稳固结构探析(1)

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）因素3：构件之间的连接方式：
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.走钢丝的人为什么要拿一条长棒？
3.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。
[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。
B.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。 C. 比萨斜塔为什么不倒塌？
1590年，意大利的伟大科学家伽俐略，曾在斜塔的顶层做 过自由落体运动的实验，让两个重量相差10倍的铁球，同 时从塔顶落下，结果，两球同时着地，一举推翻了束缚人 们思想近2000年的希腊著名学者亚里士多德关于重量不同 的物体其下落的速度也不相同的“物体下落速度与重量成 正比”的理论。伽俐略开创了实验物理的新时代，被人们 称为“近代科学之父”，而他用来做实验的斜塔也因而更 加遐迩闻名。
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。
小实验
一摞书，整齐放置时的稳如泰山；另一 种放法,每本都往一边慢慢往外放置，到一 定程度时一摞书就全倒了。
小资料：中国的斜塔
辽宁瑞州古塔，现 存塔身高10米，塔身 向东北方向倾斜12度， 塔尖水平位移1.7米。 该塔建成之后虽几经 地震与洪水破坏，却 始终斜而不倒，堪称 奇迹。
虎丘塔高47.7米，比 意大利比萨斜塔矮6 米；塔尖偏离中心 2.34米，是比萨塔的 一半；虎丘塔建于 961年，比比萨塔早 完工390年。因为地 基不牢，重6000吨的 塔便倾向土堆的一边。 苏州的虎丘塔
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。
这条板凳、这个防盗网的强度是怎样的，也就是指 它受到外力作用的情况下，它不被外力破坏的能力 如何。
所以说结构的强度是指：
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。
应力和强度的关系：
这只是我们一个笼统的说法，我 们如何来衡量一件东西的强度呢。那 就要用到我们以前学习的应力的知识。
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
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？ (3) 在我国四川的广汉三星堆出土的器具有许多都是尖底的。 怎么摆放才稳定呢？ (4) P023页第1题
C.相同材料，相同截面积，不同截面形状的构件强度 不同。
D.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。
小实验：P019 （2）因素2：使用的材料
在日常生 活中，我 们时常会 看到翻到 在地的物 体。是什 么原因出 现了图上 所示的现 象？
在台风来之前它是稳定的！是什 么原因出现了不平衡状态？
那到底什么样的结构是稳定的，什么样的结 构又是不稳定的？物体稳定与不稳定的程度 又如何评价？
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？
马上行动（P012）
填表说明下表中的物体有可能因受哪些力的作 用而出现不稳定现象，并根据你的生活经验，简要 说明原因。
物体 广告牌 落地灯 底小口大的 空竹篓 受到的外力
重力、风力 重力、撞击力 重力、撞击力
不稳定的主要因素
底座小、重心高、受 风面积大 底座小、重心高 底座小、重心高
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。
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
1.影响结构强度的主要因素
①完成课本P17页案例
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。
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， 落在就是稳定 的，没有就是 不稳定的。 通过分析长方体重心的垂线位置与稳定性示意图， 使学生容易理解，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。
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。
A.不倒翁为什么不倒？ 如果在它脖子上挂上 一定数量的铁环，它 还会不倒吗？
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。
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。
马上行动：摩托车的支撑架（课本：P14）
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？
（一）影响结构稳定性的主要因素： [实验探究1]：
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
1) 影响结构强度的几个主要因素