Konstrukcje tensegrity w naturze

Konstrukcje tensegrity w naturze
Magdalena Górska
Anna Drozd
Łukasz Wróblewski
Opiekun naukowy i opiekun Koła:
prof. nadzw. PWr
dr hab. Janusz Rębielak
Strukturalne Koło Naukowe
Wydział Architektury
Politechniki Wrocławskiej
1. STRESZCZENIE
Praca próbuje przybliżyć zagadnienia związane z konstrukcjami
natury i ich cięgnowym charakterze, oraz ich porównaniu z współczesnymi
konstrukcjami. Opierając się na pracach Ingbera oraz innych wybitnych
teoretyków poszukujemy odpowiedzi na pytanie,
Rys.1 cytoszkielet
( Donald E. Ingber)
jak działają siły w
obrębie komórki oraz w skali mikrokosmosu, jakie rządzą nimi prawa i
jak tą wiedzę można wykorzystać w projektowaniu.
2. WSTĘP
Natura tworzy swoje konstrukcje i formy w procesie ewolucji przez miliardy lat. Ludzka
myśl trwa nieporównywalnie krócej.
„TENSEGRITY to „wyspy” elementów ściskanych w „morzu” elementów rozciąganych” R.B. Fuller
Konstrukcje te to konstrukcje złożone z prętów ściskanych i rozciąganych cięgien, w których
pojedyncze elementy ściskane są połączone wyłącznie z elementami rozciąganymi. Całość tej
struktury opiera się na prostych układach bryłowych. Tworząc bryłowe modele niektórych struktur,
również dynamiczne, staramy się wyjaśnić zasady działania sił w tego typu konstrukcjach. Praca
ta stara się przybliżyć problematykę szerszego zjawiska jakim jest TENSEGRITY i stanowi
zarazem wstępem do dalszych poszukiwań.
„TENSEGRITY to „wyspy” elementów ściskanych w „morzu” elementów
rozciąganych”
R. .B. Fuller
Konstrukcje typu TENSEGRITY to konstrukcje złożone z prostych
prętów i cięgien. Pręty są wyłącznie ściskane, a cięgna wyłącznie rozciągane.
Model prostej konstrukcji
tensegrity wykonanej
przez Strukturalne Koło
Naukowe
Pręty w żadnym miejscu się nie łączą, są w przestrzeni powiązane jedynie za
pomocą cięgien. Siły rozciągające w takich konstrukcjach są przenoszone po
najkrótszych
możliwych drogach, dzięki temu konstrukcje tensegralne
wykorzystują maksymalnie wytrzymałość danego materiału, przy jego minimalnym zużyciu.
Konstrukcje oparte na zasadzie tensegralności zachowują mechaniczną stabilność dzięki
wstępnemu napięciu struktury. Nie jest to jednak spowodowane wytrzymałością poszczególnych
składników, ale ich powiązaniami, w którym mechaniczne naprężenia są rozdzielone i
zrównoważone w całym układzie. Naprężenia w tych konstrukcjach są w ciągły sposób
przenoszone przez wszystkie ich elementy budulcowe. Wzrost naprężenia w jednym z elementów,
powoduje wzrost naprężenia w innych, nawet w tych które znajdują się po przeciwnej stronie
struktury. Ogólny przyrost naprężeń rozciągających jest równoważony przyrostem naprężeń
ściskających w niektórych elementach. W ten sposób struktura ulega samo stabilizacji, co jest
charakterystyczną cechą tej konstrukcji.
Natura tworzy swoje konstrukcje i formy od miliardów lat. W
laboratorium ewolucji powstały niesamowite formy i struktury materii. Ludzka
myśl trwa nieporównywalnie krócej, nie może więc konkurować z naturą. W
1948 roku, artysta Kenneth Snelson po raz pierwszy zaprezentował samonośną
strukturę prętowo-cięgnową (tensegrity), której zasada działania widoczna jest
w tworach natury. Samego słowa „tensegrity” (skrót od pojęcia "tensional
integrity"), po raz pierwszy użył konstruktor Buckminster Fuller, który również
opracował patent struktury tego typu. Mimo, że za początek właściwej
konstrukcji tensegralnej uważa się samo odkrycie Snelsona, to jeszcze przed
nim Fuller wiele razy stosował elementy o cechach tensegrity w swoich
Needle Tower,
Kenneth Snelson
Washington,
projektach i w pracy badawczej, i to właśnie jego opracowania stały się
inspiracją dla przyszłych osiągnięć Snelsona.
Rzeźby Snelsona wzbudzają zainteresowanie każdego obserwatora, nawet nie związanego z
światem architektury i sił konstrukcyjnych.
Jego struktury przestrzenne zdają się wisieć w
powietrzu podtrzymywane przez jakąś magiczną siłę, sprawiają wrażenie jakby zaraz miały się
zawalić. Nic bardziej mylnego- są to eleganckie ale bardzo stabilne konstrukcje, wykorzystujące w
naturalny sposób prawa fizyki.. W takiej strukturze sztywne pręty przenoszące naprężenia
ściskające rozciągają, czyli napinają elastyczne elementy, podczas gdy te z kolei ściskają w
odpowiedzi sztywne rozpory. Te przeciwstawne siły, których wpływy równoważą się w obrębie
struktury, są właśnie odpowiedzialne za jej równowagę. Elastyczne połączenia pojedynczych
składników konstrukcji tensegrity sprawiają, że duże siły przyłożone do tego typu obiektu nie
działają już jak siły przyłożone punktowo, ale obciążenia rozkładają się równomiernie na całości
konstrukcji.
3. OD NAJMNIEJSZEJ SKALI CZYLI SAMOSKŁADANIE
Teoria samoskładania dotyczy tensegrity w najmniejszej skali, skali
atomu. Wyprowadzona przez Donald’a E. Ingber’a opiera się na tezie, wg
której cała materia podlega tym samym prawom fizyki i tym samym
ograniczeniom przestrzennym bez względu na skalę. Dotyczy to zarówno
sposobu łączenia się cząsteczek organicznych w organella, komórek w
Rys.2 Model atomu
opracowany przez
Kennetha Snelsona
tkanki, oraz powstawania i łączenia się atomów w związki chemiczne.
Wielu naukowców stara się obecnie dowieść, że w procesie ewolucji
natura wybrała najbardziej wyrafinowany, a jednocześnie najprostszy i
najbardziej wydajny sposób budowania, jakim jest właśnie tensegrity. Według tej teorii,
zachowanie równowagi między elementami ściskanymi i rozciąganymi warunkuje budowę i
poprawne funkcjonowanie zarówno organizmów żywych jak i związków nieorganicznych, a nawet
budowę wszelkiej materii we wszechświecie.
Kenneth Snelson opracował własny model tensegralnej budowy atomu (Rys. 2 i 3). Przyjął
za punkt wyjścia teorię dualności korpuskularno-falowej atomu (matter-wave). Wyprowadził
hipotezę, wg której orbita elektronu o właściwościach zarówno materii jak i fali ma tę własność, że
zajmuje na wyłączność określoną przestrzeń. Oznacza to, że cała droga, jaką przebywa elektron
może naciskać i ograniczać przestrzeń innych elektronów wewnątrz atomu tak, jak dzieje się to w
relacji między całymi atomami. Wychodząc z tego założenia można zacząć rozumieć atom jako
elektromagnetyczny i mechaniczny obiekt, w którym całość jest stabilizowana poprzez równowagę
sił wzajemnego przyciągania i odpychania się orbit elektronowych i jądra atomu.
Rys.4 Model atom u
Rys.3 Opracowanie: Kenneth Snelson
Oczywiście teoria ta jest jedynie nie udowodnioną do tej pory próbą opisania pewnych dotąd
jeszcze niewytłumaczonych zjawisk. Jednak cechy takiego obrazu atomu są bliskie tym, których
byśmy oczekiwali od niego, jako działającego obiektu o wszystkich tych niesamowitych
właściwościach jakie rzeczywisty atom posiada. Musi odbijać i pochłaniać światło. Musi
pozostawać stabilny i opierać się dużym obciążeniom. Zbierać i organizować elektrony i powłoki
wokół jądra. W tej teorii korzysta ze wszystkich własności elektrycznych, dynamicznych i
magnetycznych sił w swej strukturze. Może przyłączać się do innych atomów tworząc cząsteczki i
kryształy ze znakomitą wirtuozerią. I mimo, że elektrony znajdują się w szybkim i nieustannym
ruchu, mogą pozostawać nawet mikro cząsteczką skały po wieczność.
Dotychczasowe badania zdają się potwierdzać tensegralną teorię zarówno w skali
molekularnej, jak i makroskopowej, oraz we wszystkich skalach pośrednich. Wiele elementów tej
„całej układanki” pozostaje nadal w fazie domysłów, a sama zasada samoskładania nie zawsze
zyskuje sobie zwolenników wśród naukowców. Nieznany dotąd pogląd, może wydawać się
irytujący dla tych którzy przyzwyczaili się do charakterystycznych rysunków. „Nie tak powinien
wyglądać atom!” - powiedział znany fizyk. „Nie tak reagują żywe organizmy” - powiedziałby
biolog. Jednak taki obraz zjawisk porządkujących materi, jest co najmniej interesujący, a nawet
można powiedzieć, prowokujący. Wielu dobrze znanych fizyków i biologów ma jednak nadzieję
na poznanie w przyszłości dużo lepszego modelu materii. I nawet jeśli okaże się, że w
rzeczywistości tensegrity ma niewiele wspólnego z prawdziwą budową materii, pozostanie nadal
niesamowitym wynalazkiem umysłu ludzkiego., bo przecież już sam Einstein mawiał: „Nie
wierzę, że Bóg gra w kości”.
4.
NIEWIDOCZNA ARCHITEKTURA
Około trzydzieści lat temu zaistniała techniczna możliwość izolacji części komórek.
Badacze opisywali wówczas komórkę jako błonę wypełnioną protoplazmą, lub jako balon
napełniony molasą, w której ruchy elementów wewnętrzne odbywają się przypadkowo. Jednak
gdyby taki model był modelem poprawnym, pod wpływem bodźca zewnętrznego komórka
odkształcała by się tylko lokalnie, czego nie
potwierdzają doświadczenia. Poza tym błona
wypełniona płynem pod wpływem różnych czynników i dużych obciążeń naturalnych w
organizmach, łatwo mogła by ulec częściowemu zniszczeniu, co w efekcie prowadziło by do
śmierci komórki. Tymczasem siły w komórce pochodzące od bodźca, są przekazywane w sposób
równomierny. Ta cecha jest typowa dla konstrukcji typu tensegrity
Gdy jednak pojawiła się idea komórki jako wysoko rozwiniętej struktury trójwymiarowej, nie
spotkała się ona z aprobatą. To, że komórki mogą łączyć się jedna z drugą
tworząc strukturalną macierz lub to że sygnały mechaniczne na poziomie
komórki są przetwarzane na sygnały chemiczne, było czymś trudnym do
sprawdzenia.
Na początku lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku , Donald Ingber ,
Donald E. Ingber
harwardzki profesor,
zaproponował
doktor biologii molekularnej oraz medycyny,
całkowicie
nowy
model
komórki
(eukariotyczny).
Zinterpretował on cytoszkielet w oparciu o tę samą zasadę konstrukcyjną, którą wykorzystywał
Kenneth Snelsona, nazwaną przez B. Fullera „TENSEGRITY” .
Cytoszkielet to sieć białkowych włókien i rurek, która tworzy rusztowanie komórek
eukariotycznych. Szkielet komórki wcale nie jest sztywny, tylko elastyczny - potrafi się szybko
przebudowywać zgodnie z potrzebami komórki. Składa się z trzech głównych elementów, które
Ingber następująco zinterpretował:

mikrotubule, działają jako elementy nośne, jak pręty w konstrukcjach Snelsona, przenosząc
naprężenia ściskające (czasami jako elementy ściskane mogą działać pęczki usieciowionych
mikrofilamentów)

mikrofilamenty (mikrowłókienka), najważniejsze elementy cytoszkieletu, pracują na
rozciąganie i tym samym ciągną błonę komórkową i wewnętrzne składniki komórki w stronę
jądra.

natomiast pośrednie filamenty to struktury integrujące, łączące mikrorubule z
mikrofilamentami kurczliwymi, jak i łączące je z błoną i jądrem komórkowym.
Wszystkie te trzy elementy pracują razem, by ochronić komórkę przed załamywaniem. Struktura
działa jak swego rodzaju samo stabilizująca się mechanicznie sieć, ponieważ naprężenia
Rys.5 Według opracowania D.E.Ingber’a
ściskające i rozciągające w obrębie struktury są w odpowiedni sposób rozprowadzane i
równoważone. Elementy te warunkują kształt komórki i utrzymują jądro na swoim miejscu. Ingber
ponadto przewidział że zasady działania takiej struktury muszą zależeć jeszcze od czwartego
czynnika, macierzy zewnątrzkomórkowej, rodzaju zakotwiającego zrębu, na którym
unieruchomione są komórki organizmu.
JAK TO DZIAŁA ? W łatwy sposób można wyjaśnić mechanizm działania bodźców w
komórce i zasady przenoszenia sił, tworząc uproszczone modele prętowo-cięgnowe, o cięgnach
sprężystych, czego pierwszy dokonał Ingber. Ten model jest ekranizacją doświadczenia jakie
prowadzono na wyizolowanych komórkach umieszczonych na różnych podłożach.
Doświadczenia na żywych komórkach pokazały, że komórki po przyczepieniu do twardego
podłoża, rozprzestrzeniają się i spłaszczają, natomiast na giętkim podłożu, kurczą się i przybierają
kształt bardziej sferyczny z wybrzuszeniami.
Rys. 6 Opracowanie: D.E. Ingber
Model składa się z sześciu prętów i elastycznej linki (Rys. 6). Kołki podzielone na trzy pary
są ustawione do siebie prostopadle, tak że żaden nie dotyka innego. W środku modelu jest
umieszczony podobny mniejszy naśladujący jądro komórkowe, jest on połączony z resztą modelu
również za pomocą elastycznych linek. Struktura modelu do złudzenia przypomina rzeźby
Snelsona. Przyciśnięcie modelu zmienia go w spłaszczoną strukturę, w której jądro porusza się w
sposób skoordynowany (jak w prawdziwej komórce) a nie przypadkowy. Spłaszczony model jest
przyszyty do tkaniny, napiętej pinezkami na desce, co przedstawia sytuacje sztywnego podłoża i
spłaszczonej komórki. Natomiast szwy odpowiadają białkom, które fizycznie łączą komórkę z
elementami zewnętrznymi (receptory adhezyjne). Kiedy usunie się pinezki przypinające materiał,
tworząc tym samym podłoże bardziej giętkie, model przybiera formę sferyczną, wybrzuszając
dodatkowo znajdującą się pod nim tkaninę. Mechanizm ten działa jak w żywej komórce.
Tensegralny model komórki zdaje się być też potwierdzony przez to, że jak udowodniono
szarpnięcie receptorów na jej powierzchni powoduje natychmiastowe zmiany w jej wnętrzu
(filamenty oraz struktury jądrowe zmieniają swoje położenie automatycznie, zgodnie z kierunkiem
przyłożonej siły). Taka sytuacja nie miałaby miejsca, gdyby prawdziwy był model komórki jako
balona wypełnionego cieczą, natomiast taki sposób równomiernego przekazywania sił, jaki
zaistaniał podczas eksperymentu, charakteryzuje konstrukcje tensegralne. Tego typu rozważania
prowadził Ingber i jego cały zespół wykwalifikowanych współpracowników w latach
osiemdziesiątych dwudziestego wieku.
Model tensegrity ułatwia wyjaśnić też inne zjawiska na poziomie komórkowym. W tym
samym czasie kiedy Ingber prowadzi swoje dalsze badania, Steven Heidemann stwierdził, że
model ten w dobry sposób wyjaśnia jak komórki nerwowe wytwarzają długie neuryty.
Rahul Singhvil i Christopher Chen na podstawie modelu tensegralnego wywnioskowali,
że
struktura cytoszkieletu może się zmieniać w wyniku zaburzeń sił na jej powierzchni. Z opisanego
faktu oraz z tego że na cytoszkielecie są przyczepione enzymy i inne ważne cząstki aktywne,
wynika że można wpływać na reakcje biochemiczne cytoszkieletu przez oddziaływania
mechaniczne. Jest to bardzo ważna własność. Wywnioskowano równierz, że zmiana kształtu
komórki mówi jej jakie ma podjąć procesy, np. gdy jest spłaszczona, co zachodzi w wyniku
jakiegoś urazu, zachwiania struktury macierzy komórkowej (np. zranienie) wyczuwa że musi się
podzielić z zregenerować ubytki w strukturze- w ten sposób goją się rany. Podobnie reaguje w
odwrotnej sytuacji. Gdy komórki są za gęsto poupychane, część z nich obumiera, żeby nie mogła
powstać tkanka rakowa.
Ingber odkrył ponadto , że zadziwiająco wiele systemów
naturalnych, takich jak atomy węgla, cząsteczki wody, białka,
wirusy, komórki, tkanki, a nawet ludzie i inne organizmy, jest
zbudowane
z
wykorzystaniem
powszechnej
zasady
architektonicznej, określanej terminem tensegrity. Zasada ta, jak
dowodził, stosuje się praktycznie na każdym poziomie organizacji,
w każdej skali spotykanej w organizmie.
Rys. 7. Schemat komórki
Organizmy żywe to
architektura natury.
Zasada tensegralności przyjęła się również jako schemat w większej skali. Patrząc na
ludzkie ciało możemy zauważyć że kości są elementami przenoszącymi obciążenia ściskające, są
one natomiast „zawieszone” w sieci elementów rozciąganych takich jak: mięśnie, ścięgna,
wiązadła. Aby na przykład sięgnąć sufitu osoba musi napiąć mięśnie od stopy po palce w dłoni.
Jednak ten system też składa się z mniejszych modułów, pozwalających mimo uszkodzeń jednego
z mięśni innym działać sprawnie.
Pomysł tensegrity w konstrukcjach natury zdaje się być bardzo „chwytny”. Wydawnictwo
The Scientist wydało w ostatnich sześciu latach ok. 120 artykułów na ten temat w kontekście
budowy kości, serca, fizjologii płuca i fałdzie białka. Jednak trzeba dodać, że wciąż nie każdy jest
zwolennikiem tej teorii budowy organizmów. Steven Heidemann, profesor fizjologii na University
State Michigan, uważa że system tensegrity wcale nie pomaga ludziom zrozumieć tego jak działa
komórka. Twierdzi on, że mimo pewnych zbieżności komórka ma zbyt wiele płynnych zachowań
jak na tensegrity.
„Tensegrity jest nonsensem”,- mówi Micah Dembo, biomedyczny profesor inżynierii na
Boston University- "większość biologicznych komórek, które ludzie zbadali, ma tyle przeróżnych
struktur ile jest gum do żucia na chodniku(...) komórka nie jest jak statyczny architektoniczny
obiekt, chyba że jest martwa”
Niektórzy uważają, że tensegrity jest niewątpliwie właściwym rozdziałem opisującym
mechanizm działania komórki, ale nie jest z pewnością całościową teorią. Peter F. Davies,
profesor i dyrektor Institute of Medicine and Engineering na University Pennsylvania, uważa że
"Tensegrity jest doświadczalnie popartym kompletem praw dla biomechanicznego zachowania
szkieletu komórkowego i komórek ogólnie,
jednakże,
jest nieprawdopodobne, że model
tensegrity sam wyjaśniłby każdy biomechaniczny pierwiastek, który pozwala komórce
prosperować i utrzymać się przy życiu w zmienionym środowisku.” Opinia ta wydaje się
najbardziej prawdopodobna.
Bez względu na wynik tej dyskusji, niezmienny jest fakt, że natura opracowuje swoje
konstrukcje niesłychanie sprytnie, być może nigdy nie zdołamy zgłębić jej praw, jednakże dla
architektów jest to kopalnia jak najwłaściwszych inspiracji. Możemy obserwować, uczyć się i
naśladować.
Na początku Ingber napotykał wiele trudności próbując
sprzedać swój model tensegrity. „Stypendia były ulotne i tak
było z widowniami. " Przez długi czas, naukowcy i badacze
tylko wstawali i wychodzili z moich seminariów. Jedyni, którzy
pozostawali byli to...technicy.”
Needle Tower, Kenneth Snelson
Washington,
5. INNE DZIEŁA NATURY – NOWE INSPIRACJE I OPTYMALIZACJE KONSTRUKCJI.
Tensegralność jest podstawową strukturą w przyrodzie, na której opierają się bardziej
skomplikowane rozwiązania natury. Jako modelowy przykład zoptymalizowanej konstrukcji
samonośnej istnieje w środowisku naturalnym już od dawna, mimo to struktury tworzone przez
człowieka wciąż nie korzystają właściwie z „doświadczenia” natury.
Mówiąc o optymalizacji konstrukcji samonośnej w opracowaniach człowieka nie można
pominąć pojęcia symetrii, zaś przykłady, jakie oferuje ewolucja, są niejednokrotnie asymetryczne.
O dziwo, jak zbadano, takie konstrukcje uzyskują jeszcze lepsze parametry, jeśli chodzi o masę i
objętość w przełożeniu na ich wytrzymałość czy „nośność”, niż podobny model wykonany przez
człowieka.
Przykładów, będących inspiracjami konstrukcji, czerpanych ze środowiska naturalnego jest
nieskończenie wiele. Mogą służyć one do opracowania geometrii, czy zasady pracy
zoptymalizowanej konstrukcji - oszczędnej materiałowo, ekonomicznie, energetycznie oraz
wykazującej się dużą nośnością. Inspiracje możemy znaleźć wszędzie. Z geodezyjnych
(najbardziej symetrycznych) form możemy wymienić np. fullereny, wirusy, enzymy, organella
komórkowe, niektóre komórki a nawet niewielkie organizmy. Natomiast przykładami struktur
nieregularnych mogą być niektóre cząsteczki biologiczne, białka, lekkie konstrukcje tkanki kostnej
kości (np. orła), organizm radiolari, konstrukcja pnia drzewa czy trzciny, struktura lekkich i
wytrzymałych skrzydeł owadzich, oraz wiele innych.
W środowisku jest wiele przykładów, które przypominają struktury już tworzone przez
człowieka. Wszystkie jednak formy „wymyślone” przez naturę, bądź, jak kto woli, ewolucję,
podlegają brutalnym prawom ekonomii, rozumianych jednak nie poprzez pojęcie pieniądza, lecz
optymalizację jednostki oraz całego systemu, w którym się ona znajduje. Natura przecież nie
likwiduje jednostek najsłabszych pozostawiając jedynie te najsilniejsze, lecz „dba” o prawidłowe
funkcjonowanie całości ekosystemu, do czego potrzebne są organizmy o różnych cechach.
Zróżnicowanie potrzeb i środowisk życiowych implikuje różnorodność priorytetów rozwoju, a co
za tym idzie, mnogość form. Jednym słowem rodzaj oddziaływań zewnętrznych i ich intensywność
w dużym stopniu wpływa na zróżnicowanie gatunkowe form żywych i rzeźbę przyrody
nieożywionej. Jak widać, natura posiada tak niesamowicie bogaty wachlarz form, przez co
inspirowanie się wyłącznie konstrukcjami ściśle tensegralnymi, byłoby jedynie ograniczeniem.
Typem właśnie takich konstrukcji, nieco innych w
swym charakterze, niż tensegrity, są systemy powłokowe.
Są to konstrukcje bardzo lekkie i wytrzymałe, które dzięki
odpowiedniemu
kształtowaniu
stają
się
bardziej
ekonomicze, niż tradycyjne rozwiązania (np. słupowo
ryglowe). Dają one tym samym większy wachlarz
możliwości w kształtowaniu formy jak i funkcji. Są to
Rys. 8. Restauracja hotelu „San-Juan”
w Puerto Rico (1959r) arch. Toro i Ferer
konstrukcje bardzo lekkie, zdolne przekryć bardzo duże
powierzchnie. Przykładem powłok „zaprojektowanych”
przez naturę są muszle. Ich fantazyjne kształty, spośród wielu przyczyn, wynikają także i przede
wszystkim z powodów wytrzymałościowych. Pofałdowana muszla Tridacny stała się inspiracją dla
np. projektu restauracji hotelu „San-Juan”, autorstwa Toro i Ferery, powstałego w 1959 roku w
Puerto Rico. Podobnie projektował F. Candela (np. restauracja w Xochimilco, Meksyk, lata’50).
Ciekawe efekty wizualne i ekologiczne (w rozumieniu całościowo pojętej optymalizacji
konstrukcji), może dać także przeniesienie samych zasad mechanizmów rozwojowych (np. spirali
czy zasady współdziałania dwóch „stożków”), które dotyczą się wielu różnych gatunków. Drzewa
zbudowane tak, że na smukłym, zwężającym się ku górze pniu osadzona jest masywna korona, co
spowodowane jest koniecznością rozwoju i ekspansji „w górę”. Korona drzewa zbiera znaczne
obciążenia od wiatru, które musi przenieść pień. Otrzymywane formy są, więc wynikiem
połączenia dwóch stożków – statycznego skierowanego szczytem ku górze i stożka skierowanego
wierzchołkiem ku dołowi. Struktury tak otrzymywane mogą być np. wieżami ciśnień, czy
kominami chłodniczymi elektrowni. Jeśli chodzi o konstrukcję pnia drzewa czy łodygi to sposób
ich konstrukcji może podsunąć wiele pomysłów na rozwiązywanie problemów budynków
wysokościowych. Włókna w pniu są gęsto upakowane, przez co ich przekrój jest sześciokątny.
Okręcają się one spiralnie wokół i wzdłuż osi pnia. Teoretycznie, więc włókna są stale i wyłącznie
rozciągane. Pnie roślin drzewiastych jednak drewnieją, co powoduje częściową utratę
elastyczności, a dzięki temu pień drzewa nie „opada”. Zastosowanie analogicznie ułożonego
zbrojenia w kominach chłodniczych pozwoliło zmniejszyć grubość ich ściany nawet do 40cm w
stosunku do kilku metrów (analogia dotyczy formy walca).
Oczywiście każda z inspiracji, już w fazie pierwszych koncepcji architektonicznych i
statycznych schematów musi poddana być interpretacji i dużemu uproszczeniu. Nieraz zdaża się,
że inżynierowie projektując zapominają o tym, co było inspiracją i dlaczego. Przykładem takiego
błędu jest większość budowli socjalistycznych, między innymi domów wielorodzinnych.
Projektanci tego typu obiektów, wzorując się na plastrach miodu z pszczelich uli, stworzyli pewien
schemat. Założeniem było między innymi: oszczędność materiału i powierzchni, minimalizowanie
strat ciepła, maksymalne „upakowanie” minimalnych
jednostek mieszkalnych, strukturyzacja oraz prefabrykacja.
Na tym jednak zakończono inspiracje „filozofią natury”,
gdyż zapominano o budynku jako elemencie kompozycji
znajdującym się w pewnym środowisku oraz o człowieku,
który także jest częścią natury. Nie trzeba chyba nikomu
tłumaczyć jak ważna jest nie tylko funkcjonalność i
organizacja przestrzeni, ale także psychika ludzka, na którą
Model jednej z konstrukcji tensegrity
wykonanej przez M. Górską, Ł.
Wróblewskiego oraz K. Pawicką
ogromny wpływ ma przecież estetyka i piękno otoczenia
naturalnego.
Rozdział ten, jak i cała praca, mógłby być śmiało rozwinięty aż do rozmiarów dużej
książki, dlatego w tak zwięzłej postaci byliśmy w stanie przekazać jedynie najważniejsze aspekty
poruszanych problemów, ich zalety i trudności w realizacji. Przede wszystkim jednak niniejszą
pracą chcielibyśmy zainspirować i zachęcić Państwa do dalszych poszukiwań a w szczególności
zwrócić uwagę na nieograniczony zasób wiedzy i pomysłów zawartych w naturze z
wyszczególnieniem tensegralności, która zdaje się nas otaczać z każdej strony.
Konstruktorzy dopiero od niedawna interesują się wykorzystaniem tego zjawiska jako
systemu konstrukcyjnego. Ostatnie wydanie „International Journal of Space Structures”
poświęcono właśnie tej tematyce. Mimo to w dalszym ciągu tensegrity jest postrzegane przez
pryzmat sztuki, która je wypromowała. Bynajmniej nie jest to jednak spowodowane brakiem
zainteresowania ze strony inżynierów, ponieważ jest wręcz odwrotnie, ale jak mówi R. Motro:
„...pojawiło się wiele prób zastosowania struktur tensegrity w dziedzinie konstrukcji..... jednak
przykłady takich zastosowań pozostawiono, w większości, w fazie prototypu, a przyczyną takiego zjawiska
był, przede wszystkim, brak odpowiednich i szczegółowych badań technologii.”
Podczas, gdy struktury tensegrity są chętnie omawiane w wielu opracowaniach
technicznych, a próby uzyskania nowego systemu, czy też opracowania nowej technologii, często
zawodzą, natura dysponuje wieloma gotowymi konstrukcjami testowanymi przez wieki w procesie
ewolucji. Te z pozoru rzadko dostrzegane zjawiska, na różnym poziomie skomplikowania, są
często obserwowane w środowisku naturalnym. Jest czymś niesamowicie pasjonującym
zagłębianie się w ten świat mikro i makro struktur; odbywanie podróży w głąb zagadkowych
pomysłów natury, dotąd jeszcze nie pojętych przez człowieka.
Wrocław 2003/2004
6. LITERATURA:
-
Zbigniew Mielczarek "Nowoczesne Konstrukcje w Budownictwie Ogólnym" Arkady 2001
-
Tadeusz Kolendowicz "Mechanika Budowli dla Architektów" Arkady 1996
-
Świat Nauki, marzec 1998 Donald E. Ingber "Architektura Życia"1.
-
GLAS, 4/2003, Dirk Henning Braun "Logic follows nature".
-
Donald E. Ingber "A Microstructural Approach to Cytoskeletal Mechanics based on
Tensegrity" 1996
-
Bin-Bin Wang "Cable Strut Systems: Part I-Tensegrity" 1997
-
"Tensegrity and mechanoregulation: from skeleton to cytoskeleton" Ch. S. Chen, D. E. Ingber
-
"A study on tensegrity cable domes" F. Fu, T. T. Lan
-
"The wirtual world of "tensional integrity"" R. Wagner
-
"Tensarch: A tensegrity double layer grid prototype" R. Motro
-
"A novel portable and collapsible tensegrity unit for the rapid assembly of tensegrity networks"
K. A. Liapi
-
" Tensegrity systems selfstress state implementation methodology" J. Avergseng, M. N. KaziAoual, B. Crosnier
-
The SCIENTIST Tom 17 | Issue 3 | 26 | Feb. 10, 2003 " Does tensegrity make the machine
work?" Susan Jenkins