5 Lucruri Jenga Ne Poate Învăța Despre Inginerie Structurală

{h1}

Jocul jenga vă poate învăța despre o varietate de componente ale ingineriei structurale. Aflați 5 lucruri pe care jenga vă poate învăța despre inginerie structurală.

Oamenii sunt ingineri structurali originari. Dacă vi se pare atât de greu de crezut, urmăriți un copil mic care se joacă cu un set de blocuri simple din lemn. Fără instrucțiuni exterioare - și prin multe încercări energetice și erori - el sau ea va afla în cele din urmă că cea mai stabilă cale de a construi în sus este de a plasa un fascicul orizontal pe două coloane verticale.

Logica intuitivă a copilului este aceeași care i-a inspirat pe arhitecții micenieni din secolul al XIII-lea B.C.E. să construiască celebra Poartă a Leului din două coloane de piatră și un fascicul ușor arcuit. Este aceeași expertă structurală care le-a spus egiptenilor antici că, dacă doriți să construiți ceva înalt din piatră, trebuie să începeți larg la bază. Și același inginer născut natural la noi toți este acela care spune: „Tipule, dacă vrei să câștigi la Jenga, nu lăsa un singur suport în partea de jos a turnului!”

Jenga este unul dintre cele mai populare jocuri din lume, al treilea doar la Monopoly și Scrabble în numărul de unități vândute [sursa: Micul]. Obiectul jocului este simplu: Începeți cu un teanc de 54 de blocuri - trei blocuri peste 18 nivele. Fiecare nivel de blocuri ar trebui să fie perpendicular pe nivelul de sub acesta. Fiecare jucător trebuie să scoată un bloc din partea de jos a turnului și să îl plaseze pe partea de sus folosind doar o mână la un moment dat. În cele din urmă, turnul devine periculos de instabil. Dacă ești cel care în sfârșit îl bate, pierzi.

Jenga a fost inventată de Leslie Scott, un cetățean britanic născut și crescut în Kenya și Tanzania. (Jenga înseamnă „construi” în limba suedeză.) Scott a jucat jocul cu familia ei în Africa de ani buni; în cele din urmă, a lăsat un loc de muncă cu Intel pentru a lansa Jenga la un târg de jucării din 1983, unde a devenit un fenomen de jocuri instant [sursa: Micuț].

O parte din farmecul lui Jenga este simplitatea sa; nimic altceva decât blocuri de lemn și gravitație. Dar chiar și acest simplu joc ne poate învăța multe despre lumea mai complexă a ingineriei structurale. În definitiv, clădirile sunt vulnerabile la aceleași forțe care pot răsturna un turn Jenga - forțe precum sarcini, tensiune, compresie, torsiune și multe altele. O lovitură accidentală a mesei de joc este o versiune la scară excelentă a unui cutremur catastrofal.

Să începem explorarea ingineriei structurale a lui Jenga, analizând sarcinile.

5. Sarcini

Unul dintre cele mai importante principii ale ingineriei structurale este se incarca. Ați auzit de un perete portant? De obicei este un perete interior (precum cel care împarte bucătăria și camera de zi), care servește și ca o coloană care ține la etajul doi sau acoperișul. Dacă îndepărtați un perete portant, este posibil ca structura să nu-și poată suporta propria greutate - și asta provoacă probleme.

În Jenga, nu sunt tăiate două blocuri de lemn la aceleași dimensiuni, ceea ce înseamnă că blocurile se sprijină neuniform [sursa: Smith]. Unul dintre principalele trucuri ale lui Jenga este localizarea pieselor „libere”, care sunt mai ușor de înlăturat fără a deranja integritatea turnului. Dacă o piesă este liberă, atunci știi că nu poate fi purtătoare de sarcină.

Deci, ce ne învață asta despre inginerie structurală? Atunci când proiectează o clădire, inginerii trebuie să ia în considerare calea de încărcare din vârful clădirii până la fundație. Fiecare nivel al structurii trebuie să sprijine forțele aplicate în jos de la nivelurile de mai sus. Există trei tipuri de sarcini care apar într-o clădire:

  • Sarcini moarte - Forțele aplicate de toate componentele statice ale structurii, precum grinzile, coloanele, niturile, betonul și peretele uscat.
  • Sarcini vii - Forțele aplicate de toate elementele „în mișcare” care pot afecta o structură, inclusiv oameni, mobilier, mașini și evenimente meteorologice normale, cum ar fi ploaia, zăpada și vântul.
  • Sarcini dinamice - Încărcările dinamice sunt încărcări vii care apar brusc cu mare forță. Exemple sunt cutremure, tornade, uragane și accidente de avion [sursa: Da Mag].

Inginerii trebuie să facă calcule atente pentru a se asigura că pereții, tavanele și acoperișurile care poartă sarcină pot suporta sarcini moarte, vii și chiar dinamice, în special atunci când se construiesc în zone active seismic.

Următorul principiu important pe care Jenga îl învață despre inginerie structurală este importanța unei fundații.

4. Fundații

La fel cum trebuie să găsești suprafața perfectă pe care să joci Jenga, inginerii structurali trebuie să ia în considerare suprafețele pe care aleg să construiască.

La fel cum trebuie să găsești suprafața perfectă pe care să joci Jenga, inginerii structurali trebuie să ia în considerare suprafețele pe care aleg să construiască.

Fiecare familie are suprafața preferată pe care să joace Jenga. Masa de cărți incompletă nu se pune în discuție, deoarece cea mai mică denivelare de la un cot neplăcut îți va trimite turnul. Masa robustă de bucătărie este o alegere solidă, pentru că nu se zvâcnește la fel de ușor ca masa de cărți, dar nimic nu bate un podea din lemn tare. Nu îl poți bate lateral, este destul de darnic și singura amenințare pentru stabilitate este copilul sau animalul de companie care se târâie ocazional.

Inginerii structurali trebuie să ia în considerare și suprafața pe care își construiesc structura. Dacă plasați o clădire de 15 etaje pe un sol liber, structura s-ar putea instala neuniform, provocând fisuri în pereți sau chiar o prăbușire. Chiar dacă o clădire este construită în vârful unei stânci solide, un cutremur ar putea să-l răstoarne lateral, determinând-o să alunece pe stradă câțiva metri, zdrobind orice îi este în cale. De aceea, toate clădirile moderne, mici și înalte, sunt construite pe fundații.

O fundație servește câteva scopuri cheie. În primul rând, transferă sarcina structurii în sol. (Am vorbit despre încărcături în ultima pagină.) Cu cât este mai înaltă și mai grea o clădire, cu atât sarcina este condusă în jos. Dacă clădirea este așezată la suprafață, atunci elementele cele mai joase din structură ar trebui să suporte sarcina combinată a tuturor celor de deasupra lor. Dar cu o fundație proiectată corespunzător, sarcina întregii structuri trece prin elementele cele mai joase și este dispersată în pământul de dedesubt.

Fundațiile servesc, de asemenea, în scopul de a ancora fizic structura la sol. Acesta este un rol crucial în clădirile foarte înalte. Imaginați-vă că încercați să echilibrați un stick de curte pe un capăt. S-ar putea să-l poți scoate pe o suprafață extrem de plată, dar chiar și o expirație l-ar răsturna. Dar ce se întâmplă dacă luați cuțitul în curte și să blocați un capăt în pământ câțiva centimetri? Acum puteți să-l atingeți, sau chiar să-l lovi cu piciorul și nu va da peste cap. O fundație îngropă o porțiune a clădirii în pământ, oferindu-i o stabilitate crescută împotriva schimbărilor dinamice de încărcare.

Pentru clădirile înalte construite pe soluri libere sau nisip, inginerii conduc grămezi de oțel în adâncime până la pământ până ajung în pat. Apoi construiesc o fundație din beton armat în jurul piloților de oțel pentru a crea o ancoră fermă pe care să se construiască.

În continuare ne vom uita la ce blocuri Jenga din lemn ne pot învăța despre materialele de construcție.

3. Tensiunea și compresia

În inginerie structurală, există două forțe de bază în lucru în orice element structural: compresia și tensiunea. Comprimare este forța aplicată atunci când două obiecte sunt împinse între ele. Gândiți-vă la o grămadă de pietre grele. Forța de zdrobire pe piatra de jos este compresia. Tensiune este forța aplicată atunci când un obiect este tras sau întins. Un exemplu bun este suprafața unei trambuline. Când cineva sare pe trambulină, materialul se întinde.

Inginerii vorbesc despre rezistență la tracțiune de materiale. Aceasta este forța maximă care poate fi aplicată pe un material fără a-l desprinde. Pachetele de cabluri de oțel au o rezistență la tracțiune incredibil de mare, motiv pentru care sunt folosite în cele mai lungi și mai grele poduri de suspendare din lume. Chiar și un singur cablu de oțel cu un diametru de numai 1 centimetru poate reține greutatea a doi elefanți în plină creștere [sursa: Da Mag].

Acum să ne gândim la o structură tipică din Jenga. Dacă eliminați piesa centrală pe rând, atunci creați două structuri simple cu fascicul și coloană pe ambele părți ale turnului. Un fascicul întins pe două coloane prezintă atât compresiune cât și tensiune în același timp. Greutatea în partea de sus a fasciculului o comprimă spre interior, spre centrul fasciculului. Chiar dacă nu o poți vedea cu ochiul liber, partea inferioară a fasciculului este întinsă spre exterior.

Imaginează-ți dacă fasciculul era din cauciuc. Greutatea ar întinde-o într-o formă „U”. De aceea, cauciucul face un astfel de material de construcție penibil. Inginerii structurali aleg (și uneori proiectează) materiale cu cele mai bune caracteristici de compresie și tensiune pentru lucrare. Piatra este excelentă sub compresie, dar remarcabil de ușor de desprins. De aceea, un arc de piatră durează mult mai mult decât un fascicul de piatră. Betonul armat este un material de construcție ideal, deoarece betonul îi conferă rezistență la compresiune, iar tijele de oțel încorporate îi conferă rezistență la tracțiune.

Turnurile Jenga nu sunt suficient de mari sau suficient de grele pentru a aplica o compresie sau o tensiune serioasă pe piesele de lemn, așa că există foarte puține preocupări de a despica un fascicul. Dar în proiectele de construcție reale, inginerii trebuie să ia în considerare cu atenție punctele forte și punctele slabe ale fiecărui element.

Acum vă vom explica de ce este întotdeauna mai bine să lăsați două suporturi în partea de jos a turnului Jenga.

2. Forța de rotație

Menținerea acestui turn teetering este verticală mult mai mult decât simplu noroc.

Menținerea acestui turn teetering este verticală mult mai mult decât simplu noroc.

Jucătorii experimentați ai Jenga știu că cea mai rapidă cale spre un turn în cădere este să smulgă cele două bucăți exterioare ale rândului de jos, lăsând întreaga structură să se echilibreze pe un singur bloc îngust de lemn. Cu un singur suport în partea de jos, fiecare vârf și denivelare a turnului este mărit, ceea ce face ca acesta să se balanseze în mod precar dintr-o parte în alta. Dar care sunt exact forțele care acționează asupra unei structuri cu un sprijin atât de restrâns? Și ce le face atât de periculoase?

Inginerii structurali nu vorbesc despre păstrarea unei clădiri „echilibrată”. Vorbesc despre menținere echilibrul rotativ. Imaginează-ți o clădire înaltă ca un braț cu pârghie lungă, cu majoritatea brațului deasupra solului și o secțiune mai mică (fundația) sub pământ. Punctul în care clădirea se întâlnește cu pământul este fulgerul pârghiei. Acum imaginați clădirea înclinând ușor spre dreapta sau spre stânga. În loc să cadem doar peste, vă puteți gândi la el ca să se rotească în jurul fulcrului. Inginerii și fizicienii au două nume pentru această forță de rotație: moment sau Cuplu.

Un element de bază al ingineriei structurale este acela că, cu cât brațul pârghiei este mai lung (sau cu cât este mai departe de fulger), cu atât este mai mare momentul. Pentru a reduce momentul unei clădiri foarte înalte, trebuie să construiți suporturi largi. Cu cât sunt mai largi suporturile, cu atât este mai mic momentul. Pentru a înțelege acest lucru, încercați să stați cu picioarele răspândite în larg și puneți un prieten să încerce să vă împingă în lateral. Necesită multă forță. Puneți călcâiele și încercați același lucru. Prietenul tău de-abia trebuie să te atingă și să dai peste cap. O structură cu o bază largă și frumoasă este în mod mai stabilă decât o clădire cu o bază îngustă.

Pentru ultima lecție de inginerie structurală învățată de la Jenga, vom vorbi despre cutremure.

1. Forțele cutremurului

Cel mai înalt turn Jenga înregistrat a fost de 40 de niveluri, atins folosind setul original Jenga proiectat chiar de Leslie Scott [sursa: Museum of Childhood]. Cei mai mulți jucători au noroc dacă pot obține mai mult de 30 de niveluri înainte ca totul să se prăbușească. Motivul pentru care turnul devine din ce în ce mai instabil pe măsură ce crește se datorează distribuției inegale a greutății. Când se află o cantitate prea mare de greutate în partea de sus a structurii, aceasta începe să acționeze ca un pendul invers, care se balansează înainte și înapoi pe legătura sa îngustă cu pământul [sursa: FEMA]. În Jenga, rezultatul este o curățare de două minute. În viața reală, ai avea o catastrofă.

Atunci când inginerii structurali aleg să construiască într-o regiune activă seismic, trebuie să ia în considerare efectele vibrațiilor laterale asupra clădirii lor. Când valurile seismice se încolăcesc pe pământ, ele arborează clădirile atât în ​​sus, cât și în jos și înapoi și înapoi. Culmile în sus și în jos nu sunt la fel de periculoase ca mișcările laterale, care sunt mai susceptibile de a duce la prăbușire [sursa: Asociația guvernelor din zona golfului].

Aceste vibrații laterale sunt experimentate diferit la distanțe diferite de sol. Cu cât călătoriți mai sus într-o clădire, cu atât vibrațiile sunt mai pronunțate. Când aruncați greutate în ecuație, efectele pot fi dezastruoase. Conform textului seminal, „De ce clădirile se prăbușesc”, forțele cutremurelor cresc proporțional cu greutatea structurii și pătratul înălțimii sale [sursa: Levy].

O structură extrem de grea vibrează cu o durată mult mai lungă perioadă - timpul necesar pentru a parcurge o vibrație completă - decât o clădire cu fundul greu. O perioadă mai lungă înseamnă, de asemenea, o deplasare fizică mai mare. Ia exemplul unei clădiri cu două etaje. Când se lovește de un cutremur, clădirea se învârte în centru de 51 de centimetri. Când adăugați greutate în partea de sus a aceleiași clădiri (chiar dacă este ceva simplu precum un acoperiș cu gresie grea), balansarea crește până la 3 centimetri (76 milimetri) în afara centrului [sursa: Asociația guvernelor din zona golfului].

Sperăm că ai învățat câteva lucruri despre motivul cărora se încadrează clădirile - și ce poți face pentru a-ți învinge sora în Jenga. Pentru mai multe informații despre jocurile de familie și știința de zi cu zi, treceți la linkurile de pe pagina următoare.

Faceți cunoștință cu cel mai lung pod de trecere pe mare din lume

Faceți cunoștință cu cel mai lung pod de trecere pe mare din lume

Podul Hong Kong-Zhuhai-Macao este o minunăție inginerească. WordsSideKick.com privește această structură uimitoare.







Descoperiri Științifice

Cercetare


Science News


Virusul Care Ucide Maimuța Îmbolnăvește Lucrătorii De Laborator
Virusul Care Ucide Maimuța Îmbolnăvește Lucrătorii De Laborator

Omul Mușcă Șarpele Până La Moarte În Răzbunare
Omul Mușcă Șarpele Până La Moarte În Răzbunare

De Ce Apar Picături De Forme Lichide În Spațiu?
De Ce Apar Picături De Forme Lichide În Spațiu?

Lockheed Sr-71 Blackbird
Lockheed Sr-71 Blackbird

Animalele Se Gândesc La Gândire, Sugerează Cercetarea
Animalele Se Gândesc La Gândire, Sugerează Cercetarea


RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2019 RO.WordsSideKick.com