第一章-結(jié)構(gòu)與設(shè)計-第三課時-結(jié)構(gòu)強度的分析

第一章結(jié)構(gòu)與設(shè)計第三課時結(jié)構(gòu)強度的分析

第一章

結(jié)構(gòu)與設(shè)計

第三課時結(jié)構(gòu)強度的分析

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1、

【課程導(dǎo)入】

我們

【學(xué)習(xí)過程】

一、教師：前一節(jié)課我們學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)的基本知識，對結(jié)構(gòu)有了初步的認(rèn)識。大家知道結(jié)構(gòu)是無處不在的，（觀看幻燈片）注意觀察這些結(jié)構(gòu)，請同學(xué)回憶什么是結(jié)構(gòu)？

學(xué)生發(fā)言：結(jié)構(gòu)是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。

學(xué)生發(fā)言：從力學(xué)角度來說，結(jié)構(gòu)是指可以承受一定力的架構(gòu)形態(tài)，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。

教師：（觀看幻燈片）來看一下這些圖片，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(xiàn)了圖上所示的現(xiàn)象？

學(xué)生發(fā)言：這些物體失去了平衡。

教師：在臺風(fēng)來之前它是穩(wěn)定的！是什么原因出現(xiàn)了不平衡狀態(tài)？

學(xué)生發(fā)言：是臺風(fēng)把它們吹倒了！

[引出問題]：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？

第二節(jié)

穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的探析

二）、新課內(nèi)容：

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在負(fù)載的作用下，維持原有平衡狀態(tài)的能力。

臺風(fēng)過后，部分結(jié)構(gòu)卻完好無損，這又說明，有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

想一想：

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與什么因素有關(guān)？

填表說明下表中的物體有可能因受哪些力的作用而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，并根據(jù)你的生活經(jīng)驗，簡要說明原因。（P012）

物體

受到的外力

不穩(wěn)定的主要因素

廣告牌

重力、風(fēng)力

底座小、重心高、受風(fēng)面積大

落地?zé)?/p>

重力、撞擊力

底座小、重心高

底小口大的空竹簍

重力、撞擊力

底座小、重心高

（一）影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素：

[實驗探究1]：

學(xué)生拿一本書，讓它直立在桌面上，它馬上傾倒了，顯然，其穩(wěn)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(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。

A.落地電風(fēng)扇或者賓館里的落地?zé)簦鼈兌加幸粋€比較大的底座。

[引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論]：結(jié)構(gòu)的底座，結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的

B：為什么大壩的橫截面總是建成梯形？

生：思考回答

師：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。

c.為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜？

生：思考回答

師：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(wěn)定性。從而引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與支撐面積大小有關(guān)。

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。）

[實驗探究2]：顯示落地扇的圖片

師：落地扇為什么不易傾倒？

生：思考回答

師：落地扇的底座采用較重的材料，風(fēng)扇比底座輕很多，使落地扇的重心降低。

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。

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？

師：研究不倒翁的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)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(dāng)鐵環(huán)達到一定數(shù)量時，不倒翁就不在是不倒翁了。

[引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論]：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(fēng)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.屏幕顯示比薩斜塔的圖片，比薩斜塔為什么不倒塌？（簡單介紹比薩斜塔。）

比薩斜塔其實是比薩教堂的一部份，整座教堂建筑分為主教堂、洗禮堂與鐘樓三大部份。主教堂采用了拉丁十字架式，有些設(shè)計高雅別致的柱子作裝飾；教堂的正面是洗禮堂，緊接著教堂而興建；在后方有一羅馬式的建筑，其圓頂部份是在百多年后才興建的，采歌德式的設(shè)計，像是一個圓球上的圓錐體，十分獨特。

據(jù)說，大約在10紀(jì)，比薩王國打了一次勝仗，掠獲了大批財寶。為了炫耀功績，大公決定建筑一座大教堂，在教堂旁邊修一個鐘塔。鐘塔建到三層時就發(fā)現(xiàn)向南傾斜，被迫停工。94年之后，比薩人建塔之心不死，找來著名工程師皮薩諾反復(fù)測量，證實此塔雖斜，但無倒塌之虞；便又繼續(xù)修建并把每層南面的柱子略微加高一點。比薩斜塔離大教堂20多米，本是大教堂的鐘樓，外觀呈圓柱形，是由白色大理石砌成。

據(jù)說比薩斜塔是用比薩艦隊運來的六艘戰(zhàn)利品建成的。根據(jù)塔基上的碑文記載，它從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(dāng)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(fēng)光，也就不會有這么多便宜可占了。

比薩斜塔高54.5米，直徑16米，重約1.4萬噸。斜塔共有八層，除底層和頂層有所不同外，其余六層結(jié)構(gòu)完全一樣。斜塔底層有15根圓柱，中間六層各有31根圓柱，頂層12根。沿石柱有寬4米的環(huán)行走道。斜塔每層都有拱門，總共有213個，斜塔底層墻壁上刻有浮雕，頂層有鐘亭。塔內(nèi)有螺旋臺階294級，供游人登塔，遠(yuǎn)眺全城風(fēng)光。

比薩斜塔是世界建筑史上的一大奇跡。由于塔身壓力過重和地質(zhì)松軟，南面的地基比北面約低2米。在施工期間塔身既出現(xiàn)輕微傾斜，隨著工程的進度，傾斜度不斷增加。到塔身建到第三層時，可明顯看出傾斜，曾一度停工。一百多年以后，經(jīng)工程師托馬索·皮薩諾精心測量和計算，證明比薩斜塔雖傾斜，但不會倒塌，使工程繼續(xù)按原設(shè)計繼續(xù)施工，直到竣工。

比薩斜塔位于意大利中部比薩古城內(nèi)的教堂廣場上，是一組古羅馬建筑群中的鐘樓，這座堪稱世界建筑史奇跡的斜塔，不僅以它“斜而不倒”聞名天下，還因為1590年，意大利的偉大科學(xué)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XX年的希臘著名學(xué)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(xué)之父”，而他用來做實驗的斜塔也因而更加遐邇聞名。

通過分析長方體重心的垂線位置與穩(wěn)定性示意圖，使學(xué)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(dāng)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。

[引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論]：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與重心位置有關(guān)。

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。

例如：一摞書，整齊放置時的穩(wěn)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。

小資料（中國的斜塔）：遼寧瑞州古塔，現(xiàn)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(jīng)地震與洪水破壞，卻始終斜而不倒，堪稱奇跡。

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

生：思考回答

師：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(dāng)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。

B、照相機的支撐架為什么常使用三腳架而不用其他形狀？

生：思考回答

師：分析，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。

師：通過上面的分析，我們知道，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。

[案例分析]：靜止?fàn)顟B(tài)的單車如何保持穩(wěn)定（課本：P14）

（2）單腿支撐

探究

1.調(diào)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？

[試驗]：學(xué)生騎自行車

[教師講述]：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(dāng)由騎車人和自行車構(gòu)成一個系統(tǒng)時，系統(tǒng)動起來之后，騎車人為系統(tǒng)注入動力，從而在自行車前進的時候，通過人的不斷調(diào)節(jié)，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(nèi)。因此，在沒有明顯的外力干涉時，這一動態(tài)系統(tǒng)能夠表現(xiàn)出一種穩(wěn)定。

2.走鋼絲的人為什么要拿一條長棒？

注意:運動狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條件有所不同。

這個謎，直到本世紀(jì)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(fù)雜的運算，終于從理論上解決了。問題就出在旋轉(zhuǎn)速度和摩擦上了。陀螺在旋轉(zhuǎn)起來時，支持點周圍也不免與支持面（桌面）產(chǎn)生摩擦，而這種旋轉(zhuǎn)的物體總是使運動趨向于摩擦更小的狀態(tài)。當(dāng)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(wěn)定旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，水平的能量轉(zhuǎn)化成為繞對稱軸旋轉(zhuǎn)的動作。當(dāng)然，由于摩擦，它的轉(zhuǎn)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(wěn)定的狀態(tài)。

馬上行動：摩托車的支撐架（課本：P14）

[教師總結(jié)]：運動狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條件有所不同。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，一方面人們利用穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)抵抗外力、承受負(fù)載，另一方面又利用不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)某些功能。

拓展：不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應(yīng)用

學(xué)生舉例：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。

[學(xué)生快速閱讀案例]：

虎丘是蘇州兩千五百倉桑的見證。高高聳立在山頂?shù)幕⑶鹚呀?jīng)成了蘇州的標(biāo)志。

虎丘斜塔日益著名，并且因為它和吳王墓撲朔迷離的關(guān)系令科學(xué)家和游客興致倍增。

到了公元1512年，唐伯虎、王鏊等人因池水干涸，發(fā)現(xiàn)墓門，留下石刻。1955年人民政府清理劍池時確時找到了一條長約10米的石胡同，盡頭呈喇叭狀，容四人并立，并有一橫三豎四塊青石琢成的長方形石板，顯然均為人工所為。根據(jù)墓門的形制和朝向，完全符合春秋戰(zhàn)國時期的墓制。因此推測可能為吳王墓。但因墓恰巧在塔底下，且規(guī)模宏大，一旦開挖必影響塔，因而作罷，未打開墓門，留下千古之謎?，F(xiàn)在的情況是虎丘后山為土堆砌，前山為巨石，因而推測后山為人工所堆。如果是這樣，就和虎丘塔的傾斜有關(guān)。因為地基不牢，重6000噸的塔便傾向土堆的一邊。所以，我們不妨認(rèn)為，是吳王墓的建造引起了虎丘塔的傾斜，

而虎丘塔的傾斜又保護了底下的吳王墓，使之不能開挖，成了一只真正保護吳王墓的白虎。就就是塔與墓兩個重要古跡之間的關(guān)系。

虎丘塔是全國重點文物保護單位?；⑶鹚?7.7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。請大家注意右側(cè)塔身呈弧型曲線。因此，由此推測，和意大利比薩塔

一樣，虎丘塔在建塔時就開始傾斜。最后一層塔似乎偏向左邊，這是因為1638年遭雷擊失火燒毀，重建時為改變重心、糾正傾斜的結(jié)果。

我們知道，與虎丘塔同期的杭州雷峰塔在三十年代倒塌。到五十年代，虎丘塔岌岌可危，不僅傾斜嚴(yán)重，而且周身裂縫遍布，最寬處達80厘米。1956年采用鐵箍噴漿法，如箍桶一般，每層塔內(nèi)用鋼筋箍起來，地基灌澆水泥，有效地消除了裂縫。關(guān)于56年修塔，有一段有趣的歷史。當(dāng)年開會討論修塔方案時，有一老工人坐在墻角微微地笑，主持會議的人見他胸有成竹的樣子，便請他發(fā)言。老工人再三推辭后，終于提出了箍桶匠修桶的原理和方案，引起全場哄堂大笑。此事便擱淺。不久，來了一位蘇聯(lián)專家?？赐昊⑶鹚律铰飞希阃藛T講了上面這段故事，蘇聯(lián)專家十分感興趣，重又上山，于是外國專家發(fā)的話，便開始具體制定修塔方案。

1981年開始用五年時間加固地基。在塔基下人工打44個孔，灌鋼筋水泥，在44個樁下做水泥殼體，地下防水，更換部分磚體，制止了塔身的繼續(xù)傾斜。

[學(xué)生分組討論]：為什么傾斜而不倒塌？（其重心向地面引垂線仍舊落在底座范圍內(nèi)）

補充：比薩斜塔

[練習(xí)]:

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？

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！

貨物應(yīng)盡量放在船艙里還是甲板上？為什么？

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？

P023頁第1題

教師