Struktury bioniczne: od łodygi do wieżowca Understand article

Tłumaczenie: Anna Pancerz. Zarówno źdźbło trawy, jak i wysoka wieża muszą być wytrzymałe na siły, które im zagrażają i chcą zrównać je z ziemią. Czy istnieją jakieś zasady projektowania, dzięki którym możemy osiągnąć taką wytrzymałość?

Co łączy Wieżę Eiffla i łodygę zboża? Na pewno nie rozmiar. Natomiast gdy spojrzymy z bliska na ich wewnętrzną strukturę – mają ze sobą wiele wspólnego. Słynna budowla Gustawa Eiffla, która rozpoczęła nowy wiek wykorzystania żelaza przy budowie obiektów, odniosła sukces, ponieważ architekt zdołał zaprojektować strukturę, która była jednocześnie silna i lekka. Podobnie jak wieża, źdźbło pszenicy musi pozostać niewzruszone na wiatr i pogodę przy minimalnym wykorzystaniu dostępnych materiałów. Rozwiązanie projektowe w obu przypadkach jest takie samo: podstawowa konstrukcja jest wydrążona i rurkowata, a nie masywna, utrzymuje najwięcej mocy, a nie ciężaru.

Nie tylko źdźbła zboża sugerują sprytne i naturalne rozwiązanie problemu inżynieryjnego. Istnieje odrębna dziedzina badań technicznych – bionika w architekturze.

Proponowany projekt Ekologicznego Pawilonu na World Expo 2020 w Dubaju inspirowany roślinami w kwestii formy i funkcji. Jego struktura będzie pochłaniać energię słoneczną i wodę z wilgotnego powietrza.
Zdjęcie dzięki uprzejmości architektów Grimshaw

Czym jest bionika w architekturze?

Bionika w architekturze jest częścią nauki o bionice. Jej główną funkcją jest identyfikowanie konstrukcji i procesów w systemach biologicznych, które mogą mieć zastosowanie w inżynierii. Celem do jakiego się dąży jest zmniejszenie zużytego materiału i energii, stosując bardziej ekologiczne założenia projektowe – zgodnie z ambicjami XXI w.

W tym dziale nauki, lekkie konstrukcje w przyrodzie stają się inspiracją dla rozwiązań technicznych. Tak jak Wieża Eiffla była zaprojektowana używając zasady pustych rurek (która ma również zastosowanie w niektórych kościach człowieka), struktury zaobserwowane w przyrodzie mogą stanowić model dla rozwoju nowych materiałów i projektów budowlanych.

Trawa: siła dzięki kontrukcji

Trawy (Wiechlinowate) mogą stanowić inspirację dla bionicznych konstrukcji – ich wysokie, cienkie źdźbła łączą w sobie dużą wytrzymałość na wygięcia i złamania przy użyciu minimalnej ilości materiału. 

Ryc. 1: Zdjęcie przekroju poprzecznego źdźbła zboża pod mikroskopem.
A: twardzica; B: tkanka przewodząca; C: miękisz

Zdjęcie dzięki uprzejmości Sabriny Pulka
 

Przekrój poprzeczny źdźbła zboża (Triticum spp.) pod mikroskopem ujawnia przyczynę siły mechanicznej tego przedstawiciela traw. (Speck & Speck, 2006). Warstwa zewnętrzna twardej i zdrewniałej tkanki – twardzica, wzmacniana jest od zewnątrz naciskiem innych tkanek takich jak tkanka przewodząca i miękisz (ryc. 1). Cała struktura tworzy cylinder, w którym najtwardsza warstwa znajduje się na zewnątrz.

To nie koniec tajemnicy siły tej rośliny: za zewnętrzną ścianą łodygi znajduje się kompozytowy materiał włókienny. Zdrewniałe włókna są osadzone w miększej tkance wewnętrznej i tworzą materiał, którego struktura może być porównana do żelbetu – materiału kompozytowego wykonanego z betonowej matrycy z elementami żelaznego wzmocnienia.

Jednakże, takie połączenie różnych materiałów zwiększa ryzyko rozerwania źdźbła przez czynniki zewnętrzne takie jak silny wiatr, ponieważ podczas wygięcia źdźbła może dojść do oderwania jednej warstwy od drugiej. Właśnie dlatego wewnętrzna ściana źdźbła skonstruowana jest w formie gradientu, w którym elementy o różnych właściwościach takich jak rozmiar komórki, grubość ściany komórkowej, stopniowo się zmieniają, by płynnie się połączyć, stwarzając bardziej stabilny materiał kompozytowy (ryc.1).

Bambus – budowla z trawy

Oczywiście, przedstawicielem rodziny traw, który najszybciej przychodzi na myśl jako pożyteczna konstrukcja, jest bambus. W Azji, ze względu na świetne właściwości mechaniczne, często używany jest jako materiał budowlanych lub rusztowanie, nawet przy budowie wysokich obiektów.

Bambus (podrodzina Bambusowe) jest trawą o wyjątkowym rozmiarze, niektóre gatunki takie jak Bambusa oldhamii (Dendrocalamus giganteus) może osiągnąć wysokość do 30 m, przybierając nawet 1 m wysokości dziennie. Jednakże, ich struktura jest podobna do wielu innych roślin: mają korzenie, łodygę, liście i kwiaty.

Ryc. 2. Struktura rośliny bambusa (po lewej); przekrój wzdłużny łodygi bambusa Dendrocalamus giganteus (po prawej). A: węzeł; B: kwiat; C: liście; D: korzeń
Zdjęcie dzięki uprzejmości Sabriny Pulka
 

Podobnie jak inne rośliny trawiaste, bambus ma pustą, cylindryczną łodygę, z węzłami na całej jej długości. Węzły, które dzielą łodygę na segmenty, posiadają zgrubiałe ściany, które zachodzą na wnętrze łodyg, co umacnia całą strukturę i zapobiega przez złamaniem pod wpływem siły napływającej z boku. Jeśli łodyga miałaby kształt całkowicie pustej rurki, każda boczna siła najpierw zmieniłaby jej kształt na owalny, a później całkiem by ją spłaszczyła. Następnie płaska część mogłaby się zgiąć i zgnieść. Węzły wspomagają łodygę przeciw naciskowi przyłożonej siły (Mattheck, 2004; Speck & Speck, 2006).

Bioniczna wieża w Szanghaju

rojekt Shanghai Tower w
Chinach – czy to jest
bioniczna konstrukcja
przyszłości?

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Eloy’a Celaya / © Eloy Celaya

Jednym z futurystycznych projektów, które niebywale czerpią inspirację z przyrody jest projekt Wieży Bionicznej w Szanghaju w Chinach. Jeśli ta wizjonerska konstrukcji zostanie zbudowana byłaby zdecydowanie najwyższym budynkiem na świecie – o wysokości 1228 m i liczyłaby około 300 pięter. Projekt ma na celu odwzorowanie struktur obserwowanych w przyrodzie, nie tylko w samej wieży, ale również w jej fundamentach. Obszerna sieć miejsc zakotwiczenia, które mają imitować korzenie drzewa, zastąpiłaby tradycyjne fundamenty i miałaby na celu zapewnienie lepszej ochrony przed trzęsieniami ziemi i siłami poprzecznymi silnych wiatrów.

Według architekta Eloy’a Celata, rekordowa wysokość budynku odnosi się do przyrody w jeszcze jeden sposób: zapewniając przestrzeń życiową dla ponad 100 tysięcy osób na powierzchni bazowej 166 m x 133 m takie wieże mogłyby zmniejszyć powierzchnię potrzebną do zaakomodowania wzrastającej liczby populacji, potencjalnie pozwalając na ochronę większego obszaru przyrody.

Konstrukcje bioniczne w klasie

Przygotowaliśmy kilka ćwiczeń na temat konstrukcji bionicznych do wykonania w czasie lekcji, odpowiednich dla dzieci z końcowych klas szkoły podstawowej do młodzieży z pierwszych klas szkół ponadgimnazjalnych. Takie eksperymenty pomogą uczniom samodzielnie odkryć zasady projektowe omawiane w tym artykule. Karty pracy i instrukcje dla nauczycieli mogą być pobrane z sekcji materiałów dodatkowychw1.

W pierwszym ćwiczeniu (Test stabilności bambusa I drewna), uczniowie mają za zadanie porównać siłę i twardość drewna litego i bambusa. Na kawałki podanych materiałów należy kłaść coraz cięższe ciężarki i mierzyć ich odgięcie. Uczniowie dojdą do wniosku, że fragment pustego bambusa odgina się mniej niż stabilne drewno.

W drugim ćwiczeniu uczniowie badają dlaczego bambus jest taki mocny i wytrzymały w oparciu o przekrój wzdłużny listewki bambusa, który pokazuje węzły i międzywęźla. Później badają to jak węzły wzmacniają całą łodygę używając pasków papierów przyklejonych do środka kartonowego rulonu.

Te proste pokazy mogą zostać uzupełnione dalszym rozeznaniem i dyskusją na temat konstrukcji bionicznych, które mogą dotyczyć futurystycznych wieży lub innych bionicznych budowli.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Mattheck JK (2004) Das [Wohn-] Hochhaus. Hochhaus und Stadt. Vienna, Austria: Springer-Verlag

  • Speck O, Speck T (2006) Eine Fundgrube für die Bionik – Wunderwelt Pflanzen. In Büchel G, Malik F (eds) Faszination Bionik: Die Intelligenz der Schöpfung pp. 322-335. München, Germany: Bionik Media

Web References

  • w1 – Pobierz materiały do ćwiczeń lekcyjnych z sekcji materiałów dodatkowych.

Resources

Author(s)

Profesor Class Wegner jest nauczycielem biologii i WF-u w szkole ponadgimnazjalnej i wykładowcą na Wydziale Biologii na Uniwersytecie Bielefeld, Niemcy, gdzie jest również Profesorem Nauczania Biologii.

Lea Minnaer ukończyła studia nauczycielskie : biologia i język angielski na Uniwersytecie Bielefeld i obecnie uczy w szkole ponadgimnazjalnej.

Sabrina Pulka ukończyła studia nauczycielskie: biologia i chemia na Uniwersytecie Bielefeld i obecnie uczy w szkole ponadgimnazjalnej.

Stephanie Ohlberger studiowała nauczanie biologii i języka angielskiego w szkołach ponadgimnazjalnych i obecnie robi doktorat na Uniwersytecie Bielefeld, pracuje nad nauczaniem dwujęzycznym biologii.


Review

Jest to świetny sposób na wprowadzenie wielokierunkowych tematów i wzbudzenie ciekawość uczniów w dziedzinie biologii roślin i inżynierii. Pomysł, że budynki przyszłości mogą być inspirowane wiedzą i zrozumieniem budowy i funkcji roślin może w oczach uczniów poprawić wizerunek wielu kierunków powiązanych z przyrodą – od botaniki po architekturę”.

Artykuł może być wykorzystany nie tylko jako tekst do przeczytania i ćwiczeń na czytanie ze zrozumieniem, ale dwa ćwiczenia pozwolą również wypróbowanie niektórych pomysłów. Ćwiczenia nie wymagają żadnego specjalistycznego sprzętu, a dają uczniom możliwość samodzielnego badania materiałów i poćwiczenia budowania prostych konstrukcji. Ćwiczenia mogą przybrać formę dłuższych projektów, na przykład na targi nauki lub projekty STEM (nauka, technika, inżynieria, matematyka).  

Proponowane pytania:

  • Artykuł opisuje bionikę w architekturze jako dział bioniki. Jakie mogą być inne działy bioniki?

  • W artykule wymieniono dwóch przedstawicieli rodziny trawiastych: pszenicę i bambus.

  1. Dlaczego rośliny trawiaste są przydatne w architekturze bionicznej?

  2. Jakie znasz inne rośliny trawiaste?

  3. Trawy należą do grupy roślin jednoliściennych. Co to znaczy?

  • Artykuł sugeruje, że wiatr może złamać źdźbło zboża. Jakie inne siły mogą oddziaływać na źdźbło zboża podczas działania wiatru?


Dr Sue Howarth, Wielka Brytania




License

CC-BY