Строительство
Этот вид инженерного дела имеет дело с силами, действующими внутри любого сооружения: дома, туннеля или моста. Инженеры обязаны гарантировать, что используемые при работе материалы и конструкции достаточно прочны, чтобы удерживать вес здания.
Нагрузки
Силы, воздействующие на конструкции, называются нагрузками. К ним относят вес самой конструкции и любых объектов, которые могут использовать постройку. Инженеры-строители проектируют здания так, чтобы нагрузки передавались через элементы конструкции на землю. Горизонтальные элементы (например, перекладины и балки) передают нагрузки на вертикальные (стены, колонны или столбы), а те — на фундамент, создающий прочную основу для всей конструкции.
Дом сконструирован таким образом, чтобы удерживать вес крыши, стен и полов. Вся нагрузка должна передаваться через элементы конструкции в землю, иначе дом развалится!
Перемычка давит на столбы, которые давят на перемычку, удерживая ее. Эта система не подходит для больших пространств: противодействующие силы могут выйти из равновесия, и перемычка треснет
Арка может перекрывать более широкие пролеты, чем перемычка. Ее изогнутая структура опирается не прямо вниз, а в стороны. Эта сила уравновешивается вертикальным давлением столбов и боковым упором стен, поэтому конструкция остается стабильной при больших нагрузках
Изобретение в 1852 г. Элишей Отисом безопасного лифта сделало возможным строительство многоэтажных зданий
Вес небоскреба не переносится на его стены. Нагрузка передается на внутренние колонны из стали или бетона
Пространство
Самая прочная конструкция — это однородное плотное тело, но оно практически бесполезно. Поэтому в строительстве используют структурные элементы, которые образуют прочный каркас вокруг внутреннего пространства. Небольшие пространства — двери, окна, обычные комнаты — поддерживаются с помощью балок и перемычек, их удерживают на себе вертикальные стойки. Но для крупных пространств этого недостаточно: горизонтальные элементы конструкции не могут передать всю нагрузку на вертикальные стойки, прогибаются и ломаются. Большие помещения перекрывают арочными сводами — их изогнутая конструкция лучше перераспределяет нагрузку на вертикальные элементы здания.
Чем выше здание, тем больше его вес, и стены, которые несут нагрузку, должны становиться все толще. Получается, что возводить постройки выше 12 этажей нецелесообразно, потому что придется делать стены толщиной около метра. Более высокие здания поддерживаются массивными внутренними колоннами. На них опираются этажи, а стены навешиваются снаружи, создавая внутреннее пространство, но не принимая на себя вес самого здания.
Мосты
Мост, соединяющий два удаленных места, — одна из самых сложных и впечатляющих конструкций. Он может иметь немного несущих опор, но они должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать вес не только самой конструкции, но и всего, что по ней движется. Для небольших мостов используются простые балки или арки из дерева или камня. Однако для крупных мостов эти материалы слишком непрочные и не могут удержать даже вес конструкции, поэтому вместо них используют сталь, которая может сгибаться, не ломаясь.
Четыре вида мостов, расположенные в порядке увеличения перекрываемого пространства
Строители Форт-Бридж в Шотландии в 1880-х гг. показывают, как две боковые конструкции железнодорожного моста будут уравновешивать центральный пролет
Для постройки мостов с длинными пролетами применяют разные конструкции, которые передают вес главного пролета на концы моста, опирающиеся на землю. Консольный мост работает как пара качелей, которые уравновешивают вес центрального пролета. Пролет подвесного моста висит на прочных кабелях, закрепленных на обоих концах конструкции. Вантовый мост похож на подвесной, но в нем пролет удерживается кабелями, закрепленными на высоких вертикальных стойках.
Золотые Ворота — мост через вход в гавань Сан-Франциско. Это один из самых известных подвесных мостов в мире. Он открылся в 1937 г. и был крупнейшим в мире до 1964 г., когда начал функционировать мост Верразано-Нэрроуз в Нью-Йорке
Материалы
Камень
Древнейшие постройки, которые стоят до сих пор, сделаны из камня, что свидетельствует о невероятной прочности этого материала. В целом камень — очень твердый материал, он выдерживает огромные силы сжатия и не ломается при значительной нагрузке. Однако он плохо гнется и растягивается. Если перекрыть камнем слишком широкий пролет, он треснет и сломается — это существенные ограничения, накладываемые на постройки из камня.
Архитектура инков в Куско, Перу. Остается загадкой, как инкские каменщики вырезали камни так, чтобы они идеально прилегали друг к другу
У традиционного японского дома деревянный каркас и нет внутренних несущих стен — все внутренние стены сделаны из бумаги
Древесина
Пожалуй, это самый старый строительный материал. Древесина — это натуральный материал, который со временем разлагается, поэтому лишь некоторые деревянные постройки стоят дольше нескольких столетий. Преимущество древесины — в ее невысокой цене и большой прочности. Она способна выдерживать значительные силы сжатия и натяжения, возникающие в конструкции зданий, и при этом гнуться, но не ломаться. Древесина плохо подходит для строительства в холодном и влажном климате, где она подвержена гниению. В наши дни деревянные балки, перемычки и стойки являются неотъемлемыми элементами большинства современных домов.
Глинистая масса
Это просто смесь земли и воды, очень недорогой и универсальный материал, применяемый в строительстве в сухом климате. Мокрую массу накладывают в несколько слоев, формируя стены и пол, которые после высыхания становятся достаточно прочными, чтобы держать деревянную крышу. Некоторые из ранних построек были сделаны из грязи и прутьев, уложенных внутри; такая конструкция называется «мазанка». Сооружения из глинистой массы легко размывает дождем, поэтому их приходится регулярно подновлять.
Великая мечеть в Дженне, Мали, Западная Африка, построена из глиняной массы и стоит уже 800 лет
Стол и стулья, сделанные из бетона. Бетон — дешевый и прочный материал
Бетон
Бетон по структуре имитирует камень, но изготавливается из песка или мелких камней, скрепленных цементом. Существует несколько видов цемента, которые предназначены для различных условий, но дают примерно одинаковый результат. Бетон выдерживает очень большую нагрузку, поэтому его можно использовать при строительстве плотин и небоскребов. При замешивании бетон жидкий, но когда его заливают в форму, он затвердевает. Это позволяет придать ему практически любую конфигурацию, создавая предметы, которые будут прочны, как камень.
Штукатурка
В строительстве этот материал используется для создания гладкой поверхности стен и потолка, но из него также можно делать сложные детали и украшения. Обычно штукатурку изготовляют из порошкообразного гипса или извести. Их нагревают до тех пор, пока не испарится вся вода. Для использования нужно снова смешать с водой — и материал восстановит свою первоначальную кристаллическую структуру. В это время можно наносить мокрую штукатурку на различные поверхности или придавать ей нужную форму.
Потолочный плафон, сделанный из гипса
Кирпич
Этот строительный материал отлично подходит для конструкций, которые строятся из блоков, накладывающихся один на другой и скрепляющихся, создавая стены и другие конструктивные элементы (для других кладочных работ можно использовать камни, нарезанные на блоки). Современный кирпич изготавливается из глины. Ее в жидком состоянии заливают в пресс-формы и обжигают, после чего она становится твердой, как камень. Сильный жар спекает глину в кирпич так же, как и при обжиге керамики. Кирпичи используются в строительстве по крайней мере 7000 лет и лучше всего подходят для небольших зданий в холодном и влажном климате.
Кирпичные постройки выдерживают сильное сжатие и поэтому хорошо сохраняются. Однако кирпичные здания не могут быть выше 12 этажей, потому что в этом случае стены становятся слишком толстыми
Бронза
Первый металл, получивший широкое распространение, — это бронза, сплав меди и олова. Бронзовый век начался в Восточном Средиземноморье около 5000 лет назад. Входящие в сплав металлы сравнительно инертны и поэтому их легко получить из руд, а необходимой для плавки температуры можно достичь с помощью большого костра. Бронза легко поддается обработке — ее заливают в формы, а затем корректируют. Этот сплав прочнее чистой меди или олова, но слишком тонкие бронзовые предметы хрупкие и ломкие, поэтому бронзовые изделия должны быть относительно крупными.
Шлем из бронзы не такой прочный, как из других металлов, но способен защитить от бронзового оружия
Железо
Это второй по распространенности металл в земной коре. Его температура плавления выше, чем у меди; ее удалось достичь около 3000 лет назад, когда появились печи на древесном угле. Железо практически не существует в чистом виде, зато часто используется в виде сплавов с углеродом, один из них — ковкое железо (примерно до 1 % углерода). Это пластичный, но достаточно хрупкий материал, работать с которым легче, чем с чугуном — более дешевым, но менее чистым сплавом железа (более 2 % углерода). Расплавленный чугун заливают в формы, получая при охлаждении прочный тяжелый предмет. Тем не менее чугун относительно хрупкий и его сложно ковать. Его по-прежнему используют для изготовления кастрюль и прочей кухонной утвари, а ковкое железо было вытеснено сталью.
Эйфелева башня состоит из 18 038 деталей из ковкого железа, соединенных с помощью 2,5 млн заклепок