游戏23 纸桥过车
（一）游戏内容及规则
利用6吨废报纸，能否在10天时间内，设计制作出一个长6米、离地面高2米的纸桥，使之能让真正的吉普车通过？允许把报纸变成纸浆做成纸砖之类的方案，关键是整个纸桥要由纸做成（引桥部分由其他人完成，不必参赛者考虑）。 工具：不限制。
材料：6吨废报纸、8桶白乳胶。
这是中央电视台“异想天开”栏目改板后的第一个节目，是一个真正异想天开的比赛，在“异想天开”栏目里出现真是很合适。当然这已经不是小小的游戏了，而几乎是一个工程问题，选手们面临的困难要远远超出他们事先的想象。 经过筛选，最终确定清华队与网友发明家队参加这一游戏的角逐。stkx
（二）相关知识及原理分析
道路交通事故现场图
本游戏涉及的知识是受力分析，材料的强度和刚度。可以思考一些问题：桥梁有多少类型？每种桥梁有什么特点？本游戏中采用什么方案为好？可能有什么困难？等等。
通过本游戏，学生可能的收获是了解纸的特点、力的放大原理，各
种方案的优缺点。
架桥当然有各种具体方案，但是其背后的原理并不是很多。从力学角度看，首先要解决材料的“受力”和“变形”问题。
1．从纸张的强度考虑（网友发明家队）
根据生活经验，一张纸可以承受拉力，而在承受压力时会弯曲变形（图23-1），如果拉力足够大，纸张上还可以放上个重物（图23-2）。如果重物是汽车，就要想办法提高纸张的受拉能力。因此问题的重点就变为如何让报纸能承受很大的拉力而不断。 如果你平时注意观察，总是能从身边的现象中得到启发：看看毛线或草绳，它们由一根根的纤维或稻草编成，能受很大的拉力而不断（还记得“以轻博重”里柔软鞋带的摩擦效果吗）。这就是说，可以把报纸卷成细条（看成纤维），再把很多细条编成绳子。大方向确定了，下面就是如何编纸绳。 真空渗碳炉
不过如何用报纸编纸绳，也是个技术问题（如果你会编辫子，基本上就会编纸绳）。不过这对网友发明家队的队员们来说不是什么困难，他们临时用三根钢管焊成了一个简单的装置来快速编纸绳，它可以把三股细纸绳搓成一根粗纸绳，差不多有拳头那么粗（图23-3）。几吨报纸都变成纸绳后，铺在地上蔚为壮观，我女儿忍不住要在上面翻滚几下（图23-4）。
这些纸绳足够粗，不容易被拉断。试验中一根粗绳每边用9个人才能拉断，
所以用很多这样粗的绳子去承受汽车的重量应该没有问题。
但是这种方案有一个严重的问题：绳子很结实不会被拉断，但是其变形呢？
我们还是用生活中的现象来说明。在一根绷得很紧的绳子上，即使挂上很轻的物体，绳子也会有明显的变形，如果你晾过衣服，或者你拉过小提琴，很容易发现这一点（图23-5）。但是你可能没有意识到这里包含了一种力的放大原理：很轻的物体导致绳子中很大的拉力。
隔音房制作
图23－5 轻轻用力绷紧的琴弦就会变形图23－6 如果汽车抛锚在某些情况下，这种力的放大原理可以帮助你。假想有一天你带着家人去海边玩，汽车陷入了沙滩，他们都只动嘴不动手，而你直接
癸氧喹酯沿着绳子拉车（绳子上的力就是人的拉力）可能拉不动汽车。这时如
果把绳子一头绑在车上，另一头绑在附近的树或石头上，垂直于绳子
用力拉（这时绳子上的力比人的拉力大），你一个人就有可能把汽车拉
出陷坑（图23－6）。当然这种假想的情况你可能永远不会碰到，但是
你仍然可以从中得到启发。
考虑到这种力的放大效应，真正的汽车质量有1吨多，但是开上纸桥后，纸绳中的拉力将远远超过汽车的重量，纸绳即使不断，其变形也会很大，汽车可能会陷入其中。
如果只看图23-7，可能觉得纸绳变长些没有什么问题，桥面还是比较平坦的。但是，你可能没有注意：当吉普车继续向前开时，纸桥的形状会发生改变，车后面的桥面越来越平坦，而车前面的桥面越来越陡峭了（图23-8）。而吉普车爬坡有一定的限制，这就会导致吉普车上不了对面的引桥。
2．从纸张的刚度考虑
这是考虑问题的另一种思路。清华队也是从生活经验出发，如果想把一根竹筷子弄断，拉断它很困难（图23-9），但将其折断则是轻而易举之事（图23-10）。
拉伸状况每根纤维变形相同各纤维平均分摊外力
图23－11 筷子在拉伸状态下的变形和受力示意图
同一根筷子，为什么很难拉断却很容易折断呢？我们知道，竹筷子是由多根竹纤维组成的，那让我们看一看这些纤维在筷子被拉伸时的变形和受力状况。在图23-11中，可以看出：在筷子的拉伸过程中，每根纤维都被拉长，由于受力与变形有关，因此每根纤维平均分摊了外力。如果用拟人化的比喻，这些纤维在拉伸过程中“团结一致”，从而不易被拉断。
再看一下筷子在被弯曲时纤维的受力状况。筷子在弯曲过程中，上侧纤维变长，下侧纤维变短（你很容易用橡皮管做试验来验证这一点），根据“连续性”条件，中间部分纤维长度没有变化。由于受力与变形有关，上侧纤维受较大拉力，中间纤维基本不受力，下侧纤维则受压力（图23-12）。这些纤维在弯曲过程中“各自为战”，最上侧的纤维会首先被拉断，然后下面的纤维会依次断裂。在图23-10的照片中，可以看到断裂首先在筷子的上部发生，验证了我们的分析。
弯曲状况上侧变长，下侧变短
图23－12 筷子在弯曲状态下的变形和受力示意图
筷子不易拉断而易折断，用纸做成的桥，当汽车开上去后，桥也可能会折断。因此需要考虑采用一些方法来解决纸张抗拉不抗弯的缺点。
采用什么方法呢？既然材料在弯曲时中间部分受力较小，上下侧受力较大，那为什么不把“好钢用在刀刃上”呢？也就是把中间部分的材料挖去（图23-13），而为了不减少面积影响受拉受压，可以把挖去
的材料移到上下两侧的位置（图23-14），“工”型（在英语中称为“H”形）截面的梁就是这样而产生的。你知道铁轨的截面是什么形状吗？就是“工”字形。如果弯曲的作用力可能会随时改变方向，就可以把截面设计成空心圆管的形式（其核心就是把中间的材料移到外边，如果中间的材料全部移走，就变成中空的圆管了），这种形状更容易加工产生，在工地上很容易看到这样的钢管。
因此清华队考虑设计纸筒桥，重点提高纸张的抗弯刚度问题。网友发明家队考虑设计纸索桥，重点提高纸张的拉伸强度问题。在这一问题中抗弯刚度和拉伸强度都应该考虑，但是还要考虑优先的顺序和可能带来的问题。 （三）活动花絮及照片
1、清华队的设计方案
清华队考虑到报纸几乎不能承受弯矩，因此决定把报纸卷成圆筒。设计纸筒桥，重点提高纸张的抗弯刚度问题。
俗话说：兵马未动，粮草先行。的确，在报纸还未到来时，学生们已经在上网查资料，打电话联系车辆，进行设计和初步试验等。
环氧树脂涂层学生们了几根纸筒，尝试如何才能捆结实（图23-15）。他们计划用纸带捆绑纸筒，于是他们分工
合作来生产纸带：整理报纸、裁切、粘贴、烘干，已经成流水线作业了，见图23-16。
开始时学生们打算自己卷纸筒，后来由于各种原因（见附录D），就在规则允许的条件下，决定造纸厂把报纸加工成纸浆，再做成纸筒。当然工厂加工需要很高的费用，学生们根据设计的方案，经过计算后明确只需要一吨多的纸，然后就把其他的报纸都卖给了纸厂当加工费了。
纸筒千呼万唤始出来，但开始时纸筒只能存放在露天的平台上，防火、防雨都是十分重要的问题（图23-17）。后来才移到比赛厂地附近的厂房，我的女儿在纸筒中玩耍时，导演还给拍了不少镜头呢（图23-18）。
图23－17 做桥的纸筒
为了获得纸筒的材料参数，学生们因陋就简，利用自己的体重做纸筒的弯曲试验（图23-19）。这里最能反映我所提倡的理念：用尽可能简单的工具和材料解决问题。
学生们只用一把钢尺就测出了纸筒的抗弯刚度。此外他们用了很多简单巧妙的方法做了纸筒的摩擦试验、稳定性试验、破坏试验等，得到了需要的参数，为理论分析提供了依据。
开始制作桥墩时，如何使桥墩既平稳又有效地支撑桥面，这里面的技巧可多着呢，也有很多道工序。做一个桥墩需要很多人的配合（图23-20）。
纸桥要架在亦庄汽车城空旷的广场上，正赶上那几天北京一直下雨，学生们就在广场上搭了帐篷，在帐篷里面架桥。清华队由于前几天耽误了时间，最后连夜加班架桥，在比赛当天天亮的时候，雨过天晴，清华队的纸桥也终于做好了（图23-21）。
在造桥时，清华队考虑了比较多的因素，例如桥身各部件的主要作用如下（图23-22）：纵梁是主要的受力构件，是纸桥的核心；桥墩是为了防止纵梁的变形过大；横梁是为了把汽车的重量均匀分配到纵梁上；垫纸是为了减少汽车过桥时的振动。清华队做了大量的试验和理论计算，从理论上计算出1.5吨的汽车过纸筒桥时，最大变形不超过1厘米。因此清华队是充满信心参加比赛的。
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