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(共64張PPT)
復習
什么是結構？
結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。
從力學角度來說，結構是指可以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。
在日常生活中，我們時常會看到翻到在地的物體。是什么原因出現了圖上所示的現象？
在臺風來之前它是穩定的！是什么原因出現了不平衡狀態？
那到底什么樣的結構是穩定的，什么樣的結構又是不穩定的？物體穩定與不穩定的程度又如何評價？
第二節 穩固結構的探析
長安一中 蔣建波
jjb2002@
結構的穩定性：
結構的穩定性是指結構在負載的作用下，維持原有平衡狀態的能力。
結構的穩定性與什么因素有關？
想一想：
填表說明下表中的物體有可能因受哪些力的作用而出現不穩定現象，并根據你的生活經驗，簡要說明原因。
馬上行動（P012）
物體 受到的外力 不穩定的主要因素
廣告牌
落地燈
底小口大的空竹簍
重力、風力
底座小、重心高、受風面積大
重力、撞擊力
底座小、重心高
重力、撞擊力
底座小、重心高
（一）影響結構穩定性的主要因素：
重心位置的高低
支撐面的大小
結構的形狀
[實驗探究1]：
拿一本書，讓它直立在桌面上，它馬上傾倒了，顯然，其穩定性不好。同樣的一本書，把它的下端各書頁展開一定的角度，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.穩定性與支撐面積的大小有關
支撐面越大越穩定，越小越不穩定。
A.落地電風扇或者賓館里的落地燈，它們都有一個比較大的底座。
結構的底座，結構與地面接觸所形成的支撐面大,穩定 。
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，支撐面越大越堅實，穩定性就越好。
C.為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜？
這是為了進一步增大與地面接觸所形成的支撐面積，增加穩定性。
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的連線與地面構成的面。
接觸面
支撐面
[實驗探究2]：落地扇為什么不易傾倒？
落地扇的底座采用較重的材料，風扇比底座輕很多，使落地扇的重心降低。
2．結構的穩定性與重心位置有關。物體重心越低，越穩定。
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量的鐵環，它還會不倒嗎？
不倒翁的重心很低，就在它與地面的接觸點上，所以不倒，如果往它的脖子掛上鐵環，它的重心位置升高了，當鐵環達到一定數量時，不倒翁就不在是不倒翁了。重心的高低影響結構的穩定性。重心越低,穩定性越好;重心越高,穩定性越差。
B.以前的農作物個子高，遭遇暴風驟雨容易傾覆，造成減產；現在的農作物普遍個子矮。就是利用了重心低結構穩定的原理。
C. 比薩斜塔為什么不倒塌？
1590年，意大利的偉大科學家伽俐略，曾在斜塔的頂層做過自由落體運動的實驗，讓兩個重量相差10倍的鐵球，同時從塔頂落下，結果，兩球同時著地，一舉推翻了束縛人們思想近2000年的希臘著名學者亞里士多德關于重量不同的物體其下落的速度也不相同的“物體下落速度與重量成正比”的理論。伽俐略開創了實驗物理的新時代，被人們稱為“近代科學之父”，而他用來做實驗的斜塔也因而更加遐邇聞名。
它從1174年始建，1350年竣工，經歷了176年。但由于塔身過重，地質松軟，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4．8米。意大利當局為了拯救斜塔，已向全世界廣泛征求保護方案，同時在塔的北側加壓了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。不過斜有斜的好處，每天為“斜”而來的參觀者多達10余萬人，扔下大把大把的銀子。如果它是一座正塔，比薩就不會有今天的風光，也就不會有這么多便宜可占了。
通過分析長方體重心的垂線位置與穩定性示意圖，使學生容易理解，比薩斜塔不倒的原因是它的重心所在點的垂線落在塔的底面的范圍內。當塔傾斜到一定程度，重心的垂線不再落在塔的底面時，塔就會傾倒。
結構重心的位置：結構重心所在點的垂線是否落在結構底面的范圍內，落在就是穩定的，沒有就是不穩定的。
一摞書，整齊放置時的穩如泰山；另一種放法,每本都往一邊慢慢往外放置，到一定程度時一摞書就全倒了。
小實驗
遼寧瑞州古塔，現存塔身高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地震與洪水破壞，卻始終斜而不倒，堪稱奇跡。
小資料：中國的斜塔
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。因為地基不牢，重6000噸的塔便傾向土堆的一邊。
3、結構的穩定性與它的幾何形狀有關。
A、A字形梯為什么載人時能夠保持穩定？如果沒有梯子中間的拉桿將會怎么樣？
一般情況下，梯子打開的時候，梯面與地面組成三角形，梯子本身就能站得穩。當連接兩個梯面的橫桿拉直時，兩個梯面的上半部分就與橫桿構成了穩定的三角形，這就進一步加強了梯子的穩定性，保證梯子能承受人體的壓力。如果沒有梯子中間的拉桿，載人時就不能保持穩定。
因為三角支架與地面有三個接觸點，形成的三角形結構使照相機的支撐架更容易穩定。
B、照相機的支撐架為什么常使用三腳架而不用其他形狀？
因素三：
結構的穩定性與它的幾何形狀有關。
建筑中廣泛運用了三角形的穩定性。房子、橋梁的桁架大多都是由多個三角形構成的；鋼架結構的十字梁同樣是運用這一原理，在四邊形的框架中用兩條桿件作對角線，形成多個三角形，既節省了材料，減輕了結構的質量，又有效地加強了結構的強度和穩定性。十字鋼梁也是建筑中常用的構件，如在高壓輸電的鐵塔、懸索橋的塔架，以及摩天大樓鋼架結構中都被普遍地采用。
補充（三角形穩定性的應用）：
靜止狀態的單車如何保持穩定（課本：P14）
[案例分析]：
（1）雙腿支撐
（2）單腿支撐
1.調整單腳支撐位置，研究何時最易倒下，何時最平衡？自行車騎起來時，只有兩個支撐點，為什么不會倒下呢？
探究
注意：自行車的支撐架與地面的夾角不能太小，否則，自行車的自身重力集中在支撐架上，同樣容易失去平衡。
在靜止情況下，自行車本身不能自我平衡，需要加一支撐腳。當由騎車人和自行車構成一個 系統時，系統動起來之后，騎車人為系統注入動力，從而在自行車前進的時候，通過人的不斷調節，自行車和騎車人與地面垂直，使自行車的重心落在車輪與地面接觸的面積內。因此，在沒有明顯的外力干涉時，這一動態系統能夠表現出一種穩定。
2.走鋼絲的人為什么要拿一條長棒？
3.靜止狀態下陀螺會傾倒，而當它高速旋轉時卻可以立起來？
這個謎，直到本世紀八十年代初才解開。一位美國的物理系研究生，通過電腦進行復雜的運算，終于從理論上解決了。問題就出在旋轉速度和摩擦上了。陀螺在旋轉起來時，支持點周圍也不免與支持面（桌面）產生摩擦，而這種旋轉的物體總是使運動趨向于摩擦更小的狀態。當陀螺搖搖晃晃地立起來，終于使一個尖端著地時，就逐漸達到了支持點面積最小，穩定旋轉的狀態，水平的能量轉化成為繞對稱軸旋轉的動作。當然，由于摩擦，它的轉速又會慢慢減小。然后開始搖晃，最后，倒下來，因為這時它要趨向重心更低，更穩定的狀態。
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。所以一旦自行車運動起來后，轉動的車輪也具備這種能力，這種能力使得自行車即使發生了傾斜，也能自動地把自行車調整過來，這就是自行車不倒的原因。
馬上行動：摩托車的支撐架（課本：P14）
運動狀態下與靜止狀態下物體的穩定條件有所不同。結構的穩定性在日常生活中有著廣泛的應用，一方面人們利用穩定的結構抵抗外力、承受負載，另一方面又利用不穩定的結構實現某些功能。
不穩定的結構應用：
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。
(3) 在我國四川的廣漢三星堆出土的器具有許多都是尖底的。怎么擺放才穩定呢？
(4) P023頁第1題
練習:
(1)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沒摔倒？
(2)貨物應盡量放在船艙里還是甲板上？為什么？
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，在一定范圍內，兩腳分得越開，則重心越低，支撐面變大，越穩定！
要提高這種籃球架的穩定性可以怎么做？
在籃球底座上加些比較重的石板之類的重物。是為了使籃球架的重心向后偏移，重心所在點的垂線落在結構底面的范圍內，達到結構穩定的基本條件。
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的垂線落在結構底面的范圍內。
但我們在日常生活中沒有發現這樣做的，為什么呢？
生活中有這樣的情況，人坐在一只小板凳上，用力搖幾下，板凳就壞了，人也摔倒在地上。人踩在窗戶的防盜網上擦玻璃，防盜網合金條的焊接處斷裂，險些釀成大禍。
根據你的理解，結合教材，上述情況是什么原因造成的？
那我們如何來評價這條板凳、這個防盜網呢 我們就要用到我們今天學習的內容：強度。
（二）結構的強度
這條板凳、這個防盜網的強度是怎樣的，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。
結構具有的抵抗被外力破壞的能力。
所以說結構的強度是指：
我們知道穩定性是研究物體的保持平衡狀態的能力，強度是研究不被外力破壞的能力。例如我們剛才舉的凳子的例子，凳子能夠承受人的重力這是一個強度問題，那么凳子會不會左右晃動，搖擺，那就是一個穩定性問題了。
強度與穩定性的聯系與區別：
應力和強度的關系：
這只是我們一個籠統的說法，我們如何來衡量一件東西的強度呢。那就要用到我們以前學習的應力的知識。
根據你的生活經驗填寫下表：
馬上行動：
事件 結果 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
竹竿比脆性塑料桿能掛更多的重物而不會斷裂
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容易損壞
因為有連接點
1.影響結構強度的主要因素
①完成課本P17頁案例
吊蘭支撐使用的三角形支架結構，而不使用由一根直桿挑起的結構。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件是焊接而不是捆縛，這種連接方式更牢固。
1) 影響結構強度的幾個主要因素
結構的形狀
使用的材料
構件之間的連接方式
結構外部形狀
結構的構件截面形狀
鉸連接
剛連接
p22
(1)結構的形狀:
A.不同橫截面形狀的構件所能承受力的程度是不一樣的。
注意：
結構對強度的影響有兩點，一是結構的外部形狀，二是結構的構件截面形狀。
C.相同材料，相同截面積，不同截面形狀的構件強度不同。
B.結構的外形相同，構件的截面不同，其強度不一樣。
D.三角形形狀:
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。
在長方形或六邊形的框架中間，加上支撐構件，構成三角形，就可以大大增加它的牢固程度。
金剛石分子為四面體，每個四面體有四個角、四個面，且每個面為三角形。
小實驗：P019
（2）因素2：使用的材料
①結構的強度與材料有關
紙杯
鋼杯
塑料杯
②混凝土材料。
使用鋼筋混凝土結構的好處是什么？
混凝土抗壓性能較好，而抗拉能力就比鋼筋要小得多。因此在制造時可在梁的受拉區放置鋼筋，組成鋼筋混凝土梁，在這種梁中，鋼筋受拉，混凝土受壓，它們合理組成一個整體，共同承擔載荷的作用。
（3）因素3：構件之間的連接方式：
結構的連接是指通過一定的連接物將構件組成整體結構。
結構構建的連接通常有以下兩類：
鉸連接 剛連接
鉸連接：被連接的構件在連接處不能相對移動，但可以相對轉動，具體有松螺栓、松鉚等。
剛連接：被連接的構件在連接處不能相對移動，也不能相對轉動，具體有榫接、膠接、焊接等。
膠接
榫接
結點是從連接的效果來劃分。一個結點可以有多種連接方式。不同的材料有不同的連接方式；構件的連接方式不同，結構的強度也不同。
（1）．對一個用4根小木條釘成的相片框,使它更牢固的做法是什么
（2）．在自行車各部件之間的連接中,三角架屬于_________連接；剎車連桿之間屬于_________連接；輻條與鋼圈之間屬于_______________連接。
馬上行動
可用直角鐵片固定在連接處的背面。
剛連接；
鉸連接
鉸連接。
（3）．比較左圖中同一結構的幾種連接方式,請預言哪種連接方式的強度更好。
左邊的榫卯連接的強度較大，上下、左右、前后各方向都被牢牢固定住，所以強度較大。
中間的連接方式釘子連接強度最小，釘子是從側面釘進去的，中間的橫梁不能承受較重物體的壓力為剪切力，容易造成連接處斷裂，所以強度最小。
第三種是釘子連接，但當上端受壓力時，連接處受的是壓力，因為沒有榫接打孔影響結構，所以強度最大。
探究：p020
1.為什么礦泉水瓶表面上有若干凸起的橫向紋路，它的作用是什么
一是增加瓶子的強度，受力不容易變形；
二是增大瓶子與手之間的摩擦力。
三是既有利于承受較大的負載，造型又美觀大方。
3.觀察空調壓縮機在戶外墻上的固定，它是通過什么方法加強牢固程度的？能否只用壁掛式方法固定，為什么？
分體式空調器的室外機自身重力比較大，在戶外固定一般采用鐵架支撐的方式。若采用壁掛的方式，打入墻體的膨脹螺釘的強度和墻體的強度都不足以承受室外機的重力，最后出現斷裂以至于脫落。
結構對事物的功能和作用產生著直接的影響，結構的改變可能導致功能的改變
多功能起子
（三）、結構與功能:
小結:
一、結構的穩定性
影響結構穩定性的三個因素：重心位置、支撐面積的大小和結構的形狀
二、結構的強度
影響結構強度的三因素：結構的形狀、結構的材料與連接
三、結構與功能

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