力學結構練習

水塔支撐架設計與實驗

教學目標

知識

技能

  情意

1. 學生能透過動手作培養解決問題的能力。

2. 學生能培養創造與思考的能力。

3. 學生能培養分工合作的團隊精神。

活動內容

學生分組設計製作一個水塔支架

利用八雙竹筷製作    綿線接合

結構需高於25公分

比看看那一組所設計的水塔載重最多

設備材料

竹筷

一組 8 雙

水塔支架

綿線

一組 1 捲

綁竹筷用

曲線鋸

一組 1 支

切割竹筷用

剪刀

一組 1 支

修剪綿線

直尺

一組 1  支

測量高度用

密封袋

一組 1 個

包裝材料作品用

鋁箔包

一班 1 打

測量載重用

活動流程

評鑑要點

注意事項

製作技巧

防止變形

支架接合

參考構想

延伸學習

結構力學

常見的建築物結構有哪些？
鋼筋混凝土(R.C.)                    鋼骨結構(steel structure)      

鋼骨鋼筋混凝土(S.R.C.)         木構造(wood structure)
 
一般結構設計考量三點：

1. 安全：

也就是結構需穩固，不能倒掉 ，材料用料需考量。

2. 經濟：

在資源有限的情況下，如何達到最佳設計。你要不惜成本建一座可防止十級大地震的構造物當然沒問題，但要考量值不值得花這些資源，因此花費和安全的平衡點，就是設計的主要藝術。

3. 外觀：

如何讓結構形式自然表現出結構力學的美感，包括平衡.力感.節奏等視覺因素，而這也常和花費有關，一般而言，承受拉力構件可以很纖細，但是承受壓力構件就必須有一定的粗大，例如吊橋，吊繩看起來都很細，整座橋看起來就很輕盈，相對一般的用柱子支持的橋，橋面下的柱子就很粗，看起來就笨笨的，但是造價通常吊橋就遠貴於樑式橋。因此這些也都是必須衡量的因素。

橋樑結構

1. 樑式橋：
樑式橋力量傳遞的主要特色是橋樑上部結構的荷重垂直地傳至支承，再由支承傳至下部結構。此類橋樑尚可依結構支承型式分為簡支橋樑（Simply  Supported）、連續式橋樑（Continuous）以及懸臂式橋樑（Cantilever）三類。
2. 拱橋：
與樑式橋不同，拱橋之力量傳遞是斜向（Diagonal）的。古代之拱橋多用石塊或礦石構築，新式的拱橋則通常以鋼筋混凝土（亦可施加預力）或鋼鐵為主要材料。 鋼架橋（Rigid Frame）亦可視為拱橋的一種類型。
3. 懸索橋：
懸索橋之受力狀況與拱橋相反，其上部結構之索狀構件均為受拉。例如：吊橋（Suspension）與斜張橋（Cable-Stayed）

結構體

1.桿：主要承受左右方向(軸)的壓力與拉力。
2.樑：主要承受向下彎矩。
3.柱：主要承受壓力與彎矩。

結構力學

營建科技包含兩大因素：一為材料，二為材料的組合方法，在建造時，最重要的是能吸收和可均勻分配應力的材料。

任何建築結構設計的成敗，最主要乃決定於是否能均勻地分配應力，以及將載重轉移至最穩定的知承面－－地面上。

這些應力組合而產生的狀態，最普遍的就是彎曲。

應力代表所有作用於建築物而足以使之倒塌的力量，這些力量可分為靜載重（結構體本身重量及其永久載重）和

活載重（風力、積雪、洪水、移動物體等之載重）

主要的應力有：
1.軸力：軸向的力，受力物體會隨軸向的力伸長或縮短。
2.剪力：受剪力的物提，會隨剪力的向變形。
3.彎矩：彎矩也就是力矩，受力物會向兩端彎矩。
4.扭力：就像擰毛巾一樣，在兩側以不同方向(順逆時針)向下施力。

結構方式

１、疊砌式構造：
磚石等材料逐個疊砌構築而成，其荷重多由牆身負擔，不經梁柱傳達，故結構物之強度需視砌磚材料本身的強度及所用灰漿之強度和膠著力而定，惟耐震力較弱。
２、架構式構造：
以木料或鋼骨等細長部份加以拼接，組合使成整體之骨架，結構物所有之荷重，由構成骨架框之梁柱分別傳達於基礎，故各部份材料之組合法及接合部位之優劣，乃為影響結構物強度之因素，其耐震力較強。
３、柱板式構造：
以鋼筋混凝土平版多層套於鋼柱，逐層吊升固定位置後，再築內外牆身，施工極為經濟。
４、箱式構造：
以鋼筋混凝土築成箱匣形之房間（包括地平樓版或屋頂及荷重隔牆），逐層並列，再建外牆，殊稱堅固。

結構設計步驟

力學分類

工程力學          應用力學           工程熱力學          流體力學                    
牛頓力學          材料力學           量子力學             土壤力學       
動力學              靜力學              解析靜力學          古典力學                      

機械力學          塑性力學           環境流體力學

彈性力學          熱力學

物理學史

西元1000年，人類對物理學的認識尚停留在希臘時代。到了西元1900年，古典物理學才較為完備，孕育出近代物理的兩大支柱：量子物理與相對論。

這段歷時九百年的物理學發展史，有數以百計的重大發明發現穿插其間，

結合而成古典物理的四大基石：力學、電磁學、光學以及熱學。

古希臘的物理學在歷史洪流中險遭淹沒，直到十五世紀興起了文藝復興運動，當時稱為「自然哲學」的物理學才重獲新生。經過科學先知如哥白尼、第谷、克卜勒、伽利略、笛卡兒、達文西等人的努力，一場科學革命蓄勢待發。在歷史千呼萬喚之下，終於出現牛頓這位物理奇才。

科學家 - 牛頓

生平

西元1643年，牛頓這個遺腹子生於英格蘭林肯郡的一個農家。他自幼沉默寡言、個性倔強，最喜歡自己動手做小玩意，例如風箏、日晷、磨坊模型等。年紀稍長後，他對書本愈來愈有興趣，並且常愛沉思，以及做許多科學實驗。

牛頓於1661年進入劍橋大學三一學院，1665年獲得學士學位。同年由於倫敦發生瘟疫，遂於六月間返回故鄉。在1665~1666這兩年間，隱居鄉間的牛頓作出科學史上前所未有的重大貢獻，包括發明微積分及發現重力定律。

1667年牛頓重返劍橋，69年起擔任劍橋大學的盧卡斯首席教授（目前該教席由著名的殘障物理學家霍金擔任）。後來由於厭倦教授生涯，遂於1696年謀得造幣廠監督之職，並於三年後升任廠長，因而在1701年辭去劍橋大學教職。由於他改革幣制有功受封為爵士，但一般人都誤以為這個爵士頭銜來自其科學成就。牛頓成為皇家科學院成員，1703年起直至1727年逝世為止，他一直擔任該學院的主席。

除了科學與政治的關注之外，牛頓中年時期曾醉心煉金術，晚年則投注許多心力研究宗教，甚至還出過專書。

力學

古典物理中的力學可說是牛頓一手開創的，他繼承了許多前輩科學家的成果，匯集成一個完整的體系。

牛頓將自己的力學研究結晶，以拉丁文寫成《自然哲學之數學原理》一書三卷。該書第一版於1687年問世，其中最重要的理論便是「牛頓三大運動定律」與「重力定律」。

其中三大運動定律的內容是

1, 慣性定律：物體若不受力，則始終保持原有的運動狀態，即靜止或作等速度運動。

2, 運動定律：物體受力必做加速度運動，其加速度正比於作用力，反比於物體的質量。

3, 作用與反作用定律：甲物體對乙物體施力之同時，乙物體會對甲物體施以大小相等、方向相反的另一個力。

在三大運動定律的架構下，古典力學正式成為科學體系，其後又經達朗伯、拉格朗日、哈密頓等人的努力，終於演變成博大精深、兼容並包的「理論力學」。直到目前為止，理論力學仍是物理學中最嚴謹、最完善的一門，亦是許多新興物理學門的模範與榜樣。

重力定律就是俗稱的萬有引力定律，認為宇宙間一切的物體都會互相吸引，這股力量正比於兩者質量的乘積，反比於兩者距離的平方（此即所謂平方反比律）。其後兩百多年，牛頓重力定律僅在數學式上有所推廣，物理意義則從未更動絲毫。

直到1905年，才由另一位天才科學家愛因斯坦提出，在牛頓的基礎上發展出廣義相對論，利用彎曲的時空結構，為重力提供一個更深遂的物理意義。

科學家 - 愛因斯坦

物理學界有史以來最偉大不朽的學者亞伯．愛因斯坦，不僅創造相對論，同時對靜力學、量子論，尤其是放射性量子論，前無古人的特殊成就，引導日後人類步入新觀念的新紀元。

在原子科學的領域裡，愛因斯坦的名望凌駕於其他科學家之上，且歷久不衰。這位具有猶太血統的科學家，幼年在德國渡過，高中時遷居義大利，大學時代則在瑞士蘇黎世工藝學院就讀。在1900年愛因斯坦完成了大學的學業。1902年任職於瑞士專利局，工作乏味，下班後在家中進行自已所喜歡的研究。

1905年，愛因斯坦在他26歲時，發表了三篇重要的論文，震撼了科界。第一篇論文是關於光電效應，使他在1921年榮獲諾貝爾物理獎。第二篇論文是關於分子論的布朗運動；第三篇是關於電力學的相對論。這三篇論文就其邏輯的嚴格與大與大膽而言，一直到今天都沒有人能夠超越。

牛頓與愛因斯坦在物理學的貢獻，在人類文明史，都是劃分重要時代的偉大學者；牛頓時代由愛因斯坦的時代取而代之。 他們所創造的時代與學說一直被研究和運用，帶領著全人類向前邁進。

國家地理頻道2005年推出『相對論百年特輯－愛因斯坦的大腦』特別節目.
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