结构的稳定性

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
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。
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。
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？
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）
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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？
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
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。
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
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。
探究结构
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。