資源簡介

1.3結構的穩定性
肥城一中 李道文
復習：上一節課我們學習了結構的一個非常重要的性質——強度，強度是表示結構抵抗變形的能力，用應力來衡量。用公式表示就是： 。截面積相同，應力越大，強度越大。這節課我們來學習物體結構的另一個非常重要的性質：穩定性。
引入：（投影圖片）大家想一下大貨車為什么會翻倒？
生：碼放的貨物太高了。
師：其實在生活中我們還會見到很多類似的例子，比如：
因貨物堆得過高而在彎道翻倒的三輪車
被風吹倒的自行車
還有怎么也不倒的“不倒翁”等等
這些例子都會涉及到一個穩定性的問題。下面我們就來看一下什么是結構的穩定性呢
什么是結構的穩定性
結構的穩定性(Stability)是指結構在荷載的作用下維持其原有平衡狀態的能力。
分析：
在這里穩定性并不是狀態絕對不變，而是在外力作用下，允許狀態有所波動，在外力消失后重新回到原狀態。不倒翁就是一個典型的例子。
過渡：影響結構穩定性的因素有哪些呢？下面我們來看第二個問題：
二、影響結構穩定性的因素
我們都知道練武術有一個基本功叫扎馬步，它的特點就是：兩腿平行開立，然后下蹲，兩手可環抱胸前，如抱球狀。虛靈頂勁，頭往上頂，頭頂如被一根線懸住。
提問：扎馬步與站立兩種姿勢相比的話，哪種更穩？
生：扎馬步
提問：為什么？
生：重心低。
除了扎馬步，大家還聽說過“金雞獨立”嗎？它就是指單腿站立的一種姿勢。它不僅是一種武術招式，還是很好的鍛煉身體的方法。
提問：站立與“金雞獨立”相比的話，哪種姿勢更穩？
生：站立
提問：為什么？
生：底面積大
由此我們得出兩個影響結構穩定性的因素：重心與底面積
下面我們分別分析一下，先來看第一個因素
1、結構的形狀
形狀不同，支撐面也不一樣，所以，說到底還是面積的問題。一般情況下，支撐面越大越穩定，越小越不穩定。
舉例：投影圖片
大壩——是梯形截面，上小下大，如果倒過來會怎樣？
安徽霍山佛子嶺水庫
水庫大壩
思考：一些產品在做宣傳活動時，臨時擺放的屏風為什么擺成Ｚ字型，而不擺成一字型？
生：底面形狀外輪廓所占的面積大。
師：自行車經常被風吹倒，怎么辦？
當然可以順風放，不行的話，可以把斜的支架向外側掰一下。
過渡：（投影圖片）下面請大家分析一下“一塊磚與半塊磚”的問題，哪個更穩定？為什么？
肯定是半塊磚更穩，就是因為重心低。下面我們就來看一下影響結構穩定性的第二個因素：
２、重心的位置
通過剛才的討論，咱們可以得出這樣的結論：重心越低,穩定性越好;重心越高,穩定性越差。
舉例：不倒翁不倒的原因，為什么又倒了？
思考：正常放置的空的礦泉水瓶，如何增加它的穩定性？
生：倒上半瓶水
師：如果一直到下去，其穩定性會怎樣？（越來越差）也就是說，半瓶水比一瓶水要穩，還是因為重心低的原因。
練習：見幻燈片 公共汽車
思考：比薩斜塔為何不倒？
分析：比薩塔如果不傾斜的話與傾斜后相比，哪個重心低？
肯定是傾斜后，按照剛才的理論，重心越低穩定性越好，如果繼續傾斜的話，會怎樣？
（倒了），按理說，比薩塔越傾斜，重心越低，穩定性越好，那它為什么會倒了呢？反而更不穩定了呢？這就涉及到穩定性的基本條件。
基本條件就是：重心所在的點垂線落在結構底面的范圍內。也就是說，要想結構穩，除了重心低外，還要滿足基本條件。這也就是比薩斜塔不倒的原因。雖然傾斜，但重心所在的點垂線仍然落在了底面的范圍內，所以才能不倒。
日常生活中，籃球架的道理與此類似，那么請大家設計一下，如何才能使籃球架更穩定？
增加后部鑄鐵的質量（重心后移）
增加底面積，這樣重心所在的點垂線就不可能落在底面的范圍之外。
過渡：以上我們看了影響結構穩定性的兩個因素，增大支撐面積和降低重心，除此之外，還有沒有其他方法呢？下面我們來看第三個問題。
三、巧妙地增加結構的穩定
1、減小長細比：
2、充分利用三角形框架及其組合結構
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。
投影四邊形圖片：我們都知道四邊形是不穩定的，這是一個四邊形的構件，怎樣改進才能增加它的穩定性呢？
分析：我們可以在它的角上加上相應的構件來構成三角形，這樣就可以增加它的穩定性。其實，不止穩定性，改進之后，整個構件的強度也大大增強。在生活中這樣的例子也很常見。如：1、秋千
在側面加上橫撐，構成三角形，前面和后面都在四邊形的兩個角上加上一個橫撐組成三角形，來增加穩定性和強度。
2、路燈……也是一樣
3、A字形電工用梯，在側面加一橫撐，組成三角形，增加穩定性。
過渡：其實，當我們知道了影響結構穩定性的因素后，即可以以此來增加結構的穩定性，也可以反其道而行之，來降低結構的穩定性。
四、反其道而行之——不穩定性的應用
跨欄就是這樣的例子，請大家分析一下這個結構的特點：
上面是很重的木桿（重心高）
管子可以伸縮，但是上粗下細
所以這些都是為了降低穩定性，利于運動員踢欄。
又如：１、倒置的啤酒瓶可以預報地震。
２、在打水的桶口邊掛一重物，在水面時能自動翻倒打水。
五、思考探究
靜止狀態下陀螺會傾倒，而當它高速旋轉時卻可以立起來？
陀螺效應：凡是高速旋轉的物體，都有一種使轉動軸保持不變的能力，這種能力使得陀螺即使在不平的支持面上轉動也不會倒下。
說明：物體的穩定性也和它的運動狀態有關
陀螺效應在日常生活中也有廣泛的應用：
　　１、自行車（騎起來只有兩個支撐點卻可以不倒）
　　２、旋轉的硬幣
　(共36張PPT)
1.3 結構的穩定性
泰安肥城一中
授課人：李道文
因貨物堆得過高而在彎道翻倒的三輪車
被風吹倒的自行車
不倒翁
……
一、什么是結構的穩定性
結構的穩定性(Stability)是指結構在荷載的作用下維持其原有平衡狀態的能力。
二、影響結構穩定性的因素
扎馬步
站立
單腿站立
重心
面積
1、結構的形狀
　 支撐面越大越穩定，越小越不穩定。
大 壩
想一想：
大壩為什么建成上端小而下端大的梯形形狀？
安徽霍山 佛子嶺水庫
　臨時擺放的屏風為什么擺成Ｚ字型，而不擺成一字型？
觀察生活：
底面積大
自行車
一塊磚與半塊磚
２、重心的位置
重心越低,穩定性越好;重心越高,穩定性越差。
　
不倒翁不倒
不倒翁倒了，為什么？
正常放置的空的礦泉水瓶，如何增加它的穩定性？
思考：
在擁擠的公共汽車上已沒有座位，你必須站著，而扶手你讓給了旁邊的老人，你在公共汽車上要如何才能保持自己的不摔倒？ 　
人的身體的穩定性取決于支撐面的大小和人體姿勢重心的高低，在一定的范圍內，兩腳分得越開，則重心越低，支撐面越大，越穩定！
　
練習
比薩斜塔為何不倒？
結構穩定的基本條件
重心所在的點垂線落在結構底面的范圍內
如何設計籃球架，才會更穩定？
三、巧妙地增加結構的穩定性
　　一般情況下，雖然通過增加支撐面或降低重心來增加結構的穩定性是比較有效的方法。
　　但要做到這兩點往往要受到很多限制。此時不妨通過：
　　1、減小長細比
　　2、充分利用三角形框架及其組合結構
三角形的應用
　　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。
1、秋千
2、路燈……
鋁合金A字形梯
四、反其道而行之
——不穩定性的應用
不穩定結構的利用
跨欄
１、倒置的啤酒瓶可以預報地震。
２、在打水的桶口邊掛一重物，在水　　
　　面時能自動翻倒打水。
五、思考探究
　　靜止狀態下陀螺會傾倒，而當它高速旋轉時卻可以立起來？
陀螺效應：凡是高速旋轉的物體，都有一種使轉動軸保持不變的能力，這種能力使得陀螺即使在不平的支持面上轉動也不會倒下。
說明：物體的穩定性也和它的運動狀態有關
應用：
　　１、自行車
　　２、旋轉的硬幣
　
1、穩定性的概念
2、穩定性的影響因素
3、巧妙增加結構的穩定性
4、不穩定性的應用
5、思考探究
小結
桁架結構

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