结构强度的分析

第三节结构与稳定性

一、新课内容：

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。

台风过后，部分结构却完好无损，这又说明，有的结构稳定，有的结构不稳定。

想一想：

结构的稳定性与什么因素有关？

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。（P012）

（一）影响结构稳定性的主要因素：

[实验探究1]：

学生拿一本书，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。

[引导学生得出结论]：结构的底座，结构与地面接触所形成的

B：为什么大坝的横截面总是建成梯形？

生：思考回答

师：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？

生：思考回答

师：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。从而引导学生得出结论：结构的稳定性与支撑面积大小有关。

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。）

[实验探究2]：显示落地扇的图片

师：落地扇为什么不易倾倒？

生：思考回答

师：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？

师：研究不倒翁的结构，发现不倒翁的重心很低，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。

[引导学生得出结论]：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.屏幕显示比萨斜塔的图片，比萨斜塔为什么不倒塌？（简单介绍比萨斜塔。）

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。

[引导学生得出结论]：结构的稳定性与重心位置有关。

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。

例如：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。

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

生：思考回答

师：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？

生：思考回答

师：分析，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。

师：通过上面的分析，我们知道，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

（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？

[试验 ]：学生骑自行车

[教师讲述]：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。

2.走钢丝的人为什么要拿一条长棒？

注意:运动状态下与静止状态下物体的稳定条件有所不同。

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。教师演示滚动的硬币

不倒，转动的陀螺不倒的演示试验。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）

[教师总结]：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。

拓展：不稳定的结构应用

学生举例：如移动门、折叠椅等等。

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！