テーブルは, 脚が地面に触れずに立つことができますか? 答えは, テンセグリティを使用すれば可能です! 物理学の力により, テンセグリティテーブルとその ”浮遊する” 天板は, 私たちが見ているものに疑念を抱かざるを得ません. その仕組みを知るために, 他のテンセグリティ構造を見てから, テンセグリティテーブルのモデルを見てみましょう.
テンセグリティの応用
誰が最初に構造技術としてテンセグリティを使用したかは議論されていますが, “テンセグリティ” という用語は, 1960年代にエンジニア兼建築家の Buckminster Fuller によって “tensional integrity” から短縮されて作られました. テンセグリティとは, チューブや梁などの個々の剛性部材とワイヤーやケーブルなどの柔軟な部材で構成される系に基づく 構造原理 を指します. 剛性要素は継続的に圧縮されており, 互いに接触しません. 代わりに, 継続的に張力を受けている柔軟な要素によって保持されます. これにより, 基礎, ジョイント, 柱などの予想される必需品がなくても構造が自立できる内部安定性が生まれます. テンセグリティの相互接続性により, 各パーツはより大きな全体の機能に不可欠です.
土木技師がテンセグリティを利用してジオデシックドームなどの建築構造物を建設する前は, 自転車のタイヤなどの単純な構造や, クモの巣などの自然界にもこの原理が見られました.
テンセグリティ構造は使用する材料が少ないため, 軽量で適応性に優れており, 環境に優しい建築設計に使用できる可能性があります. とはいえ, 地震による破壊などの現象に対して脆弱であるため, エンジニアは住宅などの居住用建物にテンセグリティ構造を使用することを控えてきました. 今日, テンセグリティ構造は, ドイツのミュンヘンにあるオリンピックスタジアムのように, 補助的な機能 でよく使用されています. スタジアム自体はテンセグリティで構築されていませんが, 屋根はテンセグリティで構築されています. テンセグリティを使用して結合されたスチールケーブルとアクリルガラスは, 風や雪に対抗する美しい網目模様のデザインを作り出します.
ドイツのミュンヘンにあるオリンピックスタジアム. 屋根はテンセグリティを使用して構築されています. このファイルは, Wikimedia Commons 経由で, Creative Commons の Attribution-Share Alike 3.0 Unported に基づいてライセンスされています.
テンセグリティ構造の能力をさらに示すために, さらに2つの例を見てみましょう…
タワーとロボット
ワシントン D.C. の Hirshhorn 美術館の外には, スチールとアルミニウムで作られた60フィートの彫刻があり, 地面との接触距離は14インチ で, アーティストの Kenneth Snelson (Fuller の弟子) によって ニードルタワー と名付けられ, テンセグリティ, つまり Snelson が “浮遊圧縮” と表現した力を利用して直立を保っています.
ワシントン D.C. の Hirshhorn 美術館の外にある Kenneth Snelson のニードルタワー (1968). Henk Monster 撮影. Wikimedia Commons 経由で Creative Commons の Attribution 3.0 Unported に基づいてライセンスされています.
ニードルタワー は, 国立航空宇宙博物館から来る途中に, 訪問者が通り過ぎるように展示されています. そこでは, 別のテンセグリティ構造, NASA スーパーボールボットについて学んだかもしれません.
スーパーボールボットは, 惑星着陸と探査用に NASA が設計したプロトタイプロボットで, テンセグリティの原理に基づいて動作します. ケーブルワイヤーとロッドだけで作られたこのロボットは, ケーブルの長さと張力を変えることであらゆる方向に動き回り, ロッドを引っ張ることで, 予測できない地形を移動できます. 構造の弾力性により衝撃力が吸収され, エアバッグを必要とせずに表面に落下させることができます.
NASA のスーパーボールボット. このファイルは, Wikimedia Commons 経由で, Creative Commons の Attribution-Share Alike 4.0 International に基づいてライセンスされています.
これらの例はかなり非現実的ですが, テンセグリティには60フィートの彫刻や惑星間探査ロボットが関係している必要はありません. テンセグリティの基本原理はシンプルでわかりやすいものです. 非常にわかりやすいため, 自宅にテンセグリティの例を置いておくことができます. テンセグリティテーブル, または “フローティングテーブル” は, テンセグリティの最も基本的な応用, つまり張力のかかった柔軟な部材によって持ち上げられた固定部材で機能します. 浮遊テーブルの仕組みを示すために, 張力を保持するワイヤーにかかる応力を分析する COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用してモデルを作成しました. このテーブルが浮かぶ理由を見てみましょう.
浮遊テーブルの構成
最も単純なテンセグリティテーブルは, 上部 (テーブルトップと下向きに伸びる固定された曲がった脚) と下部 (テーブルのベースと上向きに伸びる脚) の2つの硬い部分で構成されています. 2本の脚はワイヤーでつながっており, 重力によって上部が下方に引っ張られると, ワイヤーの張力によって上部の脚が地面に落ちるのを防ぎます.
テンセグリティテーブルでは, 張力によって重力が打ち消されます.
中央の1本のワイヤーで上部がテーブルの下部から吊り下げられていますが, テーブルトップが倒れるのを防ぐには, テーブルトップの端とベースの端をつなぐサポートワイヤーが必要です. テーブルトップの重量が均等に分散されている場合, これらのサポートワイヤーには通常, ほとんど張力がありません. テーブルトップの一方の端に向かって物体が置かれ, その領域に下向きの力がさらに加わると, 反対側の端のワイヤーにさらに張力がかかり, テーブルを水平に保ちます.
テンセグリティテーブルを安定させる外側のワイヤー.
テーブルの上部をバランスさせるすべての力が示されています.
おもしろい事実: テンセグリティテーブル (上記のような) のデザインは対称的であることが多いため, 上下逆さまにしても同じように機能します.
テンセグリティの動作
この例のモデルのテンセグリティテーブルは, 密度 500 kg/m3 の木材でできています. この素材は剛性があると考えられています. 中央の1本の弦と外側の4本の弦はスチール製です. この脚は連結されていますが接触しておらず, 中央を通るワイヤーのみで固定されています.
テンセグリティテーブルジオメトリ.
このモデルは, テーブル自体によって既に提供されている自重荷重に加えて, 2つの荷重ケースを分析します. 最初のケースは, テーブルの上部に配置された荷重をモデル化し, さまざまな大きさで垂直下向きに作用します. 2番目のケースでは, テーブルトップがボトル キャップのように回転するかのように, ねじりの モーメント が適用され, ワイヤーに張力が生じます. どちらのケースでも, ワイヤー インターフェースを使用して, 適用された荷重とテーブルの重量をモデル化します. このインターフェースは, ケーブルまたはワイヤーの系を個別に, または他の種類の構造と組み合わせて分析する機能を提供します.
垂直荷重
最初の荷重は, 0 ～ 500 N の範囲で変化する大きさで垂直下向きに押す圧縮力であり, テーブルの上部に均等に適用されます. 中央のワイヤーが負荷を受け, 外側のストリングには力がまったくかかりません. テーブルがどちらかに傾かない限り, 周囲のワイヤーにはほとんどまたはまったく張力がありません.
テンセグリティテーブルへの垂直荷重.
ねじりモーメント
2番目のケースでは, 10 N/m のねじりモーメントが適用されます. 前のケースと同様に, 加えられた荷重はテーブルの重量とともに中央のワイヤーによって支えられています. まっすぐな下向きの力ではなくねじりモーメントが加わるため, 外側の弦も非常に低いレベルですが張力を受けています.
テンセグリティテーブルのねじりモーメント.
未来のテンセグリティ
テンセグリティの最もシンプルな形態の1つを見て, 基本原理を理解したので, より複雑な構造をモデル化することができます. 複雑なテンセグリティの応用は, スタジアム, 彫刻, さらには惑星探査ロボットなど, あらゆるものに見られます. 今後, 建築家やエンジニアは, テンセグリティ高層ビルなど, テンセグリティ構造のより新しく, より大きな応用を模索しています. テンセグリティが, 軽量の材料 (一般的に材料が少ない) を使用しながら, 環境に優しい建築計画を提供しながら, 建築に適応性と強度のあるアプローチを提供することが期待されています. それまでは, 個人用の浮遊テーブルを備えたリビングルームでテンセグリティをお楽しみください.
次のステップ
- アプリケーションギャラリから テンセグリティテーブルのモデルファイル をダウンロードする.
- 次のチュートリアルモデルを使用して, COMSOL Multiphysics® のケーブルおよびワイヤー系を解析する機能を試しましょう:
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