Физика в строительстве реферат

Обновлено: 02.07.2024

Реферат
на тему: "Физика в строительстве".

Оренбург 2010
Содержание.

1. Физические основы строительства.
2. Физические основы вентиляции.
2.1 Естественная вентиляция.
2.2 Пример практического расчета системы естественной вентиляции.
2.3 Принудительная вентиляция.
3. Геодезическое оборудование, созданное на основании законов оптики, применяемое в строительстве.
3.1 Тахеометр и егоустройство.
3.2 Нивелир и его устройство.
3.3 Теодолит и его устройство.
4 Голография и топографическая интерферометрия в строительстве.
4.1 Физические принципы голографии.
Заключение.
Список литературы.
Приложение.

1. Физические основы строительства.

Физические процессы, проистекающие в природе, означают изменение формы тела, его положения или агрегатного состояния.
Строительныеработы проводятся в физическом разрезе так, что все изменения физического состояния тел можно проследить и измерить. Изменения массы, длины и ширины, времени и температуры тел измеряются и документируются. Также и запланированные изменения физического состояния материалов принимаются в расчет с тем, чтобы по окончанию строительных работ выйти на нужные показатели.
Изменение формы предметов,например, изгиб арматуры, выполняется при помощи машин и механизмов. Изменение положение происходит, например, при возведении стен, когда готовые стеновые блоки и панели устанавливаются при помощи подъемного устройства.
Изменение состояния вещества можно наблюдать на примере увлажнения бетона, когда при увлажнении бетона после укладки вода, которая разбрызгивается по его поверхности, испаряется иливпитывается.

2. Физические основы вентиляции.

Известно, что нагретый воздух имеет меньший удельный вес чем холодный (рис.1), и поэтому вытесняется более тяжелым холодным воздухом и поднимается вверх. Это свойство нагретого воздуха используется не только для подъема монгольфьеров – летательных аппаратов легче воздуха, но и для создания тяги в отопительных устройствах. И, что более важнодля нас, для охлаждения узлов РЭА, когда естественная тяга является основной в корпусах с естественной вентиляцией.
В корпусах с принудительной вентиляцией эта тяга может как улучшать характеристики системы вентиляции, так и ухудшать их при неправильном размещении вентилирующих устройств.

График зависимости уд. веса воздуха от температуры показан на рис.1.Рис.1
Отвод тепла из корпусов РЭА осуществляется воздухом, за счет выноса проходящим потоком избыточного тепла и замещения его в корпусе более холодным внешним воздухом. Это замещение создает проходящий поток воздуха. Он возникает по естественным причинам – разности температур или соответственно разности удельных весов наружного и внутреннего воздуха. Этоестественная вентиляция.
При значительных избытках тепла, низкой температуре наружного воздуха в корпусах РЭА без принудительной вентиляции могут осуществляться воздухообмены, достигающие нескольких десятков кубических метров в час.
Воздушные потоки, обеспечивающие теплообмен могут создаваться и существовать за счет внешнего нагнетающего (вытягивающего) электромеханического устройства –вентилятора. Этот вид вентиляции требует дополнительных энергозатрат, повышает уровень шума блоков и снижает надежность конструкции РЭА.
Конструкция корпуса выбирается исходя из возможности применения того или иного вида его вентиляции.
Например, в низко профильных корпусах отсутствует перепада высоты между центрами вентиляционных отверстий, это делает невозможным.

Содержание

1. Физические основы строительства.
2. Физические основы вентиляции.
3. Геодезическое оборудование, созданное на основании законов оптики, применяемое в строительстве.
3.1 Тахеометр и его устройство.
3.2 Нивелир и его устройство.
3.3 Теодолит и его устройство.
4 Голография и топографическая интерферометрия в строительстве.
4.1 Физические принципы голографии.
Заключение.
Список литературы.

Вложенные файлы: 1 файл

ФИЗИКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.docx

1. Физические основы строительства.

2. Физические основы вентиляции.

3. Геодезическое оборудование, созданное на основании законов оптики, применяемое в строительстве.

3.1 Тахеометр и его устройство.

3.2 Нивелир и его устройство.

3.3 Теодолит и его устройство.

4 Голография и топографическая интерферометрия в строительстве.

4.1 Физические принципы голографии.

1. Физические основы строительства.

Физические процессы, проистекающие в природе, означают изменение формы тела, его положения или агрегатного состояния.

Строительные работы проводятся в физическом разрезе так, что все изменения физического состояния тел можно проследить и измерить. Изменения массы, длины и ширины, времени и температуры тел измеряются и документируются. Также и запланированные изменения физического состояния материалов принимаются в расчет с тем, чтобы по окончанию строительных работ выйти на нужные показатели.

Изменение формы предметов, например, изгиб арматуры, выполняется при помощи машин и механизмов. Изменение положение происходит, например, при возведении стен, когда готовые стеновые блоки и панели устанавливаются при помощи подъемного устройства.

Изменение состояния вещества можно наблюдать на примере увлажнения бетона, когда при увлажнении бетона после укладки вода, которая разбрызгивается по его поверхности, испаряется или впитывается.

2. Физические основы вентиляции.

Известно, что нагретый воздух имеет меньший удельный вес чем холодный (рис.1), и поэтому вытесняется более тяжелым холодным воздухом и поднимается вверх. Это свойство нагретого воздуха используется не только для подъема монгольфьеров – летательных аппаратов легче воздуха, но и для создания тяги в отопительных устройствах. И, что более важно для нас, для охлаждения узлов РЭА, когда естественная тяга является основной в корпусах с естественной вентиляцией.

В корпусах с принудительной вентиляцией эта тяга может как улучшать характеристики системы вентиляции, так и ухудшать их при неправильном размещении вентилирующих устройств.

График зависимости уд. веса воздуха от температуры показан на рис.1.

Отвод тепла из корпусов РЭА осуществляется воздухом, за счет выноса проходящим потоком избыточного тепла и замещения его в корпусе более холодным внешним воздухом. Это замещение создает проходящий поток воздуха. Он возникает по естественным причинам – разности температур или соответственно разности удельных весов наружного и внутреннего воздуха. Это естественная вентиляция.

При значительных избытках тепла, низкой температуре наружного воздуха в корпусах РЭА без принудительной вентиляции могут осуществляться воздухообмены, достигающие нескольких десятков кубических метров в час.

Воздушные потоки, обеспечивающие теплообмен могут создаваться и существовать за счет внешнего нагнетающего (вытягивающего) электромеханического устройства – вентилятора. Этот вид вентиляции требует дополнительных энергозатрат, повышает уровень шума блоков и снижает надежность конструкции РЭА.

Конструкция корпуса выбирается исходя из возможности применения того или иного вида его вентиляции.

Например, в низко профильных корпусах отсутствует перепада высоты между центрами вентиляционных отверстий, это делает невозможным применение естественной вентиляции. В таких корпусах возможно применение только принудительной вентиляции.

Из курса физики известно, для изобарного (при постоянном давлении) процесса нагрева газа массой m, количество теплоты, полученное им – W увеличивает его температуру на Δt.

W = m•c•Δt = Lпр•ρ•с•Δt (Дж/час)

где m = Lпр • ρ - это масса участвующего в охлаждении воздуха, а

ρ-удельный вес воздуха.

Когда вентиляция предназначена для удаления тепла из вентилируемого объема, объем приточного воздуха и количество отводимого тепла определяется из выражения:

Lпр = W/(tух - tпр)* ρпр* С (м3/час) или

где: W – отводимые избытки тепла Дж/час,

tух – температура воздуха уходящего из вентилируемого объема,

tпр –температура приточного воздуха,

ρпр – удельный вес приточного воздуха в кг/м3,

С – теплоемкость воздуха в Дж/кг град,

Lпр – объем приточного воздуха м3/час.

W = Lпр *(tух - tпр)*ρпр* С (Вт)

где: W – отводимые избытки тепла Вт,

tух – температура воздуха уходящего из вентилируемого объема,

tпр –температура приточного воздуха,

ρпр – удельный вес приточного воздуха в кг/м3,

С – теплоемкость воздуха в Дж/кг град,

Lпр – объем приточного воздуха м3/сек.

3. Геодезическое оборудование, созданное на основании

законов оптики, применяемое в строительстве.

Геодезия – одна из древнейших прикладных наук, история цивилизации неразрывно связана с геодезией. Путешественникам были необходимы карты, подробные топографические планы и приборы навигации для определения собственного положения (координат). Важной частью кадастровых работ является определение координат границ землевладений. А для военного дела всегда нужны были подробные, точные и достоверные карты. Геодезические работы невозможны без качественного геодезического оборудования (электронные тахеометры, спутниковые приемники, нивелиры, лазерные дальномеры и т.д.) и программного обеспечения.

В строительстве с помощью геодезических инструментов, решают задачи связанные с составлением топографических планов местности, составлением генерального плана участка застройки. Также геодезическое оборудование основанное преимущественно на законах оптики необходимо при строительстве промышленных и гражданских объектов, так как с помощью них решаются вопросы вертикальности зданий, определяются проектные значения высот и положения основных осей, что позволяет исключить большую погрешность строительства, связанную с несовершенством строительных процессов.

3.1 Тахеометр и его устройство.

Тахеометр — геодезический прибор для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Используется для вычисления координат и высот точек местности при топографической съёмке местности, при разбивочных работах, переносе на местность высот и координат проектных точек.

Тахеометр ТП: 1 — цилиндрический уровень; 2 — окуляры зрительной трубы и микроскопа; 3 и 4 — закрепительный и наводящий винты вертикального круга; 5 и 6 — то же горизонтального круга.

Тахеометры, в которых все устройства (угломерные, дальномерные, зрительная труба, клавиатура, процессор) объединены в один механизм, называют интегрированными тахеометрами.

Тахеометры, которые состоят из отдельно сконструированного теодолита (электронного или оптического) и светодальномера, называют модульными тахеометрами.

3.2 Нивелир и его устройство.

Нивелир (от франц. niveler — выравнивать, niveau — уровень), геодезический инструмент для измерения превышения точек земной поверхности — нивелирования, а также для задания горизонтальных направлений при монтажных и т.п. работах. Наибольшее распространение имеют оптико-механические нивелиры, снабженные зрительной трубой, при помощи которой производят отсчёт по рейке. Перед отсчётом визирную линию зрительной трубы устанавливают горизонтально при помощи уровня; в Нивелир с самоустанавливающейся линией визирования это осуществляется автоматически.

Всю конструкцию нивелира, можно разбить на три основных блока (рис. 1): наведения, ориентирования и измерения.

рис.1 Структурная схема нивелира

Назначение устройства наведения заключается в обеспечении наведения визирной оси зрительной трубы по отношению к объекту наблюдений (рейке).

По сравнению с теодолитом точность наведения на рейку не играет существенной роли, так как отсчет по горизонтальной нити может быть произведен на любом ее участке. Если отсчет по рейке производится с помощью углового биссектора высокоточного нивелира, то в зависимости от расстояния до рейки используются различные участки этого биссектора.

Назначение устройств ориентирования заключается в обеспечении однозначного ориентирования визирной оси нивелира относительно отвесной линии.

По сравнению с теодолитом требуемая точность выполнения ориентирования у нивелиров выше в несколько раз. Назначение рабочих мер состоит в обеспечении измерения превышения на станции. В отличие от процесса измерения углов при нивелировании используются рабочие меры, являющиеся частями конструкций как нивелира, так и визирных целей (реек).

Принципиальная схема нивелира с уровнем приведена на рис. 2.

Основными частями нивелира с уровнем являются зрительная труба 1, цилиндрический уровень 2, трегер 3 и элевационный винт 4. В высокоточных нивелирах перед объективом устанавливается плоскопараллельная пластинка 5, которая является составной частью оптического микрометра; при этом оптический микрометр, в свою очередь, является составной частью общей конструкции нивелира. Последние модификации точных нивелиров также снабжаются оптическим микрометром, который представляет собой, надеваемую на объектив, насадку. При нивелировании технической точности насадкой (оптическим микрометром) можно не пользоваться или ее можно снять вообще.

3.3 Теодолит и его устройство.

Теодолит – это прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов, используемый для триангуляции. Он является основным инструментом в геодезических и инженерных измерениях. Происхождение слова "теодолит", по-видимому, связано с греческими словами theomai смотрю, вижу и dolichos - длинный, далеко. Его часто используют в метеорологии или при запуске ракет. Современный теодолит представляет собой оптическую трубу, движущуюся по двум перпендикулярным осям, горизонтальной и вертикальной. Если оптическая труба направлена на желаемый объект, угол каждой из этих осей может быть измерен с высокой точностью, обычно по шкале, градуированной в угловых секундах.

На обеих осях теодолита имеются градуированные круги, значения с которых можно считать с помощью увеличивающих линз.

Горизонтальный и вертикальный круги являются главными частями теодолита — угломерного прибора, при помощи которого измеряют горизонтальные и вертикальные углы.

На рисунке приведена схема теодолита.

Схема теодолита: 1 — стеклянный горизонтальный круг;

2 — стеклянный вертикальный круг; 3 — алидада; 4 — зрительная труба; 5 — колонка; 6 — цилиндрический уровень; 1 — окулярная часть отсчетного микроскопа; 8 — подъемный винт; 9 — подставка; 10 — головка штатива; 11 — закрепительный винт

Теодолит устанавливается на треноге или трегере, имеющих четыре винта (или в некоторых современных теодолитах – три винта) для его быстрого горизонтирования. Перед использованием теодолит должен быть установлен строго вертикально над измеряемой точкой (отцентрован), и его вертикальная ось должна быть выровнена с местной силой тяжести (выровнен). В ранних моделях теодолитов это делалось с помощью свинцового, лазерного или оптического отвеса, в поздних используется ватерпас. Для быстрого и точного центрования и выравнивания существуют специальные методы.

Содержание

1. Физические основы строительства.
2. Физические основы вентиляции.
2.1 Естественная вентиляция.
2.2 Пример практического расчета системы естественной вентиляции.
2.3 Принудительная вентиляция.
3. Геодезическое оборудование, созданное на основании законов оптики, применяемое в строительстве.
3.1 Тахеометр и его устройство.
3.2 Нивелир и его устройство.
3.3 Теодолит и его устройство.
4 Голография и топографическая интерферометрия в строительстве.
4.1 Физические принципы голографии.
Заключение.
Список литературы.

Работа содержит 1 файл

Физика в строительстве.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кафедра Общей физики

на тему: "Физика в строительстве".

студент гр. 09ПГС-1

1. Физические основы строительства.

2. Физические основы вентиляции.

2.1 Естественная вентиляция.

2.2 Пример практического расчета системы естественной вентиляции.

2.3 Принудительная вентиляция.

3. Геодезическое оборудование, созданное на основании законов оптики, применяемое в строительстве.

3.1 Тахеометр и его устройство.

3.2 Нивелир и его устройство.

3.3 Теодолит и его устройство.

4 Голография и топографическая интерферометрия в строительстве.

4.1 Физические принципы голографии.

1. Физические основы строительства.

2. Физические основы вентиляции.

Известно, что нагретый воздух имеет меньший удельный вес чем холодный (рис.1), и поэтому вытесняется более тяжелым холодным воздухом и поднимается вверх. Это свойство нагретого воздуха используется не только для подъема монгольфьеров – летательных аппаратов легче воздуха, но и для создания тяги в отопительных устройствах. И, что более важно для нас, для охлаждения узлов РЭА, когда естественная тяга является основной в корпусах с естественной вентиляцией.

График зависимости уд. веса воздуха от температуры показан на рис.1.

Конструкция корпуса выбирается исходя из возможности применения того или иного вида его вентиляции.

W = m•c•Δt = Lпр•ρ•с•Δt (Дж/час) [1]

Здесь m = Lпр • ρ - это масса участвующего в охлаждении воздуха, а Lпр расход и ρ-удельный вес воздуха.

Lпр = W/(tух - tпр) ρпр С (м3/час) [2] или W = Lпр *(tух - tпр) ρпр С (Дж/час),

Где: W – отводимые избытки тепла Дж/час,

tух – температура воздуха уходящего из вентилируемого объема,

tпр –температура приточного воздуха,

ρпр – удельный вес приточного воздуха в кг/м3,

С – теплоемкость воздуха в Дж/кг град,

Lпр – объем приточного воздуха м3/час.

W = Lпр *(tух - tпр) ρпр С (Вт) [2.1]

Где: W – отводимые избытки тепла Вт,

tух – температура воздуха уходящего из вентилируемого объема,

tпр –температура приточного воздуха,

ρпр – удельный вес приточного воздуха в кг/м3,

С – теплоемкость воздуха в Дж/кг град,

Lпр – объем приточного воздуха м3/сек.

Обратите внимание на размерность в Ф.2.1 !

2.1 Естественная вентиляция.

Вентиляция корпусов РЭА выполненной на полупроводниковых структурах, существенно отличаются от вентиляции других радиотехнических устройств. И, прежде всего тем, что максимальная температура активных элементов (полупроводниковых структур) жестко ограничена 85 – 95°С, а это накладывает соответствующие ограничения на максимальную температуру воздуха в корпусе 55 – 65°С. Это и определяет меньший тепловой напор и соответственно эффективность работы естественной вентиляции.

Исходя из этого, можно рекомендовать:

Для естественной вентиляции корпусов РЭА, учитывая, что напор имеет малую величину, требуется организация путей воздухообмена. Она подразумевает прохождение воздушных потоков мимо наиболее нагретых узлов, что позволяет обеспечить эффективный съем тепла с этих узлов. Для этого необходимо обеспечить беспрепятственный (с малыми потерями напора) проход воздушных потоков.

Корпуса для эффективной работы естественной вентиляции должны иметь вертикальный профиль и достаточную высоту.

Точки входа и выхода охлаждающего воздуха должны быть расположены в максимально удаленных по высоте точках.

Аэродинамическое сопротивление входного и выходного отверстий должны иметь минимальную величину.

Исходя из больших объемов проходящего воздуха, входное отверстие должно иметь фильтр грубой очистки воздуха малого сопротивления.

Для оценки эффективности естественной вентиляции и распределения давлений в замкнутом объеме с парой вентиляционных отверстий, расположенных как в стандартном корпусе, рассмотрим рисунки 2 и 3.

На рисунке 2 схематически изображен корпус, у которого площадь отверстия для входа воздуха Sвх много больше площади выходного отверстия Sвых. В этом случае минимальное давление в корпусе равно внешнему, а на выходном отверстии создается некоторое избыточное давление. Такой вариант достаточно прост для расчетов и исполнения.

На рисунке 3 схематически показан корпус площади входного и выходного отверстий, которого соизмеримы. В этом случае на входном отверстии внутри корпуса существует некоторое разрежение, на выходных избыточное давление. А в некоей области внутреннего объема корпуса существует уровень равных давлений, где давление равно давлению за пределами корпуса. Этот расчет может применяться для расчета систем вентиляции с фильтром на входе корпуса. В этом случае реальная площадь входного отверстия не только меньше площади входного отверстия, но с течением времени будет изменяться при снижении прозрачности фильтра.

Рассмотрим соотношения связывающие характеристики корпуса изображенного на рис.3.

Если температура воздуха в корпусе tв выше наружной температуры tн то вес 1 м3 воздуха в килограммах (удельный вес) внутри корпуса ρв кг/м3 будет меньше удельного веса атмосферного воздуха ρн кг/м3. Тогда вес столба воздуха высотою h1, от центра нижних открытых отверстий до плоскости равных давлений составит:

внутри корпуса – h1 • ρв, в окружающей атмосфере – h1 • ρн.

Очевидно, что на уровне центра нижних отверстий создается перепад давления (разрежение), равное разности веса столбов наружного и внутреннего воздуха, а именно

H1 = h1 • ρн - h1 • ρв = h1(ρн - ρв) (кг/м2)

Этот перепад давлений обеспечивает поступление в корпус наружного воздуха.

Путем аналогичных рассуждений можно определить, что разность давлений на уровне центра отверстий, расположенных выше плоскости равных давлений, составит

H2 = h2 • (ρн - ρв) (кг/м2)

причем это давление направлено со стороны корпуса в сторону окружающей атмосферы и вызывает движение воздуха из корпуса в атмосферу.

Таким образом, под влиянием разностей давлений возникает воздухообмен с поступлением (притоком) воздуха через нижние отверстия и удалением (вытяжкой) воздуха через верхние открытые отверстия.

Общая величина всей располагаемой разности давлений носит название теплового напора и равна сумме давлений на уровне нижних и верхних отверстий, то есть

HT=H1 + H2 = h • (ρн - ρв) (кг/м2) [3]

Получается тепловой напор (Нт – перепад давления создаваемое нагревом воздуха) равен произведению из разности удельных весов воздуха на вертикальное расстояние между осями (серединами) нижних и верхних отверстий. Давление создаваемое потоком нагретого воздуха пропорционально высоте h и его температуре. Обратите внимание на размерность кг/м2, это совсем не техническая атмосфера которая имеет размерность кг/см2.

HT = h • (ρн - ρв) (кг/м2)

Зависимость плотности воздуха от температуры приведена на рисунке 1.

2.2 Пример практического расчета системы

- высота между центрами входных и выходных вентиляционных отверстий – 0,25 м;

- температура наружного воздуха 22 °С;

- температура воздуха в выходном вентиляционном отверстии корпуса 55 °C.

HT = h • (ρн - ρв) = 0,25 м (1,19 – 1,075)Кг/м3 = 0,029 Кг/м2(мм.H2O).

Исходя из соотношения 1атм.тех= 104 кг/м2=9806 мм.вод ст. получается тепловой напор (перепад давления) равный - HТ = 2,84 10-3 мм вод. ст.

Скорость воздуха в вентиляционном отверстии зависит от разности давлений внутри и вне корпуса определяется из выражения:

где v - скорость воздуха в м/сек;

g - ускорение земного притяжения 9,81 м/сек2;

ρ - удельный вес наружного воздуха в кг/м3;

∆H - разность давлений в кг/м2.

Объем воздуха, проходящего через вентиляционное отверстие, определяется по формуле:

L = К • V • S (м3/сек) [5]

где L - объем воздуха в м3/сек;

S – площадь отверстия в м2; (Вент. 120мм Sпрох = 83,7см2 = 0,00837м2)

К - коэффициент расхода, зависящий от конструкции выходного вентиляционного отверстия, принимаем равным - 0,7.

Учитывая принятую для использования конструкцию согласно рис.2 (площадь входных отверстий Sвх много больше площади выходных вентиляционных отверстий Sвых) рассчитываются только условия протока охлаждающего воздуха для выходных вентиляционных отверстий.

Никитина Анастасия Вадимовна

Физика в профессии строителя

Физика - совокупность научных дисциплин,
рассматривающих физические явления и процессы, связанные со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений, и разрабатывающих методы соответствующих инженерных расчётов. Основными и наиболее часто используемыми в профессии строителя разделами физики являются строительная теплотехника, строительная акустика, строительная светотехника. Строительная физика детально изучает явления и процессы, связанные со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений. Эти явления и свойства характеризуются физическими величинами. Строительная деятельность неразрывно связана с определенными условиями среды: температура, влажность, состав воздуха, плотность веществ. Становление Строительной физики как науки относится к началу 20 в. До этого времени вопросы Строительной физики обычно решались инженерами и архитекторами на основе практического опыта.
Все строительство основано в первую очередь на законах физики .
А задача любого инженера-строителя – обеспечить прочность и неизменность строительных конструкций и сооружений, равно как и их эксплуатационные качества. Также важна в строительстве такая дисциплина как сопротивление материалов (важно знать и рассчитать прочность, жесткость и устойчивость элементов конструкции). Инженеры - строители и архитекторы также должны учитывать и решать такие проблемы как теплозащита, деформация, инсоляция (солнечный нагрев и солнцезащита), звукоизоляция, акустика помещений, допустимые нагрузки и т.д.
Перспективы дальнейшего развития Строительной физики
связаны с использованием новых средств и методов научных исследований. Так, например, структурно -механические характеристики материалов и их влажностное состояние в конструкции зданий изучаются с помощью ультразвука, лазерного излучения, гамма-лучей, с применением радиоактивных изотопов и т.д.
Наружные ограждающие конструкции зданий
должны удовлетворять следующим теплотехническим требованиям: обладать достаточными теплозащитными свойствами, чтобы не допускать излишних потерь тепла в холодное время года и перегрева помещений летом в условиях жаркого климата; температура внутренней поверхности ограждения не должна опускаться ниже определенного уровня, чтобы исключить конденсацию пара на ней и одностороннее охлаждение тела человека от излучения тепла на эту поверхность; обладать воздухопроницаемостью, не превосходящей допускаемого предела, выше которого чрезмерный воздухообмен снижает теплозащитные свойства ограждений, приводит к дискомфорту помещений и излишним теплопотерям; сохранять нормальный влажностный режим в процессе эксплуатации здания, что особенно важно, поскольку увлажнение ограждения снижает его теплозащитные свойства и долговечность
Методы строительной физики
основаны на анализе физических процессов, происходящих в ограждениях и в окружающей их среде. Для них используют лабораторные и натурные исследования этих процессов с использованием математических методов физического моделирования.
На каждое строительное сооружение действуют многочисленные силы ,
например, силы сжатия и растяжения. Эти силы нагружают строительное сооружение. Поэтому их называют нагрузками.
На основе полученных знаний по физике ,
на уроках профессионального обучения мы изготавливаем макеты зданий, которые соответствуют современным стандартам и качеству.

Цель работы: исследовать взаимосвязь и взаимозависимость физики и архитектуры.

Задачи исследования:

Найти и выяснить значимость законов и явлений физики в планировке зданий и сооружений;
На примере физических законов и явлений обосновать, как здания возводятся и остаются устойчивыми;
Рассмотреть на предложенных примерах эту взаимосвязь.

Объекты исследования: существующие здания: Останкинская телебашня и Штаб-квартира CCTV.

Предмет исследования: влияние законов физики и физических явлений на конструкцию и устойчивость сооружений.

Гипотеза: физика является неотъемлемой базой для установки и проектирования архитектурных сооружений.

Практическая значимость: результат данной работы будет способствовать расширению знаний и кругозора читающего и станет дополнительным материалом в изучении физики.

Тема моей исследовательской работы "Физика в архитектуре". Данная тема актуальна и важна для каждого образованного человека. Архитектурные сооружения являются неотъемлемой частью нашей жизни и сопровождают нас повсеместно. Значит, важно знать, как перекликаются знания науки физики и чувства эстетики.

Основная часть

Основные понятия архитектуры

Архитектура – это искусствo проектирования и строительствa зданий, сооружений и их комплексов, организовывающее материальную средy, которая необходима людям для жизни и жизнедеятельности, а так жe для удовлетворения чувствa прекрасного.

Архитектура представляет собой многогранную систему. Каждый структурный элемент зависим от архитектурного целого. Структуру составляет как сама планировка, так и пространственные ситуации на основе базовых и строгих правил

Основной задачей архитектора состоит в выработке новых архитектурных идей, создание концепции здания, его облик и увязка всех критериев воедино. Проектировка зданий совершается согласно потребностям заказчика или населения и четким зонированием сооружаемого комплекса.

К возводящимся зданиям существует ряд основных требований: прочность, устойчивость, экономичность, функциональная целесообразность, техническая целесообразность, архитектурно-художественная выразительность, долговечность и благоприятное влияние на людей. Несмотря на все вышеперечисленные требования, архитектор, в первую очередь, это творец. Его главной задачей является создание новых инновационных идей в плане зданий, комплексов и сооружений.

Основные стили и виды архитектуры

Стили архитектуры - единая совокупность черт и признаков произведения архитектуры присущие определенному времени и месту. Архитектурные стили формируются с помощью особенностью, свойствами и возможностями того исторического периода страны или региона, которые реализованы в отличительных чертах здания.

Основные базовые стили:

Античная архитектура (греческая ордерная система, римская ячейка);
Средневековая архитектура (романский стиль, готика);
Архитектура нового времени (барокко, классицизм, модерн);
Архитектура новейшего времени (конструктивизм).

Архитектура, как часть искусства, имеет свои виды:

Архитектура объемных сооружений (жилые дома, общественные здания, промышленные сооружения, культовые постройки, крепостные постройки);
Ландшафтная архитектура (скверы, бульвары и парки с фонтанами, мостиками и т.д.);
Градостроительство (создание нового и реконструкция старого).

Архитектурные стили и виды являются взаимозависимыми. Они формируются на протяжении всего времени и являются отголоском определенного периода в виде практической реализации.

Физика в профессии архитектора

Физика – это наука о природе, практически во всех ее областях. Она изучает механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые и световые явления, которые применяются практически во всех направлениях: геодезии, медицине, архитектуре и т.д.

В архитектуре - физика имеет наибольшее значение. Она помогает более четко рассмотреть понятия устойчивости, прочности и жесткости конструкций. Без простейших законов физики невозможно рассчитать даже освещение внутренней и внешней части сооружения.

Существует даже наука о методах расчетов прочности, жесткости и устойчивости элементов сооружений, называемая сопротивлением материалов.

Прочность - способность элемента конструкции сопротивляться разрушению под нагрузкой;
Жесткость - способность элемента конструкции сопротивляться деформациям;
Устойчивость - способность элемента конструкции сопротивляться воздействию больших отклонений от равновесия при малых изменениях нагрузки.

Ограждающее пространство архитектурного объекта — его физическое тело, формируется конструкцией и проходит оценку прочностью и временем.

Физические и природные явления в строительстве и их влияние на объекты

Архитектор, который знает, как конструирование и строительство объектов связано с физическими явлениями, позволяет ему правильно предусматривать мероприятия по шумоизоляции здания, ориентация здания по свету, тип и вид ограждающей конструкции и т.д.

Факторы, воздействующие на возведение зданий, подразделяют на внутренние и внешние.

К внешним факторам относят природные и искусственные явления: шум, влага, осадки, радиация, электромагнитные волны, звуковые колебания, сейсмические волны и т.д.
К внутренним факторам относят технологические и функциональные явления: удары, пролив жидкости, биологические вредители, оборудования и люди.

При эксплуатации зданий различают силовые и агрессивные воздействия окружающей среды.

Агрессивная среда – среда, вызывающее деформацию или разрушение свойств материалов, которая приводит к снижению прочности сооружения.

Воздействие воздушной среды способствует к преждевременному разрушению, износу, растрескиванию здания (грязь, пыль + влага или выделение СО₂ и SO₂).

Воздействие грунтовых вод способствует развитию коррозии конструкции и выщелачиванию извести в бетоне, снижению прочности основания.

Воздействие отрицательных температур способствует разрушению тех конструкций, которые увлажняются. Промерзание грунтов в основаниях опасно для зданий, построенных на глинистых и пылеватых грунтах, мелко- и средне-зернистых песках, в которых вода по капиллярам и порам поднимается над уровнем грунтовых вод и находится в связанном виде.

Наиболее явно знание влияний всех вышеперечисленных явлений и элементов, можно рассмотреть при строительстве моста. Необходимо рассчитывать противодействие оказываемой нагрузки на мост; не будут ли размываться и разрушаться сваи моста.

Это всего лишь малая часть продемонстрированных основных физических явлений в природе, но все это обязан учитывать архитектор на стадии планировки своего сооружения.

Требования к конструкции зданий и сооружений

Все требования можно свести в четыре основные группы: функциональные, технические, архитектурно-художественные и экономические.

Функциональные требования – соответствие здания поставленным требованиям (а также создание необходимых качеств и условия быта и труда людей).
Технические – защита помещений от внешних воздействий среды.
Архитектурно-художественные (эстетические) – внешний облик здания, гармонично связанный с окружающей средой (удовлетворение потребностей прекрасного).
Экономические – предусмотренное уменьшение затрат на материалы, рабочую силу и время.

Важно выделить одно из технических требований – огнестойкость. Огнестойкость определяется степенью возгораемости материалов, применяемых при строительстве (несгораемые, трудно-сгораемые и сгораемые). Все эти основные требования в купе дают максимальную функциональность и безопасность сооружаемых зданий.

Останкинская телебашня

Перейдем к конкретным и наиболее наглядным примерам применения физики в архитектуре. Как наиболее показательную модель верных физических расчетов, правильный выбор места в противодействие природным и физическим явлениям. Рассмотрим Останкинскую телебашню.

Останкинская телебашня

Авторы проекта башни уверены в ее устойчивости: она строилась по принципу неваляшки. Три четверти общего веса башни приходятся на одну девятую ее высоты, значит, основная тяжесть башни сосредоточена внизу у основания. Этой башне не страшны землетрясения и ураганы.

Нет никакой магии и загадки в ее устойчивости. Данное высотное сооружение, как и многие другие, имеет близкое к земле расположение центра масс объекта. Останкинская башня находится в положении устойчивого равновесия, если линия действия силы тяжести никогда не выходит за пределы площади опоры. Небоскреб выполнен в интернациональном стиле – брутализм.

Штаб-квартира CCTV

Еще одним необычным построением можно выделить штаб-квартиру CCTV в Пекине.

Штаб-квартира CCTV в Пекине

Самой главной проблемой архитекторов являлась сейсмичность зоны.

Небоскреб CCTV выходит из общей платформы как две башни, которые наклонены друг к другу, а в конце сливается в перпендикулярную 75-метровую консоль. Структура штаб-квартиры CCTV и схема работы ее конструктивной схемы можно увидеть на фасаде здания - в областях, на которые оказываются большие нагрузки, структурная сетка становится более плотной, а еще наоборот, в областях, где испытываются меньшие нагрузки она менее плотная. Сам фасад является визуальным проявлением структуры объекта.

Правильное распределение нагрузок в разных фасадах здания и придает ему устойчивость и опору.

Исследовательская часть

Практическая часть

Опыт 1

Для первого опыта нам понадобятся два листа бумаги А4, клей и книги. Лист мы скрутим в трубку и зафиксируем с помощью клея. Данную процедуру проделаем еще с одним листом.

Далее установим трубки вертикально и сделаем нагрузку с помощью книг, более-менее подходящих по весу. В процессе мы придем к выводу, что чем больше мы кладем книг, тем сильнее будут прогибаться трубки и конструкция упадет.
Опыт 2

Для следующего опыта нам так же понадобится клей, два листа бумаги А4 и книги. Листы мы сложим гармошкой, получиться что-то вроде гофрированной бумаги. Затем, как в первом опыте, скрутим листы в трубки и установим вертикально. Нагрузку совершим тоже с помощью книг.

Заметим, что данная конструкция выдерживает намного больший вес, чем первая.

Вывод

Устойчивость объекта зависит от формы и распределения внутреннего веса. Основываясь на этом, можно правильно сконструировать объект, не боясь за его безопасность и сохранность.

Заключение

На основе исследованных и найденных мною данных и полученной информации, моя гипотеза подтвердилась.

Физика является неотъемлемой частью архитектуры. без нее уже на первом этапе реализации архитектурного проекта, конструкция могла начать разрушаться или стать неустойчивой. Именно знания физики помогают рассчитать устойчивость, прочность и жесткость здания, предотвратить скорого размывания или коррозии объекта через воздействие факторов среды.

Читайте также: