Тенсегрити⁠⁠

Столкнулся я значит с интересным решением для столов и прочей мебели. Может кто и знаком с такой технологией, но для меня это оказалось в новинку. Решил узнать что же это такое, и какой принцип работы. Как обычно, русская вики даёт достаточно скудный материал, поэтому лезем в зарубежные источники

Итак начнем.

Тенсегрити( tensegrity ) Произошло от слияния двух английских слов tensional integrity, что в переводе на русский будет звучать как, соединение путём натяжения либо напряжённосвязанными.

Термин с богатой историей, придуманный еще архитектором и поэтом Бакминстером Фуллерером, чтобы описать своё видение нового типа архитектуры. Фуллер представлял себе мир, полный нетрадиционных структур, которые сохраняют свою стабильность или целостность благодаря силе напряжения , отсюда и термин тенсегрити.

Фулер начал развивать своё видение в 1920-х годах, когда многие исследовали нвоые направления в дизайне и архитектуре. В 1949 году, его ученик - Кеннет Снельсон создал свою первую структуру, которую можно определить как "тенсегрити".

Используя две Х-образные деревянные стойки, подвешенные в воздухе натянутым нейлоновым тросом, Снельсон уловил определяющие черты тенсегрити:

1. Всепроникающее напряжение и разделение жестких элементов. В ставшей теперь знаковой конструкции Снельсона стойки, устойчивые к сжатию, не соприкасаются, а вместо этого поднимаются индивидуально, каждая из которых охватывается и соединяется между собой системой непрерывно натянутых тросов - состояние, которое Снельсон и Фуллер назвали «непрерывным напряжением, прерывистым сжатием».

2. Стабильный. Хотя скульптура Снельсона выглядит неземной (ее деревянные буквы X кажутся почти парящими), она удивительно устойчива, несмотря на минимальное использование жестких элементов. Эта стабильность обусловлена тем, что компоненты растяжения и сжатия всегда находятся в механическом равновесии .

3. Предварительно напряженный. Это механическое равновесие является результатом того, как компоненты сжатия и растяжения взаимодействуют, проявляя сущность друг друга: тросы натягиваются на обоих концах стоек, в то время как стойки выталкивают и растягивают тросы. В результате каждый элемент тенсегрити-структуры уже напряжен — элементы сжатия уже сжаты, элементы растяжения уже напряжены — и они испытывают напряжение друг от друга — состояние, известное как «самонапряжение» или «предварительное напряжение».

4. Устойчивый. Хотя структуры тенсегрити стабилизируются предварительным напряжением, они также прекрасно реагируют на внешние возмущения. Их компоненты немедленно переориентируются при деформации конструкции, причем делают это обратимо и без разрушения.

5. Глобально интегрированный. Поскольку компоненты так тесно взаимосвязаны, то, что чувствует один, ощущается всеми, образуя поистине целостную структуру.

6. Модульный. Хотя структура тенсегрити завершена сама по себе, она может объединяться с другими подобными структурами, образуя более крупную систему тенсегрити. В этих системах отдельные единицы тенсегрити могут быть нарушены без ущерба для общей целостности системы.

7. Иерархический. Фактически, меньшие структуры тенсегрити могут функционировать как сжимающие или растягивающие компоненты в более крупной системе тенсегрити, которая, в свою очередь, может выполнять аналогичную функцию в еще более крупных системах (рис. 2).

Хотя тенсегрити впервые было реализовано в середине 20-го века, некоторые видели намеки в скульптуре 1920 года русского художника-конструктивиста Карла Иогансона (Эммерих, 1988; Мотро, 2003). Однако целью Иогансона было показать, как растянутую конструкцию можно деформировать, а не сделать стабильной. Фуллер, с другой стороны, похоже, был одержим идеей стабильности еще в детстве. Почти слепой с рождения, он развил тактильное чувство геометрических фигур, в частности треугольников и тетраэдров, которые произвели на него впечатление как наиболее устойчивые формы в природе.

Используя свое новое понимание того, что в 1955 году он назвал «тенсегрити», Фуллер обратил свое внимание на строительство высоких мачт и геодезических куполов. Он знал, что геодезическое устройство основано на силе треугольника, и давно подозревал, что тенсегрити также действует. Имея в виду шаблон Снельсона, он теперь смог увидеть, как купол, хотя и построенный из негибких элементов, демонстрирует тенсегрити: он увидел, как непрерывная передача сил натяжения через каркас уравновешивается набором стоек, которые сопротивляются сжатию.

К началу 1970-х годов имя Фуллера было практически нарицательным. Его геодезические купола стали символом контркультурного движения 1960-х годов, даже когда они появлялись в военных лагерях и промышленных парках. Инженеры-строители использовали принципы тенсегрити для строительства павильонов, куполов и пространственных каркасов — опоясывающих конструкций, охватывающих потолки и стены сараев и других крупных зданий. Начали появляться статьи по тенсегрити и писались первые учебники (Пью, 1976; Кеннер, 1976). Снельсон тоже был втянут в повседневный мир, его монументальные плавучие конструкции из стали и алюминия украшали все большее число музеев и площадей. Его работы, как и работы Фуллера, преподавали на курсах колледжей. Только крупных конструкций, построенных по этому принципу, в мире установлено свыше 300 000.

Фуллер и Снельсон использовали принцип тенсегрити для создания гибких и прочных структур, а инженеры, архитекторы и художники опирались на свою работу на протяжении прошлого столетия и в настоящем. За последние 20 лет произошел взрыв активности в области гражданского строительства и архитектуры, частично вдохновленный работами Рене Мотро, Роберта Скелтона и Роберта Буркхарда, чьи усилия по систематизации, категоризации и разработке алгоритмовдля создания широкого спектра структур тенсегрити сделали дизайн тенсегрити доступным для более широкой аудитории (Мотро, 2003; Скелтон и де Оливейра, 2009; Буркхардт, 2008). Такие математики, как Роберт Коннелли, изучали основные геометрические принципы структур тенсегрити, определяя их как систему точек и вершин, пытаясь понять, как различные структуры тенсегрити сохраняют свою стабильность, и определить, какие структуры возможны, а какие нет. Коннелли и Бэк, 1998). Снельсон и другие художники продолжали использовать принципы тенсегрити для создания структур огромной силы, устойчивости и красоты.

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 отзывчивой. Действительно, Ингбер и его коллеги показали, что механические силы, действующие на поверхность клетки, могут передаваться ядру, что приводит к биохимическим изменениям и, в конечном итоге, к генетическим изменениям — включению и выключению генов. Этот процесс, известный как «механотрансдукция», играет центральную роль в том, как клетки, а также ткани и органы реагируют на физическую силу: как кости и хрящи реагируют на сжатие; мышцы и кожа реагируют на напряжение; кровеносных сосудов к давлению кровотока (Ингбер, 1996; 2003б). Как показал Ингбер, посредством тенсегрити даже сила гравитации может влиять на рост клеток, тканей и органов (Ингбер, 1999; Ингбер, 2006). За последние 20 лет механотрансдукция и тенсегрити, в более широком смысле, привлекли внимание не только биологов, но и врачей и других специалистов здравоохранения — мануальных терапевтов, иглотерапевтов, физиотерапевтов и массажистов, — которые давно подозревали, что механические манипуляции могут оказывать глубокое воздействие на ткани и органы организма (Ингбер 2003г; Левин, 2002).

Фуллер дожил до того, чтобы увидеть, как его видение мира, наполненного искусственными структурами тенсегрити, воплотилось в жизнь в большом масштабе, с высокими мачтами, колоссальными куполами и обширными космическими каркасами. Его концепция дизайна, зародившаяся в области искусства и архитектуры, изменила мир, в котором мы живем, и продолжает это делать, хотя и в направлении, которого даже Фуллер, возможно, не ожидал — на наноуровне. В 1985 году, через два года после его смерти, исследователи обнаружили необычную новую форму углерода, в которой 60 атомов углерода расположены в форме геодезической сферы, наподобие микроскопического футбольного мяча. Ученые, получившие Нобелевскую премию 1996 года, назвали эти углеродные соединения бакминстерскими фуллеренами, также называемыми бакиболлами (Крото и др., 1985). Углеродные фуллерены также могут принимать цилиндрическую форму. Эти углеродные нанотрубки, или бакитрубки, являются чрезвычайно эффективными проводниками электричества и могут проводить плотность электрического тока в тысячу раз выше, чем медь. Их прочность на разрыв в пятьдесят раз выше, чем у углеродистой стали, но при этом они обладают большей гибкостью.

Одним из любимых высказываний Фуллера было то, что в природе нет отдельных разделов математики, физики, химии, биологии, искусства или архитектуры. Чтобы полностью изучить тенсегрити, необходимо охватить все эти дисциплины. Многие сделали этот скачок — их усилия можно увидеть в таких разнообразных областях, как нанотехнологии, тканевая инженерия, архитектура и исследование космоса. Если в будущем решения наших наиболее насущных социальных и экологических проблем исходят от природы, то развитие тенсегрити, вероятно, станет еще более важным.