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技術與設計2第一單元結構與設計
一、常見結構的認識
一）結構的含義：
結構：是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。世界上任何事物都存在結構，包括自然界、技術領域和社會領域等各層面。結構的多樣性決定著事物存在的性質，如金剛石和石墨的巨大差異就是相同的碳元素的不同結構所決定的。
（力學角度）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。
構件：結構的組成部分通常稱為構件。例如，一盞普通的臺燈由底座、支架、燈罩、燈泡、燈頭、開關、電線插頭等構件組成。
二）結構與力
1、內力和應力
內力：結構受到外力的作用時，結構內部產生的大小和外力相同的一種抵抗外力的力。
應力：是構件的單位橫截面上所產生的內力。
公式： o=F／S。如果應力達到某一極限值時，結構就會遭到破壞。
2、構件的基本受力形式
(1)拉力：拉力是指物體所承受的拉拽力。例如，秋千的吊索主要承受的力是拉力。
(2)壓力：壓力是指擠壓物體的力。例如，橋梁的橋墩主要承受的力是壓力。
(3)扭轉力：扭轉力是指反方向向物體兩端均勻施力，使物體發生扭轉形變的力。例如，汽車方向盤的軸和正在開門的鑰匙主要承受的力是扭轉力。
(4)彎曲力：彎曲力是指作用于物體，使它產生彎曲的力，即一個物體承受與之作用面垂直的負荷時，受此負荷后，該物體必定會產生彎曲現象，此時構件受到彎曲力的作用。彎曲力其實可以看作是壓力的一種形式。例如，單杠的橫杠上有重物時，橫杠主要承受彎曲力的作用。
(5)剪切力：剪切力是指兩個距離很近、大小相等、方向相反、且作用于同一物體上的平行力。
判斷構件是否受到剪切力的作用的關鍵是受力構件的橫截面是否發生相對錯動。
材料力學中剪切力的定義：“剪切”是指在(1)兩個(2)距離很近、(3)大小相同、(4)方向相反、(5)作用在同一物體上的(6)橫向外力(即垂直于作用面的力)作用下，(7)材料的橫截面沿該外力作用方向發生的相對錯動變形現象。能夠使材料產生剪切變形的力稱為剪力或剪切力。例如，大壩側面在不同的水壓作用下，是受到剪切力作用的結果；脆弱的山體在自重的影響下發生滑坡現象也是受到剪切力作用的結果。
練習： 2008年1～2月，我國很多省份都下了很大的雪。室外到處都是厚厚的積雪，當我們穿上靴子出門時，每一步都會陷入深深的積雪里。但是，如果我們使用雪橇，就不會陷進積雪中。其實我們的體重并沒有改變，那么穿靴子和使用雪橇的不同之處在于 ( D )
A、使用雪橇時，積雪受到的外力更小 B、使用雪橇時，積雪的內力更小
C、穿靴子時，積雪的內力更小 D、穿靴子時，積雪承受的應力更大
練習：用指甲鉗及用剪刀剪指甲時。指甲分別受到的力是 ( A )
A、壓力和剪切力 B、都是剪切力
C、剪切力和壓力 D、都是壓力
練習：截面粗細不同的兩根實心直桿件，在相同的拉力作用下，遭受破壞的程序不一樣，粗截面的桿件先被破壞，其根本原因與（ D ）
A、外力無關 B、內力無關 C、應力有關 D、材料有關
練習：固定空調室外機鐵架的鏍釘受到的外力叫（ C ）
A、重力 B、扭轉力 C、剪切力 D、彎曲力
練習：用打氣筒給自行車打氣時，打氣筒活塞桿的受力形式是（ C ）。
A、始終承受拉力 B、始終承受壓力
C、下壓時承受壓力 D、上提時承受壓力
3、結構的類型
根據物體的結構形態，可以分為實體結構、框架結構、殼體結構這三種基本類型。
(1)實體結構：實體結構通常是指本身是實心的結構。
其受力特點：是外力分布在整個體積中，利用自身來承受外力，主要承受較大的壓力。如實心的墻或者塔等。
(2)框架結構：框架結構通常是由梁、柱、桿、管等細長的構件組成的結構。
其受力特點：就是支撐空間而不充滿空間，能夠承受垂直和水平方向的力，但承重力和剛
度相對較低。如鐵架塔、建筑用腳手架、廠房的框架等。
(3)殼體結構： 殼體結構通常是指由曲面型板與梁、柱、桁架等邊緣構件所組成的結構。
其受力特點：外力作用在結構體的表面上，能夠通過殼形將力均勻擴散，以此來傳遞和承受外力，如建筑工人的安全帽、飛機和潛艇的外殼等。
組合結構：在實際的生產、生活中，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。
練習：趙州橋，橋長64．40米，跨徑37．02米，是當今世界上跨徑最大、建造最早的單孔敞肩型石拱橋。因橋兩端肩部各有二個小孔，不是實的，故稱敞肩型，這是世界造橋史的一個創造。按結構形態分類，該橋應為( D )結構。
A、殼體結構 B、實體結構 C、框架結構 D、組合結構
二、穩固結構的探究
一）結構與穩定性
1、穩定性：是指結構在外力的作用下維持其原有平衡狀態的能力。它是結構的重要性質之一。
2、影響結構穩定性的因素：
主要有重心位置的高低、結構與地面接觸所形成的支撐面的大小、結構的形狀等。
①重心位置越低，結構越穩定。
②結構的支撐面越大，結構就越穩定。
③結構的支撐面不是指結構與地面所有接觸面積的總和，而是指結構與地面各接觸點所圍成的區域。
④結構的形狀不同，其穩定性也不同。
影響結構穩定性的三個主要因素之間是相互關聯的，需要綜合考慮。我們在分析注意穩定性的核心就是該結構的重心進入支撐面。降低重心是為了使重心垂線容易進入支撐面；擴大支撐面也是這個原因；改變結構的形狀是為了讓重心盡可能地位于結構支撐面的中心。
二）結構與強度
1、強度：是指結構具有的抵抗被外力破壞的能力。
2、影響結構強度的主要因素：
主要有結構的形狀、結構的材料、構件之間的連接方式等因素有關。
①結構的形狀對強度的影響
一是結構的外部形狀，如三角形是框架結構中最基本的形狀之一。它結實、穩定，所用材料最少。
二是組成結構的構件的截面形狀，不同橫截面形狀的構件所能承受力的程度是不一樣的。
結構的外形和構件的截面只要有一點不一樣，其強度也會有差異。
②結構的連接方式通常有兩種。
鉸連接：被連接的構件在連接處不能相對移動，但可相對轉動，包括松螺栓、松鉚等。例如，大門的合葉、翻蓋手機等都使用鉸連接這樣的連接方式。
剛連接：被連接的構件在連接處既不能相對移動，也不能相對轉動，具體有榫接、膠接、焊接等。例如，粘在一起的模型部件、不可拆卸的桌椅等。
練習：在2008年北京奧運會比賽中，以下哪一個結構是屬于利用不穩定的結構實現某些功能的（ C ）
A、乒乓球桌 B、羽毛球拍 C、跨 欄 D、單杠
練習：如圖，在直邊的紙杯中部添置了兩道折疊圈，這項改進主要是針對紙杯的：（ A ）
A、結構強度 B、結構穩定性；
C、整體重心 D、結構功能。
練習：開發區某廠內的車棚的一根鋼管做支柱受今年大雪影響后有點變彎了，但好幾個工人用工具想把彎出來的地方弄進都很難，其中有人說，這柱子雪天過后反倒變牢了，這好象是彎曲后變殼體結構的功勞。你認為呢？（ B ）
A、 重心低了點會穩固點 B、 強度低了
C 、穩定性和強度都與原來一樣 D 、由于有點象殼體了，所以穩固性更優
練習：以如下方式放置的并注入不同數量水的，穩定性最差的是：（D ）
練習：把同一塊磚頭用豎放、側放、平放三種方法放在地上。你認為哪種放法最穩定？為什么？
答：平放最穩定。因為平放時重心最低，支撐面最大，所以平放最穩定。
練習：山西應縣木塔是當今世界現存最高的木結構建筑。它處于大同盆地地震帶上，在近千年的歷史中，木塔經歷了多次大地震的考驗安然無恙。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，原因是：木塔平面是規則的正八角形，利于抵抗地震波產生的扭曲力；木塔高達4．4 m的磚石基座堅實、穩定，承載著全塔的重量(約1 300噸)；木塔內梁與柱的連接完全通過斗拱完成．各種構件則通過榫卯連接，全塔的主要構件不用一釘一鉚，卻能承受較大的彎矩；所有的柱子都用頂部的梁枋連結成一個筒形的框架，保證了構架的穩定性；柱子之間砌筑有厚實的墻體，牢牢地“抱"住各柱子，增加了構架的整體強度；立柱側腳、平面逐層縮小，有效地降低了塔的重心，并使整體結構重心向內傾斜…… 閱讀材料，分析應縣木塔的結構具有很好的強度和穩定性的原因。
答：影響結構穩定性的要素：木塔高達4．4 m的磚石基座堅實、穩定，不僅降低了重心，還增大了結構的支撐面；立柱側腳、平面逐層縮小，同樣降低了結構的重心和增大了結構的支撐面，并且使結構重心所在點的垂線盡可能進入底面支撐面的中心；所有的柱子都用頂部的梁枋連結成一個筒形的框架，具備了穩定性很好的結構形狀。
影響結構強度的要素：木塔內梁與柱的連接完全通過斗拱完成，各種構件則通過榫卯連接，具有很好的連接方式；木塔平面是規則的正八角形、木塔內梁與柱的連接通過斗拱完成、柱子之間砌筑有厚實的墻體，這都說明木塔具有高強度的結構形狀；另外木制材料的彈性較好，配合我國特有的榫卯技術，抗震能力極為優秀。
練習：如圖所示，某村莊旁邊的小河上原有一座限重1．5噸的簡易梁式橋。橋下的河水較淺，不能通航。現在由于經濟的發展．運輸量有了極大的增加．必須使橋梁的承重能力加以提高。但是又不能把橋拆掉后重新再建．因為這是該村唯一的公路橋。那么我們應該如何進行改進，設計出符合要求的橋梁結構呢 請同學們設計出3種以上的改良方案。
答：(1)由于小河不能通航，所以可以增加一個或幾個橋墩來加大承重。
(2)在橋面下增加拱形結構，在不影響橋面通行的情況下，可以增加橋梁的承重。
(3)在橋的兩側增加鋼制的三角形桁架結構。
(4)選擇合適的材料制作斜拉索，并在橋兩側安裝足夠強度的立柱。
三）結構與功能
結構決定著事物的性質，也直接影響事物的功能。
三、簡單結構的設計
一）結構設計應考慮的主要因素
1、結構設計的目標及要求
人們設計結構是為了完成某種任務或滿足特定的需要，所以結構設計應當以一種或幾種功能的實現為基本目標，應滿足設計規范，滿足使用者的基本需要。
2、結構設計應考慮的主要因素
①結構設計應考慮的主要因素：
符合使用者對設計對象的穩定性和強度要求，安全因素，公眾和使用者的審美需求，使用者的個性化需要，對設計對象的成本控制要求和一定的使用壽命。不同的結構設計，應考慮的因素各有側重，但無論在何種用途的結構設計中，安全都是至關重要的因素。
②現階段結構設計應考慮的因素：
在工程產品的結構設計上，人們總是在滿足功能要求的情況下，追求用最少(或最便宜)的材料組成結構，同時追求結構的穩定性、強度的最大化。現階段，在進行結構設計時，應該重點考慮結構的強度、穩定性、所要實現的功能、外形和尺寸、作品和制作過程的安全性、材料的獲取和加工難度這幾個因素。
二）簡單結構的設計案例
①設計項目——②設計要求——③設計分析——④設計方案——⑤呈現草圖
（如：設計相框、雨傘架、垃圾桶、鞋柜、衣架、筆桶等）
附設計項目： 立體可移動式衣帽架的設計
[設計要求]
1．能方便人們取放各種衣物。
2．具有一定的強度和穩定性，最低限度是可以掛4件校服，且整個結構保持穩定，各個構件之間的連接沒有被破壞。
3．可以方便地在不同的房間之間移動。
4．具有一定的美觀性和裝飾性。
5．尺寸要適當，不能比房間門大或高，也不能比一件衣服還短。
6．材料應容易取得、加工難度要低。
[設計分析]
立體可移動式衣帽架一般可以分為底座、支架、掛鉤3個部分。
1．底座的結構設計應考慮的因素
(1)不能與墻體和地面有任何形式的固定，最好在底座上設計滑輪，以方便移動。
(2)底座與地面的接觸面要比較粗糙，用此來增大摩擦力；底座與地面的接觸面所圍成的支撐面也要大，這樣可以增加結構的穩定性。
(3)底座要相對重一些，以降低整體結構的重心，從而增加結構的穩定性。
2．支架的結構設計應考慮的因素
(1)要適合使用者的身高和使用習慣，不能過高，也不能過低。
(2)注意安放位置應盡可能使支架結構的重心接近衣帽架的結構支撐面的中央，以增加結構的穩定性。
(3)制作支架的材料不能太重，太重不僅不利于移動，也會抬高重心；也不能太輕，太輕不利于安裝承受重物的掛鉤。
3．掛鉤的結構設計所需要考慮的因素
(1)掛鉤形式可以多樣，以能懸掛衣物，不損壞衣物、不傷害使用者為準。
(2)要有足夠的強度，掛上衣服后不破壞、不脫落。
(3)掛鉤安裝的位置要適當，過高、過低都不方便使用。
4．底座、支架、掛鉤之間的連接方式所需要考慮的因素
(1)底座與支架的連接應盡量牢固，最好使用支撐結構。
(2)掛鉤與支架的連接能承受一件厚衣服的重量，用膠水連接一般并不可行。
[設計準備]
1．材料：由于工具、成本和加工難度的限制，一般使用五夾板、竹竿、塑料桿、鐵管、鋼絲、杉木檔、空飲料瓶、掛鉤、大號透明膠帶紙、玻璃繩、各種規格的普通螺釘和鐵釘等材料進行加工。根據自己的設計方案，從中任意選擇。
2．工具：剪刀、美工刀、刻度尺、螺絲刀、尖嘴鉗、鋼絲鉗、手錘、木工銼、木工鋸、手搖鉆。
[設計方案]
在設計衣帽架的主體支撐結構和底座時，一般會使用竹、木料、金屬、塑料或者泡沫；在設計衣帽架中用來懸掛衣物的結構時，一般會使用鋼絲、繩子、掛鉤、釘子、木條或者夾子等。設計方案最好是兩種或兩種以上，并繪制結構草圖(此處略)。
每種設計方案都應注意以下幾點。
(1)結構對稱性、垂直度好。
(2)結構的強度和穩定性達到較高要求。
(3)設計結構新穎。
(4)盡量使用家中已有的或容易獲得的廢舊物品作為材料。
(5)外形較美觀。
[優化設計方案]
在幾種設計方案中，根據結構的強度、穩定性、功能選擇最合適的方案，并對其進行優化。
[制作模型]
模型的制作除結構穩固、外觀美觀、形式創新外，還應重點關注模型與設計方案是否一致，使用工具是否安全、正確、合理，制作工藝是否精良(連接穩固、表面光潔)。圖5—1是利用廢舊材料制作完成的立體可移動式衣帽架模型。
[結構試驗]
模型制作完成后，我們應將一件件校服掛到衣帽架的結構模型上，來測試結構的功能、強度和穩定性是否達到要求。如果沒有達到設計要求，則應查找原因。然后對原方案重新修正及優化。一般來說，常見的問題有兩類。一類問題是：掛鉤類懸掛結構出現問題，主要是因為結構的連接處強度不夠。可以更換掛鉤類懸掛結構的材料或者對連接處進行必要的加固來解決這個問題。另一類問題是：結構的穩定性不足，整個傾斜甚至翻倒；或對稱地掛2件、4件衣服，但是不能掛1件或3件衣服。遇到這些情況，修正方案時既可以增加結構底部的支撐面，還可以通過增加整體或者底部的重量，來降低重心的位置，以達到更好的穩定性。
四、結構的欣賞：
1、結構的實用性：
優秀的結構設計不僅表現在結構的實用功能上，也表現在形式上，特別是功能與形式的統一上。
2、經典結構設計的欣賞與評價：
從技術與文化兩個角度進行。
技術角度：使用功能、穩固耐用、造型設計的創意和表現力、材料合理性、工藝精湛程度等。
文化角度：文化寓意與傳達，美學原則，反映時代、民族、習俗方面特征，個性特征等。
練習：古建筑中的斗拱的作用是為了（ C ）
A、美觀 B、個性化 C、承托飛檐 D、承托屋面
練習：這款音樂座椅是一個內置多個揚聲器的半封閉式音響系統，里面的衛星音箱以精確的角度嵌入座椅的四周，并且能夠通過雙向聲學阻隔技術將聽音者與附近的其他人有效地隔開。躺在里面邊聽音樂邊看書，是一種美妙的享受。請你從功能、結構設計和審美等角度對該椅子進行簡單分析

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