Физика в архитектуре

1.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Лицей города Бирска муниципального района Бирский район Республики
Башкортостан
Итоговый индивидуальный проект на тему:
«ФИЗИКА В АРХИТЕКТУРЕ»
Выполнила: ученица 11 класса
Латыпова Карина Маратовна
Научный руководитель:
Никитин Анатолий Валерьевич
Бирск-2024

2.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОЕКТА:
Каждый день проектируются и создаются дизайны различных зданий, сооружений и
помещений. Но не все, кто желает быть архитектором или даже инженером, понимают
какие знания или законы физики нужны для этой области. В этом проекте я изучу
архитектуру и помогу узнать остальным какие знания нужны в сфере проектирования.
ПРОБЛЕМА:
Какие законы физики используются при проектировании, строительстве и эксплуатации
зданий и к чему приводит их незнание?
ГИПОТЕЗА:
Физика тесно связана с проектированием зданий и является неотъемлемой базой в
архитектуре.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ:
Результаты моей работы помогут школьникам расширить знания и кругозор, для
учителей же станут дополнительным материалом для преподавания на уроках физики.
ЦЕЛЬ ПРОЕКТА:
Найти взаимосвязь между физикой и архитектурой, узнать является ли физика
неотъемлемой частью архитектуры.

3.

ЗАДАЧИ:
•Понять, что такое архитектура и узнать ее особенности
•Изучить историю архитектуры
•Определить какие знания физики нужны при планировке зданий, сооружений и
эксплуатации помещений
•Начертить план здания и доказать важность знания физики
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
•Теоретический метод
•Математический метод
•Метод моделирования
•Метод экспериментального исследования
Практическая значимость проекта заключается в том, что
результаты моей работы помогут школьникам расширить знания и
кругозор, для учителей же станут дополнительным материалом
для преподавания на уроках физики.

4.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АРХИТЕКТУРЫ
Архитектура – вид изобразительного искусства, появившийся несколько
тысячелетий назад. Архитектура формирует жизнь каждого из нас. Она отвечает за
создание пространств, которые должны одновременно объединить
функциональность, эстетику и комфорт. Невозможно точно сказать, когда и где в
истории человечества возникла архитектура. Но с доисторических времен уже можно
заметить заботу человека не только об оформлении пространства, в котором он не
просто жил, но безопасности и комфорте.
Само слово архитектура происходит от слова греческого слова «архитектон», что в
переводе означает «означает строитель».
Немецкий писатель Гёте описал этот термин так «Архитектура-засты
музыка»

5.

Архитектура, как часть искусства, также имеет свои виды:
1. Архитектура объемных
сооружений(жилые дома, общественные
здания, промышленные сооружения, культовые
постройки, крепостные постройки)
2. Ландшафтная архитектура (скверы,
бульвары и парки с фонтанами, мостиками
и т.д.)

6.

У архитектуры есть свои основные базовые
стили:

7.

1. Античная архитектура (греческая ордерная система, римская ячейка)
Особенности античной архитектуры:
1.Колоннады
2.Использование статуй в качестве опор
3.Аркады, цилиндрические перекрытия и купол
4.Использование бетона, благодаря которому многие
сооружения оказались настолько прочными, что
сохранились до наших дней

8.

2. Средневековая архитектура (романский стиль, готика)
Особенности средневекового стиля:
1.Прочные материалы: камень, мрамор
2.Толстые стены
3.Прямые или крестовые своды
4.Полукруглые арки
5.Скупой декор стен: аркатуры — ряды декоративных
углублений-арок, фризы
6.Монументальные рельефы

9.

3. Архитектура нового времени (барокко, классицизм, модерн)
Особенности архитектуры нового времени:
1.Криволинейные формы (арки, купола, волюты)
2.Монументальные и величественные фасады
3.Сочетание выпуклых и вогнутых поверхностей
4.Разомкнутые фронтоны и карнизы — в промежутке
помещается декоративный элемент
5.Изобилие скульптур и рельефного декора

10.

4. Архитектура новейшего времени (конструктивизм)
Особенности архитектуры новейшего
времени:
1.Визуальная целостность образа здания.
2.Четкое архитектурное делении на отдельные
фигуры и секции.
3.Для стиля типичны массивные опоры, плоские
крыши, удлиненные оконные проемы.

11.

История
архитектуры

12.

ДОЛЬМЕН ПУЛНАБРОН
ИрландииВ ИРЛАНДИИ
ПУЛНАБРОН - ЭТО ДРЕВНЕЙШАЯ СТОЕЧНО-БАЛОЛЧНАЯ
СИСТЕМА, КОТОРАЯ СТАЛА ПРЕДШЕСТВЕННИЦЕЙ
СОВРЕМЕННОГО КАРКАСНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА.

13.

ГРОБНИЦА ФАРАОНА V ДИНАСТИИ САХУРЫ. РЕКОНСТРУКЦИЯ ЛЮДВИГА БОРХАРДТА
Греки сделали темой архитектуры как
искусства саму архитектуру, точнее, рассказ о
работе ее конструкций. С этого момента опоры
стоечно-балочной системы не просто украшают
здание, но и показывают, что они что-то
поддерживают и что им тяжело.

14.

ХРАМ Т В СЕЛИНУНТЕ
Стоечно-балочная система (то есть колонны
и поддерживаемые ими элементы) осталась
на фасадах, но теперь часто нет работала, а
лишь украшала здание. Таким образом,
римляне сделали ордер декором

15.

КОЛИЗЕЙ В РИМЕ
Средств на строительство каменных перекрытий
не хватало, хотя потребность в больших зданиях,
прежде всего в храмах, была. Поэтому византийским
строителям пришлось вернуться к дереву, а с ним—
и к стоечно-балочной системе. Из дерева делались
стропила — конструкции под кровлю, где часть
элементов (подкосы) согласно законам геометрии,
работает не на излом, а на разрыв или сжатие.

16.

СОБОР СВЯТОГО ПЕТРА В РИМЕ
Между арками и подкупольным кольцом образовывались двояковогнутые
треугольники— паруса. (в храмах на них чаще всего изображаются евангелисты
Матфей, Лука, Марк и Иоанн — четыре опоры церкви.) В частности, благодаря этой
конструкции православные церкви имеют привычный для нас вид

17.

КУПОЛ СОФИЙСКОГО СОБОРА В КОНСТАНТИНОПОЛЕ
К началу второго тысячелетия нашей эры в Европе стали складываться
могущественные империи, и каждая считала себя наследницей Рима. Возродились и
традиции римского зодчества. Величественные романские соборы снова перекрывались
арочными конструкциями, похожими на античные, — каменными и кирпичными
сводами.

18.

ШПАЙЕРСКИЙ СОБОР В ГЕРМАНИИ
Арки и своды стали делать стрельчатыми. Конструкция такой формы
давит больше вниз, на опоры, чем в стороны. Кроме того, с боков эта
система подпиралась специальными «мостиками» — аркбутанами, которые
перекидывались от отдельно стоящих столбов— контрфорсов. Так стены
освобождались от всякой нагрузки, делались легкими или даже исчезали,
уступая место стеклянным картинам—витражам

19.

ФИЗИКА В АРХИТЕКТУРЕ
Физика-наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие
закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения.
Поэтому понятия физики и её законы лежат в основе всего естествознания
В основе выбора архитектурной композиции лежат данные многих наук: надо
учитывать назначение сооружения, его конструкцию, климат местности, особенности
природных условий.
Требования к конструктивным элементам зданий:
Конструктивные элементы (деревянные, каменные, стальные, бетонные и т.п.),
воспринимающие основные нагрузки зданий и сооружений должны надёжно
обеспечивать прочность, жёсткость и устойчивость зданий и сооружений.
Чем выше архитектурное сооружение, тем строже требования к его устойчивости.

20.

ПРОЧНОСТЬ
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению, а также
необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии
внешних нагрузок, в узком смысле — только сопротивление разрушению.
Прочность твёрдых тел обусловлена в конечном счете силами взаимодействия
между атомами и ионами, составляющими тело. Прочность зависит не только от
самого материала, но и от вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб
и др.), от условий эксплуатации (температура, скорость нагружения, длительность и
число циклов нагружения, воздействие окружающей среды и т. д

21.

УСТОЙЧИВОСТЬ РАВНОВЕСИЯ
Устойчивость равновесия - способность механической системы, находящейся под
действием сил в равновесии, почти не отклоняться при каких-либо незначительных
случайных воздействиях (лёгких толчках, порывах ветра и т.п.) и после незначительного
отклонения возвращаться в положение равновесия.
Как повысить устойчивость равновесия?
1.
Следует увеличить площадь опоры, помещая точки опоры дальше друг от
друга. Лучше всего, если они будут вынесены за границу проекции тела на плоскость
опоры.
2.
Вероятность выхода вертикальной линии за границы площади опоры
снижается, если центр тяжести расположен низко над площадью опоры, т. е.
соблюдается принцип минимума потенциальной энергии.

22.

ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
При планировке важно учитывать прочность различных материалов, ведь
если она низкая, конструкция может рухнуть, поэтому важно знать их
физические и химические свойства

23.

ЖЁСТКОСТЬ
Жёсткость - способность тела или конструкции сопротивляться образованию
деформации; физико-геометрическая характеристика поперечного сечения элемента
конструкции. Понятие жёсткости широко используется при решении задач
сопротивления материалов.

24.

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ
Тепловое расширение – это физический процесс, при котором размеры тела
изменяются под воздействием изменения температуры. Когда тело нагревается, его
молекулы начинают двигаться быстрее, что приводит к увеличению расстояния
между ними и, следовательно, к увеличению размеров тела. Обратно, при
охлаждении тела, молекулы замедляются, расстояние между ними уменьшается, и
тело сжимается.
ΔL = αL₀ΔT-формула нахождения теплового расширения и сжатия
Тепловое расширение является важным явлением, которое необходимо учитывать
при проектировании и изготовлении различных конструкций и материалов. Оно
может приводить к деформации, например, при нагреве металлических деталей, что
может вызывать проблемы в работе механизмов или конструкций.

25.

ПРОЕКТИРОВКА МОСТА ЧЕРЕЗЗ Р.БЕЛУЮ, С УЧЕТОМ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ
Длина моста=274м
Ширина моста=7м
Длина пролетов=12 м
Количество балок=22
При проектировке будущего моста для балок будем брать материал
железобетон, я для плит бетон ВI.
Коэффициент теплового расширения железобетона равен 0.000012,
бетона ВI. 0.000010
Диаметр балок возьмем 1.2м.
Длина плиты 13м.
По формуле теплового расширения вычислим расширении и сжатие
элементов, при крайних температурах: +40°C и -40°C.
Каждая плита в длину будет занимать на балке 0,5м, при
0°C.расстояние между ними будет 1,2-0,5*2=0,2.
В ширину, при 0°C плита на балке будет занимать 1м. Свободное
место на балке будет равно 0,2м.

26.

ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ СЖАТИИ И РАСШИРЕНИИ
В длину
В ширину
Балка
-40°C
-0,0052м
-0,0028м
-0,000576м
+40°C
+0,0052м
+0.0028м
+0,000576м

27.

РАСЧЕТЫ
Посчитаем расстояние между плитами в крайних температурах:
+40°C:
1,2+0,000576=1,2000576-диаметр балки, при расширении
1,2000576-0,5*2-0,0052/2-0,0052/2=0,1948576
Расстояние между плитами уменьшилось.
-40°C:
1,2-0,000576=1,199424-диаметр балки, при сжатии
1,199424-(0,5-0,0052/2)*2=0,204625
Расстояние между плитами увеличилось.
Также найдем расстояние при расширении и сжатие в ширину:
+40°C:
1,2+0,000576=1,2000576-диаметр балки, при расширении
1,2000576-0,5*2-0,0028/2-0,0028/2=0,1975576
Расстояние уменьшилось.
-40°C:
1,2-0,000576=1,199424-диаметр балки, при сжатии
1,199424-(0,5-0,0028/2)*2=0,203224
Расстояние увеличилось.

28.

ПЛАН МОСТА

29.

ОПЫТ
Цель опыта: проверь способность материалов расширятся и сжиматься.
Оборудование: сталь 3, штангенциркуль, термометр.
Сначала измерим длину, при температуре 20°C
По шкале видно, что длина равна 153,3мм

30.

ОХЛАЖДЕНИЕ
Поместим сталь 3 в морозильную камеру, при температуре -16°C
По шкале видно, что длина стала равняться
153,2мм
Тело сжалось на 0.1мм

31.

НАГРЕВАНИЕ
Далее поместим в сауну, при температуре 70°C
По шкале видно, что длина стала 154мм
Тело расширилось на 0.7мм

32.

ВЫВОД
Вывод: при изменении температуры тело сужается и расширяется, но величина
изменений зависит от длины и изделия
.

33.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, при планировке важно учитывать прочность, устойчивость
равновесия, жесткость и тепловое расширение, которые невозможно рассчитать
без знания законов, физических явлений и сил, действующих на тело. Даже в
древние века учитывались законы физики при планировке и строительстве, хоть
и точные знания о физике, как о науке не было. Сейчас физика и архитектура
тесно взаимосвязаны и ни одна конструкция не будет возведена без планировки
и законов физики.