第一章結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 第三課時(shí) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

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第一章結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 第三課時(shí) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析_第1頁
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1、第一章 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 第三課時(shí) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析 第一 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 第三時(shí) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1、 【程導(dǎo)入】 我們 【學(xué)習(xí)過程】 一、教師:前一節(jié)我們學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)的基本知識(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)有了初步的認(rèn)識(shí)。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(gè)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)看一下這些圖片,在日常生活中,我們時(shí)常會(huì)看到翻到在地的物體。是

2、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(tái)風(fēng)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(tái)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(tái)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

3、的生活經(jīng)驗(yàn),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)? 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(shí)驗(yàn)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

4、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)?,它們都有一個(gè)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(jiān)實(shí),穩(wěn)定性就越好。

5、 為什么許多桌椅的支撐腳要做成往外傾斜? 生:思考回答 師:這是為了進(jìn)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(diǎn)的連線與地面構(gòu)成的面。) [實(shí)驗(yàn)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

6、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(huì)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(diǎn)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(dá)到一定數(shù)量時(shí),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(gè)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(gè)子矮。就是利用了重心低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原理。 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(apanile di Pisa)其實(shí)是比薩教堂(Du

7、)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(jì)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(jì),像是一個(gè)圓球上的圓錐體,十分獨(dú)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(cái)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(gè)鐘塔。鐘塔建到三層時(shí)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,找著名工程師皮薩諾反復(fù)測量,證實(shí)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(diǎn)。比薩斜塔離大教堂20多米,本是大教堂的鐘樓

8、,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(duì)運(yùn)的六艘戰(zhàn)利品建成的。根據(jù)塔基上的碑記載,它從1174年始建,130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1.2毫米的速度向南傾斜。到1999年1月,塔頂比中軸線偏斜已達(dá)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(hù)方案,同時(shí)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”而的參觀者多達(dá)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(huì)有今天的風(fēng)光,也就不會(huì)有這么多便宜可占了。 比薩斜塔高4米,直徑16米,重約1

9、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1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(gè),斜塔底層墻壁上刻有浮雕,頂層有鐘亭。塔內(nèi)有螺旋臺(tái)階294級(jí),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(jìn)度,傾斜度不斷增加。到塔身建到第三層時(shí),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(jì)算,證明比薩斜塔雖傾斜,但不會(huì)倒塌,使工程繼續(xù)按原設(shè)計(jì)繼續(xù)施工,直到竣工。

10、 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?yàn)?90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(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn),讓兩個(gè)重量相差10倍的鐵球,同時(shí)從塔頂落下,結(jié)果,兩球同時(shí)著地,一舉推翻了束縛人們思想近2000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(shí)驗(yàn)物理的新時(shí)代,被人們稱為“近代科學(xué)之父”,而他用做實(shí)驗(yàn)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

11、,比薩斜塔不倒的原因是它的重心所在點(diǎn)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(shí),塔就會(huì)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(diǎn)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(shí)的穩(wěn)如泰;另一種放法:每本都往一邊慢慢往外放置,到一定程度時(shí)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17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

12、狀有關(guān)。 A、A字形梯為什么載人時(shí)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(shí)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(gè)梯面的橫桿拉直時(shí),兩個(gè)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(jìn)一步加強(qiáng)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(shí)就不能保持穩(wěn)定。 B、照相機(jī)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?yàn)槿侵Ъ芘c地面有三個(gè)接觸點(diǎn),形成的三角形結(jié)構(gòu)使照相機(jī)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

13、它的幾何形狀有關(guān)。 補(bǔ)充(三角形穩(wěn)定性的應(yīng)用):建筑中廣泛運(yùn)用了三角形的穩(wěn)定性。房子、橋梁的桁架大多都是由多個(gè)三角形構(gòu)成的;鋼架結(jié)構(gòu)的十字梁同樣是運(yùn)用這一原理,在四邊形的框架中用兩條桿作對(duì)角線,形成多個(gè)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(qiáng)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。十字鋼梁也是建筑中常用的構(gòu),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(本:P14) (2)單腿支撐 探究 1調(diào)整單腳支撐位置,研究何時(shí)最易倒下,何時(shí)最平衡?自行車騎起時(shí),只有兩個(gè)支撐點(diǎn),為什么不會(huì)

14、倒下呢? [試驗(yàn) ]: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(gè)系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)動(dòng)起之后,騎車人為系統(tǒng)注入動(dòng)力,從而在自行車前進(jìn)的時(shí)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(shí),這一動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條有所不同。 這個(gè)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(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算,終于從理論上解決了。問題

15、就出在旋轉(zhuǎn)速度和摩擦上了。陀螺在旋轉(zhuǎn)起時(shí),支持點(diǎn)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(yùn)動(dòng)趨向于摩擦更小的狀態(tài)。當(dāng)陀螺搖搖晃晃地立起,終于使一個(gè)尖端著地時(shí),就逐漸達(dá)到了支持點(diǎn)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(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。當(dāng)然,由于摩擦,它的轉(zhuǎn)速又會(huì)慢慢減小。然后開始搖晃,最后,倒下,因?yàn)檫@時(shí)它要趨向重心更低,更穩(wěn)定的狀態(tài)。(陀螺效應(yīng):凡是高速旋轉(zhuǎn)的物體,都有一種使轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)也不會(huì)倒下。教師演示滾動(dòng)的硬幣不倒,轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺不倒的演示試驗(yàn)。所以一旦自行車運(yùn)動(dòng)起后,轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪也具備這種能力,這種能力使得自行車即使

16、發(fā)生了傾斜,也能自動(dòng)地把自行車調(diào)整過,這就是自行車不倒的原因。) 馬上行動(dòng):摩托車的支撐架(本:P14) [教師總結(jié)]:運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條有所不同。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(shí)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(dòng)門、折疊椅等等。 1倒置的啤酒瓶可以預(yù)報(bào)地震。 2在打水的桶口邊掛一重物,在水面時(shí)能自動(dòng)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。高高聳立在頂?shù)幕⑶鹚呀?jīng)成了蘇州的標(biāo)志。

17、 虎丘斜塔日益著名,并且因?yàn)樗蛥峭跄箵渌访噪x的關(guān)系令科學(xué)家和游客興致倍增。 到了公元112年,唐伯虎、王鏊等人因池水干涸,發(fā)現(xiàn)墓門,留下石刻。19年人民政府清理劍池時(shí)確時(shí)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(shí)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)在的情況是虎丘后為土堆砌,前為巨石,因而推測后為人工所堆。如果是這樣,就和虎丘塔的傾斜有關(guān)。因?yàn)榈鼗焕?,?000噸的塔便傾向土堆的一邊。所以

18、,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(hù)了底下的吳王墓,使之不能開挖,成了一只真正保護(hù)吳王墓的白虎。就就是塔與墓兩個(gè)重要古跡之間的關(guān)系。 虎丘塔是全國重點(diǎn)物保護(hù)單位?;⑶鹚?77米,比意大利比薩斜塔矮6米;塔尖偏離中心234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(shí)就開始傾斜。最后一層塔似乎偏向左邊,這是因?yàn)?638年遭雷擊失火燒毀,重建時(shí)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

19、塔岌岌可危,不僅傾斜嚴(yán)重,而且周身裂縫遍布,最寬處達(dá)80厘米。196年采用鐵箍噴漿法,如箍桶一般,每層塔內(nèi)用鋼筋箍起,地基灌澆水泥,有效地消除了裂縫。關(guān)于6年修塔,有一段有趣的歷史。當(dāng)年開會(huì)討論修塔方案時(shí),有一老工人坐在墻角微微地笑,主持會(huì)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,了一位蘇聯(lián)專家??赐昊⑶鹚侣飞希阃藛T講了上面這段故事,蘇聯(lián)專家十分感興趣,重又上,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(shí)間加固地基。在塔基下人工打44個(gè)孔,灌鋼筋水泥,在44個(gè)樁下做水泥殼體,

20、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(bǔ)充:比薩斜塔 [練習(xí)]: (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? 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! (2)貨物應(yīng)盡量放在船艙里還是甲板上?為什么? (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? (4) P023頁第1題

21、教師:要提高這種籃球架的穩(wěn)定性可以怎么做? 學(xué)生發(fā)言:在籃球底座上加些比較重的石板之類的重物。 教師:這是出于什么原因呢? 學(xué)生發(fā)言:是為了使籃球架的重心向后偏移,重心所在點(diǎn)的垂線落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi),達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本條。 教師:還有什么方法嗎? 學(xué)生發(fā)言:可以增大底座與地面的接觸面,這樣也可以使重心所在點(diǎn)的垂線落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)。 教師:但我們在日常生活中沒有發(fā)現(xiàn)這樣做的,為什么呢? 如果這樣做了,大家想一想,運(yùn)動(dòng)員在跑動(dòng)時(shí)候,很可能就會(huì)撞到支架上去了是吧?所以我們在設(shè)計(jì)的時(shí)候還不要忘記要考慮人機(jī)關(guān)系。 [分析]:關(guān)于增大支

22、撐面提高穩(wěn)定性不夠現(xiàn)實(shí),教師重點(diǎn)講解,上升到在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候別忽略了人機(jī)關(guān)系 案例分析: 生活中有這樣的情況,人坐在一只小板凳上,用力搖幾下,板凳就壞了,人也摔倒在地上。人踩在窗戶的防盜網(wǎng)上擦玻璃,防盜網(wǎng)合金條的焊接處斷裂,險(xiǎn)些釀成大禍。 問題: 根據(jù)你的理解,結(jié)合教材,上述情況是什么原因造成的? (學(xué)生回答) 教師總結(jié):這是由于板凳、防盜網(wǎng)沒有能夠承受住人的重力所造成的后果。我們說它們不結(jié)實(shí),板凳和防盜網(wǎng)合金條的焊接處不結(jié)實(shí),板凳和防盜網(wǎng)的結(jié)構(gòu)不能夠抵抗外力---人的重力---所造成的對(duì)它們的破壞。 那我們?nèi)绾卧u(píng)價(jià)這條板凳、這個(gè)防盜網(wǎng)呢?我們就要用到我們今天學(xué)習(xí)的內(nèi)容:強(qiáng)度。 【鞏固性檢測】

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