Математика и искусство

XIX век можно назвать "железным веком" в истории человечества: железные дороги и паровые машины, первый железный мост через Темзу (1816), первые застекленные металлические крыши (типа крыши московского ГУМа), металлические купола, быстро побившие недосягаемые древнеримские рекорды, и металлические пролеты, превысившие к концу века 100-метровый рубеж. В 1889 г. к открытию Всемирной выставки в Париже как символ победоносного шествия металла в технике и архитектуре была построена знаменитая Эйфелева башня по проекту французского инженера Гюстава Эйфеля (1832-1923). Она сразу вдвое перекрыла все рекорды по преодолению высоты, взметнувшись вверх на 312,6 метра! Так был побит самый долговечный рекорд в истории человечества: ведь пирамида Хеопса в течение 45 веков оставалась самым высоким творением рук человека. Первоначальная высота пирамиды Хеопса была 147 м, хотя к настоящему времени ее верхушка обвалилась и пирамида стала на 10 м ниже. Шпили готических соборов лишь приближались к этой отметке. Самым высоким в Англии был собор в Солисбери (1258 г., 123 м), а во Франции — Страсбургский собор (1439 г., 142 м). Башня собора в Бове, построенная в 1569 г., лишь на 8 метров и только на 4 года побила рекорд высоты пирамиды Хеопса, а затем рухнула. Крест собора Св. Петра в Риме был поднят на высоту 138 м. Только в XIX веке шпиль Ульмского собора поднялся на 12 метров выше пирамиды Хеопса. И вот в конце XIX века принципиально новая конструкция из принципиально нового материала дает принципиально новый результат!

Однако объявлять Эйфелеву башню произведением искусства парижане не спешили. "Здесь нет искусства, один металл!" — возмущались они. "Я бежал из Парижа, а затем покинул Францию, потому что меня навязчиво преследовал вид Эйфелевой башни,- писал Ги де Мопассан.- Вообразите же, что скажут отдаленные потомки о нашем поколении, если только вспышка народного гнева не повалит эту высоченную и тощую пирамиду железных лестниц".

Но не отдаленные потомки, а уже следующее поколение Парижан не мыслило себе родного города без Эйфелевой башни. И конечно же, бессмертие принесла Эйфелевой башне не ее конструкция, которая сегодня кажется архаичной, а пропорциональность и гармоническое единство ее форм, т. е. как раз то, что и делает строительную конструкцию произведением архитектурного искусства.

"Век железа" в архитектуре оказался недолгим. С новым XX веком пришел и новый необычный материал — железобетон, совершивший подлинную революцию в зодчестве. "Первая ласточка" новой архитектуры появилась в 1903 г. Это был жилой дом архитектора О. Перре в Париже — железобетонный каркас с большими остекленными проемами. Перре доказал, что возведение домов из кирпича и камня с массивными стенами необязательно. Так начался "век железобетона". Железобетон открывал невиданные возможности перед архитекторами: он был дешев, обладал необходимой прочностью, мог непрерывно переходить из одной формы в другую. Неудивительно, что зодчие спешили проверить новый материал на перекрытиях, сооружение которых всегда представляло одну из важнейших технических проблем. Скорлупа обычного куриного яйца была для архитекторов эталоном прочной и легкой конструкции. Отношение диаметра большого куриного яйца к толщине скорлупы равно в среднем 130. Такое соотношение между диаметром пролета и его толщиной казалось недостижимым. Например, для Пантеона в Риме оно равнялось 11, т. е. было на порядок меньше. И вот железобетонные "скорлупки" опрокидывают все традиционные представления и оставляют далеко позади рекорды куриного яйца. Наглядное представление о динамике этого важного в архитектуре параметра дает таблица 5.

Таблица 5. Динамика отношения диаметра оболочки к ее толщине в истории архитектуры

 

Радиобашня (впоследствии телебашня) Шухова на Шаболовке (Москва. 1922) и линейчатое свойство однополостного гиперболоида

Строительство железобетонных покрытий требовало опалубки, удерживающей жидкий бетон и придающей ему лучшую форму. Опалубку же удобнее всего делать из прямых досок. Простейшие поверхности, образованные движением прямой в пространстве и называемые линейчатыми поверхностями — цилиндры и конусы,- были известны давно. Еще древние римляне сооружали цилиндрические своды. А существуют ли другие линейчатые поверхности? Ответ на этот вопрос архитекторам подсказали математики, которые обнаружили еще два типа линейчатых поверхностей:

однополостный гиперболоид:

(13.1)

гиперболический параболоид:

(13.2)

Канонические уравнения этих поверхностей (13.1) и (13.2) легко представить в виде

откуда и видно, что они образованы двумя семействами прямых в пространстве (в уравнение прямой переменные х, у, z входят только в первых степенях).