Nej, du behöver inte en examen i konstruktionsteknik för att vinna på Jenga, men det verkar säkert så ibland, inte sant? Jeffrey Coolidge/Getty Images Människor är naturfödda konstruktionstekniker. Om du tycker det är svårt att tro, se ett litet barn leka med en uppsättning enkla träklossar. Utan undervisning utifrån - och genom massor av energiska prövningar och misstag - kommer han eller hon så småningom att lära sig att det mest stabila sättet att bygga uppåt är att placera en horisontell balk över två vertikala kolumner.
Barnets intuitiva logik är densamma som inspirerade de mykeniska arkitekterna från 1200 -talet f.v.t. att bygga den berömda lejonporten av två stenspelare och en lätt välvd balk. Det är samma strukturella kunnighet som sa till de gamla egyptierna att om du vill bygga något högt av sten, du måste börja brett vid basen. Och det är samma naturfödda ingenjör i oss alla som säger, "Grabben, om du vill vinna på Jenga, lämna inte ett enda stöd i botten av tornet! "
Jenga är ett av de mest populära spelen i världen, tredje bara till Monopol och Scrabble i antalet sålda enheter [källa:Little]. Spelets syfte är enkelt:Du börjar med en bunt med 54 block - tre kvarter över, 18 nivåer höga. Varje nivå av block bör vara vinkelrät mot nivån under den. Varje spelare måste ta bort ett block nära tornets botten och placera det på toppen med bara en hand i taget. Så småningom blir tornet farligt instabilt. Om du är den som äntligen slår den, du förlorar.
Jenga uppfanns av Leslie Scott, en brittisk medborgare född och uppvuxen i Kenya och Tanzania. (Jenga betyder "bygga" på swahili.) Scott spelade spelet med sin familj i Afrika i flera år; så småningom lämnade hon ett jobb hos Intel för att lansera Jenga på en leksaksmässa 1983, där det blev ett omedelbart spelfenomen [källa:Little].
En del av Jengas charm är dess enkelhet; inget annat än träklossar och tyngdkraften. Men även detta enkla spel kan lära oss mycket om konstruktionsteknikens mer komplexa värld. Byggnader, trots allt, är sårbara för samma krafter som kan välta ett Jenga -torn - krafter som laster, spänning, kompression, vridning och mer. En oavsiktlig bump av spelbordet är en utmärkt skala version av en katastrofal jordbävning.
Låt oss börja vår utforskning av Jengas konstruktionsteknik med en titt på massor.
InnehållEn av de viktigaste principerna för konstruktionsteknik är läser in . Har du hört talas om en bärande vägg? Det är vanligtvis en innervägg (som den som delar ditt kök och vardagsrum) som också fungerar som en pelare som håller upp andra våningen eller taket. Om du tar bort en bärande vägg, strukturen kanske inte kan bära sin egen vikt - och det stavar problem.
I Jenga, inga två träklossar skärs till exakt samma mått, vilket innebär att blocken vilar på varandra ojämnt [källa:Smith]. Ett av Jengas främsta knep är att hitta de "lösa" bitarna, som är lättare att ta bort utan att störa tornets integritet. Om en bit är lös, då vet du att det inte kan vara bärande.
Så vad lär detta oss om konstruktionsteknik? Vid design av en byggnad, ingenjörer måste överväga lastväg från byggnadens topp till grunden. Varje nivå i strukturen behöver stödja de krafter som appliceras nedåt från nivåerna ovan. Det finns tre typer av belastningar som uppstår i en byggnad:
Ingenjörer måste göra noggranna beräkningar för att säkerställa att bärande väggar, tak och tak kan stödja döda, levande och till och med dynamiska belastningar, särskilt när man bygger i seismiskt aktiva zoner.
Nästa viktiga princip som Jenga lär ut om konstruktionsteknik är vikten av en grund.
Precis som du behöver hitta den perfekta ytan att spela Jenga på, konstruktionstekniker måste överväga de ytor som de väljer att bygga på. Richard Elliott/Getty Images Varje familj har sin favorityta att spela Jenga på. Det tunna kortbordet är uteslutet eftersom den minsta stöt från en felaktig armbåge kommer att skicka ditt torn tumlande. Det robusta köksbordet är ett gediget val, eftersom det inte mullrar lika lätt som kortbordet, men inget slår ett bra trägolv. Du kan inte slå det i sidled, det är ganska jävla platt och det enda hotet mot stabiliteten är en och annan krypande baby eller husdjur.
Strukturingenjörer måste också överväga ytan som de bygger sin struktur på. Om du bygger en 15-vånings byggnad på lös mark, strukturen kan lägga sig ojämnt, orsakar sprickor i väggarna eller till och med en kollaps. Även om en byggnad är konstruerad ovanpå fast sten, en jordbävning kan skada den i sidled, får det att glida ner på gatan några meter, krossa vad som helst på dess väg. Det är därför alla moderna byggnader, lika små som långa, är byggda på grundvalar.
En stiftelse tjänar ett par nyckeländamål. För det första, den överför strukturens belastning till marken. (Vi pratade om massor på sista sidan.) Ju högre och tyngre en byggnad, desto mer last körs nedåt. Om byggnaden ligger platt på ytan, då måste de lägsta elementen i strukturen bära den kombinerade belastningen av allt ovanför dem. Men med en rätt konstruerad grund, belastningen på hela strukturen passerar genom de lägsta elementen och sprids ut i jorden nedanför.
Stiftelser tjänar också till att fysiskt förankra strukturen till marken. Detta är en avgörande roll i mycket höga byggnader. Tänk dig att försöka balansera en gårdspinne i ena änden. Du kanske kan dra av den på en extremt plan yta, men även en utandning skulle välta den. Men vad händer om du tar ut gårdspinnen och klämmer fast ena änden i marken några centimeter? Nu kan du trycka på den, eller till och med sparka det, och det kommer inte att välta. En grund begraver en del av byggnaden i marken, vilket ger ökad stabilitet mot dynamiska belastningsförändringar.
För höga byggnader byggda på lös jord eller sand, ingenjörer driver stålhögar djupt ner i jorden tills de når berggrunden. Sedan bygger de en armerad betongfundament runt stålhögarna för att skapa ett fast ankare att bygga på.
Därefter tittar vi på vad trä Jenga -block kan lära oss om byggmaterial.
Inom konstruktionsteknik, det finns två grundkrafter som fungerar i alla strukturella element:kompression och spänning. Kompression är den kraft som appliceras när två objekt skjuts ihop. Tänk på en bunt tunga stenar. Kraften som krossas på bottenstenen är kompression. Spänning är den kraft som appliceras när ett objekt dras eller sträcks. Ett bra exempel är ytan på en studsmatta. När någon hoppar ner på studsmattan, materialet sträcker sig.
Ingenjörer pratar om brottgräns av material. Detta är den maximala kraft som kan appliceras på ett material utan att dra isär det. Buntar av stålkablar har en otroligt hög draghållfasthet, det är därför de används i världens längsta och tyngsta hängbroar. Även en enda stålkabel som bara är 1 centimeter i diameter kan hålla vikten av två fullvuxna elefanter [källa:Yes Mag].
Låt oss nu tänka på en typisk struktur i Jenga. Om du tar bort mittstycket i rad, då skapar du två enkla balk-och-kolonnstrukturer på vardera sidan av tornet. En balk placerad över två kolumner upplever både kompression och spänning samtidigt. Vikten som bär ner på balkens ovansida komprimerar den inåt mot balkens centrum. Och även om du inte kan se det med blotta ögat, strålens undersida sträcks utåt.
Tänk om balken var gjord av gummi. Vikten skulle sträcka den till en "U" -form. Det är därför gummi gör ett så uselt konstruktionsmaterial. Strukturingenjörer väljer (och designar ibland) material med de bästa komprimerings- och spänningsegenskaperna för jobbet. Sten är utmärkt under komprimering, men anmärkningsvärt lätt att dra isär. Det är därför en stenbåge håller mycket längre än en stenbalk. Armerad betong är ett idealiskt byggmaterial, eftersom betongen ger den tryckhållfasthet och de inbäddade stålstavarna ger den draghållfasthet.
Jenga -tornen blir inte tillräckligt höga eller tunga för att applicera allvarlig kompression eller spänning på träbitarna, så det finns väldigt lite oro för att dela en stråle. Men i verkliga byggprojekt, ingenjörer måste noga överväga varje element styrkor och svagheter.
Nu ska vi förklara varför det alltid är bättre att lämna två stöd längst ner på Jenga -tornet.
Att hålla detta vridande torn upprätt innebär mycket mer än bara tur. Personal/Getty Images Erfarna Jenga -spelare vet att den snabbaste vägen till ett fallande torn är att dra bort de två yttre bitarna i den nedre raden, lämnar hela strukturen i balans på ett enda smalt träblock. Med bara ett stöd i botten, varje stöt och knuff i tornet förstoras, får det att sväva osäkert från sida till sida. Men vad är egentligen krafterna som verkar på en struktur med ett så smalt stöd? Och vad är det som gör dem så farliga?
Strukturingenjörer pratar inte om att hålla en byggnad "balanserad". De pratar om att underhålla rotationsjämvikt . Föreställ dig en hög byggnad som en lång hävarm med majoriteten av armen ovanför marken och en mindre sektion (grunden) under marken. Punkten där byggnaden möter marken är spakens stödpunkt. Föreställ dig nu hur byggnaden tippar något åt höger eller vänster. Istället för att bara ramla omkull, du kan se det som att det roterar runt stödpunkten. Ingenjörer och fysiker har två namn för denna rotationskraft: ögonblick eller vridmoment .
En grundläggande princip för konstruktionsteknik är att ju längre din spakarm (eller ju längre den är borta från stödpunkten), desto större ögonblick. För att minska ögonblicket för en mycket hög byggnad, du måste bygga breda stöd. Ju bredare stöd, ju lägre ögonblick. För att förstå detta, försök stå med fötterna utspridda och låt en vän försöka skjuta dig åt sidan. Det kräver mycket kraft. Sätt ihop klackarna och prova samma sak. Din vän behöver knappt röra dig och du välter. En struktur med en fin bred bas är i sig mer stabil än en byggnad med en smal bas.
För den senaste konstruktionstekniska lektionen från Jenga, vi pratar om jordbävningar.
Det högsta Jenga -tornet på rekord var 40 nivåer, nått med den ursprungliga Jenga -uppsättningen designad av Leslie Scott själv [källa:Museum of Childhood]. De flesta spelare har tur om de kan få mer än 30 nivåer innan det hela kraschar. Anledningen till att tornet blir allt mer instabilt när det växer beror på ojämn viktfördelning. När för mycket vikt ligger på toppen av strukturen, det börjar verka som en omvänd pendel, svajer fram och tillbaka på sin smala koppling till jorden [källa:FEMA]. I Jenga, resultatet är en två minuters rengöring. I verkligheten, du skulle få en katastrof.
När konstruktionsingenjörer väljer att bygga i en seismiskt aktiv region, de måste överväga effekterna av laterala vibrationer på deras byggnad. När seismiska vågor krusar genom jorden, de stöter på byggnader både upp och ner och fram och tillbaka. Upp- och nedstötarna är inte lika farliga som sidorörelserna, som är mer benägna att leda till kollaps [källa:Association of Bay Area Governments].
Dessa vibrationer från sida till sida upplevs olika på olika avstånd från marken. Ju högre du reser upp i en byggnad, desto mer uttalade vibrationer. När du kastar vikt i ekvationen, effekterna kan vara katastrofala. Enligt den seminala texten, "Varför byggnader faller ner, "Jordbävningskrafterna växer i proportion till strukturens vikt och kvadratet av dess höjd [källa:Levy].
En topptung struktur vibrerar med mycket längre period -den tid det tar att cykla genom en fullständig vibration-än en botten-tung byggnad. En längre period innebär också en större fysisk förskjutning. Ta exemplet med en tvåvåningshus. När en jordbävning slår till, byggnaden gungar 51 cm från mitten. När du lägger vikt på toppen av samma byggnad (även om det är något enkelt som ett tungt tegeltak), gungan ökar till 76 cm från centrum [källa:Association of Bay Area Governments].
Vi hoppas att du har lärt dig några saker om varför byggnader faller - och vad du kan göra för att äntligen slå din syster på Jenga. För mycket mer information om familjespel och vardagsvetenskap, hoppa över till länkarna på nästa sida.
