Сооружение, известное сегодня как Эйфелева башня, изначально называлось Tour de 300 mètres, 300-метровая башня. Это название было предложено инженерами Морисом Кёхлином и Эмилем Нужье Гюставу Эйфелю, который руководил строительством башни. Оно намекало на желание построить нечто экстраординарное, технологический шедевр, который установил бы новый рекорд высоты.
Однако в летние месяцы, когда температура повышается, Эйфелева башня становится ещё выше, чем задумывалось изначально.
Лёгкая железная конструкция
Эйфелева башня была возведена на Всемирной выставке 1889 года в ознаменование столетия Великой Французской революции.
Эйфель выбрал ковкий чугун для строительства башни — материал, который он хорошо знал и успешно использовал в предыдущих проектах. Этот чугунный материал может выдерживать высокие нагрузки, что позволило построить большую и очень лёгкую башню, устойчивую к горизонтальным ветровым нагрузкам.
Чтобы вы понимали, насколько лёгкая эта башня, скажу, что её вес в 7300 тонн близок к весу содержащегося в ней воздуха — около 6300 тонн.
Эйфелева башня задумывалась как главная смотровая площадка, а затем использовалась как антенна для радиовещания. Сама башня представляет собой гигантскую треугольную решётчатую конструкцию, похожую на виадук Гараби (также спроектированный Эйфелем) и мост Форт в Шотландии, построенные в тот же период.
Все эти конструкции увеличиваются в размерах при повышении температуры материала. Однако, в отличие от мостов, которые ведут себя более сложно, Эйфелева башня в основном увеличивается в высоту и уменьшается в размерах из-за изменений температуры. Это явление известно как тепловое расширение.
Материалы, которые растут и сжимаются
Мы знаем, что большинство твёрдых тел расширяются при повышении температуры и сжимаются при её понижении. Это происходит потому, что повышение температуры вызывает большее движение атомов, что приводит к увеличению среднего расстояния между ними.
В зависимости от характера связи различные твёрдые вещества расширяются в большей или меньшей степени, и инженеры должны тщательно это отслеживать. Керамика и стекло с более прочными связями расширяются меньше, чем металлы, которые, в свою очередь, расширяются меньше, чем полимеры.
Итак, как мы можем оценить величину смещения твёрдого тела? Когда элементы прямые — как в большинстве общественных зданий и сооружений, где преобладают балки и стержни, — смещение пропорционально трём параметрам: длине элемента, изменению его температуры и коэффициенту расширения материала.
На волосок
Многие керамические материалы обычно имеют коэффициент расширения в диапазоне от 0,5x10⁻⁶ до 1,5x10⁻⁶ (°C)⁻¹, в то время как у металлов он составляет от 5x10⁻⁶ до 30x10⁻⁶ (°C)⁻¹, а у полимеров — от 50x10⁻⁶ до 300x10⁻⁶ (°C)⁻¹. Эти (возможно, странные на вид) числа показывают, насколько увеличивается стандартная единица измерения длины при повышении температуры на один градус Цельсия.
Наиболее расширяемыми материалами являются полимеры, которые расширяются примерно в десять раз сильнее, чем металлы, а металлы расширяются в десять раз сильнее, чем керамика.
Ковкий чугун, из которого сделана Эйфелева башня, и её стальные компоненты имеют коэффициент расширения около 12x10⁻⁶ (°C)⁻¹. Это означает, что железный прут длиной в один метр расширяется на 12x10⁻⁶ метров при повышении температуры на один градус. Это всего лишь дюжина микрон, что меньше толщины человеческого волоса.
Так оказывает ли тепло какое-либо заметное воздействие на здания? Да, если учесть, что необходимо принимать во внимание ещё два параметра: длину элемента и диапазон температур, в котором он находится.
Длина может быть очень большой. Высота Эйфелевой башни составляет 300 м, но виадук Гарабит имеет длину 565 м, а Фортский мост — более 2,5 км. Сегодня существует множество более крупных линейных сооружений, и тепловое расширение также влияет на железнодорожные пути, для которых построено множество мостов.
Также необходимо проанализировать исторические температурные диапазоны. В Париже температура регистрируется уже более двух столетий: зимой она опускается ниже -20 °C, а летом поднимается примерно до 40 °C. Следует также учитывать влияние солнечной радиации: под прямыми солнечными лучами металлы могут нагреваться до гораздо более высоких температур, часто превышающих 60 °C или 70 °C.
Отвернувшись от солнца
Теперь давайте посчитаем. Мы оценим, насколько расширяется простой металлический стержень длиной 100 метров при колебаниях температуры на 100⁰C — примерно в таком диапазоне находится Эйфелева башня.
Расчёт прост. Если при повышении температуры на один градус стержень длиной в один метр расширяется на 0,000012 метра, то при повышении температуры на 100 градусов стержень длиной в 100 метров расширится на 0,12 метра. А стержень длиной в 300 метров расширится в три раза сильнее: на 0,36 метра. То есть на 36 см. Это заметная разница.
Очевидно, что простой брусок ведёт себя не так, как башня, состоящая из более чем 18 000 заклёпанных железных элементов, ориентированных во всех направлениях. Более того, солнце всегда светит только на одну из её сторон. Это означает, что одна из её граней растёт больше остальных, что приводит к небольшому изгибу башни, как будто она отклоняется от солнца.
Специалисты подсчитали, что Эйфелева башня на самом деле вырастает на 12–15 сантиметров, если сравнивать её размеры в холодные зимние дни с самыми жаркими летними. Это означает, что Эйфелева башня не только является достопримечательностью, коммуникационной башней и символом самого Парижа, но и, по сути, гигантским термометром.