Исследовательская работа «математика и архитектура» icon

Исследовательская работа «математика и архитектура»


17 чел. помогло.
Смотрите также:
Исследовательская работа по алгебре...
«Знание»
Научно-исследовательская работа в магистратуре 15 Научно-исследовательская работа в семестре 15...
Ф. И. О.(полностью) руководителя /научного руководителя, должность, звание...
Тема Архитектура предприятия Исторические аспекты архитектуры предприятия...
Самостоятельная работа студентов...
Контрольная работа по дисциплине архитектура и градостроительство...
«Евгений Онегин» (исследовательская работа)...
Исследовательская работа «Мой веселый звонкий мяч»...
«Математика. Прикладная математика»...
Научно-исследовательская работа учебно-методические материалы Новосибирск...
Исследовательская работа Роль ремарок в драме А. П. Чехова «Три сестры»...



Загрузка...
страницы:   1   2   3
скачать


МОУ СОШ №1

С УГЛУБЛЕННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ ОТДЕЛЬНЫХ ПРЕДМЕТОВ


ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА


« МАТЕМАТИКА И АРХИТЕКТУРА»


РАБОТА ВЫПОЛНЕНА: ученицей 8а класса

ШУВАЛОВОЙ ТАТЬЯНОЙ


НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: ХАМИДУЛЛИНА

ЗЕМФИРА ВЛАДИМИРОВНА


НАДЫМ

2006


СОДЕРЖАНИЕ


Введение 3 - 6



Глава первая


1. 1. Как математика помогает добиться прочности

сооружений. Геометрическая форма как гарант прочности сооружений 6 – 12

1.2.Удобство – прагматическая цель архитектуры 12 – 13


Глава вторая


2.1.Красота – внешнее выражение математических 14 – 16

законов в архитектуре

2.2.Геометрические формы в разных архитектурных стилях 17 – 20


2.3.Симметрия – царица архитектурного совершенства 20 – 23


2.4.Золотое сечение в архитектуре 23 – 25


Глава третья


3.1. Архитектура с точки зрения математики 25 – 26


3.2. Взаимодействие архитектуры и математики 26 – 27


Заключение 28 – 30


Литература 31


^


Введение

Все (в архитектуре)…

должно делать, принимая во внимание

прочность, пользу и красоту.

М.Витрувий


Понятие «архитектура» имеет несколько смыслов. Архитектура – древнейшая сфера человеческой деятельности («искусство строить» – по определению Альберти) и ее результат. Главный смысл понятия архитектура состоит в том, что это совокупность зданий и сооружений различного назначения, это пространство, созданное человеком и необходимое для его жизни и деятельности. Архитектура зарождается вместе с человечеством, сопровождает его в историческом развитии. В ней отражаются мировоззрение, ценности, знания людей, живших в различные исторические эпохи. В ней сосредоточены особенности культуры представителей разных национальностей. Архитектурные памятники, дошедшие до нас из глубины веков, помогают нам понять цели, взгляды, мысли, традиции и привычки, представления о красоте, уровень знаний людей, которые когда-то жили на Земле. Для чего возводились архитектурные сооружения? Прежде всего, они возводились для удобства жизни и деятельности человека. Они должны были служить его пользе: беречь его от холода и жары, дождей и палящего солнца. Они должны были создавать комфортные условия для различной деятельности человека – давать достаточное освещение, обеспечивать звукоизоляцию или хорошее распространение звука внутри помещения. Возводимые сооружения должны быть прочными, безопасными и долго служить людям. Но человеку свойственно еще и стремление к красоте, поэтому все, что он делает, он старается сделать красивым.

Вопреки распространенному среди неспециалистов мнению, профессия архитектора вовсе не чужда точных дисциплин. По своей сути архитектура стоит на грани искусства и техники. Без первого архитектура превращается в ремесленничество, без второго - в бесплотные абстракции, которые невозможно реализовать... Не случайно две тысячи лет назад один из создателей теории архитектуры древнеримский теоретик зодчества М.Витрувий заложил в ее основу три основных принципа - польза, прочность и красота (заметим в скобках, что красота у Витрувия стоит отнюдь не на первом месте). Поэтому архитектор, помимо собственно архитектурных дисциплин, помимо рисунка, живописи и скульптуры, должен владеть и точными математическими методами, и знанием основных законов механики.

Тесная связь архитектуры и математики известна давно. В одной из колыбелей современной цивилизации - Древней Греции - геометрия считалась одним из разделов архитектуры. Не исчезла связь архитектуры с математикой и в дальнейшем, чему можно привести множество примеров. Все вы, вероятно, знакомы с "золотым сечением" - соотношением, определяющим оптимальные с точки зрения зрительного восприятия пропорции архитектурного сооружения. Это - математическая формула, которую должен знать любой архитектор. Поэтому отрицать связь архитектуры с математикой просто абсурдно. Разумеется, применение математики в архитектуре не ограничивается "золотым сечением". Современный архитектор должен быть знаком с различными соотношениями ритмических рядов, позволяющих сделать объект наиболее гармоничным и выразительным (помните - "Архитектура - это застывшая музыка"). Кроме того, он должен знать аналитическую геометрию и математический анализ, основы высшей алгебры и теории матриц, владеть методами математического моделирования и оптимизации. В конечном счете, все это многократно оправдает себя в процессе самостоятельной работы. Не случайно при подготовке архитекторов за рубежом большое внимание уделяется математической подготовке и владению компьютером.

Порой из-за недостаточного знания математики архитектору приходится делать немало лишней работы. Так, при проектировании монумента в честь покорителей космоса (у станции метро "ВДНХ") авторы сначала подбирали наиболее красивую форму кривой визуально, а потом описывали ее с помощью математических формул. Представьте себе, сколько вариантов кривой пришлось перебрать проектировщикам и сколько времени и сил затратить математикам, чтобы получить окончательный результат. Между тем, владея аппаратом аналитической геометрии и теории графиков, подобную задачу можно было решить за несколько часов, а с помощью компьютера и того быстрее.

Еще более математизирована профессия градостроителя, связанная, прежде всего с поиском оптимальных планировочных решений, наилучших вариантов размещения объектов на заданной территории. При этом оптимальное решение должно, прежде всего, обеспечивать выполнение основных функций города. Для этого функциональные основные зоны города должны быть гармонично связаны между собой. Здесь обойтись без математики просто невозможно. При решении подобных задач используются не только традиционные, но и наиболее современные разделы математики, такие, как теория вероятностей, теория графов, теория многомерных матриц и др. Нередко для решения градостроительных задач приходится разрабатывать даже специальные математические методы.

Следует отметить, что Московский архитектурный институт занимает ведущее место в разработке математического аппарата архитектуры не только в России, но и во всем мире. В частности, в институте созданы такие важные разработки, как координатно-расчетный метод зонирования территорий, динамические модели городов, графоаналитические методы решения планировочных задач, многокритериальные методы оптимизации сложных систем. Так что во время обучения в институте (да и после его окончания) у некоторых будет возможность внести свой вклад и в архитектурную математику. Конечно, это вовсе не означает, что каждый архитектор должен быть "по совместительству" еще и математиком, и механиком, и инженером. Кстати, утверждения некоторых технических вузов о том, что их студенты изучают математику "в объеме мехмата", физику - "в объеме физфака" и т.п., - чепуха. В таком случае у студентов этих вузов не осталось бы времени на изучение своей главной профессии. Очевидно, что достаточно сложные математические задачи должны решать математики-профессионалы. Иначе хороших результатов ожидать не приходится. Как сказано в известной басне Крылова: "Беда, коль пироги начнет печи сапожник, а сапоги тачать пирожник...". В МАРХИ курс математики сравнительно прост и ориентирован на решение конкретных задач, прямо или косвенно связанных с деятельностью архитектора или градостроителя. Причем он позволяет не только самостоятельно решать сравнительно простые задачи, возникающие в процессе проектирования (не обращаться же с каждой мелочью к математикам), но и грамотно формулировать свои требования математикам при решении более сложных задач, а в некоторых случаях даже участвовать в процессе решения.

Однако одного знания математики для архитектора недостаточно. Ведь архитектурный проект, в отличие от живописи, имеет ценность только в том случае, если его можно осуществить на практике. В противном случае он останется не более чем красивой картинкой. Поэтому специалист, занимающийся проектированием различных сооружений, будь то жилые или общественные здания, промышленные или иные объекты должен уметь хотя бы приблизительно оценить прочность и устойчивость своего творения, чтобы не работать впустую и не тратить время на консультации со специалистами. А для этого необходимо знать законы сопромата, теоретической и строительной механики, владеть методами расчета конструкций. Только в этом случае можно создать полноценный архитектурный проект. Более того, хорошее знание строительной механики может помочь архитектору не только в обосновании своего творческого замысла, но и в решении его главной задачи - нахождении оригинальных и оптимальных архитектурных решений. Многие известные архитектурные сооружения, как в нашей стране, так и за рубежом, были спроектированы не архитекторами, а инженерами, которые во главу угла ставили не эстетические, а конструктивные качества. Однако полученные в результате решения оказались не только технически безупречными, но весьма привлекательными с эстетической точки зрения.

Так, первая в нашей стране радиобашня (впоследствии - телебашня) на Шаболовке была спроектирована инженером В.Г. Шуховым по принципу так называемого "однополостного гиперболоида". Особенностью подобных конструкций является то, что все их элементы работают только на сжатие, безопасности изгиба. Это обеспечивает легкость и прочность сооружения. Не случайно шуховская телебашня уже более 70 лет остается самым легким сооружением подобной высоты в мире. При этом весьма важно, что легкая стержневая конструкция испытывает меньшее давление ветра, чем "большая игла" в Останкино (хотя последняя была построена на полвека позже). Но самое главное, что это конструктивное решение оказалось не только оптимальным с точки зрения прочности и устойчивости, но и весьма изящным для зрительного восприятия. Ажурность конструкции скрадывает вес сооружения, придает ему легкость и изящество. Поэтому шуховская телебашня и поныне служит одним из украшений Москвы, иллюстрируя гармоничное сочетание конструктивной целесообразности и эстетического совершенства. Еще большей известностью в мире пользуется Эйфелева башня, ставшая символом Парижа. Между тем ее автор Жак Эйфель также был не архитектором, а инженером.

Архитектору полезно помнить, что оптимальное с конструктивной точки зрения решение, как правило, является оптимальным и с точки зрения эстетической. Верно и обратное - подлинно красивое решение, как правило, является и высокотехнологичным. Может быть, опираясь на знание законов строительной механики, можно найти новые оригинальные архитектурные формы, подобные шуховским конструкциям или лебедевским турбосомам. Сейчас в этом направлении сделаны лишь первые шаги, так что у некоторых есть большие возможности вписать свое имя в теорию и практику архитектуры.

Напротив, пренебрежение законами механики, как правило, приводит к печальным последствиям. В практике встречались забавные примеры, когда студенты предлагали проекты зданий, игнорирующие основные законы механики. Например, проект многоэтажного здания с пролетом более 100 метров. Очевидно, что реализовать подобный проект в обозримом будущем не удастся. Поэтому, независимо от эстетических достоинств, такой проект не представляет никакой практической ценности. Его автор не только напрасно потратил время и силы, но и продемонстрировал свою неготовность к самостоятельной работе. Об этом также не стоит забывать. Ссылки на то, что подобное здание можно будет построить "когда-нибудь в будущем", когда техника позволит, вряд ли стоит принимать всерьез. Во-первых, проектировщик должен получать оплату в настоящем, а не в будущем времени. Во-вторых, каждому настоящему архитектору (как и людям большинства других творческих профессий) хочется видеть свое творение воплощенным в жизнь как можно скорее, а не в неопределенном будущем. А для этого архитектор должен постоянно поверять гармонию своих замыслов алгеброй точных методов математики и механики.


 


^ Как математика помогает добиться прочности сооружений


Геометрическая форма как гарант  прочности сооружений



Люди с древних времен, возводя свои жилища, думали, в первую очередь, об их прочности. Не случайно и в формуле М.Витрувия именно прочность упоминается на первом месте. Поэтому не случайно в первом дошедшем до нас строительном  кодексе, разработанном за 1800 лет до нашей эры в царствование вавилонского царя Хаммурапи, говорится: «Если строитель построил дом для человека, и дом, построенный им, обвалился и убил владельца, то строитель сей должен быть казнен».  Известен и такой факт, что архитектор, создавший проект моста, в прежние времена должен был стоять под ним, когда мост открывался и по нему ехал первый транспорт. В случае если он оказывался не прочным, т.е. он не выдерживал тех нагрузок, на которые был рассчитан, то его создатель должен быть первым, кто поплатиться за свою ошибку жизнью.

Становится ясно, что прочность сооружений была связана с безопасностью людей, которые ими пользовались. Прочность связана и с долговечностью.  На возведение зданий люди тратили огромные усилия, а значит, были заинтересованы в том, чтобы они простояли как можно дольше. Кстати, благодаря этому, до наших дней дошли и древнегреческий Парфенон, и древнеримский Колизей. Оставив в стороне этическую сторону описанных деяний, остановимся теперь на  вопросе о том, отчего же зависит прочность сооружения. Первым, что приходит на ум, это толщина стен. Сразу оживает сцена взятия крепости, будь то Древняя Русь или Средневековая Европа. Толщина стен этих сооружений соотносилась с пробивными возможностями орудий, которые использовались при штурме. Но еще важнее для обеспечения прочности сооружений особенности тех материалов, из которых они построены. Вспомним в связи с этим хотя бы  сказку о трех поросятах.

Традиционным строительным материалом на земле является камень – гранит, мрамор, песчаник и другие. 

В России, богатой лесами, большинство зданий первоначально строились из дерева. Достаточно вспомнить образцы древнерусского деревянного зодчества на острове Кижи или в музеях под открытым небом под Архангельском и Костромой.

Можно вспомнить в этой связи, что в древних Китае и Японии, например, был весьма распространен бамбук в качестве строительного материала.

Очевидно, что люди для строительства своих жилищ использовали, в первую очередь, тот материал, который был под рукой. Однако это не означало, что он был наиболее прочным. Самым прочным строительным материалом всегда был камень. Он обладал еще рядом замечательных свойств, которые делали его предпочтительным строительным материалом. 

С  развитием промышленного производства у человека появились возможности создавать самому новые строительные материалы, которые, с одной стороны, были похожи на камень, а, с другой, превосходили его в ряде характеристик, тем самым, обеспечивая прочность сооружений. К ним относятся кирпич, металл (в первую очередь, железо) и,  наконец,  железобетон. 

В современной архитектуре широко используются материалы, которые раньше или просто не существовали, или были слишком дороги в производстве. К таким материалам относится пластмасса, стекло. В последнее время все более широкое применение при создании архитектурных сооружений стал занимать титан.

Многие специалисты считают, что титан это металл для будущих архитектурных сооружений, которые люди будут возводить, возможно, не только на Земле, но и на других планетах. 

Но прочность сооружения обеспечивается не только материалом, из которого оно создано, но и  конструкцией, которая используется в качестве основы при его проектировании и строительстве. Прочность архитектурных сооружений, важнейшее их качество. Связывая прочность, во-первых, с теми материалами, из которых они созданы, а, во-вторых, с особенностями конструктивных решений, оказывается, прочность сооружения напрямую связана с той геометрической формой, которая является для него базовой. Математик  бы сказал, что здесь очень важна геометрическая форма (тело), в которое вписывается сооружение.

Говоря о вписанности архитектурного сооружения в определенное геометрическое тело, обычно отступают от точного геометрического представления об этом понятии. Речь идет о том, что архитектурное сооружение можно представить как помещенное в определенное геометрическое тело, как можно ближе к его границам. Другими словами, речь идет о той геометрической фигуре, которая может рассматриваться как модель соответствующей архитектурной формы. Оказывается, что геометрическая форма также определяет прочность архитектурного сооружения.

Самым прочным архитектурным сооружением с давних времен считаются египетские пирамиды. Как известно они имеют форму правильных четырехугольных пирамид.

 Именно эта геометрическая форма обеспечивает наибольшую устойчивость за счет большой площади основания. С другой стороны, форма пирамиды обеспечивает уменьшение массы по мере увеличения высоты над землей. Именно эти два свойства делают пирамиду устойчивой, а значит и прочной в условиях земного тяготения.

«Рациональность» геометрической формы пирамиды, которая позволяет выбирать и внушительные размеры для этого сооружения, придает пирамиде величие, вызывает ощущение вечности и внушительности.

На смену пирамидам пришла стоечно-балочная система. С точки зрения геометрии она представляет собой многогранник, который получится, если мысленно на два вертикально стоящих прямоугольных параллелепипеда поставить еще один прямоугольный параллелепипед.

 

Рис. 1


Это одна из первых конструкций, которая стала использоваться при возведении зданий и представляет собой сооружения, которые состоят из вертикальных стоек и покрывающих их горизонтальных балок. Первым таким сооружением было культовое сооружение – дольмен. Оно состояло из двух вертикально поставленных камней, на которые был поставлен третий вертикальный камень. Назначение этого культового сооружения до сих пор неясно. Однако в нем воплощена идея  преодоления человеком силы притяжения.

Кроме дольмена,  до нас дошло еще одно сооружение, представляющее простейшую стоечно-балочную конструкцию – кромлех. Это также культовое сооружение, предположительно предназначенное для жертвоприношений и ритуальных торжеств. Кромлех состоял из отдельно стоящих камней, которые накрывались горизонтальными камнями. При этом они образовывали две или несколько концентрических окружностей.

Самый знаменитый кромлех сохранился до наших дней в местечке Стоунхендж в Англии. Некоторые ученые считают, что он был древней астрономической обсерваторией. Сегодня это сооружение связывают с посещением Земли инопланетянами.

Нужно заметить, что до сих пор стоечно-балочная конструкция является наиболее распространенной  в строительстве. Большинство современных жилых домов в своей основе имеют именно стоечно-балочную конструкцию.

Камень, из которого возводились сооружения на основе стоечно-балочной конструкции, плохо гнется, он обычно разрушается под действием своего собственного веса. Поэтому под балки нужно было ставить достаточно много стоек. Их делали в виде колонн различного вида. Для того чтобы украсить здание такие колонны  облачали в формы кариатид или атлантов.  

Камень плохо работает на изгиб, но хорошо работает на сжатие. Это привело к использованию в архитектуре арок и сводов. Так возникла новая арочно-сводчатая конструкция. С появлением арочно-сводчатой конструкции  в архитектуру прямых линий и плоскостей, вошли окружности, круги, сферы и круговые цилиндры. Первоначально в архитектуре использовались только полуциркульные арки или полусферические купола. Это означает, что граница арки представляла собой полуокружность, а купол – половину сферы. Например, именно полусферический купол имеет Пантеон – храм всех богов  - в Риме. Диаметр купола составляет 43 м.  При этом высота стен Пантеона равна радиусу полусферы купола. В связи с этим получается, что само здание этого храма как бы «накинуто» на шар диаметром 43 м.

Этот вид конструкции был наиболее популярен в древнеримской архитектуре. Арочно-сводчатая конструкция позволяла древнеримским архитекторам возводить гигантские сооружения из камня. К ним относится знаменитый Колизей или амфитеатр Флавиев. Свое название он получил от латинского слова colosseus, которое переводится как колоссальный, или огромный.

  Эта же конструкция использовалась при создании гигантских терм (бань) Каракаллы и Диоклетиана, вмещавших одновременно до 3 тысяч посетителей. Сюда же следует отнести и систему арочных водоводов-акведуков, общая протяженность которых составляла 60 км.

Всем была хороша арочно-сводчатая конструкция, но она имела один недостаток – слишком большая сила действовала в основании арок (сводов) наклонно вбок (в отличие от стоечно-балочной конструкции, где сила тяжести действует вертикально). Эти боковые усилия, которые архитекторы называют боковым распором, требуют большой толщины стен, которая должна гасить эти усилия. Так, например, толщина стен Пантеона в Риме, поддерживающих купол, равна 7 метрам. Это требовало большого расхода материалов.

Следующим этапом развития архитектурных конструкций явилась каркасная система, которая в основном используется в современной архитектуре. Прообразом ее стала разновидность арочно-сводчатой конструкции, содержащей стрельчатые арки. На смену полуциркульным аркам приходят стрельчатые, которые с точки зрения геометрии являются более сложными. Стрельчатую арку нельзя построить одним движением циркуля. Рассмотрим один из способов построения схематического изображения стрельчатой арки.

Стрельчатая арка состоит из двух дуг окружности одного радиуса. Значит, необходимо выбрать определенный раствор циркуля и закрепить его. Затем провести горизонтальную прямую. В любую точку этой прямой поставить ножку циркуля и провести дугу (можно полуокружность). Затем ножку циркуля поставить на горизонтальную прямую так, чтобы она оказалась со стороны выпуклой части уже построенной дуги, и снова провести дугу тем же радиусом. Две дуги пересекутся. Над горизонтальной линией мы получили схематическое изображение стрельчатой арки.

 

Рис.3

Стрельчатые своды выполнялись не как монолитные, а состоящие из частей – распалубок. Каждая распалубка выполнялась на каменных ребрах, называемых нервюрами. Нервюры являются подобием скелета свода, которые принимает на себя основную нагрузку.

Боковой распор от стрельчатых арок гасился  вне стен, несущих свод. Для этого вне сооружения ставились специальные опоры – контрфорсы, нагрузка на которые передавалась с помощью арочных конструкций – аркбутанов.

  Аркбутаны как раз и являлись тем каркасом, которые окружал сооружение и принимал на себя основные нагрузки. Арочная конструкция послужила прототипом каркасной конструкции, которая сегодня используется в качестве основной при возведении современных сооружений из металла, стекла и бетона. Достаточно вспомнить конструкции известных башен: Эйфелевой башни в Париже и телебашни на Шаболовке.

Телебашня на Шаболовке состоит из  нескольких поставленных друг на друга частей однополостных гиперболоидов. Причем каждая часть сделана из двух семейств прямолинейных балок. Эта башня построена по проекту замечательного инженера В.Г.Шухова

 

Рис. 4

Прежде всего, разберемся, какая геометрическая фигура называется однополостным гиперболоидом.

Само слово гиперболоид может быть знакомо по названию фантастического романа А.Н.Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Однако, что это за геометрическая фигура, какими свойствами она обладает?

Однополостный гиперболоид – это поверхность, образованная вращением в пространстве  гиперболы, расположенной симметрично относительно одной из осей координат в прямоугольной системе координат, вокруг другой оси.

На рисунке, который изображен ниже, выделена гипербола, которая симметрична относительно оси у, а вращается она относительно оси z.

 

   Рис. 5

Таким образом, мы получили гиперболоид, который называется однополостным.

Обратите внимание, что любое осевое сечение однополостного гиперболоида будет ограничено двумя гиперболами.

Другой интересной для архитекторов геометрической поверхностью оказался гиперболический параболоид. Это поверхность, которая в сечении имеет параболы и гиперболу. На рисунке изображен гиперболический параболоид. Именно его архитекторы кратко называют гипар.

 

Рис. 6

Именно гипар использовал испанский архитектор и инженер Феликс Кандела при строительстве зала в Акапулько (рисунок 6.)

Почему  эти геометрические фигуры оказались интересными для современных архитекторов? Дело в том, что они обладают одним очень важным с практической точки зрения свойством. Не являясь плоскими, они могут быть, в то же время, построены с помощью прямых линий. А это очень важно при строительстве различных сооружений из железобетона. Чтобы придать этому материалу нужную форму изготавливают опалубку (форму), которую делают из прямых досок. Поэтому так важно, чтобы поверхность можно было образовать с помощью прямых линий.

Самые простые неплоские поверхности – цилиндрическая и коническая - можно построить с помощью прямых. Это хорошо видно на рисунке.

 





Рис.7

  В первом случае, если речь идет о прямом круговом  цилиндре, то прямая должна перемещаться параллельно в пространстве и проходить через все точки окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной этой прямой. Во втором случае прямая должна также проходить через все точки окружности  и через одну точку в пространстве, не лежащей в плоскости окружности.

Однополостный гиперболоид и гиперболический параболоид образованы перемещением не одной, а двух прямых. Иногда говорят, что они образованы семействами двух прямых.

  Свойство поверхностей, состоящее в том, что они могут быть образованы прямыми, называется линейчатым, а сами поверхности также носят название линейчатых.

Появление новых строительных материалов делает возможным создание тонкого железобетонного каркаса и стен из стекла. Достаточно вспомнить американские небоскребы или, например, здание Кремлевского дворца съездов созданных из стекла и бетона. Именно эти материалы и каркасные конструкции стали преобладающими в архитектурных сооружениях XX века. Они обеспечивают зданиям высокую степень прочности.

С давних времен и до наших дней эталоном прочности для архитекторов  являлась скорлупа куриного яйца. Отношение диаметра куриного яйца к толщине его скорлупы в среднем равно 130. Такое соотношение между диаметром пролета и  его толщиной в сооружениях из камня было невозможно. Например, это отношение для купола  Флорентийского собора, выполненного из камня и кирпича равнялось 11. Но для железобетонных сводов это отношение сегодня может достигать 1800, т.е. почти в 15 раз превосходить показатель, характеризующий прочность яичной скорлупы.


^ Удобство – прагматическая цель архитектуры

   

Для чего люди строили различные здания? Ответ на этот вопрос ясен. Прежде всего, для того, чтобы в них было удобно жить и работать. Конечно, вы можете возразить, что культовые сооружения – церкви, соборы, пагоды, мечети, строились для восхваления бога, для создания у людей представлений о его величии и всемогуществе. Это верно, но и культовые сооружения создавались для удобства отправления религиозных обрядов. Для этого  они должны были обладать определенными акустическими свойствами, иметь определенную внутреннюю планировку и объем, необходимый для присутствия большого количества людей.

Но вернемся к  жилым зданиям. Давайте зададим себе вопрос – что мы вкладываем в понятие удобства? Вспомните  дом или квартиру, в которых живете вы или ваши друзья. По каким характеристикам вы судите об их удобстве?

Самая основная характеристика – это объем  жилых помещений. Ведь именно от объема помещений зависит количество воздуха, которое необходимо для жизнедеятельности человека. Вам доводилось слышать разговор о том, что в той или иной квартире слишком низкие потолки, которые, уменьшают внутренний объем комнат. В жару в таких помещениях просто нечем дышать. Да и низкий потолок создает у человека чувство внутреннего дискомфорта.

Итак, одно из важнейших условий, которое должен выполнить архитектор при проектировании сооружения, это предусмотреть достаточный внутренний объем. 

Удобство для жилых помещений определяется и их планировкой. Понятно, что столовая в доме должна быть недалеко от кухни. Сейчас иногда их объединяют в единое помещение. Туалет и ванная комната должны располагаться рядом, а иногда и просто совмещаться. Наконец, спальня должна находиться рядом с ванной комнатой и туалетом. Детская комната должна быть недалеко от спальни родителей. Вот гостиная, кабинет, библиотека могут располагаться где угодно.

При этом в современных жилых домах, расположенных в двух уровнях, т.е. имеющих два этажа,  столовая, кухня, вместе с такими подсобными помещениями как кладовые, а также гостиная, библиотека и кабинет располагаются на первом этаже. Спальня, детская, комнаты для гостей вместе соответствующими подсобными помещениями – на втором.

Вы можете сказать, что приведенное здесь описание планировки жилых помещений, скорее всего, относится к какому-то замку в старой доброй Англии. Но это не так. Сейчас отдельные коттеджи, которые можно увидеть при выезде из крупных городов в России чаще всего имеют подобную планировку. Да и квартиры, которые планируются сегодня в элитных городских домах, тоже приближаются к этому эталону. Пройдет не так уж много времени, когда абсолютное большинство квартир в нашей стране будут отвечать требованиям удобства с точки зрения планировки.

  Как же математика может помочь архитектору в планировании жилых, да и не только жилых помещений. Во-первых, при составлении плана мы чаще всего решаем геометрическую задачу о разбиении многоугольника на части.

Каждая из этих частей может быть новым многоугольником или другой плоской геометрической фигурой. Затем мы обязательно пользуемся понятием масштаб, т.к. все размеры, а точнее периметры, всех реальных помещений мы уменьшаем в одно и то же число раз. Ведь никто не будет изображать план в полную величину. В результате наш план с точки зрения геометрии будет представлять фигуру, подобную той, которую мы могли бы увидеть, если бы смотрели на нее  сверху в разрезе. Представьте, что вы сняли крышу кукольного дома и смотрите сверху на его планировку.

Наконец при проектировании внутренней планировки архитектор решает маленькую комбинаторную задачу – как разместить желаемые помещения на имеющейся площади. Таких комбинаций может быть несколько. Из них нужно выбрать самую целесообразную с точки зрения удобства.

Чем же еще обеспечивается удобство наших квартир? Чтобы ответить на этот вопрос, представьте себе такую ситуацию. Вы плохо себя чувствуете. Пришли домой, и хотели бы прилечь и немного поспать. А в это время   в соседней квартире отмечается день рождения. Гремит музыка, раздается смех. И слышимость такая, что вам кажется,  все это происходит в вашей квартире. Если в квартире плохая звукоизоляция, то, какое уж тут удобство!

Хорошая или плохая звукоизоляция может зависеть от двух основных условий: толщина стен или материал, из которого эти стены сделаны. Сегодня существует много различных звукоизоляционных материалов, которые обеспечивают снижение уровня шума в два и более раз. Математика помогает архитектору сделать соответствующие расчеты по известным ему специальным формулам и ответить на вопрос, какой толщины должны быть стены и сколько слоев звукоизолирующего материала необходимо проложить, чтобы обеспечить жильцам комфортные условия жизни.  Толщина стен важна не только для звукоизоляции, она обеспечивает и тепловой режим помещений.  Ведь стены  защищают людей от неблагоприятного воздействия окружающей среды. Ведь недаром люди говорят: «Мой дом – моя крепость». Это высказывание воспринимается в переносном смысле – как защита, крепость, прежде всего психологическая. Но изначальный смысл, возможно, исходил из того, что дом это защита от дождя, ветра, холода. Для нашей страны, где люди живут в славящейся морозами Сибири или на Крайнем Севере, это особенно важно. И в этом случае для обеспечения хорошей теплоизоляции нужны специальные материалы и расчеты, позволяющие обеспечить защиту от холода и при этом минимизировать затраты на материалы, а значит снизить общую стоимость здания.

 

^ Красота – внешнее выражение математических законов в архитектуре




Главная ценность архитектурных сооружений в их красоте. Сооружение может быть прочным и удобным, но если оно не привлекает глаз, не вызывает у нас эстетического чувства, то оно воспринимается нами как обычное строение, но не как памятник архитектуры. Кроме того, архитектурное сооружение может стать непрочным и бесполезным, но при этом его архитектурная ценность не исчезнет. Так случилось, например, со многими шедеврами древнерусского зодчества. Они были сделаны из не самого прочного материала – дерева, в связи с этим со временем стали особенно интенсивно разрушаться. Во многом, благодаря этому, они перестали использоваться по своему назначению. Однако не перестали быть шедеврами архитектурного искусства. В качестве примера такого сооружения часто приводят  Преображенский собор на острове Кижи. Можно привести еще один яркий пример «падающей» башни в Пизе, или архитектурные жемчужины – дворцы Венеции. Именно поэтому сегодня затрачиваются огромные финансовые и материальные средства, чтобы реставрировать их, сохранить для себя и будущих поколений. 

Другими словами, без искусства архитектуры нет. Существуют конкретные математические модели, соотношения и свойства, которые используются в архитектуре и определяют их эстетическое совершенство. Это разнообразные геометрические формы, пропорции и законы симметрии, которые в определенной мере задают внутреннюю красоту архитектурной формы. Без нее внешние украшения зданий не улучшают, а порой усугубляют внешнее впечатление о том или ином сооружении.

Обратимся к высказываниям людей, которые не только оставили значительный след в архитектуре, но и пытались понять источники совершенства архитектурной формы.

Французский зодчий, живший в XVII веке, Франсуа Блондель писал: «Удовлетворение, которое мы испытываем, глядя на прекрасное произведение искусства, проистекает от того, что в нем соблюдены правила и мера, ибо удовольствия в нас вызывают единственно лишь пропорции. …Дабы подкрепить наше утверждение, я заявляю, что красота, возникающая из меры и пропорции, вовсе не требует дорогих материалов и изящной работы, дабы вызвать восхищение, напротив, она сверкает и делается все ощутимее, проступая сквозь грязь и хаос материала и его обработки». Лучшим подтверждением этих слов является скромная, не отличающаяся значительными размерами церковь Покрова Богородицы на Нерли. Но именно  связь размеров (соразмерность) всех ее частей создает ту гармонию, которая делает ее прекрасной.

  Другое высказывание принадлежит выдающемуся русскому архитектору XIX-XX веков, автору Мавзолея В.И.Ленина на Красной площади, Казанского вокзала, здания гостиницы «Москва» А.В.Щусеву: «Пожалуй, самым трудным и вместе с тем обязательным в архитектурном творчестве является простота. Простота форм обязывает придавать прекрасные пропорции и соотношения, которые сообщили бы им необходимую гармонию».

Именно гармония, которая лежит в основе всех искусств, обусловливает красоту их лучших образцов. Но, чтобы создать рукотворные произведения архитектуры, нужно познать и использовать законы гармонии при их создании. А вот раскрыть эти законы гармонии как раз и помогает математика. 

Человечество с самых ранних этапов своего существования пыталось постичь разумом законы гармонии, а значит, красоты. И одними из первых совершили открытие связи прекрасного и математики представители школы пифагорийцев. Известен их девиз «Все прекрасное, благодаря числу». Ведь именно число позволило найти меру вещей, а значит соотнести, соразмерить различные части целого. Наиболее ярко это видно в лучших произведениях архитектуры Древней Греции.

Вслед за пифагорийцами Аристотель пытался найти сущность красоты. Он писал в своей знаменитой работе «Метафизика»: «… важнейшие виды прекрасного – это слаженность, соразмерность и определенность, математика больше всего и выявляет именно их».

  Красота как философское понятие имеет двуединую природу. С одной стороны, в ней объединяются объективные законы и субъективные представления и оценки, с другой – единство двух противоположных начал: порядка и беспорядка. Математика выявляет объективные закономерности установления этого порядка, соединения отдельных частей в единое целое. Так в архитектурном сооружении необходимо соединить множество деталей, как невидимых, так и видимых в единое композиционное целое. По каким законам и правилам строится эта композиция, где их узнать? 

Математика предлагает архитектору ряд, если так можно назвать, общих правил организации частей в целое, которые помогают расположить эти части в пространстве так, что в них проявлялся порядок, установить определенное соотношение между размерами частей и задать для изменения размеров (уменьшения или увеличения) определенную единую закономерность, что обеспечивает восприятие целостности и представление о порядке;

выделить определенное место в пространстве, где будет размещаться сооружение, описать его определенной математической формой, которая также позволит выделить его из других сооружений и внести  в их  состав, создав новую композицию, новый архитектурный ансамбль.

Возникает естественный вопрос – откуда математика черпает эти общие правила. А получает она их из природы. Главная заслуга математики состоит в том, что она  выявляет глубинные свойства, которые заложены в природе, но не лежат на поверхности.

Известна фраза: «Все естественное (т.е. природное) – красиво».  В этой фразе содержится глубокий смысл, связанный с темой нашего обсуждения. Мы, человеческие существа, рожденные на Земле, являемся детьми природы и, одновременно, ее частью. И то, как она устроена,  какие формы, и композиции она порождает, мы интуитивно воспринимаем как свои. Они соответствуют нашему мироощущению, поэтому мы воспринимаем их как прекрасные. Именно им мы пытаемся подражать в произведениях искусства. Возможно, если бы мы жили на другой планете, в другой природе, то и мы бы были другими, и наши представления о красоте тоже были бы другими.

Что же является важнейшим математическим механизмом восприятия окружающего нас мира, а значит, что позволяет переносить образы природы в архитектурные сооружения, делая их прекрасными?

Если разобраться в таком общем вопросе как – в чем цель и смысл жизни на Земле, то понятно, что философия уже дала на него ответ. Живая природа в любых ее проявлениях преследует одну и ту же цель: всякий живой организм повторяет себя в себе подобном. Не только самые простейшие организмы, но и вершина творения природы – человек повторяет из поколения в поколение те же формы, ту же скульптуру лепки лица, те же черты характера, те же жесты. Это не означает, что все мы одинаковы, как близнецы, мы похожи, подобны. Это подобие в тех общих признаках, которые отличают человека от других живых существ.

В геометрии мы тоже говорим о подобии, например, треугольников, многоугольников, и главное, что важно в геометрическом подобии это сохранение формы объектов при изменении размеров.

Теперь вернемся к восприятию, особенно если речь идет об архитектуре. Ведущим органом чувств, который обеспечивает восприятие природных объектов и художественного воплощения их в архитектурных сооружениях является глаз. Из физики и биологии известно, что функционирование глаза построено на геометрическом подобии. Попадающий в поле зрения объект проецируется на сетчатку глаза в виде перевернутого, уменьшенного и неискаженного по форме изображения. Другими словами в виде геометрически подобного  тому объекту, который попал в поле зрения. В качестве напоминания  покажу известную схему, которую можно увидеть в учебниках физики (рис. 8).



Рис. 8

Затем полученный на сетчатке образ передается в головной мозг. У нас появляется образ (уже не перевернутый) реального объекта. Зрение не измеряет, а соизмеряет, т.е. не сохраняет размеры, а пропорционально их уменьшается. Образы реальных объектов мы воспринимаем не в их реальных размерах, а уменьшенными.  Поэтому для полного представления о реальном объекте мы должны измерить его.

Таким образом, в основе нашего восприятия лежит принцип геометрического подобия. Этот же принцип позволяет нам использовать природные формы, их комбинации в архитектурных сооружениях, привнося в них природную красоту. Понятно, что возведение рукотворных произведений архитектуры требует знания этих математических оснований и умений ими пользоваться. Человечество открыло только малую толику из них.





оставить комментарий
страница1/3
Дата08.09.2011
Размер0.49 Mb.
ТипИсследовательская работа, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3
плохо
  1
средне
  2
отлично
  37
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх