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結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性
知識(shí)回顧
1.什么是結(jié)構(gòu)?
從力學(xué)的角度：結(jié)構(gòu)是指可承受一定應(yīng)力的架構(gòu)形態(tài)，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
結(jié)構(gòu)的功能本質(zhì)：為了承受力，抵抗變形
2.結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是什么?
結(jié)構(gòu)是指物體的各組成部分之間的搭配和排列
小試驗(yàn)
當(dāng)這些物體受到外力作用時(shí)，原有的平衡狀態(tài)被打破導(dǎo)致的
這是一種我們生活中的現(xiàn)象，在沒(méi)吹它時(shí)它是穩(wěn)定的，后來(lái)它為什么會(huì)翻倒呢？
生活中的現(xiàn)象
什么是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性呢？
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在負(fù)載的作用下維持其原有平衡狀態(tài)的能力。
如何保持在有風(fēng)力情況下礦泉水瓶的穩(wěn)定性？
可以在瓶子中裝入一定量的水……
臺(tái)風(fēng)過(guò)后 ……
提高穩(wěn)定性可以減少損失
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性被打破后往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果，
[探究1]：
拿一本書(shū)，讓它直立在桌面上，它馬上傾倒了，顯然，其穩(wěn)定性不好。同樣的一本書(shū)，把它的下端各書(shū)頁(yè)展開(kāi)一定的角度，仍舊將它直立在桌面上，它就能很好的挺立住。
因素一：支撐面積的大小
1.穩(wěn)定性與支撐面積的大小有關(guān)
支撐面越大越穩(wěn)定，越小越不穩(wěn)定。
A.落地電風(fēng)扇或者賓館里的落地?zé)簦鼈兌加幸粋€(gè)比較大的底座
結(jié)構(gòu)的底座，結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面大,穩(wěn)定 。
B：為什么大壩的橫截面總是建成梯形？
大壩需要承受很大的力的作用，如自身的重力，水的沖擊力、壓力等等，要起到防洪的作用，大壩必須要求非常穩(wěn)固。大壩建成梯形，增大了與地面接觸所形成的支撐面，支撐面越大越堅(jiān)實(shí)，穩(wěn)定性就越好。
C.為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜？
為了進(jìn)一步增大與地面接觸所形成的支撐面積，增加穩(wěn)定性。
注意：
支撐面≠接觸面。
接觸面:是物體與地面接觸形成的面。
支撐面:是物體與地面接觸形成支撐點(diǎn)的連線與地面構(gòu)成的面。
增大與地面接觸所形成的支撐面積，增加穩(wěn)定性
[探究2]：落地扇為什么不易傾倒？
落地扇的底座采用較重的材料，風(fēng)扇比底座輕很多，使落地扇的重心降低。
2．結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與重心位置有關(guān)。
物體重心越低，越穩(wěn)定。
因素二：重心位置
A.不倒翁為什么不倒？如果在它脖子上掛上一定數(shù)量的鐵環(huán)，它還會(huì)不倒嗎？
不倒翁的重心很低，就在它與地面的接觸點(diǎn)上，所以不倒，如果往它的脖子掛上鐵環(huán)，它的重心位置升高了，當(dāng)鐵環(huán)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，不倒翁就不再是不倒翁了。重心的高低影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。重心越低,穩(wěn)定性越好;重心越高,穩(wěn)定性越差。
B.以前的農(nóng)作物個(gè)子高，遭遇暴風(fēng)驟雨容易傾覆，造成減產(chǎn)；現(xiàn)在的農(nóng)作物普遍個(gè)子矮。就是利用了重心低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原理
它從1174年始建，1350年竣工，經(jīng)歷了176年。但由于塔身過(guò)重，地質(zhì)松軟，因此塔身仍以每年1．25毫米的速度向南傾斜。到1999年1月，塔頂比中軸線偏斜已達(dá)4．8米。意大利當(dāng)局為了拯救斜塔，已向全世界廣泛征求保護(hù)方案，同時(shí)在塔的北側(cè)加壓了830噸的鉛塊，并在塔身的三分之一處加了一圈銅纜，向北牽拉固定。不過(guò)斜有斜的好處，每天為“斜”而來(lái)的參觀者多達(dá)10余萬(wàn)人，扔下大把大把的銀子。如果它是一座正塔，比薩就不會(huì)有今天的風(fēng)光，也就不會(huì)有這么多便宜可占了。
遼寧瑞州古塔，現(xiàn)存塔身高10米，塔身向東北方向傾斜12度，塔尖水平位移1.7米。該塔建成之后雖幾經(jīng)地震與洪水破壞，卻始終斜而不倒，堪稱(chēng)奇跡。
小資料：中國(guó)的斜塔
蘇州的虎丘塔
虎丘塔高47.7米，比意大利比薩斜塔矮6米；塔尖偏離中心2.34米，是比薩塔的一半；虎丘塔建于961年，比比薩塔早完工390年。因?yàn)榈鼗焕危?000噸的塔便傾向土堆的一邊。
小資料：中國(guó)的斜塔
3、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。
A、A字形梯為什么載人時(shí)能夠保持穩(wěn)定？如果沒(méi)有梯子中間的拉桿將會(huì)怎么樣？
一般情況下，梯子打開(kāi)的時(shí)候，梯面與地面組成三角形，梯子本身就能站得穩(wěn)。當(dāng)連接兩個(gè)梯面的橫桿拉直時(shí)，兩個(gè)梯面的上半部分就與橫桿構(gòu)成了穩(wěn)定的三角形，這就進(jìn)一步加強(qiáng)了梯子的穩(wěn)定性，保證梯子能承受人體的壓力。如果沒(méi)有梯子中間的拉桿，載人時(shí)就不能保持穩(wěn)定。
因?yàn)槿侵Ъ芘c地面有三個(gè)接觸點(diǎn)，形成的三角形結(jié)構(gòu)使照相機(jī)的支撐架更容易穩(wěn)定。
B、照相機(jī)的支撐架為什么常使用三腳架而不用其他形狀？
因素三：
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。
建筑中廣泛運(yùn)用了三角形的穩(wěn)定性。房子、橋梁的桁架大多都是由多個(gè)三角形構(gòu)成的；鋼架結(jié)構(gòu)的十字梁同樣是運(yùn)用這一原理，在四邊形的框架中用兩條桿件作對(duì)角線，形成多個(gè)三角形，既節(jié)省了材料，減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，又有效地加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。十字鋼梁也是建筑中常用的構(gòu)件，如在高壓輸電的鐵塔、懸索橋的塔架，以及摩天大樓鋼架結(jié)構(gòu)中都被普遍地采用。
補(bǔ)充（三角形穩(wěn)定性的應(yīng)用）：
靜止?fàn)顟B(tài)的單車(chē)如何保持穩(wěn)定
[案例分析]：
（1）雙腿支撐
（2）單腿支撐
不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應(yīng)用：
１.倒置的啤酒瓶可以預(yù)報(bào)地震。
２.在打水的桶口邊掛一重物，在水面時(shí)能自動(dòng)翻倒打水。
練習(xí):
(2)貨物應(yīng)盡量放在船艙里還是甲板上？為什么？
要提高這種籃球架的穩(wěn)定性可以怎么做？
在籃球底座上加些比較重的石板之類(lèi)的重物。是為了使籃球架的重心向后偏移，重心所在點(diǎn)的垂線落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)，達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本條件。
還有什么方法嗎？
可以增大底座與地面的接觸面，這樣也可以使重心所在點(diǎn)的垂線落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)。??
但我們?cè)谌粘Ｉ钪袥](méi)有發(fā)現(xiàn)這樣做的，為什么呢？
結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度
這條板凳、這個(gè)防盜網(wǎng)的強(qiáng)度是怎樣的，也就是指它受到外力作用的情況下，它不被外力破壞的能力如何。
結(jié)構(gòu)具有的抵抗被外力破壞的能力。
所以說(shuō)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是指：
我們知道穩(wěn)定性是研究物體的保持平衡狀態(tài)的能力，強(qiáng)度是研究不被外力破壞的能力。例如我們剛才舉的椅子的例子，椅子能夠承受人的重力這是一個(gè)強(qiáng)度問(wèn)題，那么椅子會(huì)不會(huì)左右晃動(dòng)，搖擺，那就是一個(gè)穩(wěn)定性問(wèn)題了。
強(qiáng)度與穩(wěn)定性的聯(lián)系與區(qū)別：
根據(jù)你的生活經(jīng)驗(yàn)填寫(xiě)下表：
馬上行動(dòng)：
竹竿比脆性塑料桿能掛更多的重物而不會(huì)斷裂
不同材料的抗拉性能不同
中間有焊接縫的鋼管受到撞擊時(shí)容易損壞
因?yàn)橛羞B接點(diǎn)
事件 結(jié)果 原因
分別在一根竹竿和一根同樣尺寸的脆性塑料桿上不斷加掛相同質(zhì)量的重物
沿著垂直于重心線的方向撞擊一根完整的鋼管與用同樣的方法撞擊一根中間有焊接縫的鋼管
應(yīng)力和強(qiáng)度的關(guān)系：
這只是我們一個(gè)籠統(tǒng)的說(shuō)法，我們?nèi)绾蝸?lái)衡量一件東西的強(qiáng)度呢?那就要用到應(yīng)力的知識(shí)。
內(nèi)力
外力
內(nèi)力
P
N
外力是使構(gòu)件發(fā)生變形的同時(shí)，構(gòu)件內(nèi)部分子之間隨之產(chǎn)生一種抵抗變形的抵抗力，稱(chēng)為內(nèi)力。
1.影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素
吊蘭支撐使用的三角形支架結(jié)構(gòu)，而不使用由一根直桿挑起的結(jié)構(gòu)。從材料方面考慮，吊蘭的三角形支架使用的是鋼管而不是木條或塑料，鋼管抗拉力性能好。從連接方式考慮，吊蘭的三角形支架的構(gòu)件是焊接而不是捆縛，這種連接方式更牢固。
1.影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的幾個(gè)主要因素
結(jié)構(gòu)的形狀
使用的材料
構(gòu)件之間的連接方式
結(jié)構(gòu)外部形狀

結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面形狀
鉸連接

剛連接
(1)結(jié)構(gòu)的形狀:
A.不同橫截面形狀的構(gòu)件所能承受力的程度是不一樣的。
注意：
結(jié)構(gòu)的形狀對(duì)強(qiáng)度的影響有兩點(diǎn)，一是結(jié)構(gòu)的外部形狀，二是結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面形狀。
C.相同材料，相同截面積，不同截面形狀的構(gòu)件強(qiáng)度不同。
B.結(jié)構(gòu)的外形相同，構(gòu)件的截面不同，其強(qiáng)度不一樣
（空心和實(shí)心圓柱）。
(1)結(jié)構(gòu)的形狀:
“工”字形橫梁被廣泛應(yīng)用
D.三角形形狀:
三角形是框架結(jié)構(gòu)中最基本的形狀之一,它結(jié)實(shí)、穩(wěn)定、所用材料最少。
在長(zhǎng)方形或六邊形的框架中間，加上支撐構(gòu)件，構(gòu)成三角形，就可以大大增加它的牢固程度。
(2)材料
形狀相同，材料不同，強(qiáng)度就不同
①結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與材料有關(guān)
(2)材料
橋梁三大基本類(lèi)型
②混凝土材料。
使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的好處是什么？
混凝土抗壓性能較好，而抗拉能力就比鋼筋要小得多。因此在制造時(shí)可在梁的受拉區(qū)放置鋼筋，組成鋼筋混凝土梁，在這種梁中，鋼筋受拉，混凝土受壓，它們合理組成一個(gè)整體，共同承擔(dān)載荷的作用。
（3）構(gòu)件之間的連接方式：
結(jié)構(gòu)的連接是指通過(guò)一定的連接物將構(gòu)件組成整體結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)構(gòu)建的連接通常有以下兩類(lèi)：

鉸連接 剛連接
不同的連接方式，受力傳遞方式和效果不一樣
鉸連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對(duì)移動(dòng)，但可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，具體有松螺栓、松鉚等。
剛連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對(duì)移動(dòng)，也不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，具體有榫接、膠接、焊接等。
膠接
榫接
結(jié)構(gòu)對(duì)事物的功能和作用產(chǎn)生著直接的影響，結(jié)構(gòu)的改變可能導(dǎo)致功能的改變
多功能起子
（三）結(jié)構(gòu)與功能:
小結(jié)
一、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性
影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的三個(gè)因素：重心位置、支撐面積的大小、結(jié)構(gòu)的形狀
二、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度
影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的三因素： 結(jié)構(gòu)的形狀、 結(jié)構(gòu)的材料、 連接
三、結(jié)構(gòu)與功能

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