No, non hai bisogno di una laurea in ingegneria strutturale per vincere a Jenga, ma di sicuro sembra così a volte, non è vero? Jeffrey Coolidge/Getty Images Gli esseri umani sono ingegneri strutturali nati. Se trovi difficile crederlo, guarda un bambino giocare con una serie di semplici blocchi di legno. Senza istruzioni esterne - e attraverso molti energici tentativi ed errori - alla fine imparerà che il modo più stabile per costruire verso l'alto è posizionare una trave orizzontale su due colonne verticali.
La logica intuitiva del bambino è la stessa che ispirò gli architetti micenei del XIII secolo a.E.V. costruire la famosa Porta dei Leoni con due colonne di pietra e una trave leggermente arcuata. È la stessa abilità strutturale che diceva agli antichi egizi che se vuoi costruire qualcosa di alto con la pietra, devi iniziare largo alla base. Ed è lo stesso ingegnere nato in tutti noi che dice, "Tizio, se vuoi vincere a Jenga, non lasciare un solo supporto in fondo alla torre!"
Jenga è uno dei giochi più popolari al mondo, terzo solo a Monopoly e Scrabble per numero di unità vendute [fonte:Little]. Lo scopo del gioco è semplice:inizi con una pila di 54 blocchi -- tre blocchi di diametro, 18 livelli di altezza. Ogni livello di blocchi dovrebbe essere perpendicolare al livello sottostante. Ogni giocatore deve rimuovere un blocco vicino alla parte inferiore della torre e posizionarlo in cima usando solo una mano alla volta. Alla fine la torre diventa pericolosamente instabile. Se sei quello che alla fine lo fa cadere, hai perso.
Jenga è stato inventato da Leslie Scott, un cittadino britannico nato e cresciuto in Kenya e Tanzania. (Jenga significa "costruire" in swahili.) Scott ha giocato con la sua famiglia in Africa per anni; alla fine lasciò un lavoro con Intel per lanciare Jenga a una fiera del giocattolo del 1983, dove è diventato un fenomeno di gioco istantaneo [fonte:Little].
Parte del fascino di Jenga è la sua semplicità; nient'altro che blocchi di legno e gravità. Ma anche questo semplice gioco può insegnarci molto sul mondo più complesso dell'ingegneria strutturale. edifici, Dopotutto, sono vulnerabili alle stesse forze che possono far cadere una torre Jenga - forze come carichi, tensione, compressione, torsione e altro. Un urto accidentale del tavolo da gioco è un'eccellente versione in scala di un catastrofico terremoto.
Iniziamo la nostra esplorazione dell'ingegneria strutturale di Jenga con uno sguardo ai carichi.
ContenutiUno dei principi più importanti dell'ingegneria strutturale è Caricamento in corso . Hai mai sentito parlare di un muro portante? Di solito è una parete interna (come quella che divide cucina e soggiorno) che funge anche da colonna che sorregge il secondo piano o il tetto. Se si rimuove un muro portante, la struttura potrebbe non essere in grado di sostenere il proprio peso, e questo significa guai.
A Jenga, non ci sono due blocchi di legno tagliati esattamente nelle stesse dimensioni, il che significa che i blocchi si appoggiano l'uno sull'altro in modo non uniforme [fonte:Smith]. Uno dei principali trucchi di Jenga è individuare i pezzi "sciolti", che sono più facili da rimuovere senza disturbare l'integrità della torre. Se un pezzo è sciolto, allora sai che non può essere portante.
Quindi cosa ci insegna questo sull'ingegneria strutturale? Quando si progetta un edificio, gli ingegneri devono considerare il percorso di caricamento dalla sommità dell'edificio alle fondamenta. Ogni livello della struttura deve supportare le forze applicate verso il basso dai livelli superiori. Ci sono tre tipi di carichi che si verificano in un edificio:
Gli ingegneri devono eseguire calcoli accurati per garantire che le pareti portanti, soffitti e tetti possono sostenere morti, carichi vivi e anche dinamici, soprattutto quando si costruisce in zone sismicamente attive.
Il prossimo importante principio che Jenga insegna sull'ingegneria strutturale è l'importanza di una fondazione.
Proprio come devi trovare la superficie perfetta su cui giocare a Jenga, gli ingegneri strutturisti devono considerare le superfici su cui scelgono di costruire. Richard Elliott/Getty Images Ogni famiglia ha la sua superficie preferita su cui giocare a Jenga. Il tavolo da gioco fragile è fuori questione perché il minimo urto di un gomito errante farà crollare la tua torre. Il robusto tavolo da cucina è una scelta solida, perché non rimbomba facilmente come il tavolo da gioco, ma niente batte un buon pavimento in legno. Non puoi bussare di lato, è dannatamente piatto e l'unica minaccia alla stabilità è l'occasionale bambino o animale domestico che gattona.
Gli ingegneri strutturisti devono anche considerare la superficie su cui stanno costruendo la loro struttura. Se fai cadere un edificio di 15 piani su un terreno sciolto, la struttura potrebbe assestarsi in modo non uniforme, provocando crepe nei muri o addirittura crolli. Anche se un edificio è costruito sulla solida roccia, un terremoto potrebbe sbatterla di lato, facendolo scivolare per la strada di qualche metro, schiacciando qualsiasi cosa sul suo cammino. Ecco perché tutti gli edifici moderni, piccolo e alto allo stesso modo, sono costruiti su fondamenta.
Una fondazione ha un paio di scopi chiave. in primo luogo, trasferisce il carico della struttura nel terreno. (Abbiamo parlato di molti nell'ultima pagina.) Più un edificio è alto e pesante, più carico viene spinto verso il basso. Se l'edificio si trova in piano sulla superficie, allora gli elementi più bassi della struttura dovrebbero sopportare il carico combinato di tutto ciò che li sovrasta. Ma con una base adeguatamente progettata, il carico dell'intera struttura passa attraverso gli elementi più bassi e si disperde nel terreno sottostante.
Le fondazioni hanno anche lo scopo di ancorare fisicamente la struttura al suolo. Questo è un ruolo cruciale negli edifici molto alti. Immagina di provare a bilanciare un bastone da giardino su un'estremità. Potresti essere in grado di rimuoverlo su una superficie estremamente piana, ma anche un respiro lo farebbe rovesciare. Ma cosa succede se prendi il bastone da giardino e ne infili un'estremità nel terreno di qualche centimetro? Ora puoi toccarlo, o anche calciarlo, e non si ribalta. Una fondazione seppellisce una porzione dell'edificio nel terreno, conferendogli una maggiore stabilità contro le variazioni di carico dinamico.
Per edifici alti costruiti su terreni sciolti o sabbia, gli ingegneri spingono pali d'acciaio in profondità nella terra fino a raggiungere il substrato roccioso. Quindi costruiscono una fondazione in cemento armato attorno ai pali d'acciaio per creare un solido ancoraggio su cui costruire.
Successivamente vedremo cosa possono insegnarci i blocchi di legno Jenga sui materiali da costruzione.
In ingegneria strutturale, ci sono due forze fondamentali all'opera in ogni elemento strutturale:compressione e trazione. Compressione è la forza applicata quando due oggetti vengono spinti insieme. Pensa a una pila di pietre pesanti. La forza che schiaccia sulla pietra inferiore è la compressione. Tensione è la forza applicata quando un oggetto viene tirato o allungato. Un buon esempio è la superficie di un trampolino. Quando qualcuno salta sul trampolino, il materiale si allunga.
Gli ingegneri parlano di resistenza alla trazione di materiali. Questa è la forza massima che può essere applicata a un materiale senza separarlo. I fasci di cavi d'acciaio hanno una resistenza alla trazione incredibilmente elevata, ecco perché vengono utilizzati nei ponti sospesi più lunghi e pesanti del mondo. Anche un singolo cavo d'acciaio di solo 1 centimetro di diametro può reggere il peso di due elefanti adulti [fonte:Yes Mag].
Ora pensiamo a una struttura tipica di Jenga. Se rimuovi il pezzo centrale di fila, quindi crei due semplici strutture travi e colonne su entrambi i lati della torre. Una trave posata su due colonne subisce contemporaneamente sia la compressione che la tensione. Il peso che grava sulla parte superiore della trave lo comprime verso l'interno verso il centro della trave. E anche se non puoi vederlo ad occhio nudo, la parte inferiore della trave viene allungata verso l'esterno.
Immagina se la trave fosse di gomma. Il peso lo allungherebbe a forma di "U". Ecco perché la gomma è un materiale da costruzione così scadente. Gli ingegneri strutturali scelgono (e talvolta progettano) i materiali con le migliori caratteristiche di compressione e tensione per il lavoro. La pietra è eccellente sotto compressione, ma straordinariamente facile da smontare. Ecco perché un arco in pietra dura molto più a lungo di una trave in pietra. Il cemento armato è un materiale da costruzione ideale, perché il calcestruzzo gli conferisce resistenza alla compressione e le barre di acciaio incastonate gli conferiscono resistenza alla trazione.
Le torri Jenga non diventano abbastanza alte o abbastanza pesanti da applicare una seria compressione o tensione sui pezzi di legno, quindi c'è pochissima preoccupazione di dividere una trave. Ma nei veri progetti di costruzione, gli ingegneri devono considerare attentamente i punti di forza e di debolezza di ogni elemento.
Ora ti spieghiamo perché è sempre meglio lasciare due supporti nella parte inferiore della torre Jenga.
Mantenere questa torre in bilico in posizione verticale richiede molto di più della semplice fortuna. Immagini del personale/Getty I giocatori esperti di Jenga sanno che il modo più rapido per una torre che cade è tirare via i due pezzi esterni della fila inferiore, lasciando l'intera struttura in equilibrio su un unico blocco di legno stretto. Con un solo supporto in basso, ogni urto e spinta della torre è ingrandita, facendolo oscillare precariamente da un lato all'altro. Ma quali sono esattamente le forze che agiscono su una struttura con un supporto così stretto? E cosa li rende così pericolosi?
Gli ingegneri strutturisti non parlano di mantenere un edificio "equilibrato". Parlano di mantenimento equilibrio rotazionale . Immagina un edificio alto come un lungo braccio di leva con la maggior parte del braccio fuori terra e una sezione più piccola (la fondazione) sotto terra. Il punto in cui l'edificio incontra il suolo è il fulcro della leva. Ora immagina l'edificio leggermente inclinato a destra oa sinistra. Invece di cadere semplicemente, puoi pensare che ruoti attorno al fulcro. Ingegneri e fisici hanno due nomi per questa forza di rotazione:the momento o coppia .
Un principio fondamentale dell'ingegneria strutturale è che più lungo è il braccio di leva (o più è lontano dal fulcro), maggiore è il momento. Per diminuire il momento di un edificio molto alto, è necessario costruire ampi supporti. Più ampi sono i supporti, più basso è il momento. Per capire questo, prova a stare in piedi con i piedi divaricati e chiedi a un amico di provare a spingerti di lato. Richiede molta forza. Metti insieme i talloni e prova la stessa cosa. Il tuo amico deve a malapena toccarti e tu ti rovesci subito. Una struttura con una bella base ampia è intrinsecamente più stabile di un edificio con una base stretta.
Per l'ultima lezione di ingegneria strutturale appresa da Jenga, parleremo di terremoti.
La torre Jenga più alta mai registrata era di 40 livelli, raggiunto utilizzando il set originale di Jenga progettato dalla stessa Leslie Scott [fonte:Museum of Childhood]. La maggior parte dei giocatori è fortunata se riesce a ottenere più di 30 livelli prima che l'intera faccenda crolli. Il motivo per cui la torre diventa sempre più instabile man mano che cresce è dovuto alla distribuzione non uniforme del peso. Quando si trova troppo peso nella parte superiore della struttura, comincia ad agire come un pendolo inverso, ondeggiando avanti e indietro sulla sua stretta connessione con la terra [fonte:FEMA]. A Jenga, il risultato è una pulizia di due minuti. Nella vita reale, avresti una catastrofe.
Quando gli ingegneri strutturisti scelgono di costruire in una regione sismicamente attiva, devono considerare gli effetti delle vibrazioni laterali sulla loro costruzione. Quando le onde sismiche increspano la terra, spingono gli edifici su e giù e avanti e indietro. I dossi su e giù non sono pericolosi quanto i movimenti laterali, che hanno maggiori probabilità di portare al collasso [fonte:Association of Bay Area Governments].
Queste vibrazioni da lato a lato vengono percepite in modo diverso a diverse distanze dal suolo. Più in alto sali su un edificio, più le vibrazioni sono pronunciate. Quando si aggiunge peso all'equazione, gli effetti possono essere disastrosi. Secondo il testo fondamentale, "Perché gli edifici crollano, "Le forze sismiche crescono in proporzione al peso della struttura e al quadrato della sua altezza [fonte:Levy].
Una struttura superiore pesante vibra con un tempo molto più lungo periodo - il tempo necessario per passare attraverso una vibrazione completa - rispetto a un edificio dal fondo pesante. Un periodo più lungo significa anche uno spostamento fisico maggiore. Prendiamo l'esempio di un edificio a due piani. Quando un terremoto colpisce, l'edificio oscilla di 2 pollici (51 millimetri) fuori centro. Quando aggiungi peso alla parte superiore dello stesso edificio (anche se è qualcosa di semplice come un pesante tetto di tegole), l'oscillazione aumenta a 3 pollici (76 millimetri) fuori dal centro [fonte:Association of Bay Area Governments].
Speriamo che tu abbia imparato alcune cose sul perché gli edifici cadono e cosa puoi fare per battere finalmente tua sorella a Jenga. Per molte altre informazioni sui giochi per famiglie e sulla scienza quotidiana, salta ai link nella pagina successiva.
