第二节 稳固结构的探析 结构的稳定性: ? 结构的稳定性是指结构在负载的作用下,维 持原有平衡状态的能力。 想一想: 结构的稳定性与什么因素有关? (一)影响结构稳定性的主要因素: [观察]: 哪个更稳定? [探究]: 拿一本书,让它直立在桌面上,它马上倾倒了, 显然,其稳定性不好。同样的一本书,把它的 下端各书页展开一定的角度,仍旧将它直立在 桌面上,它就能很好的挺立住。 因素一:支撑面积的大小 1.稳定性与支撑面积的大小有关 支撑面越大越稳定,越小越不稳定。 A.落地电 风扇或者 宾馆里的 落地灯, 它们都有 一个比较 大的底座。 结构的底座,结构与地面接触所形成的支撑面 大,稳定 。 B:为什么大坝的横截面总是建成梯形? 大坝需要承受很大的力的作用,如自身的重力,水的冲击 力、压力等等,要起到防洪的作用,大坝必须要求非常稳固。 大坝建成梯形,增大了与地面接触所形成的支撑面,支撑面 越大越坚实,稳定性就越好。 课桌和咖啡桌相比,哪个支撑面大?哪 个稳定? 注意: 支撑面≠接触面。 接触面:是物体与 地面接触形成的 面。 支撑面:是物体与 地面接触形成支 撑点的连线与地 面构成的面。 接触面 支撑面 影响结构稳定的因素 ? 为什么不倒 翁不倒?而 鸡蛋却会翻 倒呢? 不倒翁的重心很低,就在它与地面 的接触点上,所以不倒,如果往它的脖 子挂上铁环,它的重心位置升高了,当 铁环达到一定数量时,不倒翁就不在是 不倒翁了。重心的高低影响结构的稳定 性。重心越低,稳定性越好;重心越高,稳 定性越差。 因素二:重心位置 2.结构的稳定性与重心位置有关。 物体重心越低,越稳定。 以前的农作物个子高, 遭遇暴风骤雨容易倾覆, 造成减产;现在的农作 物普遍个子矮。就是利 用了重心低结构稳定的 原理。 比萨斜塔为什么会倒塌? 它从1174年始建,1350年竣工,经 历了176年。但由于塔身过重,地质 松软,因此塔身仍以每年1.25毫米的 速度向南倾斜。到1999年1月,塔顶 比中轴线偏斜已达4.8米。意大利当 局为了拯救斜塔,已向全世界广泛征 求保护方案,同时在塔的北侧加压了 830吨的铅块,并在塔身的三分之一 处加了一圈铜缆,向北牵拉固定。不 过斜有斜的好处,每天为“斜”而来 的参观者多达10余万人,扔下大把大 把的银子。如果它是一座正塔,比萨 就不会有今天的风光,也就不会有这 么多便宜可占了。 结构重心的位 置:结构重心 所在点的垂线 是否落在结构 底面的范围内, 有就是稳定的, 没有就是不稳 定的。 比萨斜塔不倒的原因是它的重心所在点的垂线落 在塔的底面的范围内。当塔倾斜到一定程度,重 心的垂线不再落在塔的底面时,塔就会倾倒。 3、结构的稳定性与它的几何形状有关。 A字形梯为什么载人时能够 保持稳定?如果没有梯子 中间的拉杆将会怎么样? 一般情况下,梯子打开的时 候,梯面与地面组成三角形,梯 子本身就能站得稳。当连接两个 梯面的横杆拉直时,两个梯面的 上半部分就与横杆构成了稳定的 三角形,这就进一步加强了梯子 的稳定性,保证梯子能承受人体 的压力。如果没有梯子中间的拉 杆,载人时就不能保持稳定。 照相机的支撑架为什么常使用三脚架而不用其他形状? 因为三角支架与地 面有三个接触点,形成 的三角形结构使照相机 的支撑架更容易稳定。 因素三: 结构的稳定性与它的几 何形状有关。 补充(三角形稳定性的应用): 建筑中广泛运用了三角形的稳定性。房子、 桥梁的桁架大多都是由多个三角形构成的;钢 架结构的十字梁同样是运用这一原理,在四边 形的框架中用两条杆件作对角线,形成多个三 角形,既节省了材料,减轻了结构的质量,又 有效地加强了结构的强度和稳定性。十字钢梁 也是建筑中常用的构件,如在高压输电的铁塔、 悬索桥的塔架,以及摩天大楼钢架结构中都被 普遍地采用。 [案例分析]: 静止状态的单车如何保持稳定(课本:P14) (1)双腿支撑 (2)单腿支撑 探究 1.调整单脚支撑位置,研究何时最易倒下,何时最平衡? 自行车骑起来时,只有两个支撑点,为什么不会倒下呢? 在静止情况下,自行车本身不能自我平衡,需要加 一支撑脚。当由骑车人和自行车构成一个 系统时,系统 动起来之后,骑车人为系统注入动力,从而在自行车前 进的时候,通过人的不断调节,自行车和骑车人与地面 垂直,使自行车的重心落在车轮与地面接触的面积内。 因此,在没有明显的外力干涉时,这一动态系统能够表 现出一种稳定。 注意:自行车的支撑架与地面的夹角不能太小,否则, 自行车的自身重力集中在支撑架上,同样容易失去平衡。 2.静止状态下陀螺会倾倒,而当它高速旋转时却 可以立起来? 这个谜,直到本世纪八十年代初才解开。一位美国 的物理系研究生,通过电脑进行复杂的运算,终于从 理论上解决了。问题就出在旋转速度和摩擦上了。陀 螺在旋转起来时,支持点周围也不免与支持面(桌面) 产生摩擦,而这种旋转的物体总是使运动趋向于摩擦 更小的状态。当陀螺摇摇晃晃地立起来,终于使一个 尖端着地时,就逐渐达到了支持点面积最小,稳定旋 转的状态,水平的能量转化成为绕对称轴旋转的动作。 当然,由于摩擦,它的转速又会慢慢减小。然后开始 摇晃,最后,倒下来,因为这时它要趋向重心更低, 更稳定的状态。 陀螺效应:凡是高速旋转的物体,都有 一种使转动轴保持不变的能力,这种能力 使得陀螺即使在不平的支持面上转动也不 会倒下。所以一旦自行车运动起来后,转 动的车轮也具备这种能力,这种能力使得 自行车即使发生了倾斜,也能自动地把自 行车调整过来,这就是自行车不倒的原因。 运动状态下与静止状态下物体的 稳定条件有所不同。结构的稳定性在 日常生活中有着广泛的应用,一方面 人们利用稳定的结构抵抗外力、承受 负载,另一方面又利用不稳定的结构 实现某些功能。 不稳定的结构应用: 1.倒置的啤酒瓶可以预报地震。 2.在打水的桶口边挂 一重物,在水面时能自 动翻倒打水。 练习: (1)在拥挤的公共汽车上已没有座位,你必须站着,而扶手你让 给了旁边的老人,你在公共汽车上要如何才能保持自己的没摔倒? 人的身体的稳定性取决于支撑面的大小和人体姿势重心的高低, 在一定范围内,两脚分得越开,则重心越低,支撑面变大,越 稳定! (2)货物应尽量放在船舱里还是甲板上?为什么? 放在船舱可以使得整条船的重心比较的低,是船身更加稳定。 要提高这种篮球架的稳定性可以怎么做? 在篮球底座上加些比较重的石板之类的重物。是 为了使篮球架的重心向后偏移,重心所在点的垂线落 在结构底面的范围内,达到结构稳定的基本条件。 还有什么方法吗? 可以增大底座与地面的接触 面,这样也可以使重心所在 点的垂线落在结构底面的范 围内。 但我们在日常生活中没有发现这样做的,为什么呢? (二)结构的强度 结构具有的抵抗被外力破坏的能力。 强度与稳定性的联系与区别: 我们知道稳定性是研究物体的保持平衡 状态的能力,强度是研究不被外力破坏的能 力。例如我们刚才举的椅子的例子,椅子能 够承受人的重力这是一个强度问题,那么椅 子会不会左右晃动,摇摆,那就是一个稳定 性问题了。 马上行动: 根据你的生活经验填写下表: 结果 原因 事件 分别在一根竹竿 和一根同样尺寸 的脆性塑料杆上 不断加挂相同质 量的重物 沿着垂直于重心 线的方向撞击一 根完整的钢管与 用同样的方法撞 击一根中间有焊 接缝的钢管 竹竿比脆性塑 料杆能挂更多 的重物而不会 断裂 中间有焊接缝 的钢管受到撞 击时容易损坏 不同材料的抗 拉性能不同 因为有连接点 衡量构件强度的基本指标 当构件受到外力作用时,内部质点之间的相互作 用发生改变,产生一种抵抗外力与形变的力,称 之为内力。 σ =F/S σ为应力,F为内力,S为受力面积。 影响结构强度的主要因素 吊兰支撑使用的三角形支 架结构,而不使用由一根直杆 挑起的结构。从材料方面考虑, 吊兰的三角形支架使用的是钢 管而不是木条或塑料,钢管抗 拉力性能好。从连接方式考虑, 吊兰的三角形支架的构件是焊 接而不是捆缚,这种连接方式 更牢固。 影响结构强度的几个主要因素 结构外部形状 结构的形状 结构的构件截面形状 使用的材料 铰连接 刚连接 构件之间的连接方式 (1)结构的形状: 注意: 结构对强度的影响有两点,一是结构的外部形状, 二是结构的构件截面形状。 不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样的。 三角形形状 三角形是框架结构中最基本的形状之一,它结实、 稳定、所用材料最少。 在长方形或六边形的框架中间,加上支撑构件,构 成三角形,就可以大大增加它的牢固程度。 金刚石分子为四面体,每个四面体有四个角、四个面, 且每个面为三角形。 (2)使用的材料 ①结构的强度与材料有关 钢杯 纸杯 塑料杯 ②混凝土材料。 使用钢筋混凝土结构的好处是什么? 混凝土抗压性能 较好,而抗拉能力就 比钢筋要小得多。因 此在制造时可在梁的 受拉区放置钢筋,组 成钢筋混凝土梁,在 这种梁中,钢筋受拉, 混凝土受压,它们合 理组成一个整体,共 同承担载荷的作用。 (3)构件之间的连接方式: 结构的连接是指通过一定的连接 物将构件组成整体结构。 结构构建的连接通常有以下两类: 铰连接 刚连接 铰连接:被连接的构件在连接处不能相对移动 ,但可以相对转动,具体有松螺栓、松铆等。 刚连接:被连接的构件在连接处不能相对移动, 也不能相对转动,具体有榫接、胶接、焊接等。 榫 接 胶接 结点是从连接的效果来划分。一个结点 可以有多种连接方式。不同的材料有不同的 连接方式;构件的连接方式不同,结构的强 度也不同。 马上行动 (1).对一个用4根小木条钉成的相 片框,使它更牢固的做法是什么? (2).在自行车各部件之间的连接中,各根钢管之 刚连接; 铰连接 间属于_________ 连接;刹车连杆之间属于_________ 铰连接。 连接;辐条与钢圈之间属于_______________ 连接。 (3).比较左图中同一结构的几种连接方式,请预言 哪种连接方式的强度更好。 左边的榫卯连接的强度最大,上下、左右、前 后各方向都被牢牢固定住,所以强度最大。