浅析高中力学知识与建筑的关联性

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  1引言
  力学首先是一门基础科学,是所有技术的根基,力学的规律带有普遍适用性,是机械、材料、建筑、土木等工程技术的理论基础。力学同时也是一门技术科学,力学和工程技术的结合,使得力学的发展出现了多种分支,而且各分支产生了多种设计原理和计算方法,也出现了多种试验方法,对力学的基础研究起到了反哺的作用。
  力学按研究对象分类,可以分为固体力学、流体力学和一般力学。力学在工程技术方面的应用,形成了工程力学和应用力学等多种分支。高中力学正是工程力学的一部分,因此高中力学的重要性不言而喻,本文在深入掌握高中力学的基础上,探讨了高中力学与建筑的关联。
  2高中力学在建筑行业的应用简介
  高中力学是工程力学的基础知识,为了方便高中学生的学习,一般建立力学模型时,将所研究的对象化为质点。按照力学研究的问题分类,可以分为静力学、运动学和动力学三部分。
  静力学:研究物体处于平衡状态时的力,牛顿第一定律即是阐述相关内容,力学原理的合成、分解和平衡,以及平行四边形法则等在分析静力学问题上有重要的作用;运动学:研究物体运动时的几何性质,比如速度、路程等;动力学:研究物体运动时力的作用,比如加速度、惯性等,牛顿第二定律即是阐述相关内容。
  在建筑行业中,高中力学有广泛的应用,比如三角支架、铰链、杠杆、千斤顶、塔吊的桁架结构、吊车滑轮组结构等。
  随着经济的发展,高层建筑越来越多,建筑行业中采用的大量的钢结构,高中力学中经常将钢结构作为刚体进行研究,忽略变形,这样方便计算。比较典型的还有框架结构,指的是梁和柱组成的承力结构,可以同时在竖向和水平方向起到承重作用,这也可以运用高中的力学知识进行计算。由此可见力学在建筑物结构中的重要作用。
  3高中力学在建筑行业的应用实例
  在生产实践中,把用于切割的工具,比如刀和斧的刃部叫做劈,可以把坚硬的物体轻易劈开;把两端厚薄不同的斜面木料叫做楔,可以使物体的结构更加稳定,接触更加可靠。中国古代有很多这样的能工巧匠,把楔子的作用应用到生产实践中,让人叫绝。
  例题:中国明朝时期,位于苏州的著名景点虎丘塔多年未成修缮,塔基不稳,塔身倾斜,有坍塌的危险。为了解决这一问题,有人提出用建立支撑木柱,但是这样就破坏了景点的完整性,在一筹莫展的时候,有一位僧人提出一种解决办法,他在塔身倾斜的一侧,找到很多转头缝,敲进去很多木楔,这样在不破坏景观的基础上,将塔身扶正,维护了虎丘塔的完整性,请解释其力学原理。
  試题分析:
  木楔一头厚一头薄,纵向剖开,截面是三角形,使用木楔时,在厚的一侧加上敲击力,设为F,运用力的分解原理和平行四边形法则可知,敲击力可以分解为楔的两个侧面上推压砖的力,设为[FN],在推压力的作用下,木楔把塔身上的砖缝楔紧。设使用的木楔是一个等腰三角形,则纵截面的两边相等,这样更方便计算,如图1所示,木楔厚的一侧BC=d,木楔侧面长度BA=l,由几何知识的三角形相似原理可得:
  [FnF=ld]
  [Fn=ldF]
  设等腰三角形的顶角∠BAC=θ,由正弦函数可知:
  [sinθ2=d/2l,即dl=2sinθ2]
  計算可得:
  [Fn=F2sinθ2]
  通过上述的计算可知:在敲击力F不变的情况下,三角形的顶角越小,侧面的推压力越大,由常识可以知道,木楔越薄,越容易楔进砖缝中。假设顶角θ=30°,推压力F=350N,代入上式计算,可知:FN=6700N,换句话说,推压力等于670公斤的物体的重力,一个楔产生的力就这么大,题目中僧人采用了多个木楔,那么产生的推压力更大,完全能够支撑起塔身,将其扶正,正是力学原理的利用,使得小木楔产生的大作用,通过这个案例,我们也可以看到古代人的智慧。
  4总结
  在高中力学的学习过程中,要灵活将力学知识和建筑行业背景的知识相结合,从实际角度出发思考问题,运用理论知识反复验证,以便得出最佳的答案。学习中要加强总结的能力,才能以不变应万变,将知识掌握在自己手中,不因背景变化而失去解决问题的能力,思考的基础上不断探索和总结研究,深入挖掘知识点的深度,这样才能掌握好知识点,为今后的发展打下基础。
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