关键概念
物理学
几何学
工程学
桁架
引言
您是否曾经开车经过一座桥梁，或者看到正在施工的建筑物，并注意到大型的金属支撑梁？在正在施工的房屋中，木梁又如何呢？您是否注意到，有时支撑结构会形成不同的几何形状，例如三角形或正方形？在这个项目中，您将成为一名结构工程师，并用冰棒棍制作自己的“支撑”形状。您认为哪种形状会最坚固？
背景
当土木工程师建造大型结构（如桥梁和建筑物）时，他们必须考虑力（如重力、压力、张力和扭矩）将如何作用于建筑材料。重力不断地将材料（尤其是重物）拉向地球。例如，汽车驶过桥梁的重量可以对结构产生推力（产生压力）或拉力（产生张力），如果设计不当，会导致结构断裂。工程师还必须设计结构来处理扭矩或“扭曲”。扭矩的一个例子是，当您转动螺丝刀来拧紧螺钉时，或者当您用双手握住尺子并试图弯曲它时。
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桥梁和建筑物的框架通常以“桁架”的形式建造，即一系列在其末端连接的梁。工程师的目标是设计一个略微弯曲但不会弯曲或断裂的桁架，即使在强大的力作用下也是如此。在这个项目中，您将通过用曲别针将冰棒棍首尾相连来制作桁架。您能猜出哪种简单的几何形状最能抵抗弯曲吗？准备好找出答案！
材料
冰棒棍（至少七根）
小曲别针（至少七个）
步骤
用曲别针将两根冰棒棍首尾相连夹在一起。
用每只手握住每根冰棒棍的一端。轻轻地尝试来回扭动它们，围绕曲别针连接它们的接头旋转。（通过将冰棒棍的平面相互滑动来执行此操作，不要试图通过弯曲它们来“折断”它们。）冰棒棍围绕接头旋转有多容易？
现在，用四个角用曲别针连接的冰棒棍制作一个正方形。
用手指抓住两个相邻的冰棒棍，轻轻地尝试相对于连接它们的接头旋转它们。旋转冰棒棍有多容易？整个正方形的形状会发生什么变化？
抓住两个彼此相对的冰棒棍，轻轻地尝试将它们来回滑动，使其彼此平行。将冰棒棍来回滑动有多容易？整个正方形的形状会发生什么变化？
现在，用三个角用曲别针连接的冰棒棍制作一个三角形。
用手指抓住两个相邻的冰棒棍，并尝试像对正方形一样旋转它们。会发生什么？您能旋转冰棒棍吗？或者三角形保持其形状？它与正方形相比如何？
附加： 如果您有更多的冰棒棍和曲别针，请尝试用多个相连的正方形和/或三角形制作更大的桁架结构。当您推、拉或扭转桁架的不同部分时会发生什么？一种形状（三角形或正方形）是否更倾向于“保持其形状”，而另一种形状则会滑动？
附加： 尝试在正方形上添加一条对角线，将其分成两个三角形。（用多个曲别针将两个冰棒棍固定在一起，以制作一个无法旋转的单根较长的棍子）。您还能轻松旋转正方形吗？
附加： 如果您有可用的建筑玩具，例如 K'nex、Tinkertoys 或 LEGO Technic 零件，请尝试使用它们来制作不同几何形状的桁架。（请注意，这不适用于常规的 LEGO 积木，您需要带有孔的梁，这些梁可以通过销钉连接。）您是否获得了与使用冰棒棍相同的结果？
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观察和结果
您应该发现，在正方形桁架中旋转冰棒棍非常容易。当您旋转两个相邻的冰棒棍，或者滑动两个彼此相对的冰棒棍时，它们都保持连接，但整个正方形会变形形成一个平行四边形——这对于冰棒棍结构可能还可以，但对于建筑物来说却是灾难性的！
但是，当您尝试旋转三角形桁架中的冰棒棍时，它们不会移动。三角形设计“更强”——冰棒棍在这种形状中以这样一种方式排列，当您推或拉它们时，没有一个可以旋转。
之所以发生这种情况，是因为工程师所说的“自由度”。正方形桁架有一个自由度，这意味着它可以在一个方向上移动（在本例中，是一个旋转方向——它可以从正方形旋转到平行四边形）。防止正方形完全旋转的唯一方法是在接头处非常非常用力地夹紧（想象一下使用更强的曲别针）。您现在可以明白为什么在建造结构时只使用正方形是不好的——所有的接头都必须超级坚固！然而，三角形的自由度为零——它的所有冰棒棍都固定在原位且无法旋转。这意味着您可以用三角形构建一个不会旋转或变形的桁架结构——即使接头只是用曲别针轻轻地固定在一起。
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