Умная геометрия служит еще одним способом сделать балку прочнее. Самая большая сила сжатия действует на балку сверху, а самая большая сила растяжения – снизу. Поэтому чем больше материала сверху и снизу балки, тем она прочнее. Объединяя эти два принципа – толщину и геометрию, – мы получаем наилучшую форму балки: букву «I» (в срезе она похожа на эту букву), потому что в ней больше всего материала как раз сверху и снизу, где действуют самые большие силы. Большинство стальных балок как раз такой формы. (Они немного отличаются от колонн в форме буквы «Н», потому что имеют большую толщину, нежели ширину, а колонны в форме буквы «Н» в разрезе ближе к квадрату.) Бетонные балки тоже можно сделать такой формы, но гораздо легче заливать бетон в обычную прямоугольную форму, так что из соображений экономии и практичности большинство бетонных балок в срезе имеют форму простого прямоугольника.

Большие мосты вроде Квебекского моста слишком длинные для «обычных» балок в форме буквы «I». Чтобы покрыть такое расстояние, их пришлось бы сделать такими вытянутыми и тяжелыми, что их попросту нельзя было бы поднять на нужное место. Вместо этого мы используем другой тип структуры, который основан на устойчивости треугольника, – ферму.

Возьмите четыре палочки и свяжите их концы так, чтобы получился квадрат. Потом надавите на его сторону: квадрат превратится в ромб и сломается. Треугольники, в отличие от квадратов, не деформируются и не ломаются от подобной нагрузки. Ферма – это конструкция из балок, колонн и распорок, образующих между собой треугольники, в которой силы хитро распределяются между всеми частями конструкции. Для создания фермы нужны более мелкие и легкие детали, между которыми образуется пустое пространство, так что для такой конструкции нужно гораздо меньше материала, чем для аналогичной конструкции из горизонтальных балок в виде буквы «I» на опорах.

Квадрат по своей природе гораздо менее прочный, чем треугольник

Фермы легче строить, потому что небольшие стальные детали легче транспортировать на стройку и соединять между собой. В конструкции большинства крупных мостов используются фермы. Взгляните на мост Золотые Ворота: по всей длине моста на уровне автомобильной дороги можно увидеть узор из металлических треугольников. Они напоминают чередующиеся буквы «N» и «И» – а все вместе составляют тщательно спроектированные треугольники фермы.

Благодаря гравитации на все объекты, находящиеся на поверхности земли, действует предсказуемая сила растяжения. Инженер понимает ее природу и может спроектировать колонны, балки и фермы так, чтобы ей противостоять. Но есть и другие, не менее разрушительные, силы, которые не так просто свести к уравнению. Одной из них является ветер. Ветер случаен, изменчив, непредсказуем и на протяжении веков бросает вызов инженерам разных эпох, по-прежнему ставя им задачи, которые необходимо решать, если они хотят, чтобы их конструкции не развалились.

Большинство ферм состоят из небольших треугольников, но иногда в них есть и квадраты

Когда я была в Афинах, самым впечатляющим памятником для меня стала огромная белая мраморная восьмиугольная башня на Римской агоре к северу от Акрополя. Ее построил Андроник Киррский, македонский астроном, около 50 года до н. э. Башня ветров, или часы Андроника Киррского, служила часами с восемью солнечными циферблатами, водяными часами и флюгером. Прогуливаясь вокруг башни, я увидела, что на каждой из ее восьми граней наверху расположен рельеф, изображающий одного из восьми богов ветра, – крылатые фигуры, устремленные вперед с благосклонным либо суровым выражением лица, а иногда с амфорой или гирляндой цветов в руках. Первоначально на верхушке башни располагалась бронзовая статуя Тритона и выполняла функцию флюгера, указывая в сторону того бога, чей ветер дул в данный момент.

Эта башня – дань уважения римлян богам ветров, а также свидетельство их потенциально разрушительной силы. Римский мастер-строитель Марк Витрувий Поллион (р. в 80 г. до н. э.), которого иногда называют «первым архитектором», подробно рассказывает о важности учета ветра в строительстве в труде под названием «Об архитектуре» – фундаментальном десятитомном трактате о проектировании сооружений. В книге первой он называет четыре основных направления: Соланус (восток), Аустер (юг), Фавоний (запад), Септентрио (север) – и других четырех, расположенных между четырьмя основными ветрами.

Меня изумляет то, насколько глубоко римские инженеры понимали, как ветер по-разному воздействует на строения с разных направлений. Несмотря на то что тот способ, которым современные инженеры рассчитывают эти силы, гораздо сложнее, основы нашей работы высечены в скульптурах той восьмиугольной башни еще 2000 лет назад.

Ветер воздействует на строения по всей планете. Когда я работаю над конструкцией ниже 100 метров, я, как правило, пользуюсь картой ветров. В целом это погодная карта, на которой указана основная скорость ветра по всем направлениям в том или ином месте и которая формировалась за десятилетия измерений. Я беру основную скорость ветра и учитываю ее в ряду других измерений, которые показывают, например, как далеко это место расположено от моря, на какой высоте находится, а также рельеф окружающей местности (сколько вокруг холмов и других строений). Формулы объединяют все эти факторы, и я узнаю, по каким из 12 направлений (каждые 30 градусов окружности) и с какой силой ветер будет воздействовать на конструкцию – а это почти то же, что и восемь направлений, названных Витрувием и запечатленных в рельефах Башни ветров.

Но когда я проектирую более высокое здание, такое как небоскреб, – числовые значения силы ветра уже не действуют. Ветер не линеен: он не изменяется предсказуемым способом по мере набора высоты. Если попытаться экстраполировать имеющиеся данные для 100-метровых башен или использовать математические хитрости, чтобы подогнать цифры под башни высотой 300 метров, результаты будут нереалистичными. Вместо этого строение нужно испытать в аэродинамической трубе.

Часы Андроника Киррского (Башня ветров), построенные во II–I вв. до н. э. в Афинах, Греция