关键概念
物理学
工程学
地震
简介
地震会对建筑物造成严重破坏，并对人员造成危险。但世界上一些人口最稠密的城市位于地震多发地区。工程师如何确保这些城市数百万人口的安全？在这项有趣的活动中，了解如何利用科学来拯救生命！
背景
地球的构造板块在不断移动。通常，这种移动非常缓慢，我们几乎无法察觉。这种缓慢的移动可能最终会导致建筑物随着时间的推移而出现裂缝，但通常不会造成突然的、意外的损坏。然而，有时板块会卡住一段时间，然后迅速“松开”——有点像你试图打开一扇卡住的窗户，一开始它根本不动，然后突然移动得非常快。我们将这种地面突然移动称为地震。这些事件会导致建筑物摇晃甚至倒塌，对建筑物内部或附近的人员构成严重危险。
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工程师们开发了各种方法来提高建筑物的抗震能力。例如，一些建筑物略微具有柔韧性，因此它们可以来回摇晃而不会断裂。一些非常高的建筑物顶部有一个称为调谐质量阻尼器的重物，有助于消除地震的振动。其他建筑物具有隔震轴承，也称为基础隔震系统。顾名思义，这些轴承有助于将建筑物的基础与地面隔离开来，使其在地震期间独立移动——也就是说，当地面来回移动时，结构不会随之移动。这个概念类似于汽车上的减震器。当您在道路上驶过一个大的减速带或坑洼时，减震器有助于防止振动传递到车内的乘客。
工程师使用振动台对模型建筑物测试其抗震设计，振动台是一种特殊的桌子，可以来回摇晃以模拟地震。在这个项目中，您将使用一个简单的手动振动台来演示隔震轴承如何帮助防止建筑物在地震期间与地面一起来回摇晃。
材料
小纸板箱
一块瓦楞纸板，比纸箱的底部大
剪刀
胶带
几个圆形标记或蜡笔
笔或铅笔
一张纸
靠近墙壁的平桌子或桌子
尺子
准备
小心地从纸板上剪下两到三个小正方形，然后将它们粘在一起。
将纸板正方形粘在桌子或桌子上方约一英尺的墙壁上。
将纸张的顶部边缘粘在纸板正方形上，使纸张向下悬挂，并在纸张与墙壁之间留有间隙。让纸张自由悬挂——不要将其其他边缘粘在墙上。
使用笔和尺子在纸板箱的一个下边缘的中间做一个粗体标记。
将笔粘在纸板箱的顶部，使其笔尖悬挂在边缘上方。
步骤
将纸板箱放在您粘在墙上的纸张前面，使笔尖轻轻接触纸张。
将尺子粘在盒子前面的桌子上。
练习左右摇晃盒子几次。
笔应紧压纸张，以便在您摇晃盒子时绘制一条水平线。如果它没有绘制线，请尝试调整盒子与墙壁的距离，或尝试其他书写工具（例如不同的笔，或铅笔或记号笔），看看是否效果更好。
使用尺子和您在盒子上绘制的中心标记，尝试以相同的距离（例如，在每个方向上 1 厘米）来回摇晃盒子。保持这个距离和摇晃盒子的速度不变对于您的测试非常重要。
现在，尝试将盒子放在几根圆形标记的顶部，放在一块纸板的顶部。标记应垂直于墙壁。
来回摇晃纸板，距离和速度与您摇晃盒子本身的速度相同。您注意到盒子的运动有什么变化吗？笔在纸上做的标记会改变吗？
额外提示：您刚刚演示了一个非常简单的基础隔震系统，但它仍有改进的空间。例如，您可能会注意到很难保持盒子居中，它往往会向一侧漂移并从标记上掉下来。您能否设计一个系统来保持盒子居中并使其返回到其原始位置，或者防止其从纸板边缘滑落？例如，尝试使用连接到纸板底座和建筑物侧面的橡皮筋，或者用纸板底座上的棉球制作带衬垫的止动器。
额外提示：背景部分提到了其他一些使建筑物具有抗震能力的方法。尝试建造一个抗震塔。（例如，使用乐高或 K'Nex 等建筑玩具，或使用冰棒棍和胶水或木制烤肉串和泡沫塑料球等手工材料。）您能否使塔具有柔韧性，以便在模拟地震期间弯曲但不会断裂？您能否在塔上添加调谐质量阻尼器以减少其振动量？（在线搜索视频，了解调谐质量阻尼器的工作原理。）
额外提示：即使使用尺子，也很难始终如一地手动摇晃您的建筑物。您可以构建一个简单的橡皮筋驱动的振动台，让您可以进行更可控、可重复的摇晃。请参阅“更多探索”部分了解更多信息。
观察和结果
您应该注意到，当您将纸板箱放在标记上时，它不会像以前那样来回移动。这是因为圆形标记允许盒子和地面相对于彼此来回滑动。当您摇晃纸板时，它会在盒子下方来回移动，但这种运动不会完全传递到盒子。（一些运动仍然由于滚轮中的摩擦力而传递。）这模拟了一个基础隔震系统，该系统允许建筑物独立于地面左右移动。
现实生活中的基础隔震系统比这复杂得多。正如上面的“额外”步骤中提到的，您可能已经注意到很难让您的建筑物返回到其开始时的确切位置。它可能会倾向于向一侧漂移并从标记上掉下来。显然，对于真实的建筑物来说，这是不可接受的——你需要它保持在同一个位置！真实的基础隔震系统包含弹簧，当结构向两侧移动时，弹簧会产生一个恢复力，将结构拉回到中间。然而，这会引入一个新问题——弹簧会振荡（想想：在您拉动一端后，悠悠球会来回弹跳）。因此，基础隔震系统还包括阻尼器，或者利用摩擦来减少振荡的元件。您可以使用家用材料构建更好的基础隔震系统。但是要小心——具有太小摩擦力的强力弹簧（例如拉紧的橡皮筋）实际上会使振荡更严重！
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