结构的强度与稳定性

1、 1.1.什么是结构什么是结构? ? 从力学的角度：结构是指从力学的角度：结构是指可承受一定应力的架构可承受一定应力的架构 形态，形态，它可以抵抗能引起它可以抵抗能引起物体损坏物体损坏的的外外力。力。 结构的功能本质：结构的功能本质：为了承受力，抵抗变形为了承受力，抵抗变形, ,防止被破坏防止被破坏 2.2.结构的本质是什么结构的本质是什么? ? 结构是指物体的各组成部分之间的结构是指物体的各组成部分之间的搭配和排列搭配和排列 结构被破坏的几种情况结构被破坏的几种情况：断裂、翻倒、垮塌断裂、翻倒、垮塌 对应结构的两个基本特性：对应结构的两个基本特性： 强度和稳定强度和稳定 性性 生活中的结构被

2、破坏的现象生活中的结构被破坏的现象 结构的强度结构的强度 我们常说的板凳、防盗网是否足够我们常说的板凳、防盗网是否足够“结实结实”，就是指它在受，就是指它在受 到外力作用的情况下，不被外力破坏的能力如何，也就是它到外力作用的情况下，不被外力破坏的能力如何，也就是它 们的们的强度强度如何。如何。 结构具有的抵抗被外力破坏的能力。结构具有的抵抗被外力破坏的能力。 所以说结构的强度强度是指： 根据你的生活经验填写下表： 马上行动：马上行动： 事件事件结果结果原因原因 分别在一根竹竿分别在一根竹竿 和一根同样尺寸和一根同样尺寸 的脆性塑料杆上的脆性塑料杆上 不断加挂相同质不断加挂相同质 量的重物量的重

3、物 沿着垂直于轴线沿着垂直于轴线 的方向撞击一根的方向撞击一根 完整的钢管与用完整的钢管与用 同样的方法撞击同样的方法撞击 一根中间有焊接一根中间有焊接 缝的钢管缝的钢管 竹竿比脆性塑料竹竿比脆性塑料 杆能挂更多的重杆能挂更多的重 物而不会断裂物而不会断裂 不同材料的抗不同材料的抗 弯性能不同弯性能不同 中间有焊接缝的中间有焊接缝的 钢管受到撞击时钢管受到撞击时 容易损坏容易损坏 因为有连接点因为有连接点 这只是我们一个笼统的说法，我们如何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来衡量一件东西的强度呢? ?那就要用到应力的知那就要用到应力的知 识。识。 外力 内力 PN l

4、外力是使构件发生变形的同时，构件内部分子之间外力是使构件发生变形的同时，构件内部分子之间 随之产生一种抵抗变形的抵抗力，称为随之产生一种抵抗变形的抵抗力，称为内力内力。 应力和强度的关系：应力和强度的关系： l 作用在材料单位面积上的内力，称为作用在材料单位面积上的内力，称为应力应力。用应力用应力 来衡量强度，既科学又确切。来衡量强度，既科学又确切。 l =N/S=N/S 影响结构强度的主要因素影响结构强度的主要因素 吊兰支撑使用的吊兰支撑使用的三角形三角形支支 架结构，而不使用由一根直杆挑起架结构，而不使用由一根直杆挑起 的结构。从的结构。从材料方面材料方面考虑，吊兰的考虑，吊兰的 三角形支

5、架使用的是钢管而不是木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，这种的构件是焊接而不是捆缚，这种连连 接方式接方式更牢固。更牢固。 影响结构强度的几个主要因素影响结构强度的几个主要因素 结构的形状结构的形状 使用的材料使用的材料 构件之间的连接方式构件之间的连接方式 结构外部形状 结构的构件截面形状 铰连接 刚连接 不同材料的容许应力不同 (1)(1)结构的形状结构的形状: : 不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不

6、 一样的。一样的。 注意：注意： 结构对强度的影响有两点，一是结构的外部形状，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。二是结构的构件截面形状。 三角形形状三角形形状: : 三角形是框架结构中最基本的形状之一三角形是框架结构中最基本的形状之一, ,它结实、稳定、它结实、稳定、 所用材料最少。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。三角形，就可以大大增加它的牢固程度。 结构的强度与材料有关结构的强度与材料有关 混凝土材料。混凝土材料。 使用钢筋混凝土结构的好处是什

7、么？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 3）构件之间的连接方式：）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结构的连接是指通过一定的连接物将 构件组成整体结构。构件组成整体结构。 结构构建的连接通常有以下两类：结构构建的连接通常有以下两类： 铰连接铰连接 刚连接刚连接 铰连接：铰连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，但可以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

8、、松铆等。相对转动，具体有松螺栓、松铆等。 刚连接：刚连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，也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。不能相对转动，具体有榫接、胶接、焊接等。 胶接胶接 榫接榫接 楔钉榫楔钉榫 焊接焊接 熔铸熔铸 紧固螺栓连接紧固螺栓连接 燕尾榫连接燕尾榫连接 l 良好的结构强度可以防止产品变形、断裂，延良好的结构强度可以防止产品变形、断裂，延 长使用寿命。长使用寿命。 l 但是我们会发现有这样的现象：一场大风过后但是我们会发现有这样的现象：一场大风过后 ，广告牌倒了，但是没有破裂，大树倒了，但，广告牌倒了，但是没有破裂，大树倒了，但 是

9、枝干完整是枝干完整 。这时候就涉及到结构的稳定性。这时候就涉及到结构的稳定性 问题了。问题了。 结构的稳定性是指结构在负载的作用下结构的稳定性是指结构在负载的作用下维维 持其原有平衡状态的能力。持其原有平衡状态的能力。 提高稳定性可以减少损失提高稳定性可以减少损失 结构的稳定性被打破后往往会造成严重的后果，结构的稳定性被打破后往往会造成严重的后果， l 可以在瓶子中装入一定量的水可以在瓶子中装入一定量的水 小试验小试验 这是一种我们生活中的现象，在没这是一种我们生活中的现象，在没 吹它时它是稳定的，轻轻一吹，它吹它时它是稳定的，轻轻一吹，它 为什么会翻倒呢？为什么会翻倒呢？ 当这些物体受到外力

10、作用时，当这些物体受到外力作用时， 原有的平衡状态被打破导致的原有的平衡状态被打破导致的 探究探究11： 拿一本书，让它直立在桌面上，它马上倾倒了，显然，其稳拿一本书，让它直立在桌面上，它马上倾倒了，显然，其稳 定性不好。怎样将它直立在桌面上，让它就能很好的挺立住？定性不好。怎样将它直立在桌面上，让它就能很好的挺立住？ 因素一：支撑面积的大小因素一：支撑面积的大小 1.1.稳定性与支撑面积的大小有关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。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

11、结构的底座，结构与地面接触所形成的支撑面大, ,稳定稳定 。 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，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。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？ 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。为了进一步增大与地面接触所形

12、成的支撑面积，增加稳定性。 注意：注意： 支撑面支撑面接触面。接触面。 接触面接触面: :是物体与地面接触形成的面。 支撑面支撑面: :是物体与地面接触形成支撑点的连线与地面构成的面。 探究探究22：落地扇为什么不易倾倒？：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。轻很多，使落地扇的重心降低。 2 2结构的稳定性与重心位置有关。结构的稳定性与重心位置有关。 物体重心越低，越稳定。物体重心越低，越稳定。 因素二：重心位置因素二：重心位置 A.A.不倒翁为什么不倒？如果在它不倒翁为什么不倒？如果在它 脖子上挂上

13、一定数量的铁环，它脖子上挂上一定数量的铁环，它 还会不倒吗？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，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，不倒翁就不再是不倒翁了。当铁环达到一定数量时，不倒翁就不再是不倒翁了。重心重心 的高低影响结构的稳定性。重心越低的高低影响结构的稳定性。重心越低, ,稳定性越好稳定性越好; ;重心越重心越 高高, ,稳定性越差。稳定性越差。 它从它从11741174年始建，年始建，13501350年竣年竣 工，经历了工，经

14、历了176176年。但由于塔身过重，年。但由于塔身过重， 地质松软，因此塔身仍以每年地质松软，因此塔身仍以每年1 12525毫毫 米的速度向南倾斜。到米的速度向南倾斜。到19991999年年1 1月，塔月，塔 顶比中轴线偏斜已达顶比中轴线偏斜已达4 48 8米。意大利米。意大利 当局为了拯救斜塔，已向全世界广泛当局为了拯救斜塔，已向全世界广泛 征求保护方案，同时在塔的北侧加压征求保护方案，同时在塔的北侧加压 了了830830吨的铅块，并在塔身的三分之一吨的铅块，并在塔身的三分之一 处加了一圈铜缆，向北牵拉固定。不处加了一圈铜缆，向北牵拉固定。不 过斜有斜的好处，每天为过斜有斜的好处，每天为“斜

15、斜”而来而来 的参观者多达的参观者多达1010余万人，扔下大把大余万人，扔下大把大 把的银子。如果它是一座正塔，比萨把的银子。如果它是一座正塔，比萨 就不会有今天的风光，也就不会有这就不会有今天的风光，也就不会有这 么多便宜可占了。么多便宜可占了。 小资料：比萨斜塔小资料：比萨斜塔 辽宁瑞州古塔，现辽宁瑞州古塔，现 存塔身高存塔身高1010米，塔身向东北米，塔身向东北 方向倾斜方向倾斜1212度，塔尖水平位度，塔尖水平位 移移1.71.7米。该塔建成之后虽米。该塔建成之后虽 几经地震与洪水破坏，却始几经地震与洪水破坏，却始 终斜而不倒，堪称奇迹。终斜而不倒，堪称奇迹。 小资料：中国的斜塔小资料

16、：中国的斜塔 苏州的虎丘塔苏州的虎丘塔 虎丘塔高虎丘塔高47.747.7米，比意大利米，比意大利 比萨斜塔矮比萨斜塔矮6 6米；塔尖偏离米；塔尖偏离 中心中心2.342.34米，是比萨塔的一米，是比萨塔的一 半；虎丘塔建于半；虎丘塔建于961961年，比年，比 比萨塔早完工比萨塔早完工390390年。因为年。因为 地基不牢，重地基不牢，重60006000吨的塔便吨的塔便 倾向土堆的一边。倾向土堆的一边。 小资料：中国的斜塔小资料：中国的斜塔 思思 考：各种斜塔为什么斜而不倒？考：各种斜塔为什么斜而不倒？ 123 结论：物体的重心所在点的垂线落在结构底座的范围内结论：物体的重心所在点的垂线落在结

17、构底座的范围内 ，物体就不会翻倒，就是稳定的。，物体就不会翻倒，就是稳定的。 3 3、结构的稳定性与它的几何形状有关。、结构的稳定性与它的几何形状有关。 A A、A A字形梯为什么载人时能够保持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稳定？如果没有梯子中间的拉杆将 会怎么样？会怎么样？ 一般情况下，梯子打开的时候，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，这就进一步加构成了

18、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。杆，载人时就不能保持稳定。 因为三角支架与地面有因为三角支架与地面有 三个接触点，形成的三角形结三个接触点，形成的三角形结 构使照相机的支撑架更容易稳构使照相机的支撑架更容易稳 定定。 B B、照相机的支撑架为什么常使用三脚架而不用其他形状？、照相机的支撑架为什么常使用三脚架而不用其他形状？ 因素三：因素三： 结构的稳定性与它的几何结构的稳定性与它的几何 形状有关。形状有关。 静止状态的单车如何保持稳定静止状态

19、的单车如何保持稳定 案例分析案例分析 ： （1 1）双腿支撑）双腿支撑 （2 2）单腿支撑）单腿支撑 不稳定的结构应用：不稳定的结构应用： . .倒置的啤酒瓶可以预报地震。倒置的啤酒瓶可以预报地震。 . .在打水的桶口边挂一重物，在打水的桶口边挂一重物， 在水面时能自动翻倒打水。在水面时能自动翻倒打水。 练习练习: : (2)(2)货物应尽量放在船舱里还是甲板上？为什么？货物应尽量放在船舱里还是甲板上？为什么？ 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

20、的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。范围内，达到结构稳定的基本条件。 还有什么方法吗？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可以使重心所在点的垂线落在结构底面 的范围内。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？但我们在日常生活中没有发现这样做的，为什么呢？ 我们知道稳定性是我们知道稳定性是研究物体的保持平衡状态研究物体的保持平衡状态的的 能力，强度是研究能力，强度是研究不被外力破坏不被外力破坏的能力。例如我们的能力。例如我们 常见的椅子的例子，