Имеется несколько стержней (например, карандашей) и нитки. Можно ли из них собрать жесткую объемную конструкцию, которая будет сохранять свою форму без внешней помощи и даже способна выдержать падение с небольшой высоты? При этом требуется, чтобы стержни не соприкасались (ни непосредственно, ни «через нитки»).

Решение

В условии требуется, чтобы стержни не соприкасались. Это означает, что между любыми двумя стержнями в любом месте должен быть различимый глазом зазор. Поэтому, например, решение с иголками, воткнутыми в катушку, или вязальными спицами, воткнутыми в клубок ниток, не подходит.

Ясно, что одного стержня не хватит, чтобы собрать требуемую конструкцию, — объему просто неоткуда взяться. Двух тоже мало: чтобы был объем, их придется расположить на скрещивающихся прямых, но тогда понадобится зафиксировать расстояние между этими прямыми, а с помощью одних ниток это сделать не получится. Итак, стержней должно быть не меньше трех. Попробуем тремя и обойтись.

Принцип тот же, что помогает при укреплении высоких мачт, антенн, труб, — использовать растяжки. Кто хоть раз видел такие конструкции, вспомнит, что обычно от них отходят в разные стороны три или четыре сильно натянутых троса, которые позволяют строениям не падать даже при очень сильном ветре. У нас в роли мачт выступят стержни, а в роли растяжек — нитки. Но за что их закрепить? Поскольку по условию ничего другого использовать нельзя, то придется закреплять за другие стержни. В итоге должно получиться, что от каждого конца каждого из трех стержней растяжки идут к концам двух других, которые должны перекрещиваться между собой. Схема этой конструкции изображена на рис. 1. Если все стержни одинаковые (тут, на самом деле, важно, чтобы были одинаковыми расстояния между точками крепления нитей на каждом стержне — ведь именно от них всё зависит) и имеют, например, длину d = 25 см, то длины ниток должны быть примерно равны см, чтобы конструкция была жесткой.

Рис. 1. Схема конструкции: стержни — черные, нитки — красные

На схеме каждый конец стержней соединен с четырьмя другими, но на самом деле достаточно, чтобы каждый конец соединялся с тремя другими (вспомним про мачты и растяжки — обычно их укрепляют тремя тросами), поэтому можно обойтись меньшим количеством ниток.

По виду вся конструкция напоминает правильный октаэдр. Правда, у него сдвинуты диагонали, чтобы избежать касания стержней.

Вот реальная модель из карандашей, которую сделал пользователь ЖЖ kot_uchonyj:

Рис. 2. Жесткая конструкция из трех карандашей в виде правильного октаэдра

Возможны и другие схемы соединения карандашей и ниток, которые тоже дают жесткие конструкции. Правда, «деталей» в них требуется больше. Например, используя 6 карандашей, можно добиться, чтобы от концов стержней отходило всего по две нитки.

Если за основу взять икосаэдр, а не октаэдр, то получится вот такая конструкция:

Рис. 3. Жесткая конструкция из шести стержней в виде икосаэдра

Послесловие

Принцип, благодаря которому в нашей конструкции достигается жесткость и упругость, называется самонапряжением (англ. tensegrity). По-видимому, он был придуман американским дизайнером и архитектором Ричардом Бакминстером Фуллером на рубеже 50-х годов прошлого века (есть данные, что подобные идеи были известны и до него, но в любом случае именно Фуллер их реализовал и популяризировал). По словам Фуллера «тенсегрити» — это «свойство каркасных структур, в которых задействуются цельные детали, нагруженные на натяжение, и составные детали, нагруженные на сжатие, работать таким образом, что каждая деталь функционирует с максимальной эффективностью и экономичностью».

Правильный баланс натяжений-сжатий позволяет несущему скелету конструкции быть прочным и вмещать большой полезный объем. При этом он состоит из стандартных деталей, поэтому прост в производстве. Часто на фестивалях или других крупных мероприятиях, проходящих под открытым небом, можно видеть тенты и павильоны, в основе структуры которых заложен принцип самонапряжения.

Вот несколько сооружений, построенных по этому принципу:

Музей «Биосфера» (см. Biosphere) в Монреале (Канада), спроектированный Фуллером. Первоначально это был павильон США на всемирной выставке 1967 года (Expo 67).

Рис. 4. Музей «Биосфера» в Монреале (Канада)
Пешеходный мост Курилпа (см. Kurilpa_Bridge) в Брисбене (Австралия). Это крупнейший мост, построенный по принципу тенсегрити.

Рис. 5. Пешеходный мост Курилпа в Брисбене (Австралия)
Башня «Игла» (см. Needle Tower), расположена возле музея Хиршхорна в Вашингтоне (США). Это сооружение высотой 18 метров было спроектировано учеником Фуллера К. Снельсоном в 1968 году.

Рис. 6. Башня «Игла», расположенная возле музея Хиршхорна в Вашингтоне (США)

Интересно, что в конце XX века обсуждаемые идеи нашли неожиданное применение в химии — в 80–90-е годы было открыто несколько новых аллотропных форм углерода. Так называют вещества, молекулы которых состоят только из атомов углерода. К известным нам графиту и алмазу добавились углеродные нанотрубки и фуллерены (названные как раз в честь Р. Б. Фуллера). Простейший и первый из открытых фуллеренов имеет формулу C₆₀ (бакминстерфуллерен), а его молекула по форме повторяет футбольный мяч (поэтому такие вещества еще называют бакиболами). За открытие фуллеренов химики Р. Керл, Х. Крото и Р. Смолли получили в 1996 Нобелевскую премию. Сейчас по всему миру ученые изучают и пытаются применять свойства этих соединений.