雙十一蓋樓失敗的原因,可能是你物理沒學好_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-11-23 14:14
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之前一期正經玩我們製作了

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可有粉絲反映蓋樓總失敗
導致紅包太少
秒殺神器沒能發揮100%作用
説白了還是窮
為了彌補大家
蓋樓總是輸的失落感
我們特地舉辦了
正經玩蓋樓挑戰賽
無需邀請好友助力
只用細繩和小木棍
你能蓋到幾層呢?
實驗器材
所標杯、竹籤、棉線、剪刀、熱熔膠槍
實驗過程
首先將竹籤
掰成合適的長度
再用膠槍固定成
如圖所示的形狀

上下兩層
中間層
再用棉線將上、中、下層
對應位置進行綁定
分別是三角形的三個角
和中間的橫樑

調整棉線的長度
和各層之間的位置
就可以使整體穩定啦~

可以看到整體比較穩定
甚至可以減掉一根棉線

原理解説
實驗中的裝置其實是一個張拉整體(Tensegrity)[1],主要用來描述“由剛性結構和纜索組成的自張緊結構。它由著名建築師富勒(沒錯,就是富勒烯的富勒)提出。用這個原理設計出的一些建築往往會給人帶來視覺上的衝擊。
張拉建築
有好奇的讀者問了,這種裝置是怎麼設計出來的呢?通常來説,物體都是可以被繩子吊住的,就像吊燈一樣。如果把繩子變短,同時被吊着的物體的外觀發生改變,如下圖所示,物體仍然可以被吊住。只是受物體的質量分佈的影響,物體不一定能保持穩定,有向四周傾倒的趨勢,所以,需要再用幾根繩子將它拉住,從而保持結構的穩定,這也就是這個小裝置的具體設計原理。
結構變化
一開始,小編以為這個裝置需要四根線才能完成。事實上,只需要三根就能達到同樣的效果,而這與剛體的平衡條件息息相關。剛體達到平衡需要滿足兩個條件,一個是剛體所受合外力為0,另一個是相對任意一個參考點,剛體所受合力矩為0。為了弄清為什麼三根繩就能平衡,我們將第二層簡化為一個平板進行受力分析。如下圖(a),如果只有兩根繩子,可以看出,除非G,T1,T2這三個力的作用點共線,否則拉力T2會產生一個相對藍色虛線的力矩,導致平板的不平衡。但是當加入第三根繩子的時候,如下圖(b),第三根繩子的拉力T3可以抵消T2所產生的力矩,從而能夠使平板不發生翻轉。
平面圖
三根線就能達到同樣的效果
對於第四根繩子,小編只能説一句:可以有,但是沒必要。這可以從剛體的平衡方程證明。如上圖(c),假定所有的力都是平行的,那麼剛體的方程有:力平衡方程一個,繞藍色軸力矩平衡一個,繞紅色軸力矩平衡一個。四個未知數,卻只三個方程,方程的解有未定性。這意味着其中有一根繩子可以刪掉,這樣我們就證明了三根繩子是這個結構所需繩子數目的最小值。
看完小編的製作過程以及分析,大家快來找找身邊有用的材料,趕緊支稜起來吧!我們將為“蓋樓”層數最高的投稿,送上物理所表情包抱枕一個~
