結構是什么,[英]J.E.戈登,電子書,mobi,pdf,txt,epub,kindle,百度云全文閱讀下載

原創 qiangshuai521  2019-09-15 18:32  閱讀 186 views 次
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我們可以先想想,任何無生命的固體,比如鋼材、石頭、木材或塑料,如何完全對抗機械性力量,從而支撐起自身重量?本質上,這就是“為何你不會穿透地板掉下去”的問題,而答案則不那么簡單。這個問題是整個結構研究的根基,非常考驗智力。到頭來,它把伽利略難倒了,而真正解開該難題的是個壞脾氣的家伙——羅伯特·胡克(Robert Hooke)。
起初,胡克意識到,若材料或結構要對抗載荷,就只能靠等大反向的反作用力來實現。如果你的腳向下踩壓地板,地板也一定會向上推你的腳。如果一座主教座堂向下推地基,地基也一定會向上推主教座堂。流傳于世的牛頓第三運動定律解釋了其中的道理,即作用力與反作用力大小相等且方向相反。
換言之,一個力是不會憑空消失的。無論何種情況,在結構的各個點上,每個力都必須有等大反向的另一個力來平衡且起到反作用。對任何一種結構皆如此,不管它多么微小簡單或多么巨大復雜:不僅是地板和主教座堂,還有橋梁、飛機、氣球、家具、獅子、老虎、卷心菜、蚯蚓等。
如果這個條件不能滿足,即所有力不平衡或不能彼此抵消,結構就會被破壞,或者整體起飛,像火箭一樣最終進入外層空間。后一種結果經常隱含在工科生的考試答案中。
讓我們考慮一個可能的最簡單的結構。假設我們懸掛一個重物,比如用一根繩子將一塊普通的磚頭系在一個樹枝上(見圖2–1)。磚塊的重量像牛頓實驗中的蘋果一樣,由于地球引力場對該物體質量的作用,其方向總是豎直向下。如果磚塊不掉下來,就表示它受到的等大反向的力或繩子拉力可以維持它在半空中的位置。如果繩子不夠結實,以至于不能產生一個同磚塊重量等大的向上的力,繩子就會斷裂,而磚塊會掉到地上,就像牛頓的蘋果一樣。
然而,若這根繩子很強韌,我們甚至可以用它懸掛兩塊磚頭,繩子現在承受的向上的力就是原來的兩倍,即它足以支撐兩塊磚的重量。以此類推,載荷的其他改變亦如此。此外,載荷未必是像一塊磚頭那樣的“死”配重;任何其他原因產生的力,比如風的壓力,一定也有同樣的反作用力。

圖2–1 磚塊的重量豎直向下,必須由等大且朝上的繩子拉力或張力來支撐

在樹枝懸掛磚塊的情境中,支持載荷的是繩子的張力,即拉力。在許多結構中,比如建筑物,載荷源于壓縮,即通過擠壓產生。在上述兩種情境中,基本原理都是一樣的。因此,若任意結構體系要發揮其作用(載荷以令人滿意的方式獲得支撐且沒有意外發生),那么它一定以某種方式產生推力或拉力,與施加其上的外力完全等大且反向。也就是說,它需要承載所有推力和拉力,而這些推力和拉力正好與其反作用力平衡。
如果一切順利,我們通常很容易看出載荷為何對結構施加推或拉的作用力。困難之處則在于,弄清楚為什么結構對載荷施加推或拉的反作用力。巧的是,小孩子間或察覺到這個難題的些許線索。
“別再拉貓尾巴啦,寶貝。”
“我沒拉,媽媽,是貓在拉我。”
在貓尾巴的情境中,反作用力是由貓的肌肉對小孩子的肌肉進行反拉產生的。當然,這類主動的肌肉反應并不常見,也沒有必要。
如果貓尾巴碰巧不在貓身上,而是系在某些像墻一樣的惰性物體上,這堵墻就不得不進行“拉”的動作;無論對小孩拉動的對抗是貓的主動行為,還是墻的被動行為,對小孩或尾巴來說都沒有區別(見圖2–2和圖2–3)。

圖2–2 “別再拉貓尾巴啦,寶貝。”
“我沒拉,媽媽,是貓在拉我。”

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