Секрет постройки вантового моста содержится в балансе. Если взять тонкую картонку и сделать из нее полотно, подвесив на резинках, то она попросту полетит вверх. Если вместо картонки положить книгу, то резинки придут в растяжение, не деформируя книгу. Как только мы отрегулируем вес и прочность полотна и откалибруем растяжение тросов, можно измерить силу, приложенную к тросам. Когда я выполняла чертежи моста, то делала пометки, где указывала, насколько нужно натянуть каждый трос, чтобы он не ослаб.
Работа инженера очень напоминает вращение тарелочек. Нужно одновременно предусмотреть множество проблем и проконтролировать их решение. Возьмем, к примеру, температуру: как и на многие постройки, на мой мост она тоже влияет. В течение года при разных температурах (в зависимости от времени года) он нагревается и охлаждается. У стали есть «коэффициент теплового расширения», равный 12×10-6. Это означает, что с каждым градусом изменения температуры каждый миллиметр стали расширяется или сжимается на 0,000012 мм. Кажется, что это очень мало, но длина моего моста – около 40 м, а колебания температуры предусмотрены в диапазоне 40 градусов. Здравый смысл подсказывает, что лето в Великобритании жарче зимы не на 40 градусов, и это верно, но сама сталь нагревается гораздо больше воздуха, когда поглощает тепло от солнца. Так что это диапазон температур для стали, а не для воздуха, и мы предусмотрели самые экстремальные (но разумные) их колебания.
При таких показателях расширение достигает около 20 мм. Если бы я закрепила концы моста так, чтобы им было некуда расширяться и сжиматься, то на полотно при нагревании действовала бы большая сила сжатия, а при охлаждении – сила растяжения. Проблема в том, что за всю жизнь моста сжатие и растяжение происходит тысячи раз, и постоянное чередование сил повредило бы не только полотно, но и опоры с обоих концов.
Чтобы этого не произошло, с одной стороны я оставила мосту пространство для движения. (У мостов гораздо большего размера и мостов с большим количеством опор такие «суставы» располагаются в нескольких местах. Иногда их можно почувствовать, если ехать по мосту на машине.) Так как движение на мосту относительно небольшое, для его амортизации я использовала резиновые опоры. Стальные балки, образующие полотно, установлены на этих опорах размером примерно 400 мм в ширину, 300 мм в длину и 60 мм в толщину. Когда сталь сжимается или расширяется, опоры меняют форму и дают мосту двигаться.
Инерционный демпфер, похожий на демпферы пешеходного моста Нортумбрийского университета
Кроме того, мне нужно было учесть вибрацию и резонанс. Я уже объясняла, как землетрясение может заставить здание резонировать, на примере того, как оперная певица может разбить винный бокал, если возьмет нужную ноту. При проектировании моста меня интересовал вопрос, может ли резонанс моста заставить пешеходов почувствовать себя неуютно. Тяжелые мосты, например бетонные, как правило, не страдают от этой проблемы, потому что при таком весе не так-то просто заставить их вибрировать. Но стальное полотно легкое, и его естественная частота близка к частоте движущихся пешеходов, а значит, есть опасность, что мост войдет в резонанс. Поэтому к нижней части полотна с помощью сильных пружин мы присоединили настроенные на нужную частоту массивные амортизаторы. Принцип их работы схож с гигантским маятником в башне «Тайбэй» – они поглощают колебания и не дают полотну сильно вибрировать. Эти амортизаторы не видно, если только не присмотреться к полотну повнимательнее, стоя на дороге под мостом (пока делаешь растяжку во время Большого северного забега, например). Так вы заметите три объекта в стальных ящиках, которые прячутся между ярко-синими балками.
Как только я убедилась, что в последней конфигурации мост сохраняет стабильность, я приступила к разработке метода его постройки. Так как он слишком большой для транспортировки в Ньюкасл в готовом виде, я отправилась на сталелитейный завод в Дарлингтоне. На фоне водопада искр, летящих от сварки, мы обсудили несколько возможных вариантов. Нам нужно было доставить детали моста на стройплощадку на грузовиках, поэтому мы хотели разделить его на несколько секций и продумать, как эти секции установить и безопасно подпереть, пока не натянут тросы. Таким же образом нужно продумывать, как подпереть скульптуру, пока она не полностью собрана.
Кроме того, нужно было принять во внимание, как минимизировать неудобства для населения. Так как мост проходит над автомобильной дорогой, мы решили, что лучшим решением будет разделить его на четыре части и привезти их на стройплощадку, затем соединить, а потом с помощью подъемного крана установить на место. Для этого мы взяли гигантский, буквально монстроподобный, подъемный кран.
Благодаря нескольким месяцам планирования установка моста прошла без сучка без задоринки. Сначала сам кран прибыл на место по частям, а было это в начале праздничных выходных, и, пока его собирали, дороги перекрыли. Тем временем из Дарлингтона на ближайшую парковку доставили четыре стальные секции моста, и там их собрали, как детали пазла, и получилось полотно.
Мы планировали установить стальное полотно на место, а потом присоединить тросы. Я спроектировала полотно таким образом, что для сопротивления собственному весу и весу пешеходов нужны все три комплекта тросов. Это значит, что, пока тросы не натянули, во время стройки полотну нужна дополнительная опора, поэтому я также рассчитала, что полотно выстоит, если поставить дополнительную опору посередине (нагрузка на мост была меньше, потому что пешеходный проход на него был закрыт). Мы поставили временную стальную колонну на разделительной полосе автомагистрали.
Автомагистраль перекрыли. Кран взялся за работу. Полотно подняли с парковки и поставили на место, где его концы поддерживали временные бетонные опоры, а посередине его подпирала стальная колонна. Затем полотно отцепили от крана, а движение по трассе открыли. Все эти сложные манипуляции заняли всего три дня.
За следующие несколько недель мост собрали целиком. Мачту поместили на свое место с помощью крана, а затем прикрутили к бетонному основанию болтами. Потом все важные тросы закрепили попарно, начав с одного конца моста. Каждый раз, когда подсоединяли новую пару тросов, их растяжение регулировали с помощью разъема. Как только они все оказались на месте и последний из них отрегулировали, автомагистраль снова перекрыли, убрали временную стальную колонну, и мост был готов.
Обычно я не в восторге от ранних подъемов, но в тот день я вскочила в пять утра и поехала в Ньюкасл посмотреть на свой готовый мост, который уже открыли для пешеходов. Сначала я сделала малюсенький шаг на мост, но мне показалось, что это был гигантский прыжок, а потом я несколько раз прошла по мосту туда и обратно. Я бегала и прыгала. Прочные стальные балки, тугие тросы, резиновые амортизаторы, инерционные демпферы – все они напомнили мне о том времени, всего несколько месяцев назад, когда я их так кропотливо проектировала. Детали, которые, наверное, никто, кроме меня, не разглядел бы, приводили меня в восторг.
На одном конце моста стояла скамейка. Я уселась на скамейку и какое-то время, довольно улыбаясь, наблюдала за тем, как студенты с затуманенными взглядами ходят по мосту с одной лекции на другую, и никто из них и не догадывался о том, как приятно ощущать свой первый физический вклад в этот мир.
Глава 6. Камень
Я глажу рукой бетон. У других бывает непреодолимое желание погладить котенка или потрогать музейный экспонат, а мне нравится бетон. Причем не важно, гладкая и ровная у него поверхность, или шероховатая с камешками, или даже намеренно грубая – мне хочется понимать, какова его текстура на ощупь, холодная она или теплая. Так что вы можете себе представить, что я чувствовала, когда приехала в Рим и увидела у себя над головой тонны античного бетона, который было никак не достать.
Пантеон на Пьяцца-делла-Ротонда в Риме – одно из моих любимых зданий. Его построили при императоре Адриане около 122 года (примерно в то же время, когда он строил стену между Англией и Шотландией), и с тех пор он твердо стоит на земле, переживая разные эпохи: сначала он был храмом римским богам, затем христианской церковью, еще усыпальницей, – правда, варвары вынесли из него все, что смогли, а Папа Урбан VIII даже переплавлял потолочные панели в пушки. У входа нас приветствует треугольный фронтон на портике с шестнадцатью коринфскими колоннами. Внутри ротонду венчает купол с круглым отверстием (окулусом – глазом, в переводе с латыни), сквозь которое внутрь проникает почти что неземной луч света. Это красивое пропорциональное здание с особенной атмосферой. Меня поражают его масштабы, когда я прогуливаюсь по залу и врезаюсь в людей, потому что не могу оторвать взгляда от великолепного потолка. Даже на сегодняшний день это самый большой неармированный бетонный купол в мире. Римляне достигли величайшего мастерства и создали шедевр инженерии из революционного материала, который назвали opus caementicium.
Огромный бетонный купол и окулус Пантеона в Риме, Италия
Особенно мне нравится в бетоне то, что его форма не определена: он может стать чем угодно. Сначала он представляет собой камень, затем превращается в комковатую серую жидкость, которую можно залить в любую форму, а потом химия делает свое дело и превращает его обратно в камень. Конечный продукт может быть круглой колонной, прямоугольной балкой, трапециевидным основанием, тонкой изогнутой крышей или гигантским куполом. Удивительная гибкость позволяет ему принимать любую форму. Благодаря высокой прочности и износостойкости бетон является вторым после воды самым используемым материалом на планете.
Если раздробить в порошок камень почти любого вида и добавить воды, то получится неинтересная жижа, в которой частички не держатся вместе. Но если так сделать с определенными видами камня и нагреть их до высокой температуры, происходит нечто странное. Если взять, например, смесь известняка и глины и запечь ее при температуре 1450°C, то они образуют маленькие комочки и не расплавятся. Если потом эти комочки измельчить в порошок, то получится первый ингредиент невероятного материала.