關鍵概念
物理學
工程學
地震
簡介
地震會對建築物造成嚴重破壞，並對人員造成危險。但世界上一些人口最稠密的城市位於地震多發地區。工程師如何確保這些城市數百萬人口的安全？在這項有趣的活動中，瞭解如何利用科學來拯救生命！
背景
地球的構造板塊在不斷移動。通常，這種移動非常緩慢，我們幾乎無法察覺。這種緩慢的移動可能最終會導致建築物隨著時間的推移而出現裂縫，但通常不會造成突然的、意外的損壞。然而，有時板塊會卡住一段時間，然後迅速“鬆開”——有點像你試圖開啟一扇卡住的窗戶，一開始它根本不動，然後突然移動得非常快。我們將這種地面突然移動稱為地震。這些事件會導致建築物搖晃甚至倒塌，對建築物內部或附近的人員構成嚴重危險。
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工程師們開發了各種方法來提高建築物的抗震能力。例如，一些建築物略微具有柔韌性，因此它們可以來回搖晃而不會斷裂。一些非常高的建築物頂部有一個稱為調諧質量阻尼器的重物，有助於消除地震的振動。其他建築物具有隔震軸承，也稱為基礎隔震系統。顧名思義，這些軸承有助於將建築物的基礎與地面隔離開來，使其在地震期間獨立移動——也就是說，當地面來回移動時，結構不會隨之移動。這個概念類似於汽車上的減震器。當您在道路上駛過一個大的減速帶或坑窪時，減震器有助於防止振動傳遞到車內的乘客。
工程師使用振動臺對模型建築物測試其抗震設計，振動臺是一種特殊的桌子，可以來回搖晃以模擬地震。在這個專案中，您將使用一個簡單的手動振動臺來演示隔震軸承如何幫助防止建築物在地震期間與地面一起來回搖晃。
材料
小紙板箱
一塊瓦楞紙板，比紙箱的底部大
剪刀
膠帶
幾個圓形標記或蠟筆
筆或鉛筆
一張紙
靠近牆壁的平桌子或桌子
尺子
準備
小心地從紙板上剪下兩到三個小正方形，然後將它們粘在一起。
將紙板正方形粘在桌子或桌子上方約一英尺的牆壁上。
將紙張的頂部邊緣粘在紙板正方形上，使紙張向下懸掛，並在紙張與牆壁之間留有間隙。讓紙張自由懸掛——不要將其其他邊緣粘在牆上。
使用筆和尺子在紙板箱的一個下邊緣的中間做一個粗體標記。
將筆粘在紙板箱的頂部，使其筆尖懸掛在邊緣上方。
步驟
將紙板箱放在您粘在牆上的紙張前面，使筆尖輕輕接觸紙張。
將尺子粘在盒子前面的桌子上。
練習左右搖晃盒子幾次。
筆應緊壓紙張，以便在您搖晃盒子時繪製一條水平線。如果它沒有繪製線，請嘗試調整盒子與牆壁的距離，或嘗試其他書寫工具（例如不同的筆，或鉛筆或記號筆），看看是否效果更好。
使用尺子和您在盒子上繪製的中心標記，嘗試以相同的距離（例如，在每個方向上 1 釐米）來回搖晃盒子。保持這個距離和搖晃盒子的速度不變對於您的測試非常重要。
現在，嘗試將盒子放在幾根圓形標記的頂部，放在一塊紙板的頂部。標記應垂直於牆壁。
來回搖晃紙板，距離和速度與您搖晃盒子本身的速度相同。您注意到盒子的運動有什麼變化嗎？筆在紙上做的標記會改變嗎？
額外提示：您剛剛演示了一個非常簡單的基礎隔震系統，但它仍有改進的空間。例如，您可能會注意到很難保持盒子居中，它往往會向一側漂移並從標記上掉下來。您能否設計一個系統來保持盒子居中並使其返回到其原始位置，或者防止其從紙板邊緣滑落？例如，嘗試使用連線到紙板底座和建築物側面的橡皮筋，或者用紙板底座上的棉球製作帶襯墊的止動器。
額外提示：背景部分提到了其他一些使建築物具有抗震能力的方法。嘗試建造一個抗震塔。（例如，使用樂高或 K'Nex 等建築玩具，或使用冰棒棍和膠水或木製烤肉串和泡沫塑膠球等手工材料。）您能否使塔具有柔韌性，以便在模擬地震期間彎曲但不會斷裂？您能否在塔上新增調諧質量阻尼器以減少其振動量？（線上搜尋影片，瞭解調諧質量阻尼器的工作原理。）
額外提示：即使使用尺子，也很難始終如一地手動搖晃您的建築物。您可以構建一個簡單的橡皮筋驅動的振動臺，讓您可以進行更可控、可重複的搖晃。請參閱“更多探索”部分了解更多資訊。
觀察和結果
您應該注意到，當您將紙板箱放在標記上時，它不會像以前那樣來回移動。這是因為圓形標記允許盒子和地面相對於彼此來回滑動。當您搖晃紙板時，它會在盒子下方來回移動，但這種運動不會完全傳遞到盒子。（一些運動仍然由於滾輪中的摩擦力而傳遞。）這模擬了一個基礎隔震系統，該系統允許建築物獨立於地面左右移動。
現實生活中的基礎隔震系統比這複雜得多。正如上面的“額外”步驟中提到的，您可能已經注意到很難讓您的建築物返回到其開始時的確切位置。它可能會傾向於向一側漂移並從標記上掉下來。顯然，對於真實的建築物來說，這是不可接受的——你需要它保持在同一個位置！真實的基礎隔震系統包含彈簧，當結構向兩側移動時，彈簧會產生一個恢復力，將結構拉回到中間。然而，這會引入一個新問題——彈簧會振盪（想想：在您拉動一端後，悠悠球會來回彈跳）。因此，基礎隔震系統還包括阻尼器，或者利用摩擦來減少振盪的元件。您可以使用家用材料構建更好的基礎隔震系統。但是要小心——具有太小摩擦力的強力彈簧（例如拉緊的橡皮筋）實際上會使振盪更嚴重！
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