Гофрированный лист

Существуют две возможности, позволяющие придать тонкому листу со значительной площадью поверхности, а именно таковы листья многих тропических растений, дополнительную жесткость.

С одной из них мы уже познакомились. Это - образование ребер жесткости. Для водных растений, как Виктория регия, этот метод вполне пригоден. Здесь практически не имеет никакого значения то обстоятельство, что дополнительные конструкции в форме многочисленных распорок утяжеляют лист. Вода, на поверхности которой плавают листья гигантских лилий, хорошо выдерживает их вес.

Иное дело крупные и очень крупные листья наземных растений, и прежде всего тех, которые произрастают в тропических районах Земли с их частыми ураганными ветрами и сильными ливнями.

Длина листьев некоторых видов веерообразных пальм достигает 5-10 метров, в отдельных случаях - 15 метров при ширине 3-4 метра. Площадь поверхности таких листьев-гигантов колеблется от 15 до 60 квадратных метров. Само собой разумеется, что при столь огромных размерах сам лист должен быть предельно легким, с тем, чтобы не создавать чрезмерной нагрузки на черешок. Черешок должен не только выдерживать вес листа-гиганта, но и суметь оказывать сопротивление всем воздействующим на него силам. На островах Малайского архипелага почти ежедневно во второй половине дня разражаются тропические ливни. Они сопровождаются ураганными ветрами, подвергающими листья пальм и других растений жесточайшим испытаниям на прочность. Одновременно с неба всего за несколько часов на землю низвергается колоссальное количество воды, какого не может дать даже знаменитый зальцбургский ливень, даже если бы он длился целый месяц. Поэтому крупные листья тропических растений, чтобы противостоять всем превратностям непогоды, должны быть, с одной стороны, исключительно легкими, с другой - в высшей степени прочными. Суметь конструктивно увязать такие характеристики, как легкость и прочность, - чрезвычайно сложная техническая проблема. Растениям удалось успешно решить ее, использовав принцип гофрирования. Хорошо известно, что жесткость на изгиб тонкого листа стали повышается, если сделать на нем ряд параллельных волнистых складок. Сколь значительным может быть при этом увеличение прочности, показывает простой пример. Возьмем лист машинописной бумаги и сложим его гармошкой по длине с таким расчетом, чтобы ширина каждой складки составляла один сантиметр. В итоге мы получим лист гофрированной бумаги. Если теперь лист обычной бумаги положить на две опоры, установленные по его краям, то он прогнется под собственной тяжестью (6 граммов). Этого не произойдет с гофрированным листом, даже если на него поместить значительный груз. На фото 9 такой лист опирается концами на две рюмки, отстоящие друг от друга на 23 сантиметра. В середину пролета поставлен наполненный вином бокал, вес которого равен 230 граммам. Бумага, сложенная гармошкой, выдерживает этот вес. Нагрузку продолжают увеличивать, и лишь когда она достигла 700 граммов, гофрированный лист бумаги прогнулся. Таким образом, соответствующее профилирование поверхности бумажного листа позволило увеличить его прочность, без установки промежуточной опоры, более чем в 100 раз.

Фото 9. Если сложить лист обыкновенной бумаги гармошкой, его прочность возрастет более чем в 100 раз!

Метод по-гениальному прост. Его с успехом использует природа, создав листья, имеющие в поперечном разрезе зигзагообразную форму (фото 10). Любопытно, что лист не становится менее прочным даже тогда, когда он оказывается, как это хорошо видно на снимке, надорванным по каждому второму сгибу. Частичное разрушение листовой пластинки ни в коей мере не отражается на его биологической функции, ибо оно "запланировано" природой. У многих видов растений лист, если только он не несет особой нагрузки, в процессе роста самопроизвольно, без какой-либо видимой причины надрывается. Еще в 1893 году такие листья были описаны профессором Г. Хаберландтом, ботаником, художником, исследователем тропической растительности и прекрасным натуралистом:

Фото 10. Своей прочностью гигантские листья многих видов пальм обязаны все тому же принципу гофрирования 'строительного материала'. На снимке - лист южнокитайской ливистонии

"Если бы кто-нибудь пожелал написать трактат о нерациональных творениях в царстве растений, тому, несомненно, показалось бы очень заманчивым рассказать о банановом дереве (Musa sapientum), чьи гигантские листья разрезаны дождем и ветром до серединки пластинки на многочисленные узкие полоски. Однако при более тщательном рассмотрении становится ясно, что пример выбран крайне неудачно. Листья, края которых никак не защищены от механических повреждений, легко надрываются; разрыв происходит параллельно вторичным жилкам листа вплоть до самой крупной срединной жилки. Раны листа заживают легко и быстро, а обвисшие, казалось бы вялые, сегменты продолжают нормально функционировать. Сильные ветры превращают чересчур крупные цельные листовые пластинки в лохматую бахрому. Это обстоятельство позволяет растению экономить "строительные" материалы, иначе для того, чтобы предотвратить разрыв листьев большой площади, потребовалось бы применить мощные механические конструкции. Вместе с тем многократно разорванная листовая пластинка дает растению еще одно преимущество. Свободно висящие узкие сегменты листа жестко не закреплены, и это предохраняет их от повреждений сильными тропическими ливнями и защищает от палящих лучей высоко стоящего тропического солнца: на сегменты по сравнению с неповрежденной поверхностью лучи солнца падают под более острым углом. Итак, буквально "измочаленный" ветрами и ливнями лист банана являет собой поучительный пример того, как в мире растений из казалось бы полностью нерациональных начал формируется нечто целесообразное. Это, далее, напоминание о том, что в области приспособления природе ничто так не чуждо, как ничем не оправданное, упорное сохранение одних и тех же, хотя бы и проверенных практикой схем".

Фото 11. На снимке изображена свободнонесущая конструкция перекрытия, установленного над въездом в тоннель под Монбланом. По своей форме она напоминает гигантский лист пальмы

Принцип гофрирования широко применяется в технике для повышения прочностных свойств конструкционных материалов. Этим исключительно простым путем добиваются повышения прочности многих вещей: кровли, стенок металлических гаражей, фюзеляжей самолетов, кузовов автомашин (для чего используется гофрированная листовая сталь), балконов (с этой целью их облицовывают гофрированными асбоцементными или полиэфирными плитами), картона, идущего на производство упаковки, и даже плиссированных бумажных юбок для рождественских карнавалов. Однако к мысли искусственно создавать в рукотворных структурах разрывы, подобные тем, какие наблюдаются у многих видов пальм (фото 10), инженеры пришли сравнительно поздно. Впервые эта идея была реализована в 1965 году при сооружении свободнонесущей конструкции защитного навеса при въезде в один из самых длинных и глубоких современных тоннелей - тоннель под Монбланом (фото 11).