Учёные объяснили, почему пирамида Хеопса почти 4600 лет легко переживает землетрясения

Великая пирамида Хеопса на плато Гиза, построенная около 4,5–4,6 тысячи лет назад, остаётся самым древним и одновременно одним из самых устойчивых «сооружений‑долгожителей» на планете. Новое исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, показывает, что секрет её выживаемости в условиях землетрясений кроется в уникальной геометрии, внутренней структуре и основании.

Пирамида изначально имела высоту около 146–147 метров и состояла из примерно 2,3 млн каменных блоков суммарной массой порядка 6 млн тонн. Для строительства использовали в основном местный известняк, а также гранит, при этом большинство облицовочных плит из отполированного белого известняка было утрачено уже в более поздние эпохи. Несмотря на это, ядро сооружения сохранило форму и не получило серьёзных повреждений, хотя регион Египта испытывает сейсмическую активность.

Авторы новой работы проводили измерения фоновых вибраций внутри пирамиды и на окружающем грунте, чтобы понять, как она ведёт себя во время толчков. Оказалось, что собственные частоты колебаний конструкции в большинстве точек внутри сооружения лежат в узком диапазоне от 2,0 до 2,6 герца, со средним значением около 2,3 герца. При этом окружающий грунт вибрирует значительно медленнее — примерно на частоте около 0,6 герца.

Именно эта «несостыковка» частот, по словам исследователей, играет ключевую роль: пирамида не входит в опасный резонанс с грунтом, а значит, не усиливает сейсмические колебания, которые могли бы привести к разрушениям. Узкий диапазон собственных частот также указывает на то, что напряжения по объёму конструкции распределяются достаточно равномерно, а пирамида ведёт себя как цельный монолит, а не набор разнородных блоков.

Особое внимание учёные уделили так называемым «разгрузочным» или «разгрузочным (давление‑снимающим) камерам» над погребальной камерой фараона Хуфу. Эти полости традиционно рассматривают как элемент, который перераспределяет массу и оберегает царскую камеру от обрушения, но новые измерения показали, что они также уменьшают усиление вибраций в верхней части пирамиды. Вибрации в самих разгрузочных камерах оказались слабее, чем в расположенной ниже «царской» камере, что указывает на их важную роль в снижении сейсмической нагрузки.

Сейсмостойкость пирамиды обеспечивается не только формой и внутренними полостями, но и условиями её установки. Сооружение стоит на мощном основании из хорошо цементированного известняка, которое создаёт жёсткую и стабильную «подушку» и уменьшает деформации при землетрясении. Дополнительный вклад, по оценке специалистов, вносят миллионы стыков между блоками, через которые часть энергии толчков рассеивается.

Авторы исследования считают, что полученные данные важны не только для сохранения одного из главных памятников Всемирного наследия ЮНЕСКО, но и для современной инженерии. Принципы, использованные древними строителями — жёсткое основание, массивная форма с концентрацией веса у основания, внутренняя система камер для перераспределения нагрузки и предотвращения резонанса, — могут быть адаптированы при проектировании сейсмостойких сооружений сегодня.

Исследователи планируют продолжить измерения и моделирование, чтобы точнее оценить, как разные части пирамиды реагируют на толчки разной силы и частоты. Это поможет лучше понимать, какие элементы конструкции критически важны для долгосрочной устойчивости и какие решения можно перенести в современные здания и инфраструктуру в сейсмоопасных регионах.

Основные факты о пирамиде

• Великая пирамида Хеопса (пирамидa Хуфу) — крупнейшая из пирамид Гизы и единственное из «семи чудес древнего мира», сохранившееся до наших дней.
• Её высота изначально составляла около 146,6–147 метров, сегодня — примерно 137 метров из‑за потери верхушки и облицовочных камней.
• Построена во времена правления фараона Хуфу (около середины XXV века до н.э.), из примерно 2,3 млн блоков, каждый массой от нескольких сот килограммов до десятков тонн.

Такие масштабы и сохранность делают пирамиду ключевым объектом для изучения древнего строительства и долговечности каменных сооружений в неблагоприятных условиях.

Сейсмическая обстановка в районе Гизы

• Египет не относится к самым мощным сейсмическим зонам мира, но регион Восточного Средиземноморья и Красного моря периодически испытывает землетрясения, которые ощущаются и в районе Каира и Гизы.
• Крупные исторически задокументированные землетрясения в Восточном Средиземноморье наносили ущерб многим древним постройкам, однако Великая пирамида избежала серьёзных разрушений, хотя могла пострадать от вторичных эффектов, вроде разборки облицовки людьми.

Именно на фоне этой умеренной, но реальной сейсмической активности устойчивость пирамиды особенно интересна инженерам и геофизикам.

Почему форма пирамиды помогает выживать

• Пирамидальная форма с широким основанием и сужением кверху обеспечивает низкий центр тяжести и равномерное распределение массы.
• В отличие от высотных башен и современных небоскрёбов с тонким силуэтом, у пирамиды меньше элементов, которые могут сильно раскачиваться, а большая часть массы сосредоточена у земли.

В сочетании с монументальным весом это снижает риск глобального обрушения даже при существенных толчках, хотя локальные повреждения теоретически возможны.

Роль внутренней структуры и камер

• Внутри пирамиды имеется несколько камер и коридоров, включая подземную камеру, «царскую» камеру (гробница Хуфу), «царевичью» (или «царицыну») камеру и систему разгрузочных камер над основной гробницей.
• Разгрузочные камеры были спроектированы для того, чтобы перенаправлять массу вышележащих блоков и предотвращать разрушение перекрытий погребальной камеры.

Новое исследование показывает, что эти пространства также снижают усиление вибраций вверх по высоте сооружения, фактически работая как «демпфер».

Частоты вибраций и отсутствие резонанса

• Измерения внутри пирамиды показали, что около 70–76% зарегистрированных вибраций приходятся на диапазон 2,0–2,6 герца, с усреднённым значением примерно 2,3 герца.
• Грунт вокруг пирамиды вибрирует с доминирующей частотой примерно 0,6 герца, что значительно ниже и сильно отстоит от её собственных частот.

Такое расхождение частот означает, что при землетрясении пирамида и грунт «колеблются в разном ритме», что предотвращает резонанс и опасное усиление амплитуды движений.

Что это даёт современной инженерии

• Исследователи отмечают, что принципы, заложенные в пирамиде — жёсткое основание, большие массы у основания, тщательно организованная внутренняя структура и контроль за резонансом — перекликаются с подходами современной сейсмостойкой архитектуры.
• Анализ работы пирамиды под действием землетрясений может подсказать решения для проектирования важных объектов в сейсмоопасных регионах, от мостов и плотин до высотных зданий и исторических памятников.

Запланированные дополнительные исследования призваны уточнить параметры вибраций и улучшить модели, которые можно использовать при расчётах будущих сооружений.

Ранее мы писали, что ученые обнаружили скрытые полости в пирамиде Менкаура в Египте.