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1.1常见结构的认识


第一单元 结构与设计
1.1常见结构的认识

1)自然界中的结构。 在自然界,相同的物质,不同的结构,表现出不同特 性的现象处处可见。 A、同样是水,有液态、气态、固态; B、同样是碳,但有最硬的固体金刚石和最软的固体石 墨存在; C、化学有机物结构不同性质不同(色素); D、同样的六个字“这个人表现好”“这个人好表现”, 但因排列不同,就形成了一褒一贬; E、用同样的材料,做出的结构不同的小板凳就会有不 同的特性,有的稳,有的不稳; F、各种材料组成结构可以使“死的”材料变成“活的” 机器。如:发动机、电子计算机、机器人、飞机、火 箭??

世界上任何事物都存在结构,结构多种多样且 决定着事物存在的性质。

这两种结构的优点在哪里?
? 蜂巢:使用最少的材料制作尽可能宽敞 的空间,不会出现缝隙,空间使用效率 最好。 ? 蜘蛛网:任意两个节点都能找到一条可 通过的路径

什么是结构?

结构(structure):是指事物的各 个组成部分之间的有序搭配和排列。
结构的各组成部分,通常称为构件。
例:人体结构,分子结构,阶级结构,文 章的结构,汽车结构,桌子结构,地球结 构等。

科罗拉多大峡谷

你能否举例说明事物的各个组成部分之间的搭 配和排列改变了,事物的性质也发生了改变。

? 例:课桌、圆珠笔、课本、水 杯、粉笔盒、书包…… ? 又如:人的染色体有X染色体、 Y染色体之分,X染色体、Y染色 体不同的搭配和排列,决定这 个人是男人还是女人。

形形色色的结构能给人以美的享受,给人创造 的灵感和启示。人们将其成果应用到技术领域, 更好地服务于人类。 ? 蚂蚁力量非凡的嘴巴给了科学 家们发明推进体系的微型机器 人的灵感 ? 美国伊利诺大学香槟分校的生 态学家兼昆虫学家安德鲁· 苏雷 兹他告诉《生命科学》杂志: “如用于营救工作的机器人。”

阅读案例: 书本P3
? 苍耳子与尼龙搭扣; ? 鸟与飞机; ? 鹰眼与导弹跟踪系统

提问:人与动物相比,在结构上有什么不同?分析
其劣势与优势。 鹰可以在几千米的高空准确无误地辨别地面上 的动物,这是因为它的眼部结构比较特殊。人类每只 眼睛的视网膜上都有一个凹槽,叫做中央凹。而老鹰 眼中的中央凹却有两个, 这两个中央凹的作用不同, 其中一个专门用于接收来自鹰头侧面物体的像, 另 一个用于接收来自鹰头前方物体的像。这样,老鹰的 视觉范围就宽多了,能兼顾前方和侧面。根据鹰眼的 结构,人们正在研制“ 鹰眼”导弹系统。这种导弹 系统能自动寻找、识别目标并跟踪攻击。
提问1:除了根据鹰眼的结构,人们正在研制“ 鹰眼”导弹系统以外, 你还受到哪些启发? 提问2:如果在人类的视网膜上象鹰一样有两个凹槽,世界将会如何变 化? 提问3:将来运用技术手段在人的视网膜造出两个凹槽,有这种可能吗?

马上行动:生产生活中还有那些产品的结构是受 到自然界事物结构的启发而产生? (鱼鳍) 船桨 (萤火虫) 人工冷光 (鹰) 风筝 (螳螂臂或锯齿草) 锯 (随风旋转地飞蓬草) 车轮 (海豚) 潜水艇 (蝙蝠) 声纳 (鸭子) 潜水用的脚蹼 潜水艇的流线型设计 (鱼类)

如果结构不合理就会产生什么后果?

2)技术领域中的结构:
希腊帕特农神庙(又称雅典娜神庙)

阅读 “魁北克大桥的坍塌”

书本P4

思考:大桥坍塌的原因是什么?

? 事物的结构影响着事物的性能和 功能,合理的结构是事物存在和 发展的基础,卓越的结构是设计 者和制造者长期的追求。

3) 社会领域中的结构:
[马上行动]:P4 请分别列举自然界、技术领域、社会领域给 你印象较深的有关结构的事例? ? 自然界:天体结构、地球的结构、植物的 结构、动物的结构 … ? 技术领域:汽车的结构、微机的结构、电 脑主板的结构、数字控床的结构 … ? 社会领域:教育管理系统的结构、通用技 术的学科结构、课堂教学结构、文化、经 济格局等。

自然界形形色 色的结构给了 人们无穷的创 造灵感和启示

结构决定了事物的性质和形态

合理的结构是事物 存在的基础,卓越的 结构是设计者和制 造者的重要追求

课堂回顾:

结构: 是指事物的各个组成部分 之间的有序搭配和排列。
? 1)自然界中的结构 ? 2)技术领域中的结构 ? 3)社会领域中的结构:

结构与力
? 从力学角度来说, 结构是指可 承受一定力的架构形态, 它可 以抵抗能引起形状和大小改变 的力。 ? 每个物体都有它的特定的架构 形态,这种架构形态体现着它 的结构。

一个较复杂的结构由许多不同的部分组成, 这些组成部分通常称为构件。

如:
自行车的组成构件:自行车车 架、车把、传动、座鞍、车轮 等。
车轮的组成构件:辐条、轮胎、 车圈、气门等

一个设计合理的结构应该能承受外界的 各种作用力,抵抗各种变形。

怎样分析受力情况?
? 首先要清楚组成结构的构件受 到哪些力的作用; ? 其次要清楚在这些力的作用下, 构件能否安全、可靠地工作, 即对构件承载能力的分析。

生活中常见的结构都能抵抗来自外界的各种 作用力和自身重力。 例如:

? 自行车承受人和所载物体的压力及 自行车自身的重力; ? 桥墩承受自身重力及负荷的压力、 大风的作用力等其它外力。

讨论分析生产、生活中常见结构,要抵抗 来自外界力的作用情况:
建筑物的窗户: 自身重力、墙体的压力、风力、外来撞击力 … 课桌: 自身的重力、手臂的压力、桌面上某个物体的 压力、推拉力、地面对其的支撑力 …

硬纸包装箱:
箱内物体的重力、箱内物体向外的挤压力、自 身的重力、外界压力、所装载货物的压力 …

构件的基本受力形式:受拉、受压、受剪切、 受弯曲和受扭转。
受拉 受压 构件承受拉拽力 构件承受使之被挤压的力。

构件承受两个距离很近 ,大小相等, 受剪切 方向相反的平行力
受扭转 构件两端承受方向相反的均匀的力, 使它发生扭转形变。

受弯曲 构件承受使之产生弯曲的力

阅读案例分析P006:桥梁桥面的受力

探究:观察左图,说明石磨的推杆为什么要 用一根绳子吊起来?

? 一是保持人在推磨时推杆始 终在平行于地面的平面上运 动,改变了人推磨时的用力 方向,只需前推与后拉,使 推磨更轻松; ? 二是防止推杆弯曲变形,可 以承载一些推杆的重力。

小实验:
比较不同形状的纸板承受压力的大小。 回答问题: 1、哪种情况下纸板的抗压能力最强? 2、举例说明这一结论在实际应用中有什 么意义。 3、如果把纸板折成瓦楞状,试验结果会 发生什么变化?

任何结构承受的 外载荷,都是拉、 压、剪、扭、弯中 的一种或几种的组 合。

? ? ? ? ?

1)秋千的吊索,主要承受拉力; 2)桥梁的桥墩,主要承受压力; 3)连接齿轮和轴的键,主要承受剪力; 4)汽车方向盘的轴,主要承受扭力; 5)单杠的杠体(上面的横杠),主要受 弯力; ? 6)吊扇旋转,吊杆主要受扭力和拉力; 为了保证结构的正常工作,这些构件必须有对 于主要载荷的足够的承载能力。这是结构设计 中必须考虑的重要问题。

3.结构的类型:
1)实体结构:是指结构体本身是实心的结构。
受力特点:外力分布在整个体积中。 实体结构可以连续传递载荷,适于承受压力。 例:长城、三峡大坝、厨房中的菜板子、实心 墙、水库的大坝、古代的城墙、柱子、实心球等。

2)框架结构:是指结构体由细长的构件组成 的结构。
受力特点:支撑空间而不充满空间,能承受垂直和 水平荷载。 框架结构是由杆件或板件连接而成的,构件可 以是空心,也可以是实心;可以是平面框架,也可 以是空间框架。由于这种结构用料少,可以承受多 种载荷,因此用得很广泛。
例:窗户、画框、房子、竹排、教室的门窗常用木框架,蔬菜大 棚的棚体、建筑用脚手架、自行车、艾菲尔铁塔、桌子、板凳、 书橱、输电铁塔。

3)壳体结构:通常是指层状的结构。
受力特点:外力作用在结构体的表面上,由弧面 整体分担承受,抵抗变形。 壳体结构是用薄壁壳状构件来替代空间框架而形 成的一种空间结构。由于它可以将作用在其上的集中 横向载荷分散为沿壳体的压力。因此在场馆建设中用 得很多。
例:头盔,汽车飞机外壳、饮水杯、文具盒、装甲车、油罐、鸡蛋、 核桃、瓜子、西瓜、锅碗瓢盆??等

作业:
? P11.3


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