Природа "подарила" людям конструкцию мостов, которые не разрушатся при землетрясении и от ветра - «Наука и технологии»

Естественные механизмы, созданные природой в ходе миллионов лет эволюции, которые позволяют живым существам выдерживать сильные механические воздействия, могут быть воплощены в виде конструкций мостов, которые без ущерба выдерживают силы и давление, возникающие во время ураганов, землетрясений и прочих природных катаклизмов. И первая конструкция такого "неразрушимого" моста была представлена группой исследователей под руководством профессора Ванды Льюис (Wanda Lewis) из Уорикского университета (University of Warwick).

Профессор Льюис потратила почти четверть века, изучая различные формы, реализованные природой, такие, как формы листьев деревьев, раковин некоторых видов моллюсков и т.п. Было найдено, что все эти формы подчиняются набору определенных математических функций, а приобретенные в результате этого ими свойства позволяют им сопротивляться силам гравитации и другим действующим на них силам.

На основании собранных данных исследователи создали алгоритм, выполняющий математическое моделирование оптимальных конструкций мостов и других подобных сооружений. Элементы этих конструкций за счет наличия у них способности перераспределять и передавать нагрузки, сжатие и механическую напряженность, не могут разрушиться от приложенных к ним изгибающих и сжимающих усилий. Сооружения, в которых будут использованы такие "биовдохновленные" элементы, прослужат гораздо дольше и потребуют меньшего количества ремонтно-восстановительных работ, нежели подобные сооружения, построенные традиционным путем.

"Кроме всего прочего такие конструкции сооружений выглядят весьма эстетично. Эстетика - это важный элемент любой конструкции, а природа создала нас такими, что мы воспринимаем как эстетичные любые сферические или полукруглые формы" - рассказывает Ванда Льюис, - "И нынешние инженеры-строители очень часто используют такие формы, невзирая на то, что в некоторых случаях они не эффективны в качестве конструкционных элементов".

Следует отметить, что вопрос оптимальной конструкции моста и арки уходит корнями в далекую историю. Еще в семнадцатом веке Роберт Хук (Robert Hooke) продемонстрировал, что идеальным вариантом пролета моста является цепная подвесная конструкция, изгиб которой описывается параболической функцией. Также идеальной арочной формой является перевернутая парабола. Такие формы, в которых практически отсутствуют слабые точки, позволяют конструкциям выдерживать достаточно сильные и разнообразные внешние воздействия.

Вышеупомянутые тезисы были проверены группой Ванды Льюис двумя путями, математически и экспериментально. Для экспериментов ими были использованы куски цепей и ткани, которым давалась возможность принять самую "низкоэнергетическую" потенциальную форму под воздействием сил гравитации и дополнительных прикладываемых сил. Форма этих объектов была оцифрована и переведена на язык математических формул. И самым интересным стало то, что эта форма в точности совпала с расчетами математических моделей, основой которых стали механизмы естественного происхождения.