Na první pohled by se mohlo zdát, že gravitace působí shora dolů a obrovské masy nad našimi hlavami by měly vyvíjet drtivý tlak do nižších pater. Díky fyzikálním zákonům však budovy zůstávají pevné a netlačí se pod vlastní vahou.
Hlavním fyzikálním zákonem, který vysvětluje tento jev, je Newtonův třetí zákon o interakci sil. Říká, že na každou akci existuje stejná a opačná reaktivní akce. V kontextu horních pater a spodních pater budovy tento zákon znamená, že tlak vytvářený horními podlažími má stejnou opozici ze spodních pater. Celkový účinek sil do nižších pater se tak ukazuje jako nulový, což jim umožňuje zůstat neotřesitelní.
Gravitace
Gravitační síla je způsobena zákonem světové gravitace, který objevil Isaac Newton. Podle tohoto zákona má každé tělo ve vesmíru vlastní sílu interakce se všemi ostatními tělesy, která je úměrná jejich hmotnosti a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi.
Gravitační síla působící na těleso se rovná součinu jeho hmotnosti ke zrychlení volného pádu. Při volném pádu padají všechna tělesa stejným zrychlením, které je na zemském povrchu přibližně 9,8 m/s2.
Vraťme se k otázce, proč Horní patra nemohou rozdrtit spodní. Spodní patra budovy nejsou tlačena působením horních pater, protože na každé patro působí pouze gravitace a reakce podpěry budovy. Gravitace je rovnoměrně rozložena do všech pater, protože působí svisle dolů. Každé patro má reakci podpěry, která se rovná gravitační síle patra nad ním.
Gravitace tedy nemůže rozdrtit spodní patra, protože každé patro je samo o sobě nezávislým systémem, který interaguje pouze se silami, které na něj působí.
Archimédův Princip
Známý Archimedes princip formuloval řecký učenec Archimedes, který žil a pracoval ve 3.století před naším letopočtem. Tento princip byl později začleněn do základů hydrostatiky.
Archimédův princip zdůvodňuje, proč Horní patra nemohou rozdrtit spodní. Představme si, že Horní patra budovy jsou ponořena do kapaliny, například do vody. Podle Archimédova principu bude na každé patro působit vztlaková síla, která se rovná hmotnosti vytlačené kapaliny.
| Patro | Hmotnost patra (kg) | Zvedací síla (N) |
|---|---|---|
| Horní patro | 1000 | 10000 |
| Střední patro | 1000 | 10000 |
| Spodní patro | 1000 | 10000 |
Jak je vidět z tabulky, každé patro budovy má stejnou vztlakovou sílu, která se rovná hmotnosti vytlačené kapaliny. Dopad horních pater na nižší je tedy kompenzován stejnou a opačnou směrovou silou, a to zabraňuje rozdrcení spodních pater.
Archimedův princip má velký praktický význam a uplatňuje se v různých oblastech, včetně stavby lodí, podmořské a letecké dopravy a stavebnictví.
Tvrdost materiálů
Fyzikální zákony nám umožňují pochopit,proč Horní patra nemohou rozdrtit spodní. Jedním z klíčových pojmů v této souvislosti je odolnost materiálu proti stlačení. Komprese je kompresní síla, která působí na tělo a snaží se snížit jeho objem. Ale materiály, které tvoří budovy, mají dostatečně vysokou tvrdost, což jim umožňuje vyrovnat se s kompresní silou.
Klíčovým fyzikálním zákonem, který vysvětluje tento jev, je Newtonův třetí zákon – zákon akce a opozice. Podle tohoto zákona, má-li jedno těleso sílu na druhé těleso, pak druhé těleso má na první těleso stejnou modulovou, ale opačnou směrovou sílu.
V případě domu mají Horní patra tlakovou sílu na spodní patra. Spodní patra však zase působí protihlukovou silou a odolávají stlačení. Tato protiopatřovací síla se rovná kompresní síle, která umožňuje, aby budova zůstala celá a nerozpadla se pod váhou horních pater.
Kromě kompresního odporu mají materiály také další vlastnosti, které přispívají k zachování jejich integrity. Mnoho materiálů má například dobrou pevnost, která jim umožňuje vydržet vysoké zatížení bez deformací a destrukce. Některé materiály mají navíc vlastnost pružnosti, která jim umožňuje obnovit jejich tvar po deformaci.
Materiály, které tvoří budovy, mají tedy dostatečnou tvrdost, odolávají stlačení a zničení, což vysvětluje, proč Horní patra nemohou rozdrtit spodní.
Rozdělení zatížení
Horní patra nesou vlastní zátěž složenou ze stěn, stropů, nábytku a dalších prvků. Také tato patra by měla odolat zatížení, které lidé uvnitř budovy vytvářejí. Díky správnému rozložení této zátěže do všech pater však Horní patra nevyvíjejí nadměrný tlak na spodní patra.
Hlavními prvky, které zajišťují rovnoměrné rozložení zatížení, jsou stěny, sloupy, sloupy a stropy. Stěny a sloupky plní funkci vertikální podpory a rovnoměrně rozloží zátěž shora dolů. Sloupy a překrytí hrají roli horizontálního rozložení zátěže a zabraňují jejímu soustředění na jeden bod.
Kromě toho se používají různé materiály s různou pevností, které zajišťují optimální rozložení zatížení. Například beton a ocel mají vysokou pevnost a používají se k výstavbě prvků, které musí vydržet velké zatížení.
Důležitým aspektem je také návrh budovy s ohledem na očekávané zatížení. Inženýři a architekti musí stanovit všechny možné faktory, které mohou mít dopad na konstrukci budovy, aby byla zajištěna její spolehlivost a bezpečnost.
Díky správnému rozložení zatížení a použití optimálních materiálů a konstrukčních řešení tedy Horní patra nemohou rozdrtit spodní a budova zůstává stabilní a bezpečná.