レゴブロックが構造工学について教えてくれる 5 つのこと

重要なポイント

ブロックごとに、一度にプラスチックのセクションを 1 つずつ積み上げて、世界中の子供と大人が、地球上で最も高いレゴ構造物を構築するために競い合います。最近の記録破りの 1 つは、高さ 102 フィート (31.09 メートル) で、およそ 500,000 個のブロックを使用して都市の空中に高く上昇しました [出典: ]。

しかし、記録を破ることを望まない人にとっては、たとえ 100 フィートの高さの設計を構築することも事前に検討する必要があります。あなたの構造はバランスが取れていて、ひっくり返ることはありませんか?ベースはそれを支えるのに十分な幅ですか？あなたのレゴ作品は自然の力に耐えることができますか? あるいは飼い猫にも耐えることができますか?

レゴで遊んだり実験したりすることは、子供の頃の遊びの時間を超えています。実際、これらのブロックや製品は、専門家が建物、橋、自動車、ダム、スタジアム、その他の大型構造物を製作する際に同様の質問を検討する分野である構造工学の基礎を学ぶ実践的な機会を提供します。

究極のレゴ帝国と現実世界の構造工学には、物理​​学の理解と創造性という 2 つの共通点があります。扱っている材料の限界を知っていれば、プラスチックの創作物、さらに上級になれば他の構造物を思いつく際の問題も少なくなるでしょう。

特に有名なランドマークや建物のレプリカを構築したい場合は、スケールがすべてです。エンジニアにとってスケールも重要である理由については、次のページをご覧ください。

5: 規模に応じた構築

スケールの概念は、レゴの建築と構造工学の両方にとって重要です。結局のところ、おもちゃのミニフィギュアとその友達が入れるのに十分な大きさのものを作りたいですよね?

同じ概念が、望ましい人数を収容できる十分な広さのスペースを作成するエンジニアにも当てはまります。最終結果を考慮しても、規模について考えるさらに重要な理由があります。実際の作業に取り組む前に、構造の計画とモデリングが必要です。これは、構造エンジニアや建築家にとって必須の作業です。

レゴ ブロックを使ってエッフェル塔の表現を構築したいとします。必要なピースの数を集める前に、プロジェクトの規模とその規模を決定することをお勧めします。これにより、より小さなスケールでレンガを使用して構造の要点を作成できます。スケールに合わせた建築では、建築材料も視野に入れ、その限界を認める必要があります。構造が大きくなるほど、長方形のレンガを使用している場合でも、曲線やアーチを組み込むことが容易になります。特に挑戦する意欲がある場合は、数学を使用して、セクションをより管理しやすいサイズに分割することで、以前のレゴ プロジェクトのサイズを縮小できます。

たとえレゴ製品であっても、限界はありません。しかし、あなたの構造は機能していますか?詳細については、次のページをご覧ください。

4: 読み込みの制約

荷重制約は、構造エンジニアが特定のプロジェクトにどのようにアプローチするかに影響を与える可能性があります。この用語は聞き慣れないかもしれませんが、基本的には、 重量やその他の要因が構造物や物体に作用したときに何が起こるかを問う方法です。

レゴ ブロックを使用すると、エンジニアが考慮する 2 つの基本原則、静的荷重と動的荷重をよりよく理解できるようになります。静的荷重には、構造物が静止しているときにかかる重量と圧力が含まれますが、動的荷重とは、使用中に構造物に外力がどのように作用するかを指します。たとえば、すべての建物には、静的耐荷重という物理的な限界があります。しかし、乗客を収容できるように作られ、常に変化する飛行条件を備えた飛行機など、もう少し機動性のあるものはどうでしょうか?エンジニアは、飛行機に動的に荷物が (人を乗せて、空中で) 安全かつ効率的に搭乗できるように、これらの要素を考慮する必要があります。

動的荷重の制約をテストするには、レゴ橋を構築し、さまざまな重量のリモコンカーまたは木製ボックスカーを使用して、橋を横切るときに構造物にどのような影響を与えるかを調べます。追加された重量でビームの 1 つが座屈しませんか?動的荷重を試してみることは、重みや数値が目に見えない教科書でそれについて読むよりもはるかに効果的です。

次に、本格的なレゴビルダーが知っておくべきことについて話します。

3: 矯正方法

レンガを使って構造物の強度を強化する方法を知っていれば、レゴ製品を使用する際に有利になるだけでなく、レゴ コミュニティ全体で複雑な構造物を頭で理解するのにも役立ちます。

趣のあるミニチュアの村を作成したときに、ある建物があまり安定しておらず、倒れてしまったとします。手に取ってみると、まだ比較的無傷であることがわかります。廃棄したほうがいいでしょうか？

必ずしもそうとは限りません。ブレースを使用したり、サポート用の部品を追加したりして、追加のサポートを提供できるかどうかを確認してください。構造エンジニアの場合、トラス、柱、梁で十分ですが、コネクターのペグと車軸がレゴのエンジニアにとって追加のサポートになります。また、一致しない部分を積み上げていたのか、それとも同じ種類のレンガを重ねて建てていたのか、と自問するのも賢明です。同じ種類のピースを積み重ねて使用することは、構造をより安定させるための良い戦略です。

地理と天候のパターンは、エンジニアが構造物を作成する方法に影響を与えます。レゴ製品を使用してこれらの条件をテストするにはどうすればよいでしょうか?

2: 自然を中心にデザインする

いくつかのコンテストや視覚実験では、地震などの自然現象における構造工学の落とし穴をモデル化するためにレゴ プロジェクトが使用されています。競合他社は、地震荷重、つまり地震時に建物が耐える余分な応力が小規模構造物にどのような影響を与えるかを学びます。

レゴのビルダーも構造エンジニアも共通して認めているのは、頑丈なモデル、さらに言えば本物の建物を作成するには、さまざまな地震波とそれが引き起こす問題を理解する必要があるということです。北西部の一部の地域では低周波地震と高周波地震の両方が発生するため、エンジニアは両方に耐えられる建物構造を設計することが求められています。

地震に耐えられるより頑丈な建物を作るために、学生は構造エンジニアのチームが行うのと同じように、上部が重い構造物を作ったり、建物の床や層の間に支持トラスを挿入したりします。次に、その構造を地震シミュレーターに配置して、どの設計が最も効果的かを確認します。一部のプロジェクトでは、大規模にテストする価値のある新しいアイデアが提案されるため、自然なイノベーションを定着させることが目的です。

レゴブリッジのコンポーネントを結合しているものは何ですか?次のページで、リビングルームでどのような構造工学のコンセプトを試すことができるかを見つけてください。

1: 引張と圧縮

いくつかの橋は物理学を無視しているように見え、巨大な破片が空中に吊り下げられています。これを可能にする同じコンセプトが、家庭でのレゴ プロジェクトでも小規模に機能することがわかりました。

張力（材料にかかる引っ張り力）と圧縮（材料にかかる圧力）は、多くの構造に浮遊効果を与えます。レゴ愛好家は、独自のアーチや橋を作成して、構造物の一部を吊り下げてみることができます。特にトラス橋は、張力と圧縮を利用して仕事を遂行します。追加の圧力がかかると多かれ少なかれ硬さが変化するため、材料の硬さを念頭に置くことも重要です。