淺析高中力學(xué)知識(shí)與建筑的關(guān)聯(lián)性

張睿瀅

1引言

力學(xué)首先是一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)，是所有技術(shù)的根基，力學(xué)的規(guī)律帶有普遍適用性，是機(jī)械、材料、建筑、土木等工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。力學(xué)同時(shí)也是一門(mén)技術(shù)科學(xué)，力學(xué)和工程技術(shù)的結(jié)合，使得力學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了多種分支，而且各分支產(chǎn)生了多種設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法，也出現(xiàn)了多種試驗(yàn)方法，對(duì)力學(xué)的基礎(chǔ)研究起到了反哺的作用。

力學(xué)按研究對(duì)象分類(lèi)，可以分為固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)。力學(xué)在工程技術(shù)方面的應(yīng)用，形成了工程力學(xué)和應(yīng)用力學(xué)等多種分支。高中力學(xué)正是工程力學(xué)的一部分，因此高中力學(xué)的重要性不言而喻，本文在深入掌握高中力學(xué)的基礎(chǔ)上，探討了高中力學(xué)與建筑的關(guān)聯(lián)。

2高中力學(xué)在建筑行業(yè)的應(yīng)用簡(jiǎn)介

高中力學(xué)是工程力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，為了方便高中學(xué)生的學(xué)習(xí)，一般建立力學(xué)模型時(shí)，將所研究的對(duì)象化為質(zhì)點(diǎn)。按照力學(xué)研究的問(wèn)題分類(lèi)，可以分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三部分。

靜力學(xué)：研究物體處于平衡狀態(tài)時(shí)的力，牛頓第一定律即是闡述相關(guān)內(nèi)容，力學(xué)原理的合成、分解和平衡，以及平行四邊形法則等在分析靜力學(xué)問(wèn)題上有重要的作用；運(yùn)動(dòng)學(xué)：研究物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的幾何性質(zhì)，比如速度、路程等；動(dòng)力學(xué)：研究物體運(yùn)動(dòng)時(shí)力的作用，比如加速度、慣性等，牛頓第二定律即是闡述相關(guān)內(nèi)容。

在建筑行業(yè)中，高中力學(xué)有廣泛的應(yīng)用，比如三角支架、鉸鏈、杠桿、千斤頂、塔吊的桁架結(jié)構(gòu)、吊車(chē)滑輪組結(jié)構(gòu)等。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑越來(lái)越多，建筑行業(yè)中采用的大量的鋼結(jié)構(gòu)，高中力學(xué)中經(jīng)常將鋼結(jié)構(gòu)作為剛體進(jìn)行研究，忽略變形，這樣方便計(jì)算。比較典型的還有框架結(jié)構(gòu)，指的是梁和柱組成的承力結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)在豎向和水平方向起到承重作用，這也可以運(yùn)用高中的力學(xué)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算。由此可見(jiàn)力學(xué)在建筑物結(jié)構(gòu)中的重要作用。

3高中力學(xué)在建筑行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例

在生產(chǎn)實(shí)踐中，把用于切割的工具，比如刀和斧的刃部叫做劈，可以把堅(jiān)硬的物體輕易劈開(kāi)；把兩端厚薄不同的斜面木料叫做楔，可以使物體的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，接觸更加可靠。中國(guó)古代有很多這樣的能工巧匠，把楔子的作用應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，讓人叫絕。

例題：中國(guó)明朝時(shí)期，位于蘇州的著名景點(diǎn)虎丘塔多年未成修繕，塔基不穩(wěn)，塔身傾斜，有坍塌的危險(xiǎn)。為了解決這一問(wèn)題，有人提出用建立支撐木柱，但是這樣就破壞了景點(diǎn)的完整性，在一籌莫展的時(shí)候，有一位僧人提出一種解決辦法，他在塔身傾斜的一側(cè)，找到很多轉(zhuǎn)頭縫，敲進(jìn)去很多木楔，這樣在不破壞景觀的基礎(chǔ)上，將塔身扶正，維護(hù)了虎丘塔的完整性，請(qǐng)解釋其力學(xué)原理。

試題分析：

木楔一頭厚一頭薄，縱向剖開(kāi)，截面是三角形，使用木楔時(shí)，在厚的一側(cè)加上敲擊力，設(shè)為F，運(yùn)用力的分解原理和平行四邊形法則可知，敲擊力可以分解為楔的兩個(gè)側(cè)面上推壓磚的力，設(shè)為[FN]，在推壓力的作用下，木楔把塔身上的磚縫楔緊。設(shè)使用的木楔是一個(gè)等腰三角形，則縱截面的兩邊相等，這樣更方便計(jì)算，如圖1所示，木楔厚的一側(cè)BC=d，木楔側(cè)面長(zhǎng)度BA=l，由幾何知識(shí)的三角形相似原理可得：

[FnF=ld]

[Fn=ldF]

設(shè)等腰三角形的頂角∠BAC=θ，由正弦函數(shù)可知：

[sinθ2=d/2l，即dl=2sinθ2]

計(jì)算可得：

[Fn=F2sinθ2]

通過(guò)上述的計(jì)算可知：在敲擊力F不變的情況下，三角形的頂角越小，側(cè)面的推壓力越大，由常識(shí)可以知道，木楔越薄，越容易楔進(jìn)磚縫中。假設(shè)頂角θ=30°，推壓力F=350N，代入上式計(jì)算，可知：FN=6700N，換句話(huà)說(shuō)，推壓力等于670公斤的物體的重力，一個(gè)楔產(chǎn)生的力就這么大，題目中僧人采用了多個(gè)木楔，那么產(chǎn)生的推壓力更大，完全能夠支撐起塔身，將其扶正，正是力學(xué)原理的利用，使得小木楔產(chǎn)生的大作用，通過(guò)這個(gè)案例，我們也可以看到古代人的智慧。

4總結(jié)

在高中力學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，要靈活將力學(xué)知識(shí)和建筑行業(yè)背景的知識(shí)相結(jié)合，從實(shí)際角度出發(fā)思考問(wèn)題，運(yùn)用理論知識(shí)反復(fù)驗(yàn)證，以便得出最佳的答案。學(xué)習(xí)中要加強(qiáng)總結(jié)的能力，才能以不變應(yīng)萬(wàn)變，將知識(shí)掌握在自己手中，不因背景變化而失去解決問(wèn)題的能力，思考的基礎(chǔ)上不斷探索和總結(jié)研究，深入挖掘知識(shí)點(diǎn)的深度，這樣才能掌握好知識(shí)點(diǎn)，為今后的發(fā)展打下基礎(chǔ)。endprint