Блог инженера Павла Самуты
<pavelsamuta@googlegroups.com>Тенсегрити - термин с богатой и обширной историей. Термин происходит от английского tensional integrity, примерный перевод: "целостность посредством растяжения"- фундаментальный принцип конструкции природы. Он был придуман Бакминстером Фуллером, иконоборческим архитектором, инженером и поэтом, чтобы описать свое видение архитектуры нового типа, которая выглядела так, как будто она была построена природой, а не людьми. Фуллер, похоже, был одержим идеей стабильности даже в детстве.
Почти слепой от рождения, он развил тактильное чувство геометрических форм, в частности треугольников и тетраэдров, что произвело на него впечатление наиболее устойчивых форм в природе. В России подобные конструкции продвигал сразу после октябрьской революции петроградский художник — конструктивист Карл Иогансон (1890—1929). По-русски такие конструкции называются напряжённосвязанными. На второй выставке Общества в 1921 году Иогансон выставил «самонапряженные конструкции», которые предвосхитили идею tensegrity, разрабатывавшуюся с 1950-х гг.
Фуллер начал развивать свое видение в 1920-х годах, когда многие исследовали новые направления в дизайне и архитектуре. Оно основывалось на убеждении, что природа строится с использованием тенсегрити. Действительно, человеческий каркас с его многочисленными растяжимыми мышцами, связками и сухожилиями, растягивающимися на жестких костях тела, тем самым стабилизируя и поддерживая их против силы тяжести, является ярким примером тенсегрити в работе. За последние несколько десятилетий ученые показали, что тенсегрити является фундаментальным принципом конструирования природы, действующим на уровне органов, тканей, клеток и даже молекул. Но именно его ученик, скульптор Кеннет Снелсон, создал в 1949 году первую структуру, которая будет определена как «тенсегрити»
Тенсегрити — принцип построения конструкций из стержней и тросов, в которых стержни работают на сжатие, а тросы — на растяжение. Структуры тенсегрити основаны на комбинации нескольких простых шаблонов проектирования: элементы нагружены либо в чистом сжатии, либо в чистом натяжении, что означает, что конструкция выйдет из строя только в том случае, если кабели разорвутся или стержни прогнутся.
Стабильность и жесткость конструкций «тенсегрити» обеспечивается самоуравновешиванием и самонапряжением составляющих систему растянутых и сжатых элементов. При этом стержни не соприкасаются друг с другом, но висят в пространстве, а их относительное положение фиксируется растянутыми тросами, в результате чего ни один из стержней не работает на изгиб, придавая визуальную прозрачность как важное эстетическое качество этих структур. Тенсегрити - непростая концепция для понимания. Это лучше всего увидеть и почувствовать, построив собственные структуры тенсегрити.
Игра с этими моделями раскрывает несколько уникальных особенностей: Стабильность. Несмотря на то, что внешний вид эфира - его деревянные прутки кажутся почти плавающими - структура удивительно устойчива, несмотря на минимальное использование жестких элементов. Добавьте напряжение в структуру тенсегрити, и деформация будет распределена по всей структуре. Их компоненты немедленно переориентируются, когда структура деформируется, и они делают это обратимо и без разрушения. Поскольку компоненты настолько тесно взаимосвязаны, то, что чувствует один, ощущается всеми, создавая действительно целостную структуру.
Модульность. Хотя структура тенсегрити завершена сама по себе, она может комбинироваться с другими такими структурами, образуя большую систему тенсегрити. В этих системах отдельные узлы тенсегрити могут быть нарушены без ущерба для общей целостности системы.
Иерархическая. Фактически, меньшие структуры тенсегрити могут функционировать как компоненты сжатия или растяжения в большей системе тенсегрити, которая, в свою очередь, может выполнять аналогичную функцию в еще более крупных системах.
За последние 60 лет художники, инженеры и архитекторы использовали уроки тенсегрити, чтобы строить ранее невозможные конструкции - космические рамы мостов, развертываемые конструкции, принципы которых потом были применены при проектировании самораскрывающихся антенн в космосе, а также проникающие в небо скульптуры - помогая реализовать взгляд Фуллера на наполненную вселенной искусственными структурами тенсегрити.
В поисках примера в рукотворном мире закрепите на проволоке колесо велосипеда. Вы увидите, как ступица и обод колеса действуют как элементы прерывистого сжатия, каждый из которых сопротивляется деформирующему усилию натяжных спиц, спицы можно сделать все тоньше и тоньше без ущерба для устойчивости колеса. Предлагаемая ниже инженерная системаАлексея Васильевича Ивченко конструктор самонапряженных конструкций «Левша» познакомит вас с практической стороной моделирования самонапряжённых конструкций, имеющийся потенциал предложенной системы не исчерпывается представленными примерами, и вы сможете, творчески осмыслив статью и схемы, предложить варианты своих уникальных конструкций, познакомив с ними читателей блога.
12-метровый экспонат тенсегрити, в наукограде Калькутта - идея была внедрена в архитектуру в 1960-х годах, когда Maciej Gintowt и Maciej Krasiński. Архитекторы Spodek, расположенного в Катовице, Польша, спроектировали ее как одну из первых крупных структур, в которой был применен принцип тенсегрити. Стойка использует наклонную поверхность, контролируемую системой кабелей, поддерживающих ее окружность.
В 1980-х годах Дэвид Гейгер спроектировал Сеульскую олимпийскую гимнастическую арену для летних Олимпийских игр 1988 года. Купол Georgia Dome, который использовался для летних Олимпийских игр 1996 года, представлял собой большое сооружение тенсегрити, похожее по конструкции на вышеупомянутую гимнастическую арену. Поле "Тропикана", родина бейсбольной команды высшей лиги "Tampa Bay Rays", имеет куполообразную крышу, поддерживаемую большой конструкцией тенсегрити.
Самый большой в мире мост тенсегрити, 4 октября 2009 года мост Kurilpa Bridge открылся через реку Брисбен в Квинсленде, Австралия. Конструкция из нескольких мачт, предназначенная для прокладки кабеля, основанная на принципах тенсегрити, в настоящее время является самой крупной в мире.
Конструкция tensegrity позволяет создавать исключительно жесткие конструкции по своей массе и поперечному сечению компонентов, что позволяет экономить материалы в удобном решении.
С начала 2000-х годов Tensegrities также привлекает внимание робототехников из-за их потенциала в разработке легких и устойчивых роботов. Многочисленные исследователи изучали тенсегрити-вездеходы, био-имитирующие роботы и модульные мягкие роботы. Самым известным роботом тенсегрити является Super Ball, марсоход для исследования космоса, который в настоящее время разрабатывается в NASA. Профессор Калифорнийского университета в Беркли Alice Agogino работает с докторантами над созданием так называемых роботов тенсегрити. По сути, это роботы, построенные из серии стержней и натяжных проводов, которые защищают хрупкие научные инструменты и приборы посередине.
Конструкция обеспечивает гибкость и прочность при навигации в суровых условиях - например, при посадке на скалистую поверхность планеты. Эти роботы могут исследовать места, которые в настоящее время недоступны для колесных роверов, таких как скалистые утесы, которые богаты геологическими данными из-за открытой скалы.
В настоящее время исследователи НАСА работают над созданием прототипа для таких мест, как Титан - один из спутников Сатурна. Ученые заинтересованы в этой планете, потому что она имеет плотную атмосферу с текучими жидкостями на поверхности и часто упоминается как самый земной мир в нашей солнечной системе.
Принципы тенсегрити в биологических структурахБиотенсегрити - термин, придуманный доктором Стивеном Левиным, - это применение принципов тенсегрити к биологическим структурам. Биологические структуры, такие как мышцы, кости, фасции, связки и сухожилия или жесткие и эластичные клеточные мембраны, становятся прочными благодаря унисону напряженных и сжатых частей. Костно-мышечная система поддерживает напряжение в непрерывной сети мышц и соединительных тканей, в то время как кости обеспечивают прерывистую компрессионную поддержку. Даже человеческий позвоночник, который на первый взгляд кажется стопкой опирающихся друг на друга позвонков, на самом деле представляет собой структуру тенсегрити. Действительно, человеческое тело с его многочисленными растягивающими мышцами, связками и сухожилиями, натягивающими жесткие кости тела, таким образом стабилизируя и поддерживая их против силы тяжести, является ярким примером тенсегрити в действии.
Donald E. Ingber разработал теорию тенсегрити для описания многочисленных явлений, наблюдаемых в молекулярной биологии. Например, выраженные формы клеток, будь то их реакции на приложенное давление, взаимодействия с субстратами и т. д., Все можно математически смоделировать, представив цитоскелет клетки как тенсегрити. Кроме того, геометрические узоры, встречающиеся в природе (спираль ДНК, геодезический купол вольвокса, бакминстерфуллерен и т. д.), Также можно понять, применяя принципы тенсегрити к спонтанной самосборке соединений, белков. и даже органы. Эта точка зрения подтверждается тем, что взаимодействие натяжения-сжатия тенсегрити минимизирует материал, необходимый для поддержания стабильности и достижения структурной упругости. Как объясняет Ингбер: «Несущие элементы в этих структурах - будь то купола Фуллера или скульптуры Снельсона - определяют кратчайшие пути между соседними элементами (и поэтому по определению расположены геодезически). Силы натяжения естественным образом передаются на кратчайшее расстояние между двумя точками, поэтому элементы структуры тенсегрити расположены точно так, чтобы лучше всего выдерживать нагрузку. По этой причине структуры тенсегрити обладают максимальной силой.»
Открытия Ингбера и его коллег показывают, что природа пошла еще дальше: используя тенсегрити для построения клетки, соединяя ее на всем протяжении, от внеклеточного матрикса до ядра, природа создала структуру, которая является прочной, гибкой и отзывчивый, в прямом смысле слова. Если будущее является тем, в котором решения наших наиболее острых социальных и экологических проблем исходят от природы, то тенсегрити, вероятно, станет еще более важным для применения в проектировании.
Вам хочется что-то улучшить или есть замечательная идея модернизации, но к сожалению, нет чертежа или модели для ЧПУ станка/ 3D принтера, я такжепомогу реализовать все смелые идеи.