science >> Wetenschap >  >> anders

5 dingen die Lego-blokken kunnen leren over structurele engineering

Kunnen uw kinderen de liefde voor Lego-blokken vertalen naar een grotere kennis van natuurkunde? Kirsty OConnor - PA Images/PA Images via Getty Images

Blok voor blok, één plastic sectie per keer, kinderen en volwassenen over de hele wereld strijden om het hoogste Lego-gebouw ter wereld te bouwen. Een recente recordbreker, het meten van 102 voet (31,09 meter) hoog, ongeveer 500 gebruikt, 000 blokken om hoog in de stadslucht te stijgen [bron:World Records Academy].

Maar voor degenen onder ons die geen records willen breken, het construeren van zelfs een voet-hoog ontwerp vergt voorbedachte rade. Zal uw structuur in evenwicht zijn en niet omvallen? Is de basis breed genoeg om het te ondersteunen? Is jouw Lego-creatie bestand tegen de krachten van de natuur - of zelfs de familiekat?

Spelen en experimenteren met Lego gaat verder dan de speeltijd in de kindertijd. In feite, deze blokken en producten bieden een praktische mogelijkheid om de basisprincipes van bouwtechniek , een gebied waarin experts soortgelijke vragen onderzoeken tijdens het maken van gebouwen, bruggen, auto's, dammen, stadions en andere grote constructies.

Het ultieme Lego-imperium en real-world structurele engineering hebben twee dingen gemeen:een begrip van natuurkunde en creativiteit . Zolang je de beperkingen kent van de materialen waarmee je werkt, er zullen minder problemen zijn bij het tevoorschijn toveren van je plastic creatie - en misschien andere structuren naarmate je geavanceerder wordt.

Schaal is alles, vooral als je een replica wilt bouwen van een beroemd monument of gebouw. Lees op de volgende pagina waarom schaalgrootte ook belangrijk is voor ingenieurs.

Inhoud
  1. Bouwen op schaal
  2. Laadbeperkingen
  3. Hoe te steunen?
  4. Ontwerpen rond de natuur
  5. Spanning en compressie

5:Bouwen op schaal

Leren bouwen op schaal is een van de kenmerken van Legoblokjes. Xinhua News Agency/Xinhua News Agency via Getty Images

Schaalconcepten zijn belangrijk voor zowel Lego-bouw als structurele engineering. Ten slotte, je iets wilt bouwen dat groot genoeg is voor je speelgoedminifiguur en zijn vrienden, Rechtsaf?

We zullen, hetzelfde concept is van toepassing op ingenieurs die ruimtes creëren die groot genoeg zijn om een ​​gewenst aantal mensen te huisvesten. Zelfs als je kijkt naar het eindresultaat, er is een belangrijkere reden om over schaal na te denken:het vereist planning en modellering van uw structuur voordat u het echte werk aanpakt - een must voor bouwkundig ingenieurs en architecten.

Stel dat je een vertolking van de Eiffeltoren wilt bouwen met Legoblokjes. Voordat u het aantal benodigde stukken verzamelt, het is een goed idee om de omvang van uw project te bepalen en hoe groot het zal zijn. Hierdoor kun je de essentie van de structuur met de stenen op kleinere schaal creëren. Bouwen op schaal relativeert ook bouwmaterialen, die u vragen om hun beperkingen toe te geven. Hoe groter de structuur, hoe meer gemak je zult hebben om rondingen en bogen erin op te nemen, zelfs bij het gebruik van rechthoekige stenen. Als je de uitdaging vooral aandurft, je kunt wiskunde gebruiken om eerdere Lego-projecten te verkleinen door secties op te delen in beter hanteerbare formaten.

The sky is the limit - zelfs met Lego-producten. Maar is uw structuur functioneel? Lees meer op de volgende pagina.

4:Laadbeperkingen

Legostenen kunnen kinderen helpen zich een beter beeld te vormen van twee basisprincipes die ingenieurs in overweging nemen:statische belasting en dynamische belasting. Anton Novoderezhkin/Anton Novoderezhkin/TASS

Laadbeperkingen kan beïnvloeden hoe bouwkundig ingenieurs een bepaald project benaderen. Hoewel de term misschien niet bekend in de oren klinkt, het is eigenlijk een manier om je af te vragen wat er zal gebeuren als gewicht of andere factoren op een constructie of object inwerken.

Door Legoblokjes te gebruiken, je kunt je twee basisprincipes beter voorstellen die ingenieurs in overweging nemen: statische lading en dynamisch laden . Statische belasting omvat het gewicht en de druk op de constructie terwijl deze stilstaat, terwijl dynamische belasting verwijst naar hoe krachten van buitenaf op de constructie inwerken terwijl deze wordt gebruikt. Bijvoorbeeld, elk gebouw heeft zijn fysieke limieten voor wat het kan dragen:zijn statische laadcapaciteit. Maar hoe zit het met iets dat een beetje mobieler is - zoals een vliegtuig dat is gemaakt om passagiers te huisvesten en altijd veranderende vliegomstandigheden? Ingenieurs moeten met deze factoren rekening houden om ervoor te zorgen dat wanneer een vliegtuig dynamisch wordt geladen (met mensen, en in de lucht) is het veilig en efficiënt.

Om dynamische belastingsbeperkingen te testen, bouw een Lego-brug en gebruik vervolgens een op afstand bestuurbare auto of houten kistauto's van verschillende gewichten om te kijken hoe ze de structuur beïnvloeden terwijl ze eroverheen rijden. Knikt een van de balken onder het extra gewicht? Spelen met dynamisch laden is veel effectiever dan erover lezen in een tekstboek, waar gewichten en getallen niet tastbaar zijn.

Volgende, we zullen het hebben over wat elke serieuze Lego-bouwer moet weten.

3:Hoe te steunen?

Ontwerper en kunstenaar, Yinka Ilori (uiterst rechts), inspireert kinderen om een ​​speelse stad te bouwen tijdens een LEGO workshop. Tristan Fewings/Getty Images voor LEGO

Weten hoe je stenen moet gebruiken om de sterkte van een structuur te versterken, geeft je niet alleen een voorsprong bij het gebruik van Lego-producten, maar het kan je ook helpen om je hersenen rond de complexe structuren in je Lego-gemeenschap te wikkelen.

Laten we zeggen dat je een schilderachtig miniatuurdorp maakt en je realiseert dat een gebouw niet erg stabiel is en dat het omvalt. Bij het ophalen, je realiseert je dat het nog relatief intact is. Moet je het schrappen?

Niet noodzakelijk. Kijk of je extra ondersteuning kunt bieden via verkwikkend , of het toevoegen van extra stukken voor ondersteuning. Voor een bouwkundig ingenieur spanten, kolommen en balken moeten het lukken, maar connectorharingen en assen zullen extra ondersteuning bieden voor zijn Lego-tegenhanger. Ook, het is verstandig om jezelf af te vragen:stapelde je niet-overeenkomende stukken of bouwde je met dezelfde soorten stenen op elkaar? Het gebruik van dezelfde soorten stukken voor het stapelen is een goede strategie om structuren stabieler te maken.

Geografie en weerpatronen beïnvloeden hoe ingenieurs een structuur creëren. Hoe kun je deze omstandigheden testen met Lego-producten?

Bouwkundig ingenieur versus architect

Hoewel de twee beroepen vaak samenwerken, bouwkundig ingenieurs en architecten voeren verschillende taken uit. Vaak, de architect komt met een ontwerp en kijkt samen met een bouwkundig ingenieur naar de veiligheid en effectiviteit van het plan.

2:Ontwerpen rond de natuur

Kinderen spelen met LEGO-bouwstenen bij LEGOLAND Castle Hotel Grand Opening in Carlsbad, Californië. Daniel Knighton/Getty Images

Verschillende wedstrijden en visuele experimenten hebben Lego-projecten gebruikt om de valkuilen van structurele engineering te modelleren tijdens natuurlijke gebeurtenissen zoals aardbevingen. Concurrenten leren hoe seismische belasting , of de extra belasting die een gebouw doormaakt tijdens een aardbeving, heeft invloed op hun kleinschalige structuren.

Wat zowel Lego-bouwers als structurele ingenieurs gezamenlijk toegeven, is dat het creëren van een stevig model -- of zelfs een echt gebouw, wat dat betreft - vereist begrip van een reeks seismische golven en de problemen die ze opleveren. Aangezien sommige gebieden in het noordwesten zowel laag- als hoogfrequente aardbevingen ervaren, ingenieurs worden uitgedaagd om bouwconstructies te ontwerpen die beide kunnen weerstaan.

Om stevigere gebouwen te maken die bestand zijn tegen aardbevingen, studenten maken constructies met zwaardere toppen of plaatsen steunbalken tussen vloeren of lagen van gebouwen, net als wat een bouwkundig ingenieursteam zou doen. Vervolgens, ze dagen hun constructies uit door ze in aardbevingssimulatoren te plaatsen om te zien welk ontwerp het beste werkt. Het idee is om natuurlijke innovatie te laten plaatsvinden, omdat sommige projecten nieuwe ideeën naar voren brengen die de moeite waard zijn om op grotere schaal te testen.

Wat houdt onderdelen van je Lego-brug bij elkaar? Op de volgende pagina leest u met welk bouwtechnisch concept u in uw woonkamer kunt spelen.

1:Spanning en compressie

Iets bouwen, of het nu een spanningsbrug is of gewoon een massieve muur, uit Lego, leert uw kind over techniek. BSIP/Universal Images Group via Getty

Sommige bruggen lijken de natuurkunde te trotseren, met massieve stukken opgehangen in de lucht. Het blijkt dat hetzelfde concept dat dit mogelijk maakt ook op kleinere schaal werkt met Lego-projecten thuis.

Spanning (de trekkrachten op materialen) en compressie (de druk op materialen), geven veel constructies een zwevend effect. Voor Lego-liefhebbers, je kunt delen van structuren proberen op te hangen door je eigen bogen en bruggen te maken. Truss bruggen, vooral, gebruik spanning en compressie om de klus te klaren. Het is ook belangrijk om rekening te houden met de stijfheid van uw materiaal, omdat het meer of minder zal geven als het onder extra druk staat.

Oorspronkelijk gepubliceerd:13 september, 2011

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • 5 dingen die Jenga je kan leren over bouwtechniek
  • 5 geweldige elementen van groene architectuur
  • Is staal nog steeds het beste materiaal om mee te bouwen?
  • Wat was de eerste wolkenkrabber met stalen frame?
  • Hoe geodetische koepels werken

bronnen

  • Hamilton, Linda. "Wrijving en autobouw." LEGO Links van Linda Hamilton. 7 april 2001 (17 september, 2011) http://www.marshall.edu/lego/lessonplans/Car1.html
  • De instelling van structurele ingenieurs. "Over structurele engineering:de leerzone." (10 september, 2011) http://www.istructe.org/about_structural_engineering/learning_zone/Pages/default.aspx
  • Kuester, Falco, en Tara Hutchinson. "Een gevirtualiseerd laboratorium voor onderwijs over aardbevingen." Computertoepassingen in het technisch onderwijs. 15, 1. blz. 15-29. 2007 (10 september, 2011) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cae.20091/abstract
  • LEGO-techniek. "Lesplan/activiteit:stevig gebouw." (12 sept. 2011) http://www.legoengineering.com/index.php?option=com_community&Itemid=59&c=item&id=235
  • Melchior, alan, Cohen, Faye, Snijder, Tracy, en Thomas Leavitt. "Een evaluatie van de EERSTE deelnemer aan de roboticacompetitie en institutionele effecten." april 2005 (10 september, 2011)
  • http://428355761930069868.weebly.com/uploads/6/3/7/1/6371896/first_study.pdf
  • Pacific Earthquake Engineering Research Center, Universiteit van Californië, Berkeley. "Leren met LEGO:School-University Partnership (SUP) voor Earthquake Engineering Education." (10 september, 2011) http://peer.berkeley.edu/education/learning_lego.html
  • USFIRST.org. "VS EERSTE:Over ons." (10 september, 2011) http://www.usfirst.org/aboutus/vision
  • vampier, Pieter. "LEGO Mindstorms Robots als platform voor het leren van versterkend leren." Internationale conferentie over kunstmatige intelligentie in wetenschap en technologie. 2004 (10 september, 2011) http://eprints.utas.edu.au/104/
  • Wang, Erik, LaCombe, Jeffrey, &Rogers, Chris. "LEGO-stenen gebruiken om technische experimenten uit te voeren." Proceedings van de 2004 American Society for Engineering Education jaarlijkse conferentie en expositie. 2004 (10 september, 2011) http://soa.asee.org/paper/conference/paper-view.cfm?id=20495
  • Wereldrecordacademie. "Hoogste LEGO-toren:Braziliaanse kinderen vestigen wereldrecord." 11 april 2011 (10 september, 2011) http://www.worldrecordsacademy.org/biggest/tallest_LEGO_Tower_Brazil_children_sets_world_record_112203.html

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe is DNA geordend om in een cel te passen?
  2. Welke landen hebben de kleinste persoonlijke ruimte?
  3. Beschrijving van de basisfuncties van enzymen in cellen
  4. Ademhaling bij planten en dieren
  5. Zijn gelukkige mensen gezonder?
  6. Welke organel moet aanwezig zijn in grote aantallen in spiercellen?
  7. Waarom herinneren we ons pijn?
  8. Gebruik van microscopen in de wetenschap
  9. Hoe Spaced Repetition examen tijd een fluitje van een cent kan maken

Wetenschap