной проектировщиком, необходимы сложные расчеты. Сначала сделайте эту форму, и это сэкономит вам уйму времени и денег.
Некоторые мои работы с пузырями привели меня к выводам, противоречащим признанным положениям. Например, высказано предположение, что форма мыльного пузыря, покоящегося на плоской поверхности, является идеальной для пневматической конструкции низкого давления. Это правильно лишь при условиях, когда необходимо только уравновесить массу оболочки при помощи внутреннего давления, но во всех практических случаях лучшим сравнением послужил бы пузырь, надуваемый воздухом, поступающим снизу. Именно этот вид наглядной демонстрации может иногда дать довольно различные результаты, в особенности в тех случаях, когда пузырь надувается над неправильным в плане основанием, например в форме звезды. Пузырь поднимается над основанием рядом растянуттых парусов купола, в котором оболочка соединяется с основанием скорее под острым, чем под прямым углом.
В области пневматических конструкций низкого давления еще предстоит многое сделать, и я с нетерпением жду того дня, когда можно будет осуществлять климатический контроль над огромными пространствами. Почему наши спортивные стадионы до сих пор открыты, хотя лучшие спортивные результаты достигаются в идеальных условиях? Почему на курортах у нас, в Великобритании, до сих пор не осуществят вполне реального — не перекроют больших площадей моря и суши и тем самым не «побьют» курорты Средиземноморья их же собственной картой? Почему мы строим наши города на открытом воздухе и создаем тысячи микроклиматов, когда можно сделать над ними общую крышу? Но как бы мы жили, если бы это было сделано, и что сталось бы с архитектурой?
Пневматические конструкции высокого давления. Пневматические конструкции высокого давления обычно состоят из разделенной на отсеки полой оболочки, которая надувается воздухом, например надувной матрац, или трубы, надутые до умеренно высокого давления и несущие оболочку покрытия.
Первые пневматические конструкции высокого давления принадлежали ко второму типу, и они продолжают еще сооружаться. Однако при больших пролетах размер трубы настолько увеличивается, что сооружение может быть выполнено из труб, поставленных рядом.Некоторые из особенностей пневматических конструкций высокого давления, свидетельствующие об их перспективах, можно показать на примере работ Института военной техники в Кристере и Института королевских воздушных сил в Кардингтоне (оба в Великобритании). Представьте себе хранящийся в кузове небольшого грузовика мост, который можно надуть выхлопными газами, чтобы навести переправу для грузовика через овраг; пневматический подъемник, с помощью которого можно поднять человека на определенную высоту; подушку-домкрат для автомашины, которая надувается выхлопными газами; пневматическое покрытие (на сей раз низкого давления), которое можно использовать для переправы танка через реку; надувные дамбы (плотины); надувные, работающие на сжатие элементы для сооружения палубных надстроек — все это демонстрирует неограниченные возможности пневмоконструкций. И я убежден, что будущее пневматических конструкций высокого давления скорее в специализированном применении, как приведенные выше, нежели в больших пространственных покрытиях.
Дело в том, что я не убежден в надежности пневматических конструкций высокого давления. Под грандиозным по размерам пневматическим покрытием низкого давления легко может пролететь небольшой самолет, притом без риска, что оболочка тут же взорвется. Например, при проектировании пневматического покрытия низкого давления для стадиона Уэмбли в Великобритании было подсчитано, что если выключить все компрессоры подачи воздуха и открыть все 79 дверей, составляющих квадрат, сторона которого равна 2,28 м, то на спуск воздуха потребуется около 4 ч. Давление внутри помещения настолько слабое, что воздух не вырывается, а медленно выходит подобно легкому ветерку.