关键概念
桥梁
力
载荷
工程
引言
你有没有乘坐汽车驶过悬索桥？悬索桥以其高耸的塔楼、长跨度和优美的曲线形缆索，是土木工程师杰作的典范。缆索和塔楼如何承受桥梁的载荷——包括你和你的汽车的重量？悬索桥比不使用缆索的简单梁桥能承受更大的载荷吗？你可以在这个悬念迭起的科学活动中尝试解答这些问题！
背景知识
梁桥是最简单的桥梁类型。它通常由两端的抬高部分支撑。例如，梁桥可以简单到用木板搭在小溪上。
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悬索桥稍微复杂一些。它们由桥面（包括道路的长的直线部分）、缆索和塔楼组成。缆索在塔楼之间延伸，并帮助支撑桥面及其载荷的重量。在这种类型的桥梁中，缆索处于张力之下，而塔楼承受压缩。
悬索桥可能看起来很复杂，但对于跨越长距离而言，它们也可能是最经济的——每英尺所需的材料比简单的梁桥少。然而，由于悬索桥相对灵活，强风和其他力可能会造成严重问题。1940年华盛顿州塔科马海峡大桥的戏剧性倒塌就是一个臭名昭著的例子。（您可以在这里观看灾难的视频。）
在这个活动中，你将建造和测试两种类型的桥梁：基本的悬索桥和梁桥。你认为哪种类型的桥梁可以承受更大的载荷？
材料
• 七根一次性塑料吸管
• 美纹胶带或油漆工胶带
• 线
• 剪刀
• 四个回形针（至少两个应该是大的）
• 纸杯，至少八盎司
• 许多硬币，都是同一类型的（例如，您应该至少有150个25美分硬币或至少325个1美分硬币。）
• 两把椅子、桌子或书桌，可以用来在它们之间搭建桥梁，并且可以在其上使用胶带
准备工作
• 如果你的吸管是可弯曲的类型，请剪掉弯曲的部分（这样你就剩下一根长而直的、不可弯曲的吸管）。总共剪下六根吸管。确保它们长度相同；如有必要，修剪一些。（如果您使用的是不可弯曲的吸管，则将整根吸管用作长部件。）
• 将第七根吸管剪成两段短吸管，每段大约一英寸长。确保它们长度相同。（如果有可弯曲的部分，请从另一端剪下你的短段。）
• 将两根长吸管用胶带粘在其中一根短吸管的两端。
• 然后，将长吸管的另一端粘在一起。你应该得到一个细长的三角形形状。这是你的悬索桥的其中一个塔楼。
• 用两个新的长吸管和另一根短吸管重复此过程，以建造第二个塔楼。
• 将一个塔楼用胶带粘在桌子、桌子或椅子的边缘。短吸管应位于塔楼底部（没有短段的尖端应位于顶部）。将第二个塔楼用胶带粘在同一高度的第二个家具上。将塔楼放置得足够远，以便可以在它们之间放置剩余的吸管。
步骤
• 在塔楼之间放置一根长吸管，使其两端靠在短段上。这根吸管是桥面。现在你有一座简单的梁桥。你能看出这是一座梁桥吗？你认为它与悬索桥有何不同？
• 通过将一个大的回形针弯成 V 形，为你的桥梁制作一个载荷测试仪。将回形针的两端戳入纸杯的相对两侧，就在顶部的厚边缘下方。
• 使用第二个大的回形针将载荷测试仪悬挂在桥面上。方法是将两个大的回形针连接在一起，然后将新的一个滑动到桥面吸管周围。将杯子滑到吸管桥面的中间。
• 一次将一枚硬币（所有类型相同）添加到载荷测试仪中。记录你添加了多少枚硬币。在桥梁失效之前，杯子能装多少枚硬币？桥梁是如何失效的？
• 开始将你的结构变成悬索桥。选择一根新的长吸管作为桥面。
• 剪下一段大约三英尺长的线。将这段线的中心（将充当你的桥梁缆索）系在新桥面吸管的中间。像以前一样将吸管放在塔楼之间。
• 将线的每一端穿过一个塔楼，然后向下穿过另一侧。为了固定悬索桥，将缆索的每一端系在一个回形针上。将回形针从塔楼移开，直到缆索拉紧。然后用胶带将回形针牢固地粘在家具上。
• 像以前一样安装空的载荷测试杯。再次将硬币（所有类型与之前相同）一次添加到杯子中。这次在桥梁失效之前，杯子能装多少枚硬币？桥梁是如何失效的？
• 总的来说，哪种桥梁设计更坚固？是稍微坚固还是更坚固？你认为你为什么会得到这样的结果？
• 额外：使用新的桥面吸管，多测试几次每种桥梁设计。你的结果总是相同吗？
• 额外：尝试消除从塔楼到锚固的缆索部分（仅保留从桥面到塔楼的缆索部分）。现在用载荷测试仪测试你的桥梁时会发生什么？为什么？
• 额外：多尝试几次此活动，并重点关注桥梁的哪个或哪些部分先失效。失效是由于使用的材料的弱点还是接头的弱点造成的？你能否想到重新设计桥梁的方法，使失效的部分更坚固？
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观察和结果
与梁桥相比，悬索桥是否能承载更多的硬币？
在此活动中，你应该看到，悬索桥比梁桥多承载了约 150% 的硬币，例如约 310 个 1 美分硬币（或 140 个 25 美分硬币），而梁桥约为 200 个 1 美分硬币（或 90 个 25 美分硬币）。当梁桥失效时，很可能是因为桥面吸管在添加更多硬币时向下弯曲，直到弯曲得太多，以至于滑落到两个塔楼之间。当硬币添加到悬索桥时，缆索（即线）处于张力之下，并加强了桥面吸管，将其向上拉（同时压缩塔楼），从而使桥梁可以承载更多的硬币。当悬索桥最终失效时，桥面吸管很可能类似地弯成 V 形，但由于它通过线连接，吸管无法掉落，而杯子可能从吸管上滑落。
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