Задумывались ли вы когда-нибудь, почему мосты бывают самых разных форм? От древнеримских арок до современных висячих мостов, каждый дизайн основан на точных инженерных принципах. Сегодня мы исследуем увлекательный мир арочных мостов — в частности, как построить на удивление прочный мост, используя только спагетти.

Вдохновение: от мостов Токио до кухонных экспериментов

Это исследование началось с телевизионного эксперимента по тестированию моделей мостов из спагетти. Позже, во время поездки в Токио, элегантный дизайн мостов, таких как мост Катидоки, мост Нихонбаси и мост Хидзири — каждый из которых имеет арки, расположенные над или под проезжей частью — вызвал более глубокий интерес к структурной механике.

Цели исследования: поиск самого прочного свода

Наша миссия была двоякой:

1. Кривизна имеет значение:Какая форма арки выдерживает наибольший вес?
2. Положение имеет ключевое значение:Какие мосты — «мосты с палубой» (арки над дорогой) или «сквозные арки» (арки под дорогой) — структурно превосходят?

Методология: тест на прочность спагетти

Используя стандартизированные модели спагетти (диаметр 2,1 мм, длина 24,8 см), мы построили восемь типов мостов:

• Положения арок:Мост с палубой против сквозной арки
• Кривизны:90° (1/4 круга), 120° (1/3 круга), 150° (5/12 круга) и 180° (1/2 круга)

Каждый мост имел три основных балки и девять поперечных балок. Вес прикладывался центрально с помощью бутылок, наполненных водой, до разрушения конструкции.

Удивительные результаты: оптимальный угол 150°

После того, как первоначальные испытания выявили недостатки в арках с палубой 180° и 120°, уточненные испытания показали:

Примечательно, чтоарки 150° превзошли все остальныев обеих конфигурациях. Сквозные арки неизменно демонстрировали большую прочность, вероятно, из-за превосходного распределения сил.

Почему 150°? Соединение под углом 60°

Дальнейший анализ показал, что арки 150° создают углы ~60° в основании — тот же угол, который встречается в сверхстабильных ферменных мостах. Дополнительные испытания картонных трубок подтвердили:

Инженерные идеи

Сквозные арки превосходны, преобразуя вертикальные нагрузки в силы сжатия вдоль арки, в то время как арки с палубой страдают от центральных разломов, вызванных растяжением. Принцип 60° — проявляющийся в арках 150° — оказывается универсально надежным, формируя стабильное треугольное распределение сил.

Будущие направления

Этот эксперимент подчеркивает, как тонкий геометрический выбор влияет на структурную целостность. Будущие исследования могут изучить, как эти принципы масштабируются до мостов, армированных сталью, или гибридных конструкций, сочетающих несколько типов арок.