А вы когда-нибудь задумывались, почему пирамиды в Египте до сих пор стоят? Ведь из семи чудес света сохранилась одна только пирамида Хеопса (она же Великая Пирамида Гизы), и это при условии, что и построена она была значительно раньше остальных?* Да и другие древние (и не очень) сооружения далеко не всегда выдерживают течение времени и влияние природных условий.

*Считается, что пирамида Хеопса была построена примерно в 2584 году до н.э., Висячие сады Семирамиды – в 600 году до н.э., Храм Артемиды в Эфесе – в 550 году до н.э., остальные чудеса света – еще позже. Не считая стойких пирамид, разрушены позже всего были Мавзолей в Галикарнасе (с 1150 по 1494 гг. н. э.), Александрийский маяк (с 1303 по 1480 гг. н. э.).

Египетские геофизики тоже задумались… и выяснили! Или, по крайней мере, выдвинули весьма рациональную гипотезу. Недавно проведенное исследование показало, что конструкция пирамиды Хеопса практически не входит в резонанс с колебаниями окружающего грунта, а значит – значительно слабее воспринимает энергию землетрясений.

Ученые устанавливали датчики в 37 точках внутри и снаружи пирамиды: в Камере царя, Камере царицы, в подземной камере, во внутренних проходах, разгрузочных камерах над погребальным помещением, на наружной поверхности сооружения и на грунте рядом с пирамидой. Приборы фиксировали сейсмический фон (естественные вибрации, которые всегда присутствуют в окружающей среде и включают в себя ветер, колебания от удаленного транспорта, морские волны, колебания земной коры) и динамический отклик внутри, на поверхности пирамиды и на окружающем основании. Специальных взрывов или других сильных искусственных колебаний не производилось. Такой метод исследования называют пассивной сейсморазведкой.

Для измерений использовали портативные датчики McSEIS-MT NEO, каждый из которых включает в себя высокочувствительный трехкомпонентный акселерометр и систему GPS в едином корпусе. Приборы способны регистрировать колебания в широком диапазоне частот. Измерения выполнялись, когда внутри пирамиды не было туристов и других людей.

Полученные данные обрабатывались с помощью метода горизонтально-вертикального спектрального отношения (HVSR), или метода Накамуры. В основе метода лежит сравнение спектральных характеристик горизонтальных и вертикальной компонент сейсмического сигнала. Считается, что при распространении волн поперечные колебания в верхних слоях грунта обычно усиливаются заметно больше, чем продольные. Анализ отношения этих спектров позволяет выявить частоты, на которых наблюдается максимальный отклик грунта или сооружения на внешние воздействия, то есть, определить собственные частоты сооружения.

Для оценки напряженно-деформационного состояния, поиска скрытых полостей, трещин и ходов фильтрации без воздействия на сооружение возможно применение не только пассивной сейсмики, но и электроразведки. Правда, электроразведка не позволяет работать с металлоконструкциями, потому что они наводят фон. 

Точно утверждать не можем о том, применял ли Хеопс и его подрядчики геофизические методы исследований в ходе строительства и эксплуатации пирамид. Однако, если б такой запрос поступил сейчас, агенты ЦУП смогли бы помочь египтянам (или инопланетянам?!) с выбором корректной методики и реализацией мониторинга.

Результаты измерений показали, что в разных частях пирамиды наибольший частотный отклик на сейсмический шум происходит в диапазоне 2,0-2,6 Гц. Такая близость параметров в разных частях сооружения указывает на стабильность и однородность динамических характеристик пирамиды. При этом окружающий грунт демонстрирует максимум усиления колебаний на частоте 0,6 Гц. По мнению исследователей, именно различие между частотными характеристиками пирамиды и грунта обеспечивает высокую устойчивость сооружения к сейсмическим воздействиям. Несовпадение собственных частот препятствует возникновению опасного резонанса и снижает передачу разрушительной энергии от земной поверхности к конструкции.

Классический пример:  марширующие солдаты, шагая в ногу, двигаются с определенной частотой ударов. И если эти самые солдаты-источники будут идти по какому-нибудь геометрически простому объекту, например, по Египетскому мосту в Санкт-Петербурге в  1905 году, то тот может попросту войти в резонанс (то есть, его собственная частота колебаний совпадет с частотой шага) и обрушиться. А стоял бы датчик контроля собственных колебаний, вписанный в систему автоматического диагностического контроля, своевременная реакция системы и оператора могла бы предотвратить обрушение моста.

Исследователи отмечают, что устойчивости сооружения способствует сразу несколько факторов: пирамидальная форма, широкое основание, низкий центр тяжести, массивная кладка и особенности внутренней структуры. Особое внимание ученые уделили разгрузочным камерам над комнатой царя: эти 5 пустот расположены на высотах примерно от 50 до 60 м. Изначально они были, вероятно, созданы для перераспределения давления каменных блоков. Относительное усиление колебаний внутри пирамиды растет с высотой, но резко снижается именно в районе разгрузочных камер. По мнению авторов исследования, геометрия внутренних пустот играет важную роль в демпфировании динамических нагрузок.

Результаты исследования помогают лучше понять принципы устойчивости древних сооружений и показывают, насколько важным для надежности конструкций является учет резонансных эффектов и взаимодействия сооружения с основанием.

Пирамида Хеопса была построена около 4600 лет назад и до сих пор остается одним из самых устойчивых монументальных сооружений в истории человечества. Несмотря на многочисленные землетрясения в районе Гизы, включая события магнитудой до 6,8, основная структура пирамиды сохранилась практически без серьезных повреждений.

Подобный подход к исследованию сооружений агенты ЦУП используют в своих работах с гидротехническими сооружениями для поиска полостей и неоднородностей в теле дамбы. Полученная информация позволяет более достоверно оценить надежность и безопасность сооружения.  Электроразведка применяется для выделения зон фильтрации за счет того, что вода в грунтах не дистиллированная, а насыщенная минералами, следовательно, она проводит электрический ток, на чем принципиально основаны исследования. 

По итогам уже выполненных работ на некоторых объектах проблем не было обнаружено, на других – выявлены дефекты и своевременно приняты меры по их устранению и предотвращению аварий.

Источники:

 материалы на сайте nature.com

 материалы на сайте nplus1.ru

Источники изображений:

[1], [5] – сгенерировано с помощью Искусственного Интеллекта;

[2], [3], [4] – личный архив агентов ЦУП.