青少年AI测试考级系列之影响结构稳定

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结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡状态的能力。

荷载:施加在结构上的集中力或分布力。指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素。

稳定不是状态绝对不变,而是指受干扰后,允许状态有所变动,但当干扰消失后,能重新返回到原平衡状态,称为稳定。比如:儿时经常玩的不倒翁。如果不能回到原有平衡状态,则称为不稳定。

01科学体验小游戏

1、推掌游戏

要求:邀请两位身高、体重相近的同学蹲着划定的圆圈中。一位同学双脚并拢,一位同学双脚伸开。然后,两人手掌相对,推动对方出圈……反复多重后,你会发现双脚并拢的同学总会输掉比赛,这是为什么?

2、斗鸡游戏

男孩子都特别喜欢的娱乐游戏。要求:一脚独立,另一脚用手扳成三角状,膝盖朝外,用膝盖去攻击对方。思考怎样操作?才能有更多的获胜几率呢?

通过让孩子参与游戏体验,他们会发现很多比赛的诀窍。本文就分享这些游戏背后的一些科学原理:

02了解“重心”的概念

重心是物体上的一个特殊点,是物体各部分所受重力的合力的作用点。无论物体处于什么位置,重力都会通过这一点。比如:如果某个人站立的姿势太过倾斜就会倒地,不妨你可以试一试。记住两个结论:

1、规则且密度均匀物体的重心就是它的几何中心。

2、物体的重心,不一定在物体上,也可以在物体之外。

03重心高度对稳定性的影响

是不是结构的重心越低,就一定越稳定呢?

比如:人站立时稳定,后背挺直往下坐的时候会变的越不稳定,为什么重心下降了,人反而不稳定呢?

所以,重心越低,并不代表结构就越稳定。这主要取决于:重心点的垂线位置,是否落在结构底面的范围内。

比如:比萨斜塔(CAMPANILEDIPISA),世界建筑史上的一大奇迹。由于塔身压力过重和地质松软,南面的地基比北面约低2米。在施工期间塔身即出现轻微倾斜,随着工程的进度,倾斜度不断增加。到塔身建到第三层时,可明显看出倾斜,曾一度停工。一百多年以后,经工程师托马索·皮萨诺精心测量和计算,证明比萨斜塔虽倾斜,但不会倒塌,使工程继续按原设计施工,直至竣工。

在我国辽宁瑞州,有一座古塔身高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。

类似的奇妙建筑还有很多,其背后的原理都是我们前面讲到的结论:结构的重心垂线始终是在结构底面的范围内,所以才保持斜而不倒。

04支撑面积大小对稳定性的影响

首先需要了解两个概念:接触面和支撑面。

接触面:指物体与地面接触形成的面;支撑面:指物体与地面接触形成支撑点的连线与地面构成的面。两种之间的关系是:支撑面大于或等于接触面。

结构的稳定性与结构和地面接触所形成的支撑面的大小有关系。支撑面积越大,结构越稳定。

比如:上图中右图的板凳四条腿朝外,就增大了其支撑面,所以结构更稳定。生活中这样的案例有很多。如:有些学校的课桌椅腿都是向外倾斜的,法国巴黎的埃菲尔铁塔的底座设计的就很大,还有三峡大坝水库的横截面总是建成梯形的,这些都是增大与地面接触所形成的支撑面。支撑面越大越坚实,其稳定性就越好。

05结构的形状与稳定性的关系

结构的形状也会影响结构的稳定性,三角形的结构更稳定。

比如:A字形梯,一般情况下,梯子打开的时候,梯面与地面组成三角形,梯子本身就能站的稳。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,包装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。

再比如,静止停放的单车如何保持平衡?户外的大型广告牌,采用的也是三角形结构。

06总结

本文的核心内容:

1、结构稳定性的概念

2、影响结构稳定性的主要因素

重心位置高低

结构的形状

结构与地面接触所形成的支撑面的大小

3、结构稳定的基本条件

重心所在点的垂线落在结构底面的范围内

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