通用技術(shù)2-探究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度合成課件

第一章結(jié)構(gòu)與設(shè)計

第二節(jié)探究結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性國家大劇院黃鶴樓岳陽樓我國首座斜靠式系桿拱橋——義烏丹溪大橋主橋為鋼管混凝土拱橋，主跨88米，主拱之間沒有橫撐，采用斜靠拱抵抗側(cè)向水平力。外觀優(yōu)美，不像受普通鋼管拱橫撐的影響，視野開闊。橋面鋼主梁采用頂推/牽引法施工，橫梁、拱圈采用帶懸臂的龍門吊吊裝施工。

魁北克大橋的垮塌上海樓房倒塌

高壓電線塔的垮塌

那到底什么樣的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，什么樣的結(jié)構(gòu)又是不穩(wěn)定的？結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與不穩(wěn)定的程度又如何評價？結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在負載的作用下，維持原有平衡狀態(tài)的能力。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與什么因素有關(guān)？想一想：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(jié)構(gòu)的底座，結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面大,穩(wěn)定。因素一：支撐面積的大小接觸面支撐面注意：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(gòu)成的面。支撐面積越大，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定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(gòu)成的面因素：支撐面積的大小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(wěn)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(wěn)定性就越好。2．結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與重心位置有關(guān)。物體重心越低，越穩(wěn)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(shù)量的鐵環(huán)，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(huán)，它的重心位置升高了，當鐵環(huán)達到一定數(shù)量時，不倒翁就不在是不倒翁了。重心的高低影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。重心越低,穩(wěn)定性越好;重心越高,穩(wěn)定性越差。B.以前的農(nóng)作物個子高，遭遇暴風驟雨容易傾覆，造成減產(chǎn)；現(xiàn)在的農(nóng)作物普遍個子矮。就是利用了重心低結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)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(guān)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(chuàng)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。

比薩斜塔從1174年始建，1350年竣工，經(jīng)歷了176年。但由于塔身過重，地質(zhì)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(cè)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(wěn)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(nèi)。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(jié)構(gòu)重心的位置：結(jié)構(gòu)重心所在點的垂線是否落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)，落在就是穩(wěn)定的，沒有就是不穩(wěn)定的。因素：重心位置的高低3、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。

A、A字形梯為什么載人時能夠保持穩(wěn)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(wěn)。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(gòu)成了穩(wěn)定的三角形，這就進一步加強了梯子的穩(wěn)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(wěn)定。

因為三角支架與地面有三個接觸點，形成的三角形結(jié)構(gòu)使照相機的支撐架更容易穩(wěn)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。

總結(jié)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素:

因素一：支撐面積的大小

1.穩(wěn)定性與支撐面積的大小有關(guān)支撐面越大越穩(wěn)定，越小越不穩(wěn)定。因素二：重心位置

2.結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與重心位置有關(guān)。物體重心越低，越穩(wěn)定。因素三：幾何形狀

3.結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。補充：三角形穩(wěn)定性的應(yīng)用：建筑中廣泛運用了三角形的穩(wěn)定性。房子、橋梁的桁架大多都是由多個三角形構(gòu)成的；鋼架結(jié)構(gòu)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(jié)省了材料，減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，又有效地加強了結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。十字鋼梁也是建筑中常用的構(gòu)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(jié)構(gòu)中都被普遍地采用。

在使用圖中的兩種形狀的茶幾時，需要注意什么才能使他們保持穩(wěn)定？

生活中我們有這樣的經(jīng)驗，一個物體要有三個支撐點才能穩(wěn)定，如果只有兩個就會倒下。但是，自行車在騎起來時，卻只有兩個支撐點，為什么不會倒下？陀螺效應(yīng)：凡是高速旋轉(zhuǎn)的物體，都有一種使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動也不會倒下。所以一旦自行車運動起來后，轉(zhuǎn)動的車輪也具備這種能力，這種能力使得自行車即使發(fā)生了傾斜，也能自動地把自行車調(diào)整過來，這就是自行車不倒的原因。欹（音qī奇）器，又常被稱做歌器。它是一種灌溉用的汲水罐器，是我國古代勞動人民在生產(chǎn)實踐中的創(chuàng)造。欹器有一種奇妙的本領(lǐng)：未裝水時略向前傾，待灌入少量水后，罐身就豎起來一些，而一旦灌滿水時，罐子就會一下子傾覆過來，把水倒凈，爾后又自動復(fù)原，等待再次灌水。拓展：不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應(yīng)用：如移動門、折疊椅等等１.倒置的啤酒瓶可以預(yù)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(wěn)定呢？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(yīng)盡量放在船艙里還是甲板上？為什么？人的身體的穩(wěn)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(nèi)，兩腳分得越開，則重心越低，支撐面變大，越穩(wěn)定！CompanyLogo結(jié)構(gòu)的強度：

指結(jié)構(gòu)具有的抵抗被外力破壞的能力。這里“破壞”的含義 是指在外力作用下，構(gòu)件發(fā)生變形，外力去除后構(gòu)件出現(xiàn)明顯的不能恢復(fù)的變形，即稱構(gòu)件破壞。強度與穩(wěn)定性研究方向：

穩(wěn)定性研究的是物體保持平衡狀態(tài)的能力。 強度研究的是結(jié)構(gòu)不被外力破壞的能力。結(jié)構(gòu)與強度P16（二）結(jié)構(gòu)的強度結(jié)構(gòu)具有的抵抗被外力破壞的能力。結(jié)構(gòu)的強度是指：強度與穩(wěn)定性的聯(lián)系與區(qū)別：

我們知道穩(wěn)定性是研究物體的保持平衡狀態(tài)的能力，強度是研究不被外力破壞的能力。例如，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(wěn)定性問題了。CompanyLogo拔河的繩子斷裂廣告牌被臺風吹倒廣告牌支撐柱被臺風吹斷雞蛋在某種情況下可以承受很大的力汽車外殼在撞擊下變形掛在天花板上的日光燈被風吹的搖搖晃晃穩(wěn)定性強度強度強度強度穩(wěn)定性以下這些現(xiàn)象是穩(wěn)定性還是強度問題？知識應(yīng)用CompanyLogo結(jié)構(gòu)與力P17

理解：內(nèi)力隨著外力的變化而變化，外力增加時，內(nèi)力也增加，外力去掉后，內(nèi)力也將隨之消失。顯然，作用在構(gòu)件上的外力使其產(chǎn)生形變，而內(nèi)力的作用則使受力構(gòu)件恢復(fù)原狀，內(nèi)力對變形起抵抗和阻止作用。外力：對于所研究的構(gòu)件而言，其它的物體作用于該構(gòu)件上的力均為外力。內(nèi)力：構(gòu)件在受到外力作用而變形時，其內(nèi)部各部分之間將產(chǎn)生相互作用力，這種由外力作用而引起的物體內(nèi)部的相互作用力，稱為材料力學中所研究的內(nèi)力。（書本定義：當一個結(jié)構(gòu)受到外力作用時,內(nèi)部各質(zhì)點之間的相互作用會發(fā)生改變,產(chǎn)生一種抵抗的力,稱為內(nèi)力。）CompanyLogo應(yīng)力是構(gòu)件單位橫截面上所產(chǎn)生的內(nèi)力。σ=F/s應(yīng)力超過某一極限值時，結(jié)構(gòu)就會遭到破壞。應(yīng)力與強度的關(guān)系：

強度問題是指結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應(yīng)力是否超過材料的極限強度，因此是一個應(yīng)力問題?？沙惺艿膽?yīng)力越大，則結(jié)構(gòu)的強度越大。結(jié)構(gòu)與力P17兩根材料相同，粗細不同的繩子，哪根更容易斷，為什么？CompanyLogo（1）結(jié)構(gòu)的形狀影響結(jié)構(gòu)強度的主要因素結(jié)構(gòu)的外部形狀三角形結(jié)構(gòu)強度比較大CompanyLogo拱形CompanyLogo馬上行動P20探究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?

CompanyLogo結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形狀結(jié)構(gòu)的外形相同，構(gòu)件的截面不同，其強度不一樣。CompanyLogo小試驗測試用不同截面形狀的構(gòu)件做成的懸梁的強度如果把紙才成鐵的，同樣的截面形狀強度一樣嗎？CompanyLogo（2）結(jié)構(gòu)的材料影響結(jié)構(gòu)強度的主要因素相同的結(jié)構(gòu)材料不同強度也不同CompanyLogo鉸連接——被連接的構(gòu)件在連接處不能相對移動，但能相對轉(zhuǎn)動。（3）結(jié)構(gòu)的連接方式剛連接——被連接的構(gòu)件在連接處既不能相對移動，也不能相對轉(zhuǎn)動，具體有榫接、膠接、焊接等。注意：一個結(jié)點可以有多種連接方式。不同的材料有不同的連接方式；構(gòu)件的連接方式不同，結(jié)構(gòu)的強度也不同。例如：同樣的鋼鐵，鉚接與焊接的連接強度是不同的。影響結(jié)構(gòu)強度的主要因素CompanyLogo鉸連接：鉸連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對移動，但可以相對轉(zhuǎn)動，具體有松螺栓、松鉚等。CompanyLogo剛連接榫接膠接焊接

剛連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對移動，也不能相對轉(zhuǎn)動，具體有榫接、膠接、焊接等。膠接榫接

結(jié)點是從連接的效果來劃分。一個結(jié)點可以有多種連接方式。不同的材料有不同的連接方式；構(gòu)件的連接方式不同，結(jié)構(gòu)的強度也不同。

結(jié)構(gòu)對事物的功能和作用產(chǎn)生著直接的影響，結(jié)構(gòu)的改變可能導致功能的改變多功能起子（三）、結(jié)構(gòu)與功能:小結(jié)一、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的三個因素：重心位置、支撐面積的大小和結(jié)構(gòu)的形狀二、結(jié)構(gòu)的強度影響結(jié)構(gòu)強度的三因素：結(jié)構(gòu)的形狀、結(jié)構(gòu)的材料與連接三、結(jié)構(gòu)與功能為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜？

這是為