2022年影响物体结构稳定性因素的探究 .pdf

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1、温州市高中学生通用技术学科小论文评比题目影响物体结构稳定性因素的探究学校浙江省瓯海中学姓名庄立约指导教师郎建华联系温州市教育教学研究院精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 11 页1 影响物体结构稳定性因素的探究【摘要】 在知识学习的过程中，我学习到许多影响物体结构稳定性的因素，如重心高度，支撑面大小，物体结构的形状。那么为什么这些因素对物体结构的稳定性有影响呢，它们又是如何影响稳定性的呢？于是我进行以下探究。在研究的过程中，我发现物体摆放的位置对其稳定性也有一定的影响，于是也对此进行了实验。最终我找到了以上因素的共同点：都与

2、重心的位置有关。【关键字】物体结构稳定性 重心高度支撑面 形状 位置【正文】一、背景与意义结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列，如自然界中的蜂窝、蜘蛛网、大树等，日常生活中各种建筑物等。而物体结构的稳定性就是指物体结构在荷载的作用下维持其原有平衡状态的能力。物体结构与生活息息相关，因而物体结构的稳定性是十分重要的，大的方面，我们生活的建筑需要稳定的结构，小的方面，我们停放一辆自行车需要稳定的结构。通过这次探究我要找出那些与物体结构稳定性有关的因素，作用于实践，让我们的生活更加美好。二、提出假设自行的“第三只脚”增加了其支撑面的面积，电风扇的底座降低了它的重心高度也增加了它支撑面的面积

3、，而它们支撑面的面积都随着形状的改变而改变。于是提出假设：物体结构的稳定性与支撑面的面积，重心高度，支撑面形状等因素有关。三、方案选择探究这些因素之前我需要选择用什么方式来比较结构的稳定性。方案一： 将两个不同的结构分别放在一个斜面旁边，通过斜面上滚下的物块，观察哪种结构先被撞击翻倒，以此作为判断稳定性的依据。优点：从相同高度滑下的物块动能相同，可以较为准确地比较两物体的稳定性。缺点：实际操作中，物块到达斜面底撞击结构时，结构会滑动，这样对稳定性的观察便受到了很大的影响。方案二： 将两个结构放在同一块木板上，从一侧将木板缓慢抬起，观察哪种结构先翻到，以精选学习资料 - - - - - - -

4、- - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页2 此作为判断稳定性的依据。优点：有效的防止打滑带来的影响，在实验中比较结果非常明显。缺点：在抬起过程中手会发抖，或者抬起的那侧两边高度不同，用力也有所不同，这样结果就不够科学，也就不够具有说服力。通过对以上两个方案的综合分析，我选择了方案二 ，希望极其缓慢的抬起，可以使其他因素的影响尽可能减小，结果尽可能可靠。四、实验器材选择首先我将较硬的纸张折成各种结构进行研究，发现这些结构在折的过程中有许多形变，凹凸不平，于是我放弃了这种想法。在经过多次筛选之后我选择将一些实物拿来进行实验。两根长均为一米的内径不相同的水管，一块较薄

5、的木板用于切割拼搭三棱柱，一块较厚的木板实验用途，一把量角器用于测量木板翻起的角度 ，卷尺用于测量，一把钢锯切割薄木板。五、研究过程：1重心的高度取一根直径为 5cm 的水管， 锯出分别为 25cm和 35cm的两段， 分别标记为圆柱 1 和圆柱 2 。这样就形成两个形状、支撑面都相同但重心高度不同的结构。G A G 两种材料比照图 1 重心实验模型图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 11 页3 2rarctanh2r= arctanh理论分析： 如图 1 所示，两物体重心位置处有重力，且始终竖直向下，因为物体均匀，所以重

6、心位置在 h/2 处的圆的圆心处。底面半径均为r=2.5cm，原先圆柱的高线与重力方向平行，当木板从 A 侧被缓慢抬起时，圆柱的高线与重力方向不再平行，而是形成了一个夹角，我们设为 通过分析可知即为木板抬起的角度两圆柱与木板接触面上与A 边最远的点变为支点，显然当时为平衡，当时结构的稳定性便受到破坏。圆柱高度小， 的临界值大，所以稳定性越好。进行实验六次，并测量各结构翻倒时木板倾斜的角度，在表1 中记录实验数据如下：圆柱 1 1011981011平均值： 9.8 理论角度： 11.3圆柱 2 767767平均值： 6.7理论角度： 8.1结论： 相同条件下，重心位置低的结构，稳定性较好。2支撑

7、面的大小将上次实验的圆柱1 拿来，取一根较粗的水管，锯出25cm 的一段，测得直径11cm，标记为圆柱 3，形成两个形状、重心高度都相同但支撑面不同的结构。理论分析： 此时两圆柱的 h 相同，r 不同。与分析重心高度时相同，可以得到物体翻倒仍与临界值有关。进行实验六次量各结构翻倒时木板倾斜的角度，在表2 中记录实验数据如下：2rarctanh图 2 支撑面大小实验模型图表 1 重心实验数据记录表精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 11 页4 2 3x=arctan3h223x = r4表 2 支撑面大小实验数据记录表圆柱 1

8、 1191091010平均值： 9.8 理论角度： 11.3圆柱 3 192119192023平均值： 20.2 理论角度： 23.7结论： 相同条件下，结构稳定性随支撑面增大而增强。3物体形状同样取研究一中的圆柱1，取薄木板切出三块全等矩形，并将其拼接成一个三棱柱，高h相同，标记为三棱柱1，为了使不同形状的结构的支撑面面积不受影响，我们需要进行计算。设三棱柱底面的等边三角形边长为x，则x2.7*r 测量得 r=2.5cm 这样就形成了两个支撑面的面积、重心高度都相同但形状不同的结构。理论分析：对于这两个结构的稳定性，显然还是与物体的重心有关，此时正三棱柱的有。进行实验六次，并测量各结构翻倒时

9、木板倾斜的角度，在表3 中记录实验数据如下：表 3 不同形状实验数据记录表圆柱 1 1191110911平均值： 10.2 理论角度：11.3三棱柱 1 151313131616平均值： 14.3 理论角度 17.3结论： 相同条件下，三棱柱结构稳定性比圆柱结构强。在分析后，我发现只有两个形状，无法将所有形状与稳定性的关系表示出来。并且这个实验存在一些不严谨之处。因为是从A 侧抬起，所以三棱柱的支点为一个点。如果将三棱柱A 图 3 不同形状实验模型图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 11 页5 转个方向，将与地面接触的三角

10、形的一条边当做支点，那么结果会有什么不同呢？于是我打算进行第四次探究：与物体位置的关系的探究。4物体位置锯下三块与上次探究一样形状的矩形木块，搭成一个与三棱柱1 完全相同的三棱柱2 ，一个以接触面三角形的边为支点如图4 中 C ，一个以接触面三角形的顶点为支点如图4中 B 。这样就形成两个重心高度、形状、支撑面都相同的结构。理论分析： 对于两个位置的摆放，最大的不同还是 ，计算可知三棱柱 1 的 tan 为三棱柱 2的 tan 的两倍，所以 C 结构较为稳定。进行实验六次，并测量各结构翻倒时木板倾斜的角度，在表4 中记录实验数据如下：表 4 物体不同位置实验数据记录表三棱柱 1 1516131

11、41315平均值： 14.3理论角度： 17.3三棱柱 2 91099910平均值： 9.3理论角度： 8.9结论： 相同条件下，物体结构重心与支点的距离越大，稳定性越强。5. 误差分析在实验中各实物制作时会有一些瑕疵，抬起木板时的力量会不均，摩擦等力会有一定的影响，因此测量角度与理论角度会有所不同。6. 总结论通过上述四次探究发现，物体结构稳定性确实与支撑面的面积，重心高度，支撑面形状等因素有关。同时这些因素都作用于重心，使其位置发生改变，仔细观察可以发现，物体的重心位置越靠近支撑面的中心，结构的稳定性也就越强，同时，支撑面中心到外围各边的距离越大结构也会越稳定。C B 注 B 即为三棱柱1

12、 ,C 即为三棱柱2图 4 物体不同位置实验模型图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 11 页6 【应用】有了总结论， 就知道该如何去提高物体结构的稳定性，我们可以增加物体的底面支撑面面积，可以将物体大部分的质量尽量靠近支撑面，可以改变物体的形状和放置的位置。一些插在草丛中的警示标语因为稳定性不够，经过风吹便倾斜甚至倒下，这就需要增加支撑面面积来使它更加稳定。理发店晾毛巾的架子在风大的时候会被吹倒，改变其受风力的面便可以起到很好的效果。厂家生产产品时要增加稳定性，但这不一定需要增加成本，改变一下形状或结构即可使其稳定性增加，

13、这样效益就会升高。建筑师在设计时也要考虑周围常出现的风向，适当改变建筑的朝向。生活中看到可能具有安全隐患的物体时，可以通过分析初步判断稳定性是否合格。这样很多的安全事故是可以防止的。参考文献：1 顾建军 . 通用技术 - 技术与设计2. 江苏：江苏教育出版社，2004. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 11 页7 方案二：纸张制作过程，凹凸不平，严谨度过于差，质量不均匀，重心无法控制在重心，所以放弃了这次实验。方案一：材料限制，效果不佳。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 11 页8 方案二：实物材料准备阶段1重心的高度2 支撑面的大小精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页9 3物体形状4物体位置测量精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 11 页10 校园被吹斜的警示牌，稳定性不足校园篮球场的防护网，增大了支撑面理发店被吹倒的晾毛巾的架子，稳定性不足，可通过改变位置，增大稳定性精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页