中學(xué)力學(xué)模型在土木建筑中的應(yīng)用范文

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摘要：

在很多經(jīng)典建筑中都應(yīng)用到了很多力學(xué)方面的模型，力學(xué)模型應(yīng)用得好，不僅土木建筑堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固、美觀藝術(shù)，而且科學(xué)省力。我們?cè)?a href="http://www.ruiyinglinkage.com/gclw/tmjzlw/693195.html" target="_blank">中學(xué)物理中學(xué)到了很多力學(xué)模型，在諸多土木建筑中我們都可以發(fā)現(xiàn)它們的實(shí)際應(yīng)用。本文是根據(jù)我在中學(xué)物理中學(xué)到的力學(xué)模型知識(shí)結(jié)合實(shí)際中的土木建筑所進(jìn)行的一點(diǎn)思考。

關(guān)鍵詞：

力學(xué)模型，土木建筑，應(yīng)用，思考

一、前言

世界各國(guó)有許許多多的經(jīng)典建筑，我國(guó)古代也有許多優(yōu)秀的建筑方面的世界物質(zhì)文化遺產(chǎn)，長(zhǎng)城、趙州橋、岳陽(yáng)樓、都江堰等。那一土一木，一磚一瓦，都是我國(guó)古代建筑師們智慧的結(jié)晶。雖然鋼筋混凝土代替了傳統(tǒng)的土木建筑，雖然家居裝修代替了先民們遺留下來(lái)的木工手藝，可是唯一不變的是建筑中那種崇尚結(jié)實(shí)耐用，美觀和諧價(jià)值觀，以及對(duì)力學(xué)模型應(yīng)用的科學(xué)手段。下面根據(jù)我所學(xué)到的中學(xué)力學(xué)知識(shí)，談?wù)勎覍?duì)土木建筑的一點(diǎn)思考。

二、土木建筑中力學(xué)模型的定義

遵循認(rèn)識(shí)論的規(guī)律，其研究方法是首先從生活、工程或?qū)嶒?yàn)中觀察各種現(xiàn)象，從復(fù)雜的現(xiàn)象中抓住共性，找出反映事物本質(zhì)的主要因素，略去次要因素，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，把做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的實(shí)際物體抽象為力學(xué)模型。建立力學(xué)模型是工程力學(xué)研究方法中很重要的一個(gè)步驟。

三、力學(xué)模型在建筑中使用研究的學(xué)術(shù)史起源

中國(guó)先秦典籍《考工記》對(duì)當(dāng)時(shí)營(yíng)造宮室的屋頂、墻、基礎(chǔ)和門宙的構(gòu)造已有記述。唐代的《大唐六典》，宋代的《木經(jīng)》和《營(yíng)造法式》，明代成書(shū)的《魯班經(jīng)》和清代的清工部《工程做法》等，都有關(guān)于建筑構(gòu)造方面的內(nèi)容。公元前一世紀(jì)羅馬維特魯威所著《建筑十書(shū)》，文藝復(fù)興時(shí)期的《建筑四論》和《五種柱式規(guī)范》等著作均有對(duì)當(dāng)時(shí)建筑結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的記述。在19世紀(jì)，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)、建筑施工和建筑物理等學(xué)科的成長(zhǎng)，建筑構(gòu)造學(xué)科也得到充實(shí)和發(fā)展。

四、力學(xué)模型在建筑中的作用和意義

在土木建筑中，會(huì)應(yīng)用到許多力學(xué)方面的模型，如三角形模型、菱形模型、滑輪組模型、傳送帶模型、相似三角形模型、正交分解模型、力矩模型，小船渡河模型、輕桿模型、連通器模型……力學(xué)模型應(yīng)用得好，不僅土木建筑堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固、美觀藝術(shù)，而且科學(xué)省力，使我們?cè)诮ㄖ邪l(fā)現(xiàn)科學(xué)之美，體味應(yīng)用之美。下面詳細(xì)談?wù)勔陨夏Ｐ褪侨绾螒?yīng)用到具體的建筑中去的。

1．三角形力學(xué)模型在建筑中的應(yīng)用。自然界中結(jié)構(gòu)無(wú)處不在，大自然是我們最好的老師。結(jié)構(gòu)和力有著密切的聯(lián)系，結(jié)構(gòu)決定著物體的強(qiáng)度。同是由碳元素構(gòu)成的金剛石和石墨，由于它們結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致這兩種物質(zhì)的硬度有著天壤之別，石墨具有層狀的結(jié)構(gòu)，層與層之間可以相對(duì)滑動(dòng)，因此根據(jù)石墨的這一特點(diǎn)經(jīng)常把它用作潤(rùn)滑劑，門鎖的鎖孔里面放一些鉛筆芯，就可以很好地解決用鑰匙打開(kāi)鎖子時(shí)，難以拔掉鑰匙的問(wèn)題。而金剛石每一個(gè)面是三角形的，三角形的結(jié)構(gòu)使得金剛石具有很高的硬度，同時(shí)使得它具有很高的穩(wěn)定性，不會(huì)像石墨那樣可以在層與層之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。任何多邊形都不具有穩(wěn)定性，而唯獨(dú)三角形具有穩(wěn)定性，在我們的日常生活中，利用三角形的穩(wěn)定性，可以解決很多問(wèn)題，例如我們坐的小板凳或椅子的腿松了，這時(shí)只要在凳腿上斜拉一根木條或鐵絲，形成三角形，就解決了椅子松動(dòng)不穩(wěn)的難題。土木建筑的結(jié)構(gòu)可分為實(shí)體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)城就是典型的實(shí)體結(jié)構(gòu)建筑，框架結(jié)構(gòu)如建筑中多用的腳手架，無(wú)論如何都要用三角形的穩(wěn)定性；殼體結(jié)構(gòu)如圣彼得堡大教堂的穹頂。其實(shí)在房屋的建筑中，馬鞍狀的房梁，埃菲爾鐵塔等，三角形模型無(wú)處不在。不僅如此，三角形法則作為平行四邊形重要的衍生法則，在土木建筑中有著重要的應(yīng)用，例如在粉刷墻壁時(shí)，應(yīng)用滾輪將涂料粉刷到墻壁上去，在緩慢推動(dòng)滾輪的過(guò)程中，滾輪處于一種動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)之中，滾輪所受重力、墻壁對(duì)滾輪的彈力，以及手通過(guò)長(zhǎng)桿對(duì)滾輪的推力構(gòu)成一個(gè)封閉的三角形，隨著推力方向的變化，墻壁對(duì)滾輪的彈力也隨之發(fā)生變化，這直接影響著涂層的均勻程度。

2．菱形力學(xué)模型在建筑中的應(yīng)用。土木建筑講究對(duì)稱美，結(jié)構(gòu)對(duì)稱的房梁，結(jié)構(gòu)對(duì)稱的腳手架，凡是對(duì)稱的一切建筑，對(duì)稱的桿件上所承受的力是對(duì)稱的，而且根據(jù)力的合成的知識(shí)，平行四邊形在兩邊相等時(shí)就成了菱形，菱形法的合力與分力之間的關(guān)系。合力一定時(shí)，兩分力之間的夾角越大，分力越大，因此斧子劈柴時(shí)，斧子越鋒利，劈柴越省力，效果越好；菱形法中合力一定，兩分力之間的夾角越小，兩分力越小，房梁一般是這樣設(shè)計(jì)的。隨著科技的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，物理模型已滲入到土木工程建筑的各個(gè)領(lǐng)域。在土木建筑中，還有許多物理模型也在廣泛地應(yīng)用，例如解決鋼筋混凝土問(wèn)題熱脹冷縮模型。一般的物質(zhì)（少數(shù)幾種例外），都具有熱脹冷縮的特性。可是，不同的物質(zhì)受熱或冷卻的時(shí)候，伸縮的速度和幅度各不相同。一般說(shuō)來(lái)，密度小的物質(zhì)，要比密度大的物質(zhì)容易發(fā)生伸縮，伸縮的幅度也大，傳熱快的物質(zhì)，要比傳熱慢的物質(zhì)容易伸縮。明白了這個(gè)道理，對(duì)我們很有用處。凡需要經(jīng)受較大溫度變化的東西，如果它們是用兩種不同材料合在一起做的，那么在選擇材料的時(shí)候，就必須考慮它們的熱膨脹性質(zhì)，兩者越接近越好。工程師在設(shè)計(jì)房屋和橋梁時(shí)，都廣泛采用鋼筋混凝土，就是因?yàn)殇摬暮突炷恋呐蛎洺潭葞缀跬耆粯?，盡管春夏秋冬的溫度不同，也不會(huì)產(chǎn)生有害的作用力，所以鋼筋混凝土的建筑十分堅(jiān)固。物理是一門實(shí)用性很強(qiáng)的科學(xué)，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活有著極為密切的聯(lián)系。物理規(guī)律本身就是對(duì)自然現(xiàn)象的總結(jié)和抽象。

五、土木建筑中將地磚鋪平到相同的高度的思考

在居室裝修的過(guò)程中，偌大一個(gè)樓房，要想使整個(gè)房子的地磚鋪平到相同高度談何容易，那么如何應(yīng)用我們現(xiàn)有的物理知識(shí)，尋找這個(gè)地平呢？只要我們展開(kāi)想象的翅膀，就會(huì)發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用連通器模型解決這一難題。用細(xì)長(zhǎng)水管做一個(gè)連通器，應(yīng)用這個(gè)連通器的物理知識(shí)，我們可以在房屋的各個(gè)角落找到同一高度，從而找到整個(gè)房子的地平來(lái)。當(dāng)然，在鋪放每一塊地磚時(shí)，我們可以使用“水平儀”進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)我們攜帶以上力學(xué)模型，用力學(xué)的眼觀審視我們身邊的每一個(gè)土木建筑，就會(huì)發(fā)現(xiàn)處處都是力學(xué)模型的應(yīng)用。當(dāng)我們應(yīng)用力學(xué)眼光去欣賞每一個(gè)經(jīng)典建筑，我們就會(huì)驚嘆于古人的智慧了，因?yàn)樵诠糯W(xué)知識(shí)還沒(méi)有發(fā)展到當(dāng)今這樣發(fā)達(dá)的程度，很多合理的建筑，我們的先民們，雖然從力學(xué)模型的角度說(shuō)不出所以然來(lái)，但那種穿越時(shí)空的應(yīng)用，使我們感受到科學(xué)知識(shí)的無(wú)窮魅力?，F(xiàn)代建筑，既已有了理論的指導(dǎo)，就應(yīng)該是理論指導(dǎo)下的科學(xué)實(shí)踐，我相信在科學(xué)的引領(lǐng)下，我們會(huì)設(shè)計(jì)出更多更好的建筑精品來(lái)，力學(xué)經(jīng)典模型在土木建筑中一定會(huì)大放異彩！

參考文獻(xiàn)：

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作者：陳昊祺 單位：湖南省永興縣第一中學(xué)