结构的稳定性和强度

1、我国东南沿海地区经常有台风袭击，台风过后，我们时我国东南沿海地区经常有台风袭击，台风过后，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？的现象？ 在台风来之前它是稳定的！是什么原因出现了在台风来之前它是稳定的！是什么原因出现了不平衡状态？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？是不稳定的？物体稳定与不稳定的程度又如何评价？第三节第三节 结构的强度与稳定性 生活中有这样的情况，人坐在一只小板凳上，用力摇生活中有这样的情况，人坐在一

2、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。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？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、这个防盗网呢那我们如何来评价这条板凳、这个防盗网呢? ?我们就我们就要用到我们今天学习的内容：强度。要用到我们今天学习的内容：强度。一、结构的强度一、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

3、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： 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。例如我们刚才举的凳子的例子，凳子能够承受人的重力这是一个强度问题，那么凳子会不会左右晃动，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：强度与稳定性的联系与区别： 内力外力内力PN 外力是使构件发生变形的同时，构件内部分子之间随之产生一种抵抗变形的抵抗力，称为内力。应力和强度的关系：应力和强度的关系： 这只是我们一个笼统的说法，我们如何来衡量一件东西的强度呢。那就要用到我们学习的应力的知识应力应力构件

4、的单位面积上产生的内力。构件的单位面积上产生的内力。关系式为：关系式为：SF=s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料竹竿比脆性塑料杆能挂更多的重杆能挂更多的重物而不会断裂物而不会断裂不同材料的抗拉不同材料的抗拉性能不同性能不同中间有焊接缝的中间有焊接缝的钢管受到撞击时钢管受到撞击时容易损坏容易损坏因为有连接点因为有连接点1.1.影响结构强度的主要因素影响结构强度的主要因素 吊

5、兰支撑使用的三角吊兰支撑使用的三角形支架结构，而不使用由一形支架结构，而不使用由一根直杆挑起的结构。从材料根直杆挑起的结构。从材料方面考虑，吊兰的三角形支方面考虑，吊兰的三角形支架使用的是钢管而不是木条架使用的是钢管而不是木条或塑料，钢管抗拉力性能好。或塑料，钢管抗拉力性能好。从连接方式考虑，吊兰的三从连接方式考虑，吊兰的三角形支架的构件是焊接而不角形支架的构件是焊接而不是捆缚，这种连接方式更牢是捆缚，这种连接方式更牢固。固。1) 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

6、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(1)(1)结构的形状结构的形状: : A.A.不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样的。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：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。的构件截面形状。C.C.相同材料，相同截面积，不同截面形状的构件强度不同。相同材料，相同截面积，不同截面形状的构件强度不同。B.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

7、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、稳定、它结实、稳定、所用材料最少。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。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。个面，且每个面为三角形。小实验：小实验：（2 2）因素）因素2 2：使用的材料：使用的材料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

8、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：被连接的

9、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 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 1）对一个用）对一个用4 4根小木条钉成的相片框根小木条钉成的相片框, ,使使它更牢固的做法是什么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_连接；刹车连杆之间属于连接；刹车连杆之间属于_连接；辐条与钢圈之间属连接；辐条与钢圈之间属于于_。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

10、。刚连接；刚连接；铰连接铰连接铰连接铰连接（3 3）比较左图中）比较左图中同一结构的几种连同一结构的几种连接方式接方式, ,请预言哪种请预言哪种连接方式的强度更连接方式的强度更好。好。 左边左边的的榫卯连接榫卯连接的强度较大，上下、左右、前后各方向的强度较大，上下、左右、前后各方向都被牢牢固定住，所以强度较大。都被牢牢固定住，所以强度较大。 中间中间的连接方式的连接方式钉子连接钉子连接强度最小，钉子是从侧面钉进强度最小，钉子是从侧面钉进去的，中间的横梁不能承受较重物体的压力为剪切力，容易去的，中间的横梁不能承受较重物体的压力为剪切力，容易造成连接处断裂，所以强度最小。造成连接处断裂，所以强度最

11、小。 第三种第三种是是钉子连接钉子连接，但当上端受压力时，连接处受的是，但当上端受压力时，连接处受的是压力，因为没有榫接打孔影响结构，所以强度最大。压力，因为没有榫接打孔影响结构，所以强度最大。探究：1.1.为什么矿泉水瓶表面上有若干凸起的横向纹路，它的作为什么矿泉水瓶表面上有若干凸起的横向纹路，它的作用是什么用是什么? ? 一是增加瓶子的强度，受力不容易一是增加瓶子的强度，受力不容易变形；变形； 二是增大瓶子与手之间的摩擦力。二是增大瓶子与手之间的摩擦力。 三是既有利于承受较大的负载，造三是既有利于承受较大的负载，造型又美观大方。型又美观大方。3.3.观察空调压缩机在户外墙上的固定，它是通过

12、什么方法观察空调压缩机在户外墙上的固定，它是通过什么方法加强牢固程度的？能否只用壁挂式方法固定，为什么？加强牢固程度的？能否只用壁挂式方法固定，为什么？ 分体式空调器的室外机自身重分体式空调器的室外机自身重力比较大，在户外固定一般采用铁力比较大，在户外固定一般采用铁架支撑的方式。若采用壁挂的方式，架支撑的方式。若采用壁挂的方式，打入墙体的膨胀螺钉的强度和墙体打入墙体的膨胀螺钉的强度和墙体的强度都不足以承受室外机的重力，的强度都不足以承受室外机的重力，最后出现断裂以至于脱落。最后出现断裂以至于脱落。 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（三）、结构与功能

13、（三）、结构与功能: :结构的稳定性：结构的稳定性： 结构的稳定性是指结构在负结构的稳定性是指结构在负载的作用下，维持原有平衡载的作用下，维持原有平衡状态的能力。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：（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：重心位置的高低重心位置的高低支撑面的大小支撑面的大小结构的形状结构的形状 实验探究实验探究11： 拿一本书，让它直立在桌面上，它马上倾倒了，显然，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其稳定性不好。同样的一本书，把它的下端各书页

14、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。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：支撑面积的大小因素一：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，越小越不稳定。B 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，如自身的重力，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，增大了与地面接触须要求非常稳固。大坝建成梯

15、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。所形成的支撑面，支撑面越大越坚实，稳定性就越好。C.C.为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往外倾斜？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。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22：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，风扇比底座轻很多

16、，使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。落地扇的重心降低。 2 2结构的稳定性与重心位置有关。物体重心越低，越稳定。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：重心位置因素二：重心位置A.A.不倒翁为什么不倒？如果在不倒翁为什么不倒？如果在它脖子上挂上一定数量的铁环，它脖子上挂上一定数量的铁环，它还会不倒吗？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。 B. B. 比

17、萨斜塔为什么不倒塌？比萨斜塔为什么不倒塌？15901590年，意大利的伟大科学家伽俐略，曾在斜塔的顶层做年，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，让两个重量相差过自由落体运动的实验，让两个重量相差1010倍的铁球，同倍的铁球，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们思想近20002000年的希腊著名学者亚里士多德关于重量不同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的物体其下落的速度也不相同的“物体下落速度与重量成物体下落速度与重量成正比正比”的理论。伽俐略开创了实验物理的

18、新时代，被人们的理论。伽俐略开创了实验物理的新时代，被人们称为称为“近代科学之父近代科学之父”，而他用来做实验的斜塔也因而更，而他用来做实验的斜塔也因而更加遐迩闻名。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

19、，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，使通过分析长方体重心的垂线位置与稳定性示意图，使学生容易理解，比萨斜塔不倒的原因是它的重心所在点的学生容易理解，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。的垂线不再落在塔的底面时，塔就会倾倒。结构重心的位结构重心的位置：置：结构重心结构重心所在点的垂线所在点的垂线是否落在结构是否落在结构底面的范围内，底面的范围内，落在就是稳定落在就是稳定的，没有就是的，没有就是不稳定的。不稳定的。 辽宁瑞

20、州古塔，现辽宁瑞州古塔，现存塔身高存塔身高1010米，塔身向东北米，塔身向东北方向倾斜方向倾斜1212度，塔尖水平位度，塔尖水平位移移1.71.7米。该塔建成之后虽米。该塔建成之后虽几经地震与洪水破坏，却始几经地震与洪水破坏，却始终斜而不倒，堪称奇迹。终斜而不倒，堪称奇迹。小资料：中国的斜塔小资料：中国的斜塔苏州的虎丘塔苏州的虎丘塔虎丘塔高虎丘塔高47.747.7米，比意大利米，比意大利比萨斜塔矮比萨斜塔矮6 6米；塔尖偏离米；塔尖偏离中心中心2.342.34米，是比萨塔的一米，是比萨塔的一半；虎丘塔建于半；虎丘塔建于961961年，比年，比比萨塔早完工比萨塔早完工390390年。因为年。因为

21、地基不牢，重地基不牢，重60006000吨的塔便吨的塔便倾向土堆的一边。倾向土堆的一边。 小资料：中国的斜塔小资料：中国的斜塔 一摞书，整齐放置时的稳如泰山；另一种一摞书，整齐放置时的稳如泰山；另一种放法放法, ,每本都往一边慢慢往外放置，到一定程度时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。一摞书就全倒了。小实验小实验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 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

22、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因为三角支架与地面有三个接触点，形成的三角形三个接触点，形成的三角形结构使照相机的支撑架更容结构使照相机的支撑架更容易稳定易稳定。B B、照相机的支撑架为、照相机的支撑架为什么常使用三脚架而什么常使用三脚架而不用其他形状？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架大多都是由多个三角

23、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。钢架结构中都被普遍地采用。补充（三角形稳定性的应用）：补充（三角形稳定性的应用）：静止状态的单车如何保持稳定 案例分析案例分析 ：（1）双腿支撑 （2）单腿支撑 不稳定的结构应用：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。 (3) (3) 在我国四川的广汉三星堆出土的器具有许多都在我国四川的广汉三星堆出土的器具有许多都是尖底的。怎么