A spirálforma ereje

Kapcsolódás a biomimikrihez:

A természetben a spirális elrendezés szerkezeti stabilitást eredményez. A különböző formájú oszlopok megmutatják, hogyan befolyásolja az alak a szerkezeti szilárdságot: a kör alapú a legstabilabb, köszönhetően az egyenletes feszültségeloszlásnak. A spirálok is így működnek a természetben. Ennek a stratégiának a megfigyelésével szilárd, masszív, tartós szerkezeteket tervezhetnek az emberek.

Foglalkozás:

Eszközök és anyagok:

• csoportonként 3 db A4-es papírlap papír
• erős ragasztó/ragasztószalag
• több, körülbelül azonos méretű és súlyú könyv – például az osztályban használt matematika könyv

Előkészületek:

Nézzük meg a kísérletet bemutató videót, hogy jobban megértsük a feladatot.

Leírás

A spirális elrendezés nagyon erős és stabil. Képzeljünk el egy lépcsőt, amely egy toronyba vezet felfelé. Ha a lépcső csak egy egyenes vonal lenne, nagyon instabil lenne, és könnyen összeomolhatna. Ha azonban a lépcső csigavonalban van elrendezve, akkor sokkal erősebb és stabilabb, mert a lépcső súlya egyenletesen oszlik el minden egyes lépcsőfokon. Ezért találunk a természetben gyakran csigavonalat, például a csigaházaknál.

A következő gyakorlat segítségével megnézhetjük, milyen erős a spirál alakzat:

1. Osszuk a diákokat kisebb csoportokra! Adjuk nekik oda a papírokat és a ragasztószalagot!
2. Minden csoport hajtogassa a papírokat három különböző alakzatra:
   •  Az elsőt hajtsák három részbe, majd a széleket ragasszák össze! Így háromszög alapú hasábot kapnak.
   • A másodikat hajtsák négy felé, majd a széleket ragasszák össze! Így négyzet alapú hasábot kapnak.
   • A harmadik lapnál ragasszák össze a széleket! Így  hengert kapnak.
3. Helyezzék a fentebb leírt módon meghajtogatott formákat az asztalra (élével), és rakják rá óvatosan, egyenként mindegyik formára a könyveket! Számolják meg, hogy az egyes formákra mennyi könyvet tudnak rárakni!
4. A henger fogja (messze) a legtöbb könyvet elbírni. Miért van ez így?

Általában egy köralapú, azonos anyagú forma egyenletesebben osztja el a feszültséget a felületén, mint a sarkokkal rendelkező formák, például a négyzetek és a háromszögek. Ez azért van így, mert a sarkok a feszültség gócpontjai, ami feszültségkoncentrációhoz és végül a szerkezet meghibásodásához vezethet. Ezzel szemben a hengeres forma lehetővé teszi a feszültség egyenletesebb eloszlását a teljes felületen, ami ellenállóbbá teheti a sérülésekkel szemben. Hasonlóan működnek a spirálok is.