science >> Wetenschap >  >> anders

5 dingen die Jenga ons kan leren over structurele engineering

Nee, je hebt geen diploma bouwtechniek nodig om bij Jenga te winnen, maar zo lijkt het soms, nietwaar? Jeffrey Coolidge/Getty Images

Mensen zijn geboren bouwkundig ingenieurs. Als je dat moeilijk te geloven vindt, kijk hoe een klein kind speelt met een set eenvoudige houten blokken. Zonder instructies van buitenaf -- en door veel energetisch vallen en opstaan ​​-- zal hij of zij uiteindelijk leren dat de meest stabiele manier om omhoog te bouwen is om een ​​horizontale balk over twee verticale kolommen te plaatsen.

De intuïtieve logica van het kind is dezelfde die de Myceense architecten van de 13e eeuw v.G.T. inspireerde. om de beroemde Leeuwenpoort te bouwen uit twee stenen zuilen en een licht gebogen balk. Het is dezelfde structurele kennis die de oude Egyptenaren vertelde dat als je iets groots uit steen wilt bouwen, je moet breed bij de basis beginnen. En het is diezelfde geboren ingenieur in ons allemaal die zegt:"Gozer, als je wilt winnen bij Jenga, laat geen enkele steun achter op de bodem van de toren!"

Jenga is een van de meest populaire spellen ter wereld, derde alleen voor Monopoly en Scrabble in het aantal verkochte eenheden [bron:Little]. Het doel van het spel is simpel:je begint met een stapel van 54 blokken -- drie blokken breed, 18 niveaus hoog. Elk niveau van blokken moet loodrecht staan ​​op het niveau eronder. Elke speler moet een blok uit de buurt van de onderkant van de toren verwijderen en het met slechts één hand tegelijk op de top plaatsen. Uiteindelijk wordt de toren gevaarlijk onstabiel. Als jij degene bent die het uiteindelijk omgooit, jij verliest.

Jenga is uitgevonden door Leslie Scott, een Brits staatsburger geboren en getogen in Kenia en Tanzania. (Jenga betekent "bouwen" in het Swahili.) Scott speelde het spel jarenlang met haar familie in Afrika; ze verliet uiteindelijk een baan bij Intel om Jenga te lanceren op een speelgoedbeurs in 1983, waar het een instant gaming-fenomeen werd [bron:Little].

Een deel van Jenga's charme is de eenvoud; niets anders dan houten blokken en zwaartekracht. Maar zelfs dit eenvoudige spel kan ons veel leren over de meer complexe wereld van bouwtechniek. Gebouwen, ten slotte, zijn kwetsbaar voor dezelfde krachten die een Jenga-toren kunnen doen omvallen -- krachten zoals lasten, spanning, compressie, torsie en meer. Een toevallige hobbel van de speeltafel is een uitstekende schaalversie van een catastrofale aardbeving.

Laten we onze verkenning van de bouwtechniek van Jenga beginnen met een blik op belastingen.

Inhoud
  1. Ladingen
  2. Stichtingen
  3. Spanning en compressie
  4. Rotatiekracht
  5. Aardbevingskrachten

5:Ladingen

Een van de belangrijkste principes van bouwtechniek is: bezig met laden . Wel eens van een dragende muur gehoord? Het is meestal een binnenmuur (zoals de muur die je keuken en woonkamer scheidt) die ook dient als een kolom die de tweede verdieping of het dak ondersteunt. Als u een dragende muur verwijdert, de structuur is misschien niet in staat om zijn eigen gewicht te dragen - en dat levert problemen op.

in Jenga, geen twee houten blokken worden op exact dezelfde afmetingen gesneden, wat betekent dat de blokken ongelijk op elkaar rusten [bron:Smith]. Een van de belangrijkste trucs van Jenga is het lokaliseren van de "losse" stukken, die gemakkelijker te verwijderen zijn zonder de integriteit van de toren te verstoren. Als een stuk los zit, dan weet je dat het niet dragend kan zijn.

Dus wat leert dit ons over bouwtechniek? Bij het ontwerpen van een gebouw, ingenieurs moeten rekening houden met de laadpad van de bovenkant van het gebouw tot de fundering. Elk niveau van de constructie moet de krachten ondersteunen die naar beneden worden uitgeoefend vanaf de niveaus erboven. Er zijn drie soorten belastingen die optreden in een gebouw:

  • Dode lasten -- De krachten die worden uitgeoefend door alle statische componenten van de constructie, zoals balken, kolommen, klinknagels, beton en droge muur.
  • Live-ladingen -- De krachten die worden uitgeoefend door alle "bewegende" elementen die een constructie kunnen beïnvloeden, inclusief mensen, meubilair, auto's, en normale weersomstandigheden zoals regen, sneeuw en wind.
  • Dynamische belastingen -- Dynamische belastingen zijn live belastingen die plotseling met grote kracht optreden. Voorbeelden zijn aardbevingen, tornado's, orkanen en vliegtuigcrashes [bron:Yes Mag].

Ingenieurs moeten zorgvuldige berekeningen maken om ervoor te zorgen dat dragende muren, plafonds en daken kunnen dode, live en zelfs dynamische belastingen, vooral bij het bouwen in seismisch actieve zones.

Het volgende belangrijke principe dat Jenga leert over bouwtechniek is het belang van een fundering.

4:Funderingen

Net zoals je het perfecte oppervlak moet vinden om Jenga te spelen, bouwkundig ingenieurs moeten rekening houden met de oppervlakken waarop ze willen bouwen. Richard Elliott/Getty Images

Elke familie heeft zijn favoriete ondergrond om Jenga te spelen. De dunne kaarttafel is uitgesloten, want de geringste stoot van een dwalende elleboog zal je toren doen tuimelen. De stevige keukentafel is een solide keuze, omdat het niet zo gemakkelijk dendert als de kaarttafel, maar er gaat niets boven een goede hardhouten vloer. Je kunt het niet opzij slaan, het is behoorlijk plat en de enige bedreiging voor de stabiliteit is af en toe een kruipende baby of huisdier.

Constructeurs moeten ook rekening houden met het oppervlak waarop ze hun constructie bouwen. Als je een gebouw van 15 verdiepingen op losse grond ploft, de structuur kan ongelijkmatig afwikkelen, scheuren in de muren of zelfs een instorting veroorzaken. Zelfs als een gebouw op massief gesteente is gebouwd, een aardbeving kan het zijwaarts verdringen, waardoor het een paar meter over straat glijdt, alles op zijn pad verpletteren. Daarom zijn alle moderne gebouwen, klein en groot gelijk, zijn gebouwd op fundamenten.

Een stichting dient een aantal belangrijke doelen. Ten eerste, het brengt de belasting van de constructie over in de grond. (We hadden het op de laatste pagina over lasten.) Hoe groter en zwaarder een gebouw, hoe meer last naar beneden wordt gedreven. Als het gebouw plat op het oppervlak staat, dan zouden de laagste elementen in de constructie de gecombineerde belasting van alles erboven moeten dragen. Maar met een goed ontworpen basis, de belasting van de hele constructie gaat door de laagste elementen en wordt verspreid in de aarde eronder.

Funderingen dienen ook om de constructie fysiek in de grond te verankeren. Dit is een cruciale rol in zeer hoge gebouwen. Stel je voor dat je aan het ene uiteinde een meetlat probeert te balanceren. U kunt het misschien op een extreem vlakke ondergrond trekken, maar zelfs een uitademing zou het omverwerpen. Maar wat gebeurt er als je de tuinstok naar achteren neemt en het ene uiteinde een paar centimeter in de grond steekt? Nu kun je erop tikken, of zelfs schoppen, en het zal niet omvallen. Een fundering begraaft een deel van het gebouw in de grond, waardoor het meer stabiliteit heeft tegen dynamische belastingveranderingen.

Voor hoge gebouwen gebouwd op losse grond of zand, ingenieurs drijven stalen palen diep in de aarde totdat ze gesteente bereiken. Vervolgens bouwen ze een fundering van gewapend beton rond de stalen palen om een ​​stevig anker te creëren om op te bouwen.

Vervolgens bekijken we wat houten Jenga-blokken ons kunnen leren over bouwmaterialen.

3:Spanning en compressie

In de bouwkunde, er zijn twee basiskrachten aan het werk in elk structureel element:compressie en spanning. Compressie is de kracht die wordt uitgeoefend wanneer twee objecten tegen elkaar worden gedrukt. Denk aan een stapel zware stenen. De kracht die op de onderste steen drukt, is compressie. Spanning is de kracht die wordt uitgeoefend wanneer een voorwerp wordt getrokken of uitgerekt. Een goed voorbeeld is het oppervlak van een trampoline. Als iemand van de trampoline springt, het materiaal rekt uit.

Ingenieurs praten over de treksterkte van materialen. Dit is de maximale kracht die op een materiaal kan worden uitgeoefend zonder het uit elkaar te trekken. Bundels staalkabels hebben een ongelooflijk hoge treksterkte, daarom worden ze gebruikt in 's werelds langste en zwaarste hangbruggen. Zelfs een enkele stalen kabel met een diameter van slechts 1 centimeter kan het gewicht van twee volwassen olifanten dragen [bron:Yes Mag].

Laten we nu eens nadenken over een typische structuur in Jenga. Als u het middenstuk op een rij verwijdert, dan maak je twee eenvoudige balk-en-kolomstructuren aan weerszijden van de toren. Een balk die over twee kolommen wordt gelegd, ervaart tegelijkertijd zowel compressie als spanning. Het gewicht dat op de bovenkant van de balk drukt, drukt het naar binnen in de richting van het midden van de balk. En ook al zie je het niet met je blote oog, de onderkant van de balk wordt naar buiten gestrekt.

Stel je voor dat de balk van rubber was gemaakt. Het gewicht zou het uitrekken tot een "U" -vorm. Daarom is rubber zo'n waardeloos constructiemateriaal. Constructeurs kiezen (en ontwerpen soms) materialen met de beste compressie- en trekeigenschappen voor de klus. Steen is uitstekend onder druk, maar opmerkelijk gemakkelijk uit elkaar te halen. Daarom gaat een stenen boog veel langer mee dan een stenen balk. Gewapend beton is een ideaal bouwmateriaal, omdat het beton het druksterkte geeft en de ingebedde stalen staven het treksterkte.

Jenga-torens worden niet hoog genoeg of zwaar genoeg om serieuze druk of spanning op de houten stukken uit te oefenen, dus er is weinig zorg over het splitsen van een balk. Maar bij echte bouwprojecten ingenieurs moeten de sterke en zwakke punten van elk element zorgvuldig overwegen.

Nu zullen we uitleggen waarom het altijd beter is om twee steunen aan de onderkant van de Jenga-toren te laten.

2:Rotatiekracht

Om deze wankele toren rechtop te houden, komt veel meer kijken dan alleen geluk. Personeel/Getty Images

Ervaren Jenga-spelers weten dat de snelste weg naar een vallende toren is om de twee buitenste stukken van de onderste rij weg te trekken, waardoor de hele structuur balanceert op een enkel smal houten blok. Met slechts één steun aan de onderkant, elke hobbel en duwtje van de toren wordt uitvergroot, waardoor het gevaarlijk heen en weer zwaait. Maar wat zijn precies de krachten die op een constructie met zo'n smalle ondersteuning inwerken? En wat maakt ze zo gevaarlijk?

Bouwkundig ingenieurs praten niet over het 'evenwichtig' houden van een gebouw. Ze praten over onderhouden rotatie evenwicht . Stel je een hoog gebouw voor als een lange hefboomarm met het grootste deel van de arm boven de grond en een kleiner deel (de fundering) onder de grond. Het punt waar het gebouw de grond raakt, is het draaipunt van de hefboom. Stel je nu het gebouw voor dat iets naar rechts of links kantelt. In plaats van alleen maar om te vallen, je kunt het zien als rond het draaipunt draaien. Ingenieurs en natuurkundigen hebben twee namen voor deze rotatiekracht:de moment of koppel .

Een basisprincipe van structurele engineering is dat hoe langer uw hefboomarm (of hoe verder deze van het draaipunt verwijderd is), hoe groter het moment. Om het moment van een zeer hoog gebouw te verminderen, je moet brede steunen bouwen. Hoe breder de steunen, hoe lager het moment. Om dit te begrijpen, probeer met je voeten wijd uit elkaar te staan ​​en laat een vriend proberen je zijwaarts te duwen. Het vereist veel kracht. Zet je hakken bij elkaar en probeer hetzelfde. Je vriend hoeft je amper aan te raken en je kantelt meteen om. Een constructie met een mooie brede basis is inherent stabieler dan een gebouw met een smalle basis.

Voor de laatste bouwtechnische les van Jenga, we zullen het hebben over aardbevingen.

1:Aardbevingskrachten

De hoogste Jenga-toren die ooit is geregistreerd, was 40 niveaus, bereikt met behulp van de originele Jenga-set ontworpen door Leslie Scott zelf [bron:Museum of Childhood]. De meeste spelers hebben geluk als ze meer dan 30 levels kunnen halen voordat het hele ding instort. De reden dat de toren steeds onstabieler wordt naarmate hij groeit, is te wijten aan een ongelijke gewichtsverdeling. Wanneer er te veel gewicht aan de bovenkant van de constructie is, het begint te werken als een omgekeerde slinger, heen en weer zwaaiend op zijn nauwe verbinding met de aarde [bron:FEMA]. in Jenga, het resultaat is een schoonmaakbeurt van twee minuten. In het echte leven, je zou een catastrofe hebben.

Wanneer bouwkundig ingenieurs ervoor kiezen om in een seismisch actieve regio te bouwen, ze moeten rekening houden met de effecten van zijdelingse trillingen op hun gebouw. Wanneer seismische golven door de aarde rimpelen, ze verdringen gebouwen zowel op en neer als heen en weer. De op en neer hobbels zijn niet zo gevaarlijk als de zijwaartse bewegingen, die eerder tot ineenstorting zullen leiden [bron:Association of Bay Area Governments].

Deze zij-aan-zij trillingen worden op verschillende afstanden van de grond anders ervaren. Hoe hoger je een gebouw op gaat, hoe meer uitgesproken de trillingen. Als je gewicht in de vergelijking gooit, de gevolgen kunnen rampzalig zijn. Volgens de rudimentaire tekst, "Waarom gebouwen instorten, "aardbevingskrachten groeien evenredig met het gewicht van de constructie en het kwadraat van de hoogte [bron:Levy].

Een topzware structuur trilt met een veel langere punt uit -- de tijd die nodig is om door één volledige trilling te fietsen -- dan een bodemzwaar gebouw. Een langere periode betekent ook een grotere fysieke verplaatsing. Neem het voorbeeld van een gebouw met twee verdiepingen. Wanneer een aardbeving toeslaat, het gebouw zwaait 2 inch (51 millimeter) uit het midden. Wanneer u gewicht toevoegt aan de bovenkant van hetzelfde gebouw (zelfs als het iets eenvoudigs is als een zwaar pannendak), de zwaai neemt toe tot 3 inch (76 millimeter) uit het midden [bron:Association of Bay Area Governments].

We hopen dat je een paar dingen hebt geleerd over waarom gebouwen vallen -- en wat je kunt doen om eindelijk je zus in Jenga te verslaan. Voor veel meer informatie over familiespellen en alledaagse wetenschap, spring naar de links op de volgende pagina.

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • 10 coole technische trucs die de Romeinen ons hebben geleerd
  • 10 bouwprojecten die de bank hebben gebroken
  • 5 geweldige elementen van groene architectuur
  • Hoe bouwimplosies werken
  • Hoe wolkenkrabbers werken
  • Zal de scheve toren van Pisa ooit vallen?

bronnen

  • Vereniging van Bay Area-overheden. Aardbeving en gevarenprogramma. "Hoogte/gewicht-relatie" (12 september, 2011) http://www.abag.ca.gov/bayarea/eqmaps/fixit/ch2/sld011.htm
  • Vereniging van Bay Area-overheden. Aardbeving en gevarenprogramma. "Periode van Trilling" (12 september, 2011) http://www.abag.ca.gov/bayarea/eqmaps/fixit/ch2/sld012.htm
  • Federaal Spoed Management Agentschap. Handboek Aardbeving . "Een inleiding tot structurele concepten in seismisch upgradeontwerp" (10 september, 2011) http://www.conservationtech.com/FEMA-WEB/FEMA-subweb-EQ/02-02-EARTHQUAKE/1-BUILDINGS/C~-Structures-Intro.htm
  • Heffing, Matthijs; Salvadoraanse, Mario. Waarom gebouwen naar beneden vallen:hoe constructies falen. W.W. Norton &Bedrijf. 1994 http://books.google.com/books?id=Bwd-MHINMGsC&printsec=frontcover&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false
  • Klein, Rg. The Oxford Times. "Het slopen van de Jenga-mythe." 12 november 2009 (12 september, 2011) http://www.oxfordtimes.co.uk/news/features/4728039.Demolishing_the_Jenga_myth/
  • Smit, Dan. Bedraad VK. "Hoe iemand verslaan bij Jenga." 10 juni 2011 (10 september, 2011) http://www.wired.co.uk/magazine/archive/2011/07/how-to/how-to-beat-anyone-at-jenga
  • V&A Museum voor Jeugd. "Jenga" (12 september, 2011) http://www.vam.ac.uk/moc/collections/games/jenga/index.html
  • Ja Mag. "De wetenschap van structuren" http://www.yesmag.ca/focus/structures/structure_science.html

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe wordt DNA-splitsing gebruikt in de biotechnologie?
  2. Biologische experimenten op de gisting van gist
  3. Mitosis vs Meiosis: Wat zijn de overeenkomsten en verschillen?
  4. Hoe zijn cellen, weefsels en organen verwant?
  5. Wat zijn de niveaus van organisatie in de biologie?
  6. De spieren van het menselijk lichaam onthouden
  7. Wat zijn de functies van co-enzymen?
  8. Hoe lijken mitochondriën en chloroplasten op bacteriën?
  9. Wat breekt een dubbele DNA-helix uiteen?

Wetenschap