杜風 82 期 學術活動成果報導

Key stone course: 102-2 結構學與流體力學實驗

蘇愉榕

課程助理


 

課程開設至今已有三年,課程模式一樣分成兩個階段,每個階段都包含設計、建構及測試的實作過程並依序完成兩個主題,分別為「人行天橋」及「氣動漂浮玩具」。每個主題中,學生參與結構設計、模型組裝,並測試設計出來的模型在「載重」及「流場」中之反應。課程搭配「結構學(一)」及「流體力學」作為輔助課程,開放給積極主動、喜愛動手設計並願意提早一學期修習實驗課程的大二下學生修習。

 

  
 

由於報名熱絡,今年修課學生人數提升至36位。為了讓課程順利,修習新的「結構學與流體力學實驗」之學生,必須同時選修周中哲老師開授之「結構學(一)」及卡艾瑋老師開授之「流體力學」,也就是俗稱的「卡周套餐」。課程的首個主題「人行天橋」與實踐建築系大二學生合作。實踐大學許棕宣、方尹萍、莊豐賓、鍾筠青及卡艾瑋老師們在實踐大學東閔紀念大樓8樓容納百人的挑高空間以及實踐木工廠中課程揚帆啟航。

人行天橋

課程的第一個主題,土木系的學生同以往與實踐大學建築系大二的學生合作,今年盛況,兩系近百位同學分成七組共同設計、建構並測試一個大尺度其跨距以往為5公尺,而今年挑戰跨距7公尺的人行天橋。各組混和兩系的學生,納入建築與結構設計等考量,並在台大及實踐大學校園中選址,融合基地環境,打造學生所設計出來的一比一橋梁模型。

 

   
 

以木為建材,想必同學們對木材的性質還滿頭問號,木橋在城市中畢竟少見,為了讓大家在設計橋梁前先大致了解材料的特性及普遍的使用工法,特別邀請森林系的張豐丞老師來幫同學增添知識。上屆的人行橋樑作品幸運地保存至本學期初,其中扇子橋由學生助教製作其1:10縮尺模型,於土研結構實驗室示範小模型載重測試。接而扇子橋本尊於國震中心示範大型模型載重測試承載約1.5噸方使其破壞。然而結構的概念也不是一夕長成,周中哲老師趁著同學們剛見識橋梁模型被壓垮還精神抖擻時為同學們開啟結構學的大門。至於其他先前橋梁作品皆由本屆學生拆卸後部分木料作為新一代創作的原料再度利用。

 

 

設計階段是先以圖面及以木、竹等為材料製作1:10縮尺模型為基礎,作載重測試,觀察所設計橋梁力學破壞模式,與老師們討論後,再進一步修改設計。

 
 
 

  
  
 
 

最後再以木、竹為建材,利用實踐大學的木工廠加工,為期一個禮拜,以橋能承受全組設計師的重量為設計目標,建造出完整的人行天橋。而今年7公尺跨距相較往年更具挑戰性,往年各組全體成員皆能成功上橋,今年三月十一日在實踐大學評圖時,七組作品中只有三座成功負荷全體設計師總重的橋梁,有別於以往地出現了挑戰失敗的例子,能過關並不算太容易。設計時須納入建造成本、工時、人力及基地環境等考量,創意造型和結構性能該如何兼顧。

橋梁主題進入尾聲,三月十八日在本系系館及土研大樓展出七座作品,場面隆重熱鬧,實踐招牌大師陣容無一缺席,另特別邀請建築師末光弘和、結構技師富田匡俊及呂良正主任共襄盛舉。助教團隊製作獎牌為本階段立下里程碑。就問卷的統計,「人行橋梁」是本課程最受歡迎的主題。

   

 

 
 

另一個主題的開端「氣動小船」

說到流體,空氣與水是最不陌生的,它們都透明無味,又空氣可壓縮及空氣不可壓縮的特性…說到這大家都快睡著了吧;為引起學生的興趣,秀出之前學長與卡老師一起研發的銅製抽泥船模型並讓同學以手動打氣加壓並操控氣閥開關來猜猜抽泥機制原理。隨後轉移陣地,至空曠草地上,施放水火箭,雖然大家都是成年人了,但是久沒玩還是很好玩啦,藉由操作模型與玩具來觸發同學們對其原理的好奇與思考。

 

 

 
 

流體力學的應用小試「製作銅製氣動小船」,並於學期中舉行生態池競速賽,上屆學長姊的作品正蓄勢待發,恰好示範給本屆同學看流體何以驅動船隻,首先要先喝完一瓶汽水以取得流體能量瓶…。各組估算浮力,設計船型,並借力水刀機切割模型材料。學長姐傳授使用橡皮栓塞可減少漏氣,至於模型施作,初學錫焊,以此熟練技能,最後水中的一陣廝殺,為求公平,派出了土木系學生們熟悉的全測站,量測船行距離及方位,以辨識最快最準的隊伍。

 

 
 

氣動漂浮玩具

課程的第二個主題則以流體力學原理為設計基礎,學生將延續設計-建構-測試的模式實際完成一個小尺度之氣動浮體。課程中,學生將學到數位模型設計、浮力計算、流體靜力學及動力學等相關分析。為了完成學生之模型設計,在建構過程中學生利用電腦控制水刀來切割銅板,再利用錫焊工具達到縫隙間之水密接合。完成之模型在生態池中測試其在靜水與動水中的表現。期末邀請了小小玩具專家(果果)、造船專家連富良師傅(工科海洋)、水利達人游景雲及結構老師周中哲與流力老師卡艾瑋共同參與漂浮玩具大賞。同學們已熟悉著青蛙裝入池,岸上努力打氣,讓重重機關靈活上工,各出奇招,仿生潮流盛行,池裡有活生生的青蛙與烏龜也有銅蛙、銅龜、銅章魚戲水中。水上音樂盒、旋轉木馬、釣漁船等,讓評審團大開眼界並對學生的創意有極高的評價。

   
   
 
 
 
 

期末作品是各展絕活,課程安排完整的設計流程,學生耗盡心力完成模型後,需總結自己的設計,為自己打造的玩具寫說明書,練習寫專利稿件:自源頭敘述設計理念及強調作品最強大、最獨特的部分。藉由手稿及數位圖繪,輔助設計說明,希望能將有趣的設計由平面上的圖、文傳達給普遍大眾。最後熄燈前,小船競賽的冠軍、最優雅小船及榮獲評審青睞的漂浮玩具等皆予以銅製獎牌加持恭賀。同學們也於問卷中給予回饋,有九成以上的同學滿意本課程的設計主題,雖然同學們投入不少時間,也會喊累,仍有部分同學回應有成就感且很有趣,據統計的結果顯示有八成的同學未來有意願修習類似的實作課程。感謝所有參與本課程的所有老師、評審、學長姐、助教以及全體同學們,這學期順利落幕!

 

 

 

 

 

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