Transcript 结构的稳定性
第一单元 结构与设计 第二节 稳固结构的探析 主讲人：李 靖 【想一想】我们经常会几个人一起坐在长凳子上，当 其他人站起来离开凳子时，坐在最边上的人一不小 心就会摔倒。 【试一试】创新意识培养，老师拿一熟鸡蛋，请学生 让它站起来。 【观看体会】台风强大的强大的摧毁力——记者勇闯台风中心， 图片给了我们很大的震撼。 影响结构稳固的因素有哪些？ 一、结构的稳定性 二、结构的强度 一、结构的稳定性 结构的稳定性是指结构在负载的作用下维持其原 有的平衡状态的能力。 想一想 结构的稳定性与什么因素有关？ 影响结构稳定性的因素? 【重心实验探究】 不倒翁试验 第一步：在不倒翁脖子上逐个放置铁环， 并记录每个铁环放置后不倒翁的稳定状 况。 第二步：直到不到翁不能恢复原有的平 衡位置，记录此时铁环个数。 第三步：比较在增加铁环前和增加后不 倒翁各方面的参数 讨论稳定性影响的因素： 增加铁环前 增加铁环后 外观形态 质量 重心 是否稳定 质量？还是重心？ 【设计实验证明】 • 引导：实验材料，铁环， 不倒翁，橡皮泥…… 【结论总结】 。 讨论稳定性影响的因素： 增加铁环前 增加铁环后 外观形态 没变 没有改变 质量 小 大 重心 低 高 是否稳定 稳定 不稳定 质量？还是重心？ 【设计实验证明】 引导：实验材料，铁环，不倒 翁，橡皮泥…… 【结论总结】重心的高低影响 结构的稳定性。重心越低, 【链接生活】 稳定性越好;重心越高,稳 思考：落地扇为什么不易倾倒？ 定性越差。 分析：落地扇的底座采用较重的材料，风扇 比底座轻很多，使落地扇的重心降低。 影响结构稳定性的因素? 【支撑面积实验探究】 1、将A、B两瓶矿泉水瓶（少量水）一正一倒放置课 桌台上，打开风扇。 学生观察哪个先倒，为什么？B瓶倒（直觉经验） 想一想 2、为什么大 坝的横截面 总是建成梯 形的？ 【试验结论总结】结构与地面接触所形成的支撑面的大小影响结 构的稳定性。支撑面越大越稳定，越小越不稳定。 【链接生活】请同学们想一想生活中有哪些事例是运用增大支撑 面积来增加稳定性的？ 想一想 为什么许多 课桌椅的支 撑脚要做成 往外倾斜？ 影响结构稳定性的因素? 因素三：结构的形状 想一想 怎样让一本书更 好地直立在桌面上？ A字形梯为什么载人 时能够保持稳定？ 如果没有梯子中 间的拉杆将会怎么 样？ 【结论总结】结构或构件的形状影响其稳定性。 【链接生活】（三角形稳定性的应用）：建筑中广泛运用了三角 形的稳定性。房子、桥梁的桁架大多都是由多个三角形构成的； 钢架结构的十字梁同样是运用这一原理，在四边形的框架中用 两条杆件作对角线，形成多个三角形，既节省了材料，减轻了 结构的质量，又有效地加强了结构的强度和稳定性。十字钢梁 也是建筑中常用的构件，如在高压输电的铁塔、悬索桥的塔架， 以及摩天大楼钢架结构中都被普遍地采用。 想一想 照相机的支撑架 为什么常使用三 脚架而不用其他 形状？ 影响因素之间的关系探求 【重心与支撑面积之间的关系】 想一想 比萨斜塔为什么不倒塌？ 【得出结论】对于一个结构体而言，如果重心所在点的垂线落在 结构底面的范围内，就是稳定的，不会出现倾倒。 小资料：中国的斜塔 辽宁瑞州古塔，现存塔 身高10米，塔身向东北方向 倾斜12度，塔尖水平位移1.7 米。该塔建成之后虽几经地 震与洪水破坏，却始终斜而 不倒，堪称奇迹。 想一想 单脚支撑的自 行车放稳的原 因分析？ 自行车单脚支撑示意图 【动态平衡 】 现象一：鸡蛋的当从侧面让它旋转 起来时，它就会竖直地站立起来 现象二：硬币的旋转 现象三：陀螺 现象四：行驶中的自行车 结论 影响结构稳定性的因素： 重心位置的高低 支撑面积 结构的形状 【思考】利用结构稳定性分析：在开始上课的小活动中如何取胜？ 降低重心，两脚分开 【知识拓展】结构的稳定性在日常生活中有着广泛的应用，在很多 时候我们利用稳定的结构抵抗外力、承受负载，另一方面也利用 不稳定的结构来为我们生活提供便利。 拓展：不稳定的结构应用 小结 一、结构的稳定性 影响结构稳定性的三个因素：重心位置、支撑 面积的大小和结构的形状。 【拓展实践】 请同学们结合本节课内容从结构的角度为某公 司设计一个稳定的巨幅街头广告。 探索视频 【案例分析】生活中有这样的情况，人坐在一只小板凳上， 用力摇几下，板凳就坏了，人也摔倒在地上。人踩在窗户 的防盗网上擦玻璃，防盗网合金条的焊接处断裂，险些酿 成大祸。 【问题】 根据你的理解，结合教材，上述情况是什么原因 造成的？ 二、结构的强度 结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破坏的 能力。 【链接生活】你能不能举出遇到的结构强度被破坏的的示例呢？ 【区别】结构强度和稳定性是不是相同呢? 内力——结构的强度是通过构件和材料来体现的。构件在外 力的作用下会变形。同时构件内部各质点之间的作用力发 生了改变，这种作用力的改变称作内力。 应力——构件单位截面面积所受的内力称为构件的应力。 公式表示：应力、内力和横截面积之间的定量关系。 公式： σ = N/A σ——应力 N——内力 兆帕 (MPa) 牛N A——横截面积 米 m² 当应力达到某一极限时，结构就会遭到破坏。 让我们来做一个小游戏： 你能否不用任何工具，仅凭你的两只手将一双筷子 折断？然而你能用同样的力把十双筷子折断吗？ 【结论】这就是由于在相同的作用下，由于十双 筷子的受力面积较大，根据公式可知，其应力较 小，因此不容易断。 我们知道强度是研究不被外力破坏的能力。一般说来，外 力越大，则构件的内力越大。内力达到一定程度时，构件就会 被破坏。在工程设计中，不允许任何构件在正常工作情况下被 破坏。 【例如】我们刚才举的椅子的例子，椅子能够承受人的重力这是 一个强度问题，那么椅子会不会左右晃动，摇摆，那就是一个 稳定性问题了。 想一想 结构的强度与什么因素有关？ ◆ 使用的材料 ◆ 结构的形状 ◆ 构件之间的连接方式 2.2 强度与材料 VS 纸杯 钢杯 结构的强度与材料有关 不同的材料，构成的结构其强度各不相同。结构的强度与材料有关；从强度角 度看，外力越大，构件内力随之越大，构件危险就越大。 公式：σ = N/A σ——应力 兆帕 (MPa) N——内力 牛 N A——横截面积 米 m² 公式表示：应力、内力和横截面积之间的定量关系。由公式可知，在内力 不变的情况下，构件和材料的横截面积越大，应力越小，危险性就越小。 同截面垂直的应力称为正应力或反应力。如，柱体垂直受压时，其横截面 上的应力就是正应力。 同截面相切的力称为剪应力或切应力，如剪切物体时，剪切面上就有剪应 力。而梁弯曲时，其横截面上除了具有正应力外，还有剪应力。 拓展 使用钢筋混凝土结构的好处是什么？ 混凝土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力 小试验 测试用不同截面形状的构件做成的悬梁的强度 同一杆件做悬臂，截面朝向不同，所承受的拉 注意 力也是不同的。 结构的形状 ◆ 外部形状：三角形、拱形等。 ◆ 截面形状：工字形、十字形、长方形、L形、 圆形、U形。 金刚石及其内部结构 【提问】是什么导致了石墨和金刚石的这些差异呢？ 在探求物质的微观世界中我们发现是碳原子排列的不同，就 是结构的差异。 各种形状的横截面构件，所承受力的程度是不一样的。 三角形是框架结构最基本的形状 之一，结实、稳定、材料最少。在四 边形、六边形构件中，加上三角形支 撑件，就可大大增加构件的牢固程度。 2.3 结构的连接 结构的连接是指通过一定的连接物将构件组成整 体结构。 【技术试验3】 分别用A4白纸，围成两个四棱柱体杆件，其中一个， 接口处用透明胶带粘连，分别作承重试验。观察现象并分 析。 结论：结构的强度与结构的连接方式有关。不同的连接 方式，结构的强度也不同。 结构构建的连接通常有以下两类： ◆ 铰连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，但可以 相对转动，具体有松螺栓、松铆等。 ◆ 刚连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，也不能 相对转动，具体有榫接、胶接、焊接等。 胶接 榫接 焊接 • 结点是从连接的效果来划分。一个结点可以有多种连接方式。 不同的材料有不同的连接方式；构件的连接方式不同，结构的 强度也不同。 在自行车的个部件之间的连接中 三脚架属于 刹车连杆之间属于 辐条和钢圈之间属于 刚 连接 铰 连接 铰 连接 • 【案例分析】从吊兰支架的结构试分析吊兰支架的结构强度 小结 结构的强度 1.结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。2.影 响因素 （1）结构形状：构成的形状略有改变，强度就会改变。 （2）结构材料：不同材料有不同承受应力极限的能力。形状 相同，材料不同，强度就不同。 （3） 材料的连接方式：不同的连接方式，受力传递方式和 效果不一样。 收集桥梁结构的材料、图片 等相关信息，制定桥梁结构 设计方案。 【巩固练习】 根据你的生活经验填写下表： 事件 分别在一根竹 竿和一根同样 尺寸的脆性塑 料杆上不断加 挂相同质量的 重物 沿着垂直于重 心线的方向撞 击一根完整的 钢管与用同样 的方法撞击一 根中间有焊接 缝的钢管 结果 竹竿 比脆性 塑料杆 能挂更 多的重 物而不 会断裂 中间有 焊接缝 的钢管 受到撞 击时容 易损坏 原因 金刚石及其内部结构 【提问】是什么导致了石墨和金刚石的这些差异呢？ 在探求物质的微观世界中我们发现是碳原子排列的不同，就 是结构的差异。 三、结构与功能 结构对事物的功能和作用产生着直接的影响，结构的 改变可能导致功能的改变。 多功能起子 【马上行动]】列举生产生活中结构改变导致功能改变的事例，并加以说明 扑克牌建筑模型之最 据报道，现年33岁的布赖恩·伯格是美国新墨西哥州圣达 菲市的一名建筑师。然而，布赖恩却并非用砖头石块来造房子， 他的“建筑材料”是一张张削薄的扑克牌。布赖恩用扑克牌搭 建出来的“房子”有的高达六七米，它们有的是“摩天大楼” 的模型，有的是“圆形穹顶”模型，有的是“大教堂”或“大 型体育场”的模型。令人惊讶的是，布赖恩搭建的“扑克牌房 子”虽然高达数米，但布赖恩却完全是一张张垒叠上去的，他 在搭建“扑克牌房子”的过程中从来不使用任何胶水、胶带或 其他粘合剂。 布赖恩称，他并非随意地将扑克牌堆叠起来，而是使用了 一种系统的“建筑方法”，他的“扑克牌大厦”的几何学结构， 有点类似蜜蜂搭建的蜂房。布赖恩称，每7副扑克牌重达0.45公 斤，他每天大约会使用11.3公斤的扑克牌搭建“扑克牌房子”， 布赖恩称，正是扑克牌的重量和特殊的格子状结构共同产生作 用，才能使这些“扑克牌摩天大楼”屹立不倒。布赖恩搭建的 “扑克牌建筑”总是能“藐视重力”地稳稳竖立着，直到布赖 恩认为可以让它们坍塌时，才弄出一阵轻风将它们刮倒。不过， 参观“扑克牌建筑”的人绝对不能打喷嚏，因为说不定一个喷 嚏就能毁掉布赖恩花几周时间造出来的“扑克牌房子”。 布赖恩的“扑克牌建筑”已经屡屡创下了吉尼斯世界纪录。 最近，布赖恩在达拉斯市的得克萨斯州展览会上再次搭出了一 座惊人的“扑克牌摩天楼”，从而再次刷新了世界纪录。布赖 恩搭建这座“扑克牌摩天楼”时，使用了顶到天花板的脚手架， 这座“扑克牌摩天楼”之所以无法再建得更高，纯粹是因为受 到了天花板的限制。据悉，这座“扑克牌摩天楼”是布赖恩花 了一个月时间搭建出来的，它使用了1800副扑克牌，高达7.86 米，一举打破了他以前创下的7.7米的“最高扑克牌建筑”世界 纪录。 • 任务布置：以一副扑克牌为材料，设计并搭建一个建筑模型。 • 要求：建筑模型的类型不限，高度10cm以上结构稳定岂能承受 一定的重量，自重小。 • 材料：纸牌一副，胶水 活动提示1：的填写可以先请同学回答前面课程中所讲的有关结构强度和 稳定性的知识，然后填写。 • 影响结构稳定性的因素—— • 影响结构强度的因素—— 活动提示2：同学分组讨论扑克牌这种材料在制作建筑模型时的特点和如 何进行连接和固定？ • 纸牌这种材料用在制作建筑模型结构时的特点：表面光滑、便于裁剪； 硬度较大，能够承受比较大的拉力，但是受压力非常小。 • 胶水直接粘连；用剪刀剪开口子后，两张牌插接；随着连接部位和材 料多少的不同，强度和稳固性各有不同的变化。 活动提示3：可以进行几个关于结构受力的小测试： （1）可以折叠、可以卷曲，折叠成三棱柱或者卷曲成圆柱体后可以承受 比较大的压力，但是卷曲时表面很难光滑； （2）多张扑克牌叠加后，能够承受更大的力。 模型制作完成后，进行结构的稳固性试验，得到数据后完成活动技术试验 报告。 提示4： （1）进行强度试验时，如果砝码不够的情况下，可以让学生自己携带足够的 1元面值的硬币进行试验。 （2）进行稳定性试验时，可以先让学生用力吹一下结构，如果已经失稳，就 没有必要上讲台进行稳定性试验了。如果条件允许的情况下，每小组自行 携带一个电吹风，那样就可以自己完成稳定性测试了。 所有小组都完成测试后，教师选择合适的模型引导学生根据影响结构稳 定性和强度的因素对这些结构进行技术分析。 提示5： 让学生分析的结构可以是技术试验效果比较好的结构，也可以是同学们制 作最多的结构，还可以是那些典型的符合受力的经典结构。 小结 一、结构的稳定性 影响结构稳定性的三个因素：重心位置、支撑 面积的大小和结构的形状。 二、结构的强度 影响结构强度的三个因素：结构的形状、结构 的材料与连接方式。 三、结构与功能