Актуальность: Нас окружает множество мостов. Мост является одним из древнейших инженерных изобретений человечества. Он предназначен как для человека, так и для машин. Мосты — это необходимость, которая упрощает жизнь человека.
Гипотеза исследования: Форма моста влияет на его прочность.
Цель: Узнать,какая форма наиболее выгодна при строительстве мостов.
Задачи:
- Построить несколько мостов разной формы.
- Провести эксперименты на прочность.
- Проанализировать результаты.
Введение
Зачем людям мосты? Они предназначены для преодоления какого-нибудь препятствия, которые сложно осуществить человеку, например, через реку. Также он может быть возведён через дорогу или железнодорожные пути, через овраг или ущелье.
Сербский писатель Иво Андрич говорил о мостах так: «Они важнее, чем дома, они более святы, чем церкви, потому что сильнее объединяют. Они принадлежат всем и всем в равной мере приносят пользу; они возводятся именно в тех местах, где сходится множество человеческих потребностей; они долговечнее других строений и никогда не служат какой-то скрытой или злой цели». Многие тысячелетия назад люди заметили, что проще перейти ручей по стволу упавшего дерева, соединившего противоположные берега. Позже люди стали специально срубать деревья для укладки примитивных мостов. Их делали из распиленных бревен или из больших плоских камней, брошенных в воду. Это были предшественники современных мостов, без которых мы уже не можем представить своего существования. Мост — это одна из первых инженерных конструкций, придуманная человеком. Поэтому изучение их очень интересно и важно.
Теоретическая часть
Прежде чем начать постройку мостов, мы изучили теоретическую базу данной темы. Изначально нас заинтересовал вопрос, возможно ли построить мост без креплений? Оказалось, что этим вопросом задавались люди уже давно. Например, Леонардо Да Винчи — итальянский художник (живописец, скульптор, архитектор) и учёный (анатом, естествоиспытатель), изобретатель, писатель, музыкант, один из крупнейших представителей искусства Высокого Возрождения. Он был превосходным наблюдателем, умело подмечавшим законы природы. Он обратил внимание, как строятся птичьи гнёзда, плетни, корзины и другие хорошо известные объекты. Так, у него родилась идея необычного сооружения, которое должно было поразить публику, и не только своими гигантскими размерами. Он представлял собой очень пологую и широкую арку, нависающую над морем, и «сам собою образовывал свои устои», то есть не имел привычных креплений. Его секции соединялись по принципу ласточкиных гнёзд. Конечно, для разработки своей конструкции ученый изучил и сопротивление материалов. К сожалению, при жизни Леонардо Да Винчи не смог реализовать свою задумку, но по его чертежам потомки смогли построить такие мосты.
Практическая часть
Наша команда тоже решила попробовать. Сначала мы взяли китайские палочки и занялись прототипированием, то есть созданием макетов. Каждый участник научился строить мост от 12 до 18 палок и проверил его на прочность. Мы провели несколько экспериментов. Сначала мы взвесили макеты мостов, а потом начали ставить на них небольшой вес — книги, пластилин, папки, мел и так далее. После этого, мы посчитали, во сколько раз вес предметов превышает вес моста.
Результаты экспериментов
Мост 1: состоит из 12 палок, вес 33 г. Выдержал 944 г, то есть в 28 раз выше своего веса. Упал под весом 1 кг 169 г.
Мост 2: состоит из 18 палок, вес 50 г. Выдержал 1 кг 645 г, то есть в 33 раза больше своего веса. Упал при весе 1 кг 659 г.
Далее мы заметили интересный факт. У нас было два моста, построенных из одинакового количества палок, а результаты получились разные. Мост номер 3 имел менее устойчивое крепление, но выдержал больший вес, чем мост, который был лучше скреплен.
Мост 3: 15 палок, вес — 45 г, выдержал 2 кг 4 г, то есть в 44,5 раза больше своего веса.
Мост 4: 15 палок, вес — 40 г, выдержал 1344 г, то есть в 33,5 раза больше своего веса.
Почему такое могло произойти? Несмотря на то, что качество крепления играет ключевую роль в обеспечении стабильности и прочности конструкции, возможно, макет моста был менее устойчив из-за различий в распределении веса на конструкции.
Рис. 1. Эксперимент с макетом моста
Рис. 2. Мост 3 и 4
После этого наша команда приступила к построению моста в натуральную величину. Мы взяли 15 одинаковых бревен и выпилили в них выемки для того, чтобы они не скатывались друг с друга. После нескольких дней обработки бревен мы приступили к сборке моста и эксперименту. Мост выдержал вес семи детей, равный 238 кг. Одно бревно весит 4,6 кг, следовательно общий вес моста приблизительно 69 кг. Таким образом, мост выдержал в 3,5 раза больше собственного веса. При добавлении взрослого весом 75 кг одна из палок сломалась.
Рис. 3. Мост Да Винчи в натуральную величину
Почему большой мост выдержал нагрузку в меньшее количество раз, чем макет? Во-первых, ключевую роль играет качество материалов. Так как наши бревна лежали зимой на снегу, то при оттаивании в помещении они стали менее прочные из-за влаги. Во-вторых, неравномерная нагрузка. Взрослый сел на одну половину моста, поэтому на той стороне сломалось бревно. В-третьих, при построении макетов мостов можно легче контролировать условия тестирования, что делает результаты более предсказуемыми и надежными. Макеты мостов обычно строятся в уменьшенном масштабе по сравнению с реальными мостами. Это позволяет использовать более прочные материалы и увеличить пропорциональное соотношение между элементами конструкции, что делает их более надежными и устойчивыми к нагрузкам.
Кроме того, часть нашей группы строила Тауэрский мост из готового набора. Результаты эксперимента получились следующие: вес — 58 г, выдержал более 5 кг, то есть в 86 раз больше своего веса. Нас удивил такой результат, так как на вид мост казался достаточно хрупким. Тогда мы сделали вывод, что при построении данного макета используются более прочные и легкие материалы (пенополистирол), которые могут обеспечить высокую прочность при минимальном весе.
Рис. 4. Макет Тауэрского моста
Последний макет моста, который мы решили построить, — это тросовый висячий мост. Форма моста необычна. Пролетные строения (собственно, сам мост, то, по чему переходят реку люди или переезжает транспорт) снизу поддерживаются рейками, выпиленными разной длинны. В середине моста палки размером 50 см, а к краям они укорачиваются.
Почему мост имеет такую форму? Мы предположили, что за счет такой формы нагрузка будет более равномерной. Распределение нагрузки на мостах — это процесс, посредством которого вес, действующий на мост, равномерно распределяется по его конструкции, обеспечивая его прочность, устойчивость и безопасность. Равномерное распределение нагрузки помогает им оставаться прочными и устойчивыми, обеспечивая безопасность для всех, кто пользуется мостом.
Результаты эксперимента с таким мостом следующие: вес моста — 2,7 кг, выдержал книги весом 11,1 кг, то есть в 4 раза больше своего веса. Наши расчеты оказались неточными, а также отсутствие устоев (опоры, стоящих в обоих концах моста) привели к меньшему результату, чем мы ожидали.
Рис. 5. Макет висячего моста
Вывод
В процессе построения мостов мы научились основам инженерии, включая распределение нагрузок, прочность материалов и устойчивость конструкции. При создании макетов мостов обычно учитываются принципы инженерного проектирования, такие как равномерное распределение нагрузок и оптимальное использование материалов. Для реальных мостов требуются более сложные инженерные расчеты и тщательное проектирование, чтобы обеспечить их прочность и устойчивость к различным нагрузкам.
Так, мы сделали следующий вывод: прочность моста зависит не только от его формы, но и от материалов, из которых он изготовлен, а также от многих других факторов. Инженеры, проектирующие мост, учитывают множество показателей, таких как: экологические, природные, климатические факторы, распределение нагрузки и многое другое. Инженеры тщательно проектируют мосты, чтобы каждый элемент конструкции нес свою часть нагрузки, так как это помогает им оставаться надежными и безопасными для всех, кто пользуется мостом.
Литература:
- Мост да Винчи — на чем он держится и как его собрать своими руками [Электронный ресурс] URL: https://4brain.ru/blog/мост-да-винчи/ (Дата обращения: 12.02.2024)
- Кёте Райнер. Мосты. — М.: Слово, 1996.- 46 с.
- Классификация мостов [Электронный ресурс] URL: http://www.bridgeart.ru/dictionary/129-a-z/812-most.html (Дата обращения: 15.02.2024)
