Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Надежен, как дом?

Возможно, вы не доверяете каждому встречному. Но вы почти всегда убеждены в прочности любого здания, в которое входите. Крайне редко вас посещает мысль: «А оно не развалится?» Люди внушают доверие иногда, а здания – всегда. Немногие из нас живут дольше 90 лет, но многие из существующих в мире архитектурных объектов стоят в 100 раз дольше. Мы говорим: «Надежен, как дом», – веря, что мало что на Земле может быть надежнее. В ночных кошмарах нас часто посещают видения о том, как мы куда-то падаем. Но, если вы не живете на скользком склоне горы или в особо опасной сейсмической зоне в Тихом океане, вы имеет огромный шанс проснуться – благодаря вашему замечательному дому – именно там, где вчера пожелали спокойной ночи своим близким.

Наша уверенность в прочности зданий может быть твердой, как сталь. И в ее основе лежат впечатляющие научные законы и открытия. Но внешне незыблемая природа наших домов, офисных центров и других сооружений порой весьма обманчива. За нашей уверенностью в их устойчивости стоит реальная действительность: они ведут невидимую, но постоянную войну с силами гравитации, давления ветра и сотрясений почвы. Кажущиеся устойчивыми здания пребывают в состоянии постоянно меняющегося равновесия. В большинстве случаев оно выглядит как взаимная компенсация противоположными силами друг друга. Здания никуда не двигаются (ни быстро, ни медленно), потому что силы, пытающиеся их опрокинуть, и силы, удерживающие их в одном положении, находятся в состоянии абсолютного равновесия. И на самом деле трудностей тут гораздо больше, чем нам кажется. Они проявляются внешне только в тех редких случаях, когда гигантские сооружения внезапно падают. Многие ли из нас хотя бы когда-нибудь давали себе труд, несясь на лифте в офисном конгломерате, представить себе хотя бы на секунду все миллионы тонн стали, бетона и стекла, которые нависают над нашими головами, и то, что может произойти, если они в какой-то момент свалятся на нас? Тот факт, что здания разрушаются редко, лишний раз доказывает оправданность нашей веры в науку.

Насколько напряженно трудятся здания?

По научному определению сила – механическое воздействие на предмет, заставляющее его двигаться в определенном направлении. Удар ногой по мячу, переноска мешка с картошкой в багажник автомобиля, откусывание куска шоколадки и забивание гвоздей в стену – типичные примеры применения силы в быту. Сила, которая доминирует в нашей жизни и которая никому из нас не удается избежать, – это сила гравитации, в нашем случае – земного притяжения. Это сила, с которой притягивает к себе Земля, имеющая массу 6 000 000 000 000 000 000 000 000 кг (6 септиллионов килограммов), всё, что находится поблизости от нее. Сила гравитации создает вес – нашу повседневную весомость, которую мы умудряемся почти не замечать, если не озабочены проблемами похудения. Если вы типичный взрослый мужчина, масса вашего тела должна быть где-то в пределах 75 кг. Вы ее даже не замечаете – разве что если представите себе, как носите ее в руках целый день. Вы бегаете вверх и вниз по ступенькам или трусцой, прыгаете, танцуете зажигательную латиноамериканскую сальсу, по сути держа 75-кг пачку сахара на своих коленях.

Звучит пугающе, пока вы не возьмете карандаш и не произведете кое-какие подсчеты. Конечно, толщина коленей важна: пара крепких стволов деревьев будет держать ваш вес лучше, чем два карандаша. Я только что обмерил свои колени и выяснил, что окружность каждого составляет 22 см. Соответственно, площадь одной моей коленки (если представить ее себе в виде круга после мысленного сканирования моей ноги) составляет где-то порядка 40 см². Для удобства отвлечемся от реального строения человеческого тела – тканей, костей и того, как это всё подарочно упаковано в кожу, – и представим себе, что наши ноги – массивные стержни вроде стволов деревьев. Если я вешу 75 кг, то давление на обе мои ноги будет равно силе, давящей на них, деленной на площадь, на которую воздействует эта сила. Это примерно равно атмосферному давлению (давлению воздуха на всё, что нас окружает). Выходит около 1 кг на 1 см², и это примерно половина обычного давления в шинах автомобиля. Или, более наглядно, 7 кг сахарного песка на площадь почтовой марки (когда в следующий раз вы увидите кого-то, хромающего на распухших коленках, то поймете причину). Понятно, что нагрузка на каждую мою коленку – только половина моего веса, и это не так уж плохо. Всё зависит и от того, на чем я стою. Стопа за счет своего размера распределяет этот вес на большую площадь и снижает давление нашего тела на то, что лежит под нами. Асфальт или бетон легко выдерживают вес человека. Мягкий снег или мокрый песок на берегу могут просесть на несколько сантиметров, и на нем останутся наши следы, на которые так весело оглядываться. Зато в грязь или мягкий грунт наши ноги сразу провалятся по щиколотку.

Что можно сравнить со зданием?

У домов, конечно, коленей нет: весь вес здания и всего, что внутри, не покоится на двух относительно тонких колоннах в его основании. Большинство домов (и сооружений в целом) возводятся как прямые конструкции, перпендикулярные плоскости земли, поэтому чаще всего в разрезе они имеют примерно одинаковую площадь по всей высоте. Небоскребам вроде Эмпайр-стейт-билдинг часто для пущей устойчивости придают конусообразную форму: основания шире последующих этажей, и всё здание сужается кверху. Как можно сравнить приведенные выше показатели с показателями Эмпайр-стейт-билдинг? Вы можете ожидать, что это 102-этажное здание высотой 380 м с колоссальной силой воздействует на свое основание. Так и есть.

Но, как и в случае с нашим телом, главное здесь – не сила, а давление, определяемое площадью, на которую воздействует эта сила. Площадь основания Эмпайр-стейт-билдинг составляет примерно 8000 м², а общая масса здания оценивается в 330 000 т. Столько же весят 4,5 млн человек, или население всего города Калькутта в Индии[4]. Что примечательно, благодаря большой площади пятна застройки этот вес оказывает на почву давление всего лишь в четыре раза больше атмосферного[5]. Конечно, здесь необходимо внести корректировки: здание, как правило, не является монолитным блоком, стоящим на основании. В простейшем случае это некоторые объемы или пустоты, которые покоятся на опорах, установленных по периметру фундамента. Но давайте не углубляться в технические детали того, что поддерживает здание. Допустим, что 10 % его «отпечатка» на земле – это стены, а остальное – пустое пространство. Тогда показатель давления здания на землю нужно увеличить примерно в 10 раз, и он составит приблизительно 40 атмосфер[6]. Звучит очень солидно. Неудивительно, поскольку мы говорим об одном из самых больших, высоких и тяжелых зданий в мире.