5 ting, Jenga kan lære os om konstruktionsteknik

Mennesker er naturfødte konstruktionsingeniører. Hvis du synes det er svært at tro, se et lille barn lege med et sæt enkle træklodser. Uden instruktion udefra - og gennem masser af energiske forsøg og fejl - vil han eller hun til sidst lære, at den mest stabile måde at bygge opad er at placere en vandret stråle hen over to lodrette søjler.

Barnets intuitive logik er den samme, som inspirerede de mykeniske arkitekter i 1200 -tallet f.v.t. at konstruere den berømte løveport ud af to stensøjler og en let buet bjælke. Det er den samme strukturelle viden, der fortalte de gamle egyptere, at hvis du vil bygge noget højt af sten, du skal starte bredt ved basen. Og det er den samme naturfødte ingeniør i os alle, der siger:"Fyr, hvis du vil vinde på Jenga, lad ikke en enkelt støtte stå i bunden af ​​tårnet! "

Jenga er et af de mest populære spil i verden, tredje kun til Monopol og Scrabble i antallet af solgte enheder [kilde:Lille]. Formålet med spillet er enkelt:Du starter med en stak på 54 blokke - tre blokke på tværs, 18 niveauer højt. Hvert niveau af blokke skal være vinkelret på niveauet under det. Hver spiller skal fjerne en blok fra nær bunden af ​​tårnet og placere den på toppen med kun en hånd ad gangen. Til sidst bliver tårnet farligt ustabilt. Hvis du er den, der endelig vælter det, du taber.

Jenga blev opfundet af Leslie Scott, en britisk statsborger født og opvokset i Kenya og Tanzania. (Jenga betyder "bygge" på swahili.) Scott spillede spillet med sin familie i Afrika i årevis; hun forlod til sidst et job hos Intel for at lancere Jenga på en legetøjsmesse i 1983, hvor det blev et øjeblikkeligt spilfænomen [kilde:Lille].

En del af Jengas charme er dens enkelhed; intet andet end træblokke og tyngdekraften. Men selv dette enkle spil kan lære os meget om konstruktionsteknikkens mere komplekse verden. Bygninger, trods alt, er sårbare over for de samme kræfter, der kan vælte et Jenga -tårn - kræfter som belastninger, spænding, kompression, torsion og mere. Et utilsigtet bump af spillebordet er en fremragende udgave af et katastrofalt jordskælv.

Lad os starte vores udforskning af Jengas konstruktionsteknik med et kig på belastninger.

1. Belastninger
2. Fundamenter
3. Spænding og kompression
4. Rotationsstyrke
5. Jordskælvsstyrker

5:Belastninger

Et af de vigtigste principper for konstruktionsteknik er Indlæser . Har du hørt om en bærende væg? Det er normalt en indvendig væg (som den, der deler dit køkken og din stue), der også fungerer som en søjle, der holder anden sal eller taget op. Hvis du fjerner en bærende væg, strukturen er muligvis ikke i stand til at bære sin egen vægt - og det staver problemer.

I Jenga, ingen træblokke er skåret til nøjagtig de samme dimensioner, hvilket betyder, at blokkene hviler ujævnt på hinanden [kilde:Smith]. Et af de vigtigste tricks ved Jenga er at lokalisere de "løse" stykker, som er lettere at fjerne uden at forstyrre tårnets integritet. Hvis et stykke er løst, så ved du, at det ikke kan være bærende.

Så hvad lærer dette os om konstruktionsteknik? Når man designer en bygning, ingeniører skal overveje belastningssti fra toppen af ​​bygningen til fundamentet. Hvert niveau i strukturen skal understøtte de kræfter, der påføres nedad fra ovenstående niveauer. Der er tre slags belastninger, der opstår i en bygning:

• Døde læs - De kræfter, der påføres af alle de statiske komponenter i konstruktionen, som bjælker, kolonner, nitter, beton og tør væg.
• Levende belastninger - De kræfter, der påføres af alle de "bevægelige" elementer, der kan påvirke en struktur, herunder mennesker, møbel, biler, og normale vejrhændelser som regn, sne og vind.
• Dynamiske belastninger - Dynamiske belastninger er levende belastninger, der pludselig opstår med stor kraft. Eksempler er jordskælv, tornadoer, orkaner og flyulykker [kilde:Yes Mag].

Ingeniører skal foretage omhyggelige beregninger for at sikre, at bærende vægge, lofter og tage kan understøtte døde, levende og endda dynamiske belastninger, især når man bygger i seismisk aktive zoner.

Det næste vigtige princip, som Jenga lærer om konstruktionsteknik, er vigtigheden af ​​et fundament.

4:Fundamenter

Hver familie har deres foretrukne overflade at spille Jenga på. Det spinkle kortbord er udelukket, fordi den mindste bump fra en fejlende albue vil sende dit tårn til at tumle. Det robuste køkkenbord er et solidt valg, fordi det ikke rumler lige så let som kortbordet, men intet slår et godt trægulv. Du kan ikke banke det sidelæns, den er ret flad og den eneste trussel mod stabiliteten er lejlighedsvis kravlende baby eller kæledyr.

Strukturteknikere skal også overveje den overflade, som de bygger deres struktur på. Hvis du bygger en 15-etagers bygning på løs jord, strukturen kan falde ujævnt, forårsager revner i væggene eller endda et sammenbrud. Selvom en bygning er bygget oven på solid sten, et jordskælv kunne skubbe det sidelæns, får den til at glide ned ad gaden et par meter, knuse alt på sin vej. Derfor er alle moderne bygninger, både små og høje, er bygget på fundamenter.

Et fundament tjener et par centrale formål. For det første, det overfører strukturens belastning til jorden. (Vi talte om belastninger på den sidste side.) Jo højere og tungere en bygning, jo mere belastning køres nedad. Hvis bygningen sidder fladt på overfladen, så skulle de laveste elementer i strukturen bære den samlede belastning af alt over dem. Men med et korrekt konstrueret fundament, belastningen af ​​hele strukturen passerer gennem de laveste elementer og spredes i jorden herunder.

Fundamenter tjener også formålet med fysisk forankring af strukturen til jorden. Dette er en afgørende rolle i meget høje bygninger. Forestil dig at prøve at balancere en gårdpind i den ene ende. Du kan muligvis trække det af på en ekstremt flad overflade, men selv en udånding ville vælte den. Men hvad sker der, hvis du tager gårdsstaven ud og jammer den ene ende i jorden et par centimeter? Nu kan du trykke på den, eller endda sparke det, og det vælter ikke. Et fundament begraver en del af bygningen i jorden, giver det øget stabilitet mod dynamiske belastningsændringer.

For høje bygninger bygget på løs jord eller sand, ingeniører driver stålbunker dybt ned i jorden, indtil de når grundfjeldet. Derefter bygger de et armeret betonfundament omkring stålpælene for at skabe et fast anker at bygge på.

Dernæst ser vi på, hvad Jenga -blokke i træ kan lære os om byggematerialer.

3:Spænding og kompression

Inden for konstruktionsteknik, der er to grundlæggende kræfter i arbejde i ethvert strukturelement:komprimering og spænding. Kompression er den kraft, der påføres, når to genstande skubbes sammen. Tænk på en stak tunge sten. Kraften, der knuser ned på bundstenen, er kompression. Spænding er den kraft, der påføres, når et objekt trækkes eller strækkes. Et godt eksempel er overfladen på en trampolin. Når nogen hopper ned på trampolinen, materialet strækker sig.

Ingeniører taler om trækstyrke af materialer. Dette er den maksimale kraft, der kan påføres et materiale uden at trække det fra hinanden. Bundter af stålkabler har en utrolig høj trækstyrke, derfor bruges de i verdens længste og tungeste hængebroer. Selv et enkelt stålkabel på kun 1 centimeter i diameter kan holde vægten af ​​to fuldvoksne elefanter [kilde:Yes Mag].

Lad os nu tænke på en typisk struktur i Jenga. Hvis du fjerner midterstykket i træk, så opretter du to enkle bjælke-og-søjle strukturer på hver side af tårnet. En stråle lagt over to søjler oplever både kompression og spænding på samme tid. Vægten ned på toppen af ​​bjælken komprimerer den indad mod midten af ​​bjælken. Og selvom du ikke kan se det med dit blotte øje, strålens underside strækkes udad.

Tænk hvis bjælken var lavet af gummi. Vægten ville strække den til en "U" -form. Derfor gør gummi sådan et elendigt byggemateriale. Strukturingeniører vælger (og undertiden designer) materialer med de bedste komprimerings- og spændingsegenskaber til jobbet. Sten er fremragende under komprimering, men bemærkelsesværdigt let at skille ad. Derfor holder en stenbue meget længere end en stenbjælke. Armeret beton er et ideelt byggemateriale, fordi betonen giver den trykstyrke, og de indlejrede stålstænger giver den trækstyrke.

Jenga -tårne ​​bliver ikke høje nok eller tunge nok til at anvende alvorlig kompression eller spænding på træstykkerne, så der er meget lidt bekymring for at opdele en stråle. Men i reelle byggeprojekter, ingeniører skal nøje overveje hvert element styrker og svagheder.

Nu forklarer vi, hvorfor det altid er bedre at efterlade to understøtninger i bunden af ​​Jenga -tårnet.

2:Rotationsstyrke

Erfarne Jenga -spillere ved, at den hurtigste vej til et faldende tårn er at trække de to udvendige stykker i den nederste række væk, forlader hele strukturen balancerende på en enkelt smal træklods. Med kun en støtte i bunden, hver bump og skub i tårnet forstørres, får det til at svaje usikkert fra side til side. Men hvad er egentlig de kræfter, der virker på en struktur med så snæver støtte? Og hvad gør dem så farlige?

Strukturingeniører taler ikke om at holde en bygning "afbalanceret". De taler om at vedligeholde rotationsligevægt . Forestil dig en høj bygning som en lang løftearm med størstedelen af ​​armen over jorden og en mindre sektion (fundamentet) under jorden. Det punkt, hvor bygningen møder jorden, er håndtagets støttepunkt. Se nu bygningen vippe lidt til højre eller venstre. I stedet for bare at vælte, du kan tænke på det som at rotere rundt om støttepunktet. Ingeniører og fysikere har to navne til denne rotationskraft: øjeblik eller drejningsmoment .

Et grundprincip i konstruktionsteknik er, at jo længere din håndtagarm (eller jo længere den er væk fra støttepunktet), jo større øjeblik. For at reducere øjeblikket i en meget høj bygning, du skal bygge brede understøtninger. Jo bredere understøtninger, jo lavere øjeblik. For at forstå dette, Prøv at stå med dine fødder spredt vidt fra hinanden og få en ven til at skubbe dig over til siden. Det kræver meget kraft. Sæt dine hæle sammen og prøv det samme. Din ven skal næsten ikke røre dig, og du vælter lige over. En struktur med en flot bred bund er iboende mere stabil end en bygning med en smal bund.

Til den sidste konstruktionsteknik lektion fra Jenga, vi vil tale om jordskælv.

1:Jordskælvsstyrker

Det højeste Jenga -tårn på rekord var 40 niveauer, nået ved hjælp af det originale Jenga -sæt designet af Leslie Scott selv [kilde:Museum of Childhood]. De fleste spillere er heldige, hvis de kan få mere end 30 niveauer, før det hele styrter sammen. Grunden til at tårnet bliver mere og mere ustabilt som det vokser skyldes ujævn vægtfordeling. Når for meget vægt er placeret på toppen af ​​strukturen, det begynder at fungere som et omvendt pendul, svajende frem og tilbage på sin snævre forbindelse til jorden [kilde:FEMA]. I Jenga, resultatet er en to-minutters oprydning. I det virkelige liv, du ville have en katastrofe.

Når konstruktionsingeniører vælger at bygge i en seismisk aktiv region, de skal overveje virkningerne af laterale vibrationer på deres bygning. Når seismiske bølger risler gennem jorden, de skubber bygninger både op og ned og frem og tilbage. Op- og nedstødene er ikke så farlige som de laterale bevægelser, som er mere tilbøjelige til at føre til sammenbrud [kilde:Association of Bay Area Governments].

Disse side-til-side-vibrationer opleves forskelligt på forskellige afstande fra jorden. Jo højere du rejser op ad en bygning, jo mere markante vibrationer. Når du kaster vægt ind i ligningen, virkningerne kan være katastrofale. Ifølge den sædvanlige tekst, "Hvorfor bygninger falder ned, "Jordskælvskræfter vokser i forhold til vægten af ​​strukturen og kvadratet af dens højde [kilde:Levy].

En top-tung struktur vibrerer med meget længere periode -den tid det tager at cykle gennem en komplet vibration-end en bundtung bygning. En længere periode betyder også en større fysisk forskydning. Tag eksemplet på en to-etagers bygning. Når et jordskælv rammer, bygningen svajer 51 cm fra midten. Når du tilføjer vægt til toppen af ​​den samme bygning (selvom det er noget simpelt som et kraftigt tegltag), svajningen stiger til 76 cm fra midten [kilde:Association of Bay Area Governments].

Vi håber, du har lært et par ting om, hvorfor bygninger falder - og hvad du kan gøre for endelig at slå din søster på Jenga. For meget mere information om familiespil og dagligdags videnskab, spring over til linkene på den næste side.

Masser mere information

relaterede artikler

• 10 seje ingeniørtriks, romerne lærte os
• 10 byggeprojekter, der brød banken
• 5 fantastiske elementer af grøn arkitektur
• Sådan fungerer bygningsimplosioner
• Sådan fungerer skyskrabere
• Vil det skæve tårn i Pisa nogensinde falde?

Kilder

• Foreningen af ​​Bay Area -regeringer. Program for jordskælv og farer. "Højde/vægt -forhold" (12. september, 2011) http://www.abag.ca.gov/bayarea/eqmaps/fixit/ch2/sld011.htm
• Foreningen af ​​Bay Area -regeringer. Program for jordskælv og farer. "Vibrationsperiode" (12. september, 2011) http://www.abag.ca.gov/bayarea/eqmaps/fixit/ch2/sld012.htm
• Federal Emergency Management Agency. Håndbog om jordskælv . "En introduktion til strukturelle begreber i seismisk opgraderingsdesign" (10. september, 2011) http://www.conservationtech.com/FEMA-WEB/FEMA-subweb-EQ/02-02-EARTHQUAKE/1-BUILDINGS/C~-Structures-Intro.htm
• Levy, Matthys; Salvadori, Mario. Hvorfor falder bygninger:Hvordan mislykkes strukturer. W.W. Norton &Company. 1994 http://books.google.com/books?id=Bwd-MHINMGsC&printsec=frontcover&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false
• Lille, Rg. Oxford Times. "Nedrivning af Jenga -myten." 12. november kl. 2009 (12. september, 2011) http://www.oxfordtimes.co.uk/news/features/4728039.Demolishing_the_Jenga_myth/
• Smith, Dan. Kablet Storbritannien. "Sådan slår du nogen på Jenga." 10. juni kl. 2011 (10. september, 2011) http://www.wired.co.uk/magazine/archive/2011/07/how-to/how-to-beat-anyone-at-jenga
• V&A Museum of Childhood. "Jenga" (12. september, 2011) http://www.vam.ac.uk/moc/collections/games/jenga/index.html
• Ja Mag. "The Science of Structures" http://www.yesmag.ca/focus/structures/structure_science.html