資源簡介

(共62張PPT)
第一單元　結構與設計
第二節 穩固結構的探析
汪崇立
【觀看體會】臺風強大的強大的摧毀力——記者勇闖臺風中心，圖片給了我們很大的震撼。
一、結構的穩定性
二、結構的強度
影響結構穩固的因素有哪些？
一、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其原有的平衡狀態的能力。
結構的穩定性與什么因素有關？
想一想
【支撐面積實驗探究】
影響結構穩定性的因素
1、將A、B兩瓶礦泉水瓶（少量水）一正一倒放置課桌臺上，打開風扇。
學生觀察哪個先倒，為什么？B瓶倒（直覺經驗）
2、為什么大壩的橫截面總是建成梯形的？
想一想
【試驗結論總結】結構與地面接觸所形成的支撐面的大小影響結構的穩定性。支撐面越大越穩定，越小越不穩定。
【鏈接生活】請同學們想一想生活中有哪些事例是運用增大支撐面積來增加穩定性的？
為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜？
想一想
因素三：結構的形狀
影響結構穩定性的因素
怎樣讓一本書更好地直立在桌面上？
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？
想一想
【結論總結】結構或構件的形狀影響其穩定性。
【鏈接生活】（三角形穩定性的應用）：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。
想一想
照相機的支撐架為什么常使用三腳架而不用其他形狀？
影響因素之間的關系探求
【重心與支撐面積之間的關系】
比薩斜塔為什么不倒塌？
想一想
【得出結論】對于一個結構體而言，如果重心所在點的垂線落在結構底面的范圍內，就是穩定的，不會出現傾倒。
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
單腳支撐的自行車放穩的原因分析？
想一想
自行車單腳支撐示意圖
【動態平衡 】
現象一：雞蛋的當從側面讓它旋轉起來時，它就會豎直地站立起來
現象二：硬幣的旋轉
影響結構穩定性的因素：
重心位置的高低 支撐面積 結構的形狀
結論
【思考】利用結構穩定性分析：在開始上課的小活動中如何取勝？
降低重心，兩腳分開
【知識拓展】結構的穩定性在日常生活中有著廣泛的應用，在很多時候我們利用穩定的結構抵抗外力、承受負載，另一方面也利用不穩定的結構來為我們生活提供便利。
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。
結構的強度是指結構具有的抵抗被外力破壞的能力。
二、結構的強度
【鏈接生活】你能不能舉出遇到的結構強度被破壞的的示例呢？
【區別】結構強度和穩定性是不是相同呢
內力——結構的強度是通過構件和材料來體現的。構件在外力的作用下會變形。同時構件內部各質點之間的作用力發生了改變，這種作用力的改變稱作內力。
應力——構件單位截面面積所受的內力稱為構件的應力。
公式表示：應力、內力和橫截面積之間的定量關系。
公式： σ = N/A
σ——應力 兆帕 (MPa)
N——內力 牛 N
A——橫截面積 米 m
當應力達到某一極限時，結構就會遭到破壞。
讓我們來做一個小游戲：
你能否不用任何工具，僅憑你的兩只手將一雙筷子折斷？然而你能用同樣的力把十雙筷子折斷嗎？
【結論】這就是由于在相同的作用下，由于十雙筷子的受力面積較大，根據公式可知，其應力較小，因此不容易斷。
我們知道強度是研究不被外力破壞的能力。一般說來，外力越大，則構件的內力越大。內力達到一定程度時，構件就會被破壞。在工程設計中，不允許任何構件在正常工作情況下被破壞。
【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強度問題，那么椅子會不會左右晃動，搖擺，那就是一個穩定性問題了。
◆ 使用的材料
◆ 結構的形狀
◆ 構件之間的連接方式
想一想
結構的強度與什么因素有關？
2.2 強度與材料
結構的強度與材料有關
VS
紙杯
鋼杯
不同的材料，構成的結構其強度各不相同。結構的強度與材料有關；從強度角度看，外力越大，構件內力隨之越大，構件危險就越大。
公式：σ = N/A
σ——應力 兆帕 (MPa)
N——內力 牛 N
A——橫截面積 米 m
公式表示：應力、內力和橫截面積之間的定量關系。由公式可知，在內力不變的情況下，構件和材料的橫截面積越大，應力越小，危險性就越小。
同截面垂直的應力稱為正應力或反應力。如，柱體垂直受壓時，其橫截面上的應力就是正應力。
同截面相切的力稱為剪應力或切應力，如剪切物體時，剪切面上就有剪應力。而梁彎曲時，其橫截面上除了具有正應力外，還有剪應力。
使用鋼筋混凝土結構的好處是什么？
拓展
混凝土擅長抗壓力，而鋼筋擅長抗拉力
測試用不同截面形狀的構件做成的懸梁的強度
小試驗
注意
同一桿件做懸臂，截面朝向不同，所承受的拉力也是不同的。
結構的形狀
◆ 外部形狀：三角形、拱形等。
◆ 截面形狀：工字形、十字形、長方形、L形、圓形、U形。
各種形狀的橫截面構件，所承受力的程度是不一樣的。
三角形是框架結構最基本的形狀之一，結實、穩定、材料最少。在四邊形、六邊形構件中，加上三角形支撐件，就可大大增加構件的牢固程度。
結構的連接是指通過一定的連接物將構件組成整體結構。
2.3 結構的連接
【技術試驗3】
分別用A4白紙，圍成兩個四棱柱體桿件，其中一個，接口處用透明膠帶粘連，分別作承重試驗。觀察現象并分析。
結論：結構的強度與結構的連接方式有關。不同的連接方式，結構的強度也不同。
結構構建的連接通常有以下兩類：
◆ 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。
膠接
焊接
榫接
◆ 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。
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。
在自行車的個部件之間的連接中
三腳架屬于 連接
剎車連桿之間屬于 連接
輻條和鋼圈之間屬于 連接
剛
鉸
鉸
三段木頭制成小凳，有哪幾種連接方式？
（1）
（2）
（3）
（4）
【案例分析】從吊蘭支架的結構試分析吊蘭支架的結構強度
小結
結構的強度
1.結構的強度是指結構具有的抵抗被外力破壞的能力。2.影響因素
（1）結構形狀：構成的形狀略有改變，強度就會改變。
（2）結構材料：不同材料有不同承受應力極限的能力。形狀相同，材料不同，強度就不同。
（3） 材料的連接方式：不同的連接方式，受力傳遞方式和效果不一樣。
金剛石及其內部結構
【提問】是什么導致了石墨和金剛石的這些差異呢？
在探求物質的微觀世界中我們發現是碳原子排列的不同，就是結構的差異。
三、結構與功能
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
【馬上行動]】列舉生產生活中結構改變導致功能改變的事例，并加以說明
功能拓展
寶馬自行車
寶馬自行車
寶馬自行車
寶馬自行車
寶馬自行車
撲克牌建筑模型之最
據報道，現年33歲的布賴恩·伯格是美國新墨西哥州圣達菲市的一名建筑師。然而，布賴恩卻并非用磚頭石塊來造房子，他的“建筑材料”是一張張削薄的撲克牌。布賴恩用撲克牌搭建出來的“房子”有的高達六七米，它們有的是“摩天大樓”的模型，有的是“圓形穹頂”模型，有的是“大教堂”或“大型體育場”的模型。令人驚訝的是，布賴恩搭建的“撲克牌房子”雖然高達數米，但布賴恩卻完全是一張張壘疊上去的，他在搭建“撲克牌房子”的過程中從來不使用任何膠水、膠帶或其他粘合劑。
任務布置：以一副撲克牌為材料，設計并搭建一個建筑模型。
要求：建筑模型的類型不限，高度10cm以上結構穩定豈能承受一定的重量，自重小。
材料：紙牌一副，膠水
活動提示1：的填寫可以先請同學回答前面課程中所講的有關結構強度和穩定性的知識，然后填寫。
影響結構穩定性的因素——
影響結構強度的因素——
活動提示2：同學分組討論撲克牌這種材料在制作建筑模型時的特點和如何進行連接和固定？
紙牌這種材料用在制作建筑模型結構時的特點：表面光滑、便于裁剪；硬度較大，能夠承受比較大的拉力，但是受壓力非常小。
膠水直接粘連；用剪刀剪開口子后，兩張牌插接；隨著連接部位和材料多少的不同，強度和穩固性各有不同的變化。
活動提示3：可以進行幾個關于結構受力的小測試：
（1）可以折疊、可以卷曲，折疊成三棱柱或者卷曲成圓柱體后可以承受比較大的壓力，但是卷曲時表面很難光滑；
（2）多張撲克牌疊加后，能夠承受更大的力。

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