Здание Олимпийского центра водных видов спорта в Пекине выглядит так, будто он сделано из светящейся полупрозрачной пены. И на самом деле, для его создания команде архитекторов пришлось изучать строение мыльных пузырей!

Стены и потолок кубического здания в буквальном смысле слова состоят из огромных пузырей различных размеров, расположенных, на первый взгляд, произвольно. Но кажущаяся хаотичность является результатом упорного труда и точнейших математических расчетов.

Основная визуальная идея такой концепции очевидна. Пена — это олицетворение духа воды. Первоначально рассматривались и другие варианты — изменчивая фактура текущей воды, полупрозрачность тумана и холодная массивность прозрачного льда. Но в итоге команда Тристрама Карфрэ, архитектора австралийской компании Arup, остановилась все-таки на пене. Задача по созданию материалов, имитирующих пену, для возведения несущих стен сооружения, сама по себе была новой и сложной. После анализа свойств различных прозрачных строительных материалов, Карфрэ решил, что лучше всего для этого подойдет водостойкий и прочный сополимер этилена и тетрафторэтилена (ETFE), армированный стальной рамой. Для того, чтобы пена выглядела натурально, требовалось, чтобы каждый пузырек был индивидуален. Это сложная инженерная задача, и для ее решения Карфрэ пришлось обратиться за помощью к математике и проштудировать работы полуторавековой давности.

Еще в 1880-х годах знаменитый физик лорд Кельвин предположил, что эфир — таинственная субстанция, наполняющая пространство Вселенной — состоит из пены. Он даже рассчитал форму каждого пузырька в толще эфира. По мнению Кельвина, пузырьки должны были иметь минимальную площадь поверхности и притягиваться друг к другу благодаря силе поверхностного натяжения. Если такой пузырек отделить от других, он должен тут же принять форму сферы. Но так как их много, и они заполняют все пространство, то простейшей формой для них является тетрадекаэдр.

Карфрэ создал на компьютере графическую модель пенного блока из пузырьков Кельвина, однако виртуальная раскройка стен под разными углами к поверхности пузырьков не давала желаемого результата — фактура стены выглядела неестественно. Кельвин не помог Карфрэ, но его идеи подтолкнули австралийца к дальнейшему изучению теории вопроса.

Оказалось, что идея Кельвина об идеальной пене занимала не только самого Лорда. Тридцать лет назад два физика из Университета Тринити в Дублине, Деннис Уэйр и Роберт Фелан, решили проверить выводы Кельвина и почти случайно обнаружили, что сама природа дала отличную подсказку для правильного ответа на это вопрос. Целое семейство природных химических соединений, называемых клатратами, образует решетчатые упорядоченные структуры, напоминающие пену идеальной формы. Изучив структуру клатратов, Уэйр и Фелан создали идеальный пузырек, который оказался оптимальнее тетрадекаэдра.

Идеальная пена Уэйра-Фелана состоит из двух типов пузырьков разной формы, но одинакового объема. Площадь поверхности граней пузырьков Уэйра-Фелана оказалась на 0,3% меньше, чем у модели Кельвина. Забавно, но ирландцы так и не смогли математически доказать, что их пена является идеальной. По словам Фелана, построение теории идеального пузырька — фантастически сложная задача.

Но Карфрэ были не нужны доказательства. Ему была нужна пена. В это раз раскройка виртуального «пеноблока» дала отличный результат — срез под углом 111 градусов давал натуральную и очень красивую фактуру. И хотя в целом форма каждого отдельного пузырька была не уникальной, но для человеческого глаза поверхность стены выглядела, как спонтанный массив мыльных пузырьков различной формы и размера. Карфрэ получил рациональное и дешевое решение главной задачи — все пузырьки выглядели индивидуальными, но при этом были одинаковы.

Расчеты показали, что прочность пластиковой «пены», пронизанной стальной арматурой, вполне достаточна даже для того, чтобы здание можно было положить на бок без всякого ущерба для целостности конструкции. Интересно, что один из авторов идеи «идеального пузырька», Деннис Уэйр, узнал о том, что его работа стала основой для дизайна Олимпийского центра, уже после начала строительства. Когда он посетил Пекин, то сказал только одну фразу: «Это потрясающе!»

По сообщению ScienceNews