浅析高中力学知识与建筑的关联性

张睿滢

1引言

力学首先是一门基础科学，是所有技术的根基，力学的规律带有普遍适用性，是机械、材料、建筑、土木等工程技术的理论基础。力学同时也是一门技术科学，力学和工程技术的结合，使得力学的发展出现了多种分支，而且各分支产生了多种设计原理和计算方法，也出现了多种试验方法，对力学的基础研究起到了反哺的作用。

力学按研究对象分类，可以分为固体力学、流体力学和一般力学。力学在工程技术方面的应用，形成了工程力学和应用力学等多种分支。高中力学正是工程力学的一部分，因此高中力学的重要性不言而喻，本文在深入掌握高中力学的基础上，探讨了高中力学与建筑的关联。

2高中力学在建筑行业的应用简介

高中力学是工程力学的基础知识，为了方便高中学生的学习，一般建立力学模型时，将所研究的对象化为质点。按照力学研究的问题分类，可以分为静力学、运动学和动力学三部分。

静力学：研究物体处于平衡状态时的力，牛顿第一定律即是阐述相关内容，力学原理的合成、分解和平衡，以及平行四边形法则等在分析静力学问题上有重要的作用；运动学：研究物体运动时的几何性质，比如速度、路程等；动力学：研究物体运动时力的作用，比如加速度、惯性等，牛顿第二定律即是阐述相关内容。

在建筑行业中，高中力学有广泛的应用，比如三角支架、铰链、杠杆、千斤顶、塔吊的桁架结构、吊车滑轮组结构等。

随着经济的发展，高层建筑越来越多，建筑行业中采用的大量的钢结构，高中力学中经常将钢结构作为刚体进行研究，忽略变形，这样方便计算。比较典型的还有框架结构，指的是梁和柱组成的承力结构，可以同时在竖向和水平方向起到承重作用，这也可以运用高中的力学知识进行计算。由此可见力学在建筑物结构中的重要作用。

3高中力学在建筑行业的应用实例

在生产实践中，把用于切割的工具，比如刀和斧的刃部叫做劈，可以把坚硬的物体轻易劈开；把两端厚薄不同的斜面木料叫做楔，可以使物体的结构更加稳定，接触更加可靠。中国古代有很多这样的能工巧匠，把楔子的作用应用到生产实践中，让人叫绝。

例题：中国明朝时期，位于苏州的著名景点虎丘塔多年未成修缮，塔基不稳，塔身倾斜，有坍塌的危险。为了解决这一问题，有人提出用建立支撑木柱，但是这样就破坏了景点的完整性，在一筹莫展的时候，有一位僧人提出一种解决办法，他在塔身倾斜的一侧，找到很多转头缝，敲进去很多木楔，这样在不破坏景观的基础上，将塔身扶正，维护了虎丘塔的完整性，请解释其力学原理。

试题分析：

木楔一头厚一头薄，纵向剖开，截面是三角形，使用木楔时，在厚的一侧加上敲击力，设为F，运用力的分解原理和平行四边形法则可知，敲击力可以分解为楔的两个侧面上推压砖的力，设为[FN]，在推压力的作用下，木楔把塔身上的砖缝楔紧。设使用的木楔是一个等腰三角形，则纵截面的两边相等，这样更方便计算，如图1所示，木楔厚的一侧BC=d，木楔侧面长度BA=l，由几何知识的三角形相似原理可得：

[FnF=ld]

[Fn=ldF]

设等腰三角形的顶角∠BAC=θ，由正弦函数可知：

[sinθ2=d/2l，即dl=2sinθ2]

計算可得：

[Fn=F2sinθ2]

通过上述的计算可知：在敲击力F不变的情况下，三角形的顶角越小，侧面的推压力越大，由常识可以知道，木楔越薄，越容易楔进砖缝中。假设顶角θ=30°，推压力F=350N，代入上式计算，可知：FN=6700N，换句话说，推压力等于670公斤的物体的重力，一个楔产生的力就这么大，题目中僧人采用了多个木楔，那么产生的推压力更大，完全能够支撑起塔身，将其扶正，正是力学原理的利用，使得小木楔产生的大作用，通过这个案例，我们也可以看到古代人的智慧。

4总结

在高中力学的学习过程中，要灵活将力学知识和建筑行业背景的知识相结合，从实际角度出发思考问题，运用理论知识反复验证，以便得出最佳的答案。学习中要加强总结的能力，才能以不变应万变，将知识掌握在自己手中，不因背景变化而失去解决问题的能力，思考的基础上不断探索和总结研究，深入挖掘知识点的深度，这样才能掌握好知识点，为今后的发展打下基础。endprint