Именно поэтому лаги пола (поперечные балки) в деревянных каркасных домах ставят на ребро – иначе пол пружинил бы, как трамплин. Конечно, можно взять очень толстые доски и положить их плашмя, но тогда пол выйдет настолько тяжелым и дорогим, что проект рухнет и в физическом, и в финансовом смысле.
Как инженеры добиваются максимальной эффективности от работы балок и перекладин каркаса? Иначе говоря, как получить максимальную отдачу при минимальном расходе ресурсов и с наименьшими усилиями? Для этого применяют двутавровые балки – если посмотреть на них с торца, они выглядят как заглавная буква I. Мы не будем углубляться в объяснение принципа их действия с формулами и греческими буквами, ограничимся безболезненным обзором. Наибольший вклад в жесткость балки вносят части, расположенные рядом с боковыми гранями: можно убрать часть материала с верхней и нижней поверхности обычной балки прямоугольного сечения, при этом прочность балки сохранится, а ее масса и стоимость снизятся.
Двутавровая балка хорошо сопротивляется изгибающему моменту под действием сил, направленных сверху вниз. Плохо то, что она не слишком устойчива, если силы скручивающие или боковые. Чтобы выдержать и вертикальное, и горизонтальное воздействие, балка должна напоминать нечто вроде тонкого железного креста. Однако если силу приложить под углом (например, два, пять, восемь или одиннадцать часов на условном циферблате), даже такая балка будет недостаточно прочной.
Конструкция, способная противостоять воздействию сил, направленных с разных сторон, получается из множества двутавровых балок, расположенных по кругу. Если соединить их наружные части, середину можно вообще убрать без особой потери прочности. Что останется? Цилиндр. Он устойчив к скручиванию и сгибанию во всех направлениях. Полая сердцевина позволяет облегчить конструкцию и сэкономить материал: сплошной стержень аналогичного размера был бы ненамного жестче. В этом и заключается изящество велосипедных рам, лыжных палок и – как вы уже догадались – костей. Наши длинные трубчатые кости, в сущности, представляют собой полые трубки, легкие и устойчивые к изгибам со всех сторон.
Все эти элементы содержат одинаковое количество материала при условии, что они имеют одинаковую длину. Плоская балка (a) пружинит под действием вертикально приложенных сил. Если поставить ее на ребро (b), сопротивление изгибающему моменту в вертикальной плоскости повысится. Двутавровая балка (c) еще прочнее в этом отношении. Воображаемый крест из двутавровых балок (d) устойчив к сгибанию в вертикальном и горизонтальном направлении, а фигура из множества двутавровых балок (e) будет эффективно противостоять силам, действующим в самых разных направлениях. Цилиндр (f) выдерживает сгибание с любой стороны и напоминает строение кости
Обратите внимание, что концы большинства трубчатых костей расширены и покрыты хрящом – еще одной соединительной тканью, состоящей из крупных молекул, рассеянных по коллагеновой сети. В костной ткани «штукатурка» представляет собой твердые, сопротивляющиеся сжатию кристаллы гидроксиапатита. Связующие молекулы хрящевой ткани придают ей упругость и удерживают воду. Они напоминают губку и обеспечивают хрящам – а значит, и концам костей в суставе – способность скользить почти без трения.
О строении и функции хрящей я могу рассказать еще одну захватывающую историю, но они подождут своей книги. Нам, поклонникам костей, достаточно знать, что хрящ, по сравнению с компактным веществом кости, мягкий и скользкий. Утолщения на концах длинных трубчатых костей защищают эту нежную соединительную ткань. Во-первых, они увеличивают площадь соприкосновения, тем самым снижая в каждой отдельной точке давление, которое приходится выдерживать хрящу. Во-вторых, в них содержится в основном губчатая костная ткань, которая слегка пружинит и амортизирует чувствительный к давлению хрящ.
Вы, наверное, замечали, что сердцевина твердого, плотного цилиндра трубчатой кости не совсем пустая. Здесь мы подходим к природе и назначению двух типов костной ткани – компактной и губчатой. Кость чем-то похожа на карамельку с шоколадной начинкой или хрустящий французский багет. Внешняя ее поверхность твердая и устойчивая к механическому воздействию, что позволяет нам поднимать тяжести. Пористое содержимое центральной полости – губчатое вещество – немного повышает прочность кости и поддерживает поверхностный слой, особенно ближе к концам.
Полости губчатой костной ткани заполнены клетками костного мозга, который тоже бывает двух видов: красный и желтый.
В атласе «Остеография», который вышел в 1733 году, Уильям Чизлден так описал этот рисунок, изображающий ключицу (a), плечевую кость (b) и тазовую кость (c): «Несколько костей распилены, чтобы показать их губчатую внутреннюю структуру. В их полостях сохранились остатки засохшего костного мозга». Пористая структура значительно уменьшает массу кости и повышает ее прочность, особенно ближе к концам кости
William Cheselden, Osteographia, or the Anatomy of the Bones (London: W. Bowyer, 1733)
У новорожденных все костномозговые полости заполнены красным костным мозгом, у взрослых людей красный костный мозг находится в основном в плоских костях, позвонках и утолщениях трубчатых костей. Он хорошо снабжается кровью и отвечает за выработку клеток крови, создавая их примерно по пятьсот миллиардов в день. В желтом костном мозге преобладает жировая ткань, и по мере взросления организма он занимает все больше места внутри кости. Некоторые гурманы считают его настоящим лакомством. Чтобы добраться до этой вкуснятины, они выскребают, грызут, раскалывают и даже обсасывают говяжьи кости. Именно это имел в виду Генри Торо[2], когда писал: «…укрылся я в лесах, чтоб жизнь прожить не зря, чтоб высосать из жизни костный мозг». Я точно так же поступаю с леденцами Tootsie Pops.
У некоторых птиц бедренные и плечевые кости полностью лишены костного мозга и являются важными элементами дыхательной системы: в их полости поступает воздух, который затем проходит через легкие и выдыхается. Аналогичные полые кости были и у некоторых динозавров – вероятно, тоже для содействия дыханию. Такое сходство в строении скелета доказывает, что современные птицы произошли от этих доисторических рептилий.
Дотошные читатели могут поинтересоваться: «Раз вокруг губчатой костной ткани такой плотный цилиндр, как же в нее поступает кровь?» Если бы прямо через кость проходило отверстие для полноценных кровеносных сосудов, возникли бы проблемы: отверстие имело бы такие размеры, что нарушилась бы прочность конструкции и значительно снизилась бы ее способность сопротивляться сгибающим и скручивающим силам. В этом случае кости стали бы легко ломаться. Чтобы избежать этого, природа придумала хитрость: твердую оболочку кости пронизывает множество длинных, тонких, как иголочка, диагональных ходов. В каждом из них есть крохотная артерия и вена. В одних костях таких каналов для питательных веществ больше, в других – меньше. Тазовая кость и по одной кости запястья и лодыжки отличаются тем, что на крупных участках этих костей вообще нет таких отверстий. Из-за нехватки линий снабжения стройматериалами переломы там заживают плохо.
В костях передней конечности белого носорога мы видим множество маленьких отверстий, через которые кровеносные сосуды подходят к внутренней губчатой костной ткани и питают ее