结构的强度与稳定性

苏州的虎丘塔
思 考：各种斜塔为什么斜而不倒？
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Hale Waihona Puke 3结论：物体的重心所在点的垂线落在结构底座的范围内 ，物体就不会翻倒，就是稳定的。
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。
[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。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
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 。
小结 一、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 二、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
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？
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。

σ =N/S
外力
内力
P
N
影响结构强度的主要因素
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。
影响结构强度的几个主要因素
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。
小资料：中国的斜塔
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。
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。
增大与地面接触所形成的支撑面积，增加稳定性
[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。
（3）构件之间的连接方式： 不同的连接方式，受力传递方式和效果不一样 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
中国桥梁经过近20年突飞猛进的发展，一方 面桥梁的设计和施工技术获得了长足的进步，另 一方面由于过快的建设速度，导致桥梁人才与技 术的严重滞后，造成大量的桥梁在技术和质量不 能保证的前提下强行上马，某些地方更是为了政 绩工程，不惜“豪赌”，这样更为诸多的桥梁工 程埋下了隐患。 自1999年1月重庆綦江虹桥垮塌以来，至2011 年8月，共发生的18例重大桥梁事故。自2007年6 月广东九江大桥垮塌以来，中国桥梁重大隐患似 乎进入集中爆发期，共发生15例，其中2007年垮 塌3座，2009年垮塌3座，2010年垮塌6座，2011年 迄今垮塌3座。平均每年垮塌3.75座。
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。
[案例分析]： 静止状态的单车如何保持稳定 （1）双腿支撑 （2）单腿支撑
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:
(2)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 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。?
研究结构稳定性的意义
结构的稳定性被打破后往往会造成严重的后果，
提高稳定性可以减少损失
小试验
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 为什么会翻倒呢？
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
如何保持在有风力情况下矿泉水瓶的稳定性？
可以在瓶子中装入一定量的水……
胶接
楔 钉 榫
紧固螺栓连接
燕尾榫连接 熔 铸
焊接
良好的结构强度可以防止产品变形、断裂，延 长使用寿命。 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 是枝干完整 。这时候就涉及到结构的稳定性 问题了。
什么是结构的稳定性呢？
结构的稳定性是指结构在负载的作用下维 持其原有平衡状态的能力。
(2)材料 形状相同，材料不同，强度就不同
①结构的强度与材料有关
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。
但我们在日常生活中没有发现这样做的，为什么呢？
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 常见的椅子的例子，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。 但是二者也是有联系的，构件的强度不够或者 连接不牢固，造成的垮塌事故就是由强度问题引发 的稳定性问题。
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，不倒翁就不再是不倒翁了。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
结构外部形状
结构的构件截面形状
结构的形状
使用的材料 →不同材料的容许应力不同
铰连接
构件之间的连接方式
刚连接
(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。
不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不 一样的。
“工”字形横梁被广泛应用
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。
小资料：比萨斜塔
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。
竹竿比脆性塑料 杆能挂更多的重 物而不会断裂
不同材料的抗 弯性能不同
中间有焊接缝的 钢管受到撞击时 容易损坏
因为有连接点
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?那就要用到应力的知 识。
内力 应力和强度的关系：
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，称为内力。 作用在材料单位面积上的内力，称为应力。用应力 来衡量强度，既科学又确切。
生活中的结构被破坏的现象
结构的强度
我们常说的板凳、防盗网是否足够“结实”，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 们的强度如何。
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。
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 沿着垂直于轴线 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
结构的强度和稳定性
知识回顾
1.什么是结构?
结构是指物体的各组成部分之间的搭配和排列 从力学的角度：结构是指可承受一定应力的架构 形态，它可以抵抗能引起物体损坏的外力。
2.结构的本质是什么?
结构的功能本质：为了承受力，抵抗变形,防止被破坏
结构被破坏的几种情况：断裂、翻倒、垮塌 →→对应结构的两个基本特性： 强度和稳定 性