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用什么材料造最坚固的桥?

你能用什么来建造最坚固的桥?

关键概念

  • 物理学
  • 工程学
  • 材料学
  • 强度

  • 介绍

    如果你看过桥,你可能会注意到它们可以由不同的材料制成。有些是木头,有些是钢铁,有些是混凝土,有些甚至是石头。如果你想用你家里有的东西做一个简单、坚固的微型桥,什么材料最好?试试找出答案吧!

  • 背景

    工程师应该使用什么材料来建造一座桥?这取决于许多因素。这座桥位于什么地方?要多长时间?过桥的是什么(人、汽车或火车),总载重量是多少?

    你可能知道不同的材料有不同的性能。你或许会凭感觉来思考各种材料的属性——例如,某物看起来或感觉如何;是亮的还是黑的;平滑的还是粗糙的?还有一些属性描述了材料的强度。这些被称为力学性质。例如,材料拉伸、挤压或弯曲的难度有多大?当你把材料弯曲然后松开它是保持弯曲还是回到原来的形状?如果你将材料弯曲到断裂的程度,它是非常缓慢地发生还是突然地折断?

    你可能在日常生活中经历过这些不同的特性,却没有留意。当你弯曲曲别针时,它保持弯曲;也很难让曲别针突然“啪”一下。把它和木尺比较一下。如果你稍微弯曲一下尺子,它会反弹回原来的形状;但如果你把它弯得太厉害,它就会折断。有些材料,如橡胶,很容易拉伸或压扁。其他材料,如岩石,要硬得多。你可以想象什么样的特性对桥来说是重要的。如果一辆重型卡车在桥上行驶,你想让桥经常下陷吗?你想让桥在卡车离开后恢复原来的形状吗?在这个实验中,您将探索这些属性与各种家居材料,并决定哪一个适合做最好的桥梁。

  • 准备

    1. 把蜡纸和铝箔切成和纸张一样大小的纸张。
    2. 你的书间隔大约15厘米
    3. 将你的三张纸每一张折叠成一个桥的形状。首先,将它们至少纵向对折两次。然后将边缘折叠成墙。用胶带把边缘粘起来,防止桥梁展开。确保你的桥足够宽,可以平放硬币。 你认为什么样的材料可以做最坚固的桥
  • 过程

    1. 把你的一座桥放在书之间的空隙上。
    2. 在桥中间放一枚硬币。
    3. 继续往桥上加硬币,一次一个。沿着桥的长度均匀地放硬币。它模拟了真实的人或汽车如何通过一座桥;它们并不都是叠在一起的。
    4. 当你不断地加硬币时,要小心地看着桥。桥是保持原状还是开始下陷?
    5. 如果你用硬币填满桥的整个表面,开始第二层。继续加硬币,直到桥倒塌。多少硬币让桥倒塌了?
    6. 另外两个材料重复上述步骤。哪座桥装的硬币最多?所有的桥梁都以同样的方式倒塌吗(例如,有些是突然倒塌,有些是逐渐倒塌)?
    7. 额外:用每种材料建造一座新的桥。往每座桥上加一些硬币,但不要足够让它倒塌,然后把硬币拿出来。桥是完全恢复到原来的形状,还是永久变形了?
    8. 额外: 物体的形状也会影响它的强度。尝试改变你的桥的几何形状,例如,调整底部的宽度或墙壁的高度,或你对折每张纸的次数。改变形状对桥能装多少硬币有什么影响?
  • 观察和结果

    你可能发现纸可以造出最坚固的桥。你可能会惊讶地发现,铝箔桥不是最坚固的。难道金属不是比纸更坚固吗?一个物体的强度不仅取决于它的材料,还取决于它的尺寸。厚纸比薄金属更难弯曲,而铝箔又很薄。

    如果你仔细观察,你可能还会注意到,这些桥并不是以同样的方式倒塌的。纸桥可能已经开始逐渐下垂,最终掉下硬币。铝箔桥和蜡纸桥可能会在更突然的情况下失效——它们大多保持着原来的形状,然后迅速坍塌。当你建造自己的桥梁时,你会如何根据这些信息来考虑搭建?

  • 安全第一与成年人监督

    • 请小心按照实验说明进行操作。
    • 每个实验应有负责监护的成年人协助。
    • 尽管在家里进行科学实验是令人兴奋的学习和实践科学的方法,但必须注意,有些实验可能要求参与者采取额外的安全措施,以及/或者会把地方弄得脏乱。
    • 成年人应负责或协助处理可能有危险的材料或尖锐物品。
    • 在进行实验前,成年人应检视实验内容,并决定学童的年龄是否适合参与该些活动。