核心概念
工程學
建築學
物理學
地震
引言
你有沒有想過高聳的摩天大樓是如何在重力作用下如此穩固地屹立的？那麼，對於地震等更劇烈的力量呢？一個經過良好規劃和測試的設計，與正確的材料相結合，可以使建築物在各種搖晃和震動中保持完好無損。
曾經是世界最高建築的馬來西亞首都吉隆坡的雙子塔，高度達到驚人的 452 米。由於馬來西亞地處地震活動頻繁的地區，該塔的設計必須能夠承受地震期間產生的橫向搖晃力。作為一名業餘建築師和工程師，你是否可以設計一種結構，能夠承受類似於地震的橫向運動？
背景
建築師和工程師必須設計建築物以承受來自各種來源的各種力，有些力比其他力更強：重力、內部人員、建築材料的重量、天氣和環境影響。如果設計穩定，這些力不會削弱結構或導致其坍塌。
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橫向搖晃是在地震期間可能對建築物造成最大破壞的力。顧名思義，這種力通常發生在平行於地面的方向上。設計具有橫向抵抗能力的建築物不僅有助於防止地震破壞，而且還可以抵抗其他橫向力，如風力。工程師可以透過將建築物的模型放置在“振動臺”上，來測試建築物抵抗橫向力的能力，該振動臺可以水平移動以複製地震產生的應力。
材料
• 樂高積木
• 大型平樂高底板
• 公制尺
• 三孔活頁夾（舊的，可以拆卸的）
• 剪刀
• 四個小橡膠球（每個大小相同，直徑約為 2.5 釐米）
• 兩條橡皮筋（每條拉平時摺疊後長度約為 8 釐米或更長）
準備工作
• 用剪刀小心地將三孔活頁夾的前後封面剪掉。（這對成人來說可能是一項不錯的任務。）
• 將兩個活頁夾封面疊放在一起，並在每個末端用橡皮筋將其“綁在一起”，距離板的邊緣約 2.5 釐米。
• 在每個角落的板之間插入橡膠球，放置在距離邊緣約 5 釐米的位置。
• 透過將板滑到橡皮筋下方，將一個大型平樂高板連線到頂部。 您的“振動臺”現在可以搖晃一些塔樓了！
步驟
• 透過將振動臺的頂層水平拉出對齊，然後再鬆開，練習建立橫向搖晃運動。
• 輕輕嘗試將頂層拉出儘可能大的不對齊程度（在不損壞振動臺的情況下），然後測量位移距離，這是頂層和底層之間的水平距離。
• 在附近的表面上建造四個或更多高度遞增的樂高塔。 對於每個塔，使用相同的底座尺寸和形狀，以便塔的底面積相同，並且只有它們的高度不同。不同塔的高度是多少？
• 一次一個，從最短的塔開始，逐步到較高的塔，將每個樂高塔固定在振動臺頂面中心。 要測試每個結構，請使用您先前測量的相同位移距離建立橫向搖晃運動。所有塔都倒了嗎？沒有倒塌的？ 如果有些倒塌而另一些沒有倒塌，這些塔之間的高度差異是什麼？一般來說，較高的塔比矮的塔更容易倒塌嗎？
• 提示： 如果沒有塔倒塌，請嘗試使用更高的塔和/或更小的底座尺寸來測試此活動。 如果所有塔都倒塌了，請嘗試使用較短的塔、佔用更多空間的較大底座和/或較小的振動臺位移距離來測試此活動。
• 額外： 在此活動中，您保持每個塔的底面積相同，而僅更改了高度。嘗試測試具有不同尺寸底座的樂高塔。 您是否認為透過更改底面積可以使更高的建築物更穩定？ 您還可以計算底座的面積（透過將其長度乘以釐米為單位的寬度），然後將其除以每個塔的高度以獲得底座與高度的比率。 塔的底座與高度的比率與它們在振動臺上的表現相比如何？
• 額外： 嘗試使用不同的材料來建造塔，這使您可以測試不同的結構設計。 好的材料是吸管、冰棒棍或牙籤和棉花糖。 嘗試將正方形設計與三角形或六邊形設計進行比較。 嘗試在您的設計中新增額外的結構元素。你能設計一個更穩定的塔嗎？ 在失去穩定性之前，您能建造多高？ 觀察和結果
一般來說，較高的塔倒塌了，而較短的塔則保持站立？ 如果您改變了塔的底面積，底面積較大的塔是否通常比底面積較小的塔更穩定？
高或瘦的結構通常不太穩定，這使得它們在受到橫向力時更容易倒塌，而較短或較寬（在底部）的結構通常更穩定。 建築師和工程師利用各種創新技術以及這些基本原則來建造令人驚歎的摩天大樓。隨著技術的發展，建築物的高度不斷攀升，使工程師能夠安全地建造更高的建築物。
在 1800 年代後期允許建造摩天大樓的一項重大技術突破是開發了一種比以前使用的材料更輕、更堅固的材料：鋼。在此之前，建築物大多由磚和石頭製成。建築師和工程師設計了具有鋼框架的摩天大樓，以支撐建築物的重量，這意味著牆壁不再需要承重（如以前那樣）。這一發展以及其他創新理念和材料使摩天大樓的建造成為可能——並且隨著我們技術的不斷進步，我們將能夠越來越接近天空。
更多探索 來自 PBS 的“建築巨人：關於摩天大樓的一切”
來自太平洋地震工程研究中心 (PEER) 的“用樂高學習：學校-大學合作伙伴關係 (SUP) 進行地震工程教育”
“橫向力簡介”（pdf），來自馬里蘭大學帕克分校技術 III 講師 Deborah J. Oakley 教授
來自科學夥伴的“建造最高的塔”
此活動由科學夥伴合作推出