IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Загадки обычных мостов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мосты – самые запоминающиеся из инженерных достижений. Они расположены в местах, открытых всем стихиям и часто труднодоступных.
Когда я узнал, что мосты бывают различных конструкций, мне захотелось увидеть их и сравнить. Всем известно, что Санкт-Петербург славится огромным количеством мостов. Там я своими глазами увидел эти величественные сооружения. Особое впечатление на меня произвели разводные мосты. Мне захотелось узнать всё об этих мостах.
Что собой представляет мост – простейшую переправу или сложнейшую конструкцию – цель моей научной работы.
Чтобы достичь цели, я поставил перед собой следующие задачи:
изучить виды мостов,
рассказать о конструкции разных мостов,
раскрыть принцип работы механизмов разводных мостов существующих в мире,
провести опрос одноклассников на выбранную мной тему, чтобы выяснить, что они знают о мостах.
Глава 1. О мостах мира
1.1 Роль мостов
Значимость таких строений, как мосты, трудно недооценить. Со времени их появления до наших дней мосты – главный способ соединить два объекта. Это самые древние инженерные конструкции. Мост является одним из основных средств связи населения, находящихся на двух разных берегах, и необходимым элементом для работы промышленности. Без мостов невозможно функционировать железной дороге.
1.2 История появления мостов
Точное время появления первых мостов (переправ) неизвестно. Легенда гласит, что первые переправы появились, когда в дерево ударила молния, и оно образовало переправу между двумя берегами. Человек воспользовался этим и стал усовершенствовать такие конструкции. Это и был первый из видов мостов, который получил название балочный.
Первый построенный человеком мост был возведен в древней Греции. Письменное упоминание о самом первом мосте в истории относится примерно к 600 г. до н. э. и содержится в трудах греческого историка Геродота.
После падения Римской империи, во времена переселения народов средств на крупные сооружения не хватало, и строительство мостов замерло почти на целых восемь столетий. В эпоху Средневековья снова начали возводить мосты – тяжелые каменные арочные конструкции. С 16 века к мостам стали подходить с научной точки зрения, благодаря таким великим ученым, как Леонардо да Винчи, Галилео Галилей. В 1747 г. в Париже было открыто первое специальное инженерное училище — Школа мостов и дорог. Эта школа существует и сегодня.
В настоящее время все многообразие мостов можно разделить на две большие группы: статичные и разводные.
1.3 Виды статичных мостов
Статичные мосты подразделяются на 4 группы:
1. балочные,
2. арочные,
3. висячие,
4. вантовые.
Балочные мосты – самый простой вид мостов. Бывают многосекционные и односекционные. Секции в свою очередь состоят из деревянных, бетонных, железобетонных балок, на которые устанавливается дорожное покрытие. Балочные мосты самые многочисленные. (Рис.1, рис.2)
Основные несущие элементы арочных мостов - это арки или своды. Арочные мосты бывают акведуками для воды и дорожными для машин и пешеходов. Арочные мосты могут иметь езду поверху или езду внизу. (Рис.3, рис.4)
Висячие мосты состоят из высоких опор, к которым крепится канат. Несущая конструкция таких мостов выполнена из гибких элементов (кабелей, канатов, цепей и других). Проезжая часть подвешена. Висячие мосты применяются в случае невозможности установки промежуточных опор. При этом опоры моста не соприкасаются с дорогой, мост висит на канатах. Знаменитые на весь мир Бруклинский мост и мост Золотые ворота (США) относятся к такому типу мостов. (Рис.5, рис.6)
Вантовые мосты – одна из разновидностей висячих мостов. Это самые современные мосты. Состоят из вантов (стальных тросов) и опор (пилонов), к которым крепятся ванты. При строительстве больших мостов пилоны имеют размеры огромных небоскребов. Существуют две схемы крепления ванта к пилону: стиль веера и стиль арфы. (Рис.7, рис.8). Веерный вариант считается более устойчивым. Вант имеет сложную конструкцию, состоящую из тонких тросов обвитых другим тросом. На оболочку вантов придумали наносить «змейку», чтобы во время дождя не перегружать мост. При дожде по спиралям троса как по акведуку вода стекает вниз. Примером такого моста является Золотой мост, построенный в г.Владивостоке в 2012 году. (Рис.9)
1.4 Виды разводных мостов
Это самые исторически молодые мосты. Необходимость в таких мостах возникла в связи с интенсивной навигацией по рекам в промышленных городах. Все разводные мосты можно разделить на группы по способу разводки. Группа может состоять из одного единственного уникального моста.
Основную массу уже построенных разводных мостов можно разделить на следующие группы:
1. двукрылые
2. однокрылые
3. двухрукавные поворотные
4.однорукавные поворотные
5. поднимающиеся
6. затопляющиеся
7. мост-транспортер.
Глава 2. Как устроены разводные мосты
При проектировании мостов возникала необходимость учитывать местность, течение реки и бюджетную составляющую. Во многих случаях уже известные конструкции мостов не могли быть использованы. Тогда инженеры придумывали оригинальные новые проекты, которые при воплощении стали достопримечательностью городов и привлекают много туристов.
2.1 Устройство двухкрылого моста
Мост состоит из двух главных колонн, в них спрятаны противовесы, под противовесами их клинья. Противовесы всегда ниже уровня воды, колонны моста могут находиться как на суше, так и в воде. При расклинке клинья убираются из-под противовеса, после этого включаются электродвигатели, которые и приводят в действие крылья моста. Противовесы выполняют две функции – экономия энергии и фиксация крыльев моста. Клинья в свою очередь держат противовес, что не позволяет при автоматическом включении электродвигателей самопроизвольно развестись мосту. Примером таких мостов в России является Больщеохтинский мост им. Петра I в г. Санкт Петербурге. (Рис.10)
2.2 Устройство однокрылого моста
Его конструкция очень похожа на устройство двухкрылого моста, только в нем одна колонна и в ней находится не электрический, а гидравлический двигатель, который работает на сжатом воздухе под давлением. Четыре гидравлических цилиндра выталкивают пролетную часть вверх. В остальном его работа схожа с предыдущим мостом. Но разводка его происходит более быстро. Троицкий и Литейный мосты Санкт-Петербурга являются однокрылыми разводными мостами. (Рис.11)
2.3 Устройство двухрукавного поворотного моста
Первые двухрукавные поворотные мосты задумывались и были построены как акведуки над реками, т. е. канал воды над руслом реки. Двухрукавные поворотные мосты работают за счет искусственного острова посредине русла реки, в середине которого спрятан двигатель, который поворачивает большую емкость со шлюзами. При разводке этого моста-акведука шлюзы закрываются при помощи вспомогательного двигателя. Затем включается основной двигатель, и пролет моста поворачивается вдоль реки, при этом справа и слева образуется проход по реке для кораблей. Сведение моста осуществляется в ту же сторону, что при разведении, но при этом стороны пролета меняются местами и то, что было справа, стало слева. (Рис.12)
2.4 Устройство однорукавного поворотного моста
У однорукавных мостов главный двигатель, который приводит в действие пролет моста, находится на берегу реки. Когда он включается, пролет поворачивается как дверь. При этом электричества требуется не много, так как мост имеет колеса, которые движутся по рельсу, проложенному на дне реки. При разводке моста включается двигатель, который установлен снизу и поворачивает пролет как дверь. Рельсы и колесики являются устойчивостью моста. (Рис.13)
2.5 Устройство вертикально-подъемного моста
Поднимающиеся мосты устроены как лифт. В таких мостах должно быть не менее трех пролетов. При разводке этого моста противовесы движутся вниз, при этом помогая двигателю поднимать пролет вверх. (Рис.14, рис.15)
2.6 Устройство затопляемого моста
Затопляемые мосты очень похожи на поднимающиеся, но при этом движение моста направлено под воду. Если в поднимающемся мосту корабль проходит под пролетом, то здесь над пролетом. Опускают пролеты такие же механизмы: двигатель, канаты, противовесы. Ширина автомагистрали моста будет уже, чем у поднимающегося, потому что двигатели у поднимающегося моста находятся на вершине опор, а в затопляемом они находятся на пролетах моста. (Рис.16)
2.7 Устройство моста-транспортера
Мост-транспортер очень интересен по своей конструкции. Она состоит из двух высоких вышек на берегах рек, которые соединены канатами. К этим канатам на тросах крепится платформа, на которую заезжают машины. Двигатель приводит в действие канаты, и платформа перемещается вместе с грузом на другой берег. В России таких мостов нет. Они используются, например, в Германии, Испании, Великобритании. Первый такой мост был построен в 19 веке, но эксплуатируется и сейчас. (Рис.17, рис.18)
2.8 Уникальные разводные мосты
К оригинальным, уникальным разводным мостам относятся такие конструкции как:
1. сворачивающийся,
2. складывающийся,
3. наклоняемый.
Сворачивающийся мост - трансформер. Находится в Лондоне (Англия). Мост пешеходный, длиной всего 12 метров. Мост состоит из восьми секций, которые соединены петлями. Один конец моста прикреплен к берегу, другой просто лежит на берегу. Перила моста являются поршневым механизмом. Когда мост cводится, на гидравлические цилиндры подается давление. В результате мост сворачивается и приобретает форму восьмиугольника, похожего на колесо. (Рис. 19)
Единственный в мире складывающийся разводной мост находится в Германии, мост пешеходный. Его механизм состоит из системы канатов и электрического двигателя. При складывании включаются двигатели и наматывают канаты. В разводном пролете моста 3 секции, которые складываются как гармошка. При сводке отпускаются тормоза, и мост сводится автоматически. (Рис. 20)
Наклоняемый мост «Миллениум» прост в своей конструкции, очень красив, напоминает по форме глаз. Находится в Англии, это известная достопримечательность. Он представляет собой разводной мост, который, по сути, не разводится в прямом смысле. Мост состоит из двух арок, которые попеременно поднимаются. Одна опора моста может быть поднята вертикально на 50 метров, другая опущена горизонтально, по ней движутся пешеходы. Либо обе арки приподняты и тогда проходят по реке крупные суда. (Рис. 21)
Глава 3. Условия создания мостов
В данной работе я рассказал о малом количестве мостов из всего их многообразия. Я думаю, что разные виды мостов - инженерных проектов появились потому, что очень разнообразны природные условия, где возникала необходимость в мостах. Необходимо учитывать рельефы местности, изучать многолетние характеристики климата данной местности, создать проект, подобрать соответствующие материалы строительства, обеспечить строительство деталями, начиная от мельчайших болтов и гаек и заканчивая огромными пролетами и вышками. Очень значима безопасность мостов, особенно если они расположены в черте городов. Чтобы построить мост, необходима работа множества специалистов разных специальностей - геологи, гидрологи, океанологи, сейсмологи, климатологи, проектировщики, строители, энергетики и другие. Мосты построены и через многоводные равнинные реки, и через небольшие, но бурные потоки, и через горные ущелья, и через морские проливы.
Перед написанием работы, я составил анкету для своих одноклассников с несколькими вопросами о мостах. Опрос показал, что из 7 вопросов анкеты на все не ответил никто, только 3% ответили правильно на 3 вопроса из 7, 7% знали ответ на 2 вопроса из 7, 38% написали верно ответ на 1 вопрос. Анкетирование показало, что моя работа будет полезна и интересна для моих ровесников.
Я сам пробовал строить небольшие макеты мостов из природных материалов (песка, глины, досок, палок и др.) и из разных деталей конструкторов. В основном это были модели балочных и арочных мостов. И, конечно, моих любимых разводных.
В качестве наглядного примера, я хотел бы представить 2 прототипа мостов – разводного однокрылого (рис. 22, 23) и поворотного (рис. 24, 25). Первый сделан мной из деталей конструктора Лего. Он демонстрирует внешний вид моста и камеру противовеса в разрезе, а также сигнальные огни для речных судов. Второй сделан из дерева и повторяет внешний вид и механизм действия такого известного моста, как Свинг Бридж.
Заключение
На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что мосты мира – действительно сложные сооружения. Я узнал, что все мосты включают в себя огромное количество разных по размеру и сложности деталей. Кроме того, движущиеся элементы разводных мостов крайне непросты в изготовлении и проектировании. Только инженеры высокой квалификации с соответствующим образованием и большим опытом работы могут создать действительно масштабный проект моста, который прослужит сотни лет всему миру.
В ходе работы я решил все поставленные задачи:
опросил одноклассников и выяснил их осведомленность по теме работы;
изучил основные виды мостов;
попытался разобраться в их конструктивных особенностях (например, узнал, что в статичных мостах балки или своды арок работают на растяжение, за счет чего мост не разрушается);
получил представление о принципах действия механизмов различных видов разводных мостов;
ознакомился с уникальными мостами, такими как, складывающийся и сворачивающийся мосты.
На основе данного материала в дальнейшем я планирую подготовить проект моста с такими качествами как невысокая стоимость, максимальная пропускная способность, надежность, устойчивость, безопасность.
Список литературы
1. 70 чудес зодчества за 1500 лет новой эры. // сост. Нейл Паркин. М.: ООО «Издательство Астрель», 2004. С. 213-251.
2. Кёте Райнер. Мосты. // Электронная книга. URL: https://history.wikireading.ru/278163
2. Киножурнал «Хочу все знать»
3. Мосты. Фильм 1, 2, 3. Программа «ЕХперименты». Канал «Наука 2.0»
4. Программа Галилео. Канал «СТС»
5. Конструкции разводных мостов. Учебно-образовательный портал «Все лекции». URL: http://vse-lekcii.ru/mosty-i-tonneli/metallicheskie-mosty/konstrukcii-razvodnyh-mostov
6. Википедия. Свободная энциклопедия. URL:https://ru.wikipedia.org/
7.Вантовые мосты. Трансстройпроект. URL:http://tspmsk.ru/vantovyie-mostyi/
Приложение
Рисунок 1. Балочный мост деревянный.
Рисунок 2. Балочный мост.
Рисунок 3. Арочный мост с дорогой по верху.
Рисунок 4. Арочный мост с дорогой по низу.
Рисунок 5. Бруклинский мост, г. Нью-Йорк, США
Рисунок 6. Золотые ворота, г. Сан-Франциско, США.
Рисунок 7. Вантовый мост веерного типа.
Рисунок 8. Вантовый мост арфового типа.
Рисунок 9. Золотой мост, г. Владивосток.
Рисунок 10. Большеохтинский мост, г. Санкт-Петербург.
Рисунок 11. Троицкий мост, г. Санкт-Петербург.
Рисунок 12. Двухрукавный поворотный мост Свинг Бридж, г. Гейтсхед, Англия.
Рисунок 13. Однорукавный поворотный мост.
Рисунок 14. Вертикально-подъемный мост.Ростовский железнодорожный мост.
Рисунок 15. Г. Гамбург, Германия.
Рисунок 16. Затопляемый мост,Коринфский канал, Греция.
Рисунок 17. Бискайский мост-транспортер.
Рисунок 18.
Рисунок 19. Сворачивающийся мост, Лондон, Англия.
Рисунок 20. Складывающийся мост, г. Киль, Германия.
Рисунок 21. Наклоняемый мост «Миллениум», г. Гейтсхед, Англия.
Рисунок 22.
Рисунок 23.
Рисунок 24.
Рисунок 25.