Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί οι γέφυρες έχουν τόσα διαφορετικά σχήματα; Από τις αρχαίες ρωμαϊκές καμάρες μέχρι τις σύγχρονες κρεμαστές γέφυρες, κάθε σχεδιασμός βασίζεται σε ακριβείς μηχανικές αρχές.Ανακαλύπτουμε τον συναρπαστικό κόσμο των γεφυρών αψίδας, πώς να φτιάξεις ένα εκπληκτικά δυνατό χρησιμοποιώντας μόνο μακαρόνια.

Η Έμπνευση: Από τις Γέφυρες του Τόκιο στα Πειραματικά της Κουζίνας

Αυτή η έρευνα ξεκίνησε με ένα τηλεοπτικό πείραμα δοκιμής μοντέλων γέφυρας σπαγγέτι.και της γέφυρας Χιτζίρι, κάθε μία με καμάρες που τοποθετούνται πάνω ή κάτω από το δρόμο, προκάλεσαν μια βαθύτερη περιέργεια για τη δομική μηχανική..

Στόχοι Έρευνας: Κυνηγός για την ισχυρότερη αψίδα

Η αποστολή μας ήταν διπλή:

1. Η καμπυλότητα έχει σημασία.Ποιο σχήμα καμάρας έχει το μεγαλύτερο βάρος;
2. Η θέση είναι το κλειδί:Είναι δομικά ανώτερες οι γέφυρες "από το κατάστρωμα" (αρχίδες πάνω από τον δρόμο) ή οι γέφυρες "μέσω της αψίδας" (αρχίδες κάτω);

Μεθοδολογία: Το Spaghetti Stress Test

Χρησιμοποιώντας τυποποιημένα μοντέλα σπαγγέτι (2,1 χιλιοστά διάμετρο, 24,8 εκατοστά μήκος), κατασκευάσαμε οκτώ τύπους γέφυρας:

• Θέσεις αψίδας:Η αψίδα του καταστρώματος έναντι της αψίδας
• Στροφές:90° (1/4 κύκλος), 120° (1/3 κύκλος), 150° (5/12 κύκλος) και 180° (1/2 κύκλος) τόξα

Κάθε γέφυρα είχε τρεις κύριες δομές και εννέα διασταυρούμενες δομές.

Εκπληκτικά αποτελέσματα: Το 150° Sweet Spot

Μετά από αρχικές δοκιμές που αποκάλυψαν ελαττώματα σε 180° και 120° καμάρες στο κατάστρωμα, βελτιωμένες δοκιμές έδειξαν:

Συγκεκριμένα,Οι καμάρες 150° υπερέβησαν όλες τις άλλεςΜέσα από καμάρες διατηρούνται σταθερά μεγαλύτερη δύναμη, πιθανότατα λόγω της ανώτερης κατανομής της δύναμης.

Γιατί 150 μοίρες;

Περαιτέρω ανάλυση έδειξε ότι οι καμάρες 150° δημιουργούν γωνίες ~60° στις βάσεις τους, την ίδια γωνία που παρατηρείται σε υπερσταθερές γέφυρες.

Μηχανικές Πληροφορίες

Οι καμάρες διαμέσου ξεχωρίζουν με τη μετατροπή των κατακόρυφων φορτίων σε συμπιεστικές δυνάμεις κατά μήκος της καμάρας, ενώ οι καμάρες καταστρώματος υποφέρουν από κεντρικά κατάγματα που προκαλούνται από ένταση.Η αρχή των 60°, που εκφράζεται σε καμάρες 150°, αποδεικνύεται καθολικά ισχυρή με τη δημιουργία σταθερών τριγωνικών κατανομών δυνάμεων..

Μελλοντικές κατευθύνσεις

Αυτό το πείραμα υπογραμμίζει πώς οι λεπτές γεωμετρικές επιλογές επηρεάζουν τη δομική ακεραιότητα.Μελλοντικές έρευνες θα μπορούσαν να διερευνήσουν πώς αυτές οι αρχές μπορούν να επεκταθούν σε γεφυρές ενισχυμένες με χάλυβα ή σε υβριδικά σχέδια που συνδυάζουν πολλαπλούς τύπους καμάρων.