Išbandyk tai – inžinerinis iššūkis „Tiltas”

Ar gali sukurti tiltą iš zefyrų ir pagaliukų, kuris išlaikytų svorį?

Šiandien kviečiame tave į iššūkį, kuris reikalauja išradingumo, kruopštumo ir inžinerinio mąstymo. Naudodamas tik ribotą kiekį dantų krapštukų ir zefyrų, suprojektuok tokį tiltą, kuris atlaikytų bent 10 monetų svorį mažame puodelyje. Ar tavo tiltas bus tvirtas kaip arkinis tiltas? O galbūt sijinis? O gal atrasi visai naują tiltų konstravimo būdą? Eksperimentuok, bandyk, tobulink – ir atrask, kiek daug gali pasakyti apie fizikos dėsnius net paprasčiausias saldus statinys.

Ar kada nors susimąstei, kodėl vieni tiltai atrodo lyg kabėtų ore, o kiti – tvirti kaip akmuo?

Pasaulyje yra daugybė skirtingų tiltų rūšių – galbūt jau esi ėjęs per vieną jų. Kiekvienas tiltas sukurtas atsižvelgiant į konkrečius poreikius: vietą, atstumą, medžiagas ir net stichines grėsmes. Pažinkime  žymiausias tiltų rūšis, kurios padės tau sukurti savo paties modelį iš zefyrų ir dantų krapštukų.

Kabamasis tiltas. Kabamasis tiltas atpažįstamas iš ilgų lynų ir vertikalių pakabų, kurios laiko važiuojamąją dalį. Tokie tiltai yra tikri atstumų čempionai, jie gali nusidriekti per plačias įlankas ar gilias prarajas. Jie yra labai lankstūs – jie šiek tiek svyruoja vėjyje ar žemės drebėjimų metu, bet lieka tvirti.

Privalumai:
– Tinka dideliems atstumams 
– Lankstūs, atsparūs vėjui ir judesiui

Trūkumai:
– Reikalauja itin tvirtų atramų
– Kabamųjų konstrukcijų trūkumas – mažas stabilumas, didelės deformacijos ir labai didelės horizontalios skėtimo jėgos.

Pavyzdys – Auksinių vartų tiltas (Golden Gate), San Fransiskas. Tiltą pastatė ir suprojektavo inžinierius Džozefas Bermanas Štrausas. Štrausą sužavėjo iššūkis – reikėjo rasti lėšų ir techninių priemonių, reikalingų pastatyti gigantą – pagal to meto inžinerijos galimybes tai atrodė sunkiai įmanoma. Be to, šis sumanymas buvo labai rizikingas ekonomiškai. Štrauso patirtis ir projektuotojo įgūdžiai leido per porą metų parengti preliminarų planą ir rasti argumentų, įrodančių, jog projektas apsimokės, be to, visa tai padaryti ribotomis lėšomis.  Pagrindinė, tarp dviejų atramų esanti tilto dalis, tęsiasi beveik 1,3 kilometrus, o visas tilto ilgis siekia 2797 metrus. Tilto atramos – tai du milžiniški bokštai, iškilę iš vandens 227 metrus. Jie laiko du milžiniškus laidus, prie kurių ir yra pritvirtintas kabantis tiltas. Ilgą laiką po pastatymo – tai buvo ilgiausias kabantis tiltas pasaulyje. Skaičiuojama, jog per dieną šiuo tiltu pravažiuoja apie 100 000 automobilių. Virš vandens Auksinių vartų tiltas iškilęs 67 m, tad į įlanką gali netrukdomai įplaukti laivai. Milžiniško tilto statybos, trukusios apie ketverius metus, nebuvo lengvos. Jų metu nuskendo statyboms gelbstintis laivas, darbams ne sykį trukdė potvyniai, siaučiantis vėjas bei aklinas rūkas, krito konstrukcijos.

Arkinis tiltas. Arkiniai tiltai yra seniausi vis dar naudojami tiltai pasaulyje. Dėl savo veiksmingumo arkos dažnai naudojamos ir šiuolaikiniuose tiltuose. Seniausias pasaulyje Arkadiko arkinis tiltas pastatytas Graikijoje apie 1300 m. pr. m. e. Jų paslaptis – apkrovos paskirstymas. Dalis svorio nukreipiama į šonus ir perduodama atramoms – vietoms, kur tiltas remiasi į žemę. Pagrindiniu arkinių konstrukcijų trūkumu galima laikyti jos formos nesuderinamumą su funkcine tilto paskirtimi. Todėl arkiniuose tiltuose projektuojamos papildomos horizontaliosios konstrukcijos, ant kurių įrengiamas paklotas. Dažniausiai naudotos ir naudojamos medžiagos arkiniams tiltams yra mūras, betonas, kalta geležis, ketus, mediena, statybinis plienas.

Privalumai:
– Itin tvirti – laikui bėgant netgi gali tapti stipresni
– Gali išlaikyti didelius svorius
– Gali būti statomi iš įvairių medžiagų

Trūkumai:
– Viena arka dengia ribotą atstumą
– Ilgesniems tiltams reikia daug arkų – tai reikalauja daugiau laiko ir pinigų

Pavyzdys – Ričmondo tiltas (Richmond Bridge), Tasmanija. Ričmondo tiltas, pastatytas 1777 m. iš Portlando akmens, garsėja penkiomis elegantiškomis arkomis. Tiltą suprojektavo James Paine ir Kenton Couse – prieš jam atsirandant, vietos gyventojai keldavosi per Temzę keltu, kuris per potvynius būdavo nunešamas srovės. Vos pastatytas, tiltas buvo vadinamas vienu gražiausių kraštovaizdžio akcentų visoje upės apylinkėje.

Santvarinis tiltas. Ką bendro turi tiltas, bokštas ir statybinis kranas? Atsakymas – santvara.

Santvara – tai sujungtų tiesių dalių konstrukcija, kuri veikia kaip vienas tvirtas vienetas. Ji leidžia sukurti labai stiprią struktūrą, nepridedant daug svorio ar papildomų medžiagų. Santvaros dažnai gaminamos iš metalo, bet jas galima sukonstruoti ir iš medžio – net šios dienos inžineriniam iššūkiui gali tikti santvaros principas!

Kodėl verta naudoti santvarą?

– Santvara leidžia sukurti nepaprastai tvirtą konstrukciją su minimaliomis medžiagų sąnaudomis.
– Ji gali būti pagaminta vienoje vietoje, o vėliau pervežta ir surinkta kitur.
– Perpratęs santvarų principą, pradėsi jas pastebėti visur – tiltų konstrukcijose, dangoraižių rėmuose, bokštuose, net kranuose.

Pavyzdys 1 – Kroatijos geležinkelio tiltas. Tai – metalinis santvarinis tiltas, sukurtas pagal Baltimorės tilto variantą, kuris ypač dažnas geležinkelio transporto inžinerijoje. Toks dizainas užtikrina tvirtumą net esant didelėms apkrovoms.

Pavyzdys 2 – Forth tiltas Škotijoje. Tai vienas iš įspūdingiausių pasaulio inžinerijos stebuklų ir tikras XIX a. technikos triumfas. Jo trys dvigubos konsolės su dviem 520 metrų ilgio pakabintomis tarpinėmis atkarpomis kadaise buvo ilgiausios pasaulyje. O kad per jas galėtų važiuoti traukiniai, tilto važiuojamoji dalis iškelta net 46 metrus virš aukščiausio potvynio lygio. Tiltas buvo pirmasis didysis statinys Didžiojoje Britanijoje, pastatytas iš plieno – jame sunaudota net 53 000 tonų šio metalo. Kad konstrukcija atlaikytų vėjo gūsius, temperatūros pokyčius ir nuolatinius krūvius, jo konstrukcija buvo kruopščiai subalansuota. Vien kniedžių šioje milžiniškoje santvarinėje konstrukcijoje buvo 6,5 milijono, o jų bendras svoris – net 4200 tonų! Tiltą projektavo Benjamin Baker ir John Fowler, o statybas organizavo inovatyvus inžinierius William Arrol. Darbas vyko nuo 1883 iki 1889 metų, įdarbinant net 4600 žmonių. Forth tiltas įrodo, kaip svarbu yra kruopštus planavimas, tiksli apkrovų analizė ir kūrybiškas statybos metodų taikymas. Net jei tavo tiltas bus miniatiūrinis ir pastatytas iš zefyrų – galvok kaip Bakeris: kaip paskirstysi svorį? Kaip užtikrinsi pusiausvyrą?

Pradėkime. Tavo inžinerinis iššūkis. 

Laikas tapti inžinieriumi! Prieš imdamasis statybos, turi atsakyti sau į kelis svarbius klausimus – koks bus tavo tilto ilgis? Kiek svorio jis turės išlaikyti (mūsų atveju – monetų)? Kaip efektyviai panaudosi ribotą kiekį medžiagų (tai – tavo biudžetas)? Profesionalo patarimas –  kai dirbi su zefyrais ir dantų krapštukais, trikampiai – tavo geriausi draugai. Jie suteikia tiltui tvirtumo ir stabilumo.

Statybų startas!

• 1. Suplanuok konstrukciją. Apmąstyk savo tilto dizainą. Kaip išdėstysi trikampius? Kur reikės stipriausių jungčių? Nubrėžk eskizą.
• 2. Pasistatyk tiltą. Tu gali naudoti iki 100 vnt. dantų krapštukų ir iki 50 zefyrų. Tai tavo statybinis biudžetas – kaip tikras inžinierius, turi išspausti maksimumą iš minimumo.
• 3. Paruošk testavimo aikštelę. Padėk du vienodo aukščio dėžutes ar vadovėlius, kad tarp jų liktų 10 cm tarpas – tai tavo atstumas tarp atramų. Tiltas turi tilpti tarp jų ir nesiremti į stalą.
• 4. Atlik apkrovos bandymą. Ant tilto centro atsargiai pastatyk tuščią puodelį. Vieną po kito dėk po monetą, kol pasieksi 10. Jei tiltas atlaikys – sveikiname! O jei ne – tai puiki proga mokytis iš klaidų ir tobulinti dizainą.
• 5. Eksperimentuok! Ar tavo tiltas gali atlaikyti daugiau nei 10 monetų? Kiek jų telpa iki pirmo trakštelėjimo? O iki visiško griuvimo? Suskaičiuok ir užrašyk!

Kad tau būtų aiškiau pažiūrėk šį video (anglų kalba) – https://www.youtube.com/watch?v=Vs-y_p0isD0

Pabandyk ir tai!

Jei tau patiko šis iššūkis – kodėl gi nepažengus toliau? Inžinieriai visada ieško naujų būdų, kaip išbandyti savo kūrinius. Štai keletas papildomų iššūkių, kurie leis tau pritaikyti kūrybiškumą, sustiprinti konstrukcijas ir išmokti dar daugiau apie tikrąją inžineriją.

Žemės drebėjimo testas. Kaip galėtum imituoti žemės drebėjimą? Pabandyk pastatyti tiltą ant padėklo ir papurtyti jį. Arba sujudink stalą, ant kurio stovi tiltas.

– Ar tavo tiltas lieka sveikas?
– Kas atsitinka, kai padidini drebėjimo jėgą?
– Jei tiltas subyra – kaip galėtum pertvarkyti jo dizainą, kad jis taptų atsparesnis drebėjimams?

Bokšto iššūkis. Naudodamas tuos pačius kiekius medžiagų (arba net tuos pačius įrankius), sukurk bent 20 cm aukščio bokštą.

– Kiek monetų jis gali išlaikyti?
– Ar tavo bokštas išlieka stabilus žemės drebėjimo metu?
– Ar geriau laikosi bokštas, paremtas trikampiais, ar keturkampiais?

Medžiagų eksperimentas. Kas būtų, jei galėtum naudoti šiaudelius, pieštukus ar ledų pagaliukus vietoj dantų krapštukų?

– Kaip nuspręsti, kuri medžiaga geriausia konstrukcijos stiprumui?
– O kuri – atspariausia žemės drebėjimams?

Tolygus svorio pasiskirstymas. Ką darytum, jei svoris ant tilto pasiskirstytų tolygiai – pavyzdžiui, kai ant tilto važiuoja daug automobilių vienu metu?

– Padėk kelis mažus puodelius tolygiai ant tilto.
– Į kiekvieną puodelį dėk po vienodą kiekį monetų.
– Ar pasikeičia bendras tilto laikomas svoris?
– Kaip galėtum sustiprinti konstrukciją, kad ji atlaikytų šią apkrovą?

Neturi visų medžiagų? Ne bėda!

Šios veiklos tikslas – kurti kūrybiškai ir lavinti inžinerinį mąstymą. Jei neturi zefyrų ar dantų krapštukų, dairykis namuose – gal rasi kitų alternatyvų:

• Vietoj dantų krapštukų: naudok šiaudelius, pieštukus, ledų pagaliukus.

• Vietoj zefyrų – naudok plastiliną, lipnią juostą, klijus ar molį. (Tik nepamiršk – jei naudoji klijus ar molį, leisk konstrukcijai išdžiūti prieš testavimą!)

• Vietoj monetų –  gali naudoti kitus smulkius daiktus – kamštelius, saldainius, mygtukus.

• Vietoj dėžių tilto atramoms –  panaudok vadovėlius, batų ar dribsnių dėžes, nuotraukų dėžutes – svarbiausia, kad jos būtų vienodo aukščio ir stabilios.