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高二通用技术 第二节 稳固结构的探析教学课件


复习
?

什么是结构?

结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。

从力学角度来说,结构是指可以承受一定力的架构形态, 它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。

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

长安一中 蒋建波

jjb2002@126.com

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 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

广告牌
落地灯 底小口大的 空竹篓

(一)影响结构稳定性的主要因素:

重心位置的高低 支撑面的大小 结构的形状

[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。

C.为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往外倾斜?

这是为了进一步增大与地面接触所形成的支撑面 积,增加稳定性。 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

[实验探究2]:落地扇为什么不易倾倒?

落地扇的底座采用较重的材料,风扇比底座轻很多,使 落地扇的重心降低。

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。

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。

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。

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

3、结构的稳定性与它的几何形状有关。 A、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。

B、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.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。

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)

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

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?

生活中有这样的情况,人坐在一只小板凳上,用力摇 几下,板凳就坏了,人也摔倒在地上。人踩在窗户的防盗网 上擦玻璃,防盗网合金条的焊接处断裂,险些酿成大祸。 根据你的理解,结合教材,上述情况是什么原因造成的?

那我们如何来评价这条板凳、这个防盗网呢?我们就 要用到我们今天学习的内容:强度。

(二)结构的强度

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。例如我们刚才举的凳子 的例子,凳子能够承受人的重力这是一个强度问题,那么 凳子会不会左右晃动,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 竹竿比脆性塑料 杆能挂更多的重 物而不会断裂 原因 不同材料的抗拉 性能不同

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

中间有焊接缝的 钢管受到撞击时 容易损坏

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。

1) 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 构件之间的连接方式 刚连接 p22

(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。

A.不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样的。

B.结构的外形相同,构件的截面不同,其强度不一样。

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 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:
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? 可用直角铁片固定在连接处的背面。 (2).在自行车各部件之间的连接中,三角架属于刚连接; _________连接;刹车连杆之间属于_________连接;辐条与钢 铰连接 铰连接。 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较大,上下、左右、前后各方向 都被牢牢固定住,所以强度较大。 中间的连接方式钉子连接强度最小,钉子是从侧面钉进 去的,中间的横梁不能承受较重物体的压力为剪切力,容易 造成连接处断裂,所以强度最小。 第三种是钉子连接,但当上端受压力时,连接处受的是 压力,因为没有榫接打孔影响结构,所以强度最大。

探究:p020

1.为什么矿泉水瓶表面上有若干凸起的横向纹路,它的作 用是什么?
一是增加瓶子的强度,受力不容易 变形; 二是增大瓶子与手之间的摩擦力。 三是既有利于承受较大的负载,造 型又美观大方。

3.观察空调压缩机在户外墙上的固定,它是通过什么方法 加强牢固程度的?能否只用壁挂式方法固定,为什么?

分体式空调器的室外机自身重 力比较大,在户外固定一般采用铁 架支撑的方式。若采用壁挂的方式, 打入墙体的膨胀螺钉的强度和墙体 的强度都不足以承受室外机的重力, 最后出现断裂以至于脱落。

(三)、结构与功能: 结构对事物的功能和作用产生着直接的影响,结构的改变 可能导致功能的改变

多功能起子

小结: 一、结构的稳定性 影响结构稳定性的三个因素:重心位置、支撑面积的大小 和结构的形状 二、结构的强度 影响结构强度的三因素:结构的形状、结构的材料与连接 三、结构与功能


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