مقدمه:

آیا تا به حال با اتومبیل از روی یک پل معلق عبور کرده‌اید؟ پل‌های معلق با برج‌های بلند و کابل‌های انحنادار مثالی زیبا از کار مهندسین عمران است. این برج‌ها و کابل‌ها چگونه بار پل از جمله شما و اتومبیل‌تان را تحمل می‌کند؟ آیا پل معلق توانایی تحمل بار بیشتری نسبت به یک پل ساده‌ی بدون کابل دارد؟ پاسخ این سوالات را با انجام این فعالیت علمی پیدا کنید.

پیش‌زمینه:
ساده‌ترین پل، پل پایه‌دار است که معمولاً توسط دو پایه در دو سر پل پشتیبانی می‌شود. برای مثال یک پل پایه‌دار می‌تواند به سادگی یک تخته چوب که برای عبور از یک جریان آب قرار داده شده است باشد. پل‌های معلق اما ساختار پیچیده‌تری دارند. این پل‌ها شامل بخش اصلی پل (عرشه، قسمتی که شامل جاده می‌شود)، کابل‌ها و برج‌ها هستند. کابل‌ها میان برج‌ها کشیده می‌شوند و در تحمل بار عرشه و اتومبیل‌های روی آن کمک می‌کنند. در این نوع پل‌ها کابل‌ها تحت تنش و برج‌ها تحت فشار هستند.

پل‌های معلق ممکن است پیچیده به نظر برسند اما برای استفاده در مسافت‌های طولانی این پل‌ها بسیار مقرون به صرفه هستند چرا که مواد و مصالح بسیار کمتری نسبت به پل‌های پایه‌دار معمولی نیاز دارند. با این وجود به دلیل انعطاف‌پذیر بودن نسبی پل‌های معلق، باد شدید و سایر نیروها مشکلی جدی برای این نوع پل‌ها ایجاد می‌کند. سقوط فاجعه‌بار پل Tacoma Narrows در واشنگتن در سال ۱۹۴۰ یک مثال از این مشکل است.

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

مواد و وسایل مورد نیاز:

هشت عدد نی آشامیدنی پلاستیکی یک بار مصرف
نوار چسب
نخ
قیچی
چهار عدد گیره‌ی کاغذ (حداقل دو تای آنها باید بزرگ باشند.)
لیوان کاغذی
تعداد زیادی سکه، همه از یک نوع (برای مثال ۱۵۰ سکه‌ی 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.

آماده‌سازی:
اگر نی‌های آشامیدنی‌تان قسمت انعطاف‌پذیری 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 آن‌ها را ببرید تا طولشان یکسان شود. (اگر از نی غیر قابل انعطاف استفاده می‌کنید، 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 تکه‌ها باید هم طول باشند. (اگر نی قسمت قابل انعطاف دارد، این دو تکه‌ی کوچک را از انتهای دیگر نی که غیر قابل خم شدن است ببرید.)
دو نی بلند را به دو سر یکی از این نی‌های 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 برج‌های پل معلق شماست.
همین کار را با دو نی بلند و نی کوچک دوم انجام دهید تا برج دوم را بسازید.
یکی از این برج‌ها را به لبه‌ی یک میز، صندلی یا نیمکت بچسبانید. تکه‌ی کوچک نی باید در قسمت پایینی برج قرار داشته باشد و قسمت نوک‌تیز آن نیز در بالا. برج دوم را نیز به همین ترتیب به یک وسیله‌ی دیگر که هم ارتفاع با اولی است بچسبانید. فاصله‌ی این دو برج از هم باید به اندازه‌ای باشد که یک نی کامل بین آنها جای بگیرد.

روش کار:

یک نی بلند را طوری بین دو برج قرار دهید که دو انتهای آن روی نی‌های کوچک باشد. این نی بخش اصلی پل شما یعنی عرشه است. حال یک پل پایه‌ای ساده دارید. آیا می‌توانید تفاوت آن با پل معلق را تشخیص دهید؟
یک گیره‌ی 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 لبه‌ی لیوان فرو کنید. این قطعه برای وارد کردن بار به پل استفاده خواهد شد.
با یک گیره‌ی کاغذ بزرگ دیگر این قطعه را از عرشه (نی بزرگ) آویزان کنید. برای این کار دو گیره‌ی کاغذ را به هم متصل کنید و سپس گیره‌ی بالایی را داخل نی بزرگ یعنی عرشه بیندازید. حال لیوان کاغذی را در وسط عرشه قرار دهید.
شروع به اضافه کردن سکه‌های هم شکل به صورت یکی یکی به داخل لیوان کنید. تعداد سکه‌هایی را که به داخل لیوان می‌اندازید بشمارید. قبل از اینکه پل فرو بریزد چند سکه به لیوان اضافه کرده‌اید؟ پل چگونه فرو می‌ریزد؟
حال وقت آن رسیده است که پل خود را به صورت معلق دربیاورید. یک نی بلند جدید به عنوان عرشه‌ی پل بردارید.
یک نخ به طول سه فوت ببرید. میانه‌ی نخ را دور قسمت وسطی نی بلند که نقش عرشه‌ی 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 گیره‌ی کاغذ گره بزنید. حال گیره‌ها را از پل دور کنید تا جایی که دو سمت نخ محکم شود. گیره‌ی کاغذ را همان‌جا روی وسایلی که برج‌ها روی آنها نصب شده‌اند بچسبانید.
لیوان کاغذی را مانند قبل به بخش اصلی پل متصل کنید. حال سکه‌ها را یکی یکی به لیوان اضافه کنید. این بار پل چند عدد سکه را تحمل می‌کند؟ پل چگونه فرو می‌ریزد؟
به طور کلی کدام نوع پل محکم‌تر است؟ آیا تفاوت استحکام آنها زیاد است؟ به نظر شما دلیل نتایجی که به دست آورده‌اید چیست؟

آزمایش‌های تکمیلی:
پل‌های خود را با نی‌های جدید چند مرتبه‌ی دیگر آزمایش کنید. آیا نتایجی که به دست می‌آورید یکسان هستند؟
سعی کنید نخ قسمت برج تا گیره‌ی 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 مرتبه‌ی دیگر انجام دهید و دقت کنید که کدام قسمت پل زودتر از همه فرو می‌ریزد. آیا فرو ریختن پل به دلیل ضعیف بودن موادی است که استفاده کرده‌اید یا به دلیل ضعف اتصالات؟ آیا می‌توانید طرحی جدید ارائه بدهید که در آن این ضعف‌ها برطرف شده باشد؟

مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا پل معلق تعداد سکه‌های بیشتری را نسبت به پل پایه‌ای ساده تحمل کرد؟
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که پل معلق قادر به تحمل تعداد بیشتری سکه نسبت به پل پایه‌ای ساده است. دلیل فرو ریختن پل پایه‌ای احتمالاً خم شدن بخش اصلی پل (نی بلند) به سمت پایین با اضافه کردن سکه‌های بیشتر بوده است. با زیاد شدن تعداد سکه‌ها، نی به قدری به پایین خم می‌شود که دو انتهای آن از برج‌ها جدا می‌شود و پل فرو می‌ریزد. در پل معلق با افزایش تعداد سکه‌ها کابل (نخ) تحت تنش قرار می‌گیرد و بخش اصلی پل (نی بلند) تقویت و توسط نخ به سمت بالا کشیده می‌شود (در این حالت برج تحت فشار قرار می‌گیرد).

در نتیجه پل قادر به تحمل تعداد بیشتری سکه خواهد بود. با افزایش تعداد سکه‌ها این پل نیز در نهایت فرو می‌ریزد. بخش اصلی پل (عرشه، نی بلند) تحت وزن سکه‌ها به سمت پایین خم می‌شود و به شکل V درمی‌آید. اما از آنجا که این قطعه به نخ‌ها متصل است سقوط نمی‌کند بلکه لیوان پُر از سکه از یکی از دو انتهای نی بلند پایین می‌افتد.

منبع:

Suspension science

منابع مفيد:

پُل کاغذي

زنگ تفريح المپياد فيزيک رشد

پُل -ويکيپديا