архитектоника объемных форм. И. А. Шеромова а. А. Еремина архитектоника объемных форм
 Скачать 28.21 Mb.
|
|
Тема 6 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ В АРХИТЕКТУРЕ И ИНЖЕНЕРИИ Формообразование в живой природе В живой природе функция и форма тесно сближены и взаимообусловлены. Образование механических тканей живых организмов связано с интенсивностью роста и влиянием многих внешних факторов. Природные формы обладают гармоничной согласованностью частей це- лого, единством общей логики развития, взаимосвязью формы и структуры. Формообразова- ние в живой природе характеризуется пластической сопряженностью, постепенными пере- ходами от одной части формы к другой, развитием пластики формы по принципу взаимосвя- зи элементов структуры. Встречаются в природе и правильные геометрические формы и фи- гуры - окружности и овалы, ромбы и кубы, треугольники, квадраты и другие многоугольни- ки. Бесконечное множество сложных, удивительно красивых, легких, прочных и экономич- ных конструкций создается в результате комбинирования этих элементов. Нередко природа унифицирует конструкции, то есть строит их из элементов одной и той же формы: лепестки цветов, семена злаков, ягоды малины, ежевики, чешуйки рыб, змей, шишек, панцири живот- ных и т.д., что является примером яркого проявления ритма в животном и растительном ми- ре. Гармоничное расположение упорядоченных многообразных или одинаковых элементов формы вызывает ощущение динамики и закономерностей красоты. В современной науке при объяснении закономерностей структурного формообразования живых организмов, прояв- ляющегося как приспособительная реакция на изменения внешней среды, используется ме- тод симметрии, включающий разновидности асимметрии. Симметрия характерна для всего живого и неживого в природе: листья, цветы, травы, насекомые, кристаллы и т.д. по своей природе симметричны. Тело человека- тоже симметричная форма с вертикальной осью симметрии, проходящей через середину тела. Метод симметрии является основным теорети- ческим принципом классификации кристаллов (кристаллография). Наиболее экономичной в отношении затраты материала является конструкция, составленная из плотно сомкнутых правильных шестиугольников или шестигранников. Она очень часто встречается в природе, и наиболее замечательное явление - пчелиные соты, имеющие единственный конструктив- ный элемент - ячейку в виде шестигранной призмы. Феноменом структурной гармонии форм естественного происхождения является отношение «золотого сечения», которое наблюдается в самых раз личных природных объектах: в пропорциях растительных и животных организ- мов, в биоритмах головного мозга, в природе планетарных систем, в энергетическом взаимо- действии на уровне элементарных частиц и т.д. Формообразование в природе отражает эво- люцию развития живых организмов и корректировки их структуры для достижения идеаль- ного варианта. Природа в своей мастерской создавала растения по всем правилам строительной техники, однако по конструкции природные формы гораздо тоньше и намного совершеннее того, что умеет делать человек. Развитие формы в пространстве и во времени проходит дискретно- поступательно, фиксируя тем самым переход накопившихся количественных изменений в новое качество. В живой природе развитие формы проходит для каждого вида своим опреде- ленным путем (в своем ритме) с развитием в первую очередь несущих, а затем несомых эле- ментов (или фиксацией циклов развития - годичные кольца дерева, дугообразное развитие раковины и т.д.). Этот процесс отражается на внешнем строении формы. В конструктивном построении крон и стволов деревьев, стеблей и соцветий, грибов, ра- ковин и пр. одной из опорных форм является конус. Устойчивость конусообразных форм выражается в форме статичного конуса, или конуса гравитации (конус основанием вниз), ее легко заметить в кроне или стволе ели, в шляпке или ножке белого гриба. Это оптимальная форма для восприятия ветровых нагрузок и действия сил тяжести. Начало развития выража- ется в форме динамического конуса, или конуса роста (конус основанием вверх), проявляет- ся в грибах бокальчик, лисичка. В природе на основании комбинаций двух одинаковых по 59 форме, но разных по своему началу конусов возникают различные формообразования. При- мером являются кроны многих деревьев, которые внизу начинают развиваться по принципу роста, а заканчивают по принципу конуса гравитационного - вершиной вверх. Большая прочность и устойчивость высоких сооружений, созданных природой, обусловлены рядом особенностей растений: взаимным расположением в стебле прочных и мягких тканей, спо- собностью работать как на сжатие, так и на растяжение. В стеблях злаков большую роль играют его веретенообразная форма и расположенные на нем узлы, представляющие собой j особо устроенные упругие шарниры-демпферы, и не случайно сильная буря вырывает с корнем деревья и лишь пригибает к земле тонкий стебель злака. В мастерской природы часто встречаются конструкции в виде сводов различных про- странственных форм (скорлупа ореха и яйца, панцири и раковины животных, гладкие листья, лепестки растений и др.). Пространственно изогнутые и тонкостенные оболочки, благодаря непрерывности и плавности формы, ее геометрии, обладают свойством равномерного рас- пределения сил по всему сечению. Идеальную по прочности форму изобрела природа для тонкой (0,3 мм) яичной скорлупы. Скорлупа состоит из 7 слоев, каждый несет свою опреде- ленную функцию. Слои не расслаиваются даже при самых резких изменениях температуры и влажности, представляя собой яркий пример совместимости материалов с различными физико- механическими свойствами. Повышенную прочность яичной скорлупе придает тонкая эластичная пленка, которая превращает скорлупу в конструкцию с предварительным натя- жением. Страус придаёт яичной скорлупе не только нужную форму, но и особую структуру. Скорлупа страусиного яйца представляет собой идеальную оболочку для существования и развития живого организма,. Причем, по своему химическому составу скорлупа страусиных яиц ничем не отличается от скорлупы яиц куриных: это та же самая известь. Напряжение клеточных оболочек, вызванное давлением жидкости в клетках (внутрикле- точным давлением), получило название тургор. Благодаря тургору растения приобретают упругость, происходит активное формообразование в природе, особенно при отсутствии в организме арматурной ткани, как у медуз, гусениц, помидоров, патиссонов. Спираль, представленная на рис. 27, - одна из форм проявления движения, роста и раз- вития жизни. Описывая спираль, вытягиваются стебли растений, двигаясь по спирали, рас- крываются лепестки некоторых цветов, например флоксов, развертываются побеги папорот- ника. В то же время спираль является в природе и сдерживающим началом, направленным на экономию энергии и материала. Изменение формы природной конструкции в виде спирали приводит к устойчивости в пространстве и появлению дополнительной жесткости в конст- рукции. Раковины простейших одноклеточных организмов форманифер и раковины моллю- сков, закрученные в одной или разных плоскостях (турбоспирали), - это также проявление способа достижения наибольшей прочности при экономном расходовании материала. Благо- даря завитой форме такие тонкостенные конструкции выдерживают большое гидродавление при погружении на глубину. Широкое распространение в природе имеют плоские и пространственно-изогнутые реб- ристые, сетчатые и перекрестные (решетчатые) конструкции, в которых основной материал концентрируется по линиям главных напряжений. Тонкий лист растения или прозрачное крылышко насекомого обладают достаточной механической прочностью благодаря разветв- ляющейся в них сетке жилок. Этот каркас выполняет основную - несущую - роль, тогда как другие элементы конструкции, например пленка листа или мембрана крыла, могут достигать минимального сечения. Паутинные нити - самые тонкие линии, которые видит человек невооруженным глазом. Паутина удивительно прочна: она крепче стальной проволоки того же диаметра и настолько эластична, что не рвется, растягиваясь почти на четверть своей длины. Ловчие сети пауков представляют собой большое разнообразие висячих, плетеных сооружений, поскольку каж- дый вид этого животного строит сеть собственной формы и конструкции. Биоформы в художественном конструировании Формы предметной среды создавались человеком сначала на основе подражания формам природы. Любое творение природы представляет собой высокосовершенное произведение, отличающееся поразительной целесообразностью, надежностью, прочностью, экономично- стью расходования строительного-материала при разнообразии форм и конструкций. Не ис- ключено, что среди исчезнувших с лица Земли многочисленных видов животных и растений были и такие, которые могли бы помочь науке решить не одну техническую проблему. По мере познания окружающей среды у человека начало развиваться абстрагированное мышле- ние. Это позволило создавать предметные формы исходя из их назначения и возможностей материалов. Формообразование объектов во многом стало определяться технологическими особенностями их создания, что утвердило свои ритмы организации внешней формы (ритмы кладки деревянных изб, каменных крепостей, кирпичных стен, плетеных поверхностей, вя- заных изделий, ритмы конструктивных швов, соединяющих полотнища тканей). Таким обра- зом, ритмическая организация формы, созданной человеком, есть внешнее проявление внут- ренней структуры, полученной определенным технологическим путем. Природные формы были неиссякаемым источником идей для художников и конструкто- ров, многие из них обладали обширными познаниями в ботанике и черпали вдохновение в мире растений. Цветы, стебли и листья, благодаря своим изогнутым силуэтам, служили творческим источником для формообразования в стиле ар ну во. Наиболее распространенной темой стали бутон (символ появления новой жизни), раковина, волна, пламя, облако, экзоти- ческие растения с длинными стеблями и бледными цветками. Предпочтение отдавалось ли- лиям, кувшинкам, ирисам, орхидеям. Для создания живописного узора стилизовали пальмо- вые листья, водоросли, яркие и грандиозные насекомые, птицы - стрекозы, павлины и лас- точки, змеи и борзые собаки. В большой моде было изображение женского тела, особенно в сочетании с фантастическими завитками и волнами длинных волос, напоминающих языки пламени или океанские волны. 61 Бурный рост технической мысли, начавшийся с середины XX столетия, развитие биоло- гии, кибернетики и других наук привело к взаимосвязи биологических и технических дисци- плин и обусловило развитие нового научного направления- бионики [Воронцова, 1981]. Бионика (от греч. Ыоп - элемент, ячейка жизни) изучает особенности строения жизнедея- тельности организмов для создания новых систем (приборов, механизмов) и совершенство- вания существующих. Бионика занимается изучением аналогий в живой и неживой природе для дальнейшего использования установленных принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов при совершенствовании существующих технических систем, созданием принципиально новых машин, аппаратов, строительных конструкций. Изучая процесс окраски у животных, бионики заимствовали идею изменения цвета в зависи- мости от изменения температуры. Ученым удалось создать особые термометрические краски, с помощью которых легко узнать, как нагреваются во время работы различные детали машин и механизмов. Бионики давно исследуют конструктивные особенности принципов работы оригинальных «живых движителей», отличающихся высокой проходимостью, ма- невренностью, надежностью и экономичностью. На их основе разрабатываются проекты вез- деходных, прыгающих, ползающих и других универсальных средств передвижения. По принципу вакуумной присоски стали делать подъемные краны, стоящие на прижатой к земле стальной чаше, из-под которой откачивают воздух. В основе движения шагающего экскава- тора лежит гидропривод, напоминающий гидропривод пауков. Чтобы не проваливаться при ходьбе, у пингвинов существует оригинальный способ передвижения - на животе, отталки- ваясь крыльями и ластами от снега. Создана снегоходная машина «Пингвин», развивающая скорость по рыхлому снегу до 50 км/час. Первым, кто начал изучать механику полета живых моделей с бионических позиций, был великий Леонардо да Винчи. Он пытался построить летательный аппарат с машущим кры- лом. Идея создания летательного аппарата по принципу полета насекомых - энтомоптера, - зародившаяся в глубокой древности, продолжает оставаться на повестке дня для биоников. В 1923 г. В. Татлин создал уникальную модель летательного аппарата, основанного на прин- ципе действия птичьего крыла и выполненного из дерева, шелка, алюминия, китового уса и других материалов. Автор построил аппарат на принципе использования живых органиче- ских форм. Наблюдения над этими формами привели его к выводу о том, что «наиболее эс- тетичные формы и есть наиболее экономичные. Работа над оформлением материала в этом направлении и есть искусство». Принцип рациональности и функциональности формы, ее соответствие свойствам материала - важная часть татлинской концепции формообразования. Бионика- это наука об использовании знаний о конструкциях и формах, принципах и технологических процессах живой природы в технике и строительстве. Архитектурная био- ника - ветвь бионической науки, исследующая принципы формообразования гармонически сформированных функциональных структур. В строительном искусстве ярче, чем в какой- либо другой сфере деятельности человека, видны первые шаги бионики. Архитектурная бионика не предполагает копирование форм живой природы: в архитектуре используются законы и принципы формообразования наиболее гармонически сформированных функцио- нальных структур в органическом мире. В живой природе структурную организацию формы определяет характер ее функционирования (способ жизни, развития). Финский дизайнер Ал- вар Аалто заметил: «В творениях природы формы возникают из их внутренних конструк- ций». Основой создания природообразных структур является анализ конструктивной целесо- образности форм. Изучение природных форм позволило архитекторам разработать новые типы структур: соединенные по спирали, пружинящие, построенные на шарнирах, соединен- ные по принципу центрально-осевой симметрии, с трансформирующимися конструкциями. Подобного рода объекты несут новые образы, их ритмическая организация одновременно и новая, и столь знакомая становится признаком оригинального дизайна. К этим явлениям сле- дует чутко относиться проектировщику костюма, ибо костюм должен вписываться в окру- жающую, быстро меняющуюся среду. 62 Все изменения формы растений и животных (открывающиеся и закрывающиеся в зави- симости от времени суток лепестки цветов, изменения пространственной формы частей рас- тений в зависимости от света и механических раздражений) носят временный характер и в биологии называются обратимыми движениями, а в архитектонике- трансформациями. Принцип трансформации природных конструкций и систем представляет большой интерес для архитекторов при решении проблемы «движущейся архитектуры». Особое внимание уделяется вопросу создания трансформирующихся сооружений для районов с неустойчивым климатом, требующим автоматически регулируемого покрытия для зданий. На основе исследования конструктивных особенностей принципов работы оригинальных живых моделей, отличающихся высокой маневренностью, надежностью и экономичностью (насекомые, черные морские ежи, ящерицы, пингвины, горные козлы, тигры, леопарды и проч.), разрабатываются проекты вездеходных, прыгающих, ползающих и других универ- сальных средств передвижения. Биомеханика (от греч. bios - жизнь) изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происходящие в них механи- ческие явления (при движении, дыхании и т.д.). Закрученная форма природных конструкций подсказала архитекторам новую форму спи- ралевидной основы здания - турбосомы. Она аэродинамична, любые ветры лишь обтекают ее тело, не раскачивая и не принося никакого вреда. Турбосома может быть использована при строительстве высотных домов. Принцип сопротивляемости конструкции по форме, которая проявляется в складчатых ли- стьях, в закручивающихся в спираль или в трубочку листьях и лепестках растений, прини- мающих другую пространственную форму, нашел широкое применение в современном строительстве. Складчатые конструкции, образованные из плоских поверхностей, просты в изготовлении и в монтаже, они могут перекрывать весьма большие сооружения. Паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких тросах, положив на- чало строительству подвесных мостов. Принципы построения природных конструкций из тонких натянутых нитей, а также конструкций из нитей с натянутыми между ними мембра- нами легли в основу вантовых конструкций. Прототипами для них послужили паутина, пе- репончатые лапы водоплавающих птиц, плавники рыб, крылья летучих мышей. В формооб- разовании современного костюма распространены образные темы, повторяющие прозрач- ность и деликатность строения паутины в трикотажных переплетениях. Тончайшие нити вискозы и шелковой пряжи в структурах и хаотичных рисунках, полученных на основе спу- щенных петель, - идеальные переплетения для вечерней одежды. Металлизированная пряжа с эффектом ржавчины и окисления позволяет создать ощущение каркаса - структуры, суще- ствующей как бы отдельно от тела и создающей объемные скульптурные силуэты. Трикотаж, напоминающий кокон, создают из веревок и лент, как бы обвязанных или оплетенных вокруг тела. С одной стороны, он защищает, а с другой - ограничивает подвижность. Байтовые конструкции являются наиболее эффективным решением для покрытия зданий с большим пролетом - висячие покрытия. Заинтересовал архитекторов и принцип конструкции листьев растений: лист обладает достаточной механической прочностью, которая в зна- чительной степени зависит от жилок, пронизывающих его плоскость от основания до вер- хушки. Взяв за основание жилкование листа тропического растения Виктории регии, италь- янский архитектор П. Нерви сконструировал плоское ребристое покрытие фабрики Гатти в Риме и покрытие большого зала Туринской выставки, добившись большого конструктивного и эстетического эффекта. Используется в архитектурной практике и принцип построения пространственно-решетчатых систем: радиолярий, диатомовых водорослей, некоторых гри- бов, раковин, даже микроструктуры головки тазобедренной кости, которая никогда не рабо- тает на излом, а только на сжатие и растяжение. Подобная система может быть использована в конструировании опорных рам, ферм, подъемных кранов. Ученые обнаружили, что распре- деление силовых линий в конструкциях Эйфелевой башни и в берцовой кости человека идентично, хотя инженер не пользовался живыми моделями. Известный математик- конструктор Ле-Реколе установил, что прочность биологической конструкции скелета за- 63 ключается в соответствующем расположении в материале не плоскостей, а пустых про- странств, то есть обрамлений отверстий, соединяемых различным образом. На основе конст- руктивного изучения структуры костей и других природных моделей родился в архитектуре принцип дырчатых конструкций, положивший начало разработке новых пространственных систем. Так французские инженеры использовали принцип дырчатых конструкций при строительстве моста в виде внешнего скелета морской звезды. Перфорация, плетение, сетки и другие конструкции, способные создавать легкие пружинящие поверхности, активно ис- пользуются дизайнерами в мебельном производстве. Ажурность сетчатых конструкций при- меняется как художественное средство. Архитекторы в своем творчестве нередко используют принцип конуса. Так, в конструкции Останкинской телебашни отчетливо виден конус гравитации. На основе принципов построе- ния природных высотных конструкций строители проектируют высотные здания нового типа - типа стволовой констрз^кции. По принципу строения стебля пшеницы разработан проект высотного здания, у которого основание более узкое, чем средняя часть. Упругие демпферы, разделяющие здание по высоте на несколько элементов, снижают силу ветрового напора и сокращают нагрузку на основание. Стебель бамбука при значительной высоте и предельно малом диаметре имеет абсолют- ную устойчивость. Ряд соединенных полых элементов трубчатого сечения делают эту конст- рукцию легкой, утолщения и мембраны в местах соединений обеспечивают ее прочность. Эта оригинальная, созданная природой конструкция стала прообразом современных теле- скопических антенн, спиннингов, настольных ламп. С развитием городов и ростом населения перед строителями встала задача проектирова- ния значительных по объему и размеру зданий без тяжелых трудоемких покрытий и проме- жуточных опор. Поэтому легкие и прочные, тонкостенные и экономичные природные конст- рукции заинтересовали архитекторов. Принцип конструкции этих оболочек лег в основу соз- дания легких, большепролетных стальных и железобетонных покрытий различной кривизны, которые нашли широкое применение при строительстве спортивных комплексов, кинотеат- ров, выставочных павильонов и т.д. В современных постройках толщина купола измеряется миллиметрами, и получали такие купола название оболочек-скорлуп. Скорлупа страусиного яйца обладает особой микроструктурой, допускает газообмен содержимого яйца с внешней средой, однако не пропускает внутрь микроорганизмы и молекулы веществ, своими разме- рами превышающие молекулу кислорода. Задача бионики состоит в имитировании свойств скорлупы страусиных яиц - этой природной упаковки - техническими средствами, используя имеющиеся технические возможности, сконструировать некую слоистую структуру, которая даёт такой же физический эффект, как природная скорлупа. Принцип тургора живых моделей привел к появлению в архитектуре совершенно новой области строительной техники - созданию пневматически напряженных конструкций. Пнев- матическое напряжение, создаваемое избыточным давлением газа или жидкости, обеспечи- вает гибкой герметичной оболочке несущую способность и устойчивость при любых видах нагрузок. Важнейшими преимуществами надувных систем являются экономичность, малый вес, транспортабельность, компактность, быстрота монтажа, поэтому принцип тургора полу- чил сейчас широкое применение особенно при сооружении временных построек: выставоч- ных и ярмарочных павильонов, спортивных залов, туристических лагерей, овощехранилищ и пр. Наиболее распространенными формами надувных построек пока являются цилиндриче- ский свод и сферический купол, хотя принцип тургора допускает огромное разнообразие пневматических конструкций. Современные компьютерные технологии и программы позволяют моделировать и про- считывать воздушные потоки в помещениях и зданиях любой конфигурации. Однако когда речь заходит о поиске действительно новаторской идеи, то на неё инженеров гораздо чаще наталкивает всё же не компьютер, а живая природа. При возведении здания техникума в Санкт-Августине под Бонном Кёльнское объединение инженеров-строителей разработало необычную конструкцию вентиляционно-отопительной системы, идея которой позаимство- 64 вана у термитов. Прежде чем попасть в аудитории, воздух проходит по подземному воздухо- воду длиной в 150 метров: зимой такое техническое решение обеспечивает нагрев, а летом - охлаждение поступающего внутрь здания воздуха, делая в значительной мере излишними кондиционеры. Принцип построения живых конструкций и унифицированных элементов используется строителями при возведении секционных домов из однотипных элементов. Конструкция пчелиных сот легла в основу изготовления панелей для строительства жилых зданий, однако в дальнейшем, с целью экономии материала, конструкторы стали собирать панели из одного элемента - треугольника с продленными сторонами. При сборке получается сотовая конст- рукция, но без двойных стенок. Весьма успешно используют принцип пчелиных построек и гидростроители - при возведении плотин, шлюзов и других гидросооружений они применя- ют сотовые каркасы. Природное сырье и биотехнологии в производстве текстиля Вся одежда минувших веков вплоть до начала XX столетия изготавливалась исключи- тельно из шерстяных и растительных волокон, которыми одаривала людей природа. Челове- честву известны десятки растений, из которых можно получать ткани: хлопок, лен, пенька, джут, рами, кенаф, абака, кендырь, сизаль, манила и другие. Одним из первых растений, ко- торое использовалось для получения одежных материалов, была обыкновенная крапива. Она стала удобным и дешевым сырьем для изготовления грубой ткани, мешковины, рыболовных снастей, веревок, канатов. Дикорастущей крапивы было в избытке. Вплоть до XVII века в Центральной Европе под крапиву отводились большие площади обрабатываемой земли. Впоследствии крапиву потеснили лен, шерстяное, шелковое сырье и пенька. Волокнистые стебли крапивы пригодны для изготовления бумаги и некоторых видов ткани. В Непале рас- сматривается вопрос о промышленном освоении практически неисчерпаемых зарослей кра- пивы, которая в предгорьях Гималаев достигает трехметровой высоты и произрастает целы- ми полями. Центральное швейцарское ведомство по овощеводству признало крапиву куль- турным растением и рекомендовало ее для массового возделывания. Крапива издавна при- меняется в народной медицине, благодаря содержащемуся в ней большому числу целебных веществ. Из ее листьев можно получить натуральный краситель, а семена используются в парфюмерии. Высокая урожайность крапивы и ее неистребимая живучесть позволяет уче- ным видеть в ней источник получения белка в будущем [Клюев, Чистоклет, 1987]. По дан- ным производителей (Германия), ткани из крапивы выглядят как льняные, блестят как шел- ковые, обладают теплозащитными свойствами как шерстяные [Бузов, Алыменкова, 2004]. Из существующих видов целлюлозных волокон наиболее распространенными для произ- водства одежды в нашей стране являются хлопковые и льняные волокна. Хлопковые волокна покрывают поверхность семян однолетнего растения хлопчатника. Для получения льняного волокна выращивают специальный вид льна - лен-долгунец, представляющий собой одно- летнее травянистое растение. По сравнению с хлопком в волокне льна содержится большое количество сопутствующих веществ: присутствие лигнина в составе волокон придает им же- сткость, хрупкость и ломкость. При действии светопогоды активизируется процесс окисле- ния целлюлозы кислородом воздуха, что приводит к снижению механических свойств (проч- ности, удлинения), повышению жесткости и хрупкости волокон. При обработке 20%-м рас- твором щелочи целлюлозные волокна набухают, распрямляются, сопутствующие низкомо- лекулярные соединения частично разрушаются, в результате чего повышается прочность во- локон, увеличивается их блеск, улучшается способность к окрашиванию и т.п. Подобная об- работка используется при мерсеризации хлопчатобумажных тканей. Для получения текстильных материалов используют шерсть различных животных, чаще всего в смеси с овечьей шерстью. Шерстяное волокно изготавливают из шерсти, т.е. волося- ного покрова животных: овец, коз, верблюдов и др. Наиболее широкое применение в произ- водстве текстильных материалов получила шерсть овец. Верблюжья шерсть имеет пуховые во- 65 локна длиной 60-70 мм, альпака - шерсть ламы из семейства верблюдовых - тонкое, прочное, мягкое и блестящее волокно. Кашемир - шерсть кашмирских коз, получаемая вычесыванием, - очень тонкое и длинное (до 450 мм) волокно. Мохер (могер, тифтик) - шерсть ангорской козы - представляет собой тонкое, длинное (150-200 мм), мало извитое и блестящее волокно. Ангора - пух ангорского кролика - мягкое, тонкое, водостойкое и молеустойчивое волокно. Шелковое волокно - продукт выделения особых шелкоотделительных желез некоторых насекомых. Промышленное значение имеет шелк, получаемый от гусениц тутового шелко- пряда. В период выкармливания гусениц листьями тутового дерева в их теле совершается белковый обмен. Под воздействием ферментов пищеварительного сока белки, содержащиеся в листьях тутового дерева, распадаются на отдельные аминокислоты, которые усваиваются клетками организма гусеницы. Помимо этого в организме происходят синтез аминокислот и перестройка их молекул, т.е. превращение одних аминокислот в другие, В результате к мо- менту окукливания в теле гусеницы накапливается жидкое вещество с полным набором раз- личных аминокислот, необходимых для создания основного высокомолекулярного соедине- ния натурального шелка - фиброина и шелкового клея - серицина. Шелк особо чувствителен к действию светопогоды. Например, после 200-часовой экспозиции в летнее время волокно шелка теряет 50% первоначальной прочности- значительно больше, чем другие волокна. Шелк становится хрупким, менее эластичным и более гигроскопичным. Волокна животного происхождения (шерстяное и шелковое) состоят из белков - природ- ных высокомолекулярных соединений, к которым относятся кератин (в шерсти), фиброин и серицин (в шелке). Макоромолекулы белков натуральных волокон имеют сложную форму <х- спирали. При внешних воздействиях а-спирали макромолекул могут распрямляться на от- дельных участках и переходить в р-спирали. Белковые волокна неустойчивы к действию да- же слабых растворов щелочи, но выдерживают действие слабых растворов минеральных ки- слот и более сильных - органических - без заметных изменений свойств. В состав шерсти помимо кератина (90 %) входит некоторое количество минеральных и жировосковых ве- ществ, пигмента и межклеточного вещества. Волокно шерсти имеет довольно сложное мно- гоклеточное строение. Каждая чешуйка наружного слоя волокна покрыта тонким слоем, со- стоящим из хитина, воска и других веществ, обладающих большой устойчивостью к кисло- там, хлору и другим реактивам. Неоднородное строение основного слоя волокна обусловли- вает его природную извитость. Наличие сердцевидного срединного слоя повышает толщину и жесткость волокна. По характеру строения шерстяные волокна подразделяются на четыре типа: пух - тонкое, короткое, сильно извитое волокно; переходный волос - более толстое; ость - еще более толстое, жесткое волокно; мертвый волос - толстое, грубое малопрочное волокно. Однородная шерсть содержит преимущественно волокна одного типа и подразде- ляется на тонкую, полутонкую, полугрубую. Тонкую и полутонкую шерсть используют в производстве тонких костюмных и платьевых тканей, высококачественного трикотажа. Не- однородная шерсть состоит из всех типов волокон. Неоднородную грубую шерсть применя- ют при изготовлении грубосуконных тканей, войлока, валенок и т.п. Однако природа не может дать текстильные материалы, отвечающие современным за- просам наз'ки, техники, производства. Из древесины ели, сосны, пихты, бука, хлопкового пу- ха получают природную целлюлозу, служащую сырьем для производства гидратцеллюлоз- ных искусственных волокон. По химическому составу гидратцеллюлоза аналогична природ- ной целлюлозе, однако существенно отличается от нее своей физической структурой. Вис- козные волокна обладают высокой гигроскопичностью, светостойкостью, мягкостью и стой- костью к истиранию. Однако им свойственен и ряд недостатков, связанных с неоднородной, рыхлой и мало упорядоченной структурой. При увлажнении волокна сильно набухают, что приводит к повышенной усадке текстильных материалов, значительно теряют прочность при растяжении (до 50 %) и устойчивость к истиранию. В нашей стране выпускают высокомо- дульное вискозное волокно сиблон, которое имеет прочность в нормальных условиях в 1,6 раза выше, чем прочность обычного вискозного волокна, а в мокром состоянии - в 2 раза 66 выше. Сиблон применяется как заменитель средневолокнистого хлопка, в смеси с хлопковыми и синтетическими волокнами и в чистом виде. Тысяча метров тончайшего сиблона весит ОДЗ грамма, и его в самых разных пропорциях можно смешивать с тонковолокнистым хлопком. Искусственные и синтетические волокна дополняют натуральные, придают им такие свойства, которыми природные материалы не обладают. Если в шерсть добавить не более 10% капрона, то это создаст совершенно новую гамму свойств. Профилированные волокна капрона усиливают цепкость и шерстоподобность ткани, снижают ее вес за счет полых воло- кон. Удлиненные волокна нитрона после тепловой обработки усаживаются и структура их копирует натуральные шерстяные волокна, в результате пряжа становится пушистой. Если в шерстяную пряжу добавить даже более половины нитрона, внешний вид ткани останется не- изменным. К шерстяному волокну, состоящему из полимерных молекул, созданных приро- дой, можно прирастить др)тие молекулы, и ткань приобретает новые, необычные для нее свойства. В частности, перестает садиться. После воздействия токов высокой частоты шер- стяные волокна практически теряют способность наэлектризовываться. Обработав шерстя- ную пряжу инфракрасными лучами, можно значительно улучшить ее физико-механические свойства, снизить обрывность, что поднимает производительность труда в ткачестве. На основе биотехнологии ученые разработали несколько способов получения искусст- венных волокон, которые по своим свойствам мало отличаются от натуральных. К свойствам натуральной шерсти вплотную приблизилось биоПАНволокно. В процессе производства это синтетическое полиакрилонитрильное волокно обрабатывается специальной биомассой из особых микроорганизмов. Проделав разрушительно-созидательную работу, бактерии выдают почти готовый к употреблению продукт, заменяющий шерсть. Дессинаторы, разрабатывающие новые структуры тканей и трикотажных полотен, пред- ложили технологию получения тонких и легких изделий. Переплетение натуральной и син- тетической нитей в изделиях рассчитывается таким образом, что внутренняя, прилегающая к телу поверхность изделия хлопчатобумажная, а внешняя - эластичная. Квадратный метр та- кого полотна более чем на треть легче обычного, что позволяет значительно снизить мате- риалоемкость производства. Приверженцы бионики пытаются скопировать природные «технологии» получения мно- гих веществ, засекреченных бесконечно долгой эволюцией развития органической жизни. Обычная паутина обладает необыкновенно высокой прочностью и эластичностью и состоит из протеинов. Биологи нашли гены, ответственные за процесс протеинового синтеза в насе- комых. Они пытаются привить их клеткам дрожжевых микроорганизмов методами генетиче- ской инженерии. Кроме пауков, «плести» волокна могут микроскопические грибки плесени. Размножаясь на отходах хлопкового производства, они начинают синтезировать ферменты, расщепляющие целлюлозу. С помощью генетических ухищрений биотехнологии отходы хлопка смогут превратиться в ткани. Химические волокна вытесняют натуральные: с конца 50-х годов XX века натиск руко- творного текстильного сырья остановил рост мирового производства льна, шерсти, шелка. Технология получения армированных волокон, повышающая их прочность в 1,5-2 раза, по- зволила внедрить новый способ в самые передовые области техники и производства. Напри- мер, светопроводящие синтетические волокна заменяют хрупкие стеклянные световоды в волоконной оптике, с которой связано будущее кибернетических машин и информационных систем. Производство армированных ниток, представляющих синтетический полиэфирный стержень, снаружи оплетенный хлопком, имеет широкое применение в швейном и обувном деле. У армированных нитей много достоинств: им не страшны бактерии, плесень, коварные перемены погоды; они устойчивы к агрессивным кислотам (серной и уксусной), щелочам, бензину, машинному маслу. На основе углеродного элемента карбина создано волокно витлан, применяемое в вос- становительной хирургии. Способность выделять тепло при прохождении через витлан элек- трического тока используется при создании костюмов с электроподогревом. Теплозащитные материалы используются в космической промышленности. Углеродное волокно успешно 67 применяется в фильтрах для очистки лекарств и донорской крови, для защиты органов дыха- ния. Материалы из огнестойкого волокна не боятся мороза вплоть до температуры жидкого азота. Армированные таким волокном резина и стеклопластики могут надежно работать и в космической среде, и в реакторах с резким перепадом температур. Это пока единственный в своем роде синтетический рекордсмен, который наряду с высокой термостойкостью сохра- няет прочность и эластичность под длительным радиационным и ультрафиолетовым облуче- нием. Такой уникальный набор достоинств дает сверхстойкому полимеру право занять одно из почетных мест в наиболее перспективных областях науки, техники и производства. При проектировании структуры волокон очень помогло изучение природы. Структура натуральных волокон позволяет им выполнять определенные функции в пределах живого организма, поэтому, копируя структуру натуральных волокон, можно достичь высокой функциональности и эстетики химического волокна. Чтобы производить синтетику с качест- вами шелка, необходимо объединить усилия ученых и технологов. Это может быть достиг- . нуто за счет разнообразных новых технологических решений, широко применяемых в на- стоящее время. Особенностями шелка, которые копируются в синтетических волокнах, и мето- дами, используемыми для их достижения, являются: блеск - достигается треугольной формой поперечного сечения; драпируемость - обеспечивается снижением давления в местах контакта нитей за счет снижения веса; мягкость- обеспечивается применением улътратонких волокон; объемность - формируется за счет смешанного ткачества и комбинирования обычных волокон с высокорастяжимыми нитями; шелестящий звук- является следствием нерегулярной формы и микроуглублений; натуралоподобный внешний вид - обеспечивается комбинированием различ- ных толщин и форм поперечного сечения и комбинированием нитей и волокон. Для копирования извитости шерсти волокнам полиэстера придается дополнительная извитость за счет ис- пользования технологии ложного кручения при максимальном использовании их термопла- стических свойств. Для этих целей был разработан процесс получения из волокон полиэстера крученой пряжи, подобной шерстяной, путем формирования микропетель за счет текстурирова- ния или за счет получения пушистой поверхности путем местного утолщения. Наиболее трудная задача состояла в том, чтобы достичь противоположных характеристик шерсти, а именно: мяг- кости и упругости одновременно. Это было достигнуто за счет совместного применения двух приемов: ложного кручения и использования нитей с различным удлинением. Способность к водопоглощению, которая делает хлопок столь привлекательным в теплом и жарком климате, является результатом наличия в его структуре микропор и полостей. Имитация структуры хлоп- кового волокна позволяет достичь в синтетике таких свойств, как способность к поглощению жидкостей за счет модификации поперечного сечения и повышенной пористости волокна и теп- лозащитных свойств за счет высокой степени сохранения тепла в полой нити. Однако синтетика не может полностью заменить хлопок, в связи с чем разрабатываются новые искусственные цел- люлозные волокна. Примером таких волокон являются волокна, известные под маркой Lyocel, которые сочетают положительные свойства хлопка и синтетического волокна. Химические волокна обладают многими особенностями свойств, не присущими нату- ральным волокнам. К таким свойствам относятся: одновременная способность к поглощению влаги и водоупорность; электропроводимость; антибактериальные и аромопрофилакти- ческие свойства; устойчивость к действию ультрафиолетовых излучений; антимикробные свойства; очень малый вес [New fibers]. Некоторые высокомолекулярные соединения можно наполнить лекарственными вещества- ми. Сделанные из таких волокон (биолана, иодина, летулана) ткани будут' защищать живой ор- ганизм от болезнетворных микробов. Многие медики облачены в халаты и костюмы из специ- альной антимикробной ткани. Она соткана из ионообменных волокон. В перспективе - создание лечебных видов тканей и полотен, где лекарственные вещества будут оказывать целительное действие на определенные участки кожи человека или на весь организм в целом. 68 Одним из последних достижений в области технологии получения текстильных материа- лов из химических волокон является материал Shin-gosen, который может быть определен как одежный материал, отвечающий различным вкусам и назначению, благодаря сочетанию свойств синтетических и натуральных волокон. Разработка данного материала - это резуль- тат применения целого ряда новых комбинированных текстильных и других технологий, на- правленных на создание материалов, способных удовлетворить различные эстетические тре- бования. Материал Shin-gosen нельзя отнести к ранее известным химическим материалам, таким как нейлон и полиэстер. Это новая категория волокнистого материала, в основе произ- водства которого лежат как уже известные технологии, так и вновь разработанные. Наиболее широко при производстве данного материала применяется смешанное прядение в сочетании с поверхностной обработкой. Смешанное прядение волокон с различными уровнями усадки придает материалам объемность. Применение ложной крутки в сочетании с использованием прядения филаментных нитей с различными уровнями удлинения обеспечивает получение шерстоподобной поверхности материала. Такие материалы отличаются высоким качеством, хорошей драпируемостью, большим разнообразием, которые не могут быть достигнуты в материалах из обычных волокон и нитей. Технология получения материала Shin-gosen по- зволяет получать материал с различным туше. Компания Nisshinbo разработала ряд новых изделий, которые выглядят так, как будто бы сделаны вручную, путем применения 1/f колебаний процесса прядения, ткачества или вяза- ния. Такие колебания широко распространены в природе, например в дуновении ветерка или ропоте ручья, и дают чувство умиротворения. 1/f колебания могут быть названы ритмом природы. Они широко наблюдаются в природных явлениях и дают нам чувство расслабле- ния. В общем, природные явления и натуральные материалы имеют нерегулярности, которые приятны или неприятны для нас в зависимости от их состояния. Типичная природная нере- гулярность напоминает нерегулярную волну, не имеющую каких-либо закономерностей. Тем не менее, анализируя такие нерегулярности, можно установить, что они являются результа- том: комбинации простых элементарных волн. Когда мы наблюдаем длину элементарных волн в диапазоне из частот, определенные природные нерегулярности дают обратную про- порциональную зависимость между длиной волны и частотой. Такие нерегулярности назва- ны 1/f колебаниями. Присутствие 1/f колебаний в природных явлениях дают не только рас- слабление, но и создают ощущение красоты. Таким образом, они не только являются универ- сальным ритмом природы, но и тесно связаны с комфортом и красотой. Компания Nisshinbo применила понятие 1/f колебаний к пряжам и текстилю и разработала процесс образования пряжи с 1/f колебанием при помощи специальной системы прядения, которая может управ- лять конструкцией объекта. Эта пряжа сделана промышленным способом, но выглядит так, как будто сделана вручную. Такая пряжа используется в производстве носовых платков, за- навесок, джинсовых тканей и т.п. Эти изделия имеют неоднородную поверхность и создают- ся для того, чтобы позволить нам расслабиться. До настоящего времени однородная поверх- ность была наиболее важным требованием качества в промышленном изделии, поэтому идея производить шероховатые изделия с природной нерегулярностью промышленным путем яв- ляется новой и революционной. Разработаны текстильные материалы, способные изменять свой цвет в зависимости от условий окружающей среды (материалы-хамелеоны), а также обладающие радужной пере- ливчатой поверхностью. Существуют технологии получения материалов-хамелеонов на ос- нове применения явлений фотохроизма (изменение цвета под воздействием света), термо- хроизма (изменение цвета под воздействием температуры), влагохроизма (изменение цвета под воздействием влажности). Получение подобного эффекта достигается методом печати или путем применения фотохромных материалов. Разработан термохромный одежный мате- риал Sway путем включения в структуру микрокапсул, содержащих теплочувствительные красители. Микрокапсулы равномерно наносятся на поверхность материала и покрываются сверху полиуретановой смолой. Они сделаны из стекла и содержат краситель, который реа- гирует на температуру, и в зависимости от этого окрашивается или обесцвечивается. Sway - 69 многоцветный материал, включающий 4 основных цвета и 64 цветовых комбинации, кото- рые изменяются при изменении температуры не более чем на 5°С. Компанией Kanebo Ltd разработан материал Comik-relief с печатным рисунком из микрокапсул, содержащих фото- хромный материал, который первоначально бесцветен, но под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны 350-400 мкм может менять цвет от светло-голубого до темно- синего. В природе существует множество элементов, которые могут быть использованы при соз- дании цвета, например оболочка жемчуга, перья павлина, бразильская бабочка Морфо-ала, которые изменяют цвет при изменении угла падения света. Оболочка жемчуга имеет много- слойную структуру, а призматические перья павлина изменяют цвет благодаря решетчатой структуре, состоящей из тонких пластин меланина. Морфо-ала проявляет металлический ко- бальтовый синий цвет вследствие параллельного расположения канавок, образуемых чешуй- ками, расположенными в виде лестницы. Профессор К. Мацумото разработал многослойную светоотражающую флуоресцирующую пленку, которая наносится в виде дополнительного слоя на волокноподобные пленки, толщиной 0,2-0,5 мкм, используя технологию изготовле- ния металлизированных нитей. При этом волокно принимает заданный оттенок и может приобретать переливчатую (радужную) окраску. Нить, скрученная из таких волокон, приоб- ретает различные оттенки благодаря интерференции падающего света. Сегодня такие радуж- ные переливчатые нити широко применяются в производстве различных текстильных мате- риалов и являются еще одним достижением человечества, полученным на основе изучения природных явлений. Контрольные вопросы 1. Примеры формообразования в природе. 2. Законы распознавания структуры биоформы. 3. Принципы пластической взаимосвязи элементов биоформы. 4. Примеры тектонических систем биоформ. 5. Свойства натуральных текстильных волокон, влияющие на тектоническое решение формы. / 6. Ошовные методы дизайнерской бионики. 7. Примеры структурного формообразования животных, насекомых, растений, которые являются прообразами предметных структур. 8/ Геометрическая «унификация» в природе. 9. Природные аналоги для разработки комбинаторного элемента. 10. Симметричные образования в природе. |