關鍵概念
物理學
幾何學
工程學
桁架
引言
您是否曾經開車經過一座橋樑，或者看到正在施工的建築物，並注意到大型的金屬支撐梁？在正在施工的房屋中，木樑又如何呢？您是否注意到，有時支撐結構會形成不同的幾何形狀，例如三角形或正方形？在這個專案中，您將成為一名結構工程師，並用冰棒棍製作自己的“支撐”形狀。您認為哪種形狀會最堅固？
背景
當土木工程師建造大型結構（如橋樑和建築物）時，他們必須考慮力（如重力、壓力、張力和扭矩）將如何作用於建築材料。重力不斷地將材料（尤其是重物）拉向地球。例如，汽車駛過橋樑的重量可以對結構產生推力（產生壓力）或拉力（產生張力），如果設計不當，會導致結構斷裂。工程師還必須設計結構來處理扭矩或“扭曲”。扭矩的一個例子是，當您轉動螺絲刀來擰緊螺釘時，或者當您用雙手握住尺子並試圖彎曲它時。
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橋樑和建築物的框架通常以“桁架”的形式建造，即一系列在其末端連線的梁。工程師的目標是設計一個略微彎曲但不會彎曲或斷裂的桁架，即使在強大的力作用下也是如此。在這個專案中，您將透過用曲別針將冰棒棍首尾相連來製作桁架。您能猜出哪種簡單的幾何形狀最能抵抗彎曲嗎？準備好找出答案！
材料
冰棒棍（至少七根）
小曲別針（至少七個）
步驟
用曲別針將兩根冰棒棍首尾相連夾在一起。
用每隻手握住每根冰棒棍的一端。輕輕地嘗試來回扭動它們，圍繞曲別針連線它們的接頭旋轉。（透過將冰棒棍的平面相互滑動來執行此操作，不要試圖透過彎曲它們來“折斷”它們。）冰棒棍圍繞接頭旋轉有多容易？
現在，用四個角用曲別針連線的冰棒棍製作一個正方形。
用手指抓住兩個相鄰的冰棒棍，輕輕地嘗試相對於連線它們的接頭旋轉它們。旋轉冰棒棍有多容易？整個正方形的形狀會發生什麼變化？
抓住兩個彼此相對的冰棒棍，輕輕地嘗試將它們來回滑動，使其彼此平行。將冰棒棍來回滑動有多容易？整個正方形的形狀會發生什麼變化？
現在，用三個角用曲別針連線的冰棒棍製作一個三角形。
用手指抓住兩個相鄰的冰棒棍，並嘗試像對正方形一樣旋轉它們。會發生什麼？您能旋轉冰棒棍嗎？或者三角形保持其形狀？它與正方形相比如何？
附加： 如果您有更多的冰棒棍和曲別針，請嘗試用多個相連的正方形和/或三角形制作更大的桁架結構。當您推、拉或扭轉桁架的不同部分時會發生什麼？一種形狀（三角形或正方形）是否更傾向於“保持其形狀”，而另一種形狀則會滑動？
附加： 嘗試在正方形上新增一條對角線，將其分成兩個三角形。（用多個曲別針將兩個冰棒棍固定在一起，以製作一個無法旋轉的單根較長的棍子）。您還能輕鬆旋轉正方形嗎？
附加： 如果您有可用的建築玩具，例如 K'nex、Tinkertoys 或 LEGO Technic 零件，請嘗試使用它們來製作不同幾何形狀的桁架。（請注意，這不適用於常規的 LEGO 積木，您需要帶有孔的梁，這些梁可以透過銷釘連線。）您是否獲得了與使用冰棒棍相同的結果？
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觀察和結果
您應該發現，在正方形桁架中旋轉冰棒棍非常容易。當您旋轉兩個相鄰的冰棒棍，或者滑動兩個彼此相對的冰棒棍時，它們都保持連線，但整個正方形會變形形成一個平行四邊形——這對於冰棒棍結構可能還可以，但對於建築物來說卻是災難性的！
但是，當您嘗試旋轉三角形桁架中的冰棒棍時，它們不會移動。三角形設計“更強”——冰棒棍在這種形狀中以這樣一種方式排列，當您推或拉它們時，沒有一個可以旋轉。
之所以發生這種情況，是因為工程師所說的“自由度”。正方形桁架有一個自由度，這意味著它可以在一個方向上移動（在本例中，是一個旋轉方向——它可以從正方形旋轉到平行四邊形）。防止正方形完全旋轉的唯一方法是在接頭處非常非常用力地夾緊（想象一下使用更強的曲別針）。您現在可以明白為什麼在建造結構時只使用正方形是不好的——所有的接頭都必須超級堅固！然而，三角形的自由度為零——它的所有冰棒棍都固定在原位且無法旋轉。這意味著您可以用三角形構建一個不會旋轉或變形的桁架結構——即使接頭只是用曲別針輕輕地固定在一起。
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