ایفل ، استخوان و معماری اعجاب برانگیز

همه برج ایفل را دوست دارند. برجی کلاسیک، نمایی که یادآور بی درنگ پاریس است.  پس شاید متعجب شوید اگر بدانید در هنگام ساخت برج منتقد های زیادی ستایش گر این برج نبود. چند تا از عباراتی که برای توصیف برج استفاده می شد از این قرار است:

لامپ خیابانی زشت و غم انگیز …

اسکلتی که شبیه برج ناقوس کلیسا است …

دستگاه آهنی نیمه ساخته، گیج کننده و بد شکل …

اسکلت زمخت روی پایه ای که انگار برای عزاداری بزرگ یک غول باستانی ساخته شده اما تبدیل به شکل مسخره ای شبیه دودکش کارخانه شیمیایی شده است…

یک لوله کارخانه نیمه ساز، جنازه ای که آماده است با آجر یا سنگ تراش کامل شود، اسکلتی شبیه قیف و سوراخ سوراخ…

برای چشم های امروزی، شکل برج زیبا و برازنده است، حتی شاید تا ابد اینطور باشد. اما برای منتقد های زمان ساخت آن، برج یک هیولا بود. برج نمایان گر نوع جدیدی زیباشناسی بود و مدتی طول کشید تا مردم آن را تحسین کنند. ایفل به دنبال نوع عمیق تری زیبایی بود، نوعی که تنها درباره نمای آن نبود. زیبایی ایفل با دستیابی به مقاومتی بالا با کمترین مواد ممکن باید اقتصاد و بهره وری ساختمانی را هم شامل می شد. برج باید ساختار خوب مهندسی شده، کارا و ناب را به عنوان زیبایی در نظر می گرفت.

قوانین پنهان هماهنگی در ایفل

این حرفی است که ایفل در پاسخ به منتقدانش گفت: “آیا باید تصور کنیم یک مهندس ایده ای درباره زیبایی ساخته هایش ندارد؟ یا به دنبال به وجود آوردن ظرافت در عین استحکام و ماندگاری نیست؟ آیا درست نیست که چیز هایی که به سازه مقاومت می دهد قوانین پنهان هماهنگی و هارمونی را نیز پیاده می کند؟ در عظیم الجثه بودن هم یک جذابیت هست و همچنین لذتی فوق العاده که برای نظریه های عادی هنر به ندرت قابل اجرا است.”

برج ایفل به صورت خارق العاده برای انجام آنچه که می خواسته بهینه است، بلند و محکم ایستادن با استفاده از کمترین میزان مواد ساختنی. به جای پنهان کردن ساز و کار داخلی خود با یک نمای خارجی، ایفل اسکلت شاهکار خود را به نمایش می گذارد. با این کار، ایفل قوانین پنهان هماهنگی خود را نشان می دهد، قوانینی که بسیاری از آن ها در اسکلت بدن شما برای مقاومتی با وزن سبک پیاده شده است.

برای فهم طراحی ابتکاری ایفل بیاید با یک معما کار را آغاز کنیم. تصور کنید یک نفر تمام فلز برج را ذوب کند و به یک توپ جامد تبدیل کند. فکر می کنید این توپ چقدر بزرگ خواهد بود؟ هر کدام از توپ های نشان داده شده در تصویر در کنار قطر خود با مقیاس نشان داده شده اند.

قبل از این که ادامه مطلب را بخوانید یک حدس بزنید.

جواب درست گزینه D است. اگر تمام فلز برج را ذوب کنید و به یک توپ تبدیل کنید، قطر این توپ تنها ۱۲ متر خواهد بود. ارتفاع زیاد برج (۳۲۴ متر)  این حقیق را نشان می دهد که برج برای چنین اندازه ای بسیار سبک است. برای دیدن موضوع از نگاهی دیگر، اگر برج ایفل را ذوب کنید و به یک بلوک مکعب مستطیل در پایه آن تبدیل کنید، این بلوک تنها ۶ سانتی متر ارتفاع خواهد داشت. چنین چیزی حتی در تصویر بالا قابل نمایش نبود.

آخرین راه برای تصور سبکی برج ایفل. کوچک ترین سیلندر ممکن را تصور کنید که به دور برج ایفل کشیده شود.

حالا این را تصور کنید که هوای داخل این سیلندر وزن بیشتری نسبت به آهن استفاده شده در برج دارد.

پس برج ایفل چطور طراحی شده است که می تواند تحمل وزن قطعات خود را داشته باشد و از هوایی که دور آن را احاطه کرده هم سبک تر باشد؟

 

 

راز این موضوع در درک اشکال مقاومت است. این درسی است که با نگاه به درون خود می توانیم بگیریم. با شناخت استخوان های خود می توانیم مقداری از قوانینی را که در طراحی برج ایفل به کار رفته را کشف کنیم.

شکلی در شکلی دیگر در شکلی دیگر

اگر یک استخوان را ببرید، میبینید که به نوعی شبیه یک باگت است، بیرون آن سفت و داخل آن نرم اسفنجی است. مواد بیرون استخوان متراکم و محکم است. این قسمت متراکم بیشتر کار بلند کردن اجسام سنگین را برای استخوان انجام می دهد. در داخل مواد استخوانی اسفنجی تری وجود دارد. این استخوان اسفنجی نیز نقش مهمی در تحمل نیروهای هل دادن و کشیدن که استخوان های ما همیشه تحمل می کنند دارد.

حالا بیایید پوسته این باگت استخوانی را بزرگ نمایی کنیم، استخوان متراکم. این قسمت از لوله های کوچکی به نام اوستیون ساخته شده است که هر کدام تنها ۰٫۲ میلیمتر طول دارند و یک رگ خونی از میان آن ها عبور می کند. با بزرگ نمایی بیشتر بر دیواره ای این اوستیون ها میبینیم که آن ها از مجموعه هایی کوچک تر به نام فیبریل ساخته شده اند. باز هم با بزرگ نمایی بیشتر داخل یکی از این فیبریل ها میبینیم که آن ها واقعا از مجموعه هایی از فیبر ساخته شده اند و هر فیبر سه رشته در هم آمیخته است. این رشته ها را از هم جدا کنید تا بافت بنیادی ترین واحد استخوان را باز کرده باشد، مولکولی زنجیر شکل به نام کولاگن.

این راه قرار دادن فرکتال یا خود متشابه چیزها در کنار هم، ساخته شدن با موادی که با بزرگ نمایی بیشتر و بیشتر شبیه خود هستند، به عنوان یک سلسله ساختمانی شناخته می شود و همین ساختار سلسله مراتبی، لوله های داخل لوله های داخل لوله ها، است که به استخوان های ما این قدرت زیاد با وزن کم را می دهد. استخوان اسفنجی داخلی هم یک ساختار خود متشابه دارند. اگر به یک تکه از آن ها زیر میکروسکوپ نگاه کنید می بینید که شبیه اسفنج به نظر می آیند.

بامبو هم از همین ایده استفاده می کند. این علف که رشد بسیار سریعی دارد راهی برای کم کردن مواد و سبک ماندن احتیاج دارد تا بتواند بلند شود و زیر وزن خود نشکند. شکل لوله های پوک بامبو راهی بسیار بهینه برای محکم شدن است و مانند استخوان، بامبو هم از لوله های کوچک تری ساخته شده که آن ها نیز از  مجموعه های فیبری ساخته شده از مجموعه های کوچک تر ساخته شده اند! اگر بافت یک بامبو را تا کوچک ترین رشته باز کنید، در مقیاس نانومتر به مولکول زنجیر شکل دیگری می رسید، سلولز.

بامبو و استخوان مواد مهندسی نانو طبیعی هستند که از ساخت سلسه مراتبی برای به دست آوردن سبکی و قدرت استفاده می کنند. برج ایفل هم از همین ایده استفاده می کند. ایفل این ایده را از بامبو و استخوان گرفت ( اگر چه احتمالا خودش به تنهایی به این ایده رسیده است) و بر روی چیزی عظیم الجثه پیاده کرد.

مانند خیلی سازه های امروزی دیگر، برج ایفل از نظام متقاطع به شکل X به نام خرپا استفاده می کند. راهی بسیار بهینه برای مهندسی سازه ها بر اساس تکیه بر مقاومت درونی و استحکام مثلث ها. اگر به یکی از خرپا های برج ایفل دقت کنید می فهمید آن قدر ها هم که به نظر می آید تو پر نیستند و هر کدام از آن ها از خرپا های کوچک تر ساخته شده اند. جسم بیشتر از آهن، سوراخ دارد. این شکل تو خالی موجب سبکی خارق العاده آن شده است. دفعه دیگری که به یک پل می روید خوب نگاه کنید، ممکن است همین ایده را در آن هم ببینید.

 

شکل گرفته با باد

حالا که یاد گرفتید چطور یک برج سبک وزن بسازید، چطور مطمئن می شوید که برج محکم سر جای خود می ایستد؟ برج ایفل نه تنها باید بر جاذبه غلبه کند بلکه باید با نیروی سرنگون کننده قابل توجه باد هم مقابله کند. برای این کار، خم شیب دار برج، از بهترین شکل مقاومت در برابر باد پیروی می کند.

ترفند ساختن یک سازه خوب مهندسی شده در انتقال نیرو ها از جایی که آن ها را نمی خواهید به عمل در جایی است که می خواهید. ایفل این را فهمید. شکل برج او ویژگی هاصی را دارد که نیروی باد و وزن خود برج را به پایه های آن، جایی که محکم ترین اساس را دارد، انتقال می دهد. (در عبارات فیزیکی، برج دقیقا همین شکلی را دارد که گشتاور یا سرنگونی بر اثر گرانش که توسط باد تولید شده است توسط گشتاور ناشی از وزن خود برج خنثی می شود.) در مصاحبه ای که ایفل به منتقدین خود پاسخ می دهد، ایفل این ایده را توضیح می دهد: “چرا در طراحی برج باید در درجه اول نگران طراحی آن می بودم؟ به خاطر مقاومت در برابر باد. خب! من می گویم که خم چهار لبه خارجی سازه که دقیقا همانطوری است که محاسبات ریاضی می گوید، نشانی بزرگ از قدرت و زیبایی است.”

این جرثقیل منه!

با درک گردش نیرو ها، مهندسان ایفل می توانستند یک سازه بهینه را طراحی کنند، با قرار دادن چیز ها در همان جایی که لازم است و دور کردن آن ها از جایی که نباید باشند. روشی که آن ها استفاده کردند تا گردش نیرو ها را تصویر سازی کنند رابطه ای جالب با علم استخوان ها دارد. این موضوع در کتاب لذت بخش “درباره رشد و شکل گیری” د آرسی تامپسون (D’Arcy Thompson)، رساله چاپ شده در سال ۱۹۱۷ با بیش از هزار صفحه درباره قوانین ریاضی که در زیست شناسی نقش دارند، توضیح داده شده است.

مهندسی بزرگ، پروفسور کالمن (Culmann) از زوریخ، کسی که روش جدید استاتیک گرافیک را مدیون او هستیم در سال ۱۸۶۶ به اتاق کالبد شکافی همکارش رفت، جایی که کالبدشناس در حال کار بر روی مقطع استخوان بود. مهندس، که مشغول طراحی یک جرثقیل جدید و قوی بود در لحظه ای دید که نظام میله میله های استخوانی (بافت اسفنجی استخوانی) چیزی بیشتر یا کمتر از طرح خطوط فشار یا جهت های کشش و تراکم نبود در ساختاری بارگذاری شده نبود. طبیعت در حال محکم کردن استخوان ها در حالت و جهت دقیق مورد احتیاج بود. گفته می شود او فریاد زد: “این جرثقیل منه!”

وقتی یک مهندسی به یک سازه نگاه می کند، چیزی بیش از مواد را می بیند، او نیرو های فعال در سازه را می بیند، مانند حالتی که کسی یک جفت عینک اشعه ایکس به چشم بزند. این نیرو ها به دو صورت می آیند: نیرو های پیش برنده که یک جسم را به جلو می رانند و نیرو های عقب برنده که یک جسم را به عقب می رانند. هر جسم فیزیکی که می بینید، یک میز یا صندلی یا برج و آسمان خراش در واقع یک اجتماع بزرگ از این نیرو های کشنده و هل دهنده است (یا همانطور که مهندسان می گویند، نیرو های کشش و تراکم).

پس وقتی کالمن در حال طراحی جرثقیل خود بود از روش جدید طراحی شده خود به نام استاتیک گرافیک برای نقشه کشی این نیرو های کشش و تراکم بود و این چیزی است که او کشید:

در سمت راست طراحی از نیرو های کشش و تراکم در جرثقیلی است که او مطالعه می کرد. در سمت راست طرحی از نیروهای کشش و تراکم در بالای استخوان ران است. این عکس ها از انتشارات ۱۸۷۰ کالمن و ولف گرفته شده است و نشان دهنده اولین همکاری بین یک مهندس و یک کالبدشناس است.

پس وقتی کالمن طرح استخوان اسفنجی در بالای استخوان ران را دید، به یاد جرثقیل خود افتاد. او تحت تاثیر این موضوع قرار گرفت که چقدر واضح می توانست خطوط متقاطع نیرو ها در استخوان ببیند.

داخل استخوان اسفنجی ران شما به صورتی بهینه طراحی شده است که مواد در جایی حضور داشته باشند که نیرو ها در بالاترین سطح هستند و در جایی نباشند که نیرویی به آن محل وارد نمی شود. در استخوان، این فرآیند به تدریج در طول رشد آن اتفاق می افتد. استخوان اسفنجی در جهت هایی سفت می شود و قرار می گیرد که بیشترین  نیرو را حس می کند و در آن نواحی که استفاده نمی شود ضعیف می شود. در این جا یک شباهت درباره شکل گرفتن سطح ماسه سنگ ها وجود دارد. باد جا هایی را که سنگ زیر فشار کمتری دارد صیقل می دهد و طرحی سه بعدی از خطوط نیرو به جا می گذارد، قسمتی که سنگ متراکم از بقیه جا ها بوده است.

در سال های اخیر دقت ریاضی این رابطه بین استخوان و نیرو زیر سوال رفته است. اما قانون کلی آن به طور گسترده مورد قبول است، قانونی که طبق آن استخوان با نیاز های کارکردی خود وفق پیدا می کند و ساختمان آن مرتبط با نیرو هایی که بر آن تاثیر می گذارند است.

این چه ارتباطی با ایفل دارد؟ خب، نگرش کالمن در نمایش گرافیکی نیرو های کشش و تراکم ابزار قدرتمند و جدیدی بود که تا امروز نیز استفاده می شود. یکی از دانشجویان کالمن، موریس کوچلین (Maurice Koechlin)، برای ایفل کار می کرد و این کوچلین بود که طرح اولیه برج ایفل را در تمرین تصویر سازی نیرو های خود کشید. همان ابزاری که کالمن توسعه داد و برای فهم استخوان استفاده کرد، توسط مهندسان ایفل برای طراحی برجی با کمترین مواد اولیه استفاده شد.

در هنگامی که منتقدان برج ایفل را برای توهین یک اسکلت می خوانند، در واقع از آن تعریف می کردند. وقتی صحبت از مهندسی می شود چیز های بسیاری هست که می توانیم از استخوان های خود یاد بگیریم.

 

 

 

 

 

منبع