第二节稳固结构的探析.ppt

复习 什么是结构 结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列 从力学角度来说 结构是指可以承受一定力的架构形态 它可以抵抗能引起形状和大小改变的力 在日常生活中 我们时常会看到翻到在地的物体 是什么原因出现了图上所示的现象 在台风来之前它是稳定的 是什么原因出现了不平衡状态 那到底什么样的结构是稳定的 什么样的结构又是不稳定的 物体稳定与不稳定的程度又如何评价 第二节探究结构 结构的稳定性 结构的稳定性是指结构在负载的作用下 维持原有平衡状态的能力 结构的稳定性与什么因素有关 想一想 填表说明下表中的物体有可能因受哪些力的作用而出现不稳定现象 并根据你的生活经验 简要说明原因 重力 风力 底座小 重心高 受风面积大 重力 撞击力 底座小 重心高 重力 撞击力 底座小 重心高 一 影响结构稳定性的主要因素 实验探究 拿一本书 让它直立在桌面上 它马上倾倒了 显然 其稳定性不好 同样的一本书 把它的下端各书页展开一定的角度 仍旧将它直立在桌面上 它就能很好的挺立住 因素一 支撑面积的大小 1 稳定性与支撑面积的大小有关支撑面越大越稳定 越小越不稳定 A 落地电风扇或者宾馆里的落地灯 它们都有一个比较大的底座 结构的底座 结构与地面接触所形成的支撑面大 稳定 B 为什么大坝的横截面总是建成梯形 大坝需要承受很大的力的作用 如自身的重力 水的冲击力 压力等等 要起到防洪的作用 大坝必须要求非常稳固 大坝建成梯形 增大了与地面接触所形成的支撑面 支撑面越大越坚实 稳定性就越好 C 为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往外倾斜 这是为了进一步增大与地面接触所形成的支撑面积 增加稳定性 注意 支撑面 接触面 接触面 是物体与地面接触形成的面 支撑面 是物体与地面接触形成支撑点的连线与地面构成的面 接触面 支撑面 实验探究2 落地扇为什么不易倾倒 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 2 结构的稳定性与重心位置有关 物体重心越低 越稳定 因素二 重心位置 A 不倒翁为什么不倒 如果在它脖子上挂上一定数量的铁环 它还会不倒吗 不倒翁的重心很低 就在它与地面的接触点上 所以不倒 如果往它的脖子挂上铁环 它的重心位置升高了 当铁环达到一定数量时 不倒翁就不再是不倒翁了 重心的高低影响结构的稳定性 重心越低 稳定性越好 重心越高 稳定性越差 B 以前的农作物个子高 遭遇暴风骤雨容易倾覆 造成减产 现在的农作物普遍个子矮 就是利用了重心低结构稳定的原理 C 比萨斜塔为什么不倒塌 1590年 意大利的伟大科学家伽俐略 曾在斜塔的顶层做过自由落体运动的实验 让两个重量相差10倍的铁球 同时从塔顶落下 结果 两球同时着地 一举推翻了束缚人们思想近2000年的希腊著名学者亚里士多德关于重量不同的物体其下落的速度也不相同的 物体下落速度与重量成正比 的理论 伽俐略开创了实验物理的新时代 被人们称为 近代科学之父 而他用来做实验的斜塔也因而更加遐迩闻名 它从1174年始建 1350年竣工 经历了176年 但由于塔身过重 地质松软 因此塔身仍以每年1 25毫米的速度向南倾斜 到1999年1月 塔顶比中轴线偏斜已达4 8米 意大利当局为了拯救斜塔 已向全世界广泛征求保护方案 同时在塔的北侧加压了830吨的铅块 并在塔身的三分之一处加了一圈铜缆 向北牵拉固定 不过斜有斜的好处 每天为 斜 而来的参观者多达10余万人 扔下大把大把的银子 如果它是一座正塔 比萨就不会有今天的风光 也就不会有这么多便宜可占了 通过分析长方体重心的垂线位置与稳定性示意图 比萨斜塔不倒的原因是它的重心所在点的垂线落在塔的底面的范围内 当塔倾斜到一定程度 重心的垂线不再落在塔的底面时 塔就会倾倒 结构重心的位置 结构重心所在点的垂线是否落在结构底面的范围内 落在就是稳定的 没有就是不稳定的 一摞书 整齐放置时的稳如泰山 另一种放法 每本都往一边慢慢往外放置 到一定程度时一摞书就全倒了 小实验 3 结构的稳定性与它的几何形状有关 A 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 一般情况下 梯子打开的时候 梯面与地面组成三角形 梯子本身就能站得稳 当连接两个梯面的横杆拉直时 两个梯面的上半部分就与横杆构成了稳定的三角形 这就进一步加强了梯子的稳定性 保证梯子能承受人体的压力 如果没有梯子中间的拉杆 载人时就不能保持稳定 因为三角支架与地面有三个接触点 形成的三角形结构使照相机的支撑架更容易稳定 B 照相机的支撑架为什么常使用三脚架而不用其他形状 因素三 结构的稳定性与它的几何形状有关 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 补充 三角形稳定性的应用 静止状态的单车如何保持稳定 案例分析 1 双腿支撑 2 单腿支撑 1 调整单脚支撑位置 研究何时最易倒下 何时最平衡 自行车骑起来时 只有两个支撑点 为什么不会倒下呢 探究 注意 自行车的支撑架与地面的夹角不能太小 否则 自行车的自身重力集中在支撑架上 同样容易失去平衡 在静止情况下 自行车本身不能自我平衡 需要加一支撑脚 当由骑车人和自行车构成一个系统时 系统动起来之后 骑车人为系统注入动力 从而在自行车前进的时候 通过人的不断调节 自行车和骑车人与地面垂直 使自行车的重心落在车轮与地面接触的面积内 因此 在没有明显的外力干涉时 这一动态系统能够表现出一种稳定 2 静止状态下陀螺会倾倒 而当它高速旋转时却可以立起来 这个谜 直到本世纪八十年代初才解开 一位美国的物理系研究生 通过电脑进行复杂的运算 终于从理论上解决了 问题就出在旋转速度和摩擦上了 陀螺在旋转起来时 支持点周围也不免与支持面 桌面 产生摩擦 而这种旋转的物体总是使运动趋向于摩擦更小的状态 当陀螺摇摇晃晃地立起来 终于使一个尖端着地时 就逐渐达到了支持点面积最小 稳定旋转的状态 水平的能量转化成为绕对称轴旋转的动作 当然 由于摩擦 它的转速又会慢慢减小 然后开始摇晃 最后 倒下来 因为这时它要趋向重心更低 更稳定的状态 陀螺效应 凡是高速旋转的物体 都有一种使转动轴保持不变的能力 这种能力使得陀螺即使在不平的支持面上转动也不会倒下 所以一旦自行车运动起来后 转动的车轮也具备这种能力 这种能力使得自行车即使发生了倾斜 也能自动地把自行车调整过来 这就是自行车不倒的原因 运动状态下与静止状态下物体的稳定条件有所不同 结构的稳定性在日常生活中有着广泛的应用 一方面人们利用稳定的结构抵抗外力 承受负载 另一方面又利用不稳定的结构实现某些功能 不稳定的结构应用 倒置的啤酒瓶可以预报地震 在打水的桶口边挂一重物 在水面时能自动翻倒打水 练习 1 在拥挤的公共汽车上已没有座位 你必须站着 而扶手你让给了旁边的老人 你在公共汽车上要如何才能保持自己的没摔倒 2 货物应尽量放在船舱里还是甲板上 为什么 人的身体的稳定性取决于支撑面的大小和人体姿势重心的高低 在一定范围内 两脚分得越开 则重心越低 支撑面变大 越稳定 要提高这种篮球架的稳定性可以怎么做 在篮球底座上加些比较重的石板之类的重物 是为了使篮球架的重心向后偏移 重心所在点的垂线落在结构底面的范围内 达到结构稳定的基本条件 还有什么方法吗 可以增大底座与地面的接触面 这样也可以使重心所在点的垂线落在结构底面的范围内 但我们在日常生活中没有发现这样做的 为什么呢 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 根据你的理解 结合教材 上述情况是什么原因造成的 那我们如何来评价这条板凳 这个防盗网呢 我们就要用到我们今天学习的内容 强度 二 结构的强度 这条板凳 这个防盗网的强度是怎样的 也就是指它受到外力作用的情况下 它不被外力破坏的能力如何 结构具有的抵抗被外力破坏的能力 所以说结构的强度是指 我们知道稳定性是研究物体的保持平衡状态的能力 强度是研究不被外力破坏的能力 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 强度与稳定性的联系与区别 根据你的生活经验填写下表 竹竿比脆性塑料杆能挂更多的重物而不会断裂 不同材料的抗拉性能不同 中间有焊接缝的钢管受到撞击时容易损坏 因为有连接点 1 影响结构强度的主要因素 吊兰支撑使用的三角形支架结构 而不使用由一根直杆挑起的结构 从材料方面考虑 吊兰的三角形支架使用的是钢管而不是木条或塑料 钢管抗拉力性能好 从连接方式考虑 吊兰的三角形支架的构件是焊接而不是捆缚 这种连接方式更牢固 1 影响结构强度的几个主要因素 结构的形状 使用的材料 构件之间的连接方式 结构外部形状结构的构件截面形状 铰连接刚连接 1 结构的形状 A 不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样的 注意 结构对强度的影响有两点 一是结构的外部形状 二是结构的构件截面形状 C 相同材料 相同截面积 不同截面形状的构件强度不同 B 结构的外形相同 构件的截面不同 其强度不一样 D 三角形形状 三角形是框架结构中最基本的形状之一 它结实 稳定 所用材料最少 在长方形或六边形的框架中间 加上支撑构件 构成三角形 就可以大大增加它的牢固程度 金刚石分子为四面体 每个四面体有四个角 四个面 且每个面为三角形 2 因素2 使用的材料 结构的强度与材料有关 纸杯 钢杯 塑料杯 混凝土材料 使用钢筋混凝土结构的好处是什么 混凝土抗压性能较好 而抗拉能力就比钢筋要小得多 因此在制造时可在梁的受拉区放置钢筋 组成钢筋混凝土梁 在这种梁中 钢筋受拉 混凝土受压 它们合理组成一个整体 共同承担载荷的作用 3 因素3 构件之间的连接方式 结构的连接是指通过一定的连接物将构件组成整体结构 结构构建的连接通常有以下两类 铰连接刚连接 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 结点是指构件间的连接区 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 刚度 构件抵抗变形的能力 构件在外力作用下会产生变形 在某些情况下 构件虽然有足够的强度 但若受力后变形过大 即刚度不够 也会影响正常工作 例如机床主轴变形过大 将影响加工精度 铁路桥梁在列车通过时 若变形过大 就会影响列车的正常行使 甚至危机行车安全 因此 在工程上要求构件的变形必须限制在允许的范围内 1 对一个用4根小木条钉成的相片框 使它更牢固的做法是什么 2 在自行车各部件之间的连接中 三角架属于 连接 刹车连杆之间属于 连接 辐条与钢圈之间属于 连接 练习 可用直角铁片固定在连接处的背面 刚连接 铰连接 铰连接 3 比较左图中同一结构的几种连接方式 请预言哪种连接方式的强度更好 左边的