Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Глава 13. Множественность ресурсов, материалов, конструкций. Деволюция ресурсов
«Экономична мудрость бытия: все новое в нем шьется из старья» (В. Шекспир)
«Ничего не следует терять из того, что может быть полезно» (Д. Дидро)
«Когда умру – пускай земля огнем горит» (Тиберий); «После нас хоть потоп» (Людовик XV)
Бинарная множественность мира поддерживается такой же множественностью ресурсов, в том числе видов и свойств материалов и конструкций природных объектов в растительном и животном мире. Существование Вселенной и всех ее компонентов обеспечивают ресурсы. Ресурсы Вселенной – это все вещества, объекты и явления, обеспечивающие ее существование, эволюцию, и деволюцию. Видимо, большинство важнейших явлений в масштабе Вселенной, отдельных галактик, звезд, Солнечной системы и Земли не могло бы происходить, если бы не была задана эволюция к бинарной множественности элементов и их свойств. В процессе эволюции звезд и галактик вещество Вселенной эволюционировало к сложным формам. Развитие шло c разветвлениями: от одного элемента – к множеству, от суперадрона – к множеству галактик и звезд. Постепенно было создано все множество элементов c бинарным множеством свойств. Для Земли c ее органическим и неорганическим мирами использовались те же элементы. В ходе эволюции живой природы из этих элементов создавались новые материалы и формы объектов, также отличающиеся бинарной множественностью характеристик. Как уже отмечалось выше, для органического мира его развитие к созданию новых форм конструкций и видов материалов, объяснимы действием эволюции и естественного отбора. Для неорганического мира бинарная множественность материалов объясняется невозможностью его существования и циклического развития без этой множественности (элементов, частиц, свойств, состояний, взаимодействий и пр.).
Множественные природные ресурсы являются важнейшим компонентом, обеспечивающим развитие Земли. К природным ресурсам относятся находящиеся в природе средства существования природы и людей, не созданные трудом человека (вода, воздух, почва, флора и фауна, все полезные ископаемые, и др.) [95]. В соответствии c бинарностью они делятся на исчерпаемые и неисчерпаемые. К исчерпаемым ресурсам принадлежат невозобновимые, относительно возобновимые и возобновимые. Невозобновимые ресурсы не восстанавливаются или восстанавливаются медленнее, чем они используются человеком. Это – полезные ископаемые; практически они один раз даны человеку, и при их исчезновении не восстанавливаются. Это создало важнейшую проблему в жизни человечества: где взять ресурсы, если они исчерпались? Деволюцией ресурсов можно считать их быстрое преобразование и исчезновение в результате неэкономичного и истощительного использования. Природные ресурсы обладают широкой бинарной множественностью свойств – от органических дл неорганических, от пищевых до непищевых, от горючих до негорючих, от прочных до непрочных, и т.д.
Относительно возобновимые ресурсы – это почва, лес. Возобновимые – растительность, животный мир, ряд минеральных ресурсов, восстанавливающихся c различной скоростью. Чтобы быть возобновимыми, эти ресурсы должны расходоваться не быстрее их восстановления. Так, для восстановления леса требуется 50...60 лет, популяции животных – 5...10 лет. Неисчерпаемыми принято считать космические (солнечная радиация, энергия морских приливов и отливов), климатические (атмосферный воздух, энергия ветра, осадки), водные ресурсы (запасы воды на земле). Однако вода и атмосферный воздух неисчерпаемы только количественно, а качественно – исчерпаемы.
Материалы – это часть природных ресурсов, они также множественны, но их свойства находятся в пределах природных ограничений. Конструкции в природе бинарно множественны, они выполнены из бинарного множества материалов. Многие разнообразные материалы и конструктивные системы природы (стебли растений, корни, листья, стволы деревьев, скорлупа орехов, оболочки черепа, раковин, яиц, сети паутины, кости, крылья, мышцы и пр.) целесообразны.
Конструкции природы создавались в результате естественного многовекового отбора, и, несмотря на то, что этот отбор продолжается, на нынешнем промежуточном историческом этапе многие конструкции уже совершенны, красивы, целесообразны. Человек воспринимал конструктивные решения природы как нечто совершенное, и стремился использовать в своих произведениях, начиная от первобытных жилищ и кончая сложными бионическими системами. Но при этом, в соответствии c законом бинарной множественности, сохранялась бинарная множественность природных конструкций и материалов: наряду c конструкциями из прочных материалов используются не очень прочные или абсолютно непрочные материалы, наряду c жесткими конструкциями применяются очень гибкие, абсолютно нежесткие решения, вместе c долговечными конструкциями применяются очень недолговечные, рядом c тонкими природа использует массивные решения.
Множественные энергетические ресурсы в зависимости от источника энергии могут быть отнесены к возобновимым (энергия солнца, фотосинтеза, гидроэнергия, приливов, волн, ветровая, геотермальная энергия, процессов испарения и выпадения осадков, тепловая энергия использования разности температуры между атмосферой, сушей и морем) и невозобновимым (газ, нефть, уголь, торф, сланцы, ядерное топливо, легкие элементы – водород, гелий, литий).
В соответствии c законом разветвляющегося развития сейчас постоянно нарастает бинарное множество материалов и их свойств, что требует специального рассмотрения проблемы их экологичности. В понятие экологичности (биопозитивности) строительных материалов входит отсутствие выделения вредных веществ в период эксплуатации: например, некоторые натуральные каменные материалы – гранит, сиенит, порфир – имеют повышенный радиоактивный фон; пластмассы или строительные материалы c их применением (древесноволокнистые плиты, линолеум, синтетические краски, синтетические плитки для пола и для облицовки, различные синтетические добавки в бетон, раствор, синтетические клеи, утеплители на синтетической основе и др.) долго выделяют опасные газы в воздух помещений; изделия c асбестом, особенно подверженные выветриванию c поступлением волокон асбеста в воздух, признаны недопустимыми в ряде стран.. Можно сделать вывод, что бинарное множество природных материалов обладает множеством свойств; природа эффективно использует их в разнообразных предметах и явлениях живой и неживой природы. Человеку необходимо научиться использованию природных материалов c такой же целесообразностью, как это сделано в природе. Издавна люди обращали внимание на целесообразное и экономичное строение многих природных объектов и стремились заимствовать внешнее строение, например, при возведении первых жилых домов. Недавно они пришли к мысли о необходимости изучения природных принципов c целью их использования в технике. Выдающийся архитектор Альберти сравнивал здание c живым существом, создавая которое следует подражать природе. Уже установлено, что перспективным направлением развития конструкций и систем зданий является использование принципов строительства и функционирования живых систем при создании новых конструкционных материалов и форм, новых принципов функционирования зданий. Архитектурно-строительная бионика позволяет выявить самые целесообразные, оптимальные, выработанные тысячелетиями решения в природе и использовать их в архитектуре и строительстве (рис. 13.1).
Рис. 13.1. Целесообразное строение несущих жестких конструкций c разветвлениями: скелет коралла, легкая кость орла, дерево
Гексагональности (штабелирования структуры) – строение материалов в природе часто основано на плотной укладке (упаковке) элементов в виде шестигранников (реже – прямоугольников). Шестигранники обычно используются в конструкциях, находящихся в объемном напряженном состоянии, прямоугольники – плоском. В результате плотной упаковки пустотелых элементов значительно снижается плотность материала без существенного уменьшения прочности и жесткости. Объемные элементы (видимые в однородной растительной ткани или в пене) образуют трехмерные пространственные соты, плоские ячейки, в которых имеют от пяти до шести граней. Причиной гексагональности конструкций является то, что, во-первых, получаются «минимальные» поверхности, во – вторых, напряжения в различных точках практически равны, и в – третьих, только так достигается плотная упаковка объемных тел (рис. 13.2).
Вместе c жесткими и прочными конструкциями в природе используется множество противоположных решений – очень непрочных, нежестких, деформируемых, недолговечных, живущих короткое время. Может быть, требования к конструкциям в технике не всегда должны определяться отношением к конструкциям в природе, потому что в разнообразной технике конструкции должны быть, как правило, прочными, жесткими, легкими, стойкими к различным воздействиям, тогда как конструкции в природе должны удовлетворять требованиям к жизненному циклу природных созданий. В природе часто исключаются требования к жесткости, так как гибкие конструкции лучше противостоят силовым воздействиям (ветра, волн, и пр.). В связи c этим прогибы, перемещения могут достигать значительных величин, недопустимых в технике. В то же время и в технике иногда нужны сильно деформируемые конструкции. Преимущество природных конструкций – их возобновимость, негэнтропийность, разложение после окончания срока жизни c возвратом материалов в круговорот веществ.
Рис. 13.2. Плотная гексагональная упаковка в природе: растение (а, б), соты (в), радиолярия (г–е), мускулы (з), атомная решетка (и), дерево (к, л),
оболочка яйца (м), кость (н), полимер (о, п).
Конструкции в природе бинарно множественны и выполнены из бинарного множества материалов. Среди них есть практически бесформенные создания, имеются очень мягкие, непрочные, деформируемые конструкции. В качестве примеров можно привести множество животных и растительных форм, конструктивные решения которых настолько отличаются от принятых в технике, что назвать конструкцию некоторых животных и растений иногда затруднительно. К ним можно отнести, например, медуз и актиний (рис. 13.3). Среди бинарного множества конструкций и материалов в природе присутствуют и нецелесообразные (с человеческой точки зрения) конструкции и материалы. Это, как правило, недолговечные конструкции и материалы, подверженные различным воздействиям, в том числе заболеваниям, исключающим или затрудняющим их нормальную эксплуатацию. Природные материалы – это, видимо, все без исключения материалы, находящиеся в самых разных состояниях и обладающие совершенно различными свойствами, имеющиеся в природе, и так или иначе ею используемые. К ним относят все известные элементы, все возобновимые, относительно возобновимые и невозобновимые ресурсы, все материалы живой и неживой природы.
Рис. 13.3. Сильно деформируемые природные конструкции из непрочных материалов – медузы, актинии
Природные материалы, отличающиеся колоссальным разнообразием свойств и состояний, имеют общие особенности. Длительный естественный отбор позволил создать и широко использовать в живых организмах разнообразные, оптимальные c точки зрения природной среды материалы. Все природные материалы – как прочные, несущие многочисленные нагрузки от собственного веса тела и от внешних воздействий, так и непрочные, защищающие организм от температурных перепадов, воспринимающие временные нагрузки (типа мышц) и пр. – выполнены разлагающимися без поступления загрязнений в природную среду. Основные преимущества материалов в живой природе:
1. Они целесообразно выполняют свои функции.
2. Они включены в естественные циклы кругооборота веществ.
3. Они не влияют негативно на состояние природы ни в одной фазе существования, в конце его являясь пищей для ряда животных.
4. Часть таких материалов черпает возобновимую солнечную энергию для своего существования и роста.
5. Многообразие материалов позволяет создавать самые различные органы, целесообразно приспособленные для выполнения функций: например, мышцы – для восприятия временных нагрузок, нейроны – для быстрой передачи информации, и пр.
В заключение можно отметить, что в живой и неживой природе имеется бинарное множество материалов, при этом конструкции и материалы в природе бинарно множественны по свойствам. Природа в процессе естественного отбора изучила все варианты материалов и конструкций и в итоге выбрала множество материалов и конструкций c самыми разнообразными, полезными в конкретных условиях, свойствами. Человек в своих целях применил множество природных решений. Созданные человеком материалы и конструкции превосходят по ряду показателей природные: они значительно прочнее, позволяют повысить размеры конструкций по сравнению c природными, и пр. Но природные материалы и конструкции превосходят созданные человеком по самым важным показателям – возобновимости, негэнтропийности, и экологичности.
Деволюция природных ресурсов проявляется в таких формах:
1. Исчезновение полезного потенциала ресурсов, при истощительной добыче полезных ископаемых в местах их концентрированного залегания, c преобразованием их в неиспользуемые отходы. Примеры: а. Антропогенный круговорот железа: добыча железной руды, выплавка стали, изготовление стальных изделий (машины, оружие, суда, и пр.), прекращение их использования, выбрасывание на свалки, преобразование в ржавчину, рассеиваемую по поверхности планеты. Ржавчину не удастся преобразовать в сталь; б. Антропогенный круговорот углеводородов: добыча углеводородов, их сжигание для получения теплоты, и пр.; они преобразуются в ходе сжигания в газы, которые не используются; при сжигании их структура упрощается, как и должно быть при деволюции.
2. Получение больших объемов жидких и твердых отходов при производстве различных материалов. В отходах содержатся ценные элементы, но ввиду отсутствия технологий их не используют для получения этих элементов, а направляют на свалки: твердые – в шламовые накопители; жидкие – под землю или в естественные водоемы. В итоге деградируют и полезные ископаемые, и природа.
3. Отсутствие хорошо налаженной системы повторного использования ресурсов после выполнения функций. Ценные ресурсы после истечения срока эксплуатации изделия поступают на свалки и исключаются из оборота.
4. Отсутствие разработок по массовому использованию возобновимых ресурсов и материалов взамен невозобновимых.
5. Отсутствие разработок по массовому использованию принципиально новых негэнтропийных материалов и технологий взамен энтропийных.