ENGINEERING

工程与建造实验室

轻巧的结构,为什么能承受重量?
从承重与稳定、机构与传动到部署与环境:给定材料、支座与载荷,用测量优化设计,让形状经得起约束检验。

33 个可探索实验
沿一个问题,查看探索路线

一个问题,可以走得更远

带着发现,接着探索

随时加入,不必按顺序完成。

把力传出去,把结构立起来

机器怎样传动,桥梁怎样分担载荷,展品怎样站稳?

  1. 齿轮工坊

    输入转三圈时,输出转几圈?加入中间轮,哪些关系不变?

  2. 桥梁挑战

    先加两根斜撑,再逐步加载。用反力和杆力解释载荷传到哪里。

  3. 重心与稳定

    固定倾角只降低配重,再改变支撑宽度。用重力线落点解释站稳与翻倒。

先有约束,再有好设计

省力、刚度、材料与热损失,怎样做有依据的取舍?

  1. 滑轮吊装

    省一半力时,拉绳距离和功怎样变?

  2. 液压举升

    放大力,是否也能放大位移和能量?

  3. 悬臂工作台

    材料与跨度不变,只旋转截面比较挠度。

  4. 房子的热账本

    墙保温更厚,为什么仍要考虑窗?

让建筑的每个选择,都有证据

安全、材料和环境,能否一起考虑?

  1. 欧拉压杆

    加长柱子,检查临界载荷如何下降。

  2. 夹芯梁

    固定面板,拉开间距,对照刚度和质量。

  3. 房间混响

    加吸声面积,检查混响时间的模型条件。

  4. 日照遮阳

    改变太阳高度,比较遮阳深度与遮挡比例。

承重与稳定

可操作 · 互动探索

桁架与结构稳定

桥梁挑战

连接节点,施加载荷,观察拉压、变形,以及三角形斜撑的作用。

搭建结构受力
可操作 · 三维实验

重心、支撑与翻倒

重心与稳定

移动配重、倾斜台面,再松开夹持,用重力线、稳定余量与力矩检验你的设计。

三维操作重心稳定挑战
可操作 · 互动探索

找形与推力线

反转悬链

只改变拱中心矢高,比较推力线偏离与包络余量。

初中受力 · 工程拓展找形与推力线测量与对照
可操作 · 互动探索

梁弯曲与截面

悬臂工作台

固定跨度、材料和载荷,只旋转截面,比较两组体积与端部挠度。

高中 · 工程拓展梁弯曲与截面测量与对照
可操作 · 互动探索

调谐质量阻尼

抗震塔

只改变附加质量,比较当前频点位移及完整幅频曲线。

高中 · 工程拓展调谐质量阻尼测量与对照
可操作 · 互动探索

预应力与稳定

张拉整体

只改变索预张力,比较平衡残差、最小刚度与杆屈曲力。

工程拓展预应力与稳定测量与对照
可操作 · 互动探索

柔索与锚固

悬索跨越

只改变垂度,比较支座水平拉力和塔顶索张力。

高中 · 工程拓展柔索与锚固测量与对照

机构与传动

部署与环境

结构

可操作 · 互动探索

结构 · 节点平衡

三角桁架节点

把屋架压平,比较杆压和支座水平推力。 固定其他条件,亲手将桁架高度分别设为2和0.5m,各核验一次;竖向载荷没变,杆内力为什么会激增?

初中直观 · 高中定量拓展结构 · 节点平衡测量与对照
可操作 · 互动探索

结构 · 支座反力与弯矩

移动荷载梁

沿梁移动重物,看两端反力如何分担。 固定其他条件,亲手将载荷距左支座分别设为0.5和2m,各核验一次;最大弯矩什么时候出现?

初中直观 · 高中定量拓展结构 · 支座反力与弯矩测量与对照
可操作 · 互动探索

结构 · 弹性屈曲

欧拉压杆

拉长同一截面的柱,比较临界压力。 固定其他条件,亲手将柱长分别设为1和2m,各核验一次;变细长后,失稳会比材料压碎更早吗?

初中直观 · 高中定量拓展结构 · 弹性屈曲测量与对照
可操作 · 互动探索

结构 · 轴力与弯曲

偏心受压柱

把上方荷载向边缘移,观察两侧应力。 固定其他条件,亲手将偏心距分别设为0和25mm,各核验一次;什么时候一侧开始出现拉应力?

初中直观 · 高中定量拓展结构 · 轴力与弯曲测量与对照
可操作 · 互动探索

结构 · 抗倾覆

挡土墙抗倾覆

加宽墙底,看抗倾覆矩与土压力矩。 固定其他条件,亲手将墙底宽分别设为1和2m,各核验一次;比值提高后,还能直接宣布整座墙安全吗?

初中直观 · 高中定量拓展结构 · 抗倾覆测量与对照
可操作 · 互动探索

结构 · 侧向刚度

斜撑抗剪

加一根斜撑,比较相同水平荷载下的位移。 固定其他条件,亲手将是否加斜撑分别设为0和1,各核验一次;几何三角化怎样转换为可计算的刚度?

初中直观 · 高中定量拓展结构 · 侧向刚度测量与对照
可操作 · 互动探索

结构 · 夹芯截面

夹芯梁

分开两片面板,比较同载荷下的挠度。 固定其他条件,亲手将芯层厚度分别设为5和25mm,各核验一次;铝材用量没有变,惯性矩为什么增加?

初中直观 · 高中定量拓展结构 · 夹芯截面测量与对照

岩土直观

机构

可操作 · 互动探索

机构 · 螺旋传动

螺旋千斤顶

换成更细的螺纹,比较手柄力和所需圈数。 固定其他条件,亲手将螺距分别设为2和8mm,各核验一次;省力的同时,要多转多少圈?

初中直观 · 高中定量拓展机构 · 螺旋传动测量与对照
可操作 · 互动探索

机构 · 理想楔块

楔块举升

改变楔角,比较推力与举升距离。 固定其他条件,亲手将楔角分别设为10和30°,各核验一次;省下的力,是否要用更多水平推进量换回来?

初中直观 · 高中定量拓展机构 · 理想楔块测量与对照
可操作 · 互动探索

机构 · 带传动

皮带传动

增大右侧皮带轮,比较转速和扭矩。 固定其他条件,亲手将从动/主动半径比分别设为1和2,各核验一次;输出扭矩增大,输出功率也增大了吗?

初中直观 · 高中定量拓展机构 · 带传动测量与对照
可操作 · 互动探索

机构 · 周转轮系

行星齿轮

增大固定齿圈齿数,观察行星架输出转速。 固定其他条件,亲手将齿圈齿数分别设为60和100齿,各核验一次;行星轮自转与行星架公转能混为一谈吗?

初中直观 · 高中定量拓展机构 · 周转轮系测量与对照
可操作 · 互动探索

机构 · 闭环约束

四杆机构

转动输入杆,核对闭环两杆长度。 固定其他条件,亲手将输入杆转角分别设为45和150°,各核验一次;画面在运动,杆长残差是否仍接近0?

初中直观 · 高中定量拓展机构 · 闭环约束测量与对照
可操作 · 互动探索

机构 · 虚功与奇异位形

剪叉升降

收拢剪叉,比较平台高度与水平驱动力。 固定其他条件,亲手将杆与水平夹角分别设为50和10°,各核验一次;平台越低,驱动力一定越小吗?

初中直观 · 高中定量拓展机构 · 虚功与奇异位形测量与对照

建造

材料几何

建筑环境

可操作 · 互动探索

建筑环境 · 声学

房间混响

增加吸声比例,看声能衰减到−60dB要多久。 固定其他条件,亲手将平均吸声系数分别设为0.1和0.3,各核验一次;房间变大而相似缩放时,混响时间怎样变化?

初中直观 · 高中定量拓展建筑环境 · 声学测量与对照
可操作 · 互动探索

建筑环境 · 太阳几何

日照遮阳

伸出挑檐,观察窗面阴影向下移动。 固定其他条件,亲手将挑檐进深分别设为0.3和0.9m,各核验一次;夏季高太阳和冬季低太阳会得到相同遮挡吗?

初中直观 · 高中定量拓展建筑环境 · 太阳几何测量与对照
可操作 · 互动探索

建筑环境 · 水量平衡

雨水收集

增加这场雨的雨量,看水箱何时溢流。 固定其他条件,亲手将单场雨量分别设为10和60mm,各核验一次;超过容量后,降雨增加的水去了哪里?

初中直观 · 高中定量拓展建筑环境 · 水量平衡测量与对照
可操作 · 互动探索

建筑环境 · 热压通风

烟囱通风

抬高排风口,比较温差驱动的空气流量。 固定其他条件,亲手将进排气高度差分别设为2和8m,各核验一次;高度增加四倍,流量会增加四倍吗?

初中直观 · 高中定量拓展建筑环境 · 热压通风测量与对照