haihongyuan.com
海量文库 文档专家
全站搜索:
您现在的位置:首页 > 初中教育 > 学科竞赛学科竞赛

从灯泡承重看薄壳结构的承重能力

发布时间:2014-05-19 13:50:06  

从灯泡承重看薄壳结构的承重能力

山西省大同市左云县高级中学高二1202班物理学科 王家乐

指导老师 刘银堂

【摘要】

【关键词】白炽灯泡、薄壳结构、承重能力

一.实验问题的提出

一次,我在观看杂技节目时,看到十几个灯泡居然站了一个人并且还进行跳绳等高难度动作,但灯泡却安然无恙。推而广之,有许多著名建筑都采用薄壳结构尽管它们跨度很大但却坚固无比。不如让实验来说话。

二.实验的前期准备

圆圆的灯泡怎样才能让它乖乖的直立在地面上呢?无疑要找一个底座。刚开始时,曾想过订做一个木质底座,但是,由于时间紧迫且找不到合适的木材,于是就放弃了;想过在泡沫塑料中央掏一个相应大小的底座,但是,由于泡沫塑料有缓冲减震作用,会增大灯泡的承重能力;只能找一个现成的东西充当底座,用过酒杯,但是刚好高出一点,左右摇晃;最终,在去搞石材生意的三叔家找到了合适的底座——已用过的大理石剖光片(如图1所示)。

图1

三.实验部分

1. 实验目的:探究25W的白炽灯泡的承重能力

2. 实验构想:将四个25W的白炽灯泡固定,并通过在其上增加重物直至灯泡破碎,即可得出四个灯泡的承重能力,进而求得一个白炽灯泡的承重能力。

3. 材料用具:25W的白炽灯泡四个、底座四个、“57cm×36cm”木板一块、电子称一台、重物若干

4. 实验步骤:

(1)测量所需重物的质量(如图2所示)

图2

(2)安装底座 根据木板的大小“57cm×36cm”将四个底座按相应的比例“35cm×18cm”按矩形排列,并调节使之与地面紧贴。

(3)安装灯泡 将四个灯泡放入底座,并使四个灯泡的顶端平齐,以保证受力均匀(如图3所示)。

图3

(4)放置木板 在四个灯泡上放置木板,使木板恰好放置于四个木板的中央,并使四个灯泡始终保持等高状态。

(5)增加重物 依次增加重物,为保证得到最精确的结果,应先放置质量大的重物后放置质量小的重物(如下图所示),并记录数据。

5. 数据分析:到此时,四个灯泡已承受25块砖块和一桶水,共重100kg左右,但灯泡似乎还很坚强。由于找不到合适的重物继续增重,于是准备取下重物更换其他重物继续实验,但是不慎将灯泡打碎,实验至此失败(如图所示)。但是,本实验很好地证明了薄壳结构具有很好的承重能力。

实验失败的照片

7. 误差分析:?底座与地面没有紧贴,而使受力不均。

?四个灯泡没有保持等高,而使受力不均。 ?重物未能加在木板中央,而使某个灯泡受力较大,因而未能同时 破碎,致使结果偏小。

④重物测量存在误差,且重物质量的增加存在间隔,故无法取得最大值。

四.理论支持

1.薄壳结构的简介:

壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构。两个曲面之问的距离即为壳体的厚度(δ),当δ比壳体其他尺寸(如曲率半径R,跨度等)小得多时,一般要求δ/R≤1/20(鸡蛋壳的δ/R≈1/50)称为薄壳结构。现代建筑工程中所采用的壳体一般为薄壳结构。

2.薄壳结构的力学原理:

薄壳结构为双向受力的空间结构,在竖向均布荷载作用下,壳体主要承受

向法向力)和顺剪

顺剪力都作用在

内力。而只有在非曲面内的轴向力(双力作用,曲面轴力和曲面内,又称为薄膜对称荷载(风,雪等)作用下,壳体才承受较小的弯矩和扭矩。因此,薄壳结构相当稳定。

一般情况下壳板的径向和环向弯矩较小,可以忽略,壳板内力可

理论计算。在

荷载作用下,按无弯矩轴向对称圆顶径向受压,径向压力在壳顶小,在壳底大;圆顶环向受力,则与壳板支座边缘处径向法线与旋转轴的夹角φ大小有关,当φ≤51°49′时,圆顶环向全部受压;当φ>51°49′时,圆顶环向上部受压,下部受拉力。这样,无论薄壳结构何处受力,都能将力均匀分散。因而,薄壳结构的承重能力相当高。

五.实验拓展

由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力,且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布,所以材料强度能得到充分利用;而且壳体为凸面,处于空间受力状态,各向刚度都较大,因而用薄壳结构能实现以最少之材料构成最坚之结构的理想。

由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻,覆盖大面积,无需中柱,而且其造型多变,曲线优美,表现力强,因而深受建筑师们的青睐,故多用于大跨度的建筑物,如展览厅、食堂、 剧院、天文馆、厂房、飞机库等。另外,自然界中存在许多生动的

案例,如鸡蛋、贝壳、核桃等等;世界上有名的薄壳建筑有悉尼

歌剧院、水立方、奥体中心、北京鸟巢、国家博物馆、人民大会堂、北京火车站等。

六.致谢

?热心指导的刘银堂老师

?提供材料用具的王银柱

?协助完成实验的父母、王俊锴

七.参考文献

?普通高中课程标准实验教科书通用技术必修2《技术与设计》

?百度文库徐州建筑业技术学院http://www.xzcat.edu.cn

网站首页网站地图 站长统计
All rights reserved Powered by 海文库
copyright ©right 2010-2011。
文档资料库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit326@126.com