關鍵概念
橋樑
力
載荷
工程
引言
你有沒有乘坐汽車駛過懸索橋？懸索橋以其高聳的塔樓、長跨度和優美的曲線形纜索，是土木工程師傑作的典範。纜索和塔樓如何承受橋樑的載荷——包括你和你的汽車的重量？懸索橋比不使用纜索的簡單梁橋能承受更大的載荷嗎？你可以在這個懸念迭起的科學活動中嘗試解答這些問題！
背景知識
梁橋是最簡單的橋樑型別。它通常由兩端的抬高部分支撐。例如，梁橋可以簡單到用木板搭在小溪上。
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懸索橋稍微複雜一些。它們由橋面（包括道路的長的直線部分）、纜索和塔樓組成。纜索在塔樓之間延伸，並幫助支撐橋面及其載荷的重量。在這種型別的橋樑中，纜索處於張力之下，而塔樓承受壓縮。
懸索橋可能看起來很複雜，但對於跨越長距離而言，它們也可能是最經濟的——每英尺所需的材料比簡單的梁橋少。然而，由於懸索橋相對靈活，強風和其他力可能會造成嚴重問題。1940年華盛頓州塔科馬海峽大橋的戲劇性倒塌就是一個臭名昭著的例子。（您可以在這裡觀看災難的影片。）
在這個活動中，你將建造和測試兩種型別的橋樑：基本的懸索橋和梁橋。你認為哪種型別的橋樑可以承受更大的載荷？
材料
• 七根一次性塑膠吸管
• 美紋膠帶或油漆工膠帶
• 線
• 剪刀
• 四個回形針（至少兩個應該是大的）
• 紙杯，至少八盎司
• 許多硬幣，都是同一型別的（例如，您應該至少有150個25美分硬幣或至少325個1美分硬幣。）
• 兩把椅子、桌子或書桌，可以用來在它們之間搭建橋樑，並且可以在其上使用膠帶
準備工作
• 如果你的吸管是可彎曲的型別，請剪掉彎曲的部分（這樣你就剩下一根長而直的、不可彎曲的吸管）。總共剪下六根吸管。確保它們長度相同；如有必要，修剪一些。（如果您使用的是不可彎曲的吸管，則將整根吸管用作長部件。）
• 將第七根吸管剪成兩段短吸管，每段大約一英寸長。確保它們長度相同。（如果有可彎曲的部分，請從另一端剪下你的短段。）
• 將兩根長吸管用膠帶粘在其中一根短吸管的兩端。
• 然後，將長吸管的另一端粘在一起。你應該得到一個細長的三角形形狀。這是你的懸索橋的其中一個塔樓。
• 用兩個新的長吸管和另一根短吸管重複此過程，以建造第二個塔樓。
• 將一個塔樓用膠帶粘在桌子、桌子或椅子的邊緣。短吸管應位於塔樓底部（沒有短段的尖端應位於頂部）。將第二個塔樓用膠帶粘在同一高度的第二個傢俱上。將塔樓放置得足夠遠，以便可以在它們之間放置剩餘的吸管。
步驟
• 在塔樓之間放置一根長吸管，使其兩端靠在短段上。這根吸管是橋面。現在你有一座簡單的梁橋。你能看出這是一座梁橋嗎？你認為它與懸索橋有何不同？
• 透過將一個大的回形針彎成 V 形，為你的橋樑製作一個載荷測試儀。將回形針的兩端戳入紙杯的相對兩側，就在頂部的厚邊緣下方。
• 使用第二個大的回形針將載荷測試儀懸掛在橋面上。方法是將兩個大的回形針連線在一起，然後將新的一個滑動到橋面吸管周圍。將杯子滑到吸管橋面的中間。
• 一次將一枚硬幣（所有型別相同）新增到載荷測試儀中。記錄你添加了多少枚硬幣。在橋樑失效之前，杯子能裝多少枚硬幣？橋樑是如何失效的？
• 開始將你的結構變成懸索橋。選擇一根新的長吸管作為橋面。
• 剪下一段大約三英尺長的線。將這段線的中心（將充當你的橋樑纜索）系在新橋面吸管的中間。像以前一樣將吸管放在塔樓之間。
• 將線的每一端穿過一個塔樓，然後向下穿過另一側。為了固定懸索橋，將纜索的每一端系在一個回形針上。將回形針從塔樓移開，直到纜索拉緊。然後用膠帶將回形針牢固地粘在傢俱上。
• 像以前一樣安裝空的載荷測試杯。再次將硬幣（所有型別與之前相同）一次新增到杯子中。這次在橋樑失效之前，杯子能裝多少枚硬幣？橋樑是如何失效的？
• 總的來說，哪種橋樑設計更堅固？是稍微堅固還是更堅固？你認為你為什麼會得到這樣的結果？
• 額外：使用新的橋面吸管，多測試幾次每種橋樑設計。你的結果總是相同嗎？
• 額外：嘗試消除從塔樓到錨固的纜索部分（僅保留從橋面到塔樓的纜索部分）。現在用載荷測試儀測試你的橋樑時會發生什麼？為什麼？
• 額外：多嘗試幾次此活動，並重點關注橋樑的哪個或哪些部分先失效。失效是由於使用的材料的弱點還是接頭的弱點造成的？你能否想到重新設計橋樑的方法，使失效的部分更堅固？
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觀察和結果
與梁橋相比，懸索橋是否能承載更多的硬幣？
在此活動中，你應該看到，懸索橋比梁橋多承載了約 150% 的硬幣，例如約 310 個 1 美分硬幣（或 140 個 25 美分硬幣），而梁橋約為 200 個 1 美分硬幣（或 90 個 25 美分硬幣）。當梁橋失效時，很可能是因為橋面吸管在新增更多硬幣時向下彎曲，直到彎曲得太多，以至於滑落到兩個塔樓之間。當硬幣新增到懸索橋時，纜索（即線）處於張力之下，並加強了橋面吸管，將其向上拉（同時壓縮塔樓），從而使橋樑可以承載更多的硬幣。當懸索橋最終失效時，橋面吸管很可能類似地彎成 V 形，但由於它透過線連線，吸管無法掉落，而杯子可能從吸管上滑落。
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