创意设计与作品纸结构模型承重比赛海珠区金碧一小

1、纸结构模型承重比赛广州市海珠区金碧第一小学六年级(1)班朱博乐指导周婉仪几个前，在科学课上周告诉我们，即将举办广州市海珠区纸结构模型承重设计比赛，我立刻兴致勃勃报名参加。在赛前的第一次培训中，周组织我和另外两名参赛小伙伴们了解此次比赛的规则：（1）用 2 张 70 克/m2 A4 纸、胶水、笔、直尺等工具，现场制作一个长、宽、高投影均在 15cm-25cm 之间的纸结构模型，等待 8 小时让胶水自然风干后进行纸结构模型承重测试；（2）参赛选手要先将托盘放在纸结构模型上，然后自行添加合适数量的满瓶矿泉水，每人测试时间为三分钟；重物放上后保持至少三秒，纸结构模型不发生严重变形或垮塌，裁判为有效成绩

2、，根据最大承重数量评定成绩。只有 2 张 A4 纸和胶水，制作材料少得有些不可思议。要知道 70 克/m2 规格的A4 纸每张只有 4.375 克，两张这样的 A4 纸总重量还不到 10 克，把它们做成纸结构模型却要在上面压 1 瓶水（680ml）就超过 1 斤的重物，而且这个模型还有规格的限制，不能做得太小。这个承重赛好像是一个不可能完成的任务一样，1太难了。该如何设计与制作呢？我顿时陷入了沉思，周建议我们从刚刚在科学课上学到的形状与结构单元知识点中找灵感。我和小伙伴们七嘴八舌地讨论起来：纸越厚越坚固，就能承受越多的重量；把薄型的平面材料折成立体形状就能增加它的抗弯曲能力，使它能承受更大的重

3、量。对了，我把 A4 纸裁剪成各种规格的长纸条，再粘贴起来围成一个空心圈，就像中秋灯笼的框架那样，这样薄型的平面材料变立体了，应该会很坚固吧。因为材料有限而且有规格的限制，整个纸结构模型的长宽高应该稍大于 15cm 即可；裁剪下来的剩余材料要充分高效利用起来，把它们用以加固定模型。根据这样的设想，我设计并制作了第一个方案：大圆筒式结构。方案一：大圆筒式纸结构（一）制作步骤与模型规格1. 大圆筒高约 15.2cm,直径约 15.6cm；（如图一所示）2. 垂直方向有四条筋:V1、V2、V3、V4(筋的宽度约2.5cm/条)；3. 水平方向有三条筋:H1、H2、H3(筋的高度约 1.9cm/条)；

4、24. “筋”是指：纸张剪开后，用胶水粘贴连接的部位。（二）承重测试等胶水风干后，我迫不及待地进行承重测试，但令人失望的是这个模型的承重力不足，最多也只能承重 5 瓶纯净水（555ml）的重量。（三）测试结果分析虽然大圆筒式的纸结构有制作工艺比较简单,站立稳定性极好的优点，但当模型受重压时，经常在筒壁中部发生凹陷垮塌，说明筒壁中部结构强度较弱，这样的形状只适合用作灯笼的定形结构，不适合承受重力。虽然这个方案被否决了，但在制作过程中我发现胶水粘贴的面积与纸结构承重的能力高度关联：胶水粘贴面积越大，承重能力越强。方案二：三脚架式纸结构很快，周组织我们进行第二次赛前培训，我和小伙伴们了这段时期的制作

5、情况与制作的经验。我说的情况，小伙伴说：“不如把纸卷成纸筒吧，因为我们学习过纸越厚，承重力越强啊。”一言惊醒梦中人，是啊，我可以把纸卷成各种规格的纸筒，在与周及小伙伴们认真讨论研究制作方案后，结合方案一获得的初步经验，我决定接下来，尝试制作直径较小的纸筒柱支撑结构。（一）制作步骤与模型规格1、 把两张A4 纸分别沿长边对折、剪成四个 21cmX15cm（大约值）的长方形；32、使用直径为 0.8cm 的铅笔将其中的三个长方形卷成三个直径都为 0.9cm、高度都为 21cm 的圆筒；3、三个圆筒的一端剪去 5.8cm（图二），这时三个高度为 21cm 的长圆筒被分成了三个15.2cm（A）和三个

6、 5.8cm（B）的较短圆筒,备用；4、把剩下的第四个长方形剪开，成为 12cmX21cm和 3cmX21cm 两个小长方形；5、把 12cmX21cm 长方形卷成一个高为 21cm的细长圆筒，然后大致平均剪开，成为 6个高约 3.5cm 的短圆筒（C），备用；6、3cmX21cm 部分剪成三张 1cmX21cm 纸条（D）；7、成型(图三)：把三个高为 15.2cm 的圆筒(A)摆成三角形；在每个圆筒(A)底端放置一个 5.8cm（B）和两个 3.5cm（C）的短圆筒(注意：5.8cm 的放中间),用胶水粘贴固定； 再把三张1cmX21cm 纸条（D）粘贴在三组圆筒柱底部，两两连接成为一个整

7、体(见成品图)；4（二）承重测试 1 与结果分析三脚架式纸结构承重测试数据（表一）测试的结果差强人意，原以为纸筒的承重肯定比灯笼式的大圆筒结构要好，没想到连一瓶水都承受不了，到底哪里出差错了？我仔细观察纸模型，发现纸筒柱子自身刚性十分优异，但站立稳定性却非常差，顶部刚放上承重托盘，立刻垮塌，估计是因为纸筒做得太“苗条”，导致整个模型重心不稳引起的，那么加大纸筒的直径可以增大纸结构模型的承重力吗？我继续进行制作上的改进。（三）承重测试 2 与结果分析三脚架式纸结构承重测试数据（表二）经过对比不同直径圆纸筒结构承重数据,发现直径较大的纸筒结构，站立稳定性较好，承重能力比较强，比如直径 1.6cm的

8、纸筒三角架结构（左图），能够承重 15 瓶矿泉水。在实验的过程中，我还做了一个对比实验“改变纸5圆纸筒直径承重量（555ml 纯净水瓶子个数）1.3cm3（一层）1.5cm9（一层）1.6cm15（两层）1.7cm14（两层）2cm14（两层）圆纸筒直径承重量（555ml 纯净水瓶子个数）0.9cm0条(D)的粘贴位置”。实验发现，如果连接纸条(D)粘贴在圆筒中部或上部都不够稳固，只有把纸条粘在圆筒底端稳定性最好。在测试过程中我还发现，三脚架式结构存在以下不足之处：本身站立稳定性不强；放置托盘时不容易平衡好重心；添加水瓶时不容易把握好对称位置。方案三：圆柱式纸结构三条腿的纸结构稳定性差，那我改

9、成四条腿的纸结构总可以了吧。因此，接下来我继续深入研究，探索由四根纸筒围成的圆柱式纸结构的承重能力。（一）制作步骤与模型规格1、小圆筒柱子高约 15.2cm,直径约 1.2cm；2、顶端、底端两个大圆环的直径约为 17.6cm；（二）承重测试站立稳定性很差,承重力不足，刚放上托盘就垮塌；（三）测试结果分析6原本期望这样设计的模型能够大幅度提高承重结构的站立稳定性，测试结果却出乎意料，看来还是因为圆柱形的制作难以保持模型的整体稳定性引起的承重不足，预计的目标未能实现，此方案又被否决。方案四：“桌子腿”形纸结构已经尝试了三个方案，经历了多次失败，我有点灰心丧气想要放弃了。周和妈妈不断鼓励我要继续坚

10、持，从失败中总结经验，从细节中深入研究。有一天，我看到家中的餐桌四条桌腿摆得方方正正的，整体成一个长方形，巨大的餐桌平放在上面四平八稳。哎呀，原来四条腿要这样子放才稳定啊，我一下子来了灵感，立刻拿出 A4 纸进行第四个方案的设计与制作。（一）制作步骤与模型规格(以纸筒直径 2cm 为例)1.如下面三幅图所示，在两张 A4 纸上分别画上“剪开分隔线”（距离长边 15.2cm位置）、“涂胶水起始线”（距离短边 6.6cm 位置）、以及“向上标记箭头”；72.如下图，两张A4 纸（21cmX29.7cm），分别对折、裁剪成 15.2cmX29.7cm 大长方形两个与 5.8cmX29.7cm 小长方

11、形两个；3.如下图，在两个 5.8cmX29.7cm 小长方形末端分别剪去约7.7cm，得到两个5.8cmX22cm 长方形；4.如下面两幅图所示，将两个 5.8cmX22cm 长方形分别对折、剪开，得到四个2.9cmX22cm 小长方形纸条，备用；85. 如下面两幅图，将两个 15.2cmX29.7cm长方形分别对折，剪开得到四个15.2cmX15cm(大约值)近似正方形；6. 如下面六幅图，用直径 2cm管把四个 15.2cmX15cm 近似正方形卷成四个高 15.2cm 的圆纸筒，在卷筒过程中涂好胶水，粘贴牢固；98.如下图所示，把四张 2.9cmX22cm 长方形纸条分别粘贴在四个圆纸

12、筒底端，使圆纸筒两两相连，得到近似正方形布局的“桌子腿”形纸结构，等胶水风干后进行承重测试。（二）承重测试与结果分析“桌子腿”形纸结构承重测试数据（表三）测试结果分析：对比不同直径纸筒结构可以看出，直径约 2cm 纸筒的“桌子腿”形纸结构具有最佳承重能力，可承重超过 25 瓶(555ml)纯净水的重量。制作经验小结1.放水瓶的技巧不仅要认真制作好纸结构模型，正确掌握摆放承重托盘和水瓶的技巧也是十分重要的。经过多次不同摆放方式的测试发现，如果随意摆放托盘或水瓶可能会使承重能力大大降低。首先，托盘的重心应摆放在对应四个纸筒支柱的中心点位置附近，确认上下左右都大致对称以后才能轻轻松手。其次，放前五瓶

13、水是最关键的：先在对应四个纸筒支柱的中心点位置上放第一瓶水，注意手不要晃动，先对准中心点，慢慢接近托盘盘面，轻轻放下水瓶；放好第一瓶之后，就需要每次在对称的位置上同时添加两瓶，这样两边的受力就会比较均匀；第二瓶至第五瓶都必须放11圆纸筒直径承重量（555ml 纯净水瓶子个数）1.4cm5（一层）1.5cm11（一层）1.7cm18（两层）2cm25（三层）在四个纸筒支柱所对应的位置上，以确保托盘和纸筒支柱的初始稳定；之后继续添加的水瓶就只须逐步从内到外、对称地摆放就可以了。第一层摆满之后，开始摆第二层，也必须先在中心位置摆放第一瓶，以便于确定对称的中心点；其余水瓶仍然按照从内到外、对称地摆放；

14、每升高一层，都必须把第一瓶摆放在中心点上，依此类推在家里最初测试时，由于作不熟练，只能摆放 18 瓶水，后来渐渐掌握了正确的摆放技巧，现在放二十几瓶也完全没有了。通过不断努力练习，一步一步逐渐取得了很大的进步，非常开心！2.涂胶水的注意事项在制作练习中，我还发现，每卷一个圆纸筒，桌面和圆管工具表面都会残留少许胶水，很容易粘到下一张纸上，因此每卷完一次最好用抹布擦去残留胶水，以免下一张纸被胶水粘住烂掉。在涂胶水过程中，还需要仔细观察胶水是否涂均匀，如果有些部位没有涂到胶水，就可能会影响最终的承重能力。剪纸时还须注意对准已经画好的分隔线来剪，宁可剪的速度稍慢一点点；卷纸筒时也应该努力对齐边线，这样

15、就可以尽最大可能实现四个圆纸筒支柱高度保持一致，承重时各个纸筒能够受力均匀，我们都明白“独木难支”的道理啊。比赛过程与感受比赛的第一天下午是现场制作，我早早来到考场，怀着以十分期待却也忐忑12的心情迈入了考场，开始制作纸结构模型。我埋头画线剪纸、仔细滚纸筒、小心翼翼粘贴不知不觉六十分钟就过去了，我精心制作的纸模型顺利完成了。放眼望去，一个个崭新的模型竖立在桌面上，选手们做的模型：有的是三棱柱框架、有的是三角架、有的是由许多根棍子组合而成的大柱体、以及“桌子腿”模型，各式各样、粗细不一的模型都新鲜出炉了！由于模型上的胶水还没有干，所以让大家把做好的模型留在考场的桌子上，等待胶水自然风干。经过一个

16、漫漫长夜的等待，第二天一大早，我就迫不及待地提前赶到了考场，既兴奋又紧张，毕竟这个小不点模型倾注了最近几十天及爸妈大量的精力心血呢！等待的时间总是显得特别长，终于承重比赛开始了，小选手们都从教室里拿起的模型，排成一列长队来到操场上，每两人一组测试。排在我前面许多选手的模型刚摆上三四瓶水就倒了，气氛渐渐变得有些令人窒息起来，心也扑通扑通地跳得很快。和我一起来的小伙伴的模型也只承重了 8 瓶水，目前最高也才 14 瓶，呼吸开始变得有些急促，心儿狂跳，仿佛就要从嗓子眼里蹦出来似的。终于轮到我了，手脚似乎13有点儿不听使唤，我暗暗叮嘱尽快镇定下来。我按照总结的方法，先摆放好托盘，然后放上第一瓶、第二三

17、瓶、第四五瓶一定要镇定，我非常清晰地，稍微大一点的摇晃就可能把十分纤弱的纸模型一下子推垮，毕竟两张 A4 纸总共只有 9 克左右啊。嘈杂的赛场也一下子变得安静下来，评委和谈话和走路都放得很轻，生怕大一点的响声都会影响模型。大家都目不转睛地盯着我和模型，在心里为我加油鼓劲。我屏息凝神，翼翼地摆好每一瓶，第一层完成、第二层当我摆放到第 26 瓶水后过了大约 4秒模型垮了。我非常兴奋，创造了赛场上的最好成绩！大舞台下的小选手们发出一阵阵赞叹声和投来羡慕的目光，还有评委及领队们的赞许声收获与思考这真的是一项非常迷人、非常具有性的纸结构模型设计比赛，也完全没有预料到：9 克左右的薄薄纸张，居然可以承受住 15.2 千克的重物，这个负重足足超过了纸张自身重