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第一单元 结构与设计
第一节 常见结构的认识
1、 无处不在的结构
回忆……
“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。
结构的各个组成部分称为构件。
蜂巢
蜂巢由工蜂筑造
蜂巢的结构用材最少，
容积最大
蜂房是六角形的，0.073毫米的巢壁，蜂房微微向内倾斜，排列成行，但彼此嵌合得天衣无缝，构成一个整体，牢固无比。重40克的蜂房，却能容纳2000克蜜蜂。
蜂巢的结构精巧又美观
自然界中
蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角109。28’，锐角70。32’完全相同，是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。被应用于飞机的羽翼以及人造卫星的机壁 还有益于隔音和隔热。因此，现在的航天飞机、人造卫星、宇宙飞船在内部大量采用蜂窝结构，卫星的外壳也几乎全部是蜂窝结构。
苍耳子 　植物形态　一年生草本，三角状卵形，先端锐尖，基部心形。边缘有缺刻或3～5浅裂，有不规则粗锯齿，两面有粗毛；头状花序顶生或腋生，雌雄同株，雄花序在上，球形，花冠筒状，5齿裂；雌花序在下，卵圆形，外面有钩刺和短毛。花期7～10月，果期8～11月。 生于荒地、山坡等干燥向阳处。分布于全国各地。
应用　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　.用于不闻香臭、时流浊涕，鼻渊头痛，外感风寒，恶寒无汗，风寒头痛。本品温和疏达，味辛散风，苦燥湿浊，通窍止痛，常配伍辛夷、白芷、薄荷同用，即苍耳子散。
案例1
与尼龙搭扣
瑞士的乔治 德梅斯特拉尔（Georges de mestral）工程师十分酷爱郊游与打猎，在1948年秋季的某一天打猎回来，发现他的衣服上粘着一些鬼针草（牛蒡草）的种子，若要除去这些鬼针草的种子是非常麻烦的事，这引起了他的极大兴趣，他便从衣服上取下一颗种子在放大镜下仔细观察，发现在种子上的芒毛有一个个小钩子，正是这些小钩子抓住了衣服上的纱线。由此他突发奇想，如果能在带子上也产生这些类似的小钩子，它不就也可以使布带相互搭接代替钮扣和拉链了吗？在鬼针草种子的启示下，他经过8年的精心研究，于1956年终于设计了定型的产品，宣告了尼龙搭扣带的诞生
一个善于捕捉灵感的人一定善于创造
苍耳籽遍及全球，粘上草籽者也一定不在少数，然而只有乔尔吉 朵青斯才获得成功，并成为亿万富翁。
创造的灵感何在？其实就在你的身旁。
马上行动
　　生产生活中还有哪些产品的结构是受到自然界事物结构的启发而设计的？
案例2
人类飞翔的梦想源于展翅高飞的鸟，鸟因为有它自由流畅的体形和翅膀结构，飞机原型源于飞鸟形体结构的仿生。
中国的大飞机在研制中
鹰眼
与导弹跟踪系统
大自然是最完美的设计师
世界上任何事物都存在结构，结构无处不在。
技术领域：铅笔、剪刀、服装、汽车、楼
房、桥梁等一切产品都具有特定
的结构。
社会领域：一个政党、一个班集体、一首歌、
一句话、一种学习方法等也具有其
特定的结构。
……
技术领域
长
城
希腊帕特农神庙（又称雅典娜神庙）
A honey comb grill structure is for more airflow.
The honey comb grill structure is more efficient than standard circle stamped grill structures.
悉尼歌剧院
在实际中，很多物体结构，由多种基本结构组合而成。
桥
赵州桥
海南世纪大桥
结构影响着性质和功能。
结构方面存在的一个小问题也许会导致一个重大事故的发生。
卓越的结构是设计者和制造者的追求。
1900年，连接加拿大Winnipeg市和Moncton市的魁北克大桥开始修建，这座桥横跨圣劳伦斯河，是加拿大国家横贯大陆铁路的一部分，然而就在这座桥即将竣工之际，悲剧发生了。1907年8月29日下午5点32分，即将建成的大桥突然倒塌，当场造成了至少75人死亡，多人受伤。事故调查显示，这起悲剧是由工程师在设计中一个小的计算失误造成的。1913年，这座大桥的建设重新开始，然而不幸的是悲剧于1916年9月再次发生。，1917年，在经历了两次惨痛的悲剧后，魁北克大桥终于竣工通车，这座桥至今仍然是世界上最长的悬臂跨度大桥。
1922年，在魁北克大桥竣工不久，加拿大的七大工程学院一起出钱将建桥过程中倒塌的残骸全部买下，并决定把这些亲临过事故的这些钢材打造成一枚枚戒指，发给每年从工程系毕业的学生。为了体现是代表桥坍塌的残骸，戒指被设计成被扭曲的钢条形状，用来纪念这起事故和在事故中被夺去的生命。于是，这一枚枚戒指就成为了后来在工程界闻名的工程师之戒(Iron Ring)。
魁北克大桥
美国明尼苏达州一座跨越密西西比河的公路桥07．8．１傍晚发生坍塌
07.8.13湖南湘西自治州凤凰县境内凤大公路(湖南凤凰至贵州铜仁大兴机场)堤溪段大桥突然垮塌
今年湖南郴州50年来大雪灾，三位电力工人在进行抢修的时候因输电铁塔倒塌，牺牲了自己年轻的生命······
社会领域
抽象的结构如文学类的小说、诗词等，人员结构、计算机方面的数据结构等……
2、结构的类型
1 实体结构
受力情况：力承受在物体的外表，如大坝、实心墙、实体物
2 框架结构
由细长的构件组成。
受力情况：支撑空间却不充满空间。 可以承受压力和拉力等。
3 壳体结构
国家大剧院在建设中
受力特点：外力作用在结构体的表面上。特别是当顶部受到压力时，它能将力均匀扩散。
1、狩猎者从灌木丛走过，裤子沾满了令人讨厌的苍耳子。仔细观察苍耳子，它的表面布满了许多小刺，每根刺上都有细细的倒钩，碰到纤维的衣物，便粘在上面。瑞士的乔尔吉·朵青斯经过8年的研究，根据苍耳子的结构发明了（ ）
A、拉链 B、尼龙搭扣 C、鱼 D、飞机
2、分析下列物体的结构类型，哪个属于实体结构。（ ） 　A．电灯泡 B．乒乓球 C．橡皮檫 D．篮球
5、我们所用的板凳属于（ ）结构。
A实心结构 B框架结构 C空心结构 D壳体结构
3、分析下列物体的结构类型，判断哪个不属于壳体结构。（ ） A、西瓜 B、圆形陶瓷饰品 C、贝类 D、金字塔
4、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 。如自行车的车轮、气门等。
物体结构 实体结构 框架结构 壳体结构 组合结构 受力特点
栅栏
圆形陶瓷装饰品
冰山
高层建筑的穹顶
钢化玻璃锅盖
竹排
汽车外壳
人的头盖骨
古罗马斗兽场
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2 、 结构与力
从力学的角度来说，结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形态和大小改变的力。
让我们一起看看下面的例子吧！
马上行动
指出下例结构可以抵抗来自外界那些方面的作用力。
建筑物的窗户
餐桌
硬纸包装箱
参考答案：
建筑物的窗户：
餐 桌：
硬纸包装箱：
抵抗来自建筑物墙的正向和侧向的压力、风的作用力，及其自身的重力等
承受来自桌面物体的压力和它自身的重力等
承受箱内物体的重力、箱内物体向外的挤压力以及自身的重力等
通过以上例子可以得出：结构可
以抵抗来自外界的作用力，那结构一
般会受到哪一些力？
赶紧来学学以下五种力吧······
拉力：物体所承受的拉拽力。
拔河！
拉拉面、拉油条、拉拉力器
压力：挤压物体的力。
趁热打铁！
压订书机、桥墩受到压力、压路机压路
剪 切 力： 两个距离很近，大小相等，方向相反，且作用于同一物体上的平行的力。
修理草坪！
剪刀剪纸、钢丝钳钳钢丝
弯曲力：作用于物体，使它产生
弯曲的力
钓 鱼！
使用弓、使用臂力器、撑杆跳高
扭转力：反方向向物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力。
拧干衣服！
拧瓶盖
拧麻花条
拉力 作用于物体 ,使它产生弯曲的力
压 力 两个距离很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物体上的平行力
剪切力 挤压物体的力
扭转力 物体所承受的拉拽力
弯曲力 反方向向物体两端均匀施力,使物体发生扭转形变的力
马上行动: 请连线
观察右图,说明
石磨的推杆为
什么要用一根
绳子吊起来。
探究：
答案： 1、保持人在推磨过程时推杆始终在平行于
地面的平面上运动；
2、防止推杆弯曲变形。
一个复杂的结构由许多不同的部分组成,这些组成部分通常称构件。例如自行车的车轮，它是由辐条（钢条）、轮胎 、车圈、气门等构件组成的。
当我们给自行车轮胎打气，气压过大时，它的内胎就会爆炸！为什么呢？
下面我们来分析结构受到外力的情况：
自行车轮的结构
F
S
F是内力， Ｓ是受力面积， σ 是应力， 内力是结构受到外力，内部产生一种抵抗力，应力是构件的单位横截面上产生的内力，当应力达到某一极限时，结构就会遭到破坏。
σ ＝
让我们来做一个小游戏：
你能否不用任何工具，仅凭你的两
只手将一根筷子折断？然而你能用同样的力把两根筷子折断吗？
小 试 验:
试验要求：
A、每小组用6张扑克牌 ，制作一个简易结构；
B、形状不限，高度为扑克牌的宽度（55mm）。
试验目的：比较不同形状的扑克结构承受压力的大小。
试验准备：1、六张扑克牌。(备用一张)
2、用哑铃片作为加压的重物。
试验工具：剪刀等。
课外作业:
利用整付扑克牌，搭建你心中的结构模型，高度不低于50CM，并简述结构的受力特点
练习：在交通法规中规定，驾乘两轮摩托车必须戴好安全帽，否则会被罚款，扣分。请你从结构的角度说明为什么要戴安全帽？ 当出现交通事故时，摩托车手的头盔是如何避免外力对头骨的撞击的？汽车的安全气囊又是如何保护驾驭员的？
参考：摩托车手头盔的某一部位受到一个大的撞击力，由于头盔的壳体结构，使得所受力迅速分布到其表面，形成整个头盔表面均匀受力，而不是某一点受很大的力……
当汽车前端发生强烈碰撞时，安全气囊就会瞬间从汽车方向盘内弹出来，垫在方向盘与驾驭者之间，防止驾驭者的头部和胸部撞击到方向盘或仪表板等硬物上。除了驾驭员侧有安全气囊外，有些汽车前排也安装乘客用的安全气囊……
3、如果一个构件在5平方米的横截面积上，受到外力的作用，产生了20N的内力，那么该构件的应力是（ ）
A、25Pa B、15Pa C、4Pa D、100Pa
4、下列结构承受拉力的有( )
A、电梯钢丝绳
B、电力传输线路的电线
C、起重机上的吊钩
5、以下列表中抗张强度最大的是( )
A、圆柱体容器
B、立方体容器
C、球形容器。
6、拱形结构的重要特点是将弯曲应力变成（ ），但它抗集中载荷的性能差。
A、拉应力
B、剪切力
C、压缩应力
当一个结构受到外力作用时，内部各质点之间的相互作用会发生改变，产生一种抵抗的力，称为 。
2．在举办运动会的时候，运动员在单杠上做大回环姿势时，会使杠体
产生（ ）变形。
A拉伸 B弯曲 C压缩 D断裂
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，经过漫长的岁月的演变，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，给我们带来了发明创造的宝贵灵感！
问题：
1、 为什么它们以较薄的外壳，获得了较大的承受外力的卓越性能？（用力学知识解释）
日常生活中，使用螺丝刀时，螺丝刀需要承受什么力（ ）
A、拉力 B、压力 C、弯曲力 D、扭曲力
结构是指事物的各个组成部分之间的__________和__________。
从力的角度来说，结构是指可承受一定力的作用的架构形态，它可以抵抗能引起 改变的力。
结构的基本类型有那些？对每种类型举出一个例子。
下列结构承受拉力的有( )
A、电梯钢丝绳
B、电力传输线路的电线
C、起重机上的吊钩
以下列表中抗张强度最大的是( )
A、圆柱体容器
B、立方体容器
C、球形容器。
判断题
任何能够抵御外力并保持自身形状和大小的构造都是结构。（ ）
构件形状和整体造型不同，结构的承受力也不同。（ ）
折叠和弯曲可以提高材料的承受力，折叠和弯曲成不同的形状，其承受力也不相同。（）
身边建筑物支架的特点
下大上小，降低重心，增加稳定性；
内部有许多的三角形；
使用材料有的部分比较粗，有的部分比较细。

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