Здание в миллиард этажей
Моя дочь (4,5 года) говорит, что хочет здание в миллиард этажей. Трудно не только помочь ей оценить размеры такого здания, я вообще не знаю, как объяснить ей все те трудности, которые придется преодолеть.
— Кира через Стива Бродовица, г. Медиа, шт. Пенсильвания
Если ты сделаешь слишком большое здание, то верхняя часть станет чересчур тяжелой и расплющит нижнюю.
Ты когда-нибудь пробовала построить башню из арахисового масла? Легко сделать небольшую, вроде бесформенного замка на печеньке, и она будет достаточно прочной, чтобы стоять. Но если попробовать сделать по-настоящему большой замок, он сожмется в блин.
Так же и со зданиями. Мы делаем прочные строения, но не можем построить здание, уходящее вершиной в космос, потому что верхняя часть раздавит нижнюю.
Мы строим довольно высокие здания, некоторые почти километр в высоту. Возможно, мы сможем делать здания высотой в 2 или 3 километра, если захотим, и они будут держать свой вес. Преодолеть рубеж в три километра может оказаться сложно.
Но, кроме веса, с высокими зданиями есть и другие проблемы.
Одна из них — это ветер. На высоте ветер очень сильный, и строение должно быть очень прочным, чтобы устоять против него.
Другая большая проблема — это, как ни удивительно, лифты. В высоких зданиях они необходимы, поскольку никто не захочет подниматься тысячи пролетов по ступеням. Если в здании много этажей, то потребуется много разных лифтов, так как огромное количество людей будет приходить и уходить одновременно. Если сделать столь высокое здание, то оно будет целиком состоять из лифтов, а места под квартиры не останется.
Быть может, ты придумаешь, как доставлять людей на нужные этажи без уймы лифтов. Можно попробовать сделать огромный лифт, обслуживающий сразу по 10 этажей. Или быстрый лифт по типу американских горок. Или доставлять людей прямо в комнаты по воздуху с помощью воздушных шаров. Или запускать их из катапульты.
Лифты и ветер — это большие проблемы, но самой большой будут деньги.
Никто не хочет по-настоящему высоких зданий настолько сильно, чтобы тратиться на них. Многокилометровый дом обойдется в миллиарды долларов, а миллиард долларов — это куча денег! С такой суммой можно арендовать огромный космический корабль, спасти лемуров от вымирания, дать каждому жителю США по доллару, еще и сдача останется. Большинство людей не считает, что стоит тратить большие деньги на гигантские башни высотой несколько километров.
Если ты настолько богата, что можешь заплатить за собственную башню, уходящую вершиной в космос, попутно решив все инженерные проблемы, то с башней в миллиард этажей проблемы все равно будут. Миллиард этажей — это просто слишком много.
Большой небоскреб может состоять из сотни этажей, по высоте это как 100 небольших домиков.
Если поставить 100 небоскребов друг на друга, то получившийся меганебоскреб вытянется на половину расстояния до космоса.
В этом небоскребе всего 10 000 этажей, что значительно меньше требуемого миллиарда! Каждый из 100 небоскребов состоит из 100 этажей, так что весь меганебоскреб состоит из 100 на 100 — 10 000 этажей.
Но ты хотела небоскреб в 1 000 000 000 этажей. Давай построим мегамеганебоскреб, поставив друг на друга 100 меганебоскребов:
Мегамеганебоскреб настолько возвышается над Землей, что космические корабли будут врезаться в него. Если орбитальная станция полетит в башню, ее экипаж может избежать столкновения, маневрируя с помощью двигателей [ 1 ] . ↲ Думаю, они будут очень недовольны необходимостью постоянно уворачиваться от вашей башни, так что вам, быть может, стоит при подлете подкидывать им топлива и закусок с помощью рельсовой пушки. ↳ Плохая новость в том, что космос полон неисправных кораблей, искусственных спутников и просто мусора, и все это бессистемно летает вокруг Земли. Если построить мегамеганебоскреб, обломки будут время от времени врезаться в него.
Как бы то ни было, мегамеганебоскреб состоит из всего-то 100 на 10 000 = 1 000 000 этажей. Это все еще сильно меньше 1 000 000 000, который ты хотела!
Построим новый мегамегаМЕГАнебоскреб, поставив друг на друга 100 мегамеганебоскребов:
МегамегаМЕГАнебоскреб будет настолько высоким, что его вершина почти коснется Луны.
Но в нем всего 100 000 000 этажей! Чтобы добраться до 1 000 000 000 этажей, поставим друг на друга 10 мегамегаМЕГАнебоскребов — и получим один Киранебоскреб:
Постройка Киранебоскреба практически невозможна. Его пришлось бы беречь от столкновения с Луной, разрушения земной гравитацией и падения на планету подобно огромному метеориту, который убил динозавров.
Но некоторые инженеры поддерживают идею, похожую на твою, — космические лифты. Они не такие высокие, как твое здание (космический лифт покроет лишь часть пути до Луны), но это уже близко!
Некоторые люди думают, что мы сможем построить космический лифт, другие считают это бредовой идеей. Мы не можем построить его сейчас, поскольку есть проблемы, для которых у нас нет решений: например, как сделать трос достаточно прочным и как передавать энергию для работы лифтов. Если ты действительно хочешь построить гигантскую башню, то можешь разузнать побольше о проблемах, которые пытаются решить в этом проекте, и в конечном счете стать тем, кто предложит решение. Быть может, однажды ты сможешь построить огромную башню до космоса.
Хотя я почти уверен, что она будет сделана не из арахисового масла.
© What If? по-русски, 2018
Нас можно найти во ВКонтакте, в Twitterʼе, на GitHubʼе.
А еще мы переводим комиксы на сайте xkcd.ru!
В материалах сайта используются оригинальные тексты и изображения с сайта what-if.xkcd.com.
Материалы сайта источника и этого сайта распространяются по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 2.5 License. Также авторы этого сайта полностью солидарны с комментариями к лицензии.
Нашли опечатку? Чтобы сообщить нам, выделите текст ошибки и нажмите Ctrl+Enter (со смартфона — кнопку «Ошибка?»).
Источник
Возможно ли построить небоскреб высотой в 100км?
В недалёком будущем людям остро встанет вопрос с проблемой жилья. Уже сегодня в странах с высокой плотностью населения люди живут буквально «друг на друге». Города с каждым годом расширяются, маленькие хрущёвки заменяются небоскрёбами, и настанет момент, когда мы построим целый город в одном здании. Кажется нереальным? Не согласен.
На сегодняшний день самым высоким зданием в мире является небоскреб в Объединенных Арабских Эмиратах — Бурдж-Халифа высотой в 824 метра.
Саудовская Аравия тем временем начала строить здание Kingdom Tower, высота которого достигнет отметку 1 км, но никто так и не замахивается на что-то большее. Или замахивается?
Ещё в далеком 1966 году в СССР смоделировали полный проект здания высотой в 4 тысячи метров по заказу одной из японских компаний. Проект был назван Башней Никитина-Травуша 4000, и на момент 1969 года была готова вся система снабжения, вентиляции и прочих инженерных расчетов для здания. Мало того, были смоделированы и внутренние корпуса для людей! Но из-за разногласий проект здания сначала уменьшался до 2000 метров, затем до 550 и в конце концов проект был закрыт.
Но на этом дело не остановилось: одна из Японских компаний в 2014 году объявила о возобновлении строительства башни высотой в 4000 метров, но уже в форме горы. Проект был также готов на 100%, компания нагнала ажиотаж на весь мир.
Проект был назван X-Seed 4000. Позже, в 2016 году главный директор компании сообщил, что все это было рекламной компанией, которая, кстати, прошла успешно. И хотя от планов по постройке такого гиганта отказались, давайте подумаем: а можно ли в принципе построить 100-километровый небоскрёб?
Что нам говорит физика?
На высоте 100 км ускорение свободного падения отличается от нормального всего на 3% (9.5 м/с^2 против 9.8), так что этой разницей можно спокойно пренебречь. То есть физика не против нашего пребывания на тридцати тысячном этаже.
Но вот с остальным будет труднее. Чтобы продолжить наше строительство, нам будет нужно подобрать правильную форму нашего здания. Мы не можем построить 100 километровый небоскреб привычной нам формы, так как самая главная проблема всех зданий — это землетрясение.
Чтобы построить сейсмостойкий небоскреб, нам подойдёт та же форма, что предложили инженеры X-Seed 4000. Она будет иметь форму пирамиды и занимать место целого города. То есть мы будем жить, ходить на работу и ездить на отдых, буквально не выходя из дома 🙂
Фасад будет сделан из самого крепкого металла (природного), сплава железа с углеродом — стали. Да, можно использовать титан, но на холоде сталь проявляет себя лучше. А на высоте 80-90 км температура доходит до -76°С!
Теперь разберемся с тем, что будут делать жители тех этажей, которые переходят порог 3000 метров. На этой высоте у человека начинается так называемая «высотная болезнь» — кислородная недостаточность. Начинаются рвота, сильные головные боли, отек мозга и лёгких, галлюцинации. Но это ещё цветочки по сравнению с тем, что будет твориться с людьми на высоте больше 10 км. Начинается практически безвоздушная среда, без молекул и давления. Газы, растворённые в нашей крови, начнут испаряться, а кровь – буквально кипеть.
Так что, можно ли всё же его построить?
Главный архитектор X-Seed 4000 Эрик Хауэлер, когда его спросили о том, забросили ли проект или нет, ответил:
-планы по строительству данного небоскреба вполне осуществимы. Вот только кто согласится выделить на его возведение 1 триллион долларов или ждать лифта на 800 этаже? (в нашем здании было бы целых 20 тысяч этажей).
И действительно, стоит ли такой проект своих денег? Сейчас – нет. Жить на 10-километровой высоте и никогда не выходить из города-небоскрёба? Сейчас это никому не надо. Мы можем путешествовать по миру и жить где угодно. Да и стоит это гораздо дешевле.
Но вот для чего небоскрёб высотой в 100 км действительно нужен, так это для освоения космоса. МКС, к примеру, вращается вокруг Земли на высоте 400 км, и стоимость доставки 1 кг полезного груза к ней превышает 10 тысяч долларов. А если возить просто лифтом, то стоимость сократится в 100-200 раз и составит $200-500.
Ещё такая высотка понадобится, если глобальное потепление превратит процветающие регионы в пустыни. Тогда людям придётся строить либо под водой, либо в воздухе. И второй вариант кажется куда оптимистичнее.
Понравилась статья? Ставь палец вверх и подписывайся на мой канал — там ещё множество научных тем: космос, химия, физика, технологии,изобретения и многое другое. Читай меня в телеграме ( Будни Учёного 2.0 ) и в Яндекс.Дзене ( Мир науки )!
Источник
Как построить башню высотой до космоса?
Небоскрёбы в Дубае, включая Бурдж-Халифа, 2015
Человеческое стремление строить всё более высокие и впечатляющие структуры ненасытно. Пирамиды древнего Египта, Великая китайская стена, Бурдж-Халифа в Дубае – на сегодня высочайшее строение 828 метров в высоту – всё это последствия поиска пределов инженерных возможностей. Однако огромные здания служат не только монументами человеческим амбициям: они могут стать ключом к прогрессу человечества в космический век.
Сейчас существует уже несколько предложений по строительству отдельно стоящей башни, или “космического лифта”, который мог бы достичь геосинхронной орбиты Земли. Такая башня стала бы альтернативой ракетному транспорту и кардинально уменьшила бы количество энергии, необходимое для выхода в космос. Кроме того, мы можем представить себе космические мегаструктуры высотой во много километров, питаемые солнечной энергией, и окружающие целые планеты или даже звёзды.
В последние годы благодаря прочности и надёжности таких веществ, как современные стальные сплавы, инженеры могут создавать всё более крупные структуры. Но при вторжении в область мегаструктур, чьи размеры превышают 1000 км, поддержка безопасности и целостности становится дьявольски трудной задачей. Ведь чем больше структура, тем больше нагрузки она испытывает из-за своего веса и размера. Нагрузка измеряется в механическом натяжении, когда вы растягиваете предмет с концов или сжимаете его. Прочность – это максимальное напряжение структуры, при котором она ещё не разрушается.
Оказывается, что биологический дизайн, вооружённый опытом в 3,8 млрд лет, может помочь нам решить и эту загадку. До эпохи материаловедения инженерам приходилось обращаться к природе в поиске творческих уловок, которые помогли бы им преодолевать ограничения материалов. Классические цивилизации, к примеру, изготавливали боевые машины, способные растягиваться и вновь сжиматься, запуская метательные снаряды во врага, из перекрученных жил, сделанных из шкуры животных. А потом появились такие материалы, как сталь и бетон, и они начали становиться всё прочнее и легче.
Это привело к появлению такой смежной дисциплины, как техника обеспечения надёжности. Дизайнеры начали создавать структуры, прочность которых сильно превышала необходимую нагрузку – то есть, нагрузка на материалы оставалась в промежутке, в котором вероятность разрушения была весьма низкой. Однако при превращении структур в мегаструктуры расчёты показывают, что такой подход с низкими рисками накладывает ограничение на их размер. Мегаструктурам приходится выжимать из материалов всё возможное, лишая их роскоши комфортабельного уровня нагрузки.
Однако кости и сухожилия нашего тела такой роскоши не имеют. Они на самом деле часто сжимаются и растягиваются, выходя за те пределы, за которыми, как ожидается, эти материалы должны начать разрушаться. Однако же эти компоненты человеческих тел гораздо более надёжны, чем мог бы обещать один лишь составляющий их материал. К примеру, простой бег напрягает ахиллесово сухожилие на 75% от максимально возможного его натяжения, а тяжелоатлеты испытывают нагрузку на поясничный отдел позвоночника, равную 90% от максимальной, поднимая сотни килограмм.
Как биология справляется с такими нагрузками? Наши тела постоянно чинят сами себя и перерабатывают свой материал. В сухожилиях волокна заменяются так, что, несмотря на наличие нескольких повреждённых волокон, в целом сухожилия остаются в рабочем состоянии. Это постоянное восстановление эффективное и недорогое, и может меняться в зависимости от нагрузок. Все структуры нашего тела находятся в процессе постоянного обновления. Примерно 98% всех атомов человеческого тела меняются за год.
Оплатите подписку, и реклама отключится
Недавно мы применили эту парадигму самовосстановления, чтобы узнать, можно ли сделать надёжный космический лифт при помощи существующих материалов. Распространённая схема предполагает изготовление кабеля длиной 91 000 км (под названием привязь), простирающегося с экватора, на конце которого балансирует противовес, находящийся в космосе. Привязь должна состоять из пучков параллельных волокон, похожих на коллагеновые волокна сухожилий или остеоны в костях, но состоять из кевлара, материала, из которого делают пуленепробиваемые и непрорезаемые ножом жилеты. Используя датчики и софт с возможностями ИИ, возможно смоделировать всю привязь математически так, чтобы предсказать, где, когда и как будут рваться волокна. Когда они будут рваться, быстрые роботы, патрулирующие привязь, должны их заменять, по необходимости подстраивая скорость обслуживания и ремонта – имитируя чувствительность биологических процессов. Несмотря на то, что эта структура будет работать с нагрузками, превышающими те, что могут выдерживать материалы, мы показали, что она сможет оставаться надёжной и не потребует непомерно частой замены. Более того, максимальная прочность материала, необходимая для создания надёжной структуры, уменьшается на 44%.
Такой подход на основе биологии может помочь и в создании наземных структур, например, мостов и небоскрёбов. Выжимая все возможности из материалов, и оборудуя структуры системами автономной починки и замены, мы можем преодолеть существующие ограничения, увеличив надёжность. Чтобы представить себе преимущества работы в режиме, приближающемся к ограничениям нагрузки на материал, представьте себе подвесной мост из стальных тросов, провисающих в середине. Главной проблемой увеличения длины моста будет то, что чем длиннее трос, тем он тяжелее, и в итоге он рвётся под своей тяжестью. Если растянуть трос на 50% от максимальной нагрузки, максимальная длина моста составит 4 км. Но если растянуть его на 90% нагрузки, то максимальная длина увеличивается до 7,5 км. Однако для гарантии безопасности троса потребуется ювелирная замена волокон, как это происходит в биологических системах.
Мегаструктуры перестают быть научной фантастикой. Людей не отпугнуло падение Вавилонской башни, описанное в Ветхом завете, и они продолжают строить всё выше, больше и быстрее, подгоняемые невероятными успехами науки и технологии. Однако, по стандартам классических специалистов по технике обеспечения надёжности, мы ещё не достигли своих пределов. Нам нужна новая парадигма, концентрирующаяся не только на прочности материала, но и на внутренних возможностях систем по самостоятельному ремонту. Нам не нужно вести поиски где-то далеко при наличии у нас перед глазами чуда биологической жизни, и мы можем верить в то, что у истории эволюции есть, чему научиться.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник