Resumen
Trabajando como equipos de ingeniería, diseño de los estudiantes y crear
puentes de vigas modelo utilizando pajitas de plástico y cinta como sus
materiales de construcción. Su objetivo es construir el puente más fuerte
con un patrón de celosía de su propio diseño, mientras que el cumplimiento de
los criterios de diseño y limitaciones. Experimentan con diferentes formas
geométricas y determinar cómo afectan las formas de la resistencia de los
materiales. Que comience la competencia!
Conexión de ingeniería
puentes de vigas son el tipo más común de puente diseñado por los
ingenieros y relativamente fácil de imaginar y construir. Sin embargo, con
diseños entramados, las posibilidades son ilimitadas. Para diseñar los
puentes, los ingenieros realizan análisis cuidadoso de las geometrías del
puente y las cargas aplicadas prevé que para que puedan determinar el lugar
exacto de las fuerzas de reacción. Los ingenieros también consideran los
materiales más eficaces para lograr un equilibrio de tensión y
compresión. Ingenieros determinan el puente tipo, diseño y
materiales; analizar las condiciones del lugar, geológico y factores
ambientales; y establecer planes de diseño detallados y horarios
presupuesto / financiación.
Objetivos de
aprendizaje
Después de esta
actividad, los estudiantes deben ser capaces de:
- Describir y puentes modelo de
diseño de celosía.
- Identificar formas geométricas
efectivos utilizados en el diseño del puente.
- Identificar varios factores que
considerar cuando los ingenieros de diseño de puentes.
Estándares educativos
Estándares
de Ciencias de Nueva Generación: Ciencia
- Definir
los criterios y las restricciones de un problema de diseño con la
suficiente precisión para asegurar una solución exitosa, teniendo en
cuenta los principios científicos pertinentes y los posibles impactos
sobre las personas y el medio ambiente natural que puede limitar las
posibles soluciones. (Grados
6 - 8) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación? SíNo
- 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) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación? SíNo
Tecnología
Internacional y Asociación de Educadores de Ingeniería: Tecnología
- Estructuras
descansan sobre un fundamento. (Grados
6 - 8) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación? SíNo
- 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) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación? SíNo
Asociación
Americana para el Avance de la Ciencia: Ciencia
- 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) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación? SíNo
Colorado:
Matemáticas
- Fluidez sumar,
restar, multiplicar y dividir decimales de varios dígitos utilizando
algoritmos estándar para cada operación. (Grado
6) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación?SíNo
- La
medición directa e indirecta se puede utilizar para describir y hacer
comparaciones. (Grado 8) Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Está de acuerdo con
esta alineación? SíNo
Colorado:
Ciencia
- Predecir
y evaluar el movimiento de un objeto mediante el examen de las fuerzas
aplicadas al mismo (Grado 8)Detalles ... Ver más alineado plan de estudios ... ¿Estás de acuerdo
con esta alineación? SíNo
Lista de materiales
Cada
grupo necesita:
- 20
pajas de beber de plástico (no el tipo bendy)
- cinta
adhesiva
- tijeras
- vara de
medir o una regla (o uno para la clase para compartir)
Para toda la
clase para compartir:
- pequeña
taza de papel
- 200-300
peniques (para utilizar como peso)
- estructura
de soporte de madera (o utilizar dos escritorios)
- equilibrar
(para pesar o contar las monedas de un centavo en lugar de pesaje)
Para hacer que
la estructura de soporte de madera (véase la figura 5; opcional; pueden
utilizar dos escritorios en su lugar):
- dos de 7
pulgadas (18 cm) piezas de 2 x 4 de madera (por pilares de puente, el uso
de la chatarra 2 x 4S)
- 7 x 13
pulgadas (18 x 33 cm) pieza de 0,25 pulgadas (0,6 cm) de madera de espesor
(para la base de agua entre pilares)
- Martillo
y clavos
- (Opcional)
pintura azul para la base de la estructura de soporte, para representar el
agua bajo el puente
dimensiones finales de la estructura de
soporte de madera (opcional; pueden usar dos escritorios misma altura en su
lugar). Las dimensiones pueden
variar de los de abajo, pero estas dimensiones particulares se pueden hacer
mediante el uso de la chatarra 2 x 4s. La
dimensión más importante es la longitud interior o el intervalo. La longitud total debe permitir
espacio suficiente para colocar el puente en los "pilares".
- dentro
de longitud "span" = 10 pulgadas (25 cm)
- longitud
total (SPAN más dos pilares) = 13 pulgadas (33 cm)
- altura
del pilar = 3,5 pulgadas (9 cm)
- ancho
de tope = 7 pulgadas (18 cm)
Introducción / Motivación
Después de la revolución industrial, los
puentes se hicieron cada vez más sofisticados a medida que se más fácil de
adquirir hierro y acero. Mediante
el uso de hierro y acero, los ingenieros pueden diseñar puentes capaces de
soportar cargas más grandes y que abarca grandes distancias, por lo que es
posible vincular las ciudades y comunidades a través de rutas más cortas y directas
y cruce de obstáculos, tales como cursos de agua u otros elementos naturales
que habían bloqueado previamente pasaje. A
veces damos por sentado que los puentes proporcionan importantes vínculos entre
lugares. Nos permiten llegar a
los recursos, llevar a cabo el comercio, los viajes y visitar otras personas. El diseño de los puentes es importante
para las redes de transporte de los que dependemos.
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Sabemos que hay muchos tipos diferentes
de puentes. ¿Quién puede nombrar
un tipo de puente? (Las
respuestas incluyen: viga, cercha, arco, suspensión y atirantado.) Lo que hace
un puente un puente viga? (Revisar
estos puntos clave: Un puente de haz es generalmente una estructura simple
hecha de, vigas rígidas horizontales El haz termina resto en dos pilares o
columnas El peso de la viga [y cualquier otra carga] está soportado por las
columnas o pilares...) Cuando en una viga de hacer el acto fuerzas? (Revise estos puntos clave: Las
fuerzas de compresión actúan sobre la porción superior de la cubierta de haz y
el puente, acortando estos dos elementos fuerzas de tracción actúan en la parte
inferior de la viga, que se extiende este elemento.).
Figura 1. Howe-poste de carga de
diseño cercha.
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puentes de vigas son el tipo más común
de puentes, e incluyen puentes de viga. puentes
de viga distribuyen las fuerzas diferente a otros puentes de vigas y, a menudo
se utilizan para el coche pesado y el tráfico ferroviario. En un puente de armadura, las vigas
son sustituidos por armaduras simples, o unidades triangulares, que utilizan
menos materiales y son simples de construir.
Construcción de vigas de puente
desarrollado rápidamente durante la revolución industrial; primero fueron hechos de madera, a
continuación, de hierro y finalmente del acero. Durante este tiempo, los diferentes
patrones de celosía también hicieron grandes avances. Muchos sistemas de celosía se originó
a mediados de la década de 1800 todavía están en uso hoy en día. El braguero de Howe, uno de los
diseños más populares, fue patentado por William Howe en 1840. Su innovación
fue el uso de soportes verticales, además de soportes diagonales (ver Figura
1). La combinación de elementos
diagonales y verticales crea fuerza impresionante en tramos largos; esto hizo que el diseño del armazón
ideal para puentes ferroviarios. braguero
de Howe era similar al patrón de celosía poste de carga existente. Sin embargo, utilizó hierro para los
soportes verticales y madera para los soportes diagonales. Aunque el hierro y la madera no se
utilizan tanto hoy en puentes modernos, el patrón Howe Truss sigue siendo
ampliamente utilizado. Ver las
Figuras 2-4 para otros patrones para entramados.
Figura 2. A través de Truss - Pratt
Truss diseño.
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Figura diseño cercha 3. Cubierta.
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Figura 4. Warren diseño cercha.
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Hoy en día, vamos a actuar como equipos
de ingenieros que hacen modelos de puentes. Hemos
sido contratado por una ciudad para crear un puente para cruzar uno de los ríos
locales. Sin embargo, la ciudad
no quiere que el puente pueda afectar a la población de peces en el río debajo
de ella. Los ingenieros siempre
en cuenta el objetivo
de diseño al crear
modelos. Nuestro objetivo de
diseño es hacer un puente que atraviesa el río (reducido a una distancia de 10
pulgadas [25 cm], soporta el mayor peso de los coches que pasan por ella, y no
perturba el pescado de río. Para simular el carga de los coches, nuestro puente
debe tener un lugar para sujetar una taza pequeña en el centro de la luz. para
demostrar las limitaciones ambientales en el diseño, ninguna parte del puente
puede tocar el "agua" (o la parte inferior del soporte de madera
estructura) y el puente no puede ser pegado a la estructura de soporte de
madera. los ingenieros a menudo tienen muchas restricciones
de diseño o limitaciones
que son parte de sus asignaciones de trabajo. Hoy en día, nuestras limitaciones
de diseño no sólo incluyen las restricciones ambientales y de peso, sino
también el presupuesto y materiales limitados el uso de la paja y la cinta como
nuestros materiales de construcción.
Vocabulario / Definiciones
pilar: Una masa, a partir de la albañilería,
que recibe el arco, viga, cercha, etc., en cada extremo de un puente.
Diseño: Para formar o concebir en la mente. Para hacer dibujos, bocetos o planes
para un trabajo. Para diseñar un
nuevo producto. Diseñar un
proceso mejorado.
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.
Modelo: (sustantivo) Una representación de algo,
a veces en una escala más pequeña. (verbo)
hacer o construir algo para ayudar a visualizar o aprender de otra cosa.
cercha: Un marco estructural basado en la
rigidez geométrica del triángulo y compuesta de miembros rectos.
Procedimiento
Antes de la
actividad
Figura 5. Estructura de soporte de
madera para la estación de prueba. El
azul representa el agua por debajo del puente. Los bloques terminales representan
pilares del puente.
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- Para el
ensayo de puente, hacer una estructura de soporte de madera (véase la
figura 5; opcional), o colocar dos mostradores de ~ 10 pulgadas (25 cm).
- Reunir
materiales y hacer formas ejemplo cuadrados y triangulares con cinta y
pajas como se muestra en las figuras 6 y 7.
- Divida
la clase en grupos de dos alumnos cada uno.
Con los
estudiantes
Figura 6. Ejemplo de construcción
cuadrado.
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- Discutir
puentes de viga con los estudiantes. Pedir
a los estudiantes a votar por una votación a mano alzada a la siguiente
pregunta: "¿Qué forma es más estable, triángulos o cuadrados?" Sume sus respuestas y escribir
los totales en la tabla de aula. Explicar
con demostraciones visuales que las plazas son menos estables que los triángulos. Para ello, mostrando ejemplo paja
da forma similar a las de las Figuras 6 y 7. Soporte las formas arriba en
un escritorio y empuje hacia abajo la parte superior de ellos. Con muy poca fuerza aplicada, los
giros de forma cuadrados abiertos, mientras que la forma cuadrada
compuesta de triángulos interiores resiste mucho más fuerza.
- Para
cada equipo, desmayar 20 pajitas, cinta adhesiva, tijeras y una regla. Recuerde, usted es equipos de
ingenieros que hacen puentes modelo utilizando la paja y la cinta como sus
materiales de construcción. Piense
con cuidado acerca de lo que su diseño se verá así. El objetivo del diseño es hacer un puente que atraviesa
el río y es compatible con la mayoría del peso. Su diseño de puente debe abarcar
una distancia de 10 pulgadas (25 cm), lo que significa que el puente debe
medir más de lo que lo que puede descansar sobre los pilares a cada lado
del río. Su puente debe
tener un lugar para sujetar una taza pequeña en el centro del vano. Cuando se prueba el puente,
monedas de un centavo se añadirán a la copa hasta que se derrumba el
puente. Será pesado Esa
cantidad de monedas de un centavo y su taza. Otras restricciones de diseño a considerar son que ninguna
parte del puente puede tocar el "agua" (o inferior de la
estructura de soporte de madera) y el puente no puede ser pegado a la
estructura de soporte de madera. Además,
los materiales son limitados. Mientras
que usted puede reducir sus pajas a cualquier longitud que desee, no se
dará ningún pajas adicionales (o de sustitución), incluso si
accidentalmente los corta a longitudes que no desea. Por lo tanto, pensar, dibujar y
medir antes de cortar. Otro
punto a hacer: Un manojo de pajas hiciera juntos, no satisface el
"espíritu" de esta actividad la construcción de puentes. Sin embargo, no es necesario
contar con puentes ven como si los coches pequeños podrían ir sobre ellos. Si es necesario, mostrar a los
estudiantes ejemplo diseños de celosía (ver Figuras 1-4) como ejemplos del
enfoque tomar (no copiar).
Figura 7. Ejemplos de diferentes
técnicas de travesaños utilizando la forma de triángulo.
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- Dé
tiempo los equipos de estudiantes a crear sus puentes. Dar a los estudiantes tiempo para
pensar en ideas, dibujar bocetos, y hacer planes y cálculos antes de
comenzar a cortar y grabar con su número limitado de pajas.
Figura 8. Ejemplo diseño del puente
paja (Howe-poste de carga) colocado en la estructura de soporte de madera para
la prueba de fuerza.
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- Antes
de probar la fuerza de los puentes, pedir a cada equipo: predecir la
cantidad de peso que crees que va a hacer que su colapso del puente. predicciones de registro en el
tablero. Colocar cada puente
en la estructura de soporte de madera (véase la figura 8). Coloque un pequeño vaso de papel
en el puente en el centro del vano; no
coloque el vaso en cualquier otro lugar. Poco
a poco llenar la taza con monedas de un centavo hasta que el puente se
derrumba o la copa se cae (ver Figura 9). Se pesa la copa y los peniques en
el equilibrio. Tome nota de
este peso, y grabarlo en el tablero junto a su predicción. Repita para poner a prueba todos
los puentes. Tenga en
cuenta, puede ser útil añadir una gran cantidad de monedas de un centavo
rápidamente al principio hasta que parece que el puente está empezando a fallar. En ese punto, añadir un menor
número de monedas de un centavo a la vez, con más cuidado y lentamente. El diseño del puente ganador es
el que soporta el mayor peso, mientras que el cumplimiento de los
criterios de diseño y limitaciones.
Figura 9. Este puente paja era tan
fuerte que se tardó más de una taza de monedas de un centavo para hacer que se
derrumbe.
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- Concluir
que conduce una discusión de clase de los resultados de las pruebas de
resistencia del puente. ¿Cómo
iban a mejorar su diseño del puente? Haga
que los estudiantes de cada equipo de ingeniería describir lo que harían
para hacer sus puentes más fuerte.
Problemas de seguridad
Recuerde a los estudiantes de las reglas
de seguridad de tijera.
Consejos para solucionar problemas
Utilizar pajitas de plástico que no son
del tipo flexible o "cuello articulados". Si sólo pajas de tipo flexible están
disponibles, cortar los extremos de paja que contienen las secciones flexibles. Ya que esto reduce la longitud de la
paja, dar a los estudiantes 25 pajuelas por grupo.
Usando una balanza para calcular el peso
de las monedas de un centavo en la copa es un método rápido para determinar la
cantidad de peso que se celebra cada puente de paja antes de que se derrumbó. Si el equilibrio no está disponible,
cuente el número de monedas de un centavo para la comparación de peso.
Si los gobernantes no están disponibles,
medir el lapso marcando su anchura en otra hoja de papel como una referencia
práctica. O, explican cómo los
estudiantes pueden obtener mediciones simples usando hojas completas de papel
de copia (8 ½ x 11 pulgadas). Por
ejemplo, con un lapso de 10 pulgadas, sería deseable hacer que el puente de
aproximadamente 11 pulgadas o igual a la dimensión más larga del papel.
Evaluación
Evaluación de
la Actividad Preliminar
La votación y demostración : Pide a los alumnos a votar por una
mano alzada su opinión para la siguiente pregunta. Contabilizar los votos y escribir los
totales en la tabla de aula.
- ¿Qué
figura es más estable: triángulos o cuadrados? (Explicar con demostraciones
visuales que los cuadrados son menos estables que los triángulos. Párese
un poco de cinta ejemplo y las formas de paja [Figuras 6 y 7] en un
escritorio y empuje hacia abajo en la parte superior de ellos. Con muy
poca fuerza aplicada, los vacíos giros forma cuadrada, mientras que la
forma cuadrada compuesta de triángulos interiores resiste mucho más
fuerza.)
Evaluación de
la actividad Embedded
Predicción : Antes de la prueba, pregunte equipos
para predecir cuánto peso se derrumbará sus puentes. Predicciones de registro en el
tablero.
Evaluación
después de la actividad
Re-Ingeniería : Pregunte a los estudiantes cómo
podrían mejorar sus diseños del puente, y hacer que se dibujan o poner a prueba
sus ideas.
Extensiones de actividad
Pide a los alumnos si saben sobre el
proceso de diseño de ingeniería. Es
el ciclo de diseño, construcción y prueba utilizada por los ingenieros de todo
el mundo. Los pasos del proceso
de diseño incluyen: 1) definir el problema, 2) llegar a ideas (brainstorming),
3) seleccionar el diseño más prometedor, 4) comunicar el diseño, 5) crear y
probar el diseño, y 6) Evaluar y revisar el diseño. Que los estudiantes reflexionen sobre
la actividad del puente de decisiones y la lista de lo que hicieron para cada paso
del proceso de diseño.
Truss patrones se utilizan desde hace
más de diseño del puente. Pedir a
los estudiantes a observar todas las aplicaciones del mundo real en el que se
ven los sistemas de celosía utilizados durante una semana. Posibles ejemplos: los elementos
estructurales que se encuentran en los techos (mirar hacia arriba en su garaje
o el sótano), suelos, techos y construcción de otras estructuras, además de
rampas, torres de radio, brazos de la grúa, y componentes de otros tipos de
puentes. Incluso una cúpula
geodésica se considera una armadura en forma de una esfera. ¿Puede usted ver la geometría del
triángulo en la forma de un cuadro de bicicleta? Haga que los estudiantes informen a la
clase para compartir sus hallazgos.
Escala de actividad
- Para
los grados más bajos, como el diseño de los estudiantes y construir
puentes de paja para abarcar 10 pulgadas (25 cm), permitir que se coloque
soportes intermedios en el "agua".
- Para
grados más altos, tener diseño estudiantes y construir puentes de paja
para abarcar una distancia de 20 pulgadas (50 cm) usando la misma cantidad
de material y no hay soportes intermedios en el "agua".
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