#7410 lg

# 7410-CN 323 件／組

8+

了解结构元素与作用力 让结构更穩固！

25

EXAMINE STRUCTURAL ELEMENTS AND FORCES ACTING ON THEM

› › › 目录 目录 .......................................................................................... 1 组装技巧 ................................................................................... 2 实验包内容 ................................................................................ 3 什么是结构工程？....................................................................... 4 平面正方和强化的平面正方 ...................................................... 5 向量，力和力矩 .......................................................................... 6 三角形和简单桁架 ..................................................................... 8 房屋架构 .................................................................................... 9 现代房屋 .................................................................................. 10 梁桥 ......................................................................................... 14 强化梁桥 .................................................................................. 15 桁架桥 ..................................................................................... 16 负载 ......................................................................................... 18 压缩立方体 .............................................................................. 19 强化立方体和四面体 ............................................................... 20 结构元素：柱，梁和板 .............................................................. 21 摩天大楼版本1 ........................................................................ 22 摩天大楼版本2 ........................................................................ 24 上承式拱桥 ............................................................................. 26 下承式拱桥 .............................................................................. 29 张力整体 .................................................................................. 31 结构元素：悬链线网，缆线，拱和外壳 ...................................... 32 索塔 ......................................................................................... 33 悬索吊桥 .................................................................................. 34 斜拉桥 ...................................................................................... 41 桥梁的类型 .............................................................................. 44 摩天大楼设计 .......................................................................... 45 重要讯息 …................................................................... 封底内页

Tips！ 在每个模型的组装说明上面，你会发现一个蓝色的横条标示： >>>这表示组装该模型的难易程度

1

简单

中等

困难

› › › 组装技巧 绳索固定键

结合键和轴扣键

实验包里的有些零件会使用到绳索固定键，利用绳索 去连接其他零件。这些示范图会告诉你五种不同的绳 索固定键的连接方式。

仔细看看不同的组装零件，乍看之下，红色结 合键、蓝色结合键和红色轴扣键都看起来很 相似。当你组装模型时，使用正确的零件很重 要。蓝色结合键比红色结合键短。轴扣键可以 让零件旋转。

1

2

将绳索拉入凹口中。

轴 建筑系统包含各种长度的轴。在这个实验包 中，这些轴被当作杆来使用。藉由使用轴转接 键，轴可以连接到其他轴。组装模型时，请务 必确保使用正确的轴，并确认轴转接键以正确 的方式定位在轴上。

3

将绳索拉入凹口中。

4

将绳索穿绕一圈拉入凹口。

扳手

5

当你想要再次将模型分开时，你会需要扳手。使用 扳手的窄端来移除结合键。你可以使用宽端撬开 其他零件。

A 将绳索穿过绳索 固定键的孔洞。

将绳索拉入凹口中。

2

› › › 包装内容

实验包内的零件 1

2

10

3

11

18

4

5

12

19

13

20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

3

24

描述 B-短结合键 C-长结合键 C-轴扣键 B-6凹正方颗粒 C-60mmⅡ轴 C-100mmⅡ轴 C-二合一结合键 C-单向转接键 C-5孔长条 C-5孔长条侧有孔 C-3孔圆⻆长条 C-7孔圆⻆长条 C-7孔圆⻆扁长条 C-9孔长条 C-9孔长条侧有孔 C-11孔长条 C-短纸卡固定键 C-轴固定键 C-4000mm特多龙线 P-造型塑胶片 B-扳手 C-⻆码结合器(平面) C-绳索固定键 C-轴转接键

7

14

数量

品号

40

7344-W10-C2B

20

7061-W10-C1R

32

1156-W10-A1R

8

880-W10-N1S1

12

7413-W10-M1S

4

7413-W10-L2S

16

7061-W10-G1D

14

7061-W10-J2D

12

7413-W10-K2D

10

7413-W10-K3D

2

7404-W10-C1D

2

7404-W10-C2D

2

7404-W10-C3D

24

7407-W10-C1D

13

7407-W10-C2D

11

7413-W10-P1D

8

7061-W10-W1D

9

3620-W10-A1D

2

R39#7410

1

K41#7410

1

7061-W10-B1Y

24

7410-W10-A1S

24

7410-W10-B1S

32

7410-W10-C1S

8

15

21

清单：查找 - 检查 - 核对 号码

6

9

16

22

23

17

24

你还需要： 剪刀、尺或量尺

将特多龙线剪至适当长度 你需要将二条400公分的黑色特多龙线剪 成下述的长度。在组装模型时，不同模型 需要特定长度的特多龙线。

20 cm x 4 24 cm x 4 38 cm x 8

什么是结构工程？ 结构工程师应用物理定律和经验知识建立复雜的结构体 系。经验知识只是通过观察实验结果和观察周围世界的 事件学习而来的讯息。工程师通过将许多简单的部件（称 为结构元素）组合在一起而构建复雜的结构。这些元素都 有详细记录的物理属性，因此工程师可以预测在最终结 构中这些结构元素如何协同工 作。在这个实验包中，你将了解 一些结构元素并使用它们构建 属于你自己的复雜结构。

当人们想到结构工程时，大多数情况下他们可以想像到的有建筑、塔楼、水坝和桥 梁的设计与建造。但结构工程师也参与卫星、飞机、船舶以及医疗支架等的结构设 计。相同的物理定律也被应用到涉及形状和尺寸 的结构设计。

确认需求 和限制

什么是设计

们的工 工程师经常使用「设计」一词来描述他 或过程的 作。设计是从概念发展到功能性产品 一系列步骤。

骤可以重 工程设计过程是反覆式的，意味着步 正确或最 达到 直到 复多次，然后每次进行改善， 佳结果。

改善设计

工程设计流程

测试和评估原型

发展可能的 解决方案

建造一个原型

4

平面四方 些 简单 的 模 首先，我们来构建一 单的实验，以 型，并对它们进行简 式将结构元 显示如何以不同的方 会 影响结 构 素结合在一起时，便

1

2

的强度和穩定性。

完成! 实验1

发生什么事

形状的穩定性

当你在平面正方形的⻆落推动时，你正在向结构施加力或负载。结构 工程的目标是实现不同负载下结构的穩定性。当有负载在结构上时，

大显身手

所有的结构将会在一定程度上改变形状。

一手握住模型的一个 角落，并尝试通过移 动此⻆落的对⻆来使 模型变形。模型是否 有变形？

在穩定的结构中，形状或变形的变化是微小的，而且结构中的力在 卸载后将使结构恢复到原来的形状。 在不穩定的结构中，形状的变化很大，并且通常随着施加力而增 加。不穩定的结构不具有将结构恢复到其原始形状所需的内在力 量。平面四方形是一个穩定或是不穩定的结构？

强化的平面四方

1

2

3

100 mm

平面四方再进化！

实验2

发生什么事

4

强化结构

你通过添加连接两个⻆落的杆 将平面四方模型制作成穩定 的结构。这个对⻆杆锁定了其

大显身手

他杆的⻆度。当你推动强化

用强化的平面四方重复实 验1来测试形状的穩定性。 强化的平面四方对负载的 反应如何？

5

完成!

的平面四方的⻆落，你可以 自行车的框架使用类 似的形状！

感觉到模型些微移动。当你 停止推动它，你可以感觉到 它回到原来的形状。

知识补给站 y

向量，力和力矩 要了解什么使结构穩定，你必须了解向量、 力和力矩。

x

向量 只有大小、没有方向的数量，被称为纯量。 例如，如果你想描述物体重量，你只需要包含一个度量单位，例如磅（lb）或公 斤（kg）。 在物理和 工程方面，另一个有 用的概念 是向量。向 量是一个 既有大小又有方向 的数量。 向量的两 个重要例 子是速度 和加速度。

通常用箭头表示向 量。箭头的头指出 向量的方向，线的 长度表示向量的大 小。 较长的箭头意味着 较大的幅度。

速度描述物体移动的速度和方向。如果你往北方骑自行车，每小时骑了五英里，那 就是你的速度。 加速度是衡量物体速度如何变化的量度。例如当汽车加速、减速或改变方向时，可 计算汽车的加速度。

结构工程的一个重要部分是计算力和力矩如何影响和通过一个结构。 计算中的一个错误可能导致结构失效或崩解。

力

用。主宰力的运作 力是物体之间的相互作 牛顿的运动定律。 方式有三个法则，称为

牛顿第一运动定律

...除非物体有受到外力，要不然保持静止的物体，会一直保 持静止；沿一直线作等速度运动的物体，也会一直保持等速 度运动。这通常被称为「惯性定律」，并被简化为：动者恒 动，静者恒静。

6

知识补给站

力=质量 x 加速度 力愈大，加速度愈大

(在相同质量下)

牛顿第二运动定律...

物体 ..物体上的力的总和等于物体的质量（m）乘以 ，或者 的加速度（a）

F=m×a 或方 加速度和力都是向量。如果它们其中一个的大小 向有改变时，两者都可能会改变。

牛顿第三个运动定律 ... 个大 ...当一个力施加在一个 物体上时，物体施加一 称 小相等但方向相反的力。在结构工程中，这些力 。 为反作用力。它们通常发生在连接 处或支撑点上

反作用力

作用力

例如，所有物体都有一个重量，这是 由于重力在它 们上面作用。如果一本书放在桌子上 ，那本书就会 产生一个力量，因为它的重量会在桌 子上往下推。 桌子用相同和相反的力量推回书上 。如果没有反 作用力，这本书就会从桌子上掉落！

力矩

物体上的力量，力也可 力会导致物体移动，但是根据施加在 扳手的末端，则力会导 能导致物体旋转，例如，如果你推动 致转动螺丝。 参考点旋转的倾向。 力矩是衡量一种力导致物体围绕特定 参考点之间的距离来 通过将力乘以力作用在物体上的点与 计算力矩：

力矩= 力×距离

的距离） （力作用在物体上的点与参考点之间 的距离来增加力矩。 你可以通过增加力或力与旋转点之间

7

力矩也是一个向量，但它由一个弯 曲的箭头表示。箭头的方向（顺时 针或逆时针）表示力矩的方向，长 度表示幅度。

平面三角形 60 mm

60 mm

100 mm

1

2

3

实验3

60 mm

材料极简化(平面三⻆形）

4

大显身手

5

用平面三⻆形重复实验1 来测试形状的穩定性。平 面三角形与平面正方和 强化的平面四方相比如 何？

60 mm 100 mm

单 三⻆形是最简 状。 的穩定几何形

完成!

简单桁架 11

x2

1

9 x3 注意：这些数字表示长条的孔数。

2

x2

x4 9

11

x2

实验4

11

9

x3

x2

x4

11

9

11

9

11

9

9

9

3

简单桁架

（三角形桁架结构）

结构工程师通常将简单易懂的元素 结合在一起以便构建更复雜的结

大显身手

构。在此情况下，四个三⻆形组合

推拉这个简单桁架的⻆落。观察 它如何回应这些力量。将这个发 现与以前的实验发现进行比较。

发生什么事

在一起形成所谓的简单桁架。此

完成!

桁架使用较少的材料来达成较高 的穩定性。

8

实验包内的零件 2

7

15 x

9

10 x

8 x

16

14

15

16 x 21

房屋架构

现在 我 们 使 用你 已 经 建 好 的 简单 元 素 来构建 更 复 雜的模 型

×2 将步骤1–5 重复两次

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

实验5

屋顶上的雪

7

桁架

发生什么事

完成!

桁架被用于支撑房屋屋顶。 在这个实验中，屋顶架构将负载从书 籍转移到房屋的柱子上。

大显身手 打开一本厚重的书，将其放在房屋

然后，柱子将负载转移到房屋架构 模型所在的地面上，地面则有一个 向上推回的反作用力。

架构的顶部。你观察到房子架构 发生了什么事？

9

支柱

现代房屋

×2

实验包内的零件

1

5

7

8

4 x

14 x

14 x

10

6 x

11

14

2 x

18 x

16

11

9

9

11

9

8 x

9

15

x8

13 x

17

x4

20

9 x6 11

11 x

1 x

4 x

21

22

22

1 x

12 x

8 x

3

4

x4

2

×2

×2 5

6 9 x1 3 4

x2

9

10

现代房屋

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

现代房屋 17

A

19 18

实验6

工程设计挑战：房屋

20

大显身手 只能使用这个实验包中的材料，请你设计和建造自己的 房屋。想想如何使用房屋里的房间。你需要几个房间？ 你有多少空间和材料受到限制？为了使房屋安全舒适， 你需要做什么？ 这些只是工程师和建筑师在设计和建造一栋房屋时必 须考慮的一些问题。

13

完成!

梁桥

现 在，让 我 们 应

经 学 会 的元 素 来

一 种 结 构工程 师

建造另

时常设 计 的 结 构：桥 梁！

1

实验7

用你已

弯曲 如图所示设置两把 椅子。将桥梁放在椅 子上，所以它跨越了两把椅子背面之间的

3

发生什么事

4

大显身手

2

当你将重量挂在梁桥上时，重量的力会导 致桥梁偏移或弯曲，因为此梁桥仅由两 个椅子的末端支撑着。梁桥的中间部分

完成!

会向下偏转，因为梁桥的材料不够坚固 或刚硬，以致不足以抵抗负载。

桥梁

距离。用一根绳子将重量搭绑在桥梁的中 心。使用尺来测量偏移或桥梁因中间重

椅子

量产生错位。改变重量并再次测量偏移

你能想到可以使这座梁桥更强大、偏 转更少的方法吗？

程度。

工程设计：

可维护性和材料特性

除了理解力和力矩之外，结构工 程师还必须了解他们正在使 用的

结构工程师必须考慮他们设计的所有结构的

材料特性，材料特性是一种针对

可维护性。

不同材料如何回应各种力和力矩

。 可维护性是指结构能达成其所设计的预定功能 考慮 结构工程师不仅要 考慮结构的能力，而且还要 用户 结构在其结构的生命周期中是否能够满足所有 或居住者的需求。 居住。 例如，结构不能振动太多，以免人们无法舒适

的量化测量。了解材料特性，结 构工程师就能够评估使 用不同 材料的优缺点。 14

强化梁桥

1

×8

2

梁桥再进化！

4

3

B

A

5

6

B

A

实验8 7

完成!

强化结构快递 大显身手 将强化梁桥放在两把椅子之间，就像前面的实验7一样。 用一根绳子将重量搭绑在桥梁的中心。使用尺来测量桥 梁的偏转。使用与先前实验相同的重量，将此实验的偏 差与先前实验的结果进行比较。

15

发生什么事 因为桥梁的侧面加上一些额外的轨道，所以偏 转量减少了。

桁架桥 实验包内的零件

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

桁架桥 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

实验9 12

工程限制 大显身手 重复实验7来比较不同桥梁的偏转 量。哪种桥是最强劲的？

工程师的一个关键任务是确认 和理解限制，才能开发出可行的 解决方案。工程师必须平衡许多 不同的考量因素。工程师可能面 临的 一些 权衡，包 括可 用的 资 源、成本、生产力、时间、品质和 安全。

17

完成!

发生什么事 将桁架添加到桥梁将 导致该桥梁 在 相同负载下偏转得更少。桁架通过桥 梁分配力，使得桥的中部偏移较少。 桁架中的一些长条杆承受压缩力，而 一些则承受张力，并且每个长条杆和 连接点的结构恰巧坚固得可以抵抗 作用在其上的力。 阅读下一页的张力和压缩力。

加值实验 你能搭建如图的这个 桁架桥吗？

知识补给站 结构工程师经常用四个术语来 描述一个负载量如何影响结构： 张力，压缩力，剪应力和扭力。

负载量 设计结构的另一个重要部分是了解负载量如何影响结 构。 负载量是施加到结构或其部件的力、变形或加速度。

张力 是将物体分开拉伸（或拉 伸）的力。 压缩力 是推动（或挤压）物体的 力。 剪应力 是作用力与作用面互相平 行之应力（你将在下一个实验中 看到剪应力的一个例子）。

张力

压缩力

剪应力

扭力

扭力 是物体受到一个与物体转 动方向的力作用时产生的力矩。

你知道吗 ...

用热和化学物质处理玻 用于智能手机屏幕的钢化玻璃，通过 璃内部的张力状态。这 璃可加强玻璃外表面的压缩状态和玻 裂的能力。 增加了玻璃可以承受外部负载而不破

像建 筑物 这样 的 结构，由许多不同 的部分组成：墙 壁、地板、梁和天 花板。 结构工程师将建筑物或结构的部分根据其 物理行为分类成一 些类别。 在这个实验包中，我们专注于了解柱、梁 、平面、桁架、悬链、 拱、缆线和外壳在结构中的运作原理。

素连接的方 重要的是这些结构元 等 同 素 元 构 结 用 使 与建筑中 式。 些结构元素将它的 该建筑物能够透过这 认 确 需 时 物 筑 建 计 设 地面。 负载量安全地传递到 和固定支架。

接类型：滚轮、轴销 连 的 见 常 种 三 有 中 在建筑物

常使用滚轮支撑。 例如，在桥的一端通 度热胀冷缩。 这使得桥梁可随着温

18

压缩立方体

现在，我们来构建一些模 型来研 究结构 元素如 何 处理压缩力。

2 1

×2 3

×4 3

实 验 10

柱和梁 大显身手 将一只手放在立方体的顶部，另一 只手放在底部。将两只手做合掌的

4

发生什么事 当你尝试压缩立方体时，立方体能够 承受压缩力而不变形。 但是当立方体遇到横向力量 时，它就不穩定了。

姿势来压缩模型。你有观察到发 生了什么吗？

立方体模型是由两个结构元 素组成：柱和梁。

接下来，用一只手握住立方体的底 部，而另一只手横向滑动立方体的 顶部。

19

完成!

强化立方体

100 mm

×4

2 1 3 立方体再进化！

4

实 验 11

完成!

5

大显身手 用强化立方体重复实验10 （合掌压缩、横向滑动）。 对⻆线的支架对模型有什 么影响？

四面体 60 mm

B

3

×2

A

×2

100 mm

60 mm 100 mm

1

2

4

5 A B

实 验 12

6

7

大显身手 用双手推、拉和扭转四面体的 ⻆落。你有观察到发生了什么 吗？

完成!

20

知识补给站

结构元素：柱、梁和板 柱 柱是能透过压缩垂直递传递力的结构元素。如实 验10所示，柱在抵抗垂直力时较强壮，但抵抗水 平力则较脆弱。当柱承受压缩力时，它们会变形， 变得越短越宽。

你为什么在建筑中看 不到越来 越短、越来愈宽的柱 呢？ 原因是这些变化通常 非常微小，因 为建筑材料非常坚硬 。

结构工程师希望防止柱 由于挫曲现象而发 生倒塌。当结构元素由于 高度的压缩负载量 而开始向侧面弯曲时，挫 曲便产生。这种挫 曲现象会导致结构元素 失去承受负载量的 能力

⽆负载

梁

梁是能够抵抗水平负载但在抵抗垂直负载方面 较弱的结构元素。如实验7中所示，当梁承受垂

承受负载

直力时，它们会弯曲。

板

体结构 板是与其他尺寸相比厚度非常薄的固 元素。 施加到板上的负载会垂直于 板的表面。 模切塑料片是板的一个例子。

21

当梁弯曲时，杆的顶 部边缘处于压缩状 态，而较低的边缘则 是处于张力状态。

摩天大楼版本1

现在，我们来搭建一 些摩天 大楼。你能识 别它们使用了哪些结 构元素吗？

实验包内的零件 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

九孔长条侧有孔 x2 9

九孔长条侧有孔 x3

×2

×2 22

摩天大楼版本1 8

7 A

B B

A

实 验 13 9

地震!

完成!

大显身手 将摩天大楼放在一张纸或纸板上。 在桌子上来回滑动纸板。 你有观察到摩天大楼发生什么事？

发生什么事 地震导致地面土壤来回移动，就像实验中的纸一样。 这导致结构在其地基周围掉落、滑动或扭曲。 宽广的地基有助于防止建筑物倒塌，而可以略微弯 曲而非断裂的弹性结构则有助于防止建筑物在地 震时分崩离析。

23

摩天大楼版本2 11

实验包内的零件

9 7

1

2

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

摩天大楼版本2 A

9

11

B

A

10

A

12

实 验 14

工程设计挑战：摩天大楼

13

大显身手 只能使用该实验包中的材料来构建最高的摩天大楼。摩天大楼必须 能够独立站立。通过添加其他要求，你可以使挑战变得更加困难， 例如：摩天大楼必须承受吹风机的空气流动或桌子的晃动，或者 必须承受一定的重量。 你在设计时可能需要考慮建造摩天大楼的工程限制，包括可用的材 料、高度、摩天大楼和乘员的重量、位置、时间、成本以及抵抗像是 地震和风力等负载所需的强度和穩定性。

25

完成!

现在，我 们来建 立一些 拱桥。你觉得压 缩力可 能在桥的哪个部分上作 用？

上承式拱桥 实验包内的零件 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

将步骤8–17重复两次 26

上承式拱桥 10

11 9

9

9

11

9

9

12

11

13

9

前视图

9

14

前视图

後视图

16 15

60 mm

11 60 mm

27

9

17

D

D 19

18

B C

B C 20 21

实 验 15

22

拱桥

拱将其顶部向下推的力量移转至在其底 部向外推动的力量。必须有内部或外

大显身手

部结构去抵消在底部的外力；否则，拱

将你的手放在拱桥的底 部。请一个朋友或家人 在拱桥顶部放置一本

发生什么事

会崩塌。

完成!

书。根据你的观察，当 书放在顶部时，拱桥 发生了什么事？

加值实验 你能搭建这座中承式拱桥吗？

28

下承式拱桥 实验包内的零件

九孔长条侧有孔 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

8 x

20

21

1 x

4 x 22

1 x

2

24

16 x

九孔长条侧有孔 x2

8 x

3

4

九孔長條側有孔 x2

11

5

×4 100 mm

×2 11 9

x10

将步骤7 - 8 重复两次

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

铺板 杆

完成! 在桥梁的铺板上向下推的力导致垂直杆拉到拱顶上。这样 就可以使拱的顶端推出，就像上承式拱桥一样。然而，在下承式拱

加值实验

桥或弓弦桥中，因为通过拱桥与桥梁的铺板连接，桥呈现类似串弓

你能建造这座悬臂桥吗？

的形状，使得这些运动被限制。

30

在接下来的几个模型中， 让我们来探讨结构中的 张力作用。

张力整体 2

1

×3 38 cm 38CM

×4

3 4

5

6

7

8

实 验 16 9

张力和压缩力 大显身手 在张力整体模型之上， 用手往下压或放置一 本书。请注意，即使长 条仅仅透过线被固定 在一起，这个张力整体 模性也能支撑重量。

31

完成!

加值实验 尝试建立更大的张力整体模型。

知识补给站

结构元素：

悬链线网，缆线，拱和外壳 悬链线网 握住一条绳子的两端，让它自 由地挂在中间。观察在 自身重量下自然形成的形状。这 条曲线称为悬链线。 绳索、链条和缆线会呈现这种 形状是由于重 力将它们往下拉。

绳桥是最基本的一种使用缆线的 桥梁。悬挂绳 索桥中的缆线会跟 随悬链曲线。

缆线 现在将线穿过一个5孔长条。握住线的两 端，让它挂起在中间自由悬挂下来。请注 意，线现在变成两条更笔直的线，你感觉 到双手上的线有略微拉动。链条、绳索和 缆线只能通过张力拉动另一个结构元素 来提供支撑。

构， 张力整体是一种结 它具有由张力元素（ ） 在这种情况下是线 力 聚集在一起的压缩 元素（在这种情况下 是杆）。

拱 正如你在实验15中学到 的那样，拱将 下推的力 量转变为基地向外推动 的力量。这是由于拱 的 弯曲形状造成的。

大拱门是 密苏里州圣路易斯 ，因为拱 一 个扁平 的 悬 链 线 越 狭窄。 顶 越靠近顶部就

外壳 其 与板 类似，外壳 是与 多 他尺寸相比厚度小得 的结构元素。 结 然而，外壳 是弯曲的 构，而板是平的。 力 外壳可以同时产生张 和压缩力。

需要支撑自身重量的均匀密度 和厚度的拱的最 佳形状是一条已经翻转的悬 链线。这是因为悬 链线是通过拱将重力转化传递 到地面的压缩力 的最有效形状。 32

索塔 实验包内的零件 9 1

2

3

4

5

6

7

17 x

14 x

21 x

4 x

5 x

2 x

10 x

9

11

14

15

16

1 x

6 x

12 x

3 x

8

2 x

10 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 线

38 cm

100 mm

相同

方向

38 cm

实 验 17

21

22

缆：第1部分 2 x 20-cm 线

1

20 cm 20 cm

2

3

大显身手 在进入下一个装配步骤之 前，请先操作此实验。 握住索塔的底部，快速将其 在桌子上来回滑动。观察塔 的顶部如何摇摆。 它往什么方向摇摆？

35

1

2

24

25

23

38CM 38 cm

2 x 24-cm 线 2 x 38-cm 线

38 cm 38CM

1

38 cm

24 cm

2 24 cm

24 cm

3

实 验 18

缆：第2部分

26

大显身手 再次来回滑动索塔。

27

完成!

现在塔不会来回摇摆，因为缆线抵 抗塔的运动。

发生什么事 在第一个索塔实验中，模型底部的 连接不够坚固，无法使塔顶保持 静止。在第二个索塔实验中，塔 的两侧的缆线均匀地拉在塔的 顶部。缆线承受张力，这使塔能 够穩定，当底座移动时，缆线使 塔不摇摆。

36

悬索吊桥 实验包内的零件 1

2

在最后一节中，我们 将使

3

5

7

8

9

用你所学到的一切来建立 两种使用缆线挂起铺板的

36 x

20 x 10

24 x

12 x

14

16 x

4 x

15

桥梁。

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

将步骤3–7 重复两次

×8

7

9

8

11

10

9

11

11

12

38

悬索吊桥

13

在塔之间滑动铺板

提示：找到可以将铺板固定在此位置的物体。 这将使它更容易连接到缆线。

连接四条24cm的线。

14

24 cm

连接四条38cm的线。

15 38 cm

1

2

39

连接四条20cm的线。

17

16 20 cm

1

2

3

4

移

动

实 验 19 18

工程设计挑战：桥梁 大显身手 只能使用该实验包中的材料，请设计和建造一座能跨越 三英尺的桥梁。桥梁应尽量少使用材料，你应该可以从 中心安全地吊起两磅的重物，而且桥梁不会倒塌。你可以 改变距离和重量，使来调整这个挑战的难易度。

完成! 要缆线， 悬索吊桥有一根在其塔之间运行的主 并具有连接到其铺板上的垂直缆线。 长距离。 悬索吊桥比斜张桥能更穩定地跨越更

40

斜拉桥 实验包内的零件

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

斜拉桥 13

14

连接四条38cm的线

38 cm 12 cm

提示： 找到可以将铺板固定在此位置的物体。 这将使它更容易连接到缆线。

12 cm

在塔之间滑动铺板。 1

連接四條38cm的線

2

3

38 cm

铺板应该在模型上方大约12cm处。

16

15

连接四条38cm的线

38 cm

移

動

实 验 20

斜拉桥

17

大显身手 尝试增加桥梁的负载，在桥梁上增 加重量，如零件方块。 桥梁从哪里开始倒塌？

斜 拉桥 有一个或 多个

是塔楼倒塌还是缆线松动？

塔，塔上有从塔到铺板

根据失败的方式，你能推断出有哪 些作用力在桥梁的不同结构元素 上作用？

43

完成!

的缆线。缆线支撑桥的 铺板。

桥梁的类型 桥梁 压缩力

张力

梁桥是最简单的桥梁。它不能跨越 长距离，因为它不会通过其结构支 撑来传递力矩。

桁架桥

压缩力

张力

桁架桥由以三角形单元连接的支 柱制成，以提供对铺板的强度和 支撑。桁架可以在铺板的上方或 下方。

拱桥 压缩力

拱桥可追溯到古代，当时由石块构 成。现今的现代拱桥则由混凝土 和金属制成。铺板可以在拱桥的 上方、下方，甚至是拱桥的中间。

悬臂桥 压缩力

张力

悬臂桥使用悬臂，它们是向外伸出 空间的水平结构，仅在一端有支撑。 这类的桥梁通常使用桁架来支撑 悬臂。

悬索吊桥

压缩力

张力

悬索吊桥的铺板挂在缆线上。缆线 从塔架悬挂，并下锚固定在地面或 块状体中。

斜拉桥 压缩力

张力

像吊桥一样，斜张桥由缆线支撑。 缆线直接连接到中央塔

44

摩天大楼设计

雪负载

施加在建筑物上的负载量

横向载荷

重力负载

建筑和摩天大楼必须承受许多不同类型的负载，例： 往下拉或往上。 负载可分为两类：静负载和活负载。 静负载包括建筑本身和所有永久安装在建筑物内物 品的重量。重力将这些负载往下拉。

风负载

承员负载

活负载包括人的重量、家具和建筑物内的其他物体。 雪负载和雨负载---屋顶上雪或水的重量---也是 活负载。

地震负载

静负载 一些活负载在建筑物上横向作用，而不是向下拉。 风力负载是由建筑物侧面的风推动而引起的。 建筑物地基周围的地下水和土地会侧向推动。 即使在设计强大穩定的建筑物时，也要考慮到偶尔地震时产生的负载。

楼层可能性 的大概数量

160 150 140 130 120

类型2：具有 剪应力桁架 的框架

110 100 90 80 70 60 50

类型1：刚性 框架

这是最古老的摩天 大楼结构系统。 这种钢框架结构可 以上升到大约 30层楼的高度。

通过在框架中添加 桁架，摩天大楼可 以加强到高达约 60层楼。

到西元2000年初期，使用超级框架可以建造超过160层楼 的摩天大楼。这些超级框架在每隔10或20层时以水平多层 桁架的角落支撑框架连接在一起。

类型4：外框筒体、捆 绑筒体、支撑筒体

160

现今的摩天大楼使用许多不同 配置的筒体系统，以实现更高的 高度，包括将许多筒体捆绑成一 筒体系统在20世纪中 个筒体并添加对角线支撑。 叶开始使用时，这是摩 天 大 楼 技术的真正创 新。筒体系统通过像从 地面伸出的巨型悬臂来 抵抗横向负载。 它在建筑物外部使用紧 密间隔的支柱。

150

类型3：终端通 道框架筒体

140 130 120 110 100 90 80 70 60 50

超级框架

0

外部对角 支撑筒体

0

捆绑筒体

10

外框筒体

10

终端通道和中 间框架筒体

20

具有内部剪应 力桁架的终端 通道框架筒体

20

具有剪应力 桁架和支腿 桁架的框架

30

具有剪应力 桁架的框架

30

刚性框架

40

半刚性框架

40

平面图 （俯视）

45

类型5：超级框架

摩天大楼结构 系统 下方图表显示了摩天大楼 中常用的五种结构系统， 以及每种类型可实现的最 大楼层数。

水和土地压力

重要讯息 安全资讯 警告！ 不适用于三岁以下孩童

亲爱的爸爸妈妈、指导员：

窒息危险-小零件被吞咽或吸入可能窒息。 勒颈危险-长绳若绕颈可能勒颈。 请将实验零件与组装模型放在孩童拿不到之处。 因内含重要资讯，请妥善保存包装与说明手册。

在实验开始之前，请与您的小孩一同阅读说明手册， 并讨论安全资讯。确保能组装出正确的模型。在实验 中协助您的小孩，尤其是阅读组装示范及组装零件 时，因为需要小孩可能尚未拥有的手部灵巧度或力 量。 我们希望您及您的小孩在实验时获得很大的乐趣。

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