Если фундаменты не предотвращают падение зданий, откуда берутся силы, которые не дают им уйти под землю? Всё в мире построено из примерно 100 разных видов атомов – кирпичиков конструктора жизни, которые мы знаем как химические элементы (например, железо, серебро, углерод и кислород). Группы атомов составляют более крупные структуры, называемые молекулами: например, два атома водорода и один атом кислорода образуют молекулу воды (Н₂О). Большинство сил, с которыми мы встречаемся каждый день, возникают между атомами, внутри молекул или между молекулами. Об атомах и молекулах будет больше рассказано в следующих главах, а сейчас вкратце рассмотрим, как они могут создавать силы внутри зданий.

Представьте себе, что вы строите дом на огромном куске железа. Он состоит из атомов железа, выстроенных в очень жесткую структуру, подобную той, которая получилась бы, если бы мы плотно подгоняли сотни мраморных шариков один к одному в коробке. Каждый атом похож на шарик. Внутри него обычно заключено пустое пространство, но, как в большинстве сладостей, самое интересное начинается ближе к центру. На границах атомов есть «мягкие» облака электронов с отрицательным электрическим зарядом (как нижний конец батарейки). В центре атома расположено ядро, состоящее из очень плотно взаимосвязанных протонов и нейтронов и имеющее положительный заряд (как верх батарейки). Отрицательно и положительно заряженные части атомов не дают им слишком близко подойти друг к другу. Вы не можете сколь-нибудь заметно сжать кусок железа, потому что отрицательно заряженное электронное облако одного атома не может существовать вблизи такого же облака другого атома. Атомы взаимно отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные полюса магнита. Чем ближе вы придвигаете атомы друг к другу, тем труднее их сжать.

Если вы построите дом на огромной железной плите, то немного сблизите его атомы друг с другом, но лишь настолько, насколько они позволят. В этот момент вес вашего дома, давящий вниз, будет компенсирован противоположной силой, которая возникает между атомами и действует по направлению вверх. Мы обычно не строим дома на железных плитах, но тот же принцип действует и в случаях скального грунта, почвы и других жестких оснований. Вы можете уплотнить почву, поскольку она состоит из частиц, между которыми есть небольшие «карманчики» воздуха. Вы можете сжать песок, потому что «цепкие» песчинки способны двигаться друг относительно друга. Однако настанет момент, когда земля будет максимально уплотнена и «сжать» ее еще больше не получится. Дальшейшие попытки уплотнить ее – сизифов труд. Другие виды сил (имеющие отношение к электричеству, магнетизму или ядерной энергии) тоже возникают внутри атомов.

Каждый материал сжимается под действием сил на него, даже если сжатие микроскопическое и сопоставимо с диаметрами нескольких атомов. Интересно, что высотное офисное здание в центре города выше на микроскопическую величину ночью, когда оно пустое, чем днем, когда в нем находятся тысячи людей, вес которых добавляется к весу здания и вместе с ней давит вниз на основание. Насколько короче может быть здание днем? Для обычного небоскреба около 400 м высотой с примерно 50 000 людей внутри сжатие может составить порядка 1,5 мм[10].

Прочное основание крепко поддерживает ваш дом, но не всегда обеспечивает его полную устойчивость. Представьте себе простейший дом, который вы можете построить: из уложенных друг на друга камней или плотно утрамбованного песка на пляже. На этих примерах легко увидеть, как различные силы удерживают вместе разные вещи. Обычный дом – целый набор материалов, каждый из которых обладает собственным весом в результате гравитации – силы, которая действует на него вертикально вниз. Иными словами, дом в основном стоит за счет сил сжатия, которые вжимают стены в землю, а атомы земли выталкивают сооружение вверх.

В доме не могут быть одни только стены. Между ними много связующих элементов: балок, полов, обрешетки крыши и т. д. Все эти горизонтальные структуры испытывают напряжение (под которым их нижние части выгибаются) и сжатие (под которым их верхние части сгибаются) и передают свой вес и другую нагрузку на стены, придавая дому большую жесткость. Многие здания и сооружения стоят десятилетиями и даже столетиями, потому что применяемые при их строительстве материалы – дерево, камень и бетон – чрезвычайно прочны на сжатие. Это их свойство хорошо иллюстрируется конструкторами Lego, где используются плотно соединяемые пластиковые «кирпичики». Конструктор способен выдержать вес 375 000 таких кирпичиков, поставленных друг на друга. При этом высота конструкции может достичь 3,5 км. С точки зрения понятий силы каждый маленький строительный блок Lego может выдержать давление массы в 350 кг (вес в примерно 3500 Н)[11], то есть вес 4–5 человек[12]. «Да, впечатляет», – подумаете вы, если только не наступили случайно на один из таких «кирпичиков» голой ногой, убирая конструктор за малышом.

Здания падают по разным причинам, но в основе лежит одна: какой-то разрушительный фактор создает силу, большую, чем та, что связывает строение. Пожары так поражают конструкцию зданий потому, что огонь прежде всего разрушает деревянные несущие балки полов, обрешетку крыш и даже (при очень высоких температурах) стальные конструкции. Вес самих перекрытий и нагрузка, которую они несут, становится непосильной, и рушится прежде всего внутренняя конструкция здания. Внешние стены относительно редко разваливаются в результате пожаров, но сильно страдают от падающих вниз тяжелых фрагментов кровли. Часть несущей балки обычно падает первой и какое-то время свисает. Когда следом отрывается вторая часть, возникает эффект рычага, и балка с огромной силой разбивает стены здания.

Обычно первыми начинают рушиться крыши, но стены тоже могут оказаться слабыми местами. Когда сильный ветер налетает на дом, скатная крыша обычно позволяет ветру обтекать строение без особых последствий. Так же устроен обтекатель кабины у больших грузовиков. У небоскребов всё происходит несколько иначе: чем выше их парусность, тем большую преграду представляют они для ветра и с тем большей силой он воздействует на них. Часть этого воздушного потока спускается вдоль стен к основанию здания и образует там мощные вихри, которые могут сбивать людей с ног; часть же ветра давит на здание с такой силой, что раскачивает его вперед и назад.

Унесенные ветром

Обычно дома способны выдерживать сильнейшие порывы ветра. Но и они могут не устоять под давлением воздушных масс во время ураганов. Многие на Среднем Западе США, где ураганы – частое явление, убеждены, будто если во время урагана открывать окна дома, то давление снаружи и внутри сравняется и риск разрушения станет меньше. Это ошибка, основанная на неправильном логическом построении, и не имеет ничего общего с наукой. Если вы откроете в доме окна и он выстоит под ураганом, это не значит, что именно открытые окна спасли строение. Инженеры выяснили, что открытие окон в сильный ветер облегчает доступ турбулентных потоков с высоким давлением внутрь здания и может привести к срыву крыши (а тогда и стены скорее разрушатся)[13].

При взрыве газа всё работает наоборот. Большинство из нас представляет себе картину взрыва по кинокадрам: большое облако пламени. Но пламя при взрыве возникает обычно случайно. Взрыв – одномоментная сильная химическая реакция, в результате которой за долю секунды высвобождаются огромные объемы горячих газов. Нитроглицерин, например, является таким опасным взрывчатым веществом, потому что легко превращает жидкость в газ, объем которого может в 3000 раз превышать исходный объем жидкости. Взрывчатка, которую часто используют террористы, генерирует поток горячих газов, движущихся со скоростью до 30 000 км/ч, то есть в 30 раз быстрее, чем обычно летает самолет Boeing-747. Когда в доме происходит взрыв бытового газа или бомбы, это похоже на то, как будто кто-то «хлопнул» огромный бумажный пакет с воздухом за долю секунды. Именно высвободившиеся при этом газы и уничтожают стены, а не высокая температура или пожар, которые возникают уже как последствия взрыва.

Как уравниваются различные силы?

Многие художественные галереи, библиотеки и другие общественные здания часто называют в честь людей, которые внесли наибольший вклад в их создание. А в метрической системе измерений присутствуют имена ученых, которые внесли заметный вклад в соответствующую область науки. Выдающийся вклад Исаака Ньютона в изучение сил, действующих в природе, отмечен так же. В современной науке многие силы измеряются в ньютонах (Н).

Как же понимается эта единица измерения? Известна история о том, что Ньютон создал закон притяжения, когда яблоко сорвалось с дерева и упало ему на голову (многие считают эту историю выдумкой). Если яблоко весит в среднем около 10 0 г, сила притяжения, действующая на нее, составляет около 1 Н. Если вспомнить то, что мы говорили выше о взаимной компенсации сил, то, положив яблоко на ладонь своей руки и удерживая его в таком положении, вы будете прилагать в направлении вверх силу в 1 Н.

Мы можем перевести массу в вес, умножив соответствующее значение на 10. Ведь Земля притягивает к себе любой объект весом 1 кг с силой в 10 Н. Если ваша масса составляет 75 кг, то сила земного притяжения, действующая на вас, составит 750 Н. Вроде всё просто. А как насчет других объектов, встречающихся нам в повседневной жизни? Если ваш дом имеет массу 200 т (200 000 кг), на него действует сила земного притяжения, равная 2 млн Н (2 меганьютонам). В табл. 1 для сравнения приведены и другие примеры.

Таблица 1. Сравнение сил. Силы – разнонаправленные внешние воздействия, которые заставляют объекты двигаться. Если они взаимно компенсируются, объект остается в состоянии покоя. В таблице приведены силы различных размеров

Почему небоскребы не сдувает ветром?

Если обычные дома пугают, потому что могут провалиться сквозь землю, то высотные здания создают другую причину для переживаний: а вдруг их может повалить ветер?

Крепкие ноги

Небоскребы обычно поражают своей высотой. Если вас спросить, во сколько раз небоскреб выше своей ширины, что вы ответите? 10 раз? 15? 20? Еще больше? К удивлению большинства людей, оказывается, что высота даже самых высоких зданий редко превышает их ширину в основании более чем в семь раз.

Секрет небоскребов в том, что мы обычно не замечаем их «крепкие ноги». Эмпайр-стейт-билдинг имеет ширину в основании около 100 м и 380 м в высоту. Соотношение высоты к ширине составляет всего лишь 4: 1. А у Эйфелевой башни это соотношение еще меньше – всего 2,4: 1.

Ваше «основание» с расставленными на ширину плеч ногами обычно составляет 30–50 см, так что в качестве «небоскреба» вы в четыре-пять раз больше ширины в основании. За указанные выше пределы таких соотношений выходят очень немногие небоскребы. «Костлявый» жилой Хайклифф в Гонконге имеет удивительное соотношение 20: 1. При таком показателе для удержания здания необходимо уже не только большое основание, но и особые инженерные решения.