吃火鍋時
大家肯定有這樣的經歷
圓圓滑滑的丸子怎麼都夾不上來
其實啊
這其中的原理與古代的木橋
有相似之處
如此說來
古人一定是個吃火鍋的好手吧~
所標杯、筷子(木棍)、香蕉(重物)
這一期的主角是筷子(木棍)
首先在一根輔助筷子的幫助下
搭建兩個「X形」的支架
然後在「X」的兩個交叉處
再放置兩根與支架相垂直的筷子
撤掉輔助筷子後發現
整體結構不藉助外界力量
仍然可以支撐住
用同樣的方法
我們再接上一組類似的結構
最後放上重物
檢測結構的承重能力
快來試試你能搭建
多少個「X」支架的組合吧
原理解說
實驗中的橋叫做「編木拱橋」。用類似的結構做出的橋,不需要用任何鉚釘進行連接(與榫卯結構類似),就能穩定地架起來,甚至可以讓汽車在上面通行。
那麼為什麼這種結構能夠穩定地保持住呢?我們可以回想吃火鍋時用筷子夾撒尿牛丸時的情形,牛丸很容易就會從筷子上滑走,夾不住。這時,我們有兩個方案,一個是,我們需要增加筷子的夾力,這樣可以增大筷子與牛丸之間的摩擦力。另一個是,手抓到筷子的末端,減小筷子張開的夾角,這樣會減小牛丸所受到的橫向驅動力。二者一結合,可以說,就夾牛丸這一塊,小編是拿捏的死死的。
實驗中的結構與之類似,利用了摩擦自鎖達到了一個平衡的狀態。我們可以用大家喜(令)聞(人)樂(頭)見(大)的受力分析進一步驗證一下。
如圖所示,我們選擇最基本的結構單元,畫出它的剖面圖。
剖面圖
我們針對橫著筷子(圖中的圓形,就好比是個撒尿牛丸)進行計算。當結構處於穩定的狀態時,一方面,筷子的水平以及豎直方向上的受力合力為零,另一方面,筷子相對質心所受的合力矩為零。
受力分析圖
所以,我們可以得到如下的方程組:
平衡時結構中的摩擦力需要滿足這樣的條件:
直接得到(你是怎麼直接得到的)穩定需要滿足的一個必要條件:
這告訴我們,筷子與桌面間的夾角需要小於某個值。一旦超過這個值,無論如何都無法將橋架起來。同時也可知道,夾角越小,結構所需要的摩擦力就越小,結構也就越容易穩定。這就從理論上驗證了前面提到的夾牛丸技巧是正確的。
小編覺得用這種結構設計的橋,抗風險能力可能不是很好,受到橫向的力容易失穩,強度也不是很大,所以很少被設計師採用。就像夾牛丸一樣,不一定非要用筷子夾,磕到碰到也容易滑掉,用漏勺它不香嗎~
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