第一章 结构与设计
第一节 初识结构
内容提要及基本要求：
1、认识身边无所不在的结构。 2、能从力学的角度理解结构的涵义和本质。 3、会对日常常见结构进行归类。
1 无处不在的结构
结构(Structure)
世界上任何事物都存在着结构， 结构多种多样且决定着事物存在 的性质。
1、单杠受力和变形分析
• 看一段视频
受力特点：外力作用在结构体 的表面上，如建筑，汽车外壳， 贝壳。
台灯
材料阅读:
一件建筑和高级工程学的杰作
蛋壳对于压力的承受力是惊人的。人人皆知的是，在中国杂技 佳作中，不仅有人踩鸡蛋的节目，更有提起两桶水踩蛋的精彩 表演。这是巧妙地利用蛋壳承受压力能力的一个极好的例子。 蛋不仅是整个生物界最大的单体细胞，以现代技术和工程知识 系统的眼光来看，它还是一个集工程学、建筑学、防卫战略、 保存能量和使空间利用达到最佳化与将其最完美结合于一身的 大自然的绝妙之作。
我们的观察首先从鸡蛋，特别是从蛋壳开始。蛋壳是由94%的碳酸钙 （以方解石晶体的形式）、1%的碳酸镁、1%的磷酸钙和4%的蛋白 质构成的。方解石晶体基本上是随意排列的，因此在晶体之间形成了 许许多多的小孔，这些蛋孔可以让空气和湿气能通过，而空气和湿度 对于雏鸡，当然还有细菌（比如沙门氏菌）的生存来说是必不可少的。
五种基本的受力方式
拉 作用于物体 ,使它产 力 生弯曲的力
两个距离很近 ,大小 压 相等,方向相反,且作 力 用于同一物体上的
平行力
剪 切 挤压物体的力 力
扭 物体所承受的拉拽 转力 力
弯 反方向向物体两端 曲 均匀施力 ,使物体发 力 生扭转形变的力
马上行动
建筑物的窗户
指出下列结构可以抵抗来自外界 哪些方面的作用力。
鹰眼 与导弹跟踪系统
• 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？
• 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
在生产生活中那些产品的结构是受到自然物 体的结构的启发而产生的?
此款鼠标垫的内部结构为仿 蜂巢设计，这一设计大大降 低了鼠标垫的重量，却不影 响鼠标垫的韧性。蜂巢结构 设计保障了鼠标垫的结构稳 定，使用再久也不会发生变 形。
餐桌
硬纸包装箱
参考答案：
建筑物的窗户： 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
餐 桌：
承受来自桌面物体的压力和它自 身的重力等
硬纸包装箱：
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
3 结构的类型
结构指物体的各组成部分之间的搭配和排列，确定的 搭配和排列决定了物体的性质和形态。 物体的结构是多种多样的，其分类也是多种多样的。
应县木塔
球形空间桁架结构
北京国家大剧院 出这样一座大酒店
松江大酒店
上海松江有个100米深石场，还有一个小湖。 Atkins设计公司就在这里设计了一个22世纪风格的 五星级的松江大酒店。建筑宏伟壮观，有一组瀑布 状的玻璃幕墙，非常漂亮。这还是一座极为环保的 建筑，整个酒店的屋顶种满绿草，石场为酒店提供 了良好的温度控制。酒店总共能住1000位客人，他 们可以享受酒店里的餐厅、咖啡厅、健身房、宴会 厅、水下水族馆、会议厅、泳池、攀岩......
实心结构
常见的结构 框架结构
的类型：
壳体结构
1 实心结构
• 实心结构： 结构体本身是实心的
受力特点：外力承受在 物体的外表，如大坝、 实心墙
• 框架结构：结构体由细长的构件组成的结构 2 框架结构• 受力特点：支撑空间而不充满空间。如铁架塔
建筑用脚手架，厂房的框架。
桁架结构
3 壳体结构
国家大剧院
小试验: 试验不同纸板的承受压力
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
结构是为了承受力和抵抗变形，这便 是结构的本质。
每个物体都有它特定的架构形态这种架构 形态体现着它的结构，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。
自行车轮的结构
F
σ＝
S
F是内力，Ｓ是受力面 积， σ 是应力，应力是 结构的单位横截面上产 生的内力，当内力达到 某一极限时，结构就会 遭到破坏。
方解石晶体的排列赋予了蛋壳与其作用相称的一个完美的结构，也就是它 能够抗较大的压力，但对于拉力来说相对较弱。这样，如果通过两介凸出 的顶端，对蛋壳施加力，那么鸡蛋抗压力就显得很强，这也是由它们的拱 状结构的力学特性决定的，拱形结构使圆屋顶和拱形物能够承受巨大的重 量。在这种状态下，压力沿拱状结构（也就是沿蛋壁）分布，而不会使结 构断裂。而蛋壳又必须是易碎的，这样雏鸡只用微弱的力就能破壳而出。 雏鸡用嘴向外用力，从蛋壳内部看呈凹形的顶部很容易碎裂，因为它的抗 拉力很弱。
使用者将产品对准歹徒，扣动板机，击发弹点击后，形成巨大的 推动力，将产品前置的捕捉网发射出去，在10米的范围内将歹徒 罩住，使歹徒无法奔跑，且越动网罩越紧。在10米左右的范围内， 对准歹徒发射，张开的巨大网罩能准确地罩住歹徒，成功率高达 98%以上。网为高强度尼龙丝编织而成，具有重量轻、韧性强、 不易损坏等特点，能牢牢地罩住歹徒。
输 型电看塔，覆这冰些垮输塌电，塔给属灾于区（人B民）带来了严重的后果。从结构的类
A．实体结构 B．框架结构 C．壳体结构 D．柱形结构
4.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（ A．拉伸
BB．）弯变曲形。
C．压缩
D．断裂
问答题： 晾衣架通常由曲臂、撑杆和挂钩组成，如图所示。当衣物对 称挂在衣架曲臂上时，请问： （1）晾衣架的挂钩、曲臂、撑杆的受力形式分别是什么？
杠体受力弯曲变形、方向
• 构件：事物的各个组成部分 • 架构：事物的主体框架与构造形式
古老的板凳
椅子
蜂 巢
蜘 蛛 网
恐龙骨骼
人体骨骼
树
应县佛宫寺释迦塔位于山西省朔州市应 县城内西北佛宫寺内，俗称应县木塔。建 于辽清宁二年（公元1056年），金明昌 六年（公元1195年）增修完毕。是我国现 存最高最古的一座木构塔式建筑，也是唯 一一座木结构楼阁式塔，为全国重点文物 保护单位。
结构(Structure)
是指事物的各个组成部分之间的 有序搭配和排列。
本质：是为了承受力和抵抗变形
苍耳子 与尼龙搭扣
植物形态 一年生草本，三角状卵形，边 缘有缺刻或3～5浅裂，有不规则粗锯齿，两 面有粗毛；它的表面布满了许多小刺，每根 刺上都有细细的倒钩，碰到纤维类的衣物， 便粘在上面。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。
利用矿泉水瓶，你能做出什么东西？
矿泉水瓶小制作
当堂训练当堂达标：
1.下列哪种结构是受自然界事物结构启发而产生的？（ B）
A．钢笔
B．潜艇 C．课桌 D．黑板 C
2．分析下列物体的结构类型，属于实体结构的是（ ）
A．电灯泡 B．乒乓球 C．橡皮擦 D．篮球架
3.2008年1月我国南方遭遇了50年一遇的雪灾，很多灾区的
The Question是reebok为艾弗森设计的第一 双鞋。 整双鞋采用reebok的[Hexalite]（
蜂巢）技术，利用独特的六角形几何连接 结构，将受力均匀分散，进行很有效的缓 震。后掌采用一整片蜂巢缓震材料，将鞋 底和侧面完全包裹，增加了稳定性。
“德耳塔7运动”(Delta 7 Sports) 公司在他们推出的Arantix山地自行车 上，典型的质密圆柱管形材料被可通风、可看穿的网格结构所取代。这 种网状结构由碳纤维合成物编织而成，并用凯夫拉尔绳(纤维B)进行捆绑。 虽然这张“蜘蛛网”看起来可能很脆弱，但这种名为“IsoTruss”的碳 纤维合成物强度上却要胜过钢、铝和钛，甚至比质密的的碳合成物还要 坚固——当前的超轻型自行车车架一般都使用这种材料。
木塔位于寺南北中轴线上的山门与大 殿之间，属于“前塔后殿”的布局。塔建 造在四米高的台基上，塔高67.31米，底 层直径30.27米，呈平面八角形。第一层 立面重檐，以上各层均为单檐，共五层六 檐，各层间夹设暗层，实为九层。因底层 为重檐并有回廊，故塔的外观为六层屋檐。 各层均用内、外两圈木柱支撑，每层外有 24根柱子，内有八根，木柱之间使用了许 多斜撑、梁、枋和短柱，组成不同方向的 复梁式木架，整个建筑没用一颗钉子。有 人计算，整个木塔共用红松木料3000立 方，约2600多吨重，整体比例适当，建 筑宏伟，艺术精巧，外形稳重庄严。
案例1
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
杠体
立 柱
拉杆
（1）杠体的受力与变形
• 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
• 包括人体质量、回转运动产生的离心力
杠体受到的力的方向
• 任意时刻，人对杠体的作用力，其方向，都是从杠 体指向人重心所处的瞬间位置。
• 单摆实验
小球对固定点的作用力，其方向，从固定点指向小 球球心所处的瞬间位置。
（2）现有塑料绳、细电线、细竹竿和木条，哪些材料适合 做晾衣架的撑杆？请从撑杆受力角度简要说明理由。
答： (1) 挂钩的直杆受拉力、曲臂受弯曲力、撑 杆受压力 (2) 因为撑杆受压力，所以细竹杆和木条适 合（能够支撑曲臂的两端）。
鹰眼与导弹跟踪系统
• 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