Эйфелеву башню, известную сегодня, изначально называли «Тур де 300 мètres» (300-метровая башня). Такое название предложили инженеры Морис Кохлин и Эмиль Нужье Густаву Эйфелю, который руководил строительством башни. Оно намекало на желание построить нечто выдающееся, технологический подвиг, который установил бы новый рекорд высоты.
Однако с повышением температуры в летние месяцы Эйфелева башня становится ещё выше, чем была задумана изначально.
Эйфелеву башню воздвигли к Всемирной выставке 1889 года в честь столетия Французской революции.
Эйфель выбрал для строительства пудлинговое железо — материал, который он хорошо знал и успешно использовал в предыдущих проектах. Этот материал выдерживает высокие уровни нагрузки, что позволило построить большую, очень лёгкую башню, безопасную от горизонтальных сил ветра.
Чтобы представить, насколько башня лёгкая, её вес в 7 300 тонн близок к весу объёма воздуха, который она содержит, — около 6 300 тонн.
Эйфелева башня задумывалась как основная точка наблюдения, а также как база для радиовещания. Сама башня представляет собой гигантскую треугольную решётчатую конструкцию, подобную виадуку Гараби (также спроектированному в бюро Эйфеля) и мосту Форт в Шотландии, оба из того же периода.
Все эти конструкции увеличиваются в размерах при повышении температуры материала. Однако, в отличие от мостов, которые ведут себя более сложным образом, Эйфелева башня в основном увеличивается в размерах вертикально из-за изменений температуры. Это явление известно как тепловое расширение.
Мы знаем, что большинство твёрдых тел расширяются при повышении температуры и сжимаются при понижении. Это связано с тем, что повышение температуры вызывает большее возбуждение атомов, что приводит к увеличению среднего расстояния между ними.
В зависимости от характера связи разные виды твёрдых тел испытывают больший или меньший рост, который инженеры должны тщательно фиксировать. Керамика и стекло, имеющие более прочные связи, расширяются меньше, чем металлы, которые, в свою очередь, расширяются меньше, чем полимеры.
Как оценить величину движения в твёрдом теле?
Когда элементы прямые — как это бывает в большинстве общественных работ и в архитектуре, где преобладают балки и стержни — движение пропорционально трём параметрам: длине элемента, изменению его температуры и коэффициенту расширения материала.
Многие керамические материалы обычно имеют коэффициенты расширения в диапазоне от 0,5×10⁻⁶ до 1,5×10⁻⁶ (°C)⁻¹, в то время как металлы находятся в диапазоне между 5×10⁻⁶ и 30×10⁻⁶ (°C)⁻¹, а полимеры — между 50×10⁻⁶ и 300×10⁻⁶ (°C)⁻¹. Эти (возможно, странно выглядящие) числа указывают на рост стандартной длины при повышении температуры на один градус Цельсия.
Наиболее расширяемыми материалами являются полимеры, которые расширяются примерно в десять раз больше, чем металлы, а металлы расширяются в десять раз больше, чем керамика.
Пудлинговое железо, использованное при строительстве Эйфелевой башни, и её стальные компоненты имеют коэффициент около 12×10⁻⁶ (°C)⁻¹, что означает, что железный пруток длиной один метр расширяется на 12×10⁻⁶ метров при повышении температуры на один градус. Это всего лишь дюжина микрон, меньше толщины человеческого волоса.
Имеет ли тепло какое-либо заметное влияние на здания?
Да, если учесть, что есть ещё два параметра: длина элемента и диапазон температур, в котором он находится. Длина может быть очень большой. Эйфелева башня имеет высоту 300 метров, но виадук Гараби имеет длину 565 метров, а мост Форт — более 2,5 километров. Сегодня существует множество более крупных линейных конструкций, и тепловое расширение также влияет на железнодорожные пути, по которым проложено множество мостов.
Исторические диапазоны температур также должны быть проанализированы. Париж фиксирует температуру более двух веков, с зимними минимумами ниже -20 °C и летними максимумами около 40 °C. Следует также учитывать влияние солнечной радиации — металлы могут достигать гораздо более высоких температур под прямыми солнечными лучами, часто превышая 60 °C или 70 °C.
Теперь давайте посчитаем. Мы оценим, насколько расширяется металлический стержень длиной 100 метров, когда температура колеблется на 100 °C — приблизительный диапазон, который испытывает Эйфелева башня.
Расчёт прост. Если однометровый стержень расширяется на 0,000012 метра при повышении температуры на один градус, то 100-метровый стержень расширяется на 0,12 метра при повышении температуры на 100 градусов. А 300-метровый стержень расширился бы в три раза больше: на 0,36 метра, то есть на 36 см. Это заметная разница.
Очевидно, что простой стержень не ведёт себя так же, как башня, состоящая из более чем 18 000 частей из скреплённого железом, ориентированных во всех направлениях. Кроме того, солнце всегда освещает одну из её сторон. Это означает, что одна из её граней растёт больше, чем другие, вызывая лёгкое искривление башни, как если бы она наклонялась в сторону от солнца.
Специалисты подсчитали, что Эйфелева башня фактически увеличивается в размерах на 12–15 сантиметров, если сравнивать её размер в холодные зимние дни с самыми жаркими днями лета. Это означает, что, помимо того, что Эйфелева башня является достопримечательностью, башней связи и символом самого Парижа, она также, по сути, является гигантским термометром.