Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego mosty mają tak wiele różnych kształtów? Od starożytnych rzymskich łuków po nowoczesne mosty wiszące, każdy projekt opiera się na precyzyjnych zasadach inżynierskich. Dziś zbadamy fascynujący świat mostów łukowych – a konkretnie, jak zbudować zaskakująco mocny most, używając tylko spaghetti.

Inspiracja: Od mostów w Tokio po eksperymenty w kuchni

To badanie rozpoczęło się od eksperymentu telewizyjnego testującego modele mostów ze spaghetti. Później, podczas podróży do Tokio, eleganckie projekty mostów takich jak most Kachidoki, most Nihonbashi i most Hijiri – każdy z łukami umieszczonymi nad lub pod jezdnią – wzbudziły głębszą ciekawość dotyczącą mechaniki konstrukcji.

Cele badawcze: Poszukiwanie najmocniejszego łuku

Nasza misja była dwojaka:

1. Krzywizna ma znaczenie: Jaki kształt łuku wytrzymuje największy ciężar?
2. Pozycja jest kluczowa: Czy mosty „łukowe pokładowe” (łuki nad drogą) czy mosty „łukowe przelotowe” (łuki pod) są konstrukcyjnie lepsze?

Metodologia: Test obciążeniowy spaghetti

Używając standaryzowanych modeli spaghetti (średnica 2,1 mm, długość 24,8 cm), zbudowaliśmy osiem typów mostów:

• Pozycje łuków: Łuk pokładowy vs. łuk przelotowy
• Krzywizny: 90° (1/4 koła), 120° (1/3 koła), 150° (5/12 koła) i 180° (1/2 koła) łuki

Każdy most miał trzy główne belki i dziewięć belek poprzecznych. Obciążenie przykładano centralnie za pomocą butelek napełnionych wodą aż do uszkodzenia konstrukcji.

Zaskakujące wyniki: Idealny punkt 150°

Po wstępnych próbach, które ujawniły wady w łukach pokładowych 180° i 120°, udoskonalone testy wykazały:

W szczególności, łuki 150° przewyższyły wszystkie inne w obu konfiguracjach. Łuki przelotowe konsekwentnie wykazywały większą wytrzymałość, prawdopodobnie ze względu na lepszy rozkład sił.

Dlaczego 150°? Połączenie pod kątem 60°

Dalsza analiza wykazała, że łuki 150° tworzą kąty ~60° u podstawy – ten sam kąt, który można znaleźć w ultratrwałych mostach kratownicowych. Dodatkowe testy z kartonowymi tubami potwierdziły:

Wnioski inżynierskie

Łuki przelotowe wyróżniają się poprzez przekształcanie obciążeń pionowych w siły ściskające wzdłuż łuku, podczas gdy łuki pokładowe cierpią z powodu pęknięć centralnych wywołanych naprężeniem. Zasada 60° – przejawiająca się w łukach 150° – okazuje się uniwersalnie solidna, tworząc stabilne trójkątne rozkłady sił.

Kierunki przyszłych badań

To doświadczenie podkreśla, jak subtelne wybory geometryczne wpływają na integralność konstrukcji. Przyszłe badania mogłyby zbadać, jak te zasady skalują się do mostów wzmocnionych stalą lub projektów hybrydowych łączących wiele typów łuków.