2024新地质版（2019）《高中通用技术》必修第二册《技术与设计2》PPT课件（22）份（全册打包）.rar

技术与设计2教材p01-p10第一章结构及其设计学习结构技术,体验简单结构的设计过程,欣赏结构的精美、和谐与经典，有助于我们处理简单结构设计问题,解决现实中有关结构的问题,拓宽思维和想象空间。学前沙龙：欣赏典型结构，学做简易衣帽架让我们先从欣赏三组图片（图1-1）开始，走进结构的大千世界，探索结构的奥秘。上面图片中的建筑物、交通工具及生活、学习和体育器材等，都具有结构的新奇特色。如港珠澳大桥采用深达40多米的海底沉管隧道，滴水不漏。从赵州桥到港珠澳大桥，先进的结构技术为中国桥文化铸就了不朽的辉煌!上述三组图片示物的技术核心是结构，它们的共同特点是都要承受和抵抗各种各样的作用力，抵抗可能由此引起的变形或损伤。它们都是结构设计的成果。本次沙龙，极大地激发了同学们对结构探究的兴趣。有同学提议，为改善宿舍的环境，我们自行设计、制作一个简易衣帽架吧!这个想法一提出，即刻得到了大家的一致赞同。制作出的衣帽架，应当能承受相应的重量，达到结实、不易变形、经济、美观等要求。那么,选用什么架构、什么材料、什么几何形状与尺寸,采用怎样的连接、装配与安装方式等，需要科学地设计。为了解决这些技术问题，我们应先学好结构及其设计。第一节初识结构问题思考 无论是衣帽架还是椅子或凳子，都要承受挂在或压在其上的物体产生的压力或其他力。设计时，首先要考虑它们作为结构是否能够承受这些力。同样，设计火箭时，也要考虑火箭的外壳与内部结构是否能承受相应的力。总之，进行每项设计，都会遇到设计对象承受力的问题。那么，如何使设计的衣帽架既牢固又方便使用，外形还美观?一、结构实例展示问题思考 生活中常见的凳子大多是什么样的?人坐在凳子上时，会给凳子施加什么样的力?在你教室所坐的凳子上感受一下。实例1传统的板凳种经典的力学结构图1-2中的板凳都由凳面和凳腿两个基本部分组成。凳面和凳腿是怎样搭配和组合(架构)的呢?3种板凳有什么不同?我们先从“怎样架构”的角度进行讨论。板凳（a)有4条腿，凳腿之间略呈“八”字形态，两根横掌（cheng)分别将左端两条凳腿和右端两条凳腿连接在一起。板凳(b）在板凳（a）的基础上去掉了两根横穿。板凳(c）在板凳(a)的基础上加了1根长赏，将左端两条凳腿和右端两条凳腿之间的横棠连接在了一起。技术探究 如果板凳(b)断了1条腿，或者将其4条腿都做成直上直下的形状，那么人坐在上面还能像原来那样稳当（稳定)吗?板凳（a)的两条短穿起了什么作用?板凳(c）的那条长掌又起了什么作用?注意:3种板凳的凳腿和凳面之间、凳腿与横掌之间、长掌和两根小横掌之间的连接，都采用了榫卯连接。比较3种板凳:(b)的架构最简单,(a)的架构居中，(c)的架构最复杂也最结实。从实例1可知，初识结构要把握结构的三要素，即架构、构件和连接。不同的要素，将会给结构带来不同的特性。开眼界榫卯结构及联想 榫卯结构采用的是在两个木构件上制作的凹凸（阴阳）体结构相互紧密结合的一种连接方式。凸出部分叫榫或榫头)，凹进部分叫卯（或榫眼、榫槽)，榫和卯完全咬合，起到连接作用。中国古代建筑、家具及其他木制器械中常采用榫卯结构。榫卯结构是极为精巧的发明，榫卯结合成一体后，不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形。榫卵结构应用于房屋建筑后，虽然每个构件都比较单薄，但是整体上却能承受巨大的外力。这种结构不在于个体的强大，而在于互相结合、互相支撑的整体的强大。试想，要做到榫卯连接“严丝合缝”非常不容易，需要工匠高度的敬业精神和高超的技术水平来保证。实例2吊车与辘轳工厂车间里的龙门吊、工地现场的汽车吊及传统的辘泸都是吊运设备，如图1-3所示。车间里、工地上的许多重物，从一个地方搬运到另一个地方，需要用吊车;从深井里打水，需要用辘瘘。满足这些功能需求的吊车、辘铲是怎样构造的呢?吊车的各组成部分之间的搭配与连接采用了吊绳，辘岐也是一样。这是此类设备在构成上的一个共同点。吊车吊运工件或重物，辘逼提取井水，尽管用途、操作方式不一样，但它们都是利用吊车上的电动机或辘瘘的牵拉力,并借助吊绳（如钢丝绳)来实现吊的功能，完成吊的过程。作为部件的吊绳，其架构形态是多样的，使用的材料也是多种的，如图1-4所示。技术探究 从“怎样装配组合”的角度，分析吊车、辘护的搭配与连接。实例3蛇皮管灯具学习或工作时,大家都希望案头的台灯具有方便调节高度的功能。蛇皮管台灯(图1-5)可以满足这种功能需求。只要适当地弯曲蛇皮管,就可以获得理想的光照效果。蛇皮管作为这种台灯中的一个主要部件，起到支撑灯头、灯罩的作用。如果用一根能方便弯曲的弹性软管去支撑台灯灯头，会是什么结果呢?在用手施加的外力作用下，软管可以弯曲到人们所期望的程度，可是，当手松开的时候,软管将会反弹，弯曲的效果不尽如人意。技术探究 查找蛇皮管的构造资料，研究它为什么能停留在任何位置，还能起到支撑作用。阅读材料跳水赛场里的跳板 跳水赛场里，水池上方悬空伸出来的跳板上无人时，它是平直的。当运动员在板端起跳时，跳板因受到很强的外力作用，产生明显的弯曲变形（图1-6)。跳板是悬臂梁受力变形的典型实例。二、结构的含义、功能与分类前面的三个实例留下了许多问题:板凳、吊车与辘护、蛇皮管台灯的功能是什么?凳腿与凳面、吊车与吊绳，以及台灯座、灯头与蛇皮管之间是怎样搭配和排列的?它们在使用中各受到哪些外力的作用?(一）结构的含义与功能板凳，采用榫卯或钉子连接、凳腿之间加掌或不加掌、用4条腿或是3条腿、结实或不结实、稳定或不稳定,这些形态和性质都是由结构决定的。结构是指组成某体系的各部分单元之间的搭配和排列(布局安排)，确定的搭配和排列决定了该体系的性质和形态。结构的各组成部分，通常称为构件。如建筑结构是由若干构件组成，即由组成这类结构的单元连接起来而构成的能承受荷载和发挥功能的一类体系。结构会受到各种各样的力或力矩。例如，人坐在板凳上，板凳承受了人体自身向下的压力;吊车吊起重物时，吊绳承受了沿绳长方向的拉力;调整蛇皮管台灯到合适的位置，蛇皮管受到与其轴线相垂直的外力。因此，结构是可承受一定力或力矩的架构形态，抵抗变形或产生需要的变形是结构的本质。(二）常见结构的类型板凳应既牢固，又稳定;蛇皮管台灯应便于调节，且调节后不会反弹。这说明结构是由它的功能和需要决定的，结构具有确定的性质和形态。结构是多种多样的，其分类也是多种多样的。从力学的架构与形态考虑，结构一般有如下分类:1.实心结构水库的大坝、房屋的墙体、城墙等都属于实心结构(图1-7)。它的特点是能承受较大的压力。这类结构的特征是几何外形简单，通常有杆(柱)、板、体等之分。阅读材料实心结构实例 木制板凳的凳面和凳腿都是实心的。人坐上去的时候，凳面承受压力，这个压力分解传递到4条凳腿上。凳面只要具备足够的厚度，凳腿具备合适的粗细，它们就能承受住压力，而不会产生明显的变形或损坏。水库大坝属于实心结构。大坝除了受自身的重力作用之外，主要承受库内存水作用于坝体上的巨大且持久的压力，还要承受大风作用于大坝的侧力等。大坝的结实与稳定，是确保水库安全的根本。因此，大坝坝体的宽度与坡度、采用的材料、修筑工艺等方面，都需经过科学的设计和严格的施工。2框架结构房屋的门、窗常用木框架，如图1-8所示。现在有了铁框架、塑钢框架和断桥铝框架。塑料大棚的棚体，可以是钢铁框架，也可以是竹木框架。自行车车体是钢管析架式框架，输电铁塔是铁质榆架式框架，等等，都是框架结构。框架结构的几何外形多种多样，自身质量较小，能承受各种荷载，依据功能和使用条件的不同,可以设置成不同框架的组合。框架结构通常由杆件组成。这里的杆，可以是实心的，也可以用管材。由于框架结构的制作较为方便，又能节省用料,在实际生产、生活中被广泛采用，如图1-9所示。3.壳体结构壳体结构是指由曲面形板与边缘构件（梁、拱或榆架)组成的空间结构。日常使用的各式各样的水杯、水壶、文具盒、存钱罐,用钢板制成的坦克，用于太空飞行的舱体，液化石油气储罐,运油的圆柱形车载大油罐,航道标志用的浮标，等等，从架构与形态上看，都属于壳体结构（图1-10).壳体结构由于存在原始曲度，具有很好的空间传力性能，受力与结构性能不同于平板(见下面的技术探究)壳体结构是一种强度高、省材料的结构形式,广泛应用于工程结构中。壳体的几何形状有折线式(方形、长方形、多边形)、圆弧形和拱形等。技术探究 摩托车驾乘人员的头盔，常见的都是圆弧形结构。为什么这样做呢?当这种头盔受到外力冲击时，外力将由弧面整体分担承受，抵抗变形。如果将头盔做成长方体形或多面体形，受外力冲击时，外力将主要由接触点所在的小平面承受，易使壳体变形。联系实际生活，找出一些圆弧形壳体结构、多面体形壳体结构的实例，指出它们的应用场合。阅读材料自然界中的壳体结构何其多 自然界中的椰子、桂圆、西瓜、贝类、蛋、龟等，都属于壳体结构。它们遵循着适者生存的法则，经过漫长岁月的演变，选择了最合理的外形。它们以较薄的外壳，获得了较大的承受外力的卓越性能。这一事实，给人类带来了发明创造的宝贵灵感!技术探究 对我们周围常见的结构实例进行归类，指出它们的应用场合，并分别填入表1-1，试画出草图。开眼界结构分类种种 按不同的标准，结构可有多种分类方式。而且，现实中的结构往往是多种结构类型的组合。从结构的几何形态来分，可有以下几种。1.缆索结构 有位名人说:缆索结构之美，在于它既好看又符合机能。缆索可以是线、绳索、细管等。缆索的形式有:在单线上挂一荷载两端有支撑点，在其中间处挂荷载，缆索呈“V”字形。第二种缆索上的张力大小，需视缆索上的角度与荷载大小而定。如帆船上的缆索与桅杆，缆索的作用是防止桅杆倾倒及挫曲，如图1-11所示。又如拉索桥由缆索、塔墩和主梁组成，其中缆索固定于塔墩之上，用于吊住主梁，支撑桥面及其荷载。拉索桥桥身高度小，桥下净空大，用料较省，便于施工，如图1-12所示。2.桁架结构 桁架是一种将杆件彼此在两端通过焊接、铆接或螺栓连接而成的支撑横梁结构。大跨度建筑物的屋顶、大型桥梁等常采用析架结构，如图1-13所示。3.网架结构 网架是板的格构化形式。3边金字塔形和4边金字塔形较为普遍。许多加油站的顶棚，都采用不锈钢材料的网架结构，精美实用，如图1-14所示。4.网壳结构 网壳是壳的格构化形式，又称网穹。它有4面体、6面体、8面体、12面体、24面体等多种几何形状，如图1-15所示。技术探究钢笔结构探秘 钢笔是一种书写工具，在很多重要场合都会使用钢笔。探究方法:拆卸一支钢笔,探究之后再将其装配好。探究内容:(1）钢笔作为一个完整结构，它由几个构件构成?各构件的功用是什么?(2）各构件之间是如何连接的?连接可靠性好吗?(3）笔尖为什么用金属制成?钢笔墨囊为什么用橡胶制成?(4）钢笔水为什么能从墨囊内源源不断地流至钢笔尖而保证书写流畅?从结构上采取了什么关键措施?探究方式:分组进行，人人动手且动脑;各小组写出探究记录，全班交流。重点问题:作为探秘，秘的关键部位在哪?作为结构设计其匠心何在?提示:仔细观察钢笔尖及其下面的笔舌。技术实践 衣帽架的种类多种多样。请用技术与设计1中学过的知识和技能分小组为班级设计衣帽架，画出设计草图，并说说每组设计的衣帽架属于什么结构类型。第二节典型结构分析教材p10-p19问题思考 衣帽架悬挂衣帽需要承受一定的力，不同结构类型的衣帽架承受的力可能有所不同。你认为衣帽架主要承受哪些力?不同的结构，能承受不同的力，抵抗不同的变形。结构如何承受力?如何抵抗变形?一、单杠结构分析(一）单杠的结构单杠是常见的休育器械，结构并不复杂,如图1-16所示。单杠的构件有杠体、立柱和拉杆。杠体是器械的主体,立柱和拉杆共同支撑杠体并承受荷载。单杠为什么要采用这样的结构呢?这需要做受力与变形分析。问题思考 构件可由不同材料构成。图1-16所示的单杠，其构件各有什么特点?它们为什么要这样搭配和组合?阅读材料拉伸、压缩与弯曲 构件受到外力F作用时，会发生形状或大小的改变，这种改变常称为变形。变形有的明显，有的不明显。前面的实例中，吊车的吊绳承受的外力是拉力，拉力所产生的变形为拉伸;板凳腿承受的外力是压力，压力所产生的变形为压缩。拉伸和压缩都是荷载作用的结果。当杆件受到与杆轴线相垂直的外力作用时，杆件产生的变形为弯曲。发生弯曲变形的杆件,称作梁。当板凳很长时,凳面可视为梁。此时凳面在人的体重(或重物)等外力作用下,会发生弯曲变形，只是这种变形可能很小，肉眼不易看出来。而跳水的跳板发生的弯曲变形却是非常明显的。弯曲变形如图1-17和图1-18所示。问题思考 长条板凳的凳面和跳板，同视为梁。然而,在使用中,不让前者发生明显变形，却让后者发生明显变形。这是基于什么考虑而设计的?(二）杠体的受力与变形当杆件受到垂直于杆件轴线的外力(通常称为横向力)作用时,杆件将发生弯曲变形。弯曲变形的特点是杆件轴线由直线变成曲线，变形杆件绕杆件原轴线做相对转动。单杠的杠体作为一种结构的基本构件，其工作状态不完全与跳板相同。单杠可视为一种具有双支撑点的梁，而跳板是只有单支撑点的梁(悬臂梁)。两者的支撑情况有别,受力与变形情况也就不一样。运动员在杠体上做各种动作，如大回环等，通过握杠体的手，对杠体施加了外力，即回转运动产生的离心力，使得杠体发生弯曲变形。值得注意的是,杠体弯曲变形的方向,是随人体回转所到的空间位置变化而变化的，即杠体总是朝着人体所在的瞬间位置的方向发生弯曲。(三）立柱、拉杆的受力与变形单杠的立柱,是总荷载(杠体和人体）的主支撑单元。当人体静挂或静骑在杠体上时，两根立柱只承受压力。如图1-19所示,立柱的底部埋在地下,其主要作用是防止立柱的底部发生位移,在4根张紧的拉杆作用下,使单杠整体保持着稳定性。当人体位于单杠前侧时,后侧拉杆张力增加以平衡运动员通过杠体传递到立柱的水平向右的分力;反之，当人体位于单杠后侧时,前侧拉杆张力增加以平衡运动员通过杠体传递到立柱的水平向左的分力。因此两根立柱以承受压力为主，主要变形为压缩变形;而拉杆始终处于张紧状态,主要变形为拉伸变形。二、棚室屋架结构分析日光温室和塑料棚，在现代农业生产中被广泛采用,利用温室育花也屡见不鲜。因此，需要因地制宜地设计和建造日光温室和塑料棚的结构型式。棚室屋架结构是怎样受力的呢?(一）棚室荷载与立柱受力棚室屋面下边的梁、立柱和墙,共同承受着屋顶部的荷载。这里的荷载有静载与动载之分。对于立柱和墙来说,静载包括屋面、梁(有时还有凛)的重量，属于不随时间变化的永久性荷载;动载包括雪载、风载等，属于随天气情况变化的可变性荷载。荷载给立柱和墙主要施加压力。这里的压力,由永久性荷载和雪载生成。图1-20表示了立柱受压力时的情形。图中，F1为荷载施加于立柱的压力,F1为立柱基础作用于立柱的反作用力。荷载中的风载,作用于棚室的情况比较复杂,它与风的作用方向有关。将风载生成的作用力，按沿着立柱轴线和垂直轴线的两个方向分解后，立柱受力的情形如图1-21所示。图中，F1为沿立柱轴线方向的作用力(压力),F2为垂直立柱轴线方向的作用力。图中M、F1、F2为立柱基础作用于立柱的弯矩与反作用力。如前所述,压力要引起压缩变形，弯矩要引起弯曲变形。通过棚室结构的合理设计,立柱将会抵抗住压缩与弯曲两类变形。(二）梁的受力荷载作用传到梁上,梁受力变形,如图1-22所示。图中,在荷载作用下,梁的上部轴向受压，下部轴向受拉。在上部和下部之间必有一层既不受拉也不受压，称为中性层。对棚室屋面的支撑梁来说,它受的力被传递到其支撑点(如立柱或墙)上，通过合理设计，可以使梁不产生明显弯曲。防止梁过分弯曲的最简单方法,是在梁的下面增加支撑点。这样,梁传递下来的力就被分摊了。(三）拱结构的应用棚室一般多采用拱结构。拱结构，即中间高四周低，呈弧形曲面的一种结构。拱结构对承受荷载有利。荷载压力作用于拱上，拱把力传到其四周的支撑上。如雪载，它是作用在屋面上的垂直荷载。屋面上积雪的程度不仅与降雪量有关,而且与屋面形状和坡度有关。屋面拱度愈大，积雪愈浅，雪压愈小。多注意观察，就会发现:在较大的跨度情况下，建筑物多采用拱结构。这样的结构既有利于承载,又美观。三、钢箱梁桥结构分析生活中存在各种梁的应用实例，特别是在桥梁工程和建筑工程中，普遍采用梁理论进行结构分析和设计。钢箱梁，又叫钢板箱形梁,是桥梁工程中梁的一种,内部为空心状，由顶板、底板、腹板和加劲肋等构件组成,外形像一个箱子,是大跨径桥梁常用的结构型式,具有质量小节省钢材、抗弯和抗扭刚度大、安装迅速、外形简洁美观等特点。钢箱梁桥结构是怎样受力的呢?阅读材料港珠澳大桥的主梁结构 港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、广东珠海、澳门的超级跨海通道。其中，青州航道桥的设计是港珠澳大桥最具特色的部分，它为双塔空间双索面钢箱梁斜拉桥，主梁采用扁平流线型整体式钢箱梁，索塔采用横向H形框架结构，163 m的塔上端采用具有传统民族文化元素的“中国结”造型钢结构,寓意团圆回归、三地同心，如图1-23所示。(一）荷载类型港珠澳大桥青州航道桥的首要功能是承载它所输运的交通荷载，支撑其自身的重量及其上的附属设施（如路灯、管线等)，还必须能抵御风、雨、温度变化及地震的作用。大桥的荷载包括竖向荷载和横向荷载,如图1-24所示。(1）竖向作用，q代表分布荷载（如桥体的自重)，o代表集中荷载（如交通荷载)。(2)横向作用,q,代表分布荷载（如风荷载),2,代表集中荷载(如地震作用的效果)(3）纵向水平作用o,，如地震作用或交通流制动或加速导致的效果。桥梁通过结构型式承担和传递水平与竖向荷载，桥梁结构不是二维平面结构，而是三维的空间结构，因此在荷载的作用下它表现出三维效应。在桥梁的设计过程中，工程师通常将三维结构划分为多个平面系统，这样的简化对于许多桥梁结构型式是合理的。结构必须能够承受上述三类作用。(二）纵向结构型式港珠澳大桥青州航道桥为钢箱梁斜拉桥，跨距110 m+236 m+458 m+236 m+110 m，桥梁纵向结构（桥型布置）如图1-25所示。桥面板通过缆索悬挂，而缆索以拉力的形式传递荷载，斜拉索将荷载传递给桥塔，为桥面板提供了弹性支撑，如图1-26所示。(三）横向结构型式港珠澳大桥青州航道桥主梁采用扁平钢箱梁结构,横截端面为带凤嘴扁平六边流线型，如图1-27所示，箱室内不设中间腹板，顶板和底板采用U形纵肋加强，具有抗扭和抗弯惯矩大、抗风能力强等特点。阅读材料几种常见结构的受力情况 单杠和棚室屋架，其结构所承受的外力主要有拉力、压力及使单杠杠体发生弯曲变形的力。实际上，结构因其所负荷载形式的不同，相应承受的外力还有很多其他的力。例如，桥的荷载有人、车及载重物、冰雪、大风等。因此，桥除承受拉力、压力及使其发生弯曲变形的力之外，还承受因荷载分布不均匀、不对称而产生的扭矩。又如，梯子的横梁，除了承受压力及使其发生弯曲变形的力之外，在横梁与支柱的两个交接处还要承受剪切力。大坝与此类似，除承受河水作用的压力外，由于水深的变化还要承受剪切力。技术探究 查阅相关资料,收集几种结构承受不同外力的例子。开眼界梁、拱受力的简单图示1梁的受力与变形 为了区别拉应力和压应力,常以“+”表示拉应力,以“一”表示压应力,如图1-28和图1-29所示。在第三节中，将阐释应力的重要概念。梁受力后，一部分纤维受压力而缩短，另一部分纤维受拉力而伸长。两部分之间有一层纤维既不缩短也不伸长，这层长度不变的纤维层称为中性层（图1-29)。对于整个梁来说，弯矩最大的横截面上的应力也最大，这个截面称为危险截面(图1-30)。梁的变形与梁的长度有关。在相同荷载作用下,梁越长,梁的变形越大(图1-31)。梁横截面上的应力与梁的变形还与其横截面的几何形状有关,因此,若要提高梁抵抗破坏的能力和抵抗变形的能力,尽量将材料加在梁的高度上(即远离中性层的位置),这样会比加在宽度上更有效(图1-32)。另外,梁的强度也与梁的材料有关。如低碳钢、铝合金、铜等塑性材料抗拉能力与抗压能力基本相同,适合做梁，但成本高、变形大。而混凝土、石材、铸铁等脆性材料，变形小，但往往抗压能力远大于抗拉能力。土木工程中常用混凝土做梁，为避免受拉部分断裂，要在受拉一侧加上钢筋以承受拉力(图1-33)。梁的变形和材料的弹性有关(图1-34)。荷载越靠近梁的中央，变形量越大(图1-35)。2.梁的受力与平衡 梁在外力作用下保持静止的状态称为平衡,其必须满足如下条件:上式称为平衡条件或平衡方程，式中x、y、z为三维坐标轴(图1-36).3.拱的受力 静载,对于大棚来说，包括拱、梁、塑料膜及连接件共同构成的恒定荷载(图1-37、图1-38、图1-39)。拱是一种曲线形的结构。拱在竖向荷载作用下，端点受到水平方向的约束反力，常称为推力。由于这种推力的存在，拱结构任意截面内的弯矩，将比相当的梁在相同截面内的弯矩要小。拱结构一般比梁结构经济。因此,拱结构可以跨越较大的跨度。拱的结构示意图如图1-40所示。拱的结构型式有三种:三较拱、两较拱和无较拱，如图1-41所示。一般大棚采用的是两饺拱。两饺拱的优点是由于两端是饺支座，因此支撑反力作用点的位置确定，计算比较简单。同时，支撑产生竖向沉陷时，两饺拱也不受什么影响（支座有水平变位时将引起两较拱的内力)。常见拱多为圆弧拱和抛物线拱。拱的应用很多，如天安门城楼的拱门、延安窑洞的拱门、赵州桥的拱形桥洞、砖窑的拱形门 你见到过哪些拱的应用实例?创客坊关于基本构件、拱的探究(1）常见结构中的基本构件主要有:杆、柱、索、板、梁、筋、壳、膜，以及由它们演变、组合的座、桩、臂、球等。这些构件适用于哪些场合?有什么功能?承受荷载与抵抗变形的特点是什么?(2)拱适用于哪些场合?有什么功能?承受荷载与抵抗变形的特点是什么?带着这些问题，你可以去图书馆或通过互联网查找有关资料，并进行实物观察。第三节结构的强度与稳定性教材p20-p32问题思考 衣帽架要能悬挂宿舍全体同学的衣物，一定要结实，如果是立式衣帽架还要保证悬挂衣物后稳定不倒，怎样设计才能使衣帽架既结实又稳定呢?一、结构技术试验及其过程评价(一)问题的提出:怎样理解“结实”和“稳”我们或许亲自经历过或听到过类似下面的谈话:“你的文具盒比我的结实。”“我的椅子坏了一条腿，没有原先稳当了。”请注意这里强调的是两个词语，即“结实”和“稳”(也叫“稳定”)。结实或不结实，稳定或不稳定，都是对某物体结构的某方面性能的一种形容、一种描述、一种评价。(二）尝试结构技术试验技术试验是一项既要动脑又要动手的活动，是学习通用技术课程的重要环节与手段。为了方便试验的进行，本次结构技术试验将分为3个较小的项目。每个项目各有明确的预期目的，内容相对独立。技术试验的总体要求:(1)试验前，要提前做好准备，包括器材准备、试验场地准备及参试人员分组准备等。(2)试验分组进行，组内人员分工明确。各组可以做同一项目，也可以做不同项目。(3)认真傲好交流、讨论。(4)认真写好试验报告（报告的要求见后面)。(5)切实做好安全防范。技术探究 试验1简易拉伸试验 试验项目:纸绳拉伸试验。试验内容:抗拉伸研究。试验器材:自制纸绳多根，砝码1套（或弹簧秤1个)纸绳的参考做法:把旧报纸裁成等宽的长纸条多条将每个纸条卷咸细长小纸卷，卷紧;用股水把露在外面的纸边粘住，做成直径相同的纸绳。试验步骤:(1)将纸绳一端固定悬挂，另一端用于加砝码（或将弹簧秤的一端固定，另一端留作固定纸绳用)。(2)加砝码(或取一根纸绳，一端绑定于秤上，另一端用手拉)，观察并记录纸绳变形与受力的情况，直到将纸绳拉断。(3)取两根纸绳并放到一起,重复步骤(2)。(4)逐渐增加纸绳数量，重复步骤（2)，直到无法拉断多股的纸绳为止。(5)如有时间，可制成另一种直径的纸绳，重复步骤（2)(4)。(6)整理试验记录，小组讨论，提出此次试验的几点结论性看法。(7)撰写试验报告。附:试验记录表格参考格式(表1-2)。试验2简易弯曲试验 试验项目:板条弯曲试验。试验内容:抗弯曲研究。试验器材:宽木板条1条，参考尺寸为200 mm80 mm 3 mm;窄木板条3条，参考尺寸为200 mmx 15 mmx 3 mm;小木块2块快千股水;小铁钉若千。试验步骤:(1)取宽木板条,将其两端用小木决支撑起来,在木板条的中央向下施加压力，观察并体验木板条变形的情况。(2)取一条窄木板条，用胶水和小铁钉将其紧固于宽木板条的中央（图1-42)。重复步骤（1)(3)逐渐叠加窄木板条,重复步骤（2)。(4)整理试验记录(可参照表1-2，自行设计记录表)，讨论，得出结论。(5）撰写试验报告。注意:操作时要注意安全。试验3简易组态试验 试验项目:杆件框架组态试验。试验内容:框架结构稳定性研究。试验器材:相同材质的杆件5根，每根杆件的两端备有可穿过螺栓的孔;螺栓、螺母4副。试验步骤:(1)取3根杆件,用螺栓将它们连接成一个三角形框架,再用螺母固紧,如图1-43(a）所示。在任一结点上施加外作用力F，观察并体验框架的受力与变形情况。(2)拆除三角形框架，重取4根杆件，组成一个四边形框架，如图1-44所示。在四边形框架的某一结点上施加外作用力F，观察并体验框架的受力与变形情况。(3）在四边形框架的基础上，另取一根杆件加入，改组成有一条公共边的双三角形框架,如图1-43(b)）所示。在双三角形框架的某一结点上施加外作用力F，观察并体验框架的受力与变形情况。(4)整理试验记录(同样参照表1-2自行设计记录表)，撰写试验报告，进行交流。阅读材料试验报告的内容与要求 试验报告是对技术试验过程的书面表达，是对技术试验结果的总结和评价。做好试验的本身是学习与研究，写好报告则是进一步的学习与研究。1.试验报告的基本内容 试验项目或题目;试验的内容（可以是一项，也可以是多项);试验的步骤与记录整理;试验的讨论与结论;试验的参与人、试验的时间、报告人。2.试验报告的基本要求 认真观察,及时记录（记录包括试验的条件、观察到的现象、观测到的数据);重在写好结论与讨论。注意:结论要客观，而讨论要强调自主性。对试验的某一过程、某一现象、某一数据直到某一结果，要勇于发表自己的见解与认识，哪怕是与他人不相同的观点。这是培养交流能力的重要方面。(三）技术试验过程的评价技术试验评价的任务是对试验数据和资料进行整理和分析，根据不同的要求和标准，对被试验的对象进行综合评价。试验评价的方法很多，其中最重要的就是试验数据处理、分析方法和综合评价方法。试验数据处理和分析方法，是对大量的观测数据进行整理，从而获得试验因素、条件与性能指标间的规律性认识。为达到此目的，需要运用专门的处理和分析试验数据的数学方法。常用的方法有极差分析法、图解法、回归分析法、方差分析法等，应用这些数学方法对试验数据进行分析和计算,得到试验结果。综合评价方法是在试验数据整理分析的基础上，综合社会、经济和人的因素来分析考查的方法。具体实施有多种不同的形式，最基本的是检查表法，即将试验所获得的数据与以往试验所获得的相应数据和该次试验设计的技术数据列表对应检查，做出优劣评价。前面的三项试验，前两项为破坏性试验，分别研究结构的抗拉伸与抗弯曲性能，最后项研究框架结构的受力变形性能。如何评价这些技术试验过程，可参照表1-3进行。试验2、试验3的过程评价，可参照表1-3进行。技术学科课程的学习，提倡并践行实践学习的方式。经过上面的技术试验及其过程评价的实践学习，一定会获得很多体验与感悟!请将它们补写到试验报告中，以利于本课程后续内容的深入学习。二、应力与强度(一)技术试验后的回顾与思考前几项技术试验，让我们都思考了哪些问题?首先，施加外力于构件，到构件产生变形，它们之间不是一个简单的因果关系，应考虑到构件的结构形状、构件的几何尺寸和构件的材料等影响因素。其次，对于结构变形，只用“结实”或“不结实”来评说是含糊的、不确切的。对于结构的受力与变形以及有关影响因素，应该有更科学的插述。问题思考 在试验1简易拉伸试验中,材质相同、拉力相同,杆件（实例中是绳子)的内力是相同的，但是细的被拉断了，粗的没被拉断。这说明，仅用外力或内力无法说清楚构件“结实”或“不结实”。怎样利用应力的概念来说清“结实”与“不结实”的问题呢?(二)应力、强度构件在外力作用下发生变形的同时，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(图1-45)。内力，是用来抵抗外力与变形，并力图使变形部分复原的力。作用在单位面积上的内力，称为应力。对于图1-45的受力构件来说，应力可用下式表示式中，FN、为内力;S为构件截面积。应力的计量单位为N/m2，工程中称为Pa。通常,物体结构抵抗破坏的能力,用强度来表述;而用应力来衡量强度,既科学又确切。如在试验1简易拉伸试验中,粗绳与细绳相比,前者受力面积大,即承受的应力小。应力小，变形也就小，也就是抗变形能力大。换句话说，粗绳抗拉(力）强度大。技术探究物体的形状与强度 器材:一条布带子（如旧书包背带)。做法:(1)在布带子两端施加拉力，感受并观察其抗变形的情况。(2）在带子一侧剪出一个缺口，重复做法（1)。(3）用剪刀将带子的缺口加大，重复做法（1)，直至带子被破坏。(4)讨论:用应力概念解释试验现象及结果。三、影响结构强度的因素材料1图1-46所示是一种木制花展架的一段。花展架的上、下板之间也是用木料加工制成的杆状支柱。这种外形多变的杆状支柱有赏心悦目的效果。回答问题(1)图1-46中的杆状支柱,最薄弱的地方在哪里?为什么?(2）如果置于上板面的荷载超过杆状支柱的承受能力，杆状支柱会发生什么样的变形?(3）如果在杆状支柱的垂直方向上施加较大外冲击力F，杆状支柱的哪个地方易产生变形甚至断裂?图1-46花展架示意图材料2将图1-46中的木质杆件换成形状相同、尺寸相同的铁制品，花展架将能承受更大的荷载。回答问题(4）相同形状、相同尺寸的花展架，为什么铁质的比木质的更能承载?(5)改用铁质的会带来什么新的问题?材料3桥粱属于建筑的一大门类。最简单最原始的桥梁要数独木桥了。赵州桥是闻名遐迩的世界经典之作。现在许许多多的现代化大桥屹立于长江等内河之上。回答问题(6）你能说出几种桥梁的形式吗?(7)珩架桥的结构有什么特点?(8）你还见过其他形式的楮架桥结构吗?(9）杞架桥靠什么提高桥的强度?阅读材料 图1-47是一座析架桥的结构示意图。图中，上梁和下梁之间采用析架连接。析架桥的设计，就是把梁上的压力和张力都传到析架上，从而增加了梁抗弯曲的能力。桁架桥适用于建造跨度较大、荷载较大的桥梁。影响结构强度的因素通过结构典型案例分析和试验1简易拉伸试验与试验2简易弯曲试验，可以总结出:结构的强度，一般取决于它对张力和压力两方面的反应能力。具体地说取决于以下因素:(1）形状。构成的形状略有改变，强度就会改变。(2）材料。不同的材料有承受不同应力极限的能力。形状相同,材料不同,强度就不同。(3）材料的连接方式。不同的连接方式,受力传递方式和效果不一样。正确认识这些因素,对于我们正确选择结构和材料是很重要的。阅读材料连接方式多种多样 任何一种结构，连接都是其中极为重要的部分。比如，人体由于拥有关节等骨与骨的连接，人在生活、学习和工作中，才得以实现灵活、协调、自由的运动。技术与设计1第五章中，曾就产品装配后的时效性与可动性简单介绍了3种连接方式。实际上，连接方式多种多样。从实现连接的形态来看，力学结构常见的连接方式如表1-4所示。从被连接件间的状态关系来看，力学结构的连接方式归纳如表1-5所示。连接，还可以分为点连接、线连接、面连接等。你对自己周围的一些结构连接方式怎么看?把它们作为实例,填入上面两表格的后面。力学结构中有连接,其他类的结构中也有连接。比如,计算机工作程序结构中，主程序与子程序间、子程序与子程序间也需要有连接。讨论交流 与同学交流并试着填写表1一6。四、结构稳定性(一）结构稳定/不稳定的几种情况(1）不倒翁是一种常见结构。不论从什么方向去推它，它的身体虽发生一时性倾斜，但摇晃几下终能恢复原态。如果将不倒翁倒立，那么倒立的不倒翁一定会很容易翻倒而仍能恢复至原态。(2）常见的椅、凳均用4条腿来支撑。如果将其4条腿往中间聚拢，或去掉其中一条腿而由另3条腿支撑,则必易倾倒而不易维持原态。(3)金字塔、宝塔、江河堤坝等从横截面看都具有上小下大的特点,整体外形近于“A”字形。它们经得起长时间考验而屹立。如果将其倒过来，即变成“V”形结构，则无法做到常立不损。问题思考 江河堤坝的横截面都是上窄下宽的梯形形状。想一想，为什么将堤坝建成这样的结构呢?(二）结构稳定的概念如果结构能传递（或承受)任意形式的荷载，则称为稳定结构，此时它的任何组成部分既不会成为一个可变机构，整体也不会产生刚体位移。稳定性和强度一样，都是物体结构的重要性质。比如，某棚室结构建成后，其虽能承载,强度满足要求,但在受干扰作用后会发生倾斜移动,则表明该结构稳定性不能满足要求。又如，若单杠的立柱埋入地下部分不牢固，致使对杠体支撑不稳，使用时会摇晃甚至翻倒，则其稳定性达不到要求。五、影响结构稳定性的因素及应用(一）影响因素结构需要稳定。那么,究竟有哪些因素会影响物体结构的稳定性呢?归纳前面的分析，可以得出影响结构稳定性的因素主要有以下几方面。1.重心的位置作用在物体重心上的重力，总有将物体的重心尽量拉近（吸向）地面的趋势。因此，物体的重心位置不当（如偏高)，物体将易被移动，甚至翻倒。不倒翁之所以稳定，就是因为它的重心设置得很低，在它的纵向长度的一半以下。如图1-5所示的台灯，由于其底座的质量设置得相当大，使其整体结构的重心很低，因而其稳定性好。2.结构的支撑面积支撑面积大的结构,稳定性好。如椅、凳的4条腿所围成的支撑面积(长方形)大,稳定性好。变为3条腿后,其支撑面积（三角形)随之减小，则板凳的稳定性也随之变差。又如图1-48所示，图(a）表示结构的底部由三点围成的三角形面支撑，而图(b)表示结构的底部由同样距离的三点所在的圆形成的圆形面支撑，图(a）支撑面的面积明显小于图(b)支撑面的面积，所以图(b)的面支撑的结构稳定性相对较好。3.结构的几何形状上端小、下端大的结构，稳定性好。技术探究连接不牢会影响结构的稳定性板凳在荷载作用下，凳面、凳体均未损坏，只是由于构件间连接不牢(如榫卯松动)，凳体产生倾斜而不能维持原有整体形态，出现结构不稳定现象，如图1-49所示。房屋建筑中，楼层与楼层之间的隔板曾有用预制件搭在墙体上的做法。这种建筑在地震情况下容易坍塌。为什么这种建筑结构抗震性能差?调查研究 上面讲的影响结构稳定性的因素主要是与重力有关的因素。其实，影响结构稳定性的因素不止这几点。例如，我们已学过的三角形比四边形稳定。就是说，三角形框架比四边形框架稳定性好。查阅资料，了解还有哪些影响结构稳定性的因素，人们为增加结构稳定性采取了哪些措施。(二）巧妙地增加结构的稳定性怎样才能使结构的稳定性增加?可以想到的是:尽可能地增大结构的底面面积;尽可能地降低结构的整体重心位置。但是，做到这两点要受到很多条件限制。下面，我们来研究增加结构稳定性的技术思想和方法。(1）减小长细比。长细比，指的是结构的纵向有效长度与横向截面的最小几何尺寸之比。如果是杆件，长细比越大，越易失稳。长细形杆件变形的主要情形如图1-50所示。因此，正确处理杆件的长细比和选用材料十分重要。(2)利用三角形框架及其组合结构，可以有效地增加结构的稳定性。本章第三节中的试验3简易组态试验,就是一个很好的例子。另外，自行车车体(图1-9)不也是一种巧妙的结构吗?问题思考 上面的增加结构稳定性的做法，是从什么角度(影响因素)去考虑问题的?你还有没有其他构想?阅读材料两类框架及其稳定性 三角形框架，受力合理，结构稳定。四边形框架相对三角形框架而言，稳定性差。所谓稳定性差,指的是在框架的某一侧边,如果出现外干扰作用力推(或拉）向框架，那么框架将顺着干扰力方向产生倾斜变形。因此，四边形框架结构只在特殊条件下使用，如门框、窗框，它的四周都设有墙壁，才限制其产生变形。框架与稳定性的部分图示1.三角形框架 三角形框架很稳定，如图1-51、图1-52所示，在外干扰力作用下，它的形状不会改变。2.四边形框架 如图1-53所示:(a)四边形框架用饺接便无法稳定。(b)中间加上斜掌即可提供单向的稳定性（当此斜穿承受拉力时)。(c)当斜掌采用不耐挤压材料时，在图