Мост из макарон своими руками

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 18.09.2024

В западных вузах существуют необычные команды проектировщиков, которые воплощают свои воздушные конструкции в макаронах. Среди студентов-инженеров проводятся соревнования и конкурсы, которые заключаются в том, что масса конструкции не должна превышать 1 кг, при этом измеряется нагрузка, которую этот мост или ферма способна выдержать. Нагружают испытываемую конструкцию, подвешивая груз снизу или сдавливая ее специальным прессом. При этом усилие измеряется.

Макароны таят в себе рекордные запасы прочности. Талантливо собранный мост способен выдержать статическую нагрузку в 40-50 кг! Рассчитывают свои конструкции макаронные проектировщики, делают предварительные расчеты в проектировочных программах или нет - не известно. Соревнования по макаронному строительству проходят оживленно, собираются аудитории по 200-500 человек, которые дружно охают, когда под действием непосильной тяжести макаронные опоры моста разрушаются и вся талантливо собранная ферма превращается в кучку сухой лапши.

Спонсируют такие соревнования крупные производители макарон и спагетти из Венгрии, Италии и даже Австралии.

Ты когда-нибудь варил спагетти? Они часто не влезают в кастрюлю и их приходится ломать пополам. Как именно ломаются спагетти? И какое это имеет отношение к науке? Инженеры изучают, насколько материал прочный, когда он согнут, деформирован. Конечно, профессиональные инженеры и строители больше обеспокоены тем, как сгибаются и ломаются стальные прутья для возведения мостов, но кто мешает нам проверить, насколько прочным мог бы получиться мост из спагетти!

Что происходит, когда вы сгибаете пучок спагетти или любой другой материал?

Происходит следующее: некоторые части материала растягиваются, их как бы тянет в разные стороны. Другие же части находятся под давлением, сплющиваются. Некоторые материалы ломаются легче, некоторые сложнее. Ученые изучают, как это происходит. Это помогает им создавать прочные конструкции.

Мосты – отличный пример. Когда по мосту едут машины, они давят на него своей массой, в результате чего мост как бы немного выгибается. Материалы, используемые при строительстве мостов, подвергаются одновременно и растяжению, и сжатию. Ученые и архитекторы должны спроектировать мост таким образом, чтобы он выдерживал обе эти силы.

Материалы

Пачка спагетти
Два предмета одинаковой высоты (две коробки, две табуретки, два стула)
Ножницы (и помощь взрослого при их использовании)
Веревка
Скрепка
Пластиковый или бумажный стаканчик
Предметы, которые послужат грузом (например, монеты)
Резинки
Рекомендация: советуем надеть очки, чтобы не повредить глаза летящими осколками спагетти при проведении этого опасного эксперимента!

Подготовка

Установи два предмета равной высоты (коробки стулья и пр.); расстояние между ними – меньше, чем длина спагетти на несколько сантиметров.

Попроси взрослого помочь тебе вырезать дырочки в стакане, под верхним ободком друг напротив друга. За них мы подвесим наш стаканчик с грузом.

Опыт

Как ты думаешь, какой груз выдержит наша макаронная балка до того, как сломается?

Как ты думаешь, какой вес выдержит эта конструкция? Будет ли этот вес в 5 раз больше, чем в опыте с одной штукой? Или больше, чем в 5? Или меньше?

Проделай то же самое с 10 штуками. Внимательно смотри, какие макароны ломаются первыми и в каком месте происходит надлом.

Как ты думаешь, они ломаются от натяжения или сжатия (компрессии)?

Дополнительно

Влияет ли то, как ты связал спагетти на их прочность? Будет ли разница, если ты свяжешь их ниткой (просто, чтобы они не рассыпались) или же крепко затянешь резинкой?
Продолжи эксперимент с большим количеством спагетти. Возможно, тебе потребуется стаканчик размером побольше. Можно даже попробовать использовать ведро, а в качестве груза использовать воду. Но это обязательно стоит делать там, где не страшно пролить воду (в ванной/на улице).

Наблюдения и результаты

В результате этого опыта ты должен был обнаружить, что в пучке спагетти первыми начинают ломаться нижние макароны. Они как бы растягиваются в разные стороны. Сухие макароны очень хрупкие, они ломаются быстро вместо того, чтобы долго и медленно растягиваться (в отличие от других пластичных материалов, например, глины, которая может долго растягиваться, меняя форму). Поэтому, когда ломается первая из них, все остальные тоже вскоре начнут ломаться. Именно таких хрупких конструкций инженеры избегают при проектировании мостов и других построек. Конечно, это не единственный фактор, который приходится учитывать при строительстве мостов, чтобы они выдерживали ежедневный плотный поток машин.

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

Аллахвердов Б.М., Иголкин Г., Варварич А., Колесников Д., Грушко С., Попов Д.

Студенты ПГУПС (МТ-201, МТ-203)

Аналоговое моделирование (создание реальных моделей конструкций из реальных материалов) широко использовалось до 80–х годов прошлого века, когда оно было вытеснено компьютерным (численным, математическим) моделированием. Широко известна модель деревянного моста через Неву, построенная в масштабе 1:10 и испытанная И.П. Кулибиным в 1776 г.

Эта модель выдержала в течение 28 дней нагрузку в 3870 пудов (620 кН=62 тонны). Модель подтвердила расчеты автора проекта, мост был рекомендован к постройке, хотя он и не был построен по ряду других причин, не имеющих отношения к прочности. Аналоговое моделирование используется и в настоящее время, когда решаемые проблемы достаточно сложны для современных программных комплексов.

Так модель вантового моста через Неву в районе Обухово прошла испытания в аэродинамической трубе, построенной в Голландии, для определения усилий и перемещений при действии ветровой пульсирующей нагрузки. К серьезным недостаткам численного моделирования следует отнести описание жесткостных характеристик реального материала.

Попытка вовлечь студентов в создание реальных моделей мостов оформилась в конце прошлого века в международный конкурс (соревнование между коллективами студентов) — World Open Heavyweight Bridge Contest, открытый чемпионат мира по мостостроению — на создание модели мостов, способных при заданном пролете выдержать наибольшую нагрузку.

Для того чтобы унифицировать материал для изготовления конструкции (и привлечь спонсоров для проведения конкурса) было принято решение строить модели мостов из макаронных стержней, соединенных в узлах твердеющим пластилином. Установленный Ализом Тотиваном и Норбертом Пожони в 2009 году мировой рекорд — 443,58 кг на 982-граммовом мосту (фото 1) — обошел результат ближайших преследователей почти в 1,5 раза и кажется сегодня нерушимым.

Фото 1. Мост-рекордсмен, выполненный из макарон

Для построения модели мостовой конструкции необходимо пройти несколько стадий создания сооружения (в том числе и реального моста):

Исследование свойств материала модели.
Создание различных вариантов конструкций и оценка их по степени эффективности для выбора наиболее оптимального расположения элементов.
Создание компьютерных моделей выбранных вариантов для проведения статических расчетов.
Непосредственное возведение модели.

Нормы прочности для макарон установлены в зависимости от внешнего диаметра и определяются по величине усилия, ломающего макаронный стержень, как балку на двух опорах, загруженную сосредоточенной силой. Однако в данном случае требуются данные об осевой прочности на разрыв, которые ГОСТ не определяет. Поэтому были проведены отдельные исследования.

Испытания проведены на разрывной машине EZ-18 (фото 2) на растяжение вплоть до разрушения. В ходе эксперимента использовались особенности формы образцов и специфика исследуемого материала. Макароны хрупкие, разрушаются всегда вблизи зон закрепления, поэтому образцы перед испытанием оборачивались марлей, пропитанной клеем, для создания ровной поверхности и уменьшения влияния мест крепления. В торцевые части для создания жесткости опорного сечения вставлялась без натяга проволока, которая обеспечивала возможность закрепления образцов в захватах испытательной машины.Результаты испытания сведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты испытаний

Значения напряжений, соответствующие моменту разрушения, для хрупких материалов, практически являющиеся пределом прочности, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Значения напряжений

Однако выбор материала только по абсолютному значению показателя прочности σΒ не дает правильной оценки его возможностей. Для создания конструкции с минимальной массой большое значение имеет плотность (удельный вес) материалов γ. С учетом этого более правильно оценивать значение удельной прочности, определяемое отношением характеристики прочности σΒ к плотности (удельному весу) материала. Эта величина, измеряемая в метрах, соответствует предельной длине стержня, способного выдержать собственный вес.

В данном случае γ= 9.2 кН/м3 — плотность (удельный вес) сухих макарон и удельная прочность макаронных стержней (см. Таблица 2) колеблется около двух километров. Для сравнения удельная прочность стали соответствует 6 км, а магниевые сплавы МА2, МА8 соответствуют по этой характеристике макаронам. Как видно из таблицы 2 наибольшей прочностью по результатам испытаний обладают макароны марки Molisana. В то же время они обладают и наибольшей удельной прочностью. В дальнейшем именно этот материал был использован при построении аналоговой модели моста.

Рис.1. Первый вариант. Арочный мост

Рис.2. Вариант 2. Ферма с ездой поверху

Рис.3. Вариант 3. Ферма с ездой поверху

Рис.4. Вариант 4. Ферма с ездой понизу (оптимизированный 3 вариант)

Для наиболее нагруженных стержней результаты статического расчета вариантов сведены в таблице 3.

Таблица 4. Результаты статистического расчета

Рисунок 5. Вариант 5. Подвесной мост, рассчитанный на нагрузку от собственного веса.

Строительство моста

После выбора конструктивной схемы была создана модель моста пролетом 1м. Процесс возведения конструкции , несмотря на кажущуюся простоту, сложен и трудоемок, а следовательно без грамотно построенной системы строительства этот этап обречен на потери во времени и неточность возведения конструкций. Поэтому была разработана спецификация на элементы моста № 3.

Таблица 5. Спецификация

Вывод

Очевидно, что для лучшего усвоения, а, главное, понимания студен-тами основных принципов и сущности таких дисциплин как сопротивление материалов, строительная механика, материаловедение, необходимы наглядность и практика. Аналоговое моделирование в обучении не только увеличит общую успеваемость, но и повысит заинтересованность студентов благодаря работе в группе и необходимости использования творческого потенциала для решения поставленных задач.

Спроектированный и возведенный мост может служить пособием на лекциях. На начальном этапе обучения гораздо проще понять, как называются элементы мостового сооружения, как они работают, рассматривая объемную конструкцию, а не обычный плоский чертеж на доске. Авторы статьи убеждены, что для студентов крайне полезно участие в построении аналоговых моделей, когда можно изучать работу мостов, проектировать и напрямую следить за возведением и испытанием разработанных ими же конструкций.

Студенты Сибстрина воздвигают хитроумную башню, чье основание покоится на сложном многоугольнике из пучков макаронных изделий. До соревнований тренировались лишь единожды, поэтому и высоту знают заранее — четыре метра. За час ребята сумели выстроить один ярус высотой около 40 см.

Число макарон и пластилина не ограничено, а вот время строительство имеет жесткие рамки — шесть часов. Участники признаются: самая устойчивая конструкция — треугольная пирамида, похожая на Эйфелеву башню.

Количество укосов тоже важно – чем их больше, тем дольше простоит сооружение. Участники готовы замахнуться на четырехметровые макаронные башни. Если человеческого роста не хватает, в ход идут стремянки. Главная задача — достичь максимальной прочности конструкции, но участники стараются сделать башни еще и красивыми. Результаты станут известны через сутки. Победит тот, чья высокая башня продержится 24 часа.

Читайте также: