Torre Tesla. O que acontece dentro e perto de um arranha-céu quando um raio cai?

Quando um raio atacou a torre do Lakhta Center em setembro, nosso engenheiro chefe Sergei Nikiforov tranquilizou a todos, dizendo que a torre tinha um "sistema clássico de proteção contra raios" e não havia nada a temer. O que é esse "clássico"? Algo grego antigo vem à mente ... E por que não? Afinal, ainda usamos esses resultados do pensamento antigo como roda, cadeado, calendário ou papel. Talvez a proteção contra raios na torre seja um velho bem esquecido? Então - pode tão velho ajudar tão novo?


Foto ch0col8te

Vamos descobrir!

Rode o grego através do rio

Há uma bicicleta sobre marinheiros antigos na Internet.


Foto trirremes daqui

Alegadamente, mesmo assim, os marinheiros gregos realmente sabiam como afastar a ira do Thunderbolt de uma maneira engenhosa. Uma espada estava presa verticalmente ao mastro, um cabo a ele, as pontas na água. Parece duvidoso. Para criar algo semelhante, você precisa entender a natureza do raio. Os gregos entenderam que havia outra briga de família no Olimpo, exceto quem pode, por que a espada?



E mesmo que por algum acidente, depois de milhares de Zeus afundados pelo trirreme, fosse possível entender que os raios eram perfeitamente capturados em cópias e xifos, a corrente foi interrompida. Os gregos antigos não tinham cabos de aço, e os que eram de linho têm uma resistividade relativamente alta. Use isso como um guia - e mais natação é quase garantida. Se você pular do navio em chamas a tempo, é claro. Se você tiver sorte total, nadará até a praia e dirá como é errado ameaçar Zeus com uma espada do mastro.


Pintura “Odyssey and Nausicaa”, Rosa Salvator, Museu de Arte de Los Angeles, aprox. 1655 Source

Obviamente, talvez não houvesse cabos, mas uma corrente ou um cabo, ou o cabo estava encharcado antes de ser colocado em ação. E, em geral, eles entendiam as propriedades da eletricidade, condutores e dielétricos ... Mas, por alguma razão, esse conhecimento muito útil afundou ainda mais no esquecimento, surgindo séculos depois. Mas havia definitivamente outra ferramenta com a qual até a polícia tinha que lidar.

Trovões e relâmpagos! Três mil demônios!

Na Idade Média, o paradigma científico virou de cabeça para baixo - Júpiter e Thor entraram no esquecimento e, na tempestade, viram as maquinações do diabo.


A destruição da Igreja Católica. Gravura por Matthias Gerung, Alemanha, 1547 Fonte

A arma climática da época é o toque de um sino, porque, como você sabe : "o primeiro toque de um sino amortece a força impura; durante o segundo sopra em confusão em todas as direções; no terceiro, se não tiver tempo para escapar, cai no inferno" .


O sinistro Mefistófeles sobrevoa Wittenberg. Litografia de Eugene Delacroix, 1828

Quantos campanários queimaram e os árabes caíram nessa luta, durante séculos eles não contam. Porém, entradas posteriores são evidências de risco mortal:

“No Journal de Paris, no mês de agosto de 1807, eles falam sobre o paroquiano de Trulsky (perto de Toulouse), Poujib, um homem mais devoto do que experiente, que, ouvindo o som do trovão, correu para a torre do sino e, com todas as suas forças, começou a tocar para evitar a tempestade. O prefeito de Trulsky, que conhecia física melhor que Poujibe, correu para a igreja para parar de tocar; mas era tarde demais: o infeliz Pujibe jazia no chão, atingido por um trovão. O editor do Journal de Paris diz nesta ocasião: "Aqui está um novo exemplo do perigo de tocar sinos durante uma tempestade."


Localização - Toulouse, fotógrafo Florian Calas

Ou, pelas notas da Academia de Ciências de Paris:

“Em 1718, em 15 de agosto, ocorreu uma forte tempestade na Baixa Bretanha; um trovão, estrondoso, com fortes estrondos, atingiu 24 igrejas localizadas entre Landernau e Saint-Paul-de-Leon; em todas essas igrejas eles clamaram para afastar a tempestade; em que não telefonaram, permaneceram intactos ” (Este e outros casos podem ser encontrados no Edinburgh New Philosofical Journal, vol. 20, compilado por Robert Jameson)

Em geral, pelo menos na França é proibido tocar sinos durante tempestades há 30 anos - com uma ordem oficial da polícia. Com outras formas medievais de evitar problemas climáticos, por exemplo, mostrar algumas partes do corpo pela janela, parece que também acabou. Afinal, eles foram finalmente encontrados - meios seguros e funcionais.

Proteção contra raios clássica, pois é

No século 18, Benjamin Franklin - aquele cujo rosto é familiar a muitos em uma ocasião diferente, inventou o para-raios. Em 1752, no telhado de sua própria casa, ele instalou uma haste de metal conectada por um fio de metal a um poço no pátio.


Franklin circuito de proteção contra raios. Figura Wdchk. Fonte

Este pára-raios repeliu o primeiro ataque de eletricidade celeste 34 anos depois. Com sucesso. Talvez a ideia de um projeto desse tipo já estivesse no ar eletrificada por descobertas naquela época. Na Rússia, Lomonosov e Richman estudam raios, e o industrial Akinfy Demidov está construindo uma torre de 57,5 ​​metros de altura em Nevyansk.


Fonte

A torre então caiu sobre o brasão de armas da cidade, uma moeda de prata do Banco da Rússia em 2007 e 5 francos Urais (no ano 91 havia um) - pelo "simbolismo" na história e na arquitetura: a torre se desviava da vertical - 1, 85 m.


Mas nele está o primeiro pára-raios doméstico, 25 anos antes de Franklin. O design é semelhante: uma torre de metal mais o solo.


Fonte

Desde então, a humanidade começou a triunfar sobre os raios. Primeiro, no tribunal. Villiers burgueses, que instalou uma novidade no telhado da casa, contestou as alegações de vizinhos que consideravam o para-raios um empreendimento perigoso. No lado da defesa - Maximilian Robespierre, no lado da acusação - Jean-Paul Marat - um tempo incrível! Durante o julgamento de quatro anos, o tribunal ficou do lado de Villiers e dos pára-raios. Guarda-chuvas e chapéus com proteção contra raios estão se tornando populares em Paris.



Nos estados e sem essas histórias, o número de pára-raios é de centenas. O circuito de Franklin - um terminal aéreo - condutor descendente - aterramento, hoje é considerado um clássico. Nada melhor foi inventado ainda: a eficiência de um bom pára-raios clássico se aproxima de 99%. Foi isso que nosso engenheiro chefe comemorou neste tempestuoso setembro.

Por que o pára-raios Franklin funciona?

Franklin, como Lomonosov e Richman, passou a entender a natureza elétrica dos raios e, em seguida, o principal: você pode "puxar" a eletricidade da atmosfera, capturando raios em uma cópia condicional. A experiência descrita por Franklin de empinar uma pipa em uma nuvem tempestuosa está sendo questionada hoje, mas de uma forma ou de outra, ele chegou às conclusões corretas com boa saúde, ao contrário de seu colega russo Richman - ele pagou pela ciência com sua vida. As propriedades dos condutores já foram descobertas na época; o restante é uma questão de engenharia e de tecnologia.


De 1860 a 1890, houve uma vinheta com o experimento de Franklin com uma pipa em uma nota de 10 dólares dos EUA e somente mais tarde o retrato do inventor recebeu notas de 100 dólares

O momento fundamental no sistema clássico de proteção contra raios é um. Usando um condutor, forneça um circuito contínuo desde a recepção da descarga até o aterramento. Podemos dizer que esse sistema prevê e realiza a intenção do próprio raio. Um hóspede celeste elétrico quer exatamente a mesma coisa - não percorrer a espessura do isolador de ar, mas trazer partículas bipolares a uma conexão com o mínimo esforço. E as pessoas oferecem a ela o caminho da menor resistividade.


Foto de Patrick Fisher. Fonte

Como fica na torre do centro de Lakhta

Então, precisamos de um coletor de corrente de metal. A torre de metal da torre se encaixa perfeitamente - mais de 100 metros acima de um condutor limpo!



Mas - não apenas ele. O perfil dos caixilhos de janelas com vidros duplos do invólucro supertall também é metálico, e o metal está nos elementos do sistema de serviço de fachada.



A torre pode pegar um raio em toda a altura. Isso é importante - o golpe nem sempre cai no ponto mais alto e as nuvens de trovoada podem estar abaixo da torre.
Depois de receber a descarga vai para baixo condutores. No pináculo, seu papel é desempenhado por colunas de tubos de aço, abaixo de chapas de aço galvanizadas. As placas circundam o perímetro do piso e são conectadas a uma corrente confiável por faixas principais verticais localizadas no corpo das colunas de perímetro e na concha do núcleo.


A corrente do invólucro externo passa através de um condutor flexível (em uma trança vermelha) para um coletor de placas de metal ao longo do perímetro do piso



A linha vertical para descarga da descarga elétrica é passada, passa de cima para baixo da torre sem separação por tetos e é o principal condutor de raios do arranha-céu. Ela vai
às marcas de menos, onde o circuito de proteção contra raios da torre está conectado ao circuito de aterramento do edifício multifuncional. A partir daí, os elétrons correm ao longo da gaiola de reforço das estacas MFZ profundamente na terra e, finalmente, encontram-se com prótons, zerando em algum lugar nos estratos antigos das argilas pré-cambrianas.

Um raio pode derreter a fachada ou torre de uma torre?

Obviamente, as temperaturas dos raios são terríveis. "Líder" - descarga forvad, chega a temperaturas de 30 mil graus Celsius! Cinco vezes mais quente que o núcleo da terra, 30 vezes mais quente que a lava, que destruiu instantaneamente Pompéia, Herculano e Estábia. No entanto, o pináculo da torre resistiu a três ataques de raios em setembro e permaneceu inalterado.


Foto de Victor Gusik

Isso ocorre porque os raios voam do coletor atual para o solo em velocidades supersônicas - mais de 1000 quilômetros por segundo! As partículas elétricas completam sua rota tão rapidamente que o metal simplesmente não tem tempo para aquecer e derreter. Se a cadeia tivesse elos com alta resistência ou o próprio impulso durasse muito mais, então o resultado, é claro, poderia ser diferente.

Proteção celular

Dentro da torre, existem equipamentos de navegação e comunicação, sistemas SOF e outros equipamentos elétricos. Se um raio atingir a torre, o que acontecerá com ele? E em geral com o resto do equipamento elétrico de um arranha-céu?



Essa situação é padrão - todos os quadros elétricos do Lakhta Center têm proteção contra sobretensão. Quanto aos colocados diretamente no pináculo, um detalhe curioso é adicionado aqui. A torre Lakhta Center em si é semelhante em estrutura à gaiola de Faraday - a estrutura celular da fachada de metal, um circuito fechado e aterrado dá o efeito de rastrear um impulso elétrico e proteger o equipamento localizado dentro da torre.


Fachadas de malha da torre da torre do centro de Lakhta

É perigoso estar no Centro de Lakhta durante um relâmpago?

Em setembro, esta edição entusiasmou muitos que têm planos de visitar o mirante na torre do complexo. Não tenha medo. Em uma tempestade, ele está localizado com segurança em absolutamente qualquer nível supertall habitado. A plataforma de observação do principal dispositivo de transporte de corrente - a torre, é separada por um teto de concreto no nível 88 - pode ser considerada condicionalmente o telhado do edifício. Todas as formas possíveis de desviar a corrente de raios do porta-malas são bloqueadas com segurança: o vidro é um isolante em si, como concreto, envolvendo o núcleo das colunas e formando o núcleo do núcleo.


As placas-condutoras de metal no corpo da coluna são concretadas - uma poderosa camada de concreto atua como isolante

Em geral, os raios atingem arranha-céus com bastante frequência. O cavalheiro à moda antiga entre os "jovens" super altos, o Empire State Building, recebe seus "ataques leves" anuais no valor de 12 a 100, e até agora nenhum de seus visitantes foi ferido por quase um século de história no edifício. Como um visitante de qualquer outro arranha-céu.

Caçadores de impressões

Na maioria das vezes, um relâmpago em um arranha-céu é um show de luzes para quem está assistindo de lado, enquanto os habitantes podem não suspeitar que ao seu redor é um verdadeiro show de Tesla. Foi exatamente o que aconteceu durante as tempestades de setembro com aqueles que, naqueles minutos brilhantes, trabalhavam na torre do Centro de Lakhta. Eles aprenderam sobre tempestades e raios com inúmeras fotos. Em resposta a um pedido de compartilhar suas impressões, eles espalharam suas mãos. Nós trabalhamos durante toda a tempestade, não olhamos nada, é um insulto! Em geral, em um arranha-céu em uma tempestade, não é apenas mais seguro, mas às vezes ainda mais chato - o mais interessante é revelado de lado.



Aqui, por exemplo, o fotógrafo Mohamed Azmi conta como ele caçou por dois anos nos bastidores, onde um raio atinge um arranha-céu - esperando com mau tempo nos telhados de edifícios próximos.


Tudo pelo bem desse quadro

E o que você pode ver do deck de observação de um arranha-céu, estando lá em uma tempestade? Em alguns lugares, os recursos de design permitem assistir às cenas climáticas do drama celestial. Por exemplo, essas linhas podem ser vistas no material sobre os pontos turísticos do arranha-céu australiano Q1:

“... Além de surfar, parques temáticos e balões de ar quente, os visitantes da popular Gold Coast da Austrália podem adicionar outra atração à sua lista de emoções: vá ao subúrbio de Surfers Paradise e assista ao marco Q1 do relâmpago - enquanto é aconchegante por dentro ele ... De acordo com uma fonte, os visitantes gostam de deitar no chão durante uma tempestade e assistir a um relâmpago atingir uma impressionante torre de 97,7 metros Q1. A julgar por essa imagem incrível, deve ser uma experiência muito interessante, e certamente não para os fracos de coração! ”

Foto Ann VB

Infelizmente, aqueles que partiram para observar a tempestade do raio de observação do Centro Lakhta atingindo a torre de um raio, infelizmente, não verão que tudo acontecerá atrás do teto superior. Mas é provável que o relâmpago abaixo seja capturado. Tudo que você precisa é de um bom prognóstico e um pouco de sorte.

A torre atrai raios?

As tempestades de setembro na torre do Lakhta Center trovejaram muito bem nas redes sociais e na mídia. Tão bom que havia todo tipo de especulação sobre a natureza do fenômeno atípico.


Pia 78

Em primeiro lugar, essas tempestades não são vistas há um século. Em segundo lugar - relâmpagos no ponto mais alto, e a torre do centro de Lakhta, como você sabe, é a mais alta da Europa ... Coincidência?



Até o principal meteorologista de São Petersburgo, Alexander Kolesov, precisou esclarecer que os raios ocorrem sob certas condições climáticas e que nenhum arranha-céu pode mudar o clima. Por sua vez, ficaríamos felizes se o Centro Lakhta pudesse tornar todos os verões e outono em São Petersburgo tão quentes quanto o passado, mas lamentamos admitir que o especialista esteja certo: nem a torre nem o complexo como um todo podem mudar o clima. .



Para os muito suspeitos, há até uma pequena demonstração histórica. Antes da torre ser concluída, o papel dos pára-raios era desempenhado por guindastes de torre.



Apesar de essas máquinas serem o ponto mais alto no canteiro de obras, não houve um único caso de raio no guindaste - o verão nos anos anteriores não mimava.
Este ano, o setembro anormalmente quente trouxe mais de uma frente de tempestade. E é bom que a torre tenha sido concluída - caso contrário, o raio poderia escolher outro alvo, e não se sabe o que ou quem se tornaria. Por outro lado, você não deve confiar completamente em uma "barra de raio" tão impressionante - não há casos raros em que um trovão atinge o lugar errado.

Quando um arranha-céu em uma tempestade é perigoso

Aqui está uma foto impressionante com uma tempestade tomada muito perto da torre. Além do próprio raio e do arranha-céu, a única situação, mas potencialmente muito perigosa, é capturada aqui.



Existem estimativas segundo as quais até a metade das pessoas afetadas por raios se escondeu sob árvores altas. A torre não é uma árvore, mas durante uma tempestade é imperativo se esconder no prédio e, definitivamente, não tirar fotos espetaculares do anfiteatro ou de algum gramado perto do arranha-céu quando o local estiver aberto, afastando o conhecimento de que o Lakhta Center será um para-raios se algo acontecer. Relâmpagos se movem em "segmentos" de várias dezenas de metros e podem mudar de direção em qualquer uma dessas áreas. No mesmo quadro, você pode ver como o golpe principal não cai na torre, mas no chão ou na baía atrás da torre.
E neste vídeo - como os raios mudam de direção em diferentes segmentos.

Algum dia Marty vai para casa

As crianças em idade escolar sabem mais sobre raios e os cientistas, menos que tudo. Para os primeiros - um parágrafo no livro didático, para os últimos - uma terra incógnita real. A comunidade científica está discutindo relâmpagos escuros e invisíveis - muito raros e poderosos, sprites, jatos e elfos - fenômenos durante uma tempestade na atmosfera superior e dentro de uma nuvem tempestuosa, raios positivos - da terra ao céu, raios de bola, sua origem cósmica ...


A primeira imagem colorida de um sprite capturada em uma atmosfera próxima à Terra. Fonte da foto

Existem muitos segredos. Com a pista deles, um infortúnio é que é incrivelmente difícil pegar um aprendiz rápido como um raio. Ninguém sabe onde ele vai acertar na próxima vez, e o próprio flash dura um momento. Este ano, um complexo especial foi enviado à ISS, que estudará os fenômenos luminosos na atmosfera superior. Com o fundo - à moda antiga. Precisamos procurar lugares onde a probabilidade de captar raios é maior. Um desses lugares na época era o Empire State Building .Os engenheiros da General Electric equiparam um laboratório no 102º andar da torre - a partir daí eles fizeram fotografias em flash em câmera lenta, os resultados foram usados ​​em um projeto para estudar picos de energia nas redes elétricas durante tempestades. Aqui está a contribuição dos arranha-céus para a ciência.


Foto - Museu da Inovação e Ciência Schenectady

Geralmente, o raio pode ser muito útil. Eles podem enviar Marty para casa e carregar as lâmpadas gratuitamente.



Esperamos que um dia com um raio não apenas se estabeleça a neutralidade armada, mas também uma verdadeira amizade. Em seguida, pegaremos as baterias, colocá-las na torre e nos tornarmos ainda mais ecologicamente corretos e eficientes em termos de energia do que agora. Sim, a propósito, podemos parabenizá-lo - outro dia, o Lakhta Center se tornou o primeiro arranha-céu russo a receber o mais alto nível de platina no sistema internacional de certificação verde LEED.



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Obrigado pela ajuda na preparação do material, nossos especialistas saem - Dmitry Matveev, chefe do departamento de fachadas e estruturas metálicas e Vasily Balakshin, chefe da direção de sistemas elétricos do IFC Lakhta Center JSC