• تعداد بازديد :
  • دوشنبه 1395/04/21
  • تاريخ :

طراحی پل

طراحی پل ها

مقدمه:

آیا تا به حال با اتومبیل از روی یک پل معلق عبور کرده اید؟ پل های معلق با برج های بلند و کابل های انحنادار مثالی زیبا از کار مهندسین عمران است. این برج ها و کابل ها چگونه بار پل از جمله شما و اتومبیل تان را تحمل می کند؟ آیا پل معلق توانایی تحمل بار بیشتری نسبت به یک پل ساده ی بدون کابل دارد؟ پاسخ این سوالات را با انجام این فعالیت علمی پیدا کنید.

طراحی پل ها

پیش زمینه:

ساده ترین پل، پل پایه دار است که معمولاً توسط دو پایه در دو سر پل پشتیبانی می شود. برای مثال یک پل پایه دار می تواند به سادگی یک تخته چوب که برای عبور از یک جریان آب قرار داده شده است باشد. پل های معلق اما ساختار پیچیده تری دارند. این پل ها شامل بخش اصلی پل (عرشه، قسمتی که شامل جاده می شود)، کابل ها و برج ها هستند. کابل ها میان برج ها کشیده می شوند و در تحمل بار عرشه و اتومبیل های روی آن کمک می کنند. در این نوع پل ها کابل ها تحت تنش و برج ها تحت فشار هستند.

پل های معلق ممکن است پیچیده به نظر برسند اما برای استفاده در مسافت های طولانی این پل ها بسیار مقرون به صرفه هستند چرا که مواد و مصالح بسیار کمتری نسبت به پل های پایه دار معمولی نیاز دارند. با این وجود به دلیل انعطاف پذیر بودن نسبی پل های معلق، باد شدید و سایر نیروها مشکلی جدی برای این نوع پل ها ایجاد می کند. سقوط فاجعه بار پل Tacoma Narrows در واشنگتن در سال 1940 یک مثال از این مشکل است.

طراحی پل ها

در این فعالیت علمی شما دو نوع پل خواهید ساخت: یک پل معلق ساده و یک پل پایه دار. به نظر شما کدام یک از این پل ها قدرت تحمل بار بیشتری دارند؟

 

مواد و وسایل مورد نیاز:

هشت عدد نی آشامیدنی پلاستیکی یک بار مصرف
 نوار چسب
 نخ
 قیچی
 چهار عدد گیره ی کاغذ (حداقل دو تای آنها باید بزرگ باشند.)
 لیوان کاغذی
 تعداد زیادی سکه، همه از یک نوع (برای مثال 150 سکه ی صد تومانی)
 دو صندلی، میز یا نیمکت که بتوان طوری آنها را کنار هم قرار داد تا یک پل بین آنها قابل ساختن باشد. همچنین باید اجازه داشته باشید روی آنها نوار چسب بزنید.

 

آماده سازی:

اگر نی های آشامیدنی تان قسمت انعطاف پذیری دارد، آن قسمت را ببرید تا یک نی صاف و بدون قابلیت خم شدن داشته باشید. شش عدد نی به این شکل نیاز خواهید داشت. دقت کنید که تمام این شش نی باید هم طول باشند. اگر اینطور نبود آن ها را ببرید تا طولشان یکسان شود. (اگر از نی غیر قابل انعطاف استفاده می کنید، آنها را برای قطعات بلند پل به کار ببرید.)
 دو نی کوچک هر کدام به طول یک اینچ را از نی هفتم ببرید. دقت کنید که هر دوی این تکه ها باید هم طول باشند. (اگر نی قسمت قابل انعطاف دارد، این دو تکه ی کوچک را از انتهای دیگر نی که غیر قابل خم شدن است ببرید.)
 دو نی بلند را به دو سر یکی از این نی های کوچک بچسبانید.
 حال دو نی بلند را از سر دیگرشان به هم بچسبانید. با این کار یک مثلث کشیده خواهید داشت. این قطعه یکی از برج های پل معلق شماست.
 همین کار را با دو نی بلند و نی کوچک دوم انجام دهید تا برج دوم را بسازید.
 یکی از این برج ها را به لبه ی یک میز، صندلی یا نیمکت بچسبانید. تکه ی کوچک نی باید در قسمت پایینی برج قرار داشته باشد و قسمت نوک تیز آن نیز در بالا. برج دوم را نیز به همین ترتیب به یک وسیله ی دیگر که هم ارتفاع با اولی است بچسبانید. فاصله ی این دو برج از هم باید به اندازه ای باشد که یک نی کامل بین آنها جای بگیرد.

طراحی پل ها

 

روش کار:

یک نی بلند را طوری بین دو برج قرار دهید که دو انتهای آن روی نی های کوچک باشد. این نی بخش اصلی پل شما یعنی عرشه است. حال یک پل پایه ای ساده دارید. آیا می توانید تفاوت آن با پل معلق را تشخیص دهید؟
 یک گیره ی کاغذ بزرگ را باز کنید و آن را به شکل V دربیاورید. سپس دو انتهای آن را در دو طرف مقابل هم از لیوان کاغذی در زیر قسمت ضخیم لبه ی لیوان فرو کنید. این قطعه برای وارد کردن بار به پل استفاده خواهد شد.
 با یک گیره ی کاغذ بزرگ دیگر این قطعه را از عرشه (نی بزرگ) آویزان کنید. برای این کار دو گیره ی کاغذ را به هم متصل کنید و سپس گیره ی بالایی را داخل نی بزرگ یعنی عرشه بیندازید. حال لیوان کاغذی را در وسط عرشه قرار دهید.
 شروع به اضافه کردن سکه های هم شکل به صورت یکی یکی به داخل لیوان کنید. تعداد سکه هایی را که به داخل لیوان می اندازید بشمارید. قبل از اینکه پل فرو بریزد چند سکه به لیوان اضافه کرده اید؟ پل چگونه فرو می ریزد؟
 حال وقت آن رسیده است که پل خود را به صورت معلق دربیاورید. یک نی بلند جدید به عنوان عرشه ی پل بردارید.

طراحی پل ها

 یک نخ به طول سه فوت ببرید. میانه ی نخ را دور قسمت وسطی نی بلند که نقش عرشه ی پل را دارد گره بزنید. نی را مانند قبل بین دو برج قرار دهید.
 هر کدام از دو انتهای نخ را از روی یک پل و سپس از زیر آن رد کنید. سپس هر کدام از دو انتهای نخ را به یک گیره ی کاغذ گره بزنید. حال گیره ها را از پل دور کنید تا جایی که دو سمت نخ محکم شود. گیره ی کاغذ را همان جا روی وسایلی که برج ها روی آنها نصب شده اند بچسبانید.
 لیوان کاغذی را مانند قبل به بخش اصلی پل متصل کنید. حال سکه ها را یکی یکی به لیوان اضافه کنید. این بار پل چند عدد سکه را تحمل می کند؟ پل چگونه فرو می ریزد؟
 به طور کلی کدام نوع پل محکم تر است؟ آیا تفاوت استحکام آنها زیاد است؟ به نظر شما دلیل نتایجی که به دست آورده اید چیست؟

 

آزمایش های تکمیلی:

پل های خود را با نی های جدید چند مرتبه ی دیگر آزمایش کنید. آیا نتایجی که به دست می آورید یکسان هستند؟
 سعی کنید نخ قسمت برج تا گیره ی کاغذ را حذف کنید تا تنها بخشی از نخ که از برج به عرشه متصل است باقی بماند. در این حالت پل چه استحکامی دارد؟ چرا؟
 این آزمایش را چند مرتبه ی دیگر انجام دهید و دقت کنید که کدام قسمت پل زودتر از همه فرو می ریزد. آیا فرو ریختن پل به دلیل ضعیف بودن موادی است که استفاده کرده اید یا به دلیل ضعف اتصالات؟ آیا می توانید طرحی جدید ارائه بدهید که در آن این ضعف ها برطرف شده باشد؟

 

مشاهده و نتیجه گیری:

آیا پل معلق تعداد سکه های بیشتری را نسبت به پل پایه ای ساده تحمل کرد؟
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که پل معلق قادر به تحمل تعداد بیشتری سکه نسبت به پل پایه ای ساده است. دلیل فرو ریختن پل پایه ای احتمالاً خم شدن بخش اصلی پل (نی بلند) به سمت پایین با اضافه کردن سکه های بیشتر بوده است. با زیاد شدن تعداد سکه ها، نی به قدری به پایین خم می شود که دو انتهای آن از برج ها جدا می شود و پل فرو می ریزد. در پل معلق با افزایش تعداد سکه ها کابل (نخ) تحت تنش قرار می گیرد و بخش اصلی پل (نی بلند) تقویت و توسط نخ به سمت بالا کشیده می شود (در این حالت برج تحت فشار قرار می گیرد).

طراحی پل ها


در نتیجه پل قادر به تحمل تعداد بیشتری سکه خواهد بود. با افزایش تعداد سکه ها این پل نیز در نهایت فرو می ریزد. بخش اصلی پل (عرشه، نی بلند) تحت وزن سکه ها به سمت پایین خم می شود و به شکل V درمی آید. اما از آنجا که این قطعه به نخ ها متصل است سقوط نمی کند بلکه لیوان پُر از سکه از یکی از دو انتهای نی بلند پایین می افتد.

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان

تنظیم:نیلوفر یاقوتی

UserName