EXPERIMENTS 創 新 科 技 系 列
# 7410
8+ 323 25 年齡
數量
模型
› › › 目錄 目錄 .......................................................................................... 1 組裝技巧 ................................................................................... 2 實驗包內容 ................................................................................ 3 什麼是結構工程？....................................................................... 4 平面正方和強化的平面正方 ...................................................... 5 向量，力和力矩 .......................................................................... 6 三角形和簡單桁架 ..................................................................... 8 房屋架構 .................................................................................... 9 現代房屋 .................................................................................. 10 樑橋 ......................................................................................... 14 強化樑橋 .................................................................................. 15 桁架橋 ..................................................................................... 16 負載 ......................................................................................... 18 壓縮立方體 .............................................................................. 19 強化立方體和四面體 ............................................................... 20 結構元素：柱，樑和板 .............................................................. 21 摩天大樓版本1 ........................................................................ 22 摩天大樓版本2 ........................................................................ 24 上承式拱橋 ............................................................................. 26 下承式拱橋 .............................................................................. 29 張力整體 .................................................................................. 31 結構元素：懸鏈線網，纜線，拱和外殼 ...................................... 32 索塔 ......................................................................................... 33 懸索吊橋 .................................................................................. 34 斜張橋 ...................................................................................... 41 橋樑的類型 .............................................................................. 44 摩天大樓設計 .......................................................................... 45 重要訊息 …................................................................... 封底內頁
小撇步！ 在每個模型的組裝說明上面，你會發現一個藍色的橫條標示： >>>這表示組裝該模型的難易程度
1
簡單
中等
困難
› › › 組裝技巧 繩索固定鍵
結合鍵和軸扣鍵
實驗包裡的有些零件會使用到繩索固定鍵，利用繩索 去連接其他零件。這些示範圖會告訴你五種不同的繩 索固定鍵的連接方式。
仔細看看不同的組裝零件，乍看之下，紅色結 合鍵、藍色結合鍵和紅色軸扣鍵都看起來很相 似。當你組裝模型時，使用正確的零件很重 要。藍色結合鍵比紅色結合鍵短。軸扣鍵可以 讓零件旋轉。
1
2
將繩索拉入凹口中。
軸 建築系統包含各種長度的軸。在這個實驗包 中，這些軸被當作桿來使用。藉由使用軸轉接 鍵，軸可以連接到其他軸。組裝模型時，請務 必確保使用正確的軸，並確認軸轉接鍵以正確 的方式定位在軸上。
3
將繩索拉入凹口中。
4
將繩索穿繞一圈拉入凹口。
扳手
5
當你想要再次將模型分開時，你會需要扳手。使用 扳手的窄端來移除結合鍵。你可以使用寬端撬開 其他零件。
將繩索穿過繩索 固定鍵的孔洞。
將繩索拉入凹口中。
2
› › › 包裝內容
你的實驗包裡面有什麼零件呢？ 1
2
10
3
11
18
4
5
12
6
13
19
14
20
3
編號
名稱
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
B-短結合鍵 C-長結合鍵 C-軸扣鍵 B-6凹正方顆粒 C-60mmⅡ軸 C-100mmⅡ軸 C-二合一結合鍵 C-單向轉接鍵 C-5孔長條 C-5孔長條側有孔 C-3孔圓角長條 C-7孔圓角長條 C-7孔圓角扁長條 C-9孔長條 C-9孔長條側有孔 C-11孔長條 C-短紙卡固定鍵 C-軸固定鍵 C-4000mm特多龍線 P-造型塑膠片 B-扳手 C-角碼結合器(平面) C-繩索固定鍵 C-軸轉接鍵
數量 40 20 32 8 12 4 16 14 12 10 2 2 2 24 13 11 8 9 2 1 1 24 24 32
8
15
21
清單：查找 - 檢查 - 核對
7
9
16
22
23
17
24
你還需要： 產品編號
剪刀、尺或量尺
7344-W10-C2B 7061-W10-C1R 1156-W10-A1R 880-W10-N1S1 7413-W10-M1S 7413-W10-L2S 7061-W10-G1D 7061-W10-J2D 7413-W10-K2D 7413-W10-K3D 7404-W10-C1D 7404-W10-C2D 7404-W10-C3D 7407-W10-C1D 7407-W10-C2D 7413-W10-P1D 7061-W10-W1D 3620-W10-A1D R39#7410 K41#7410 7061-W10-B1Y 7410-W10-A1S 7410-W10-B1S 7410-W10-C1S
將特多龍線剪至適當長度 你需要將二條400公分的黑色特多龍線剪 成下述的長度。在組裝模型時，不同模型 需要特定長度的特多龍線。
20 cm x 4 24 cm x 4 38 cm x 8
什麼是結構工程？ 結構工程師應用物理定律和經驗知識建立複雜的結構體 系。經驗知識只是通過觀察實驗結果和觀察周圍世界的 事件學習而來的訊息。工程師通過將許多簡單的部件（稱 為結構元素）組合在一起而構建複雜的結構。這些元素都 有詳細記錄的物理屬性，因此工程師可以預測在最終結 構中這些結構元素如何協同工 作。 在這個實驗包中，你將了解 一些結構元素並使用它們構建 屬於你自己的複雜結構。
當人們想到結構工程時，大多數情況下他們可以想像到的有建築、塔樓、水壩和橋 樑的設計與建造。但結構工程師也參與衛星、飛機、船舶以及醫療支架等的結構 設計。相同的物理定律也被應用到涉及形狀和尺 寸的結構設計。
確認需求 和限制
什麼是設計
們的工 工程師經常使用「設計」一詞來描述他 或過程的 作。設計是從概念發展到功能性產品 一系列步驟。 驟可以重 工程設計過程是反覆式的，意味著步 正確或最 達到 直到 複多次，然後每次進行改善， 佳結果。
改善設計
工程設計流程
測試和評估原型
發展可能的 解決方案
建造一個原型
4
平面四方 些簡單的模 首先，我們來構建一 單的實驗，以 型，並對它們進行簡 式將結構元 顯示如何以不同的方 會影響結構 素結合在一起時，便
1
2
的強度和穩定性。
完成! 實 驗1
發生什麼事
形狀的穩定性
當你在平面正方形的角落推動時，你正在向結構施加力或負載。 結構 工程的目標是實現不同負載下結構的穩定性。當有負載在結構上時， 所有的結構將會在一定程度上改變形狀。
大顯身手
在穩定的結構中，形狀或變形的變化是微小的，而且結構中的力在卸
一手握住模型的一個 角落，並嘗試通過移 動此角落的對角來使 模型變形。模型是否 有變形？
載後將使結構恢復到原來的形狀。 在不穩定的結構中，形狀的變化很大，並且通常隨著施加力而增加。 不穩定的結構不具有將結構恢復到其原始形狀所需的內在力量。 平面四方形是一個穩定或是不穩定的結構？
強化的平面四方
1
2
3
100 mm
平面四方再進化！
實 驗2
發生了什麼事
4
強化結構
你通過添加連接兩個角落的桿 將平面四方模型製作成穩定 的結構。這個對角桿鎖定了其
大顯身手
他桿的角度。 當你推動強化
用強化的平面四方重複實 驗1來測試形狀的穩定性。 強化的平面四方對負載的 反應如何？
5
完成!
的平面四方的角落，你可以 自行車的框架使用類 似的形狀！
感覺到模型些微移動。當你 停止推動它，你可以感覺到 它回到原來的形狀。
知識補給站 y
向量，力和力矩 要了解什麼使結構穩定，你必須了解向量、力 和力矩。
x
向量 只有大小、沒有方向的數量，被稱為純量。 例如，如果你想描述物體重量，你只需要包含一個度量單位，例如磅（lb）或公 斤（kg）。 在物理和工程方面，另一個有用的概念是向量。向量是一個既有大小又有方向 的數量。 向量的兩個重要例子是速度和加速度。
通常用箭頭表示向 量。 箭頭的頭指 出向量的方向，線 的長度表示向量的 大小。 較長的箭頭意味著 較大的幅度。l
速度描述物體移動的速度和方向。如果你往北方騎自行車，每小時騎了五英 里，那就是你的速度。 加速度是衡量物體速度如何變化的量度。 例如當汽車加速、減速或改變方向時， 可計算汽車的加速度。
結構工程的一個重要部分是計算力和力矩如何影響和通過一個結 構。計算中的一個錯誤可能導致結構失效或崩解。
力
用。主宰力的運作 力是物體之間的相互作 牛頓的運動定律。 方式有三個法則，稱為
牛頓第一運動定律 ...除非物體有受到外力，要不然保持靜止的物體，會一直保 持靜止；沿一直線作等速度運動的物體，也會一直保持等速 度運動。這通常被稱為「慣性定律」，並被簡化為：動者恆 動，靜者恆靜。
6
知識補給站
力=質量 x 加速度 力愈大，加速度愈大
(在相同質量下)
牛頓第二運動定律...
物體 ...物體上的力的總和等於物體的質量（m）乘以 ，或者 的加速度（a）
F=m×a 或方 加速度和力都是向量。如果它們其中一個的大小 向有改變時，兩者都可能會改變。
牛頓第三個運動定律 ... 個大 ...當一個力施加在一個物體上時，物體施加一 稱 小相等但方向相反的力。 在結構工程中，這些力 上。 為反作用力。 它們通常發生在連接處或支撐點
反作用力
作用力
例如，所有物體都有一個重量，這是 由於重力在它 們上面作用。 如果一本書放在桌子上 ，那本書就
會產生一個力量，因為它的重量會在 桌子上往下 推。 桌子用相同和相反的力量推回書 上。如果沒
有反作用力，這本書就會從桌子上掉 落！
力矩
物體上的力量，力也可 力會導致物體移動，但是根據施加在 扳手的末端，則力會導 能導致物體旋轉，例如，如果你推動 致轉動螺絲。 參考點旋轉的傾向。 力矩是衡量一種力導致物體圍繞特定 參考點之間的距離來 通過將力乘以力作用在物體上的點與 計算力矩：
力矩= 力×距離
的距離） （力作用在物體上的點與參考點之間 的距離來增加力矩。 你可以通過增加力或力與旋轉點之間
7
力矩也是一個向量，但它由一個彎 曲的箭頭表示。 箭頭的方向（順時 針或逆時針）表示力矩的方向，長 度表示幅度。
平面三角形 60 mm
60 mm
100 mm
1
2
3
實 驗3
60 mm
材料極簡化(平面三角形）
4
大顯身手
5
用平面三角形重複實驗1 來測試形狀的穩定性。 平面三角形與平面正方 和強化的平面四方相比 如何？
60 mm 100 mm
單 三角形是最簡 狀。 的穩定幾何形
完成!
簡單桁架 11
x2
1
9 x3 注意：這些數字表示長條的孔數。
2
x2
x4 9
11
x2
實 驗4
11
9
x3
x2
x4
11
9
11
9
11
9
9
9
3
簡單桁架
（三角形衍架結構）
結構工程師通常將簡單易懂的元素 結合在一起以便構建更複雜的結
大顯身手 推拉這個簡單桁架的角落。 觀察它如何回應這些力量。 將這個發現與以前的實驗發現 進行比較。
發生了什麼事
構。 在此情況下，四個三角形組合 在一起形成所謂的簡單桁架。 此
完成!
桁架使用較少的材料來達成較高 的穩定性。
8
實驗包內的零件 2
7
15 x
9
10 x
8 x
16
14
15
16 x 21
房屋架構
現在 我 們 使 用你 已 經 建 好 的 簡單 元 素 來構 建 更複 雜 的 模 型。
×2 將步驟1–5 重複兩次
10 x
22
11 9
x2
x3
x2
8 x
1 x
14 x
11
x4
11
9
9
1
9
2 11 9
3
x2
x5
x2
x3
4 9 11
11
9
9
5 9
9
6
實 驗5
屋頂上的雪
7
桁架
發生了什麼事
完成!
桁架被用於支撐房屋屋頂。 在這個實驗中，屋頂架構將負載從書 籍轉移到房屋的柱子上。
大顯身手 打開一本厚重的書，將其放在房屋
然後，柱子將負載轉移到房屋架構 模型所在的地面上，地面則有一個 向上推回的反作用力。
架構的頂部。 你觀察到房子架構 發生了什麼事？
9
支柱
現代房屋
×2
實驗包內的零件
1
5
7
8
4 x
14 x
14 x
10
11
6 x 16
9
11
9
8 x
14
2 x
11
9
9
15
18 x
x8
13 x
17
x4
20
9 x6 11
11 x 21
1 x
3
1 x
4 x 22
22
12 x
8 x
4
x4
2
×2
×2 5
6 9 x1 3 4
x2
9
10
現代房屋
7 8
9
×4
相同方向
10
A
11
11
A
B
A
9 x1
4
13
x2
12
9
14
15
16
12
現代房屋 17
A
19 18
實 驗6
工程設計挑戰：房屋
20
大顯身手 只能使用這個實驗包中的材料，請你設計和建造自己的房 屋。 想想如何使用房屋裡的房間。 你需要幾個房間？你 有多少空間和材料受到限制？ 為了使房屋安全舒適，你需 要做什麼？ 這些只是工程師和建築師在設計和建造一棟房屋時必須考 慮的一些問題。
13
完成!
樑橋
現在，讓 我 們 應 用
經 學會 的 元 素 來
一 種 結 構 工程 師
建造另
時常設 計 的 結 構：橋 樑！
1
實 驗7
你已
彎曲 如圖所示設置兩把 椅子。將樑橋放在椅 子上，所以它跨越了兩把椅子背面之間的
3
發生了什麼事
4
大顯身手
2
當你將重量掛在樑橋上時，重量的力會導 致橋樑偏移或彎曲，因為此樑橋僅由兩 個椅子的末端支撐著。 樑橋的中間部分
完成!
會向下偏轉，因為樑橋的材料不夠堅固 或剛硬，以致不足以抵抗負載。
橋梁
距離。用一根繩子將重量搭綁在橋樑的 中心。使用尺來測量偏移或橋樑因中間
椅子
重量產生錯位。 改變重量並再次測量偏
你能想到可以使這座樑橋更強大、偏 轉更少的方法嗎？
移程度。
工程設計：
可維護性和材料特性
除了理解力和力矩之外，結構工 程師還必須了解他們正在使 用的
結構工程師必須考慮他們設計的所有結構的
材料特性，材料特性是一種針對
可維護性。
不同材料如何回應各種力和力矩
。 可維護性是指結構能達成其所設計的預定功能 慮 結構工程師不僅要考慮結構的能力，而且還要考 用戶 結構在其結構的生命週期中是否能夠滿足所有 或居住者的需求。 居住。 例如，結構不能振動太多，以免人們無法舒適
的量化測量。了解材料特性，結 構工程師就能夠評估使 用不同 材料的優缺點。 14
強化樑橋
1
×8
2
樑橋再進化！
4
3
B
A
5
6
B
A
實 驗8 7
完成!
強化結構快遞 大顯身手 將強化樑橋放在兩把椅子之間，就像前面的實驗7一樣。 用一根繩子將重量搭綁在橋樑的中心。使用尺來測量橋 樑的偏轉。使用與先前實驗相同的重量，將此實驗的偏 差與先前實驗的結果進行比較。
15
發生了什麼事 因為橋樑的側面加上一些額外的軌道，所以偏 轉量減少了。
桁架橋 實驗包內的零件
11 9
1
2
3
5
8
9
x5
x12
1 x10
20 x
8 x
8 x
10
12 x
14
4 x
11
2 x
16
9
20
x5
11
x12
x10
11
11
11
10 x
24 x
10 x
11
11
1 x 24
22
21
11
4 1 x
20 x
24 x 2
2
3 2
相
向
向
方
方
同
反
相
相
5
反 方 向
相 反 方 向
×4
×2
3
6
16
桁架橋 11 9
7
11
x10
9
11
8
x5
x12
11
x5
11
11
x12
11
x10
11
11
11
11
10
3
2
11 9 2
實 驗9 12
工程限制 大顯身手 重複實驗7來比較不同橋樑的偏轉 量。 哪種橋是最強勒的？
工程師的一個關鍵任務是確認 和理解限制，才能開發出可行的 解決方案。工程師必須平衡許多 不同的考量因素。工程師可能面 臨的一些權衡，包括可用的資 源、成本、生產力、時間、品質和 安全。
17
完成!
發生什麼事 將桁架添加到橋樑將導致該橋樑在 相同負載下偏轉得更少。桁架通過橋 樑分配力，使得橋的中部偏移較少。 桁架中的一些長條桿承受壓縮力，而 一些則承受張力，並且每個長條桿和 連接點的結構恰巧堅固得可以抵抗 作用在其上的力。 閱讀下一頁的張力和壓縮力。
加值實驗 你能搭建如圖的這個 桁架橋嗎？
知識補給站 結構工程師經常用四個術語來 描述一個負載量如何影響結構： 張力，壓縮力，剪應力和扭力。
負載量 設計結構的另一個重要部分是了解負載量如何影響結 構。 負載量是施加到結構或其部件的力、變形或加速度。
張力 是將物體分開拉伸（或拉 伸）的力。 壓縮力 是推動（或擠壓）物體的 力。 剪應力 是作用力與作用面互相平 行之應力（你將在下一個實驗中 看到剪應力的一個例子）。
張力
壓縮力
剪應力
扭力
扭力 是物體受到一個與物體轉 動方向的力作用時產生的力矩。
你知道嗎 ...
用熱和化學物質處理玻 用於智能手機屏幕的鋼化玻璃，通過 璃內部的張力狀態。 這 璃可加強玻璃外表面的壓縮狀態和玻 裂的能力。 增加了玻璃可以承受外部負載而不破
像建築物這樣的 結構，由許多不同 的部分組成：牆 壁、地板、樑和天 花板。 結構工程師將建築物或結構的部分根據其 物理行為分類成一 些類別。 在這個實驗包中，我們專注於了解柱、樑 、平面、桁架、懸鏈、 拱、纜線和外殼在結構中的運作原理。
素連接的方 重要的是這些結構元 等 同 素 元 構 結 用 使 與建築中 式。 些結構元素將它的 該建築物能夠透過這 認 確 需 時 物 築 建 計 設 地面。 負載量安全地傳遞到 和固定支架。 接類型：滾輪、軸銷 連 的 見 常 種 三 有 中 在建築物 常使用滾輪支撐。 例如，在橋的一端通 度熱脹冷縮。 這使得橋樑可隨著溫
18
壓縮立方體
現在，我們來構建一些模 型來研究結構元素如何處 理壓縮力。
2 1
×2 3
×4 3
實 驗10
柱和樑 大顯身手 將一隻手放在立方體的頂部，另一 隻手放在底部。 將兩隻手做合掌
4
發生了什麼事 當你嘗試壓縮立方體時，立方體能夠 承受壓縮力而不變形。 但是當立方體遇到橫向力量 時，它就不穩定了。
的姿勢來壓縮模型。 你有觀察到 發生了什麼嗎？
立方體模型是由兩個結構元 素組成：柱和樑。
接下來，用一隻手握住立方體的底 部，而另一隻手橫向滑動立方體的 頂部。
19
完成!
強化立方體
100 mm
×4
2 1 3 立方體再進化！
4
實 驗11
完成!
5
大顯身手 用強化立方體重複實驗10 （合掌壓縮、橫向滑動）。 對角線的支架對模型有什 麼影響？
四面體 60 mm
B
3
×2
A
×2
100 mm
60 mm 100 mm
1
2
4
5 A B
6
實 驗12
7
大顯身手 用雙手推、拉和扭轉四面體的 角落。 你有觀察到發生了什 麼嗎？
完成! 20
知識補給站
結構元素：柱、樑和板 柱 柱是能透過壓縮垂直遞傳遞力的結構元素。 如 實驗10所示，柱在抵抗垂直力時較強壯，但抵抗 水平力則較脆弱。 當柱承受壓縮力時，它們會變 形，變得越短越寬。
你為什麼在建築中看 不到越來 越短、越來愈寬的柱 呢？ 原因是這些變化通常 非常微小，因 為建築材料非常堅硬 。
結構工程師希望防止柱 由於挫曲現象而發 生倒塌。當結構元素由於 高度的壓縮負載量 而開始向側面彎曲時，挫 曲便產生。這種挫 曲現象會導致結構元素 失去承受負載量的 能力。
無負載
樑
樑是能夠抵抗水平負載但在抵抗垂直負載方面 較弱的結構元素。如實驗7中所示，當樑承受垂
承受負載
直力時，它們會彎曲。
板
體結構 板是與其它尺寸相比厚度非常薄的固 元素。 施加到板上的負載會垂直於 板的表面。 模切塑料片是板的一個例子。
21
當樑彎曲時，桿的頂 部邊緣處於壓縮狀 態，而較低的邊緣則 是處於張力狀態。
摩天大樓版本1
現在，我們來搭建一 些摩天大樓。 你能識 別它們使用了哪些結 構元素嗎？
實驗包內的零件 1
7
9
14
11
15
9
x2
x10
x4
32 x
4 x
12 x
22 x
16
10 x
21
x8 9
1
22
11 9
4 x
1 x
9
16 x 9
2
3
11 9
x10
x2
9
9
x4
x8
9
9
11 11
9
9
9
9
9 9
9
9
4 9
11 9
9
9
B
6
5
A
九孔長條側有孔 x2 9
九孔長條側有孔 x3
×2
×2 22
摩天大樓版本1 8
7 A
B B
A
實 驗13 9
地震!
完成!
大顯身手 將摩天大樓放在一張紙或紙板上。 在桌子上來回滑動紙板。 你有觀察到摩天大樓發生什麼事？
發生了什麼事 地震導致地面土壤來回移動，就像實驗中的紙一樣。 這導致結構在其地基周圍掉落、滑動或扭曲。 寬廣的地基有助於防止建築物倒塌，而可以略微彎 曲而非斷裂的彈性結構則有助於防止建築物在地 震時分崩離析。
23
摩天大樓版本2 11
實驗包內的零件 1
2
9 7
3
5
7
1
9
9
16 x
13 x
6 x
13
8 x
14
2 x
2 x
15
9
16
9
x11
x12
x1
9
9
11
7
x3
9
11 9
9
2 x
22 x
13 x
20
6 x
22
21
4 x
1 x
24
24 x
5
9
A ×6
16 x
B ×2
60 mm
3
9
60 mm
2 1 x
11
9
17
4
A B
A
A
11 9
11 9
6 7 9
9
9
7
x3
x11
x12
x1
x3
x11
x12
x1
9
9
7 9
11
11
9
9
11
9
7
9
9
8
24
摩天大樓版本2 A
9
11
B
A
10
A
12
實 驗14
工程設計挑戰：摩天大樓
13
大顯身手 只能使用該實驗包中的材料來構建最高的摩天大樓。 摩天大樓必 須能夠獨立站立。 通過添加其他要求，你可以使挑戰變得更加困 難，例如：摩天大樓必須承受吹風機的空氣流動或桌子的晃動，或 者必須承受一定的重量。 你在設計時可能需要考慮建造摩天大樓的工程限制，包括可用的材 料、高度、摩天大樓和乘員的重量、位置、時間、成本以及抵抗像是 地震和風力等負載所需的強度和穩定性。
25
完成!
現在，我們來建立一些 拱橋。 你覺得壓縮力可 能在橋的哪個部分上作 用？
上承式拱橋 實驗包內的零件 1
2
5
7
8
9
11 9
40 x
4 x
18 x
11
10 x
14
4 x
15
24 x
2 x
8 x
10 x
13 x
20
16
21
11 x x
4 x
22
1 x
1
17
16 x
×2
2
24
8 x
11
3
4
11
A 5
6
11
9
×2
C
×2
B 8 7
9
9
×4
9
D
×2
將步驟8–17重複兩次 26
上承式拱橋 10
11 9
9
9
11
9
9
12
11
13
9
前視圖
9
14
前視圖
後視圖
16 15
60 mm
11 60 mm
27
9
17
D
D 19
18
B C
B C 20 21
實 驗15
22
拱橋
拱將其頂部向下推的力量移轉至在其底 部向外推動的力量。必須有內部或外
大顯身手
部結構去抵消在底部的外力；否則，拱
將你的手放在拱橋的底 部。 請一個朋友或家 人在拱橋頂部放置一
發生了什麼事
會崩塌。
完成!
本書。根據你的觀察， 當書放在頂部時，拱橋發 生了什麼事？
加值實驗 你能搭建這座中承式拱橋嗎？
28
下承式拱橋 實驗包內的零件
九孔長條側有孔 x8
1
2
5
6
8
24 x
16 x
4 x
4 x
8 x
14
15
16
1
17 11
10 x
12 x 20
8 x 21
1 x
4 x 22
1 x
2
24
16 x
九孔長條側有孔 x2
8 x
3
4
九孔長條側有孔 x2
11
5
×4 100 mm
×2 11 9
x10
將步驟7 - 8 重複兩次
x2 9
7
9
9
6
60 mm
9
x8 9 11
×4 11 9
x10
x2 9
9
9 9
x8
29
9 11
8
9 11
60 mm
×4
100 mm
100 mm
60 mm
11
10
12
13
拱
鋪板 桿
完成! 在橋樑的鋪板上向下推的力導致垂直桿拉到拱頂上。 這樣 就可以使拱的頂端推出，就像上承式拱橋一樣。 然而，在下承式
加值實驗
拱橋或弓弦橋中，因為通過拱橋與橋樑的鋪板連接，橋呈現類似
你能建造這座懸臂橋嗎？
串弓的形狀，使得這些運動被限制。
30
在接下來的幾個模型 中，讓我們來探討結構 中的張力作用。
張力整體 2
1
×3 38 cm 38CM
×4
3 4
5
6
7
8
實 驗16 9
張力和壓縮力 大顯身手 在張力整體模型之上， 用手往下壓或放置一 本書。 請注意，即使 長條僅僅透過線被固 定在一起，這個張力整 體模性也能支撐重量。
31
完成!
加值實驗 嘗試建立更大的張力整體模型。
知識補給站
結構元素：
懸鏈線網，纜線，拱和外殼 懸鏈線網 握住一條繩子的兩端，讓它自 由地掛在中間。 觀察 在自身重量下自然形成的形狀 。 這條曲線稱為懸鏈 線。繩索、鏈條和纜線會呈現 這種形狀是由 於重力將它們往下拉。
繩橋是最基本的一種使用纜線的 橋樑。 懸掛繩索橋中的纜線會跟 隨懸鏈曲線。
纜線
現在將線穿過一個5孔長條。 握住線的 兩端，讓它掛起在中間自由懸掛下來。請 注意，線現在變成兩條更筆直的線，你感 覺到雙手上的線有略微拉動。 鏈條、繩 索和纜線只能通過張力拉動另一個結構 元素來提供支撐。
張力整體是一種結 素 構，它具有由張力元 （在這種情況下是 壓 線）聚集在一起的 縮力元素（在這種情 況下是桿）。
拱 正如你在實驗15中學到 的那樣，拱將下推的力 量轉變為基地向外推動 的力量。 這是由於拱的 彎曲形狀造成的。
大拱門是 密蘇里州聖路易斯 ，因為拱 一個扁平的懸鏈線 狹窄。 頂越靠近頂部就越
外殼 其 與板類似，外殼是與 多 他尺寸相比厚度小得 的結構元素。 結 然而，外殼是彎曲的 構，而板是平的。 力 外殼可以同時產生張 和壓縮力。
需要支撐自身重量的均勻密度 和厚度的拱的最 佳形狀是一條已經翻轉的懸 鏈線。這是因為懸 鏈線是通過拱將重力轉化傳遞 到地面的壓縮力 的最有效形狀。 32
索塔 實驗包內的零件
9
1
2
3
4
5
6
7
17 x
14 x
21 x
4 x
5 x
2 x
10 x
8
9
2 x
10 x
11
14
15
16
1 x
6 x
12 x
3 x
1
2
19
20
21
22
23
24
1 x
1 x
1 x
4 x
12 x
14 x
3
9
×2 ×2
5
4
9
×2
6
×2
7
8
9
×2
方向 相反
60 m
m
11
33
11
10 12 60 mm
相反 方向
11
60 mm 相反
方向
16
11
60 mm
×2
相
反
方
向
14
15 反
方
向
60 mm 相
13
100 mm 相
同
方
向
34
索塔 1
17
18
19
2
20 2 x 38-cm 線
38 cm
100 mm
相同
方向
38 cm
實 驗17
21
22
纜：第1部分 2 x 20-cm 線
1
20 cm 20 cm
2
3
大顯身手 在進入下一個裝配步驟之前， 請先操作此實驗。 握住索塔的底部，快速將其 在桌子上來回滑動。 觀察塔 的頂部如何搖擺。 它往什麼方向搖擺？
35
1
2
24
25
23
38CM 38 cm
2 x 24-cm 線 2 x 38-cm 線
38 cm 38CM
1
38 cm
24 cm
2 24 cm
24 cm
3
實 驗18
纜：第2部分
26
大顯身手 再次來回滑動索塔。
27
完成!
現在塔不會來回搖擺，因為纜線抵 抗塔的運動。
發生了什麼事 在第一個索塔實驗中，模型底部 的連接不夠堅固，無法使塔頂保 持靜止。在第二個索塔實驗中， 塔的兩側的纜線均勻地拉在塔 的頂部。 纜線承受張力，這使 塔能夠穩定，當底座移動時，纜 線使塔不搖擺。
36
懸索吊橋 實驗包內的零件 1
2
在最後一節中，我們將使
3
5
7
8
9
用你所學到的一切來建立 兩種使用纜線掛起鋪板的
36 x
20 x 10
24 x
12 x
14
16 x
4 x
15
橋樑。
4 x
16
17
11 9
8 x
18 x 19
12 x
10 x 21
20
23
x10
x18
4 x
1
24
9
1 x
1 x
1 x
20 x
24 x
9
60 mm
2
3
×12 11
×2 4
5
37
6
將步驟3–7 重複兩次
×8
7
9
8
11
10
9
11
11
12
38
懸索吊橋
13
在塔之間滑動鋪板
提示：找到可以將鋪板固定在此位置的物體。 這將使它更容易連接到纜線。
連接四條24cm的線。
14
24 cm
連接四條38cm的線。
15
38 cm
1
2
39
連接四條20cm的線。
17
16 20 cm
1
2
3
移
4
動
實 驗19 18
工程設計挑戰：橋樑 大顯身手 只能使用該實驗包中的材料，請設計和建造一座能跨越 三英尺的橋樑。橋樑應盡量少使用材料，你應該可以從 中心安全地吊起兩磅的重物，而且橋樑不會倒塌。你可以 改變距離和重量，使來調整這個挑戰的難易度。
完成! 要纜線， 懸索吊橋有一根在其塔之間運行的主 並具有連接到其鋪板上的垂直纜線。 長距離。 懸索吊橋比斜張橋能更穩定地跨越更
40
斜張橋 實驗包內的零件
1
1
2
3
4
5
7
20 x
20 x
32 x
8 x
12 x
16 x
14
15
20 x
16
12 x
11
17
10 x
4 x
19
20
21
23
24
2x
1 x
1 x
24 x
24 x
2
4 3
11
5 6
7
60 mm 9
相同
方向 9
×8
×12 11
41
9
8
9
×4
×2
10
×2
11 12
×2
×2
42
斜張橋 13
14
連接四條38cm的線
38 cm
12 cm
提示：找到可以將鋪板固定在此位置的物體。 這將使它更容易連接到纜線。
12 cm
在塔之間滑動鋪板。 1
連接四條38cm的線
2
3
38 cm
鋪板應該在模型上方大約12cm處。
16
15
連接四條38cm的線
38 cm
移
動
實 驗20
斜張橋
17
大顯身手 嘗試增加橋樑的負載，在橋樑上增 加重量，如零件方塊。 橋樑從哪裡開始倒塌？ 是塔樓倒塌還是纜線鬆動？ 根據失敗的方式，你能推斷出有哪 些作用力在橋樑的不同結構元素 上作用？
43
完成!
斜張橋有一個或多個 塔，塔上有從塔到鋪板 的纜線。纜線支撐橋的 鋪板。
橋樑的類型 樑橋 壓縮力
張力
樑橋是最簡單的橋樑。 它不能跨越 長距離，因為它不會通過其結構支 撐來傳遞力矩。
桁架橋
壓縮力
張力
桁架橋由以三角形單元連接的支 柱製成，以提供對鋪板的強度和支 撐。桁架可以在鋪板的上方或下 方。
拱橋 壓縮力
拱橋可追溯到古代，當時由石塊構 成。 現今的現代拱橋則由混凝土和 金屬製成。鋪板可以在拱橋的上方、 下方，甚至是拱橋的中間。
懸臂橋 壓縮力
張力
懸臂橋使用懸臂，它們是向外伸出 空間的水平結構，僅在一端有支 撐。這類的橋樑通常使用桁架來支 撐懸臂。
懸索吊橋
壓縮力
張力
懸索吊橋的鋪板掛在纜線上。纜線 從塔架懸掛，並下錨固定在地面或 塊狀體中。
斜張橋 壓縮力
張力
像吊橋一樣，斜張橋由纜線支撐。 纜線直接連接到中央塔。
44
摩天大樓設計
雪負載
施加在建築物上的負載量
橫向載荷
重力負載 風負載
建築和摩天大樓必須承受許多不同類型的負載，例： 往下拉或往上。 負載可分為兩類：靜負載和活負載。 靜負載包括建築本身和所有永久安裝在建築物內物 品的重量。重力將這些負載往下拉。
承員負載
活負載包括人的重量、家具和建築物內的其他物體。 雪負載和雨負載---屋頂上雪或水的重量---也是 活負載。
地震負載 靜負載
水和土地壓力
一些活負載在建築物上橫向作用，而不是向下拉。 風力負載是由建築物側面的風推動而引起的。 建築物地基周圍的地下水和土地會側向推動。 即使在設計強大穩定的建築物時，也要考慮到偶爾地震時產生的負載。
摩天大樓結構 系統
樓層可能性 的大概數量
160
下方圖表顯示了摩天大樓 中常用的五種結構系統， 以及每種類型可實現的最 大樓層數。
150 140 130 120
類型2：具有 剪應力桁架 的框架
110 100 90 80 70 60 50
類型1：剛性 框架
這是最古老的摩天 大樓結構系統。 這種鋼框架結構可 以上升到大約30層 樓的高度。
通過在框架中添加 桁架，摩天大樓可 以加強到高達約60 層樓。
到西元2000年初期，使用超級框架可以建造超過160層樓 的摩天大樓。這些超級框架在每隔10或20層時以水平多層 桁架的角落支撐框架連接在一起。
類型4：外框筒體、捆 綁筒體、支撐筒體 類型3：終端通 道框架筒體 筒體系統在20世紀中 葉開始使用時，這是摩 天大樓技術的真正創 新。筒體系統通過像從 地面伸出的巨型懸臂來 抵抗橫向負載。 它在建築物外部使用緊 密間隔的支柱。
160
現今的摩天大樓使用許多不同 配置的筒體系統，以實現更高 的高度，包括將許多筒體捆綁成 一個筒體並添加對角線支撐。
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50
超級框架
0
外部對角 支撐筒體
0
捆綁筒體
10
外框筒體
10
終端通道和中 間框架筒體
20
具有內部剪應 力桁架的終端 通道框架筒體
20
具有剪應力 桁架和支腿 桁架的框架
30
具有剪應力 桁架的框架
30
剛性框架
40
半剛性框架
40
平面圖 （俯視）
45
類型5：超級框架
重要訊息 安全資訊 警告！ 不適用於三歲以下孩童
親愛的爸爸媽媽、指導員：
窒息危險-小零件被吞嚥或吸入可能窒息。 勒頸危險-長繩若繞頸可能勒頸。 請將實驗零件與組裝模型放在孩童拿不到之處。 因內含重要資訊，請妥善保存包裝與說明手冊。
在實驗開始之前，請與您的小孩一同閱讀說明手 冊，並討論安全資訊。確保能組裝出正確的模型。在 實驗中協助您的小孩，尤其是閱讀組裝示範及組裝 零件時，因為需要小孩可能尚未擁有的手部靈巧度 或力量。 我們希望您及您的小孩在實驗時獲得很大的樂趣。
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