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中学力学模型在土木建筑中的应用

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摘要:

在很多经典建筑中都应用到了很多力学方面的模型,力学模型应用得好,不仅土木建筑坚实稳固、美观艺术,而且科学省力。我们在中学物理中学到了很多力学模型,在诸多土木建筑中我们都可以发现它们的实际应用。本文是根据我在中学物理中学到的力学模型知识结合实际中的土木建筑所进行的一点思考。

关键词:

力学模型,土木建筑,应用,思考

一、前言

世界各国有许许多多的经典建筑,我国古代也有许多优秀的建筑方面的世界物质文化遗产,长城、赵州桥、岳阳楼、都江堰等。那一土一木,一砖一瓦,都是我国古代建筑师们智慧的结晶。虽然钢筋混凝土代替了传统的土木建筑,虽然家居装修代替了先民们遗留下来的木工手艺,可是唯一不变的是建筑中那种崇尚结实耐用,美观和谐价值观,以及对力学模型应用的科学手段。下面根据我所学到的中学力学知识,谈谈我对土木建筑的一点思考。

二、土木建筑中力学模型的定义

遵循认识论的规律,其研究方法是首先从生活、工程或实验中观察各种现象,从复杂的现象中抓住共性,找出反映事物本质的主要因素,略去次要因素,经过简化,把做机械运动的实际物体抽象为力学模型。建立力学模型是工程力学研究方法中很重要的一个步骤。

三、力学模型在建筑中使用研究的学术史起源

中国先秦典籍《考工记》对当时营造宫室的屋顶、墙、基础和门宙的构造已有记述。唐代的《大唐六典》,宋代的《木经》和《营造法式》,明代成书的《鲁班经》和清代的清工部《工程做法》等,都有关于建筑构造方面的内容。公元前一世纪罗马维特鲁威所著《建筑十书》,文艺复兴时期的《建筑四论》和《五种柱式规范》等著作均有对当时建筑结构体系和构造的记述。在19世纪,由于科学技术的进步,建筑材料、建筑结构、建筑施工和建筑物理等学科的成长,建筑构造学科也得到充实和发展。

四、力学模型在建筑中的作用和意义

在土木建筑中,会应用到许多力学方面的模型,如三角形模型、菱形模型、滑轮组模型、传送带模型、相似三角形模型、正交分解模型、力矩模型,小船渡河模型、轻杆模型、连通器模型……力学模型应用得好,不仅土木建筑坚实稳固、美观艺术,而且科学省力,使我们在建筑中发现科学之美,体味应用之美。下面详细谈谈以上模型是如何应用到具体的建筑中去的。

1.三角形力学模型在建筑中的应用。自然界中结构无处不在,大自然是我们最好的老师。结构和力有着密切的联系,结构决定着物体的强度。同是由碳元素构成的金刚石和石墨,由于它们结构的差异,导致这两种物质的硬度有着天壤之别,石墨具有层状的结构,层与层之间可以相对滑动,因此根据石墨的这一特点经常把它用作润滑剂,门锁的锁孔里面放一些铅笔芯,就可以很好地解决用钥匙打开锁子时,难以拔掉钥匙的问题。而金刚石每一个面是三角形的,三角形的结构使得金刚石具有很高的硬度,同时使得它具有很高的稳定性,不会像石墨那样可以在层与层之间发生相对滑动。任何多边形都不具有稳定性,而唯独三角形具有稳定性,在我们的日常生活中,利用三角形的稳定性,可以解决很多问题,例如我们坐的小板凳或椅子的腿松了,这时只要在凳腿上斜拉一根木条或铁丝,形成三角形,就解决了椅子松动不稳的难题。土木建筑的结构可分为实体结构、框架结构和壳体结构,长城就是典型的实体结构建筑,框架结构如建筑中多用的脚手架,无论如何都要用三角形的稳定性;壳体结构如圣彼得堡大教堂的穹顶。其实在房屋的建筑中,马鞍状的房梁,埃菲尔铁塔等,三角形模型无处不在。不仅如此,三角形法则作为平行四边形重要的衍生法则,在土木建筑中有着重要的应用,例如在粉刷墙壁时,应用滚轮将涂料粉刷到墙壁上去,在缓慢推动滚轮的过程中,滚轮处于一种动态的平衡状态之中,滚轮所受重力、墙壁对滚轮的弹力,以及手通过长杆对滚轮的推力构成一个封闭的三角形,随着推力方向的变化,墙壁对滚轮的弹力也随之发生变化,这直接影响着涂层的均匀程度。

2.菱形力学模型在建筑中的应用。土木建筑讲究对称美,结构对称的房梁,结构对称的脚手架,凡是对称的一切建筑,对称的杆件上所承受的力是对称的,而且根据力的合成的知识,平行四边形在两边相等时就成了菱形,菱形法的合力与分力之间的关系。合力一定时,两分力之间的夹角越大,分力越大,因此斧子劈柴时,斧子越锋利,劈柴越省力,效果越好;菱形法中合力一定,两分力之间的夹角越小,两分力越小,房梁一般是这样设计的。随着科技的发展,社会的进步,物理模型已渗入到土木工程建筑的各个领域。在土木建筑中,还有许多物理模型也在广泛地应用,例如解决钢筋混凝土问题热胀冷缩模型。一般的物质(少数几种例外),都具有热胀冷缩的特性。可是,不同的物质受热或冷却的时候,伸缩的速度和幅度各不相同。一般说来,密度小的物质,要比密度大的物质容易发生伸缩,伸缩的幅度也大,传热快的物质,要比传热慢的物质容易伸缩。明白了这个道理,对我们很有用处。凡需要经受较大温度变化的东西,如果它们是用两种不同材料合在一起做的,那么在选择材料的时候,就必须考虑它们的热膨胀性质,两者越接近越好。工程师在设计房屋和桥梁时,都广泛采用钢筋混凝土,就是因为钢材和混凝土的膨胀程度几乎完全一样,尽管春夏秋冬的温度不同,也不会产生有害的作用力,所以钢筋混凝土的建筑十分坚固。物理是一门实用性很强的科学,与工农业生产、日常生活有着极为密切的联系。物理规律本身就是对自然现象的总结和抽象。

五、土木建筑中将地砖铺平到相同的高度的思考

在居室装修的过程中,偌大一个楼房,要想使整个房子的地砖铺平到相同高度谈何容易,那么如何应用我们现有的物理知识,寻找这个地平呢?只要我们展开想象的翅膀,就会发现可以应用连通器模型解决这一难题。用细长水管做一个连通器,应用这个连通器的物理知识,我们可以在房屋的各个角落找到同一高度,从而找到整个房子的地平来。当然,在铺放每一块地砖时,我们可以使用“水平仪”进行检测。当我们携带以上力学模型,用力学的眼观审视我们身边的每一个土木建筑,就会发现处处都是力学模型的应用。当我们应用力学眼光去欣赏每一个经典建筑,我们就会惊叹于古人的智慧了,因为在古代,力学知识还没有发展到当今这样发达的程度,很多合理的建筑,我们的先民们,虽然从力学模型的角度说不出所以然来,但那种穿越时空的应用,使我们感受到科学知识的无穷魅力。现代建筑,既已有了理论的指导,就应该是理论指导下的科学实践,我相信在科学的引领下,我们会设计出更多更好的建筑精品来,力学经典模型在土木建筑中一定会大放异彩!

参考文献:

[1]刘金柱.万里长城[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1985.

[2]邹律资.岳阳楼[M].北京:文物出版社,2009.

[3]谭徐明.都江堰史[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[4]李诫(宋).校注:邹其昌.营造法式[M].北京:人民出版社,2011.

[5]午荣.鲁班经[M].海口:海南出版社,2006.

作者:陈昊祺 单位:湖南省永兴县第一中学

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