Индивидуальный проект по дисциплине "Физика". Тема: "Физика и архитектура"

Министерство  образования Красноярского края

Краевое государственное бюджетное

Профессиональное образовательное учреждения

«Назаровский энергостроительный техникум»

15.01.05 «Сварщик (электросварочные и газосварочные работы)»

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Физика и архитектура

Пояснительная записка

Разработал                         _______________          О.Н. Жеребцов,

                                                                                    студент группы С-15 

Руководитель работы      _______________            А.М. Крюкова,

                                                     преподаватель

Дата проверки                  _______________                    

                                                                   2018 год

СОДЕРЖАНИЕ

	Стр.
Введение	стр. 4
І.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ	стр. 5
І.ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ В АРХИТЕКТУРЕ	стр.5
I.1. ПРОЧНОСТЬ	стр.5
І.1.1. Зависимость прочности от давления на грунт. Расчет фундаментов	стр.5
І.1.2. Зависимость прочности от капиллярности	стр.5
І.1.3 Зависимость прочность конструкции от ее формы	стр.5
І.2 УСТОЙЧИВОСТЬ	стр.6
І.2.1. Равновесие. Устойчивость	стр.6
І.2.2. Повышение устойчивости сооружений.	стр.6
І.2.3. Жесткость	стр.7
ІІ.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ	стр.8
ІІ.1.Мои Фотонаблюдения	стр.8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	стр.9
Список использованных источников и литературы	стр.10
Приложения	стр.11

ВВЕДЕНИЕ

Идея  исследования: многие думают, что физика – сложная, абстрактная, скучная, бесполезная и далекая от реальной жизни наука. В своей работе я решил опровергнуть это и доказать значимость физики в архитектуре, являющейся неотъемлемой частью жизни человека.

Актуальность темы. Архитектура относится  к той области деятельности человека, где особенно прочен союз науки, техники и искусства. Среди наук физика занимает важное место в архитектуре, которое особенно возросло в наши дни. И физика, и архитектура отражают один и тот же реальный мир, но пользуются при этом разными средствами. Физика отражает действительность в понятиях, законах, теориях, а архитектура - в сооружениях. Рассматривая архитектурные памятники разных эпох можно сделать вывод: открытие новых законов физики позволяло совершенствовать архитектуру.

Марк Витрувий – самый известный античный архитектор, живший в Римской империи во второй половине I века до н.э. в своей книге "Об архитектуре"[17] писал, что важным для архитектора является не только знание эстетических закономерностей, но и технических основ, основных элементов физики.

Многие ученые, физики, инженеры занимались и занимаются исследованием взаимосвязи физики и архитектуры, например:

§  Архимед решил ряд вопросов, связанных с равновесием, очень важных при строительстве[16]

§  Марк Витрувий в своём трактате об архитектуре описал значение прочности и симметрии в архитектуре [1]….. и т.д.

Чтобы реализовать идею проекта я выдвинул гипотезу: существуют основные элементы физики, законы, без которых архитектура немыслима.

Возникла проблема: Какие основные элементы физики значимы при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений и к чему приводит несоблюдение законов физики в архитектуре?

Цель исследовательской работы: Исследовать связь архитектуры с основными элементами и законами физики

Задачи: 1.Используя различные информационные источники, расширить свои теоретические знания о значении физики в архитектуре.

2.Определить область проявления и учета основных элементов, законов физики в архитектуре.3.Провести фотонаблюдения.4.Взять интервью у жителей города.

Гипотеза: архитектура тесно связана с физикой и не может существовать без нее.

Методы и методики: изучение различных информационных источников; анализ и синтез материала; фотонаблюдения, интервью.

І.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

І.ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ В АРХИТЕКТУРЕ

I.1. ПРОЧНОСТЬ

Еще древнеримский архитектор Марк Витрувий писал: «Архитектура владеет 3 главными свойствами: прочностью, пользой и красотой. Прочность - надежность конструкций….» [1].

І.1.1. Зависимость прочности от давления на грунт. Расчет фундаментов

Чтобы здание не разрушалось, необходим прочный фундамент. Еще в наставлениях  древним зодчим указывалось: «на устройство подошвы и поддела ни трудов, ни иждивения жалеть не должно». [2]. Это и понятно, ведь фундамент здания – это в полном смысле слова его основа. Расчёты фундаментов основаны, прежде всего, на учёте силы давления на грунт: при данной массе сооружения давление уменьшается с ростом площади опоры: p =F/S. Отсутствие должного внимания к этому физическому закону может подвести строителей. Результат невыполнения закона – падение и разрушение зданий (Фото 1)

Прочность фундамента важна при эксплуатации, так как происходит оседание сооружений: Исаакиевский собор – каждый год оседает на 1 мм (Фото 2); при проектировании: Фришмен  разработал проект 850-этажного дома-дерева высотой 3200 м. Фундамент такого дерева-города должен уходить в землю на глубину 150 м [7].; при строительстве статуи мира (высотой 85 метров), «Родина-мать зовет!» заложили 16-ти метровый фундамент[5] (Фото3).

Фото 1. Полуразрушенное    строение	Фото 2.» Исаакиевский собор.	Фото 3. Статуя «Родина -                                     мать зовет!

І.1.2. Зависимость прочности от капиллярности

Большое влияние на прочность сооружений оказывает явление капиллярности. Вода, которая проникают внутрь сооружений по капиллярам, при замерзании приводит к  разрушениям. На сегодня момент скульптуре, «Родина-мать зовет!» (фото 3), грозит обрушение из-за грунтовых вод, не смотря на 16-ти метровый фундамент [5].

І.1.3 Зависимость прочность конструкции от ее формы

     Прочность конструкции во многом зависит от ее формы. Архитекторы и строители обратились к природе, к ее строительному искусству для поиска интересных инженерных решений при создании новых сооружений:

§  Стебель почти всех представителей семейства злаков - соломина, утолщенная в узлах и полая в междоузлиях. Такое строение стебля сочетает большую прочность и лёгкость конструкции. Принцип строения соломины был использован при строительстве самого высокого здания в нашей стране - Останкинской телебашни (Фото4). [8]

§   Архитекторы заимствовали у природы принцип «сопротивляемости конструкции по форме». Гофрированная конструкция прочнее плоской. Используя этот принцип, в США построили складчатые купола пролётом 100-200м, во Франции произвели перекрытие павильона пролётом 218 м, в США в 1957году построен Милуокский музей (Фото 5) [9].

Фото 4 . Строение соломины бамбука и самое высокое здание в нашей стране - Останкинская телебашня	Фото 5. Милуокский художественный музей	Фото 6. Современная мечеть в Карачи с куполообразной крышей	Фото 7. Форма яйца

§  Прочность арочных конструкций существенно повышается за счёт плёнок-мембран, создающих предварительное напряжение. Это позволяет возводить сооружения куполообразной формы огромных размеров без колонн и даже декоративных опор(Фото 6) [10].

§  Интересное инженерное решение нашли строители в простом курином яйце при проектировании здания театра в Дакаре. (Фото 7.)[11].

І.2 УСТОЙЧИВОСТЬ

І.2.1. Равновесие. Устойчивость

Устойчивость - способность системы сохранять текущее состояние при наличии внешних воздействий.

За тысячи лет до Архимеда египтяне устанавливали гигантские колонны – обелиски, но не сумели открыть обязательное условие, при котором обелиск не падает. Конечно, они понимали, что нужно устанавливать его вертикально. Но ведь и слегка наклонившийся обелиск еще сохраняет равновесие. На сколько же можно наклонить обелиск, чтобы он не упал? На этот вопрос ученые нашли ответ после исследований Архимеда. Строители узнали, что пока отвес, мысленно опущенный из центра тяжести сооружения, не выходит за пределы площади опоры, оно сохранит равновесие. Всему миру известна, например, наклонная башня в итальянском городе Пиза. Несмотря на значительный уклон, она не падает, потому что ее центр тяжести находится над площадью основания. [16].  

І.2.2. Повышение устойчивости сооружений.

Согласно законам физики для повышения устойчивости сооружения  следует увеличить площадь опоры, понизить центр тяжести. [14].Инженерные расчеты авторов Останкинской телебашни утверждали, что она очень устойчива. Огромная полукилометровая башня была построена по принципу неваляшки: три четверти всего веса башни приходится на одну девятую ее высоты. Вся основная тяжесть сосредоточена внизу у основания. Требуются колоссальные силы, чтобы заставить упасть такую башню. [15].

І.2.3. Жесткость

Жёсткость - способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации. На каждое строительное сооружение действуют многочисленные силы, например: силы сжатия и растяжения. Эти силы нагружают строительное сооружение, их необходимо учитывать при строительстве. Сварная конструкция не должна иметь дефектов, чтобы не вызвать деформацию.

ІІ.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ІІ.1.Мои Фотонаблюдения

1.   Непрочный фундамент, неправильные расчеты фундаментов при строительстве могут привести к необратимым последствиям и разрушениям (Фото12). (Приложение№1)

2.   Влияние капиллярности на прочность сооружений(Фото13). (Приложение №2)

Фото 12. Оседание фундамента	Фото 13.Разрушение кирпичной кладки	Фото 14. Назаровская ГРЭС

3.        Назаровская ГРЭС (фото 3) – это пример устойчивого, жесткого сооружения, выдерживающего большие нагрузки (Фото14). ( Приложение №3)

Интервью у жителей города

Интервью с жителями города подтвердили, что если не учитывается хотя бы один из основных элементов физики, от этого начинает страдать архитектура и, соответственно, люди, которые в этой архитектуре живут или находятся.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новизна: в этом проекте были исследованы архитектурные сооружения г. Назарово и Назаровского района на предмет прочности, устойчивости сооружений; взято интервью у жителей, позволившее сделать вывод: архитектура предрешает судьбу города и настроение людей, живущих в нем.

Результаты работы и выводы: доказано, что архитектура тесно связана с физикой и не может существовать без нее; строгое соблюдение законов физики необходимо как при проектировании, строительстве, так и при эксплуатации архитектурных сооружений; чем сложнее проект, тем больше внимания требуется уделять физическим законам; если не учитывается хотя бы один из основных элементов физики, от этого начинает страдать архитектура и, соответственно, люди, которые в этой архитектуре живут или находятся.

Области практического использования: проведенные исследования и их анализ, можно использовать на уроках физики, истории, общепрофессиональных дисциплин и в своей профессиональной деятельности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1.http://www.radidomapro.ru/ryedktzij/arkhitektura/legendarnyearchitectory/vitruvij-architektor-protchnosti-polgzy-i-krasoty-4473.php. Марк Витрувий

2.tvojastrojka.narod.ru›Fundament.htm  Фундаменты дома и их разновидности

3. HelloPiter.ru›The_isaakievskiy_cathedral.html , SmilePlanet.ru›. Санкт-Петербург – Исаакиевский собор

4. http://natalibrilenova.ru/blog/883-smachivanie-kapillyarnye-yavleniya.html: Смачивание. Капиллярные явления.

5.(https://www.yandex.ru/search/?text=волгоград.  Волгоград Статуя .Родине-матери.

6. (https://www.yandex.ru/yandsearch?clid=9582&text. Гидрофобизаторы

7. vilingstore.net›search/zdanie-derevo. Город - дерево

8. great-travel.ru›764-padayuschie-bashni-piza-i. Пизанская башня в Болонье.

9. http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode.Цитаты

10. freepatent.ru›patents/2259448, yandex.ru/images›. Сооружения куполообразной формы

11. znanija.com›task/16087143 Дакар, столица Сенегала, проект здания театра,

12. festival.1september.ru›articles/596647/ Применение правила рычага

13. ext.spb.ru›2011-03-29-09-03-14/96-2011-12-05-14 Равновесие. Виды равновесия. Устойчивость равновесия

14.bgd.bti.secna.ru›v-pomosch-studentu/uchebnik_bgd.Повышение устойчивости сооружений

15. znamus.ru›page/Ostankinskaja_bashnja Останкинская башня – символ города и эпохи

16.libok.net›writer…kniga…entsiklopedicheskiy_slovar…БрокгаузФ.А. - Энциклопедический словарь

Приложение № 1

Фотонаблюдения. Последствия непрочности фундамента.

Фото 1 - г. Назарово, здание по ул.Арбузова, д.86

Фото 2 - Дом в Назаровском районе

Фото 3-Фото здания церкви в г.Ачинске	Фото 4-Фото здания в Назаровском районе

Фото 5 - г.Назарово, фото здания по  ул.Арбузова, д.104	Фото 6 - г.Назарово, фото здания по ул.Парковая.

Приложение № 2

Непрочность сооружений вследствии капиллярности

Фото 7 - г. Назарово, фото в микрорайоне Промышленный узел

Фото 8 - Непрочность сооружений вследствии капиллярности

Приложение №3.

Устойчивость, жесткость.

Фото 9 - Назаровская ГРЭС – самое устойчивое и жесткое сооружение                              г. Назарово.

Краткое описание документа:

Исследовательский проект – «Физика и архитектура». Идея исследования: многие думают, что физика – сложная, абстрактная, скучная, бесполезная и далекая от реальной жизни наука. В данной работе обучающийся решил опровергнуть это и доказать значимость физики в архитектуре, являющейся неотъемлемой частью жизни человека.

Актуальность темы проекта. Архитектура относится к той области деятельности человека, где особенно прочен союз науки, техники и искусства. Среди наук физика занимает важное место в архитектуре, которое особенно возросло в наши дни. И физика, и архитектура отражают один и тот же реальный мир, но пользуются при этом разными средствами. Физика отражает действительность в понятиях, законах, теориях, а архитектура - в сооружениях. Рассматривая архитектурные памятники разных эпох можно сделать вывод: открытие новых законов физики позволяло совершенствовать архитектуру.