Hvilke brodesign er de sterkeste for vitenskapsprosjekter?

Broer, spesielt de som er designet og bygget av mennesker, har vært en kilde til uendelig undring og fascinasjon helt siden folk først fant måter å konstruere dem på. Kanskje du og vennene dine spilte av små bekker som unger og prøvde instinktivt å bygge små midlertidige broer ut av tilgjengelige pinner og tømmerstokker. I så fall kan du kanskje forestille deg den grunnleggende måten forfedrene dine for lenge siden nærmet seg den samme oppgaven, men ut av behov snarere enn rekreasjon og i større skala.

I den moderne verden er selvfølgelig enorme broer som bærer mer enn et dusin kjørefelt og med flere veidekk norm i større byer som inkluderer betydelige elver eller kobler seg over små striper med hav- eller innsjøvann for å koble seg til en annen landmasse. Disse elegante behemothene kommer i en rekke typer, med utformingen av hver valgt for å passe til det spesifikke landoppsettet og transportbehovet til den aktuelle bosetningen.

Broer er en tidstestet og tidsrettet type skolevitenskapelig messe eller vitenskapsklasseprosjekt. Hvis du vil imponere mentorer og jevnaldrende, bør du velge et design som er spesielt sterkt. Noen slags broer og deres underklasser egner seg lettere til denne oppgaven enn andre.

Det er fem hovedtyper av broer, som hovedsakelig varierer i grunnleggende form og derfor med tanke på hvordan stresset de opplever - fra både deres egen store vekt og trafikken - er distribuert. Sjansene er gode hvis du bor i en storby at du har benyttet deg av noen eller kanskje alle disse brotypene, sannsynligvis uten å kunne nevne mer enn en av dem.

Bjelkebro: Dette er den enkleste broen, som bare krever en rett span, som bærer all spenningen ("trekker" spenningen) til brobelastningen, og brygger, som bærer kompresjonskreftene. Disse er billige og enklere å bygge enn andre broer, men de er dårlig egnet for store vannveier fordi deres individuelle spenn mellom bryggene ikke kan være veldig lange. Selv om de er billige, anses de også estetisk sjarmfrie i de fleste innstillinger.

Arch Bridge: Denne typen bro dateres tilbake til antikkens romertid. Det er favorisert for sin skjønnhet, men i mange tilfeller tillater ikke landet å bygge bro den brede kontaktbasen til denne broen. Disse kan nå imponerende størrelser. En buebro over New River i West Virginia bygget i 1978 har et enkelt sterkt spenn over 3000 fot.

Truss Bridge: Det er faktisk minst fire forskjellige individuelle fagverksbrodesign, med antallet avhengig av kilden du har spurt. Disse, som bjelkebroer, er billige og enklere å bygge enn de fleste typer broer, men de er det lite attraktivt å se på og dårlig egnet for vannveier av samme grunn som bjelkebroer er - kort vei mellom bryggene.

Hengebro: Hvis du var i stand til å nevne en enkelt brotype før du gikk inn i denne artikkelen, er det mest sannsynlig hengebro, æret av verden for sin storhet og av ingeniører for sin matematiske og fysiske dyktighet. De Brooklyn Bridge og andre hengebroer har kabler som går langs dekk og forankret for å lande i hver ende for å kompensere for spenning; to (vanligvis) gigantiske brygger kalt tårn absorberer kompresjonen, og dekket er hengt opp av et sett med vertikale kabler fra det andre settet.

Kabelfritt bro: The Zakim Bridge i Boston er et forlokkende eksempel på denne broen. Som en hengebru bruker den kabler, og individuelle spenn kan være enormt lange, i overkant av 1,6 km. Kablene går imidlertid fra toppen av tårnene til veidekket i stedet for til hver ende av broen.

Du kan bruke forskjellige materialer for forskjellige stiler av nedskalerte broer. Forslag er gitt nedenfor for bruk av vanlige spillkort, men improviser gjerne så lenge broen din oppfyller definisjonen for sitt slag.

For alle brotyper kan du bruke toalettpapir eller papirhåndklæruller eller noe annet som er billig og lett å anskaffe. Du vil også ha en god tilførsel av teip, saks, stiftemaskin, snor, linjal og kanskje hull.

Beam Bridge Model: Brett kortene dine i rett vinkel for å lage bryggene og teip endene av andre kort forsiktig sammen for å lage bjelken (kortstokken). Legg merke til hvordan plassering av kryssene på forskjellige punkter i forhold til bryggene nedenfor påvirker hva som skjer når du "tester" brostyrken ved å trykke den forsiktig ned med en finger. Hvor skal kryssene være, og hva skjer når du bruker for få av dem?

Arch Bridge Model: Denne tar litt tålmodighet og mye tape, men referer til et bilde av en eksisterende buebro for veiledning. Du kan lage individuelle "murstein" ved å brette individuelle kort i små bokser og tape dem lukket. Forsikre deg om at du tar med avstøpninger for å motvirke de betydelige sidestyrte kreftene i broens ender.

Truss Bridge-modell: Nedenfor vil du lære om de forskjellige typene av fagverksbroer, men det viktige aspektet er stabiliteten til trekanten som en geometrisk konstruksjon. Vær oppmerksom på at hvis du bygger et "box truss" med firkantede "span" i stedet for sammenkoblede trekanter, er strukturen mindre stabil.

Suspension Bridge Model: Dette er vanskelig å trekke alene med mindre du har mye tid og tålmodighet. Det er lettest å bygge tårnene og dekk først og deretter leke med justeringer av kabellengden og spenningen for å se hva som "føles" sterkest. Tenk deg å være prosjektleder for den aller første hengebru!

Kabelfestet bromodell: Igjen, dette er ganske forseggjort modellvalg, men gir en god sjanse til å leke med den ideelle lengden på kablene som faller ned fra tårnetoppene. Hva tror du ville skje hvis en bro av denne typen ble laget med asymmetriske kabelstørrelser mellom de to tårnene?

Det er en rekke forskjellige stiler av fagverksbroer i bruk. Du kan lage fagverksbroer lettere ved hjelp av ispinner enn med spillkort; bare ha trelim tilgjengelig.

Sett fra siden ser et fagverk ut som et trapesform - et rektangel med symmetrisk skrånende ender i stedet for parallelle. Delene av denne firesidige rammen er toppen og bunnen akkorder og endene kalles innlegg. De indre delene av fagverket kalles medlemmer.

• Warren: Denne modellen bruker medlemmer som danner ensidige trekanter, men det er ingen vertikale medlemmer.
• Pratt: Denne varianten har en serie med tynne rektangler som inneholder innoverlent medlemmer for å danne trekantpar i de enkelte enhetene.
• Howe: Dette ligner veldig på Pratt, men i midten møtes de "skjeve" medlemmene på toppakkordet i stedet for nederst på akkorden. Det er bedre enn Pratt når det gjelder håndtering av kompresjon, alt annet er det samme, men dyrere.
• K bindingsverk: Som navnet antyder, inkluderer dette komplekse fagverksenheten enheter i form av bokstaven K og speilbildet.

Hvilken fagverksbro er sterkest? Det avhenger av materialer og andre faktorer ved siden av grunnleggende design, på samme måte som noen syklister kan reise raskere enn en dårlig sjåfør i en bil med bil. Men uansett har det gått mye sterkt arbeid med alle disse broene og designene deres over tid.