12、2稳固结构的探析

1、第二节第二节 稳固结构的探析结构的探析 青海玉树地震 地震破坏 在日常生在日常生 活中，我活中，我 们时常会们时常会 看到翻到看到翻到 在地的物在地的物 体。是什体。是什 么原因出么原因出 现了图上现了图上 所示的现所示的现 象？象？ 在地震、雪灾、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构又是不稳定的？物体稳定与不稳定的程度 又如何评价？又如何评价？ 结构的稳定性：结构的稳定性： v结构的稳定性是指结构在负载的作用下，维结构的稳定性是指结构在负载的作用下，维 持

2、原有平衡状态的能力。持原有平衡状态的能力。 结构的稳定性与什么因素有关？结构的稳定性与什么因素有关？ 想一想：想一想： 填表说明下表中的物体有可能因受哪些力的作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，简要用而出现不稳定现象，并根据你的生活经验，简要 说明原因。说明原因。 马上行动马上行动 物体物体受到的外力受到的外力不稳定的主要因素不稳定的主要因素 广告牌广告牌 落地灯落地灯 底小口大的底小口大的 空竹篓空竹篓 重力、风力重力、风力 底座小、重心高、受底座小、重心高、受 风面积大风面积大 重力、撞击力重力、撞击力 底座小、重心高底座小、重心高 重力、撞

3、击力重力、撞击力 底座小、重心高底座小、重心高 1结构的稳定性与重心位置有关。结构的稳定性与重心位置有关。 物体重心越低，越稳定。物体重心越低，越稳定。 因素一：重心位置因素一：重心位置 A.不倒翁为什么不倒？不倒翁为什么不倒？ 如果在它脖子上挂上如果在它脖子上挂上 一定数量的铁环，它一定数量的铁环，它 还会不倒吗？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，不倒翁就不在是 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。 它从1174年始建，1350年竣工， 经

4、历了176年。但由于塔身过重，地 质松软，因此塔身仍以每年125毫米 的速度向南倾斜。到1999年1月，塔 顶比中轴线偏斜已达48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。 结构重心的位置：结构重心的位置：结构重心所在点的垂线是否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，没落在结构底面的范围内，落在就是稳定的，没

5、 有就是不稳定的。有就是不稳定的。 （一）影响结构稳定性的主要因素：（一）影响结构稳定性的主要因素： 实验探究实验探究1： 拿一本书，让它直立在桌面上，它马上倾倒了，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。桌面上，它就能很好的挺立住。 因素二：支撑面积的大小因素二：支撑面积的大小 1.1.稳定性与支撑面积的大小有关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。支撑面越大越稳定，越小越不稳

6、定。 A.落地电落地电 风扇或者风扇或者 宾馆里的宾馆里的 落地灯，落地灯， 它们都有它们都有 一个比较一个比较 大的底座。大的底座。 结构的底座，结构与地面接触所形成的支撑面结构的底座，结构与地面接触所形成的支撑面 大大, ,稳定稳定 。 B：为什么大坝的横截面总是建成梯形？：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，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，增大了与地面接稳固。大坝建成梯形，增大了与地面接 触所形成的支撑

7、面，支撑面越大越坚实，触所形成的支撑面，支撑面越大越坚实， 稳定性就越好。稳定性就越好。 C.为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往 外倾斜？外倾斜？ 这是为了进一步增大与地面接触所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。形成的支撑面积，增加稳定性。 注意：注意： 支撑面支撑面接触面。接触面。 接触面接触面:是物体与地面接触形成的面。 支撑面支撑面: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 实验探究实验探究2：落地扇为什么不易倾倒？：落地扇为什么不易倾倒？ 落地扇的底座采用较重的材料，风扇比底落地扇的底座采用较重的材料，风

8、扇比底 座轻很多，使落地扇的重心降低。座轻很多，使落地扇的重心降低。 3 3、结构的稳定性与它的几何形状有关。、结构的稳定性与它的几何形状有关。 A、人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。 因为三角支架与地因为三角支架与地 面有三个接触点，形成面有三个接触点，形成 的三角形结构使照相机的三角形结构使

9、照相机 的支撑架更容易稳定的支撑架更容易稳定。 B B、照相机的支撑架为什么常使用三脚架而不用其他形、照相机的支撑架为什么常使用三脚架而不用其他形 状？状？ 因素三： 结构的稳定性与它的几 何形状有关。 静止状态的单车如何保持稳定（课本：静止状态的单车如何保持稳定（课本：P14） 案例分析案例分析： （1）双腿支撑 （2）单腿支撑 1.1.调整单脚支撑位置，研究何时最易倒下，何时最平衡？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？自行车骑起来时，只有两个支撑点，为什么不会倒下呢？ 探究探究 注意：自行车的支撑架与地面的夹角不能太小，否则，

10、 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一支撑脚。当由骑车人和自行车构成一个 系统时，系统系统时，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。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因此，在没有明

11、显的外力干涉时，这一动态系统能够表 现出一种稳定。现出一种稳定。 2.走钢丝的人为什么要拿一条长棒？ 3.静止状态下陀螺会倾倒，而当它高速旋转时却静止状态下陀螺会倾倒，而当它高速旋转时却 可以立起来？可以立起来？ 这个谜，直到上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。

12、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：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：不稳定的结构

13、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？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？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，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，越在一

14、定范围内，两脚分得越开，则重心越低，支撑面变大，越 稳定！稳定！ （二）结构的强度（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。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结构的强度是指： 根据你的生活经验填写下表：根据你的生活经验填写下表：马上行动：马上行动： 事件事件结果结果原因原因 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 竹竿比脆性塑竹竿比脆性塑 料杆

15、能挂更多料杆能挂更多 的重物而不会的重物而不会 断裂断裂 不同材料的抗不同材料的抗 拉性能不同拉性能不同 中间有焊接缝中间有焊接缝 的钢管受到撞的钢管受到撞 击时容易损坏击时容易损坏 因为有连接点因为有连接点 1.影响结构强度的主要因素影响结构强度的主要因素 完成课本完成课本P17页案例页案例 吊兰支撑使用的吊兰支撑使用的三角形三角形支支 架结构，而不使用由一根直杆架结构，而不使用由一根直杆 挑起的结构。从材料方面考虑，挑起的结构。从材料方面考虑， 吊兰的三角形支架使用的是吊兰的三角形支架使用的是 钢管钢管而不是木条或塑料，钢管而不是木条或塑料，钢管 抗拉力性能好。从连接方式考抗拉力性能好。从

16、连接方式考 虑，吊兰的三角形支架的构件虑，吊兰的三角形支架的构件 是是焊接焊接而不是捆缚，这种连接而不是捆缚，这种连接 方式更牢固。方式更牢固。 1) 影响结构强度的几个主要因素影响结构强度的几个主要因素 结构的形状结构的形状 使用的材料使用的材料(钢管、塑料钢管、塑料) 构件之间的连接方式构件之间的连接方式 结构外部形状结构外部形状 结构的构件截面形状结构的构件截面形状 铰连接铰连接 刚连接刚连接 p22 (1)结构的形状结构的形状: A.不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样 的。的。 注意：注意： 结构对强度的影响有两点，一是结构的外部形

17、状，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。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相同材料，相同截面积，不同截面形状的构件强度 不同。不同。 B.结构的外形相同，构件的截面不同，其强度不一样。结构的外形相同，构件的截面不同，其强度不一样。 D.D.三角形形状三角形形状: : 三角形是框架结构中最基本的形状之一三角形是框架结构中最基本的形状之一, ,它结实、它结实、 稳定、所用材料最少。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，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

18、。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，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。且每个面为三角形。 小实验：小实验：结构的强度与材料有关结构的强度与材料有关 纸杯 钢杯 塑料杯 混凝土材料。混凝土材料。 使用钢筋混凝土结构的好处是什么？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 3）因素）因素3 3：构件之间的连接方式：构件

19、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：结构构建的连接通常有以下两类： 铰连接铰连接 刚连接刚连接 铰连接：铰连接：被连接的构件在连接处不能相对移动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。，但可以相对转动，具体有松螺栓、松铆等。 刚连接：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。 胶接胶接 榫接榫接焊接焊接 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。 （1）对一个用）对一个用4根小木条钉成的相根小木条钉成的相 片框片框,使它更牢固的做法是什么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在自行车各部件之间的连接中, ,三角架属于三角架属于 _刚刚_连接；刹车连杆之间属于连接；刹车连杆之间属于_铰铰_ _连接；辐条与连接；辐条与 钢圈之间属于钢圈之间属于_铰铰_连接。连接。 马上行动马上行动 可用直角铁片固定在连接处的背面。可用直角铁片固定在连接处的背面。 （3）比较左图中同一结