سازه‌هاي کاغذي و غيرکاغذي هم همان روابط و نکته‌هاي سازه‌هاي بتوني و فلزي را در خود دارند. در اين مطلب با يک آزمايش و مقدمه در مورد اين موضوع بيشتر مي‌خوانيد.
واژ‌هاي کليدي: سازه، استاتيک، فيزيک
مشاهده‌ي علمي ۱۱۹
مفاهیم کلیدی: فیزیک، جاذبه، وزن، مهندسی عمران
مقدمه:
آیا تا به حال با اتومبیل، دوچرخه و یا پیاده از روی یک پل بسیار طولانی عبور کرده‌اید؟ پل‌ها باید به اندازه‌ای محکم باشند که بتوانند بدون فرو ریختن وزن تعداد زیادی از افراد و اتومبیل‌ها را تحمل کنند. یک بخش مهم در طراحی پل‌ها انتخاب مواد مناسب است. بخش مهم دیگر این است که مطمئن شویم مواد سازنده‌ی پل طوری شکل داده شده‌اند که در قوی‌ترین حالت خود باشند. در این فعالیت علمی شما با استفاده از وسایلی که همیشه در اختیار دارید، یعنی کاغذ و چسب، پل‌های ساده‌ای خواهید ساخت. آیا می‌توانید پل کوچکی بسازید که قدرت تحمل بار را داشته باشد؟
پیش‌زمینه:
همانطور که می‌دانید، یک تکه کاغذ به راحتی خم می‌شود. میزان سخت بودن خم کردن یک ماده، سختی خمشی آن ماده نام دارد. هرچه ماده سخت‌تر باشد، خم کردن آن نیز دشوارتر خواهد بود. با این حال اگر همان کاغذ را به شکل یک لوله‌ی سفت بپیچید و یا آن را به شکل یک آکاردئون تا کنید، خم کردن آن بسیار سخت‌تر می‌شود. چرا این اتفاق می‌افتد؟ ماده هیچ تغییری نکرده است اما شکل آن تأثیر فراوانی بر روی نحوه‌ی خم شدنش می‌گذارد. هر دو فاکتور سختی خمشی و شکل معیارهای بسیار مهمی برای مهندسین عمران در هنگام طراحی پل‌ها هستند. تعداد بسیاری اتومبیل به طور همزمان از روی یک پل عبور می‌کنند و همه‌ی این اتومبیل‌ها بسیار سنگین هستند. اگر سختی خمشی یک پل به اندازه‌ی کافی بالا نباشد ممکن است پل تحت فشار وزن ماشین‌ها خم شود و یا حتی فرو بریزد! بنابراین، مهندسین عمران فارغ از اینکه پل از چه جنسی از جمله سنگ، چوب، فولاد و یا هر ماده‌ی محکم دیگر ساخته شده باشد، وظیفه دارند شکل این مواد را به دقت بررسی کنند.
مواد و وسایل لازم:
چهار عدد کتاب قطور (مانند کتاب آشپزی) که تقریباً هم ضخامت باشند.
حداقل شش تکه کاغذ مخصوص ماکت سازی
نوار چسب
خط‌کش یا متر اندازه‌گیری
آماده‌سازی:
دو ستون از کتاب‌هایی که دارید بر روی یک میز یا کف زمین بسازید، به این شکل که دو کتاب را در یک سمت روی هم قرار دهید و به فاصله‌ی دو فوت از آن دو کتاب دیگر را روی هم بگذارید.
دو کاغذ را در کنار هم قرار دهید به طوری که لبه‌های کوتاه‌تر آنها حدود یک چهارم اینچ روی هم قرار بگیرند. سپس با استفاده از نوار چسب این دو تکه کاغذ را به همان شکل به هم بچسبانید. شما با استفاده از این دو تکه کاغذ یک پل خواهید ساخت.
این کار را چهار بار دیگر با چهار جفت کاغذ انجام دهید تا در نهایت بتوانید پنج پل بسازيد.
روش کار:
یکی از کاغذهایی که آماده کرده‌اید را بردارید و آن را طوری روی دو ستون کتاب بگذارید که حدود نیم اینچ از هر سمت آن بر روی هر کدام از ستون کتاب‌ها قرار بگیرد. برای این کار ممکن است مجبور شوید ستون کتاب‌ها را کمی به هم نزدیک کنید یا از هم دور کنید. چه اتفاقی برای کاغذ می‌افتد؟ آیا در جای خود باقی می‌ماند یا به دلیل وزن خود به سمت پایین خم می‌شود؟
حال قطعه کاغذ دوم را بردارید. آن را محکم بچرخانید تا به صورت یک لوله‌ی بلند دربیاید و با استفاده از چسب از باز شدن آن جلوگیری کنید. سپس این لوله‌ی کاغذی را مانند مرحله‌ی اول روی دو ستون کتاب قرار دهید. چه اتفاقی برای لوله‌ی کاغذ می‌افتد؟ آیا در جای خود باقی می‌ماند یا خم می‌شود؟
کاغذ بعدی را بردارید و آن را به شکل حرف W (از سمت ضلع بلندتر) تا کنید (به این معنی که وقتی از عرض به آن نگاه می-کنید باید شکل W را ببینید). برای این کار ابتدا کاغذ را از وسط تا کنید، سپس وسط هر کدام از دو تکه‌ی تا شده را در جهت مخالف تای اول تا بزنید (با این کار سه خط تا دارید و کاغذتان چهار قسمت می‌شود). حال کاغذ Wشکل خود را روی دو ستون کتاب قرار دهید. چه اتفاقی برای آن می‌افتد؟
کدام یک از پل‌هایتان محکم‌تر از همه بود؟ کدام ضعیف‌تر بود و زودتر از همه خم شد؟
آزمایش‌های تکمیلی:
دو عدد پل جدید با طراحی خود بسازید. چه طرح‌هایی در این مورد به ذهنتان می‌رسد؟ طرح‌های جدیدتان را آزمایش کنید. این پل‌های جدید در مقایسه با سه پل قبلی که ساخته بودید چگونه عمل می‌کنند؟
ارتفاع پل‌های خود را بیشتر کنید، مثلاً آنها را روی دو صندلی یا میز بگذارید. حال با استفاده از نخ و لیوان پلاستیکی از این پل‌ها وزنه آویزان کنید (می‌توانید از سکه بعنوان وزنه استفاده کنید). اشکال مختلف پل چگونه این وزنه‌ها را تحمل می‌کنند؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت علمی شما باید متوجه شده باشید که تکه‌های صاف کاغذ بسیار راحت تحت فشار وزن خود خم می‌شوند؛ درحالیکه خم کردن یا پیچاندن همان کاغذها سختی خمشی آنها را افزایش می‌دهد و در نتیجه پلی نسبتاً محکم بین دو ستون کتاب خواهید داشت. سعی کنید با نگاه کردن به اطراف خود مثال‌هایی از این پدیده در زندگی روزمره پیدا کنید. بعنوان مثال ممکن است میز و صندلی‌های مدرسه‌تان پایه‌ها‌ی فلزی داشته باشد. این پایه‌ها قطعاتی صاف هستند یا لوله‌ای شکل؟ به نظر شما چرا یک جسم با شکل هندسی لوله (استوانه) نسبت به حالت صاف بهتر می‌تواند وزن افراد را تحمل کند؟
ساختن پُل کاغذي آسان است ولي ساختن پُلي که واقعاً وزني را تحمل کند، داستان ديگري ست. پُل‌ها اثر جرم يا هر نيروي ديگري در فاصله‌اي از محور يا نقطه‌ي اتکا (گشتاور)، را به نمايش مي‌گذارند. در اين فعاليت علمي، دانش پژوهان شکل‌هاي مختلفي از آزمايش را تجربه مي‌کنند که شيارهاي تا شده و لوله‌ها باشند. اين شکل‌ها ي فيزيکي، در اينجا از ماده‌اي به غايت ضعيف يعني کاغذ هستند. کاغذ تحت تنش يکي از ضعيف‌ترين مواد است. وقتي دو انتهاي کاغذ را بهم نزديک کنيد به راحتي مچاله مي‌شود، ولي به آساني با همين روش پاره نمي‌شود. وقتي وزني روي کاغذ قرار مي‌گيرد مي‌خواهد خم شود ولي خياي نازک است. با تا کردن يا لوله کردن کاغذ ضخامتي بوجود مي‌آوريد که باعث مي‌شود به راحتي مچاله نشود و بتواند نيروي بيشتري تحمل کند.
منبع:
Paper bridges
منابع مفيد:
Paper bridges-Structure all around the world
How to build a paper bridge
بخش فيزيک فعاليت‌هاي علمي