《結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)》 探究結(jié)構(gòu)

第二節(jié)探究結(jié)構(gòu)安徽省太和中學(xué)通用技術(shù)組結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在負(fù)載的作用下，維持原有平衡狀態(tài)的能力。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與什么因素有關(guān)？想一想：

填表說(shuō)明下表中的物體有可能因受哪些力的作用而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，并根據(jù)你的生活經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)要說(shuō)明原因。馬上行動(dòng)（P012）物體受到的外力不穩(wěn)定的主要因素廣告牌

落地?zé)舻仔】诘睦t重力、風(fēng)力底座小、重心高、受風(fēng)面積大重力、撞擊力底座小、重心高重力、撞擊力底座小、重心高（一）影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素：[實(shí)驗(yàn)探究1]：拿一本書，讓它直立在桌面上，它馬上傾倒了，顯然，其穩(wěn)定性不好。同樣的一本書，把它的下端各書頁(yè)展開一定的角度，仍舊將它直立在桌面上，它就能很好的挺立住。因素一：支撐面積的大小1.穩(wěn)定性與支撐面積的大小有關(guān)支撐面越大越穩(wěn)定，越小越不穩(wěn)定。A.落地電風(fēng)扇或者賓館里的落地?zé)簦鼈兌加幸粋€(gè)比較大的底座。結(jié)構(gòu)的底座，結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面大,穩(wěn)定。B：為什么大壩的橫截面總是建成梯形？大壩需要承受很大的力的作用，如自身的重力，水的沖擊力、壓力等等，要起到防洪的作用，大壩必須要求非常穩(wěn)固。大壩建成梯形，增大了與地面接觸所形成的支撐面，支撐面越大越堅(jiān)實(shí)，穩(wěn)定性就越好。C.為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜？這是為了進(jìn)一步增大與地面接觸所形成的支撐面積，增加穩(wěn)定性。注意：支撐面≠接觸面。接觸面:是物體與地面接觸形成的面。支撐面:是物體與地面接觸形成支撐點(diǎn)的連線與地面構(gòu)成的面。接觸面支撐面[實(shí)驗(yàn)探究2]：落地扇為什么不易傾倒？

落地扇的底座采用較重的材料，風(fēng)扇比底座輕很多，使落地扇的重心降低。

2．結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與重心位置有關(guān)。物體重心越低，越穩(wěn)定。因素二：重心位置A.不倒翁為什么不倒？如果在它脖子上掛上一定數(shù)量的鐵環(huán)，它還會(huì)不倒嗎？

不倒翁的重心很低，就在它與地面的接觸點(diǎn)上，所以不倒，如果往它的脖子掛上鐵環(huán)，它的重心位置升高了，當(dāng)鐵環(huán)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，不倒翁就不在是不倒翁了。重心的高低影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。重心越低,穩(wěn)定性越好;重心越高,穩(wěn)定性越差。B.以前的農(nóng)作物個(gè)子高，遭遇暴風(fēng)驟雨容易傾覆，造成減產(chǎn)；現(xiàn)在的農(nóng)作物普遍個(gè)子矮。就是利用了重心低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原理。C.比薩斜塔為什么不倒塌？1590年，意大利的偉大科學(xué)家伽俐略，曾在斜塔的頂層做過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，讓兩個(gè)重量相差10倍的鐵球，同時(shí)從塔頂落下，結(jié)果，兩球同時(shí)著地，一舉推翻了束縛人們思想近2000年的希臘著名學(xué)者亞里士多德關(guān)于重量不同的物體其下落的速度也不相同的“物體下落速度與重量成正比”的理論。伽俐略開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)物理的新時(shí)代，被人們稱為“近代科學(xué)之父”，而他用來(lái)做實(shí)驗(yàn)的斜塔也因而更加遐邇聞名。

它從1174年始建，1350年竣工，經(jīng)歷了176年。但由于塔身過(guò)重，地質(zhì)松軟，因此塔身仍以每年1．25毫米的速度向南傾斜。到1999年1月，塔頂比中軸線偏斜已達(dá)4．8米。意大利當(dāng)局為了拯救斜塔，已向全世界廣泛征求保護(hù)方案，同時(shí)在塔的北側(cè)加壓了830噸的鉛塊，并在塔身的三分之一處加了一圈銅纜，向北牽拉固定。不過(guò)斜有斜的好處，每天為“斜”而來(lái)的參觀者多達(dá)10余萬(wàn)人，扔下大把大把的銀子。如果它是一座正塔，比薩就不會(huì)有今天的風(fēng)光，也就不會(huì)有這么多便宜可占了。

通過(guò)分析長(zhǎng)方體重心的垂線位置與穩(wěn)定性示意圖，使學(xué)生容易理解，比薩斜塔不倒的原因是它的重心所在點(diǎn)的垂線落在塔的底面的范圍內(nèi)。當(dāng)塔傾斜到一定程度，重心的垂線不再落在塔的底面時(shí)，塔就會(huì)傾倒。結(jié)構(gòu)重心的位置：結(jié)構(gòu)重心所在點(diǎn)的垂線是否落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)，落在就是穩(wěn)定的，沒(méi)有就是不穩(wěn)定的。遼寧瑞州古塔，現(xiàn)存塔身高10米，塔身向東北方向傾斜12度，塔尖水平位移1.7米。該塔建成之后雖幾經(jīng)地震與洪水破壞，卻始終斜而不倒，堪稱奇跡。小資料：中國(guó)式斜塔3、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。

A、A字形梯為什么載人時(shí)能夠保持穩(wěn)定？如果沒(méi)有梯子中間的拉桿將會(huì)怎么樣？

一般情況下，梯子打開的時(shí)候，梯面與地面組成三角形，梯子本身就能站得穩(wěn)。當(dāng)連接兩個(gè)梯面的橫桿拉直時(shí)，兩個(gè)梯面的上半部分就與橫桿構(gòu)成了穩(wěn)定的三角形，這就進(jìn)一步加強(qiáng)了梯子的穩(wěn)定性，保證梯子能承受人體的壓力。如果沒(méi)有梯子中間的拉桿，載人時(shí)就不能保持穩(wěn)定。因?yàn)槿侵Ъ芘c地面有三個(gè)接觸點(diǎn)，形成的三角形結(jié)構(gòu)使照相機(jī)的支撐架更容易穩(wěn)定。B、照相機(jī)的支撐架為什么常使用三腳架而不用其他形狀？因素三：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。

靜止?fàn)顟B(tài)的單車如何保持穩(wěn)定（課本：P14）

[案例分析]：（1）雙腿支撐（2）單腿支撐1.調(diào)整單腳支撐位置，研究何時(shí)最易倒下，何時(shí)最平衡？自行車騎起來(lái)時(shí)，只有兩個(gè)支撐點(diǎn)，為什么不會(huì)倒下呢？探究注意：自行車的支撐架與地面的夾角不能太小，否則，自行車的自身重力集中在支撐架上，同樣容易失去平衡。

在靜止情況下，自行車本身不能自我平衡，需要加一支撐腳。當(dāng)由騎車人和自行車構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)起來(lái)之后，騎車人為系統(tǒng)注入動(dòng)力，從而在自行車前進(jìn)的時(shí)候，通過(guò)人的不斷調(diào)節(jié)，自行車和騎車人與地面垂直，使自行車的重心落在車輪與地面接觸的面積內(nèi)。因此，在沒(méi)有明顯的外力干涉時(shí)，這一動(dòng)態(tài)系統(tǒng)能夠表現(xiàn)出一種穩(wěn)定。2.走鋼絲的人為什么要拿一條長(zhǎng)棒？3.靜止?fàn)顟B(tài)下陀螺會(huì)傾倒，而當(dāng)它高速旋轉(zhuǎn)時(shí)卻可以立起來(lái)？

這個(gè)謎，直到本世紀(jì)八十年代初才解開。一位美國(guó)的物理系研究生，通過(guò)電腦進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，終于從理論上解決了。問(wèn)題就出在旋轉(zhuǎn)速度和摩擦上了。陀螺在旋轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí)，支持點(diǎn)周圍也不免與支持面（桌面）產(chǎn)生摩擦，而這種旋轉(zhuǎn)的物體總是使運(yùn)動(dòng)趨向于摩擦更小的狀態(tài)。當(dāng)陀螺搖搖晃晃地立起來(lái)，終于使一個(gè)尖端著地時(shí)，就逐漸達(dá)到了支持點(diǎn)面積最小，穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，水平的能量轉(zhuǎn)化成為繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。當(dāng)然，由于摩擦，它的轉(zhuǎn)速又會(huì)慢慢減小。然后開始搖晃，最后，倒下來(lái)，因?yàn)檫@時(shí)它要趨向重心更低，更穩(wěn)定的狀態(tài)。陀螺效應(yīng)：凡是高速旋轉(zhuǎn)的物體，都有一種使轉(zhuǎn)動(dòng)軸保持不變的能力，這種能力使得陀螺即使在不平的支持面上轉(zhuǎn)動(dòng)也不會(huì)倒下。所以一旦自行車運(yùn)動(dòng)起來(lái)后，轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪也具備這種能力，這種能力使得自行車即使發(fā)生了傾斜，也能自動(dòng)地把自行車調(diào)整過(guò)來(lái)，這就是自行車不倒的原因。馬上行動(dòng)：摩托車的支撐架（課本：P14）

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條件有所不同。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，一方面人們利用穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)抵抗外力、承受負(fù)載，另一方面又利用不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)某些功能。不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應(yīng)用：１.倒置的啤酒瓶可以預(yù)報(bào)地震。２.在打水的桶口邊掛一重物，在水面時(shí)能自動(dòng)翻倒打水。（二）結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度這條板凳、這個(gè)防盜網(wǎng)的強(qiáng)度是怎樣的，也就是指它受到外力作用的情況下，它不被外力破壞的能力如何。結(jié)構(gòu)具有的抵抗被外力破壞的能力。所以說(shuō)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是指：

我們知道穩(wěn)定性是研究物體的保持平衡狀態(tài)的能力，強(qiáng)度是研究不被外力破壞的能力。例如我們剛才舉的椅子的例子，椅子能夠承受人的重力這是一個(gè)強(qiáng)度問(wèn)題，那么椅子會(huì)不會(huì)左右晃動(dòng)，搖擺，那就是一個(gè)穩(wěn)定性問(wèn)題了。強(qiáng)度與穩(wěn)定性的聯(lián)系與區(qū)別：

應(yīng)力和強(qiáng)度的關(guān)系：

這只是我們一個(gè)籠統(tǒng)的說(shuō)法，我們?nèi)绾蝸?lái)衡量一件東西的強(qiáng)度呢。那就要用到我們以前學(xué)習(xí)的應(yīng)力的知識(shí)。根據(jù)你的生活經(jīng)驗(yàn)填寫下表：馬上行動(dòng)：事件結(jié)果原因分別在一根竹竿和一根同樣尺寸的脆性塑料桿上不斷加掛相同質(zhì)量的重物

沿著垂直于重心線的方向撞擊一根完整的鋼管與用同樣的方法撞擊一根中間有焊接縫的鋼管竹竿比脆性塑料桿能掛更多的重物而不會(huì)斷裂不同材料的抗拉性能不同中間有焊接縫的鋼管受到撞擊時(shí)容易損壞因?yàn)橛羞B接點(diǎn)1)影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的幾個(gè)主要因素結(jié)構(gòu)的形狀使用的材料構(gòu)件之間的連接方式結(jié)構(gòu)外部形狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面形狀鉸連接剛連接p22(1)結(jié)構(gòu)的形狀:

A.不同橫截面形狀的構(gòu)件所能承受力的程度是不一樣的。注意：結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的影響有兩點(diǎn)，一是結(jié)構(gòu)的外部形狀，二是結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面形狀。C.相同材料，相同截面積，不同截面形狀的構(gòu)件強(qiáng)度不同。B.結(jié)構(gòu)的外形相同，構(gòu)件的截面不同，其強(qiáng)度不一樣。D.三角形形狀:三角形是框架結(jié)構(gòu)中最基本的形狀之一,它結(jié)實(shí)、穩(wěn)定、所用材料最少。在長(zhǎng)方形或六邊形的框架中間，加上支撐構(gòu)件，構(gòu)成三角形，就可以大大增加它的牢固程度。金剛石分子為四面體，每個(gè)四面體有四個(gè)角、四個(gè)面，且每個(gè)面為三角形。小實(shí)驗(yàn)：P019（2）因素2：使用的材料①結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與材料有關(guān)紙杯鋼杯塑料杯②混凝土材料。

使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的好處是什么？混凝土抗壓性能較好，而抗拉能力就比鋼筋要小得多。因此在制造時(shí)可在梁的受拉區(qū)放置鋼筋，組成鋼筋混凝土梁，在這種梁中，鋼筋受拉，混凝土受壓，它們合理組成一個(gè)整體，共同承擔(dān)載荷的作用。

（3）因素3：構(gòu)件之間的連接方式：結(jié)構(gòu)的連接是指通過(guò)一定的連接物將構(gòu)件組成整體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)建的連接通常有以下兩類：鉸連接剛連接鉸連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對(duì)移動(dòng)，但可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，具體有松螺栓、松鉚等。

剛連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對(duì)移動(dòng)，也不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，具體有榫接、膠接、焊接等。膠接榫接結(jié)點(diǎn)是從連接的效果來(lái)劃分。一個(gè)結(jié)點(diǎn)可以有多種連接方式。不同的材料有不同的連接方式；構(gòu)件的連接方式不同，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也不同。

（1）．對(duì)一個(gè)用4根小木條釘成的相片框,使它更牢固的做法是什么?（2）．在自行車各部件之間的連接中,三角架屬于_________連接；剎車連桿之間屬于_________連接；輻條與鋼圈之間屬于_______________連接。馬上行動(dòng)可用直角鐵片固定在連接處的背面。剛連接；鉸連接鉸連接。（3）．比較左圖中同一結(jié)構(gòu)的幾種連接方式,請(qǐng)預(yù)言哪種連接方式的強(qiáng)度更好。

左邊的榫卯連接的