紙橋受力及橋面形狀的關(guān)系

-.z.紙橋承受能力與其橋面幾何形狀的關(guān)系一．引言實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)五種不同形狀的紙作為橋面形成紙橋，測(cè)量他們承受外力的大小，發(fā)現(xiàn)#形承受力最大。設(shè)計(jì)出最正確構(gòu)造橋梁，體驗(yàn)本課題組的創(chuàng)造力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。二．關(guān)鍵詞承受、跨、形狀、長(zhǎng)度、壓力三．研究背景從古老而雄偉的埃及金字塔到幽怨深邃的萬(wàn)里長(zhǎng)城，再到充滿現(xiàn)代氣息的金貿(mào)大廈。縱觀這些古今中外的著名建筑，在其雄偉壯觀的背后埋藏著許多豐富的幾何形狀。為了開(kāi)掘并了解這些幾何形狀對(duì)物體的承受能力，我們課題組展開(kāi)了一系列深入的研究和實(shí)驗(yàn)。四．研究目的通過(guò)研究可以使我們對(duì)物體的幾何形狀的變化與紙橋的承受能力之間的關(guān)系有更深入地理解，從而可以了解當(dāng)今世界上橋梁的構(gòu)造及其采用此構(gòu)造的原因。其二，我們課題組可以在研究的過(guò)程中找到研究帶給我們的樂(lè)趣，更重要的是培養(yǎng)創(chuàng)新、探索、**的精神。五．實(shí)驗(yàn)研究1.

研究對(duì)象：紙橋、橋面的幾何形狀2.

研究?jī)?nèi)容：一樣跨度哪種形狀承受外部壓力最大3.研究方法：實(shí)驗(yàn)4.

研究器材：鉛畫(huà)紙〔做成橋面〕、糖〔提供對(duì)橋面壓力〕、木塊〔作為橋墩〕、刻度尺〔測(cè)量用〕、玻璃膠、膠水5.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：a．取五*鉛畫(huà)紙，分別折成長(zhǎng)度相等的且橫截面分別為"凹〞字形、圓形、W形、正方形和圓形中加V形。b．分別將五*橋面架在高度相等的兩個(gè)橋墩上。c．測(cè)量橋墩的相對(duì)高度〔一樣——43cm〕和紙橋的懸空跨度〔一樣——22cm〕以確保公平。d．將糖依次、分別放在各橋面上。e．測(cè)量紙橋倒塌前的糖數(shù)。f．屢次〔實(shí)為3次〕測(cè)量取平均值。g．統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。6.

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：第一次第二次第三次平均"凹〞字形27202524正方形17181517圓形83767277W形130155108131#形1581621431547.

數(shù)據(jù)分析：#形承受能力要強(qiáng)于W形。W形承受能力要強(qiáng)于圓形。圓形承受能力要強(qiáng)于"凹〞字形。"凹〞字形承受能力要強(qiáng)于正方形。正方形最差。8.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)#形承受外力的能力最強(qiáng)，而正方形的承受能力是最弱的。因?yàn)?凹〞字形和正方形與圓形、W形、#形相比承受壓力的能力相差太懸殊，所以，我們把前兩者和后三者分為兩組來(lái)比擬：a."凹〞字形雖然比正方形能承受更大的壓力，但在兩座橋倒塌前，正方形自身的形變要小于"凹〞字形，而"凹〞字形橋面逐漸受壓時(shí)，兩片豎起的紙片會(huì)向里靠攏，最終倒塌。而正方形在逐漸受壓時(shí)，外形幾乎不發(fā)生什么變化，等到正方形四個(gè)角受力不均衡時(shí)，正方形會(huì)向一邊倒，從而形成菱形倒塌。如果真的用這兩種橋面來(lái)造橋，則這兩種都不應(yīng)用于車(chē)輛所過(guò)之橋，又由于正方形的橋面變化會(huì)比擬小，所以，建議選用正方形的作為人或動(dòng)物所用之橋，而"凹〞字形的則應(yīng)不被采用。b.圓形橋面受到壓力時(shí)，它會(huì)逐漸變?yōu)轭愃朴诠靶蔚臉幼?，也就是圓底部的半弧向上弧，使力有一個(gè)循環(huán)從而可以更好地抵消力?？梢?jiàn)，這也可以證明為什么古代會(huì)出現(xiàn)各式各樣的拱橋，而有些至今仍在使用。W形橋面就是在無(wú)限地分解力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出紙折的棱越多，則其承受壓力的能力就越強(qiáng)，這也就是我們3個(gè)數(shù)據(jù)相差如此懸殊的原因之一。而最后的形狀完全是前兩個(gè)的組合。這樣可以把前兩個(gè)形狀的優(yōu)點(diǎn)全表達(dá)出來(lái)，在圈中形成兩組循環(huán)力和兩組抵消力，便獲得了最大的支持力。c.W形和M形是有區(qū)別的。W形沒(méi)有把兩邊的紙片利用進(jìn)去，而這恰恰就是其破綻之處，壓力容易使此兩處發(fā)生形變，也減小了旁邊幾個(gè)棱的作用效果。假設(shè)把W形倒過(guò)來(lái)，變成M形，那就好一些了。當(dāng)然，單單這樣的形狀是不能成為橋梁的。六．實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)想：雖然我們課題組的研究*圍十分有限，但我們把我們所研究到的有關(guān)內(nèi)容組合了一下，拼造成一座由我們實(shí)驗(yàn)得出的最正確橋梁模型。我認(rèn)為此橋的結(jié)實(shí)及受重力能力沒(méi)話說(shuō)，就這樣也節(jié)省了許多材料，比全用石砌的節(jié)約了一大半石料。再者，其抽象派風(fēng)格宛有現(xiàn)代藝術(shù)氣息。集價(jià)廉與物美于一身的新世紀(jì)建筑。七．實(shí)驗(yàn)小結(jié)通過(guò)這次研究，使我們進(jìn)一步了解了研究性課程的真正含義。它拓展了我們的視野，增長(zhǎng)了見(jiàn)聞，也對(duì)物理的學(xué)習(xí)起了不小的作用。更重要的是，我們明白了一切要用事實(shí)說(shuō)話，無(wú)論做什么事，只要有恒心、有毅力，就一定能成功。物體幾何形狀與承受力關(guān)系的探索高二〔3〕班朱銘煜、王航宇、*奇指導(dǎo)教師：陸趙華提出課題的緣由和背景：我們選擇這個(gè)課題的目的主要有兩個(gè)：首先，物體承受力的能力在我們的生活中應(yīng)用十分廣泛、無(wú)處不在，如我們**最近幾年所造的橋，它們的設(shè)計(jì)師就是充分的利用了力學(xué)知識(shí)。其次，我們應(yīng)該根據(jù)自己的興趣愛(ài)好來(lái)選擇課題，我們對(duì)物理比擬感興趣。所以，我們做了這個(gè)選擇。研究目的和意義：拓展物理知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際。提出問(wèn)題：烏龜有很大的負(fù)重力，你捉一只烏龜，用重物壓在它的背殼上或干脆站上去，再看看烏龜背顆有沒(méi)有壓碎？我們班級(jí)教室的三角廚的水缸里就有兩只小烏龜，可以用作試驗(yàn)。試驗(yàn)一器材：一只長(zhǎng)約3.5cm小烏龜，三本100頁(yè)24開(kāi)的硬面抄過(guò)程：把小烏龜放在水平桌面上，把一本硬面抄放在背殼正中——背殼毫無(wú)損傷；接著在放一本上去——依然安然無(wú)恙；然后在放一本上去——依然穩(wěn)如泰山。結(jié)果分析：龜殼吃得起重物的壓力，并不是組成龜殼的物質(zhì)有特殊的抗壓能力，根本的原因是龜殼的形狀幫了烏龜?shù)拿?。力學(xué)上有一條原理：決定*一物體的牢度，除了構(gòu)成物質(zhì)的本身強(qiáng)度外，還有一個(gè)重要因素，那就是它的幾何形狀。猜測(cè)：什么樣的幾何形狀最能承受力呢？課題成員各抒己見(jiàn)，有的認(rèn)為是圓柱體，有的認(rèn)為是四棱柱，有的認(rèn)為是多邊體。解決問(wèn)題：利用現(xiàn)有材料，通過(guò)紙橋承重和橫截面承受壓力的測(cè)試，做一樣跨度，不同形狀及〔豎直方向〕一樣周長(zhǎng)，不同形狀的橫截面承受力的大小比擬。試驗(yàn)二器材：用16開(kāi)鉛畫(huà)紙制作好的圓柱體、四棱柱、多邊棱柱〔用三棱柱和六棱柱代替〕各一只、十一折等分的規(guī)則體、七折等分的規(guī)則體各一只；10個(gè)50克重的砝碼〔一盒〕，五本24開(kāi)100數(shù)據(jù)記錄：1、周長(zhǎng)一樣，不同的承受力比擬三棱柱一盒砝碼+一本24開(kāi)100頁(yè)硬面抄四棱柱一盒砝碼+三本24開(kāi)100頁(yè)硬面抄六棱柱一盒砝碼+四本24開(kāi)100頁(yè)硬面抄圓柱體一盒砝碼+五本24開(kāi)100頁(yè)硬面抄結(jié)果分析：可以看出圓柱體承受力最大，三棱柱承受力最小。根據(jù)有關(guān)資料得出：圓柱體由一個(gè)很好的受力特性，就是它各處所受到的力是十分均勻?qū)ΨQ。這樣可以保證接觸面不易損壞。假假設(shè)做成四棱柱或多邊棱柱，則在棱角處受到的力會(huì)特別大，容易破裂的地方正在這里。多邊棱柱的棱越多，平均每個(gè)棱角承受力就越大，還有就是每?jī)蓷l邊夾角越大，越接近圓柱體，就越結(jié)實(shí)、穩(wěn)定。這就是為什么六棱柱比三棱柱、四棱柱承受力大的原因。2、一樣跨度不同形狀〔的形狀〕承受力比擬七折等分的規(guī)則體

9個(gè)砝碼十一折等分的規(guī)則體

10個(gè)砝碼結(jié)果分析：瓦片能承受的壓力卻不是每個(gè)人都能想象的，它們不僅能承受冬季積雪的重量，就是人站在上面也不會(huì)斷裂，這是就因?yàn)樗男螤畹木壒?。?普通的白紙，兩端架空平放時(shí)。中間總會(huì)下垂。但如果把這*紙折成一曲一曲的W字型，它就能挺直而不下垂，這就是因?yàn)橐?薄紙的剛度很小，而折幾次后，它的剛度就隨著它的形狀的改變而大大增加。如把波紋瓦切下一個(gè)波，既兩個(gè)相連的半圓形，重疊在一起就成了圓筒，比單純的兩層相疊厚了許多，難怪它會(huì)這么鞏固！知識(shí)拓展：在生活金屬管是常見(jiàn)的，根本形狀是圓形、橢圓形、矩形等幾種。這是根據(jù)需要來(lái)決定的，一般圓形的最多。金屬管做成圓形的道理是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)閳A形的管子，在同一溫度，同一體積的情況下，所流經(jīng)的氣體、液體的量要比任何形狀的流經(jīng)得多，這是其一；圓形的管子，內(nèi)壁和外壁的各個(gè)方向和部位所承受的壓力都是一致的，比其他形狀的管子能承受更大的壓力，這是其二；生產(chǎn)圓形金屬管，在制造工藝上要比制造其他形狀的管子更方便，這是其三；還有一個(gè)更重要的道理，就是只有圓形的管子能夠穿過(guò)任何形狀的空間，不管你是長(zhǎng)方形的，三角形的或是其他不規(guī)則形狀的空間，圓形管子都能順利通過(guò)，這是其優(yōu)越處。況且各種電纜、輪軸又都是圓形的。試驗(yàn)的局限與成功：由于實(shí)驗(yàn)條件不佳，可提供的砝碼數(shù)量有限，只能用硬面抄代替，故準(zhǔn)確度不高；試驗(yàn)樣品制作雖然標(biāo)準(zhǔn)，但是還不是十分完善?？偠灾?，從實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、過(guò)程、結(jié)果都比擬合理，到達(dá)了預(yù)期的目的。尤其在指導(dǎo)教師細(xì)心幫助下，組員的積極配合下，使得研究得以順利完成。總結(jié)：通過(guò)研究，我們學(xué)習(xí)到了許多關(guān)于課題的知識(shí)，相信能給日后進(jìn)一步深入研究打下了根底。不僅如此，更鍛煉了我們的動(dòng)手動(dòng)腦能力，如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，這無(wú)疑是潛移默化的。*參考資料："十萬(wàn)個(gè)為什么"物理分冊(cè)橋梁構(gòu)造研究高二〔12〕楊森、周慧成、毛尖指導(dǎo)教師：陸教師一．引言橋梁作為一跨越構(gòu)造，其造型千姿百態(tài)，這主要受其跨度、材料、荷載幾大因素的影響，當(dāng)然也包括人的意識(shí)形態(tài)或者說(shuō)是審美趨向的影響。只是一些出色的橋梁工程師，他們利用自己對(duì)工程構(gòu)造的深刻理解，大膽、執(zhí)著、創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出許多偉大的橋梁〔式〕，如林同炎設(shè)計(jì)的反吊橋、曲線斜拉橋、展翅梁橋及預(yù)應(yīng)力鋼橋等。對(duì)橋式進(jìn)展科學(xué)的分類、評(píng)價(jià)，并尋找新的橋式，是橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論在實(shí)踐中的運(yùn)用。二．構(gòu)造方案良好的構(gòu)造方案是良好構(gòu)造設(shè)計(jì)的重要前提。因?yàn)樵跇?gòu)造設(shè)計(jì)中，無(wú)論多么完美的構(gòu)造計(jì)算都無(wú)法彌補(bǔ)經(jīng)構(gòu)造構(gòu)思而形成的構(gòu)造方案中的缺乏，相反，良好的構(gòu)造方案卻能夠局部彌補(bǔ)構(gòu)造計(jì)算中的缺乏。由此可見(jiàn)構(gòu)造構(gòu)思的重要性。為此我們小組作了橋梁構(gòu)造的。三．橋式評(píng)價(jià)①6類橋式均能滿足橋梁功能的要求；②所有橋式在主要受力面內(nèi)能夠滿足幾何不變性，但在橫向，索橋表現(xiàn)為一軟化構(gòu)造，尤其是懸索橋；③U型橋一般不存在失穩(wěn)問(wèn)題，而拱橋存在失穩(wěn)問(wèn)題，索橋存在動(dòng)力失穩(wěn)問(wèn)題；O型的外表不易承受重物。④拱橋與索橋傳力路徑簡(jiǎn)捷，應(yīng)力較均勻，適宜大跨橋梁，但U型橋傳力不簡(jiǎn)捷，應(yīng)力不均勻，不適宜較大的跨度；⑦現(xiàn)在用得最多的斜拉橋，我們發(fā)現(xiàn)有一顯著的缺點(diǎn)：水平加勁梁承受軸向壓力，跨度越大，距塔根越近，壓力就越大。這是斜拉橋跨度至今未超越千米大關(guān)的主要原因。四．附言〔引自組員毛尖〕1.橋梁特有的美學(xué)特征：橋梁有別于其它構(gòu)造的美學(xué)特征有：通達(dá)之美、凌空之美、流暢之美及剛?cè)嶂?。橋梁由此岸到達(dá)此岸，使道路通達(dá)，因而有其功能美-通達(dá)之美。橋梁為一跨越構(gòu)造，其騰空飛架的梁索讓人感受到了凌空之美，因此較路基有通透感。橋梁為一帶狀構(gòu)造，長(zhǎng)大橋中的豎曲線設(shè)置使橋面看上去連續(xù)流暢、纖細(xì)輕快。橋梁構(gòu)造兼顧了剛?cè)嶂?。梁、拱之纖細(xì)、親切、委婉，墩塔之雄壯、莊嚴(yán)、高昂，斜索之力感、動(dòng)感、方向感，大纜之起伏、飄動(dòng)、流暢、*力感等。2.橋梁與環(huán)境協(xié)調(diào)準(zhǔn)則工程構(gòu)造的造型與體量應(yīng)與周?chē)h(huán)境〔如河、海、峽谷、房屋建筑、道路、大型雕塑、樹(shù)林或原野等〕協(xié)調(diào)。3.形式感與量感準(zhǔn)則合理的構(gòu)造應(yīng)有形式感和量感。形式感是指藝術(shù)領(lǐng)域中形式因素本身對(duì)于人的精神所產(chǎn)生的*種感染力。如：①水平線條給人的感受是親切、委婉，它使人聯(lián)想到平靜的水面、一望無(wú)際的平原；②垂直線條給人的感受是莊嚴(yán)、高昂，它使人聯(lián)想到向上生長(zhǎng)的樹(shù)木、挺立蒼穹的高山。③斜線具力感、動(dòng)感和方向感；④波形線條可以產(chǎn)生流動(dòng)感、跳躍感；⑤懸挑線條可以產(chǎn)生靈巧感、騰越感；⑥半圓曲線會(huì)使人聯(lián)想到掛在空中的彩虹；兩個(gè)半圓曲線的組合會(huì)使人聯(lián)想到展翅飛翔的海鷗；五.自我評(píng)價(jià)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，不能把試驗(yàn)做到盡善盡美，因此存在著一些誤差和弊端。通過(guò)這次研究，使得我們懂得了書(shū)本以外的更多知識(shí)，更訓(xùn)練了我們的思維能力和動(dòng)手能力。在生活中要善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，尋找知識(shí)，從而解決問(wèn)題，這才是研究型課程的宗旨所在。參考文獻(xiàn)【1】中國(guó)大百科全書(shū)，土木工程【M】.1987?！?】林同炎等著，路湛沁等譯，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)造設(shè)計(jì)【M】.中國(guó)鐵道，1983。【3】紀(jì)念茅以升百歲誕辰橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議【C】1995?！?】布正偉，現(xiàn)代建筑的構(gòu)造構(gòu)思與設(shè)計(jì)技巧【M】.**.**科學(xué)技術(shù)，1986?！?】中國(guó)大百科全書(shū)編寫(xiě)組，土木工程【M】..中國(guó)大百科全書(shū)，1987?！?】李廉錕.構(gòu)造力學(xué)【M】..中國(guó)鐵道.1996。后記到目前為止，跨度最大的拱橋建在美國(guó)，其跨徑為518米，未來(lái)盧浦大橋的跨徑則達(dá)550米，超過(guò)美