核心概念
工程学
建筑学
物理学
地震
引言
你有没有想过高耸的摩天大楼是如何在重力作用下如此稳固地屹立的？那么，对于地震等更剧烈的力量呢？一个经过良好规划和测试的设计，与正确的材料相结合，可以使建筑物在各种摇晃和震动中保持完好无损。
曾经是世界最高建筑的马来西亚首都吉隆坡的双子塔，高度达到惊人的 452 米。由于马来西亚地处地震活动频繁的地区，该塔的设计必须能够承受地震期间产生的横向摇晃力。作为一名业余建筑师和工程师，你是否可以设计一种结构，能够承受类似于地震的横向运动？
背景
建筑师和工程师必须设计建筑物以承受来自各种来源的各种力，有些力比其他力更强：重力、内部人员、建筑材料的重量、天气和环境影响。如果设计稳定，这些力不会削弱结构或导致其坍塌。
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横向摇晃是在地震期间可能对建筑物造成最大破坏的力。顾名思义，这种力通常发生在平行于地面的方向上。设计具有横向抵抗能力的建筑物不仅有助于防止地震破坏，而且还可以抵抗其他横向力，如风力。工程师可以通过将建筑物的模型放置在“振动台”上，来测试建筑物抵抗横向力的能力，该振动台可以水平移动以复制地震产生的应力。
材料
• 乐高积木
• 大型平乐高底板
• 公制尺
• 三孔活页夹（旧的，可以拆卸的）
• 剪刀
• 四个小橡胶球（每个大小相同，直径约为 2.5 厘米）
• 两条橡皮筋（每条拉平时折叠后长度约为 8 厘米或更长）
准备工作
• 用剪刀小心地将三孔活页夹的前后封面剪掉。（这对成人来说可能是一项不错的任务。）
• 将两个活页夹封面叠放在一起，并在每个末端用橡皮筋将其“绑在一起”，距离板的边缘约 2.5 厘米。
• 在每个角落的板之间插入橡胶球，放置在距离边缘约 5 厘米的位置。
• 通过将板滑到橡皮筋下方，将一个大型平乐高板连接到顶部。 您的“振动台”现在可以摇晃一些塔楼了！
步骤
• 通过将振动台的顶层水平拉出对齐，然后再松开，练习创建横向摇晃运动。
• 轻轻尝试将顶层拉出尽可能大的不对齐程度（在不损坏振动台的情况下），然后测量位移距离，这是顶层和底层之间的水平距离。
• 在附近的表面上建造四个或更多高度递增的乐高塔。 对于每个塔，使用相同的底座尺寸和形状，以便塔的底面积相同，并且只有它们的高度不同。不同塔的高度是多少？
• 一次一个，从最短的塔开始，逐步到较高的塔，将每个乐高塔固定在振动台顶面中心。 要测试每个结构，请使用您先前测量的相同位移距离创建横向摇晃运动。所有塔都倒了吗？没有倒塌的？ 如果有些倒塌而另一些没有倒塌，这些塔之间的高度差异是什么？一般来说，较高的塔比矮的塔更容易倒塌吗？
• 提示： 如果没有塔倒塌，请尝试使用更高的塔和/或更小的底座尺寸来测试此活动。 如果所有塔都倒塌了，请尝试使用较短的塔、占用更多空间的较大底座和/或较小的振动台位移距离来测试此活动。
• 额外： 在此活动中，您保持每个塔的底面积相同，而仅更改了高度。尝试测试具有不同尺寸底座的乐高塔。 您是否认为通过更改底面积可以使更高的建筑物更稳定？ 您还可以计算底座的面积（通过将其长度乘以厘米为单位的宽度），然后将其除以每个塔的高度以获得底座与高度的比率。 塔的底座与高度的比率与它们在振动台上的表现相比如何？
• 额外： 尝试使用不同的材料来建造塔，这使您可以测试不同的结构设计。 好的材料是吸管、冰棒棍或牙签和棉花糖。 尝试将正方形设计与三角形或六边形设计进行比较。 尝试在您的设计中添加额外的结构元素。你能设计一个更稳定的塔吗？ 在失去稳定性之前，您能建造多高？ 观察和结果
一般来说，较高的塔倒塌了，而较短的塔则保持站立？ 如果您改变了塔的底面积，底面积较大的塔是否通常比底面积较小的塔更稳定？
高或瘦的结构通常不太稳定，这使得它们在受到横向力时更容易倒塌，而较短或较宽（在底部）的结构通常更稳定。 建筑师和工程师利用各种创新技术以及这些基本原则来建造令人惊叹的摩天大楼。随着技术的发展，建筑物的高度不断攀升，使工程师能够安全地建造更高的建筑物。
在 1800 年代后期允许建造摩天大楼的一项重大技术突破是开发了一种比以前使用的材料更轻、更坚固的材料：钢。在此之前，建筑物大多由砖和石头制成。建筑师和工程师设计了具有钢框架的摩天大楼，以支撑建筑物的重量，这意味着墙壁不再需要承重（如以前那样）。这一发展以及其他创新理念和材料使摩天大楼的建造成为可能——并且随着我们技术的不断进步，我们将能够越来越接近天空。
更多探索 来自 PBS 的“建筑巨人：关于摩天大楼的一切”
来自太平洋地震工程研究中心 (PEER) 的“用乐高学习：学校-大学合作伙伴关系 (SUP) 进行地震工程教育”
“横向力简介”（pdf），来自马里兰大学帕克分校技术 III 讲师 Deborah J. Oakley 教授
来自科学伙伴的“建造最高的塔”
此活动由科学伙伴合作推出