building a popsicle-stick bridge web viewembedding steel rods into concrete makes reinforced...

Grade 9 Unit P.6 Structures

Structures

1


Standards19.3 : Know that, in a system of moments in equilibrium, the anticlockwise moment is equal to the clockwise moment and use this in calculating unknown forces.

Moments!In the image below, the mass provides a force some distance away from the

pivot:

االرتكاز محور من مسافة تبعد بقوة تؤثر الكتلة ، أسفل الصورة : في

بالمعادلة القوة تأثير تحديد : يتم

We define the turning effect with the equation:

Moment = Force × Perpendicular distance from the pivot Since force is measured in newtons (N) and distances in metres (m) the unit

for a moment is the newton-metre (Nm).

Moments can act in two ways: clockwise or anticlockwise.

Revise - you used this formula in the unit ‘moments and levers’

القوة = المحور × العزم من العمودية المسافةبالنيوتن ) القوة تقاس بالمتر ( )Nحيث نيوتن( .mوالمسافة هي العزم وحدة فإن

متر

الساعة : ) ( ) ( عقارب عكس الساعة عقارب مع بطريقتين تمثيلها يمكن العزوم

2


For each situation below, determine the moment of the force, and state the direction in which it acts.

شكل كل في االتجاه وحالة ، القوة عزم حدد ، الشكل في حالة كل . في

Balancing Momentsالعزوم اتزان

One force on its own isn't much use to us. We normally look at situations where turning effects are balanced (or not!).

فيها . يكون حيث للحاالت ننظر عادة نحن االستخدام في كثيرا تفيدنا ال بمفرددها واحدة قوة) العكس ) أو متوازن القوى .تأثير

المجهولة القوة إليجاد األسفل في المثال إلى F لننظر

Let's look at the example below and find the missing force F:

أن يجب الساعة عقارب اتجاه عكس في المؤثرة القوى فإن اتزان حالة في النظام كان اذاالساعة عقارب اتجاه في المؤثرة القوى تساوي

3

1.

2.

3.

1.

2.

3.


If the system is balanced, the anticlockwise turning effect of force F must equal the clockwise turning effect:

clockwise moment = anticlockwise moment

Clockwise moment = 5 N × 0·50 m = 2·50 Nm.

Anticlockwise moment = F × 0·25 m = 2·50 Nm Force F = 2·50 Nm ÷ 0·25 m = 10 N

In order to balance the 5 N force acting at 0·5 m from the pivot, we require 10 N acting in the opposite direction but at 0·25 m

مقدارها قوة مسافة .N 5لموازنة بعد مقدارها . m 5على لقوة نحتاج االرتكاز محور N 10منبعد . على ولكن المقابل االتجاه m 25في

Unbalanced Moments!Sometimes moments can easily become unbalanced - even when we don't

want them to!

In these unfortunate examples, it would seem that in loading the cart, some of the boxes must have slipped to the back - further away from the pivot - greatly increasing their turning effect. In the case of the lorry, its weight wasn't enough to balance the heavy bricks.

الصناديق بعض فإن ، النقل عربة في الحمولة أن يبدو ، الحظ ولسوء والصور األمثلة هذه فيفي – – . القوى تأثير في الكبيرة الزيادة بسبب الثقل مركز عن بعيداً الخلف إلى تنزلق أن يجب

الثقيل الطابوق مع توازن لعمل كافياً يكن لم وزنها فإن الشاحنة . حالة

The result was the lifting of the donkey - who must have been very surprised!

باألمر تفاجأ قد والذي الحمار ارتفع أن النتيجة ! وكانت

4


Standards19.4 : Distinguish between compressive and tensile strength of materials and relate this to the way the materials are used in structures such as buildings and bridges.Standard19.5 - Know that structures such as bridges are systems of moments in equilibrium that take best advantage of the specific properties of the materials from which they are madeThe objectives:

1- Distinguish between compressive and tensile strength of materials and relate this to the way the materials are used in structure such as buildings and bridges.

2- Be able to apply practically the concepts of structures in making models bridges

Tension: the pulling force Tension in structures isn't the same thing you feel when you forget to study for a test. Tension is a pulling force. It stretches materials.

Link your hands together and pull. You feel tension Stretch a rubber band. The rubber stretches, and the band gets longer. It's in tension.

Look for materials in tension in: rope bridges, telephone wires, tents, suspension bridges, inflated stadium domes, steel cables supporting a full

elevator, and hair when someone yanks on it.

Figure 1 - thisRope is in TENSION

Compression: the pushing force Compression is a pushing force. It squashes materials.Put your hands together and push hard. You feelcompression. Put a big marshmallow on a counter and push it down with your hand. As you push, the

5

الشد في البناء ليس هو الذي تشعر به حين تنسى أن تدرس الختبار. الشد هو

قوة السحب. وهي تمدد المواد. اعقد اليدين معا واسحب. ستشعر بقوة

الشد . شد الشريط المطاطي. المطاط سيتمدد،. ويصبح أطول. ألنه تحت تأثير

قوة الشد. ابحث عن المواد حولك التي تحت تأثير

قوة الشد : الجسور المصنوعة من الحبال، وأسالك الهاتف ، والخيام ،

والجسور المعلقة والقباب الضخمة فياستاد، والكابالت الفوالذية في المصعد.

Key WordsCompression ا1لض1غط1Tensile ا1لش1د1Concrete خر1س1ا1ن1ة1


marshmallow gets shorter. It's in compression.Look for materials in compression in: pyramids, telephone poles, arch bridges, elephant legs, tree trunks.

Why does it Fall Down? لماذا تنهار ؟

Figure 3Tension and compression are the key forces explaining how structures stay up and why they fall down.

لشد والضغط هي القوى الرئيسية التي تفسر انهيار المباني او ثباتهاا .

Tension and CompressionWhen a load is placed on a beam, as shown in figure 4, the top

half of the beam shortens in compression. The bottom half lengthens in tension.

6

الضغط هو قوة الدفع. انهيسحق المواد.

ضع اليدين معا وادفع بقوة . تشعر بضغط. وضع كمية

كبيرة مارشميلو ( حلوالخطمي) في منضدة

واضغط إلى أسفل. كلما ضغطت يصبح المارشميلوأقصر. أنها تحت الضغط.

ابحث عن المواد تحت الضغط في : األهرامات، أعمدة الهاتف والجسور

المقوسة، وسيقان الفيل،Figure 2- Steel beam crushed due to compression force.


Figure 4The different parts of a structure are either in tension, or in compression, or both. So the materials we use to build structures must be strong in tension, in compression, or both. Steel wires bundled together to make suspension bridge cables strong in tension. A steel cable that is one centimeter in diameter can support 8,000 kilograms--the weight of two full-grown Indian elephants!Stone would not be a good choice for a tension structure. Stone is, however, strong in compression. Think of the Egyptian pyramids, which are made of stone blocks, some weighing over a tone. The blocks on the bottom support the weight of the upper blocks. The fact stone is strong in compression but weak in tension actually helped the Egyptians cut the huge limestone blocks. They drove wooden wedges into the limestone. The wedges were then soaked with water until they swelled up and split the limestone. The Egyptians used the strengths and weaknesses of stone to their advantage. Pretty smart! What if we mix two materials, one strong in compression ) concrete) and one strong in tension (steel) ? Embedding steel rods into concrete makes reinforced concrete, a material stronger in tension than ordinary concrete.

فإن النصف4عندما يوضع الحمل على عارضة ، كما هو مبين في الشكل العلوي من العارضة يقصر النه تحت تأثير الضغط. اما النصف السفلي

يستطيل تحت تأثير الشد. األجزاء المختلفة للمباني تكون تحت تأثير قوة الشد، أو الضغط، أو كليهما. لذا

المواد التي نستخدمها في البناء يجب ان تكون قوية تحت الشد ، او الضغط، أو كليهما. أسالك الفوالذ المجمعة معا الكابالت التي تستخدم في بناء الجسور المعلقة قوية تحت قوة الشد. ويمكن لكابل من الصلب قطره سنتيمتر واحد

كجم – وزن اثنين من الفيلة الهندية !8000ان يتحمل الحجر ال يمكن أن يكون خيارا جيدا لبناء تحت قوة الشد. الحجر قويا تحت

تأثير قوة الضغط. فكر في األهرامات المصرية، والتي تتكون من كتل حجرية، تزن أكثر من طن. الكتل في األسفل تدعم وزن الكتل العليا. الحقيقة ان

الحجر قوي تحت تأثير الضغط لكن ضعيف تحت قوة الشد ساعدت قدماء المصريين قطع كتل الحجر الجيري الضخمة. كانت تدق أوتاد في الحجر ثم تمأل

7


بالماء حتى ينتفخ وتقسيم الحجر الجيري. استفاد المصريون من مواطن القوةوالضعف في الحجر. !

ماذا لو أننا مزجنا مادتين، واحدة قوية في ضغط ( الخرسانة ) واألخرى قوية تحت الشد ( الفوالذ) ؟ ان دعم الخرسانة بقضبان الفوالذ يجعل الخرسانة

.المسلحة، مادة اقوي تحت الشد من الخرسانة العادية

Figure 5

The pictures show three different kinds of bridge: an arch bridge, a truss bridge and a suspension bridge.

الرسم يوضح ثالث أنواع من الجسور : الجسور المقنطرة ، الجسور المقيدة ، والجسور المعلقة

8Arch bridgeArch bridge Suspension

bridge

Truss bridge

Workers pour cement around steel reinforcing bars. The result will be a reinforced concrete floor


a. In each case explain what part of the bridge is under compression and explain what material it is made from and why.في كل حالة مما يأتي وضح اي جزء من الجسر تحت ضغط. واشرح ما هي المواد التي بنيت منها ولماذ؟ا

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

b. What parts of the suspension bridge are under tension. What material is this part made of and why?

أي األجزاء من الجسر المعلق تحت الشد . ما نوع المادة المستخدمة في هذاالجزء؟ ولماذا ؟

c. On the diagram of the truss bridge, if there was a load in the middle of the bridge, label an element of the truss that would be under tension and an element that would be under compression

على الرسم التخطيطي للجسر الموثقة او المقيدة، إذا كانت هناك حمولة في منتصف الجسر ، وضح أي جزء من الجسر المقيد سيكون تحت الشد وأحد

العناصر التي ستكون تحت ضغط

9


Remember:

10

Look at how a well designed bridge can carry a bucket full of water !Using the pieces of wood carefully you can make a very strong structure!-

Now it is your turn!


Make your own bridge using wooden sticks:: اصنع بنفسك جسراً مصنوع من عصي اآليسكريم الخشبية

Building a Popsicle-Stick BridgeThe goal: to build the strongest possible bridge to take a small toy car, using wooden popsicle sticks.

الخشبية اآليسكريم عصي مستخدما ، صغيرة سيارة يتحمل ممكن جسر أقوى بناء هو . الهدف

Your teacher can decide how long the bridge should be. No more than 100 popsicle sticks may be used The sticks may not be cut Only white glue may be used Construction paper may be used for the deck only من أكثر تستخدم خشبية 100ال آيسكريم عصي العصي كسر أو قطع يجوز . ال فقط الالصق أو األبيض الغراء استخدام .ويمكن التركيب أسفل ورقة استخدام . يمكن

The test jig looks like this:

Remember how the forces act:

Here are some ideas:(see: http://andrew.triumf.ca/andrew/popsicle-bridge/ for more details)

11

http://andrew.triumf.ca/andrew/popsicle-bridge/

building a popsicle-stick bridge web viewembedding steel rods into concrete makes reinforced...

Documents