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(共39張PPT)
第一節 常見結構的認識
認識結構，分析影響結構的穩定性和強度的主要因素，將使我們理性的觀察和對待世間奇妙的結構現象，將使我們學會進行簡單的結構設計。
1、無處不在的結構：
任務一 感知豐富的結構
A、同樣是水，有液態、氣態、固態；
B、同樣是碳，但有最硬的固體金剛石和最軟的固體石墨存在；
C、化學有機物結構不同性質不同（色素）；
D、同樣的六個字“這個人表現好”“這個人好表現”，但因排列不同，就形成了一褒一貶；
E、用同樣的材料，做出的結構不同的小板凳就會有不同的特性，有的穩，有的不穩；
F、各種材料組成結構可以使“死的”材料變成“活的”機器。如：發動機、電子計算機、機器人、飛機、火箭……
在自然界，相同的物質，不同的結構，表現出不同特性的現象處處可見。
世界上任何事物都存在結構,結構多種多樣且決定著事物存在的性質。
雪花
蜂窩
1)自然界中的結構。
海洋貝
動物的身體
器官
蜘蛛網
（1）觀察分析結構圖。
使用最少的材料制作盡可能寬敞的空間，不會出現縫隙，空間使用效率最好。
蜂巢：
這種結構的優點在哪里？
任意兩個節點都能找到一條可通過的路徑。
這種結構的優點在哪里？
蜘蛛網：
（2）結構概念：
結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。
結構的各組成部分，通常稱為構件。例：人體結構，分子結構，階級結構，文章的結構，汽車結構，桌子結構，地球結構等。
你是怎樣理解“結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列”，“結構多種多樣且決定著事物存在的性質”的？
關鍵詞：有序 搭配
人的染色體有X染色體、Y染色體之分，X染色體、Y染色體不同的搭配和排列，決定這個人是男人還是女人。
啟發：
你能否舉例說明事物的各個組成部分之間的搭配和排列改變了，事物的性質也發生了改變。
舉例說出身邊常見事物的結構：課桌、圓珠筆、課本、水杯、粉筆盒、書包等。
形形色色的結構能給人以美的享受，給人創造的靈感和啟示。人們將其成果應用到技術領域, 更好地服務于人類。
螞蟻力量非凡的嘴巴給了科學家們發明推進體系的微型機器人的靈感，美國伊利諾大學香檳分校的生態學家兼昆蟲學家安德魯·蘇雷茲他告訴《生命科學》雜志：“如用于營救工作的機器人。”
(3）閱讀案例：
蒼耳子與尼龍搭扣;
鳥與飛機;
鷹眼與導彈跟蹤系統。
蒼耳子與尼龍搭扣;
鳥與飛機;
鷹眼與導彈跟蹤系統。
問：為什么鷹可以在幾千米的高空準確無誤地辨別地面上的動物？
鷹可以在幾千米的高空準確無誤地辨別地面上的動物,這是因為它的眼部結構比較特殊。
人類每只眼睛的視網膜上都有一個凹槽,叫做中央凹。而老鷹眼中的中央凹卻有兩個, 這兩個中央凹的作用不同, 其中一個專門用于接收來自鷹頭側面物體的像, 另一個用于接收來自鷹頭前方物體的像。這樣,老鷹的視覺范圍就寬多了,能兼顧前方和側面。
問：除了根據鷹眼的結構,人們正在研制“ 鷹眼”導彈系統以外，你還受到哪些啟發？
根據鷹眼的結構,人們正在研制“ 鷹眼”導彈系統。這種導彈系統能自動尋找、識別目標并跟蹤攻擊。
馬上行動
生產生活中還有那些產品的結構是受到自然界事物結構的啟發而產生？
船槳（魚鰭）
人工冷光（螢火蟲）
風箏（鷹）
鋸（螳螂臂或鋸齒草）
車輪（隨風旋轉地飛蓬草）
潛水艇（海豚）
聲納（蝙蝠）
潛水用的腳蹼（鴨子）
潛水艇的流線型設計（魚類）
結構不合理就會產生什么后果？
2)技術領域中的結構：
案例：魁北克大橋的坍塌
[思考]：大橋坍塌的原因是什么？
擅自改變橋的結構。1907年，加拿大魁北克附近的圣勞倫斯河上落成了全球最長的拱橋。該橋采用了比較新穎的懸臂構造，這樣的結構非常流行。盡管只比蘇格蘭愛丁堡福斯河上非常成功的懸臂大橋稍長一點，但魁北克大橋存在設計問題，還未完工就坍塌了。
目前，鋼索斜拉橋的技術應用已經達到了極限，遠遠超乎了設計者們最初的想象。斜拉構造的普遍成功讓這種橋型幾乎無處不在。于是，橋面長度的日益增長已經步入了曾導致事故的做法后塵。鋼索斜拉橋重大事故是否會很快出現，還是會出現在歷史提示的2030年，這并不取決于計算機分析，而是取決于橋梁工程師是否了解過去的歷史，并下定決心避免事故的重演。
今天，所有畢業于加拿大各大學的工程師們都帶有一個鐵指環，這些鐵指環曾經是由取之于那座坍塌的魁北克大橋的金屬制成的（現在的指環由不銹鋼制造）。它們時刻提醒工程師們，要具有高度的責任感去設計安全、牢固和有用的結構。
事物的結構影響著事物的性能和功能，合理的結構是事物存在和發展的基礎，卓越的結構是設計者和制造者長期的追求。
3) 社會領域中的結構：
在社會領域,也普遍存在著結構現象。 一篇文章的內容結構影響文章的表達與質量, 一家企業、社區、公司的人員、國家的結構關乎企業的運行與效率。
任務二 認識結構的受力
從力學角度來說，結構是指可承受一定力的架構形態，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
一個較復雜的結構由許多不同的部分組成，這些組成部分通常稱為構件。
車輪 - 輻條、輪胎、車圈、氣門等。
分析討論自行車的組成構件：
自行車車架、車把、傳動、座鞍、車輪等。
當一個結構受到外力作用時,內部各質點之間的相互作用會發生改變, 產生一種抵抗的力 , 稱為內力。
應力是構件的單位橫截面上所產生的內力，當應力達到某一極限值時, 結構就會遭到破壞。用公式表示應力為σ =F/s, 其中 ,F 是內力 ,S 是受力面積 , σ是應力。
生活中常見的結構都能抵抗來自外界的各種作用力和自身重力。
例如:自行車
承受人和所載物體的壓力及自行車自身的重力；
橋墩承受自身重力及負荷的壓力、大風的作用力等其它外力。
例如:橋墩
討論分析生產、生活中常見結構，要抵抗來自外界力的作用情況：
硬紙包裝箱：
建筑物的窗戶：
課桌：
自身重力、墻體的壓力、風力、外來撞擊力 …
自身的重力、手臂的壓力、桌山個物體的壓力、推拉力、地面對其的支撐力 …
箱內物體的重力、箱內物體向外的擠壓力、自身的重力、外界壓力、所裝載貨物的壓力 …
完成課本p6馬上行動
受力形式 概念 受力形式
拉 力 物體所承受的拉拽力 結構承受拉伸時，作用在結構（經常稱為拉桿）上的力是一對方向相反，作用線與拉桿軸線重合的集中力，方向背離桿的底面。其受力實例是吊車的吊繩。
壓 力 擠壓物體的力 結構承受壓縮時，作用在結構（習慣上稱為壓桿）上的力是一對方向相反，作用線與壓桿軸線重合的集中力，方向指向桿的底面。如液壓機的頂桿工作時就是受壓。
剪切力 兩個距離很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物體上的平行力 結構在受剪切時，結構所承受的力是分別作用在構件相對的兩個面上，方向相反，作用線錯開微小距離的兩個平行力。連接剪刀兩個部分的銷釘在剪刀工作時就是承受的剪切力，其受力模型如圖。
扭轉力 反方向向物體兩端均勻施力 ,使物體發生扭轉形變的力 承受扭轉的構件一般都稱為軸。它承受的外力是一對作用在軸兩端面內，轉向相反的力偶矩。
彎曲力 作用于物體 ,使它產生彎曲的力 承受彎曲載荷的構件，一般稱為梁。梁在承受彎曲時，受力情況比較復雜，其中一種載荷叫做彎矩。它是作用在過梁的軸線且與橫截面垂直的平面內的力偶矩。其作用力是使梁產生彎曲變形。
小實驗：
做“紙板承受壓力試驗”p008：比較不同形狀的紙板承受壓力的大小。
回答問題：
1） 哪種情況下紙板的抗壓能力最強
2） 舉例說明這一結論在實際應用中有什么意義。
3） 如果把紙板折成瓦楞狀,試驗結果會發生什么變化
事物結構合理性的基礎是能夠抵抗來自外界的各種作用力和自身重力的影響。
3.結構的類型：
實體結構、框架結構、殼體結構。
1）實體結構：是指結構體本身是實心的結構。
受力特點：外力分布在整個體積中。
實體結構可以連續傳遞載荷，適于承受壓力。
案例分析：三峽大壩、廚房中的菜板子、實心墻、水庫的大壩、古代的城墻、柱子、實心球等。
2）框架結構：是指結構體由細長的構件組成的結構。
受力特點：
支撐空間而不充滿空間，能承受垂直和水平荷載。
框架結構是由桿件或板件連接而成的，構件可以是空心，也可以是實心；可以是平面框架，也可以是空間框架。由于這種結構用料少，可以承受多種載荷，因此用得很廣泛。
案例 ：窗戶、畫框、房子、竹排、教室的門窗常用木框架，蔬菜大棚的棚體、建筑用腳手架、自行車、艾菲爾鐵塔、桌子、板凳、書櫥、輸電鐵塔。
3）殼體結構：通常是指層狀的結構。
殼體結構是用薄壁殼狀構件來替代空間框架而形成的一種空間結構。由于它可以將作用在其上的集中橫向載荷分散為沿殼體的壓力。因此在場館建設中用得很多。
受力特點：
外力作用在結構體的表面上，由弧面整體分擔承受，抵抗變形。
[案例分析]：
頭盔，汽車飛機外殼、飲水杯、文具盒、裝甲車、油罐、雞蛋、核桃、瓜子、西瓜、鍋碗瓢盆……等。
4）組合結構：在生產和生活實際中，很多物體的結構是由兩種或兩種以上的基本結構類型組合而成的。
受力特點：復雜（這是大學結構力學將要學習的）。
在日常生活中我們常見的結構大部分都是組合結構。結構的類型種類：纜索結構、桁（heng）架結構、空間桁架結構、球形空間桁架結構等。
案例分析：大壩都是拱形和實心結構的組合體；圓頂大廈的頂部都是框架結構和殼體結構的組合（又叫球形空間桁架結構）。
[學習反思]：
從結構的豐富性與結構功能的實現角度來說，不同結構的類型特征對結構的設計有什么啟示？

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