Каждый год Эйфелеву башню посещают миллионы туристов, и почти каждый из них задирает голову вверх, пытаясь охватить взглядом всю её 330-метровую высоту. Но мало кто задумывается о том, из чего именно она построена и почему в жаркий летний день башня буквально «подрастает» на целых 12–15 сантиметров. За этим явлением стоит элегантная физика, которую можно объяснить просто и понятно.
Начнём с самого главного вопроса: из чего сделана Эйфелева башня?
Вопреки расхожему мнению, башня построена не из стали, а из пудлингового железа — особого вида кованого железа, которое в конце XIX века широко применялось в строительстве. Официальное название материала на французском — fer puddlé.
Это сплав с очень низким содержанием углерода (менее 0,1%), что делает его чрезвычайно пластичным и устойчивым к коррозии по сравнению с чугуном, но при этом достаточно прочным для масштабного строительства.
Башня была спроектирована инженерами компании Густава Эйфеля — прежде всего Морисом Кёхленом и Эмилем Нугье — и возведена в рекордные сроки: с января 1887 по март 1889 года, всего за 26 месяцев. На строительство ушло около 7 300 тонн железа, из которых было изготовлено более 18 000 металлических деталей, скреплённых примерно 2,5 миллиона заклёпок.
Решётчатая конструкция башни — это инженерный расчёт. Ажурная форма позволяет ветру свободно проходить сквозь конструкцию, минимизируя нагрузку. Если бы башня была сплошной, ветровое давление на неё было бы колоссальным. Именно поэтому при сильных порывах ветра вершина отклоняется не более чем на 6–7 сантиметров — поразительно малая величина для такой высоты.
Почему башня «растёт» летом?
В жаркие летние дни, когда температура воздуха в Париже поднимается до 40 °C и выше, Эйфелева башня становится выше примерно на 12–15 сантиметров. Это - задокументированный физический факт, который регулярно измеряется геодезистами.
Причина этого явления — тепловое расширение металлов.
Любое твёрдое тело при нагревании увеличивается в размерах. Это происходит потому, что при повышении температуры атомы вещества начинают колебаться интенсивнее, и среднее расстояние между ними увеличивается. Для каждого материала это явление описывается коэффициентом линейного теплового расширения α .
Для пудлингового железа этот коэффициент составляет примерно:
α ≈ 12 × 10⁻⁶ \ °C⁻¹
Это означает, что при нагреве на 1 °C каждый метр железа удлиняется примерно на 0,000012 метра, то есть на 0,012 мм.
Применим эту формулу к Эйфелевой башне. Её высота (без антенны) составляет около 300 метров. Формула для изменения длины:
Δ L = α ⋅ L₀ ⋅ Δ T
где L₀ — начальная длина, Δ T — изменение температуры.
Если зимой температура башни составляет около 0 °C, а летом металл прогревается до 40 °C, то Δ T = 40 °C:
Δ L = 12 × 10⁻⁶ ⋅ 300 ⋅ 40 = 0,144 \ м ≈ 14,4 \ см
Чистая математика, чистая физика — и никакой магии.
Нюансы: не всё так просто
Важно понимать, что башня нагревается неравномерно. Солнце освещает её с одной стороны, и эта сторона расширяется сильнее, чем теневая. В результате башня не просто «вырастает» — она немного наклоняется в сторону, противоположную солнцу. Этот наклон может достигать 18 сантиметров. Это снова крошечная величина относительно общей высоты сооружения, но она хорошо измеряется современными приборами.
Именно поэтому инженеры Эйфеля изначально закладывали в проект возможность небольших деформаций. Конструкция башни не жёсткая, а упругая: она спроектирована так, чтобы выдерживать и тепловые деформации, и ветровые нагрузки без разрушения.
Кроме того, стоит упомянуть, что высота Эйфелевой башни менялась несколько раз за историю её существования. Изначально она составляла 300,65 метра. После установки различных антенн и телевизионных мачт современная официальная высота достигает 330 метров. Но именно железная несущая конструкция, высотой около 300 метров, меняется вместе с температурой.
Обслуживание башни
Пудлинговое железо — материал долговечный, но не вечный. Чтобы защитить конструкцию от ржавчины и разрушения, башню регулярно красят. Это происходит примерно раз в 7 лет. Каждый раз на неё уходит около 60 тонн краски. Причём маляры работают вручную, поднимаясь на самые головокружительные высоты — механизировать этот процесс из-за ажурной формы конструкции крайне сложно.
Интересный факт: цвет башни за её историю менялся несколько раз. В разные годы она была красно-коричневой, жёлто-охристой и даже почти жёлтой. Сейчас официальный оттенок называется «коричневый Эйфелева башня» (brun tour Eiffel) — специально разработанный тёплый серо-коричневый цвет, который слегка варьируется по тонам: нижние ярусы чуть темнее, верхние — светлее, чтобы башня выглядела гармонично на фоне неба.
Чтож,
История Эйфелевой башни — прекрасный пример того, как фундаментальные законы физики работают в реальном мире, в реальных масштабах. Тепловое расширение — явление, с которым инженеры сталкиваются повсюду: в мостах, рельсах, трубопроводах, небоскрёбах. Именно поэтому в длинных мостах оставляют температурные зазоры, а в железнодорожных рельсах делают компенсационные швы. Без учёта этого явления конструкции деформировались бы и разрушались.