Растения - гениальные инженеры природы

Принцип гофрирования широко применяется в технике для повышения прочностных свойств конструкционных материалов. Этим исключительно простым путем добиваются повышения прочности многих вещей: кровли, стенок металлических гаражей, фюзеляжей самолетов, кузовов автомашин (для чего используется гофрированная листовая сталь), балконов (с этой целью их облицовывают гофрированными асбоцементными или полиэфирными плитами), картона, идущего на производство упаковки, и даже плиссированных бумажных юбок для рождественских карнавалов. Однако к мысли искусственно создавать в рукотворных структурах разрывы, подобные тем, какие наблюдаются у многих видов пальм (фото 10), инженеры пришли сравнительно поздно. Впервые эта идея была реализована в 1965 году при сооружении свободнонесущей конструкции защитного навеса при въезде в один из самых длинных и глубоких современных тоннелей — тоннель под Монбланом (фото 11).

«Арматурная сталь»

Одним из важнейших архитектурных элементов, применяемых с очень давних времен, является колонна. Известна она и в растительном мире. На протяжении более чем четырех тысяч лет архитекторы создают ее с однородной внутренней структурой. В то же время природа испокон веков выращивает колонны, которые в принципе сконструированы столь же рационально, как и те армированные сталью бетонные опоры, с которыми человек знаком на протяжении чуть более 100 лет. Бетон хорошо сопротивляется сжатию, но плохо переносит значительные растягивающие нагрузки, что обусловливает его повышенную восприимчивость к изгибающему напряжению. Вспомним наш опыт с листом гофрированной бумаги и положим бетонную плиту концами на две опоры. Как и в первом случае, нагрузим плиту. Какое-то непродолжительное время ее нижняя часть будет испытывать растяжение. Затем плита треснет, поскольку бетон неэластичен. Однако если бетон армировать сталью, которая устойчива к растягивающим нагрузкам, то вся конструкция обретет ту высокую прочность и долговечность, какие присущи, например, большепролетным автодорожным мостам. Разумеется, стальная арматура в железобетонной конструкции должна располагаться там, где возникают наибольшие напряжения на растяжение. В той бетонной плите, о которой шла речь выше, армировать следует ее нижнюю часть. Напротив, в случае свободнонесущего балкона арматура должна быть помещена в верхнем слое бетонной плиты, поскольку балкон, у которого один конец не закреплен, а свободен, прогибается в направлении, обратном тому, в котором изгибалась бетонная плита, положенная на две опоры.

А что же происходит с колонной? Поскольку она совершенно симметрична, напряжение на изгиб может возникать в любом направлении. Поэтому колонну нужно армировать таким образом, чтобы продольные стальные стержни располагались в ней по всему периметру, в непосредственной близости от поверхности и по всей высоте колонны. Для того чтобы до и в момент заливки бетоном прутковая основа не распалась, стержни связывают Друг с другом мягкой проволокой. В середине колонны, где напряжения не возникают, ставить арматуру нет необходимости.

На фото 12 показан идеальный арматурный каркас, или «короб», как его называют специалисты. Каркас уже построен, остается возвести опалубку и начать заливку бетоном.

Фото 12. Стальной арматурный каркас железобетонной опоры будущего автодорожного моста внутри полый. Он будет располагаться по периферии готовой опоры.

Читателю должно быть известно, что изобретатель железобетона не был ни инженером, ни архитектором. Им оказался французский садовник Ж. Монье. В 1867 году, пытаясь изготовить для своих цветов кадки из цементного раствора, он впервые применил каркас из металлической сетки. Но и он не «изобрел», а скорее «открыл» железобетон, ибо, будучи садовником, Ж. Монье не мог не видеть, каким образом растения усиливают свои несущие конструкции.

Без открытия Ж. Монье были бы просто немыслимы многие современные сооружения из бетона: мосты, небоскребы, телебашни, свободнонесущие конструкции зданий аэропорта и даже навесы автозаправочных станций.

Принцип армирования известен растениям на протяжении уже более 250 миллионов лет. У некоторых видов кактусов, в частности у цереусов, напоминающих своей формой гигантские канделябры, мягкие ткани после отмирания полностью разрушаются, открывая взору внутренний скелет растения (фото 13). Как и в железобетонной конструкции (фото 12), арматура кактуса располагается в непосредственной близости от поверхности ствола, вся же внутренняя часть тела растения свободна от каркаса. Иная, решетчатая форма расположения механических тканей характерна для другой разновидности кактусов — опунции (Opuntia bigelowii) (фото 14). Но и здесь эти ткани находятся близ поверхности, в самом же теле опунции арматурные элементы отсутствуют.

Фото 13. Арматурная структура отмершего канделябровидного кактуса похожа на стальной каркас железобетонной опоры автодорожного моста: она располагается вблизи поверхности «живой» колонны и внутри полая.

Фото 14. Решетчатый остов опунций внутри также пустой.

Но не только оптимальное расположение механических тканей обусловливает совершенство растительных конструкций. По прочности на разрыв и изгиб некоторые растения могут успешно конкурировать со стальной проволокой. Так, стебель злака, диаметром не более 3—5 миллиметров, а высотой до 1,5 метра, выдерживает вес тяжелого колоска и, не ломаясь, сгибается под напором ветра почти до земли, а затем эластично выпрямляется.

На плато Колорадо в североамериканском штате Аризона колония отмерших 15-метровой высоты кактусов-канделябров (разновидность цереусов) представляет собой весьма причудливую, фантастическую картину: словно гигантские кисточки для бритья, принадлежащие какому-то исполину, стоят они, скрашивая собой в высшей степени монотонный пейзаж пустыни. Как видно на фото 13, лишь в нижней части кактуса несущие структуры арматурного каркаса связаны между собой, выше в стволе они располагаются совершенно свободно. Как только мягкие ткани разрушатся, арматурные связки под напором ветра отходят друг от друга, распадаются, и растение приобретает сходство с расплетенным, «размочаленным» концом веревки или каната. Стволы некоторых лиан почти целиком сложены многочисленными механическими тяжами, которые при сгибании растения могут легко перемещаться относительно друг друга. Этим они напоминают тросы, сплетенные из большого числа стальных проволочек.

Вьющиеся и лазящие канаты

Чем экстремальнее условия обитания, тем гениальнее и разнообразнее приспособляемость растений к превратностям окружающей среды. Нередко приспособление заходит столь далеко, что внешняя среда начинает полностью определять форму растения. И тогда растения, относящиеся к различным семействам, но обитающие в одних и тех же суровых условиях, часто становятся внешне столь похожими друг на друга, что это может ввести в заблуждение в отношении истинности их родственных связей. Например, в пустынных областях для многих видов, и, прежде всего, для кактусов, наиболее рациональной оказалась форма шара. Однако не все то, что имеет шарообразную форму и утыкано шипами-колючками, — кактусы. Столь целесообразная конструкция, позволяющая выжить в тяжелейших условиях пустынь и полупустынь, возникла и в других систематических группах растений, не принадлежащих к семейству кактусовых (фото 71).

И наоборот, кактусы не всегда приобретают форму шара или колонны, усеянных колючками. Один из самых известных в мире кактусоведов Курт Баккеберг в своей книге «Чудесный мир кактусов» рассказывает о том, как могут выглядеть эти растения, помещенные в те или иные условия обитания. Вот что он пишет: