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工程

椅子为什么会坏?

4 分钟 阅读

学生在搭建冰棍棒桥,测试接头和荷载分配——与椅子相同的结构工程原理
椅子和桥面临相同的工程问题:接头、荷载路径和材料选择决定了它们是撑住还是失败。

椅子只有一个主要任务:支撑你。这听起来简单,但椅子经常坏掉。腿断了,靠背开裂,螺丝松了,座面弯了。为什么有些椅子能用好几年,而另一些很快就坏呢?这归根结底是工程学。

椅子必须承受力

当你坐在椅子上,你的体重向下压。椅子必须将这个力从座面传到椅腿,再传到地面。如果力分布得好,椅子就保持坚固。如果太多的力集中到某个薄弱点,椅子就可能开裂或弯曲。

这叫做重量分配。好的椅子不只是承受重量,而是通过结构安全地传导重量。

材料很重要

椅子可以用木材、塑料、金属、织物或多种材料组合制成。每种材料各有优缺点。木材可以很坚固,但如果木纹薄弱或接头不好就会裂开。塑料轻便便宜,但薄塑料可能开裂。金属可以非常坚固,但如果太薄或形状不好就会弯曲。

工程师根据成本、强度、舒适度、重量和外观来选择材料。最好的椅子是在正确的位置使用正确的材料,而不是到处都用最强的材料。

接头通常是最薄弱的地方

椅子通常不会在实心部分的中间断裂,而是在零件连接处断裂。这些连接点叫做接头。椅腿可能通过螺丝、胶水、螺栓、支架或木材中特制的卯榫结构连接到座面。

如果接头薄弱,整把椅子就薄弱。这就是为什么摇晃的椅子是警示信号——摇晃意味着接头在不该移动的时候移动了。

形状可以让椅子更坚固

有些椅子在椅腿之间有支撑横杆,防止椅腿向外撑开。其他椅子使用弧形塑料、金属框架或三角形支撑。三角形在工程中是特别坚固的形状,因为它不容易改变形状。

这就是为什么你会在桥梁、塔楼,有时也在家具中看到三角形。椅子可以通过形状变得更坚固,而无需增加大量额外材料。

测试很重要

椅子出售前,设计师可能会通过加重、摇晃、跌落,或用机器模拟坐千次来测试它。因为椅子需要在现实生活中经受考验——人们会向后靠、扭转、猛地坐下、拖着椅子走、还会叠放椅子。

用一次没问题是不够的。好的椅子需要一次又一次地正常工作。

试试这个:纸椅挑战

用纸和胶带搭一把能支撑小物体(如玩具或书)的椅子。测试不同设计:四条直腿、折叠腿、三角支撑或卷纸管。哪种设计能承受最多重量?

你会发现什么

你会很快发现,形状和接头的重要性不亚于材料。形状好的简单椅子往往比接头差的复杂椅子更胜一筹。

最后的思考

有些椅子坏掉是因为力没有被妥善处理。其他椅子能用很久,是因为工程师选择了坚固的材料、聪明的形状和牢固的接头。椅子看起来普通,但每次支撑着人,它都在做工程学的工作。

关于作者

Enqi Qi

Avanza STEM volunteer

Enqi volunteers with Avanza STEM and helps plan the science and math activities used in our workshop sessions.

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