Wiktoria Królewska i Pałac Kryształowy - Praca z 1851 roku PDF

**Wiktoria królewska i Pałac Kryształowy** Przyroda stanowi inspirację dla rozwiązań stosowanych nie tylko w technice i budowie urządzeń, lecz również w architekturze. Doskonałym przykładem zastosowania wzorów przyrody w architekturze jest Pałac Kryształowy. Konstruktorem tej budowli był Sir Joseph...

**Wiktoria królewska i Pałac Kryształowy** Przyroda stanowi inspirację dla rozwiązań stosowanych nie tylko w technice i budowie urządzeń, lecz również w architekturze. Doskonałym przykładem zastosowania wzorów przyrody w architekturze jest Pałac Kryształowy. Konstruktorem tej budowli był Sir Joseph Paxton, który w młodości był zapalonym ogrodnikiem. Paxton wziął udział w ogłoszonym przez Royal Commission konkursie na wykonanie budynku wystawowego dla planowanej w Londynie w 1851 roku wystawy światowej. Jego celem było zaprojektowanie budowli gigantycznych rozmiarów, ale sprawiającej wrażenie lekkości, a nawet nieważkości. Wymagało to maksymalnego zredukowania materiałów budowalnych i użycia przede wszystkim szkła oraz stworzenia konstrukcji, która spełniałaby wszelkie wymogi statyki. Pracując nad projektem Paxton przypominał sobie roślinę, której liście charakteryzowały się niesamowitą nośnością i wytrzymałością przy minimalnych nakładach materiałowych. Rośliną tą była wiktoria królewska (*Victoria regia*). Rośnie ona w tropikalnych rejonach Ameryki Południowej. Jej pływające liście są okrągłe i mogą osiągać średnicę 2m. **Rys. 1** Liście wiktorii królewskiej. Cienka blaszka liściowa jest tak stabilna, że może unieść człowieka. Ta stabilność wynika z zabezpieczenia blaszki liściowej siecią filarów oporowych na spodniej stronie liścia. Od środka liścia rozchodzą się promieniście jak szprychy grube nerwy, które ku brzegowi stają się coraz bardziej płaskie. Aby odstępy między nerwami nie były większe na brzegu liścia nerwy rozgałęziają się widlasto do pięciu razy, tak że na krawędzi mogą występować 32 nerwy. Dodatkowo wszystkie nerwy połączone są między sobą jeszcze bardziej spłaszczonymi podporami poprzecznymi. **Rys. 2** Liście wiktorii królewskiej z widocznymi nerwami. Pałac kryształowy, którego konstrukcja przypomina budowę liścia rośliny. **Blacha falista** Użebrowanie liści tak jak ma to miejsce w przypadku wiktorii królewskiej doskonalone wzmacnia wielką powierzchnię. W przypadku roślin wodnych nie ma znaczenia, że dodatkowa konstrukcja szkieletowa powiększa ciężar liścia, gdyż i tak jest on unoszony przez wodę. Dodatkowy ciężar ma jednak znaczenie w przypadku wielkich i bardzo wielkich liści lądowych, zwłaszcza w strefie tropikalnej, gdzie są one wystawione na burze i ulewne deszcze. Liście wachlarzowe niektórych palm osiągają długość 5-10 m, a nawet 15 m i szerokość 3-4 m (daje to od 15 do 60m^2^ powierzchni). Przy takiej powierzchni liście muszą być zbudowane tak lekko, jak tylko to jest możliwe, aby nadmiernie nie obciążać ogonka liściowego, którego zadaniem jest obracanie liści w różnych kierunkach. Ogonek liściowy musi być bardzo wytrzymały, gdyż nie tylko dźwiga ciężar olbrzymich liści, ale musi też być w stanie przeciwstawić się wszystkim siłom na niego oddziaływujący. Chodzi tu np. o burze tropikalne, którym towarzyszą gwałtowne wichury, szarpiące i targające blaszki liściowe oraz niewyobrażalne w naszych szerokościach geograficznych ulewy. Liście roślin tropikalnych przy swoich ogromnych rozmiarach muszą być zatem maksymalnie lekkie i maksymalnie wytrzymałe. Z perspektywy konstrukcyjnej wypełnienie tych dwóch wymogów jednocześnie stanowi trudny problem techniczny. Rozwiązaniem okazało się zastosowanie zasady blachy falistej. Nawet cienkie arkusze blachy stają się bardzo odporne na wyginanie, kiedy się je pofałduje lub zegnie w harmonijkę. **Rys. 3** Budowa liścia palmy w zestawieniu z budową blachy falistej. Aby sprawdzić te hipotezę można wykonać proste doświadczenie. Opis doświadczenia: Proszę wziąć zwykłą, cienką kartkę o formacie A4 i złożyć wzdłuż w harmonijkę w odstępach jednego centymetra, tak aby otrzymać coś na wzór blachy falistej lub raczej „papieru falistego". Prosta kartka, podparta jak pomost po obu swoich węższych bokach i niczym pośrodku niepodtrzymana zegnie się pod ciężarem (6 g). Podparty w ten sam sposób „papier falisty" pozostaje całkowicie sztywny. Co więcej można go dodatkowo obciążyć. **Rys. 4** „Papier falisty" o długości 23 cm wsparty na kieliszkach udźwignął ciężar 230 g (pełnego kieliszka). Udało się nawet ten ciężar podwyższyć do 700 g stosując naczynie o kwadratowym dnie i boku 9 cm. Te genialnie prostą metodę wykorzystała przyrodą tworząc wachlarzowate liście np. wielu gatunków palm. Liście nie tracą na wytrzymałości nawet jeśli w co drugim załamaniu nastąpi pęknięcie. **Rys. 5** Wjazd do tunelu Mont Blanc zbudowany w 1965 roku ma falistą strukturę naderwaną przy brzegu i rozszarpaną na poszczególne, pojedynczo zgięte żebra. **Żelazne siatki Moniera** Wymyślony przez człowieka beton jest bardzo wytrzymały na ściskanie, ale słabo odporny na rozciąganie, tym samym na zginanie. Jeśli płytę betonową swobodnie podpartą z dwu stron obciążymy pośrodku, rozciągnie się ona po stronie spodniej i wreszcie pęknie, beton jest bowiem nieelastyczny. Płytę betonową można uzbroić zatopioną w niej siatką żelazną, wytrzymałą na rozerwanie, postępuje się tak w przypadku np. estakad nad drogami. Jak powinny być ułożone wzmocnienia w filarze? Ponieważ jest on całkowicie symetryczny naprężenia zginające mogą wystąpić w każdym kierunku. Trzeba go więc uzbroić w ten sposób, by pręty wzdłużne umieszczone były naokoło całego filaru tuż pod jego powierzchnią. Aby konstrukcja nie rozpadła się przed zalaniem betonem pręty wiąże się ze sobą mocnym drutem. **Rys. 6** Stalowe zbrojenie filara żelbetowego zwane „koszem". Bez siatki Moniera nie powstałyby współczesne budowle betonowe: mosty, punktowce, wieże telefoniczne, a nawet zwykłe dachy nad halami. Zastosowanie przez Moniera konstrukcja znana była w świecie roślin od 250 milionów lat. Obserwować możemy je u rozgałęzionych na kształt kandelabrów (kilkuramienny świecznik) obumarłych kaktusów kolumnowych. U tych roślin drewnieją tylko tkanki wzmacniające, pozostałe po obumarciu ulegają rozkładowi. Podobnie jak w konstrukcji żelbetonowej system wzmocnień znajduje się u tych roślin tuż pod powierzchnią. Tkanki tych roślin wykazują się wytrzymałością na rozciąganie i zginanie porównywalną do drutu stalowego, a sprężystością i rozciągliwością nawet go przewyższają. Podobną zasadę konstrukcji stosują trawy, dzięki temu źdźbła traw wyrastające na wysokość 1,5 metra dźwigają na swoim szczycie kłosy i nie łamią się pod wpływem wiatru, chociaż mają średnicę 3-5 mm. **Rys. 7** Kaktus kolumnowy. **Budowle palowe** Wraz z osiedlaniem się ludzi z epoki neolitu (około 4000 lat temu) na terenach podmokłych (brzegi Jeziora Zuryskiego, Bodeńskiego, Neuchatel, Genewskiego i torfowiska Niziny Padańskiej) pojawił się problem budownictwa w miejscach bagnistych i okresowo zalewanych. Rozwiązaniem tego problemu był rozwój budowli na palach. W 1854 roku woda w jeziorach szwajcarskich opadła tak nisko, że odsłoniła drewniane pale sprzed czterech tysięcy lat, na których niegdyś wznosiły się wsie. Tak konstrukcja cechowała się bardzo dużą trwałością, a oprócz tego zapewnia swobodną cyrkulację powietrza pod chatą zapobiegając butwieniu i chroni przed za zalaniem w czasie powodzi. Dziś takie budowle nadal stosuje się ba bagnistych i zagrożonych zalaniem obszarach strefy tropikalnej, jak również w nowoczesnym budownictwie przy stawianiu wież wiertniczych do poszukiwania ropy na płytkich pobrzeżach Morza Karaibskiego. **Rys. 8** Prehistoryczne domy na palach nad Jeziorem Bodeńskim -- rekonstrukcja. W przyrodzie taki system budowy znany jest od wielu milionów lat. Spotykany jest u roślin rosnących na bagnach i nad brzegiem morza. Tereny te porastają namorzyny, których korzenie podporowe zapewniają roślinie te same korzyści co podobne do nich podpory budowli palowych. Pod względem budowy są one jednak bardziej skomplikowane niż pale wytwarzane przez człowieka, zakotwiczają się bowiem w ziemi same. Namorzyny wytworzyły doskonałe przystosowanie do środowiska, w którym żyją, nie zrzucają na ziemię nasion, gdyż nie znalazłyby one tam punktu oparcia i zostałby uniesione przez najbliższy przypływ. Z namorzyn spadają w pełni wykształcone siewki mające postać palików o długości od 60 do 100 cm i znaczny ciężar. Dolny koniec siewki jest zaostrzony jak oszczep, a nieco ponad nim znajduje się zgrubienie obciążające siewkę, tak aby spadła pionowo w dół i po zetknięciu z mulistym gruntem mogła się w niego głęboko wbić. Młoda roślina posiada także duży zapas substancji odżywczych dzięki czemu w ciągu kilku godzin po zetknięciu się z gruntem tworzy korzenie boczne. Szybkie zakotwiczenie w podłożu powoduje, że najbliższy przypływ nie jest dla niej groźny. **Źdźbło trawy i ścianki samolotów -- sandwich** Termin sandwich nie oznacza jedynie kanapki, ale również kilkuwarstwowy element budulcowy, odznaczający się w małym ciężarem i dużą wytrzymałością. Zbudowany jest on w następujący sposób -- między dwoma cienkimi stabilnymi płytami nośnymi znajduje się gruba warstwa lekkiego materiału np. twarde tworzywo piankowe lub płyta siatkowa przypominająca plaster pszczeli, która jest spojona lub sklejona z płytami nośnymi. Taka konstrukcja przy minimalnym nakładzie materiałowym jest bardzo wytrzymała. Stosuje się ją m.in. w przemyśle samolotowym przy budowie ścianek z metali lekkich. Taką samą budowę ma źdźbło trawy. Przestrzeń między warstwą zewnętrzną i wewnętrzną jest wypełniona bardzo lekką siatką o dużych oczkach, przypominających plaster pszczeli. Regularne struktury sześciokątne stawiają bardzo duży opór siłom zewnętrznym. **Rys. 9** Cienka, około 0,6 mm ściana łodygi trawy zawdzięcza swoją dużą wytrzymałość strukturze.