costruite un ponte fissato
a cavi
education
Engino Education ha
sviluppato questa nuova
serie di Mechanical
Science, pensata
appositamente per i
bambini che vogliono
sapere tutto e mettere in
pratica quello che
imparano! La serie affronta
8 argomenti principali della
meccanica: Leve, Giunti,
Ingranaggi, Ruote e Assi,
Piani inclinati e Cunei,
Carrucole, Camme e
Manovelle, e Viti, in modo
affascinante e divertente,
completamente diverso da
una tipica lezione di
scienze.
Questo modello di ponte fissato a cavi è una
tipologia di ponte a cavi. Un famoso esempio
è il ponte di Rio-Antirion in Grecia, il più lungo
ponte fissato a cavi ad arcate multiple.
Scoprite i due tipi di ponti fissati a cavi.
I due progetti di ponte fissato a cavi.
Come la tensione dà stabilità al ponte.
costruite un ponte ad arco
Costruite un modello funzionale di ponte ad
arco ed imparatene le proprietà! Vedete come
stabilizzare questo ponte e come esso possa
supportare molto peso trasferendolo alle
arcate.
mechanical science
Strutture
TM
e
ponti
Imparate tutto riguardo alle strutture e come esse letteralmente supportino le nostre vite! Scoprite i
differenti tipi di ponti e forze e costruite 7 modelli compresa una casa, un ponte sospeso, un ponte
sorretto da cavi, un ponte ad archi e due diversi tipi di ponte a capriate! Viene allegato un libretto
delle attività di 36 pagine con esperimenti innovativi e spiegazioni dettagliate di due diversi principi
tecnologici applicati! È allegato anche un libretto con istruzioni di montaggio dettagliate.
Come viene ridistribuito il peso.
I diversi elementi di un ponte ad arco.
riguardo alle strutture
Probabilmente qualunque
cosa si trovi intorno a voi in
questo momento è una
struttura! La vita non
sarebbe possibile senza di
esse. Siete circondati da
esse; perfino il vostro corpo
è una struttura. Sarà
difficile da credere, ma è
così anche per la torre
Eiffel e un ponte! Vi sono
molte figure e dimensioni
diverse di strutture, ma
essenzialmente fanno tutte
la stessa cosa. Entrate in
questo mondo affascinante
di strutture e ponti ed
esplorate la magia di
Mechanical Science!
costruite un ponte sospeso
Questo affascinante modello di ponte sospeso
vi presenterà un tipo speciale di ponti, i ponti
a cavi! Imparate sperimentando come la
tensione dei cavi supporti il piano del ponte.
The different types of truss bridges.
How triangulation strengthens a structure.
costruite un ponte a capriate
Costruite due affascinanti modelli di ponte a
capriate, uno con la capriata sopra il fondo e
uno con la capriata sotto il fondo!
I diversi tipi di ponti a capriate.
Come la triangolazione rinforza una struttura
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libretto attività
mechanical science
strutture
TM
01
pag
rdo
rigua
02
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03
pag
alla s
08
pag
13
pag
e
ponti
Che cosa impareremo?
Incontrate i vostri compagni di viaggio e imbarcatevi in un fantastico viaggio nel mondo
di Strutture e Ponti!
Breve storia delle strutture
Leggete l'interessante retroscena storico delle strutture, dai tempi antichi fino ai giorni
nostri.
Cos'è una struttura?
Fate un esperimento con un interessante modello di casa e imparate tutto riguardo alla
triangolazione e a come rendere più stabile una struttura.
Forze che agiscono sulle strutture
Scoprite i tipi di forze che possono agire su una struttura. Usate della carta insieme alle
vostre componenti Engino per costruire un modellino semplice di ponte e scoprite
come la forma e il materiale di un oggetto giochino un ruolo fondamentale nella stabilità
di una struttura
Carichi
Qui creerete un modellino semplice di ponte che vi aiuterà nello sperimentare ed
imparare i diversi carichi su di un ponte.
e
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Libretto di
attività manuali
17
pag
22
pag
26
pag
31
pag
Tipi di Ponti
Costruite 5 diversi modellini di ponte, compreso un ponte ad arco ed un ponte sospeso
e imparate ogni cosa sui diversi tipi di ponti e su come essi possano essere resi più
stabili!
Il Grande Quiz
E' ora di impegnarsi davvero! Cercate di risolvere ciascun esercizio usando le nozioni
apprese da tutte le precedenti attività ed esperimenti.
Commenti e Soluzioni
Leggete i commenti per ogni esperimento e controllate se avete risposto
correttamente!!
E' ora del premio
E' ora di ritirare il vostro premio per tutto il duro sforzo profuso nel risolvere gli esercizi
della sezione quiz e di ricevere il vostro voto in graduatoria come ingegnere strutturale!
o
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Alcuni dei modelli ritratti non sono inclusi in questo set.
Potrebbero appartenere ad altri set ENGINO.
contenuti
mechanical science
strutture
TM
Che cosa impareremo?
Ciao! Mi chiamo
Archimede e sarò la
vostra guida in
questa emozionante
ricerca di
conoscenza sulle
meraviglie di
Strutture e Ponti!
Questo libretto di Strutture e Ponti di Engino
Education contiene istruzioni illustrate passo a
passo, così che possiate imparare da soli attraverso
esperimenti ed esercizi, tutti riguardo alle strutture e
quanto esse siano parti molto importanti delle nostre
vite. Con le vostri componenti Engino sarete in grado
di costruire modellini entusiasmanti al fine di
condurre i vostri esperimenti, inclusi: 4 diversi tipi di
ponti, una casa e molto altro!
Il libretto contiene anche nozioni importanti riguardo
al mondo delle strutture ed esercizi e quiz per
mettervi alla prova! Verranno assegnati dei punti
per ogni risposta esatta al fine di posizionarvi nella
graduatoria che va da “Principiante” fino a “Engenio” nella nostra sezione quiz. Le soluzioni
vengono date a pag. 30-33.
Ma, prima di iniziare, vorrei presentarvi i miei amici
che ci accompagneranno in questo viaggio:
Peter ama
esplorare e
trovare eventi
strani nel mondo
che lo circonda.
Condividerà con
noi strani
racconti nella
sezione “Lo
sapevate?”.
Andrew è una
persona curiosa
e attenta. Vi farà
delle domande
per vedere se
capite ciascun
esperimento
nella sezione
“Osservazioni”.
01 pag
Sono la stessa
cosa: strutture!
Matthew è il Sig.
So Tutto! Ci
fornirà tutta la
teoria necessaria
e le nozioni nella
sezione
“Area
conoscenza” .
Angela è
divertente! Vi
presenterà
ciascun
esperimento,
con attività e
informazioni
interessanti.
Jennifer è la nostra
migliore scienziata!
Ci guiderà
attraverso ciascun
“Esperimento”.
James vi darà dei
punti per ogni
risposta corretta.
Quando lo vedete
nella sezione “Quiz”
fate del vostro meglio
e magari diventerete
un “En-Genio” in
strutture e ponti!
e
ponti
Breve storia delle strutture
Le strutture esistono da quando c'è la vita stessa. Ogni essere animato ha
bisogno di una struttura per supportare il proprio peso. Il tronco di un
albero con i suoi rami, è una struttura naturale che supporta le foglie e i
frutti dell'albero; il vostro scheletro supporta i vostri muscoli, nervi e
qualunque altra cosa nel vostro corpo, pertanto anch'esso è una struttura.
Ma vi sono anche strutture costruite dall'uomo che esistono da molto
tempo.
Sapete che cos'hanno in comune la vostra scuola, il
ceppo di un albero, una grotta e la vostra casa?
Sono tutte strutture! Quasi tutto ciò che vi circonda in
questo momento è una struttura. Perfino il vostro
corpo è supportato da una di esse! Siete mai stati
sopra a un ponte? Forse avete attraversato il ponte
Rio-Antirion in Grecia, o il Tower Bridge a Londra.
Anche questi sono fantastici esempi di strutture, ma
non sono i soli. So che cosa state pensando ora:
com'è possibile che un albero e la torre Eiffel siano la
stessa cosa?
Come ti chiami?
Libretto di
attività manuali
Anche il nostro corpo è
una struttura, perché
supporta il nostro
peso!!!
E' possibile che la prima struttura costruita dall'uomo fosse un ponte. Non
pensiate che se parlo di ponte mi riferisca a un grande e mirabolante
ponte sospeso come il Golden Gate negli USA. Un ponte è anche un
tronco buttato su un torrente o un fiume. Qualcosa di così semplice è ciò
che chiamiamo ponte a trave (tra breve lo esamineremo più nel dettaglio).
Gli uomini primitivi probabilmente li usavano per attraversare ruscelli stretti
e canyon prima di costruire case o alloggiamenti.
LO SAPEVATE?
La struttura più alta del
mondo per più di 3800 anni
fu la Grande Piramide di
Giza. Completata nel 2560
a.C. con un'altezza di 146.5
metri, è la più alta e antica
delle tre piramidi della
Necropoli di Giza e la sola
tra le sette meraviglie del
mondo ancora esistente.
Il suo record fu superato
dalla Cattedrale di Lincoln a
Lincoln, Inghilterra, con
un'altezza di 160 metri
nel 1300 d.C. Dapprima il
titolo fu vinto da un
grattacielo nel 1930, il
Chrysler, con un'altezza di
319 metri, nonostante il
record fu detenuto per
breve tempo, solo 11 mesi,
quando fu acquisito
dall'Empire State Building
nel 1931, alto 443.09 metri.
Oggi il grattacielo più alto è
il Burj Khalifa a Dubai, che
detiene anche il record per
la struttura più
alta mai
costruita
dall'uomo, con
l'altezza
straordinaria di
828 metri!!
Un ragazzino cammina sopra un
albero caduto a cavallo di un
fiume. Il primo ponte mai usato
era probabilmente qualcosa di
molto simile.
Quando la tecnologia avanzò, crebbe il bisogno di strutture più grandi e
migliori, e con i migliori materiali ora disponibili quali cemento e acciaio,
gli uomini si ingegnarono per costruire grattacieli, ponti, monumenti e
quasi ogni altra cosa vediate attorno a voi!
La struttura più antica che
detenne il record di altezza fu
la Grande Piramide in Egitto.
La più recente è il
Burj Khalifa a Dubai.
pag
02
mechanical science
strutture
TM
Ma che cos'è una struttura?
Libretto di
e
ponti
attività manuali
2. Provate a spingere l'arco dall'alto. Cosa osservate? Nella figura seguente indicate con le frecce la
direzione del movimento per le differenti parti dell'arco. C'è modo di migliorare questo progetto?
Disegnate le vostre idee nello spazio che segue, e testatele. [1]
Introduzione
Ho un amico che si chiama Tom, il cui padre fa
l'architetto, e alcuni giorni fa è andato col suo
papà in un cantiere. Durante la visita, Tom è stato
molto impressionato dalla grande gru che poteva
sollevare enormi pesi. Quello che lo lasciava più
perplesso era il fatto che la gru non sembrasse
molto solida: “E' solo un grappolo di triangoli
messi assieme. Per lo più è spazio vuoto!” disse
Tom. Vi siete mai chiesti la stessa cosa? Bene, se
lo avete fatto, allora eseguite il prossimo
esperimento con un'altra mia amica, Jennifer, e
scoprite perché le forme triangolari vengano così
spesso usate nelle strutture.
L'arco Engino
Gru usate nei cantieri.
Perché?
3. Dovreste aver notato che il triangolo è considerevolmente più robusto del quadrato. Ma ci sono modi
per rafforzare il quadrato. Ne potete pensare alcuni? Disegnate due suggerimenti nei due quadrati
seguenti e costruitele. Osservate e commentate qual è la migliore nella sezione “Osservazioni”
Scoprite...
Esperimento 1: Casa
Come si può rendere più stabile
una struttura usando i triangoli.
Procedura:
Prima di iniziare ricordate che alla fine di questo
libretto potete trovare commenti (segnati con
numeri tra parentesi) ad alcuni passaggi degli
esperimenti. Potete anche scrivere le vostre
risposte negli spazi forniti.
1. Usando le vostre parti Engino, costruite un
piccolo triangolo, un quadrato ed un arco. Quale
pensate che sia il più stabile? Provate a
muovere il triangolo e il quadrato spingendo e
tirando i loro lati ed angoli. Dove sono più
stabili?
4. Seguite attentamente le istruzioni nel Manuale Engino di istruzioni per costruire: strutture e ponti alla
pagina 1 e costruite un modellino di casa.
5. Quanto è stabile la vostra casa? Premete verso il basso il tetto della casa ed i lati ed osservate la sua
stabilità. Ora, spostate le tre barre estensibili e premete di nuovo. La casa è stabile come prima?
Il modellino di casa Engino
Triangoli e quadrati con pezzi
Engino
Materiali Necessari:
1. Pezzi Engino.
2.
Pezzi Engino: STRUTTURE E
PONTI.
The Engino square and triangle
03
pag
Qual è più resistente? Controllate la risposta esatta nella casella!
pag
04
mechanical science
TM
Osservazioni
strutture
Libretto di
e
attività manuali
ponti
Area Conoscenza
Definizione di struttura:
1) Nel triangolo e nel quadrato, quale elemento della struttura è più forte: i lati o gli
angoli?
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
2) Dall'esperimento è ovvio che il triangolo è di gran lunga più stabile del quadrato
come struttura. Perché secondo voi?
Una struttura è qualunque configurazione, naturale o creata dall'uomo, che
supporta un peso. Il vostro scheletro è una struttura poiché deve essere
abbastanza forte da supportare il vostro corpo più qualsiasi peso vogliate sollevare. Il
tronco di un albero è una struttura perché supporta i frutti e le foglie dell'albero. L'uovo
è una struttura perché supporta il pulcino al suo interno. Tutte queste configurazioni
fanno la stessa cosa ma in modo differente. Non tutte le strutture sono uguali. Esse
sono divise in molte categorie a seconda del loro profilo, che siano costruite dall'uomo
o naturali, o che siano progettate perché la gente vi viva o no:
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………..…
Le strutture naturali sono quelle che si sono create naturalmente
o non sono state costruite dall'uomo. Esempi di esse sono il
tronco di albero di cui abbiamo parlato in precedenza, l'uovo, il
nostro scheletro e molte altre.
3) ) Nel passaggio 3 dell'esperimento avete testato due vostre idee. Quale pensate funzionasse meglio?
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
Strutture create dall'uomo sono quelle costruite dall'uomo.
Queste sono le strutture che vedete attorno a voi ogni giorno, ci
vivete, con esse vi muovete e le ammirate! E' la vostra casa, l'auto
dei vostri genitori e il Partenone di Atene.
4) In che direzione si muovono le gambe dell'arco quando viene premuto sulla cima? Come potete fermare
quel movimento?
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
5) Nel passaggio 5, la casa è più o meno stabile con le aste estensibili? Commentate la vostra risposta.
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………
Il Partenone di Atene, in Grecia, è un bell'esempio
di struttura costruita dall'uomo nel 438 a.C.
Un'interessante combinazione delle due categorie sono
le strutture costruite da animali. Formicai e tane di
castori ne sono perfetti esempi poiché non sono
strutture che si formano naturalmente, ma sono
anch'esse costruite da qualcuno di diverso dall'uomo.
Infatti, molte delle nostre strutture si basano su progetti
tratti da queste costruite dagli animali.
Questo è un interessante esempio di
termitaio, che è una struttura non costruita
dall'uomo ma da creature della natura, le
termiti!
Momento Quiz 1
Quindi ora sapete perché la gru che Tom ha visto è stata costruita usando il triangolo!
Potete pensare ad altre strutture che usino il triangolo? Nominatene una e nominate
anche due strutture che usano rispettivamente il quadrato ed il triangolo (2.5 punti)
Un Monastero
05 pag
La classificazione delle strutture a seconda che siano costruite dall'uomo o naturali è molto ovvia. Tuttavia
è anche molto ampia, pertanto gli scienziati hanno categorizzato le strutture più specificamente, sulla base
del loro profilo:
Lavori per una casa nuova. I
muratori usa elementi di legno
per creare un telaio che
sostenga l'intera struttura.
Strutture a telaio sono strutture che consistono in molti pezzi
connessi tra loro chiamati membri. Possono essere sia naturali sia
costruiti dall'uomo, un buon esempio di quelli naturali è il nostro
scheletro, di quelli costruiti dall'uomo è la gru. Il triangolo, il quadrato e
l'arco che abbiamo esaminato negli esperimenti precedenti sono parti
di una struttura a telaio. Le più usate sono le figure di triangoli, poiché
sono più stabili dei quadrati. La ragione di ciò è che qualunque forza
applicata a un triangolo viene trasferita ai suoi angoli, che sono i suoi
punti più forti. Pertanto ogni figura quadrata usata nelle strutture viene
triangolarizzata per una maggiore stabilità, aggiungendo un membro al
quadrato, così creando due triangoli. L'arco consiste in piccoli elementi
a forma di cuneo. E' costruito in un modo da trasferire tutta la forza e
la pressione alla base dell'arco così una volta che l'arco è completato,
è molto stabile. Però necessita anche di supporti esterni chiamati
spalle, che spingono l'arco verso l'interno in modo che le due basi non
si muovano verso l'esterno.
pag
06
mechanical science
strutture
TM
Le strutture a guscio consistono in una solida unità che supporta
peso dall'esterno. Questo significa che il peso è all'interno della
struttura. Un grande esempio di questa struttura è il guscio
dell'uovo che supporta il pulcino dall'esterno. Le strutture a
guscio tendono ad essere più leggere delle strutture a telaio,
pertanto vengono usate in applicazioni dove il peso è un
problema, come nel cofano di un'auto.
Libretto di
e
Introduzione
Vi sono anche molti esempi di strutture che sono delle combinazioni di struttura a guscio e a telaio, come il
cofano di un'auto che è una struttura a guscio ma ha un telaio sottostante che fornisce più robustezza
Quale materiale pensate sia più resistente: carta o legno? Sono certa che molti (se non
tutti) hanno risposto legno. Bene, questo non è del tutto vero. Adesso penserete che la
carta si può facilmente strappare mentre è molto più difficile farlo col legno. Ma questa
non è tutta la verità. Vi sono molti modi in cui potete esercitare una forza su un corpo,
ognuno dei quali agisce in modo differente su quel corpo. Perfino applicando la stessa
forza sullo stesso corpo, a volte la forma del corpo gioca un ruolo molto importante.
Seguite la mia amica Jennifer nel prossimo esperimento e imparate voi stessi quante
differenti forze possono essere applicate e come ciascuna agisca in modo differente
sulla materia.
Esperimento 2: Ponte di
Carta
Il cofano dell'auto è una struttura a
guscio, ma al di sotto vi sono
elementi triangolari che danno
ulteriore supporto
Procedura:
Scoprite...
I tipi di forze che agiscono sulle
strutture.
Una casa è una costruzione...
Per questo esperimento avrete
bisogno di un pezzo di carta
arrotolato in tubicini come mostrato
nella figura
Materiali Necessari:
...mentre un ponte non lo è
Knowledge check:
ponti
Forze che agiscono sulle strutture
Sia le uova che il loro
cestino sono esempi di
strutture a guscio!
L'ultima categoria che studieremo è quella delle costruzioni e non
costruzioni. Una costruzione è qualsiasi struttura in cui la gente
può vivere (hotel, case, ecc), mentre una non costruzione è una
struttura in cui la gente non vive continuativamente (come auto,
ponti e gru, ecc.).Tuttavia alcune strutture come fari e centrali
energetiche che non sono occupate continuativamente, sono
classificate come costruzioni a scopo di sicurezza.
attività manuali
Un faro è considerato costruzione
perché è a scopo di sicurezza.
1. Pezzi Engino.
2. Libretto delle istruzioniEngino:
Verificate cosa avete imparato
STRUTTURE E PONTI.
Qual è la definizione di struttura?
3. Sacchettini riempiti con
Qual è la differenza tra struttura a guscio e struttura a telaio?
fagioli, sassolini o altri piccoli
materiali.
1. Prendere un pezzo di carta e tenetelo dai bordi.
Che cosa osservate? Mantiene la sua forma o si
piega?Usate una matita, fatta anch'essa di legno,
e tenetela dalle estremità. Anche la matita si
comporta nello stesso modo? [1]
2. cercate di non stropicciare la carta e
spezzettatela. Sotto quale forza la carta conserva
la sua forma? Adesso fate la stessa cosa con una
matita. Che cosa osservate? [2]
3. Arrotolate la carta attorno a una forma cilindrica come la
vostra matita per creare un tubicino stretto come mostrato
sopra e ripetete il passaggio 2. Fate attenzione a non piegare
il tubo quando lo premete, piuttosto spingetelo solamente
sulla sua lunghezza. Usate 4 tubicini di carta per supportare
una piattaforma su cui potete mettere del peso. Potete
trovare le istruzioni su come costruire una piattaforma sul
manuale delle istruzioni, pagine 10-11, passaggi 4-7. Vedete
quanto peso potete sollevare. Provate forme diverse di carta
(per esempio triangolare o rettangolare invece di cilindrica)
per supportare la piattaforma e testare quanto peso può
portare ciascuna forma. Scrivete le vostre osservazioni
nell'Area Osservazioni.
4. Ora usate la carta come fondo del ponte, non come
pilastri. Usate un sacchettino di sabbia o di pezzi Engino sul
fondo del vostro ponte per vedere quanto peso può portare.
Potete usare una scala per registrare il peso del sacchetto
che volete. Costruite un pannello a sandwich usando carta e
colla come illustrato sotto. Potete costruire qualsiasi dei tre, o
tutti se volete. Scrivete le vostre osservazioni nella pagina
seguente, annotando il peso per ogni figura (se è disponibile
una scala).
Qual è il vantaggio della figura del triangolo rispetto al quadrato?
What is the difference between buildings and nonbuildings?
07 pag
4. 4 fogli di carta in formato A4,
colla.
5. A pencil
Alcune idee che potete usare per
creare il fondo di un ponte! O,se
volete, potete usare dei progetti vostri!
pag
08
mechanical science
strutture
TM
Osservazioni:
Area Conoscenza
1) Completate la tabella seguente secondo le vostre osservazioni. Scrivete debole,
forte o molto forte per ciascuna forza e Sì o No per l'elasticità. Usate le immagini sotto
per capire meglio come ciascuna forza agisca sul tubicino di carta.
Tipi di Forze:
1
2
4
Forza
1.
Compressione (premi)
2.
Tensione (spinge)
3.
Torsione (ruota)
4.
Piegatura
5.
Strappo
3
5
Carta
Carta Piegata
Tubicino di
Carta
Legno
Elastico
2) Completate la frase seguente con la forza appropriata.
Nel passaggio 3 dell'esperimento le forme di carta sono tutte sotto ………..................…… mentre nel
passaggio 5 la forza che agisce su di esse è …………......................
3) Cosa pensate che significhi quando diciamo materiale elastico? Quale configurazione di carta è la più
elastica?
Libretto di
e
ponti
attività manuali
Una forza può essere definita come la ragione per cui un corpo inizia a muoversi o si
ferma. Non possiamo toccare o catturare la forza, ma la percepiamo ogni volta. La forza
ha una direzione e una resistenza, quindi può essere misurata. Solitamente
rappresentiamo una forza con un vettore (freccia). La dimensione della freccia indica la
resistenza della forza, detta magnitudo, mentre la sua direzione è la direzione in cui la
forza viene applicata. Ma non tutte le forze sono uguali. O, se preferite, non tutte le forze
hanno lo stesso effetto. Alcune causano lo stiramento del corpo e quindi lo allungano; altre
lo strizzano mentre altre lo frantumano. Un materiale può rompersi quando ruotato, tirato o
piegato. Tutto dipende della direzione in cui si applica la forza e dalle proprietà e
resistenza del materiale. In questo capitolo impareremo i diversi tipi di forze che agiscono
sulle strutture.
Rappresentazione grafica di un
F
direzione
vettore, in questo caso la
magnitudin
Forza, con magnitudine e
direzione
Compressione è la forza che spreme un materiale. Se il materiale
è elastico si stringerà. La direzione delle forze è interna, lungo
l'asse del corpo. Un esempio perfetto di compressione si ha quando
comprimete una molla in metallo. Questo è anche un grande
esempio di materiale che cambia il proprio comportamento quando
la propria forma è diversa. Una barra di metallo diritta è molto forte
durante la compressione, senza quasi cambiamenti visibili nella sua
lunghezza. Tuttavia quando viene modellata in una molla non è
così resistente se compressa, ma ritorna alla sua forma originaria
quando smettiamo di applicare la forza (a meno che superiamo un
limite, di cui parleremo più avanti). Materiali duri sotto
compressione sono il legno, l'acciaio, il cemento armato ecc.
Tensione è la forza che tira un materiale. E' l'opposto della
compressione poiché in questo caso la direzione delle forze è verso
l'esterno del corpo, lungo il suo asse. Potete dire che la
compressione è una forza che spinge, mentre la tensione è una
forza che tira. I materiali resistenti alla tensione sono il legno (se
tagliato lungo la venatura), la corda, cavi di acciaio ecc.
………………………………………………………………………………………………………….......................
………………………………………………………………………………………………………….......................
Compression is the force
that squeezes a body, like
your hand squeezes a
lemon!
Piegatura è la forza che piega un materiale.
Fondamentalmente è una combinazione di compressione e
tensione. Quando un materiale viene piegato verso il basso la
sua parte superiore è sottoposta a tensione e la sua parte
inferiore a compressione. C'è un asse al centro del materiale
chiamato asse neutro, non è né in compressione, né in
tensione. La piegatura normalmente avviene quando la forza
esercitata su un corpo non è nel punto in cui è supportato.
4) Qual è la migliore forma e configurazione di carta, se volete portare il massimo peso?
………………………………………………………………………………………………………….......................
………………………………………………………………………………………………………….......................
………………………………………………………………………………………………………….......................
Quando fate il gioco della corda
applicate tensione sulla corda
poiché voi e i vostri amici
applicate forze in direzioni
opposte
La parte superiore di
questa molla è in tensione,
mentre la parte inferiore è
in pressione, quindi si
piega.
Ponte di Carta Engino!
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pag
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mechanical science
strutture
TM
Taglio è la forza che lacera un corpo.
La direzione delle due forze è
opposta, il che causa che le parti del
corpo si muovano in direzioni opposte,
pertanto che il corpo si rompa.
A twisted bag.
A simple highway bridge
Materiali diversi sono resistenti sotto l'azione di forze diverse. Ma
quando costruiamo le nostre case e grattacieli vogliamo che essi siano
resistenti a tutte le forze. Pertanto combiniamo i materiali in modo che
ciascuno di essi possa contribuire con le sue proprietà a rendere una
struttura resistente a tutte le forze. Un grande esempio di ciò è il
cemento armato che è cemento con al suo interno cavi in acciaio
chiamati tendini. Questa combinazione è molto resistente sia alla
compressione, sia alla tensione ed è uno dei più significativi materiali
usati in quasi tutte le strutture costruite dall'uomo oggi.
Molto importanti sono anche la forma e l'elasticità del materiale. Come
dimostrato nell'esperimento lo stesso materiale può avere proprietà
diverse se la sua forma è diversa. I tubicini di carta sono molto più
resistenti alla compressione di un pezzo di carta, mentre la carta
piegata può supportare molte volte il proprio peso, e molto più di un
singolo pezzo di carta.
Ma, solo perché la forma è cambiata, non significa che il materiale si
romperà. Alcuni materiali sono elastici, il che significa che possono
temporaneamente cambiare la propria forma senza un danno
permanente.
Naturalmente vi è un limite. Se viene esercitata abbastanza forza su di
esso, anche il materiale più elastico si deformerà e infine si romperà.
Un grande esempio di ciò è la gomma o perfino la carta che si piega e
cambia la propria forma senza rompersi e diversamente dal legno, che
se piegato si romperà.
Esempio perfetto di elasticità: le molle
possono essere compresse, piegate o
distese, tornano sempre alla loro forma
originaria!
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e
ponti
Sfida Costruttiva
Torsione è la forza che ruota un
corpo. E' simile al taglio ma ora
abbiamo parti del corpo che compiono
un movimento circolare ma in direzioni
opposte. Può accadere che il corpo si
rompa, come nella forza di taglio
Forbici che tagliano un
nastro rosso esercitando
due forze opposte,
parallele l'una all'altra.
Libretto di
attività manuali
Lo Sapevate?
Cemento versato sulle
barre di ferro, creando il
cemento armato
Un metodo simile al
cemento armato è quello
del cemento pre-tensionato.
La tecnica preparatoria è
quasi esattamente uguale a
quella del cemento armato,
ma con una differenza
importante: i tiranti d'acciaio
utilizzati sono
intenzionalmente messi in
tensione! Una volta che il
cemento versato sopra si è
indurito, la tensione dei cavi
viene rilasciata. Quando i
cavi sono sotto pressione,
vengono tirati e quindi
aumentano di lunghezza.
Quindi, una volta che
vengono rilasciati, si
comportano come una
molla, cercando di tornare
alla loro dimensione
originale, creando una forza
che spinge i cavi d'acciaio
verso l'interno. In questo
modo, il cemento è sotto
compressione, dal
momento che l'attrito statico
crea la stessa
forza diretta
all'interno che
spinge il pezzo di
cemento in dentro.
Numerose sono le
applicazioni di
questo metodo, dai
ponti, ai pavimenti,
ai balconi.
Dovreste aver notato che quando mettete del peso
al centro di un ponte, anche se il ponte non cede
(crolla), il fondo del ponte si piega. Nei ponti veri una
tale piegatura sarebbe naturalmente catastrofica,
quindi gli ingegneri hanno escogitato molti modi per
prevenirla! Ne immaginate qualcuno? Applicate una
delle vostre idee e vedete quanto sia efficace, senza
però usare alcun pezzo Engino, piuttosto più fogli di
carta. Se la vostra idea ha successo e il ponte non si
piega più quando ci mettete sopra il peso,
guadagnerete 2.5 punti! Confrontate la vostra idea
con una delle nostre fornite nella sezione Commenti e
Soluzioni.
Completate la conclusione con le parole nel riquadro grigio
vettore, stringe, piegato,
accelera, acciaio, estende,
cemento, compressione
Forza è il motivo per cui un corpo..................... Ha direzione e
resistenza, quindi è un ..................................
Compressione è la forza che ................ un corpo. Un materiale
resistente alla compressione è l'…. ....................
Tensione è la forza che .......................... un corpo. Un materiale
resistente alla tensione è il ............................
Quando un materiale è .......................... abbiamo una
combinazione di due forze, tensione e ............................
Verifica delle conoscenze:
verificate cosa avete
imparato.
Quali sono i principali tipi di forze?
Quali materiali resistono alla compressione?
Quali materiali resistono alla tensione?
Cos'è l'elasticità?
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mechanical science
strutture
TM
Carichi
Libretto di
e
ponti
attività manuali
Osservazioni
Introduzione
1) Dove è più probabile che il ponte ceda: sul fondo o sui suoi supporti?
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
Abbiamo parlato delle forze e di come esse
influenzino le strutture nella sezione precedente, ma
vi siete chiesti chi o che cosa realmente eserciti
queste forze? Sappiamo che se mettete abbastanza
peso su qualcosa, questa potrebbe rompersi. La
stessa cosa accade anche con le strutture. Ma come
potete calcolarlo? E come possono sapere gli
ingegneri che progettano ponti e gru e grattacieli,
quanto peso sopporta la loro struttura? Tutti avete
attraversato un ponte e potreste aver visto grandi
camion e altri veicoli pesanti passarci sopra. Gli
ingegneri non possono aver previsto ogni veicolo che
avrebbe usato il ponte, quindi come hanno potuto
costruirlo abbastanza forte? Seguite la mia amica
Jennifer nel nostro prossimo esperimento e costruite
un modello di ponte semplice ed imparate tutto
riguardo ai diversi tipi di carico.
2) Qual è il punto più debole sul fondo?
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
Il tipo più semplice di ponte,
un ponte a trave a cavallo di
un ruscello
4) Nel passaggio 4, il sacchetto è lo stesso in tutti i casi. Allora perché pensate che il ponte ceda quando il
sacchetto cade sul fondo ma non lo fa quando semplicemente vi è appoggiato?
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
Esperimento 3: Ponte a Trave
Scoprite...
Procedura:
I diversi tipi di carichi sulle
strutture.
1. Seguite attentamente le istruizioni a pag. 911, fino al passaggio 8, nel manuale di istruzioni
per la costruzione: Strutture e Ponti di Engino
Education per costruire il vostro modello di
ponte.
Momento Quiz 2
Nella figura seguente scrivete le forze su ciascun lato del ponte quando c'è una forza
applicata al centro del fondo. Usate delle frecce per indicare la direzione di ciascuna forza,
usando
per la compressione e
per la tensione. Che forza viene
esercitata sul fondo del ponte? (3 punti)
2. Ora il ponte è stabile, ma non sta portando
alcun peso se non il proprio. Provate ad
allungarlo finché non raggiungerete un punto in
cui il ponte non lo sopporterà. In che parte si
rompe il ponte? Quante barre avete usato?
3. Ora, riportate il ponte alla sua forma originale. Mettete
il braccio attorno al fondo del ponte. Cede? Ora mettete
un po' di peso al centro sul fondo. Potete usare un
sacchetto pieno di sabbia. Ora il ponte cade?
Mettete il sacchetto a qualunque estremità del ponte.
Cosa osservate? Cos'è più pesante: il sacchetto o la
vostra mano?
4. Togliete un po' di peso dal sacchetto finché il ponte
sopporta appena il suo peso e posizionatelo sul fondo del
ponte. Ora lasciate cadere il sacchetto da una certa
distanza sul fondo. Fatelo cadere da una posizione
sempre più alta fino a quando il ponte non crolla.
5. Fate cadere il sacchetto dall'alto sul fondo. Il ponte
riesce a supportarlo o cede?
peso
3) Se la vostra mano è più pesante del sacchetto, perché il ponte cede quando lo mettete al
centro del fondo? Perché non cede quando il sacchetto è all'estremità finale del ponte?
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
Carico su un ponte
Materiali Necessari:
1. Pezzi Engino.
2.
Manuale di Istruzioni di
costruzione Engino: Strutture e
Ponti
3. Sacchetto di sabbia, fagioli,
sassi o qualunque tipo di
material minuto che agisca da
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Il ponte a travi Engino!
pag
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mechanical science
strutture
TM
Tipi di carico:
Abbiamo imparato prima che una struttura è qualcosa che supporta un peso. Quel peso
è chiamato anche carico. Fondamentalmente un carico è qualunque forza che agisce su
una struttura, come il peso di un'auto, un treno, la forza del vento o dell'acqua (nel caso
di un ponte), perfino il peso della struttura stessa. Ma vi sono molti diversi tipi di carichi, a
seconda di diversi fattori: chi esercita la forza, dove viene esercitata e che tipo di forza
sia.
Se ora la forza non è applicata a un singolo punto ma su un'area più ampia della struttura, essa è
chiamata carico di distribuzione. Questo era indicato nell'esperimento quando avete messo la vostra mano
a ridosso del fondo del ponte, così che il peso del vostro braccio era supportato dall'intero ponte e non
solo da un punto. La forza del carico su un punto e il carico di distribuzione possono avere lo stesso valore
ma poiché il carico su un punto è applicato solo ad un punto della struttura, significando che tutta la forza
è concentrata in un punto, la struttura potrebbe cedere.
Inoltre, i carichi possono essere statici o dinamici, a seconda che la forza agente sulla struttura sia
costante o cambi lentamente oppure dinamica (produca forze col loro movimento, come il vento, forti
terremoti, onde e molti altri).
Carico di distribuzione
Carico su un punto
A seconda di chi o cosa eserciti la forza, i carichi possono essere suddivisi in 4 categorie:
Carico Morto è il peso della struttura stessa,
pertanto è costante nel tempo. Uno degli aspetti
più importanti nel progetto di qualunque struttura
è la necessità che il carico morto sia il più piccolo
possibile, in modo tale che la struttura sia più
leggera e più economica.
Il peso della struttura stessa
è chiamato carico morto.
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pag
ponti
La combinazione di carico morto e
carico vivo è chiamato carico di lavoro.
Il nuovo Tacoma
Narrows Bridge, nello
Stato di Washington
State, USA.
Se la forza viene applicata a un solo punto del ponte allora il carico è chiamato carico su un punto.
Realisticamente ciò non è possibile, perché punti perfetti non esistono nella vita reale! Tuttavia se
qualunque carico è applicato ad un'area relativamente piccola in confronto alle dimensioni della struttura,
allora essi si comportano come carichi su un punto. Nell'esperimento abbiamo usato un sacchetto di
sabbia al centro del fondo del ponte per dimostrarlo.
e
Carico Vivo è qualunque peso esercitato sulla struttura, che non sia
permanente. Questo include persone, animali, auto e qualunque altra
cosa che eserciti una forza sulla struttura per un breve periodo di
tempo. Gli ingegneri devono fare una buona stima del peso vivo
quando progettano una struttura, al fine di farla abbastanza robusta
per resistere all'eventualità peggiore.
Area Conoscenza
Una persona che porta una scatola
fondamentalmente porta un carico,
poiché il peso della scatola è
applicato alla persona!
Libretto di
attività manuali
Lo Sapevate?
Uno dei più spettacolari
casi di struttura ceduta è il
Tacoma Narrows Bridge,
che crollò nel 1940. Era
nello stato di Washington,
USA e quando crollò era il
terzo ponte sospeso più
lungo del mondo. Perfino
mentre veniva costruito il
fondo del ponte oscillava su
e giù in condizioni ventose,
e continuò a farlo quando fu
aperto al pubblico. Gli
ingegneri tentarono di
fermare questi movimenti
ma con scarso successo, e
la mattina del 7 Novembre,
con vento che toccava i 64
km/h, solo 4 mesi dopo il
completamento, crollò,
dopo aver iniziato ad
oscillare violentemente. Il
crollo venne attribuito alla
risonanza, sebbene ora si
pensi che l'ondeggiamento
aeroelastico ne sia stato la
causa. Oggi c'è il New
Tacoma Narrows
Bridge, nella stessa
posizione, costruito
secondo gli standard di
sicurezza adottati
dopo il crollo del
ponte originale!
Il carico di lavoro di un ponte include il
peso del ponte e delle auto sopra.
Carico d'Urto è il carico esercitato da oggetti pesanti che si muovono
velocemente nella struttura. Questi oggetti producono un'altra forza,
chiamata urto, che si aggiunge al loro peso e pertanto aumenta il loro
carico totale. I carichi d'urto a volte possono essere molto elevati,
pertanto le strutture devono essere molto forti per resistervi. Per
esempio quando un treno attraversa un ponte il suo carico d'urto è
molto grande, maggiore di quanto molti ponti possano sopportare,
quindi non tutti i ponti possono essere utilizzati a quello scopo. I
carichi d'urto sono carichi dinamici.
Carico Ambientale è il carico esercitato da qualsiasi fenomeno
naturale. Esempi ne sono il vento, la pioggia, la neve, i terremoti e
molti altri. Per calcolarli gli ingegneri devono considerare molti fattori
come la posizione del ponte, le condizioni meteorologiche della zona,
qualunque pregressa attività sismica, e nel caso di un ponte, le
correnti delle acque. Queste sono associate ad un grado di
imprevedibilità, motivo per cui le strutture vengono costruite con forte
resistenza a grandi carichi ambientali, molte volte più alta del
massimo che è stato registrato in una data area.
Carico Ambientale: un ponte
carico di neve
Il crollo del Tacoma Narrows
Bridge
Verifica delle conoscenze:
verificate cosa avete
imparato.
Che cos'è un a carico?
Che cos'è un carico su un punto, e un carico di distribuzione?
Quali sono i principali tipi di carichi, a seconda di chi li esercita?
Esempi di carichi ambientali.
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