resumen
Los estudiantes exploran cómo las fuerzas de tensión y compresión actúan
sobre tres tipos diferentes de puentes. El uso de esponjas, cartón y
cuerda, que crean modelos de vigas, arcos y puentes colgantes y se aplican
fuerzas a comprender cómo se dispersan o transferir estas cargas.
Conexión de ingeniería
El uso de las innumerables posibilidades de diseño de vigas, armaduras,
arcos y puentes colgantes, ingenieros civiles y estructurales crean los puentes
que son esenciales para la infraestructura de nuestro mundo. Para diseñar
puentes de cualquier tipo, los ingenieros deben comprender las fuerzas que
actúan sobre todos los puentes: compresión y tensión, y luego diseñar puentes
para manejar estas fuerzas sin romperse o fallar. Equipos de ingenieros
decidir sobre el tipo de puente, el diseño y los materiales para distribuir
mejor la carga a través de un obstáculo, y dibujar los planos de diseño
detallados, especificando materiales, medidas, formas y ángulos para la
construcción del puente.
Objetivos de
aprendizaje
Después de esta
actividad, los estudiantes deben ser capaces de:
- Definir tres
grandes tipos de puentes, incluyendo un puente de viga o cercha, un puente
de arco, y un puente de suspensión.
- Describir y localizar a las
fuerzas de compresión y de tracción que actúan sobre diferentes tipos de
puentes.
- Explicar situaciones para las
que sería el más adecuado diferentes tipos de puentes.
Estándares
educativos
- Evaluar soluciones de la competencia de diseño mediante un proceso sistemático para determinar lo bien que cumplen con los criterios y las restricciones del problema. (Grados 6 - 8)
- Los modelos se utilizan para comunicarse e ideas y procesos de diseño de la prueba. (Grados 3 - 5)
- La selección de diseños para estructuras se basa en factores tales como las leyes y códigos de construcción, el estilo, la comodidad, el costo, el clima y la función. (Grados 6 - 8)
- Estructuras descansan sobre un fundamento. (Grados 6 - 8)
- Nuevas ideas en la ciencia están limitadas por el contexto en el que están concebidos; a menudo son rechazadas por la comunidad científica; a veces surgen de hallazgos inesperados; y por lo general crecen lentamente, a través de las contribuciones de muchos investigadores. (Grados 9 - 12)
- Predecir y evaluar el movimiento de un objeto mediante el examen de las fuerzas aplicadas al mismo (Grado 8)
Lista de materiales
Cada grupo necesita:
- Puente Notas Hoja de trabajo , uno por estudiante
- 1 esponja pequeña (o goma de
borrar plana)
- 1 pluma de tinta oscura o
marcador
- 1 tira de cartón o cartulina
(1-in de ancho x 11-in de largo; 2,5 cm de ancho x 28 cm de largo)
- 1 10 pies (3-m) trozo de cuerda
o cuerda de pequeño diámetro
- 1 de 11 pies (3- o 4-m) trozo
de cuerda
- varios libros de texto (por lo
menos cuatro)
- Tipos de puentes y Hoja de
Fuerzas ,
uno por estudiante
Introducción /
Motivación
(Opcional:
Proporcionar a cada estudiante una copia de la hoja de trabajo de puente Notas . Para rellenar
lo que saben sobre los puentes antes de la actividad y tomar notas sobre durante
la parte de introducción de la actividad)
¿Qué impacto tienen
los puentes tienen en nuestras comunidades y ciudades? Los puentes
proporcionan enlaces esenciales entre lugares, que nos proporciona el acceso a
los recursos, otros lugares y otras personas. Puentes permiten caminos
para pasar a través de terreno variable, sobre los cursos de agua ya través de
montañas con una desviación mínima, tiempo en el transporte o conmutar o
incluso zonas de conexión que de otro modo serían inaccesibles ahorro. ¿Quién
diseña estos puentes? Los ingenieros civiles hacen. Piense en puentes
como una manera de que los ingenieros nos ayudan a traer mundos. (Ver el
mapa de Vancouver, BC, Canadá, o de otra ciudad con muchos puentes.) Por
ejemplo, las características que sobresalen de Vancouver sería difícil acceso
si no fuera por los puentes que unen a esta región en conjunto.
Tres tipos básicos de
puentes utilizados en el transporte son: vigas de celosía y puentes, puentes de
arco y puentes colgantes. Para entender cómo funcionan los puentes, hay
que entender las fuerzas que actúan sobre cada puente. Dos grandes fuerzas
actúan sobre un puente en un momento dado: compresión y
tensión. Compresión o fuerza de compresión, es una fuerza que actúa para
comprimir o acortar la cosa que está actuando sobre. Tensión o fuerza de
tracción, es una fuerza que actúa para ampliar o alargar la cosa se está
actuando sucesivamente. Como un simple ejemplo, pensar en un
resorte. Si empujamos ambos extremos del resorte uno hacia el otro,
estamos comprimiendo el muelle. Por lo tanto, una fuerza de compresión
está actuando sobre él para acortar la primavera. Si tiramos de ambos
extremos del muelle de distancia el uno del otro, estamos estirando el
resorte. Por lo tanto, una fuerza de tensión está actuando sobre él para
alargar el resorte. Es el propósito del diseño del puente para manejar
estas fuerzas sin romperse o fallar de alguna manera.
Viga y puentes con
entramado
Puente de Broadway, Boulder, CO.
derechos de autor
puentes de vigas son
el tipo más simple y menos costoso de puente para construir. Los puentes
de vigas más simples consisten en una viga horizontal que está soportado en
cada extremo por columnas o pilares. El peso de la viga y cualquier carga
adicional en el puente se transfiere directamente a los muelles. Sin
embargo, el haz de sí mismo debe ser capaz de soportar su propio peso y las
cargas entre los muelles. Cuando una carga empuja hacia abajo sobre la
viga, la porción superior de la viga se empuja entre sí por una fuerza de compresión,
mientras que una fuerza de tracción se extiende a la porción
inferior. Cuanto más alejadas de los soportes o pilares, más débil se
convierte en un puente viga. Para puentes de vigas más grandes diseñadas
para coche pesado y tráfico ferroviario, las vigas son sustituidos por
armaduras simples, o unidades triangulares, que son más económicas que las
vigas de sólidos. Los ingenieros han utilizado muchos patrones de celosía
diferentes en los puentes. Por lo tanto, la mayoría de los puentes de
vigas rara vez se extienden a más de 200 pies (61m), sin embargo, los viejos
puentes de viga que cruzan los ríos más importantes son a menudo tan larga como
500-600 pies (152-183m), sin incluir los soportes de los extremos tales como
muelles.
Arch Bridges
puentes de arco son el
tipo más fácil de reconocer puente. Ellos son uno de los tipos más
antiguos de puentes y tener una resistencia natural extraordinario. En
lugar de empujar hacia abajo como puentes de vigas hacen, el peso del puente de
arco y cualquier carga adicional en el puente se lleva hacia el exterior a lo
largo de la curva del arco a los soportes en cada extremo. Estos soportes
son llamados pilares. Los pilares distribuyen la carga del puente y
mantienen los extremos del puente se propague a cabo. Los romanos fueron
maestros del puente de arco. Muchos de sus puentes de arco utilizado poco
o nada de mortero, o "pegamento" para mantener las piedras
juntas. El objetivo de un puente de arco es llevar todas las cargas de
compresión, sin ningún tipo de cargas de tensión presentes. Las piedras en
las estructuras permanecen juntos por la sola fuerza de su propio peso y la
compresión transferida entre ellos. El tamaño del arco, o la cantidad de
curvatura, tiene un efecto importante sobre la eficacia de este tipo de
puente. A veces, en muy grandes puentes de arco, el arco se reduce a
menudo en tamaño o aplanado hacia abajo, lo que resulta en fuerzas
significativas de tracción que deben tenerse en cuenta en el diseño. La
mayoría de los puentes de arco modernos abarcan entre 100-1,500 pies (30-457m).
Puentes de suspensión
Dos categorías de
puentes colgantes son: modernos puentes colgantes y puentes
atirantados. puentes de suspensión modernos se caracterizan por un patrón
de cable en forma de M. Los cables se encadenan más de dos torres y luego
ancladas en ambos extremos. La calzada está suspendido de los cables por
cables más delgados o varillas. El peso de la calzada y cualquier carga
adicional se transfieren a los cables, la creación de una fuerza de tensión en
los cables. Los cables se transfieren su fuerza a las torres y
anclajes. puentes colgantes modernas típicas abarcan distancias de 2.000 a
7.000 pies (610-2,134m). puentes atirantados se caracterizan por un patrón
de cable en forma de A. Los cables se anclan directamente en las torres y
eliminan la necesidad de un sistema de anclaje. Las mismas fuerzas de
tracción y compresión se ven en un puente atirantado, ya que están en un
moderno puente colgante. puentes atirantados típicos abarcan distancias de
500 a 3.000 pies (152-914m), convirtiendo rápidamente en el puente de elección
para los tramos de longitud media. puentes atirantados también a la moda!
Hoy en día, vamos a
crear modelos simples de cada tipo de puente que acabamos de discutir para
ayudarnos a aprender más acerca de cómo las fuerzas de tensión y compresión
actúan en cada uno. También vamos a pensar en las situaciones en las que
un ingeniero puede decidir utilizar cada tipo de puente en el diseño de
carreteras.
Vocabulario /
Definiciones
pilar: Una masa, a
partir de la albañilería, que recibe el arco, viga, cercha, etc., en cada
extremo de un puente.
anclar: Cualquier
dispositivo para asegurar un puente de suspensión en cada extremo.
puente de arco: Un puente que
forma la forma de un arco.
haz: Un miembro de largo, rígida,
horizontal de soporte de una estructura.
puente de viga: un puente que se
compone de vigas apoyadas por columnas (embarcaderos, torres).
cable: A muy fuerte cuerda hecha de hilos
de alambre de metal, tal como se utiliza para apoyar teleféricos o puentes
colgantes.
puente atirantado: Un puente que
consiste en una o más torres (o columnas) con los cables que soportan el
tablero del puente. Caracterizado por patrones de cable en forma de A.
compresión: una fuerza de
empuje que tiende a acortar los objetos.
la cubierta: El "top" del puente
sobre el que conducir o caminar.
ingeniero: Una persona que
aplica su / su comprensión de la ciencia y las matemáticas para crear cosas
para el beneficio de la humanidad y de nuestro mundo.
puente colgante: Un puente en el
que la cubierta se cuelga de los cables.
tensión: una fuerza de
tracción o estiramiento que tiende a alargar objetos.
Procedimiento
Antes de la actividad
Preparar los
siguientes materiales para cada grupo:
- Para el modelo de puente de
viga, utilice un bolígrafo o un marcador para dibujar líneas paralelas
igualmente distantes a lo largo de la anchura (no la longitud) de la
esponja (o goma de borrar) (ver Figura 1). Si se utiliza una esponja,
humedezca un poco por lo que es capaz de flexionar.
- Para el modelo de puente de
arco, corte de cartón en tiras.
- Para el modelo de puente de
suspensión, cortar la cadena (o cuerda de pequeño diámetro) en tres de 2
pies (0,6 m) de longitud y una (1,2-m) pieza de 4 pies.
- Para el modelo de puente
atirantado, cortar la cuerda de mayor diámetro en una sola pieza 5 pies de
largo y otra pieza 6 pies de largo.
- Haga copias de los tipos de puentes y Hoja de
Fuerzas ,
uno por estudiante.
- Divida la clase en grupos de
dos alumnos cada uno.
Con los estudiantes
- Presentar a los estudiantes los
conceptos básicos de cada puente: viga, arco y dos puentes colgantes que
se describen en la sección de introducción. Discute las fuerzas
presentes en cada puente-compresión y de tensión y las diferencias en cada
uno. Repartir las hojas de trabajo para los estudiantes para
completar de forma independiente. Después de que hayan terminado,
revise sus respuestas para asegurar su comprensión del comportamiento de
las fuerzas de compresión y tracción en los diferentes tipos de puentes.
- Haga que cada equipo hacer un
puente viga simple (ver Figura 1). Posición dos pilas de libros de
texto de aproximadamente igual altura (3-4 pulgadas o 8-10 cm) de modo que
la esponja plana (o goma de borrar) pueden "span" ellos (hacer
distancia entre las pilas de aproximadamente 1-2 pulgadas o 2-5 cm
). Resto de la esponja en las dos pilas de libros de texto que abarca
la distancia entre ellos. El uso de un bolígrafo o un lápiz, coloque
una fuerza hacia abajo sobre la parte superior de la esponja-lo suficiente
como para causar la esponja para doblar pero no colapsar por completo.
- ¿Qué ocurre con las líneas
paralelas dibujadas en la parte superior e inferior? (Respuesta:.
Las líneas en movimiento la parte superior más cerca estén las líneas en
la parte inferior se mueven más alejados.)
- Donde se encuentran las
fuerzas de compresión? (Respuesta: Las fuerzas de compresión se
encuentran en la parte superior.)
- Donde se encuentran las
fuerzas de tracción? (Respuesta: Las fuerzas de tracción se
encuentran en la parte inferior.)
Figura 1. El modelo de puente de viga.
derechos de autor
- Haga que cada grupo haga un
puente de arco simple. Dirigirlos a doble suavemente sus tiras de
cartón para que tengan una forma curvada. Luego, coloque la tira de
cartón sobre una superficie lisa y plana (escritorio o en el suelo de
baldosas, no moqueta) para que se asemeja un arco. El uso de un
bolígrafo o un lápiz, coloque una fuerza hacia abajo sobre la parte
superior del centro del arco. ¿Qué ocurre con el
arco? (Respuesta:. Esperar que el arco se colapse debido a que sus
extremos se mueven hacia afuera) A continuación, colocar dos pilas de
libros de texto ~ 5-6 pulgadas (13-15 cm). Coloque la tira de cartón
en medio de las dos pilas con la forma curva similar a un puente de
arco. Presione hacia abajo en el centro del arco (ver Figura 2).
- Ahora lo que sucede? (Respuesta:
El arco no debe colapsar tan fácilmente.)
- ¿Qué tipo de fuerza no los
estribos (como el representado por los libros de texto) imponen en el
arco, empujar (compresión) o tracción (tensión)? (Respuesta: Los
pilares hacen retroceder en el arco ya que el arco está presionando sobre
los pilares.)
- Señalar cómo las pilas de
libros actúan como pilares de mantenimiento de los extremos del arco se
propague a pedazos.
Figura 2. Arco modelo puente.
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- Haga que cada grupo haga un
puente colgante simple. En primer lugar, atar una de las piezas
largas de 2 pies (0,6 m) de cadena (o cuerda de pequeño diámetro)
alrededor del medio de uno ~ 1 pulgada (2,5 cm) de espesor libro de texto
mientras se está en posición plana sobre la mesa . Repita este paso
con un segundo pedazo largo de 2 pies alrededor de un libro de texto
diferente. Soportar estos dos libros de texto en extremo con la
cadena en la parte superior. Tome el tercer trozo de cuerda de 2 pies
y atar los extremos de la cuerda en la parte superior de los libros de
texto. Coloque los libros de texto cerca de 18 pulgadas (0,5 m) de
distancia. Ahora, empuje hacia abajo en la cadena que conecta las dos
libros de texto juntos (ver Figura 3). ¿Lo que pasa? (Respuesta:
Observe cómo los libros caen hacia adentro con relativa facilidad.)
Figura modelo de puente 3.
Suspensión. Presionando hacia abajo la cuerda entre dos libros conectados
muestra cómo son inestables; caen fácilmente hacia el interior.
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- A continuación, retire las
cuerdas de los dos libros de texto. Tome el 4 pies (1,2 m) de pieza
larga y colocar una pila de libros de texto en la parte superior de un
extremo. Coloque otra pila de libros de texto en el otro
extremo. Usando el mismo de 1 pulgada (2,5 cm) de libros de texto de
espesor como antes, colocarlos debajo de la cuerda de punta. Trata de
colocar la distancia entre los dos libros de texto el mismo que antes, 18
pulgadas (.5m). Ahora, empuje hacia abajo en la cadena entre los dos
libros de texto (véase la Figura 4).
- ¿Lo que pasa? (Respuesta:
Esperar que los libros de no caen tan fácilmente, incluso con el aumento
de la carga).
- Es la cadena (por cable) en
tensión o compresión? (Respuesta: La cadena está en tensión, sino
que sólo puede soportar una fuerza de tracción.)
- Son los libros (torres) en
tensión o compresión? (Respuesta: Los libros están en compresión.)
- ¿Las pilas de libros (anclas)
de empuje o tire de la cuerda (cable)? (Respuesta: Las pilas de
libros tiran de la cadena porque la cadena está tirando de ellos.)
- Señalan cómo los anclajes
(pilas de libros de texto) ayudan a estabilizar el puente.
Figura modelo de puente 4. Suspensión. Con la
adición de los anclajes a cada lado, presionando hacia abajo en la cadena entre
los dos libros conectados muestra que ellos son más estables.
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- Haga que cada grupo haga un
simple puente atirantado. Haga que los estudiantes se levantan y
sostienen sus brazos horizontalmente a cada lado. Haga que imaginar
sus brazos forman un puente y su cabeza es una torre en el centro. En
esta posición, sus músculos se están manteniendo sus brazos. Ahora,
usando la cuerda, tienen los estudiantes se convierten en puentes
atirantados (ver Figura 5). Ate cada extremo de la pieza 5 pies (1,5
m) de la cuerda alrededor de cada codo. Coloque los middles de los
cables en la parte superior de sus cabezas. La cuerda actúa como un
cable de estancia y levanta los codos. El uso de la pieza 6 pies (1,8
m), repetir este proceso atar los extremos alrededor de sus muñecas.
- ¿Dónde se siente una fuerza de
empuje o compresión? (Respuesta: Las cuerdas están en tensión debido
al peso del brazo (el puente), mientras que sus cabezas están en
compresión.)
- Observe cómo la carga (peso
del brazo) se transfiere a la torre (cabezas).
- Un paso atrás y observar el
patrón producido por las cuerdas que van sobre sus cabezas.
Figura modelo de puente 5. Cable-estancia.
derechos de autor
- Concluya la actividad con una
de las actividades de evaluación post-actividad descrita en la sección de
evaluación. Por ejemplo, haga que cada equipo escoja un tipo de
puente para diseñar. Usando sus notas y hojas de actividades, haga
que crean un dibujo del puente en un lugar adecuado. Por ejemplo, un
puente de suspensión moderno podría cruzar un cuerpo de agua que es de
3.000 pies (914 m) de longitud.
Archivos adjuntos
Problemas de seguridad
- Cuando los estudiantes están
creando sus puentes atirantado humanos, aconsejarles que no atan las
cuerdas tan apretado que le cortaron su circulación.
Evaluación
Evaluación de la
Actividad Preliminar
Hoja de trabajo : que los
estudiantes completen individualmente la actividad pre- Puente Notas Hoja de trabajo , y se suman a
ella durante la parte / Introducción La motivación de la
actividad. Revisar sus respuestas para medir su dominio de los conceptos.
Evaluación de la
actividad Embedded
Pregunta / Respuesta : Pide a los
alumnos las preguntas previstas a lo largo de la sección Procedimiento y
discutir como clase.
Hoja de trabajo : que los
estudiantes completen individualmente los tipos de puentes y hoja de cálculo
de fuerzas . Revisar sus respuestas para medir su dominio de los conceptos.
Evaluación después de
la actividad
Diseñe su propio : Después de la
actividad, describir a los estudiantes cómo cuando una comunidad necesita un
nuevo puente, equipos de ingenieros deciden sobre el puente tipo, diseño y
materiales para distribuir mejor la carga a través de un obstáculo, y luego
dibujar los planos detallados del diseño que se utilizan para la construcción
del puente. Asignar los equipos de estudiantes a cada uno elija un tipo de
puente y sacar sus propias diseño detallado del puente, la especificación de
materiales, medidas, formas y ángulos, al igual que los ingenieros.
Escenarios de
ingeniería : Los ingenieros utilizan el conocimiento de tipos de puente para
seleccionar el diseño más apropiado para una nueva área. Que los
estudiantes discutan en pares y compartir con la clase qué tipo de puente que
elegirían para su transporte a través de los siguientes escenarios:
- Un río que está a 300 pies (91
m) de ancho. (Respuesta: Un puente de armadura o en el arco.)
- A quebrada que es de 1.000 pies
(305 m) de ancho. (Respuesta: Un puente atirantado o el arco.)
- Un cuerpo de agua que es de
10.000 pies (3.048 m) de ancho. (Respuesta: Un puente colgante.)
- Un pequeño trozo de tierra
pantanosa. (Respuesta: Un puente de armadura o en el arco.)
- Un canal navegable en el que
los buques de altura debe pasar a través. (Respuesta: Un puente
colgante.)
Extensiones de
actividad
Haga que los
estudiantes recortar fotos de revistas de los tres tipos diferentes de puentes
y dibujar flechas que indican que la tracción y fuerzas de compresión están
actuando.
Escala de actividad
- Para los grados más bajos,
completar las hojas de trabajo en conjunto, como una clase.
- Para los grados superiores,
además de completar las hojas de trabajo tiene forma individual a cada
estudiante realice lo siguiente: 1) encontrar un puente cerca de su casa,
2) crear una imagen de ella, ya sea usando una cámara digital o hacer un
dibujo detallado, y 3) preparar una presentación para la clase de la
identificación de las siguientes características: tipo de puente,
ubicación puente, usos primarios, y las porciones obvias del puente bajo
fuerzas de tracción y de compresión.
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