Курс дисциплины Архитектоника объемных форм направлен на изучение структуры системы формообразования, выявление закономерностей ее целостности и гармоничности с помощью теоретического анализа и практических приемов
 Скачать 4.41 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 попринципу 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 различных 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 техни- ки, 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 60 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 иг- рают его веретенообразная форма и расположенные на нем узлы, представляющие собой особо устроенные упругие шарниры-демпферы, и не случайно сильная буря вырывает с кор- нем 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 физи- ко-механическими свойствами. Повышенную прочность яичной скорлупе придает тонкая эластичная пленка, которая превращает скорлупу в конструкцию с предварительным натя- жением. Страус придаѐт 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. Рис. 27. Изменение формы природной конструкции в виде спирали раковины моллюсков 61 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 нуво. 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. 62 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. bion – 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 крас- ки, 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. 63 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. Вантовые конструкции являются наиболее эффективным решением для покрытия зданий с большим пролетом – висячие покрытия. Заинтересовал архитекторов и принцип конструк- ции 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- 64 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 ти- па – типа стволовой конструкции. 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 даѐт 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 неѐ инженеров гораздо чаще наталкивает всѐ же не компьютер, а живая природа. При возведении здания техникума в Санкт-Августине под Бонном Кѐльнское объединение инженеров-строителей разработало необычную конструкцию вентиляционно-отопительной системы, идея которой позаимство- 65 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- 66 локна длиной 60–70 мм, альпака – шерсть ламы из семейства верблюдовых – тонкое, проч- ное, мягкое и блестящее волокно. Кашемир – шерсть кашмирских коз, получаемая вычесы- ванием, – очень тонкое и длинное (до 450 мм) волокно. Мохер (могер, тифтик) – шерсть ан- горской 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 α- спирали. При внешних воздействиях α-спирали макромолекул могут распрямляться на от- дельных участках и переходить в β-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 науки, 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 67 выше. Сиблон применяется как заменитель средневолокнистого хлопка, в смеси с хлопковыми и синтетическими волокнами и в чистом виде. Тысяча метров тончайшего сиблона весит 0,13 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 другие 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 68 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 ультратонких 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 копирова- ния 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 поглоще- нию 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. 69 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 – 70 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. Основные 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. |