• مشکی
  • سفید
  • سبز
  • آبی
  • قرمز
  • نارنجی
  • بنفش
  • طلایی
  • تعداد بازديد :
  • 611
  • پنج شنبه 1395/4/24
  • تاريخ :

آشنایی با ساختار خرپاها

آشنایی با ساختار خرپاها


مقدمه:

آیا تا به حال از روی یک پل رد شده اید یا ساختمان  در حال ساختی را دیده اید که دارای تیرآهن های پشتیبان بسیار محکم است؟ آیا ستون های چوبی در خانه های در حال ساخت را دیده اید؟ آیا به این موضوع دقت کرده اید که گاهی اوقات ستون های پشتیبان شکل های مختلف هندسی مانند مثلث یا مربع تشکیل می دهند؟

آشنایی با ساختار خرپاها

در این فعالیت علمی شما یک مهندس ساخت و ساز خواهید شد و اشکال مختلفی از ستون های پشتیبان را با چوب های کوچک می سازید. به نظر شما کدام شکل هندسی قدرت بیشتری خواهد داشت؟

آشنایی با ساختار خرپاها

پیش زمینه:

هنگامی که مهندسین عمران سازه های بزرگ مانند پل یا ساختمان می سازند، باید نحوه ی اعمال نیروهایی از جمله گرانش، تنش های کششی و فشاری و گشتاور بر روی سازه را در نظر بگیرند. گرانش به طور پیوسته اجسام (و به خصوص اجسام سنگین) را به سمت زمین می کشد. به عنوان مثال وزن اتومبیل هایی که از روی یک پل عبور می کنند می تواند سبب ایجاد تنش کششی یا فشاری وارد بر سازه شود و در صورتی که طراحی سازه صحیح نباشد، سبب شکست آن شود.

آشنایی با ساختار خرپاها

سازه هایی که مهندسین طراحی می کنند همچنین باید توان تحمل گشتاور را داشته باشند. نمونه ای از گشتاور هنگام کار با پیچ گوشتی برای بستن یک پیچ یا حالتی است که دو سر خط کش را بگیرید و سعی کنید آن را خم کنید.

آشنایی با ساختار خرپاها

اسکلت پل ها و ساختمان ها معمولاً به صورت خرپا یا یک سری تیر متصل به هم ساخته می شود. هدف یک مهندس طراحی خرپایی است که تا حدودی انعطاف پذیر باشد اما تحت نیروهای بسیار قوی نیز نشکند. در این فعالیت علمی شما با اتصال چوب-های کوچک به هم با گیره خرپا می سازید. به نظرتان خرپا با چه شکل هندسی بیشترین مقاومت را در برابر خم شدن دارد؟ فعالیت زیر را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید.

مواد و وسایل مورد نیاز:

چوب بستنی (حداقل هفت عدد)

 گیره ی کاغذ کوچک به شکل زیر (حداقل هفت عدد)

آشنایی با ساختار خرپاها

روش کار:

انتهای دو چوب بستنی را با گیره به هم متصل کنید.

 انتهای هر کدام از دو چوب بستنی را در یکی از دستانتان نگه دارید. سعی کنید به آرامی آنها را به جلو و عقب خم کنید و حول محل اتصال با گیره بچرخانید. (برای این کار دو سطح صاف چوب بستنی ها را روی هم بکشید.) چرخاندن چوب بستنی ها حول اتصال سخت است یا آسان؟

 اکنون با چهار چوب بستنی و چهار گیره یک شکل مربعی بسازید.

 دو چوب بستنی مجاور با هم را با انگشتانتان بگیرید و سعی کنید به آرامی آنها را حول اتصال میان شان بچرخانید. انجام این کار سخت است یا آسان؟ با این کار شکل کلی سازه چه تغییری می کند؟

 دو چوب بستنی مقابل هم را با انگشتانتان بگیرید و سعی کنید آنها را موازی با هم به عقب و جلو بکشید. انجام این کار سخت است یا آسان؟ با انجام این کار چه اتفاقی برای شکل کلی سازه می افتد؟

 حال با سه تکه چوب بستنی و سه گیره یک شکل مثلثی با سه اتصال درست کنید.

 دو چوب بستنی مجاور با هم را با انگشتانتان بگیرید و سعی کنید مانند سازه ی مربعی این دو چوب را بچرخانید. با انجام این کار چه اتفاقی می افتد؟ آیا می توانید چوب بستنی ها را بچرخانید یا سازه شکل مثلثی خود را حفظ می کند؟ تفاوت این سازه با سازه ی مربعی چیست؟

آشنایی با ساختار خرپاها

آزمایش های تکمیلی:

اگر چوب بستنی و گیره ی بیشتری در اختیار دارید، سعی کنید خرپایی بزرگتر متشکل از مربع ها یا مثلث های متصل به هم بسازید. با کشیدن و چرخاندن قسمت های مختلف این خرپاها چه اتفاقی می افتد؟ آیا برخی از خرپاها شکل خود را حفظ می کنند و برخی دیگر دچار تغییر می شوند؟

 یک قطر به خرپای مربعی خود اضافه کنید تا خرپا به دو مثلث تقسیم شود. (قطر را با متصل کردن دو چوب بستنی به هم توسط چند گیره بسازید.) آیا در این حالت نیز می توانید قسمت های مختلف مربع را حول اتصالات بچرخانید؟

آشنایی با ساختار خرپاها

مشاهده و نتیجه گیری:

در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که چرخاندن چوب بستنی هایی که به شکل مربعی به هم متصل شده اند بسیار آسان است. اگر دو چوب بستنی مجاور را بچرخانید یا دو چوب مقابل هم را به طور موازی بکشید، اتصال میان آنها برقرار می ماند اما کل مربع به شکل یک متوازی الاضلاع تغییر می کند. در صورتی که این اتفاق در یک ساختمان بیفتد برابر با فاجعه است!

در مقابل هنگامی که تلاش می کنید دو چوب بستنی مجاور با هم را در خرپای مثلثی بچرخانید، مشاهده می کنید که چوب ها حرکتی نمی کنند. طراحی خرپای مثلثی قوی تر است. چوب های بستنی در این خرپا طوری کنار هم قرار می گیرند که با کشش و فشار هیچ کدام نمی چرخند.

دلیل این اتفاق مبحثی به نام درجه ی آزادی است. خرپای مربعی یک درجه ی آزادی دارد، به این معنا که می تواند در یک جهت حرکت کند. (در مورد خرپای مربعی حرکت چرخشی؛ خرپا می تواند از شکل مربع به متوازی الاضلاع دربیاید.) تنها راه جلوگیری از چرخش اتصالات خرپای مربعی این است که اتصالات را بسیار بسیار قوی کنیم، مثلاً از گیره های بسیار قوی استفاده کنیم.) با این اوصاف متوجه می شوید که چرا تنها استفاده از خرپاهای مربعی در ساختمان سازی ایمن نیست، زیرا تمام اتصالات باید بسیار قوی باشند.

با این وجود خرپای مثلثی درجه ی آزادی صفر دارد و تمام اتصالات آن ثابت و بدون چرخش هستند. بدین ترتیب سازه ای که دارای خرپاهای مثلثی باشد دچار چرخش یا تغییر فرم نمی شود؛ حتی اگر اتصالات آنها چندان قوی هم نباشند.

منبع: Scientific American

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تنظیم: نسرین صادقی
اهمیت تقارن در فرفره ها

اهمیت تقارن در فرفره ها

آیا تا به حال با فرفره ی اسباب بازی کار کرده اید یا نمونه های واقعی آن مانند آسیاب بادی یا توربین بادی را دیده اید؟ آیا می دانید دلیل شکل خاص این توربین ها (دارای چند تیغه به صورت متقارن) چیست؟ اگر توربین ها یک تیغه داشته باشند چه می شود؟ اگر تیغه ها در .
دلیل ایجاد فصل ها

دلیل ایجاد فصل ها

در نیم کره ی شمالی زمین، تابستان ها بسیار گرم و روزهای آفتابی آن بسیار طولانی هستند؛ درحالی که زمستان ها به دلیل ساعات روز کوتاه و نور آفتاب ضعیف بسیار سرد است....
طراحی پل ها

طراحی پل ها

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...
UserName