Non, vous n'avez pas besoin d'un diplôme en génie des structures pour gagner à Jenga, mais ça a l'air d'être le cas parfois, n'est-ce pas ? Jeffrey Coolidge/Getty Images Les humains sont des ingénieurs structurels nés naturellement. Si vous trouvez cela difficile à croire, regarder un petit enfant jouer avec un ensemble de simples blocs de bois. Sans instruction extérieure - et à travers de nombreux essais et erreurs énergiques - il finira par apprendre que la façon la plus stable de construire vers le haut est de placer une poutre horizontale sur deux colonnes verticales.
La logique intuitive de l'enfant est la même qui a inspiré les architectes mycéniens du XIIIe siècle avant notre ère. pour construire la célèbre Porte du Lion à partir de deux colonnes de pierre et d'une poutre légèrement cintrée. C'est le même sens de la structure qui a dit aux anciens Égyptiens que si vous voulez construire quelque chose de haut en pierre, vous devez commencer large à la base. Et c'est ce même ingénieur né en chacun de nous qui dit, "Mec, si vous voulez gagner à Jenga, ne laissez pas un seul support au bas de la tour!"
Jenga est l'un des jeux les plus populaires au monde, troisième seulement derrière Monopoly et Scrabble en nombre d'unités vendues [source :Little]. Le but du jeu est simple :vous commencez avec une pile de 54 blocs -- trois blocs de diamètre, 18 niveaux de haut. Chaque niveau de blocs doit être perpendiculaire au niveau inférieur. Chaque joueur doit retirer un bloc près du bas de la tour et le placer sur le dessus en utilisant une seule main à la fois. Finalement, la tour devient dangereusement instable. Si c'est toi qui le renverse finalement, tu as perdu.
Jenga a été inventé par Leslie Scott, un citoyen britannique né et élevé au Kenya et en Tanzanie. (Jenga signifie « construire » en swahili.) Scott a joué le jeu avec sa famille en Afrique pendant des années; elle a finalement quitté un emploi chez Intel pour lancer Jenga lors d'un salon du jouet en 1983, où il est devenu un phénomène de jeu instantané [source :Little].
Une partie du charme de Jenga est sa simplicité; rien que des blocs de bois et de la gravité. Mais même ce jeu simple peut nous apprendre beaucoup sur le monde plus complexe de l'ingénierie structurelle. Immeubles, après tout, sont vulnérables aux mêmes forces qui peuvent renverser une tour Jenga - des forces comme des charges, tension, compression, torsion et plus. Un choc accidentel de la table de jeu est une excellente version à l'échelle d'un tremblement de terre catastrophique.
Commençons notre exploration de l'ingénierie structurelle de Jenga avec un regard sur les charges.
ContenuL'un des principes les plus importants de l'ingénierie structurelle est Chargement en cours . Avez-vous entendu parler d'un mur porteur? Il s'agit généralement d'un mur intérieur (comme celui qui divise votre cuisine et votre salon) qui sert également de colonne qui soutient le deuxième étage ou le toit. Si vous enlevez un mur porteur, la structure pourrait ne pas être en mesure de supporter son propre poids - et cela cause des problèmes.
A Jenga, il n'y a pas deux blocs de bois coupés exactement aux mêmes dimensions, ce qui signifie que les blocs reposent les uns sur les autres de manière inégale [source :Smith]. L'une des principales astuces de Jenga est de localiser les pièces "en vrac", qui sont plus faciles à enlever sans perturber l'intégrité de la tour. Si une pièce est lâche, alors vous savez qu'il ne peut pas être porteur.
Alors, qu'est-ce que cela nous apprend sur l'ingénierie structurelle? Lors de la conception d'un bâtiment, les ingénieurs doivent tenir compte de la chemin de charge du haut du bâtiment à la fondation. Chaque niveau de la structure doit supporter les forces appliquées vers le bas à partir des niveaux supérieurs. Il existe trois types de charges qui se produisent dans un bâtiment :
Les ingénieurs doivent effectuer des calculs minutieux pour s'assurer que les murs porteurs, les plafonds et les toits peuvent supporter des morts, charges vives et même dynamiques, en particulier lors de la construction dans des zones sismiques actives.
Le prochain principe important que Jenga enseigne sur l'ingénierie structurelle est l'importance d'une fondation.
Tout comme vous devez trouver la surface parfaite pour jouer à Jenga, les ingénieurs en structure doivent tenir compte des surfaces sur lesquelles ils choisissent de construire. Richard Elliott/Getty Images Chaque famille a sa surface préférée pour jouer à Jenga. La table à cartes fragile est hors de question car la moindre bosse d'un coude errant fera s'effondrer votre tour. La table de cuisine robuste est un choix solide, parce qu'il ne gronde pas aussi facilement que la table à cartes, mais rien ne vaut un bon parquet. Vous ne pouvez pas le frapper de côté, c'est sacrément plat et la seule menace pour la stabilité est le bébé ou l'animal qui rampe occasionnellement.
Les ingénieurs en structure doivent également tenir compte de la surface sur laquelle ils construisent leur structure. Si vous placez un bâtiment de 15 étages sur un sol meuble, la structure pourrait s'installer de manière inégale, provoquant des fissures dans les murs ou même un effondrement. Même si un bâtiment est construit sur un rocher solide, un tremblement de terre pourrait le bousculer latéralement, le faisant glisser dans la rue sur quelques mètres, écraser tout sur son passage. C'est pourquoi tous les bâtiments modernes, petits et grands, sont construits sur des fondations.
Une fondation a deux objectifs clés. Premièrement, il transfère la charge de la structure dans le sol. (Nous avons parlé des charges à la dernière page.) Plus un bâtiment est haut et lourd, plus la charge est entraînée vers le bas. Si le bâtiment repose à plat sur la surface, alors les éléments les plus bas de la structure devraient supporter la charge combinée de tout ce qui se trouve au-dessus d'eux. Mais avec une fondation bien conçue, la charge de toute la structure passe à travers les éléments les plus bas et est dispersée dans la terre en dessous.
Les fondations servent également à ancrer physiquement la structure au sol. C'est un rôle crucial dans les bâtiments de très grande hauteur. Imaginez que vous essayez d'équilibrer une verge à une extrémité. Vous pourrez peut-être le retirer sur une surface extrêmement plane, mais même une expiration le ferait basculer. Mais que se passe-t-il si vous retirez la tige de la cour et que vous enfoncez une extrémité dans le sol de quelques centimètres ? Maintenant, vous pouvez le toucher, ou même le frapper, et il ne basculera pas. Une fondation enterre une partie du bâtiment dans le sol, ce qui lui confère une stabilité accrue contre les changements de charge dynamiques.
Pour les immeubles de grande hauteur construits sur des sols meubles ou du sable, les ingénieurs enfoncent des pieux d'acier profondément dans la terre jusqu'à ce qu'ils atteignent le substratum rocheux. Ensuite, ils construisent une fondation en béton armé autour des pieux en acier pour créer un ancrage solide sur lequel construire.
Ensuite, nous verrons ce que les blocs de bois Jenga peuvent nous apprendre sur les matériaux de construction.
En génie des structures, il y a deux forces de base à l'œuvre dans tout élément structurel :la compression et la tension. Compression est la force appliquée lorsque deux objets sont poussés ensemble. Pensez à une pile de pierres lourdes. La force qui s'écrase sur la pierre inférieure est la compression. Tension est la force appliquée lorsqu'un objet est tiré ou étiré. Un bon exemple est la surface d'un trampoline. Quand quelqu'un saute sur le trampoline, la matière s'étire.
Les ingénieurs parlent de résistance à la traction de matériaux. C'est la force maximale qui peut être appliquée à un matériau sans le séparer. Les faisceaux de câbles en acier ont une résistance à la traction incroyablement élevée, c'est pourquoi ils sont utilisés dans les ponts suspendus les plus longs et les plus lourds du monde. Même un seul câble en acier de seulement 1 centimètre de diamètre peut supporter le poids de deux éléphants adultes [source :Yes Mag].
Pensons maintenant à une structure typique à Jenga. Si vous retirez la pièce centrale d'affilée, Ensuite, vous créez deux structures simples à poutres et colonnes de chaque côté de la tour. Une poutre posée sur deux colonnes subit à la fois une compression et une tension. Le poids qui s'appuie sur le dessus de la poutre la comprime vers l'intérieur vers le centre de la poutre. Et même si tu ne peux pas le voir à l'œil nu, le dessous de la poutre est étiré vers l'extérieur.
Imaginez si la poutre était en caoutchouc. Le poids l'étirerait en forme de "U". C'est pourquoi le caoutchouc est un matériau de construction si moche. Les ingénieurs en structure choisissent (et conçoivent parfois) des matériaux présentant les meilleures caractéristiques de compression et de tension pour le travail. La pierre est excellente en compression, mais remarquablement facile à démonter. C'est pourquoi une arche en pierre dure beaucoup plus longtemps qu'une poutre en pierre. Le béton armé est un matériau de construction idéal, car le béton lui confère une résistance à la compression et les tiges d'acier noyées lui confèrent une résistance à la traction.
Les tours Jenga ne deviennent pas assez hautes ou assez lourdes pour appliquer une compression ou une tension sérieuse sur les pièces en bois, il y a donc très peu de souci de diviser un faisceau. Mais dans les vrais projets de construction, les ingénieurs doivent examiner attentivement les forces et les faiblesses de chaque élément.
Nous allons maintenant vous expliquer pourquoi il est toujours préférable de laisser deux supports au bas de la tour Jenga.
Garder cette tour vacillante à la verticale implique bien plus que de la chance. Personnel/Getty Images Les joueurs expérimentés de Jenga savent que le moyen le plus rapide pour faire tomber une tour est de retirer les deux pièces extérieures de la rangée du bas, laissant toute la structure en équilibre sur un seul bloc de bois étroit. Avec un seul support en bas, chaque bosse et coup de coude de la tour est magnifié, le faisant osciller dangereusement d'un côté à l'autre. Mais quelles sont exactement les forces qui agissent sur une structure avec un support aussi étroit ? Et qu'est-ce qui les rend si dangereux ?
Les ingénieurs en structure ne parlent pas de garder un bâtiment « équilibré ». Ils parlent de maintenir équilibre de rotation . Imaginez un grand bâtiment comme un long bras de levier avec la majorité du bras au-dessus du sol et une plus petite section (la fondation) au-dessous du sol. Le point où le bâtiment rencontre le sol est le point d'appui du levier. Imaginez maintenant le bâtiment penché légèrement vers la droite ou vers la gauche. Au lieu de simplement tomber, vous pouvez le considérer comme une rotation autour du point d'appui. Les ingénieurs et les physiciens ont deux noms pour cette force de rotation :le moment ou couple .
Un principe de base de l'ingénierie structurelle est que plus votre bras de levier est long (ou plus il est éloigné du point d'appui), plus le moment est grand. Pour diminuer le moment d'un immeuble très haut, vous devez construire des supports larges. Plus les supports sont larges, plus le moment est bas. Pour comprendre cela, essayez de vous tenir debout avec vos pieds écartés et demandez à un ami de vous pousser sur le côté. Cela demande beaucoup de force. Assemblez vos talons et essayez la même chose. Votre ami doit à peine vous toucher et vous basculez tout de suite. Une structure avec une belle base large est intrinsèquement plus stable qu'un bâtiment avec une base étroite.
Pour la dernière leçon d'ingénierie structurelle apprise de Jenga, nous parlerons des tremblements de terre.
La plus haute tour Jenga jamais enregistrée était de 40 niveaux, atteint en utilisant l'ensemble Jenga original conçu par Leslie Scott elle-même [source:Museum of Childhood]. La plupart des joueurs ont de la chance s'ils peuvent obtenir plus de 30 niveaux avant que tout ne s'effondre. La raison pour laquelle la tour devient de plus en plus instable à mesure qu'elle grandit est due à une répartition inégale du poids. Lorsque trop de poids se trouve en haut de la structure, il commence à agir comme un pendule inversé, oscillant d'avant en arrière sur sa connexion étroite à la terre [source :FEMA]. A Jenga, le résultat est un nettoyage de deux minutes. Dans la vraie vie, vous auriez une catastrophe.
Lorsque les ingénieurs en structure choisissent de construire dans une région sismiquement active, ils doivent tenir compte des effets des vibrations latérales sur leur bâtiment. Quand les ondes sismiques se propagent à travers la terre, ils bousculent les bâtiments de haut en bas et d'avant en arrière. Les bosses de haut en bas ne sont pas aussi dangereuses que les mouvements latéraux, qui sont plus susceptibles de conduire à l'effondrement [source:Association of Bay Area Governments].
Ces vibrations latérales sont ressenties différemment à différentes distances du sol. Plus vous montez dans un bâtiment, plus les vibrations sont prononcées. Lorsque vous mettez du poids dans l'équation, les effets peuvent être désastreux. Selon le texte fondateur, "Pourquoi les bâtiments s'effondrent, « Les forces sismiques croissent proportionnellement au poids de la structure et au carré de sa hauteur [source :Levy].
Une structure lourde au sommet vibre avec un temps beaucoup plus long période -- le temps qu'il faut pour parcourir une vibration complète -- qu'un bâtiment dont le fond est lourd. Une période plus longue signifie également un déplacement physique plus important. Prenons l'exemple d'un immeuble à deux étages. Lorsqu'un tremblement de terre frappe, le bâtiment oscille de 2 pouces (51 millimètres) hors du centre. Lorsque vous ajoutez du poids au sommet du même bâtiment (même s'il s'agit de quelque chose de simple comme un toit de tuiles lourdes), le balancement augmente à 3 pouces (76 millimètres) hors centre [source :Association des gouvernements de la région de la baie].
Nous espérons que vous avez appris quelques choses sur les raisons pour lesquelles les bâtiments tombent – et ce que vous pouvez faire pour enfin battre votre sœur à Jenga. Pour plus d'informations sur les jeux familiaux et la science au quotidien, passez aux liens sur la page suivante.
