单杠的受力与变形分析
单杠卷身上及屈伸生物运动力学分析
单杠卷身上及屈伸生物运动力学分析摘要：结合部队实际，为有效指导训练，提高训练成绩，从生物力学角度，运用刚体转动定律、质心定理等物理学知识对单杠卷身上及屈身上加以分析，第一把单杠卷身上的动态过程进行力学分析，计算出其转动惯量，得出力量是基础、姿势是关键的结论。
关键词：生物力学；刚体转动定律；质心定理；单杠卷身上；单杠屈身上；转动惯量一.研究意义单杠卷身上其动作看似简单，但对于初学者来说还是有一定难度，需要一定的身体素质作为基础，还需多加练习才能完全掌握。
单杠屈身上则对身体机能要求较高，不仅需要很好的体能素质，还需要训练者有着良好的协调性、平衡力才可。
但一般入伍士兵或学员体能素质相对较差，器械训练又存在一定危险，由于单杠技术难度较大、对上肢力量要求较高，导致学员在单双杠练习中容易受伤，常常出现肌肉易于疲劳和肌肉损伤现象。
二.单杠卷身上力学分析2.1单杠卷身上动作要领单杠卷身上动作要领：跳起抓杠,成正握直臂悬垂,两手用力屈臂拉杠,同时含胸、收腹、举腿，上体后倒（臀紧贴身体，眼看脚），两臂继续用力拉杠，腿向后上方伸出过杠，使腹部贴于杠上，翻转手腕，抬头挺胸，伸直臂成正撑。
身体放时，含胸收腹，重心前移，两臂用力，缓冲下落还原成直臂悬垂。
2.2单杠卷身上动态过程分析受训者跳起上杠悬垂，身体成反弓形，使腰髋部、臀部、和肩部肌肉充分伸展，获得最大收腹动力，有利于后续动作的完成。
双臂用力拉杠使身体重心上移，缩短身体重心与杠的距离。
屈臂上杠的同时，收腹举腿。
在分析收腹之前，先分析这样一个过程：单杠大回环下摆过程中要求运动员送肩，脚尖绷直，身体成直线形，这样可增大身体重心与杠端距离以获得最大重力距，使其下落至最低点时动能更大，这是最大重力距原理。
2.3单杠卷身上常见做法由于人体构造、习惯、外界因素不同，不同的同志采取各自适合自己的做法，经过观察，大体将它们分为三类：先拉再卷法、边拉边卷法、先卷再拉法。
综合三种做法的数据分析。
1.2_典型结构受力分析——结构是怎样受力的.
永久性荷载 P1 和雪载
立 柱
立柱基础 P2
风 P’’
P’
P
弯矩 M
2.梁的受力
材料被挤压
ห้องสมุดไป่ตู้
材料被拉伸
梁的受力
如平衡木，桥等 都是梁的一种类 型。
拱结构的应用
拱结构十分美观，很多建 筑物都采用了拱结构。
赵州桥
拱结构的概念：
中间高四周低呈弧形的 曲面。
为什么要采用 拱结构呢？
2、弯曲
单杠的受力和变形分析
• 从力学角度出发，对结构理解为：结构 是可承受一定力的架构形态，结构可以 抵抗引起形态和大小变化的力。
单摆实验示意图
F
球
小球对固定点的作用力的方向，从固定 点指向小球球心所处的瞬间位置。
单杠竞技体操
• 运动员在杠体上转动，其侧视图与 单摆类似：杠体相当于固定点，人 相当于小球。 • 所以，任意时刻，人对杠体的作用 力方向都是指向人重心所处的瞬间 位置。
棚室荷载与立柱受力
1. 作用：指能使结构产生效应（内力、位移、应 力、裂缝）的各种原因的总称。分为直接和间 接两种 2. 直接作用称为荷载 3. 承受的荷载主要分为恒载和活载。 4. 恒载包括屋面、梁的质量，属于不随时间变化 而变化的永久性荷载。 5. 活载包括雪载、风载等，属于随情况变化而变 化的可变性荷载。
拱结构受力：
拱结构对承受荷载有利。 荷载压力作用于拱上，圆 拱再把力传到其四周的支 撑上。例如雪荷载。
小试验 ——比较不同形状的纸板承受压力的大小 1、哪种 情况下纸 板的抗压 能力最强？ 2、还有 更好的方 案吗？
后 侧
弯矩M 弯矩M’
前 侧
弯矩M与弯矩M’大小相等，方 向相反，是一对平衡的弯矩，使单 杠保持整体的稳定。
典型结构案例分析结构是怎样受力的
第二节典型结构案例分析-----结构是怎样受力的
序号
教学内容
教师活动
学生活动
1
引入课题
播放体操运动员在平衡木上和单杠上运动的视频。
讲解
看、思考
2
单杠的结构
问：单杠由哪些构件构成？它们为什么要这样搭配和排列？引领：从功能和受力两个方面考虑。
问：单杠的功能？
小结有关功能。
并指出本节课我们从结构体受力的角度来讨论
思考后回答第一个问题，并思考第二个问题。
回答有关杠的功能。
3
单杠的受力分析
模型演示；展示图片等，并引领学生从形变的角度分析理解杠的各构件受力情况以及如可保持杠体的稳定。
结合学生的分析进行小结。
分析杠体主构件的受力。
（因为学生在物理学上已学习了有关力学的知识，对杠的各部件受力是可以分析出来的）及力矩（弯矩）。
记录整理有关知识点
4
梁的概念
从体操运动员在平衡木上的运动
引出梁的概念
学生阅读“阅读材料”
5
梁的受力特点
引领学生分析平衡木（长条板凳）及跳板受力
学生分析
思考“问题思考”6
小结、布置课外作业“问题思考”
记录。
体操单杠运动中的生物力学原理探讨
体操单杠运动中的生物力学原理探讨体操单杠运动是体操运动中的一种应用较为广泛的训练项目，它可以培养选手的力量、平衡能力、协调能力，同时也是一种趣味性极强的运动形式，特别是近年来已经渐渐成为体育舞蹈秀的主角项目。
对单杠运动的技术探讨，少不了对其生物力学原理的深入了解和探讨，只有对运动最基本的身体动作能力状态，以及在不同状态之间的连续变化规律有一定的了解，才能做到努力追求单杠运动中变换性和协调性之美。
一般来说，运动员在单杠运动中涉及到三个主要力学变量，即身体空间位置、节拍和动作技术。
尤其要注意动作技术方面，运动员要在不断变换的姿势中控制身体和杆的位置，克服重力的干扰，进行节奏的调整和力量的定位，以达到节奏感强烈，高难度动作的要求。
控制节奏是单杠运动中最重要的生物力学原理，可以根据运动期间身体在空间相对要求变化情况，以及物体分布规律，将需要实现的节拍效果分解成各部分动作，由于个人的人体生物力学性能有限，有必要在此基础上精心设置，在确保安全的情况下，在一定时间内完成节拍效果。
其次，力量定位是控制重力作用的关键要素，在保持身体稳定的的基础上，能够有效的发挥人体的支撑力和推拉力，即使在移动过程中也有效压缩体积，以提高操作效率。
还应该注意，需要根据地图上的位置，理性分配力量，避免用力过度，以及运动中保持良好的心理素质，使运动过程更稳健，有助于提高技术的层次。
此外，平衡也是运动中最重要的技术要素之一。
体操单杠运动过程中，运动员会不断变化姿势，保持身体和杆的重心稳定，通过调整身体内外肌肉的协调，发挥多种力学作用，以保持身体稳定，实现力量把控，极大提高运动效率，同时也是完成高难度动作的关键要素。
综上可见，体操单杠运动不仅仅是一种需要极大力量的动作，更需要通过控制不同力学变量，深入理解人体的生物力学状态，挖掘节拍的奥秘，发挥力量的最佳定位和把控，以及运动中的平衡感，来达到完成高难度动作的评价指标。
在实践过程中，应该分析出动作中每一部分力学变量之间的关系，从而形成科学合理的训练计划，进行有效的训练，以期提高技术水平和体操水平。
单杠运动知识点总结
单杠运动知识点总结一、单杠运动的起源与发展单杠运动最早源自于古希腊的奥运会。
在古希腊时期，单杠运动被认为是身体力量和技巧的象征，因此备受重视。
随着体操运动的发展，单杠运动也逐渐成为体操项目的一部分，并在体操比赛中占有重要地位。
随着体操项目的不断探索和发展，单杠运动的难度和技巧也不断提高，成为一项精湛的体操项目。
二、单杠运动的技术要点1. 力量与灵活性单杠运动对运动员的力量和灵活性要求较高。
在进行单杠动作时，运动员需要充分发挥腰腹部和上肢的力量，同时保持身体的灵活性和柔韧性，以完成各种高难度的动作。
2. 姿势与平衡在进行单杠运动时，良好的姿势和平衡能力是至关重要的。
运动员需要保持身体的垂直性和平衡性，以确保完成动作的准确性和稳定性。
3. 身体协调与控制单杠运动需要运动员具备良好的身体协调能力和动作控制能力，能够在空中完成各种复杂的动作，并准确地落地，同时保持姿势的稳定性。
4. 动作难度与技术要求单杠运动的动作难度较大，要求运动员具备高超的技术水平和动作控制能力。
运动员需要掌握各种高难度的动作，如倒立、摆臂、后空翻等，并能够在比赛中精准地完成这些动作。
5. 心理素质单杠运动需要运动员具备良好的心理素质，能够在比赛中保持冷静、自信和专注，同时在面对压力和挑战时能够迅速调整状态，保持良好的竞技状态。
三、单杠运动的训练方法1. 基础训练单杠运动的基础训练主要包括力量训练、柔韧性训练和平衡训练。
力量训练主要包括肌肉力量和核心力量的训练，柔韧性训练则包括各种拉伸和伸展训练，平衡训练则是通过各种平衡器械和动作训练来提高运动员的平衡能力。
2. 技术训练单杠运动的技术训练主要包括基本动作的练习和高难度动作的训练。
基本动作的练习是单杠运动的基础，需要从简单的动作开始逐步提高难度，同时加强动作的精准度和技术要求。
高难度动作的训练则需要通过系统性的训练和反复练习来提高运动员的技术水平和动作难度。
3. 模拟比赛单杠运动的模拟比赛是运动员训练的重要环节，通过模拟比赛可以检验运动员的技术水平和心理素质，同时可以提高运动员在比赛中的竞技状态和应变能力。
球杆是怎么弯的原理
球杆是怎么弯的原理球杆弯曲是基于弹性力学的原理，在物理学中被称为杆体的屈曲。
当一根杆体受到外力作用时，它会发生屈曲，这是由外力产生的压力或弯曲力引起的。
球杆作为一种杆体，也遵循同样的原理。
弯曲现象是由应力和应变产生的。
应力是杆体内部的内向力，应变是杆体内部的拉伸或压缩程度。
当外力作用在球杆上时，球杆产生应力，这种应力会在球杆的不同部位产生不同程度的弯曲。
球杆的弯曲主要受到两种力的影响：弯曲力和压缩力。
弯曲力是外力垂直于球杆的方向施加的力，当杆体在一端受到压力而在另一端受到拉力时，会发生弯曲。
压缩力是外力平行于球杆方向施加的力，当球杆受到压力时，会发生挤压变形。
球杆的弯曲可以用弹性模量来描述，弹性模量是杆体所具有的弹性属性。
弹性模量的大小与球杆的材料有关，具有高弹性模量的材料通常更难弯曲。
例如，有些球杆采用碳纤维等高弹性模量的材料制作，可以更好地抵抗弯曲力。
球杆还受到几何形状和横截面积的影响。
球杆的横截面积越大，它的强度就越大，能够承受更大的弯曲力。
同时，球杆的几何形状也会影响其弯曲特性，例如，某些球杆设计成中间较粗，两端较细，这样的设计有利于减少弯曲。
需要注意的是，球杆的弯曲是有限度的。
当外力超过球杆所能承受的弯曲限度时，球杆可能会发生塑性变形或断裂，失去原有的弹性。
因此，在设计球杆时需要考虑杆体的强度和弯曲限度。
总结起来，球杆弯曲的原理包括弹性力学的应力应变关系，弯曲力和压缩力的作用，弹性模量，几何形状和横截面积等因素。
这些原理共同作用，导致球杆发生弯曲。
有效地理解球杆弯曲原理对于优化球杆设计和提高球杆性能至关重要。
典型结构受力分析案例(拓展)
杠体
名词解释 立
外力
柱
拉杆
荷载
（1）杠体的受力
同一荷载在静态、动态下， 结构承受的外力往往不同
杠体受力变形总结： • 运动员对杠体施加了外力，使得杠体发生 弯曲变形 • 杠体弯曲变形的方向与杠体受外力的方向 一致
• 当人体静挂或静骑在杠体上时
杠体与人的重力
• 当人体回转到单杠的一侧（如单杠的前面）时
补充知识3——内力
• 例：尺子 • 物体由于外因而变形时，在物体内各质点之间会 产生一种相互作用的力，以抵抗这种外因的作用， 并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位 置，这种力称为内力。 • 内力反映了材料抵抗荷载破坏的能力，即强度的 大小。
补充知识4——应力•Leabharlann 截面某一点单位面积上的内力称为应力。
杠体与人的重力以及运动员运动时 手的拉力 结构中的某构件可能是其他构件的荷载
（1）构件——梁(拱架)的受力 对于梁（拱架）来说：
• 恒载：塑料棚膜、后屋面、梁（拱架） 的自重 • 活载：雪载、风载等
• 拱结构：即中间高四周低呈弧形的曲面。 • 荷载压力作用于拱上，圆拱再把力传到其四周的 支撑上。 • 拱的受力面积大，例如雪荷载 • 拱结构对承受荷载有利
• 应力σ＝ ΔF／ΔS 。
• 应力会随着外力的增加而增长
• 极限应力
• 认识到： 拱结构既有利于承载，又美观 • 在较大的跨度情况下，建筑物多采用拱结构。
补充知识2——荷载 荷载:
施加于机械或结构上的外力在力学中通常被称为荷载。
• 依据不同的标准，荷载有不同的分类。 • 按荷载随时间的变化分为： 恒载(永久性荷载)：作用于结构上长期不变的荷载 活载(可变性荷载)：作用于结构上可变的荷载 例：结构自重、风荷载、雪荷载 立柱——杠体、人体
典型结构受力分析——结构是怎样受力的
• 较大跨度.如天安门门楼的拱门、拱形桥洞等.
• <5>型式：三铰拱、两铰拱、无铰拱
赵州桥
• 认识到：
• 拱结构既有利于承载,又美观
• 在较大的跨度情况下,建筑物多采用拱 结构.
小结
• 典型结构案例分析：
• 〔1〕单杠受力和变形 分析
• 〔2〕棚室屋架受力与
变形分析
分析结构受力的方法：
• 立柱埋深一点 • 用一个力从反方向拉
〔3〕拉杆的作用
• 拉杆：辅助立柱抵抗弯曲变形趋势
单杠的受力与变形
• 当人体静挂在杠体上时,两根立柱只承受压力. • 当人体回转到单杠的一侧时,经过杠体传到立柱
上端的外力将对立柱产生弯矩,使立柱产生弯曲 变形趋势.固定于地基的垂直梁产生抵抗柱端的 弯曲变形.同时拉杆将起到辅助立柱抵抗变形作 用.
• 单摆实验
小球对固定点的作用力,其方向,从固定点指向小球球 心所处的瞬间位置.
杠体受力弯曲变形、方向
• 运动员对杠体施加了外力 • 使得杠体发生弯曲变形 • 这种外力称为弯曲力
• 杠体弯曲变形的方向 • 与杠体受外力的方向一致 • 杠体总是朝人体所在的瞬间位置的方向发生弯曲.
〔2〕立柱的受力与变形分析
拱<P20——阅读材料>
• <1>形状特点：曲线形结构
• <2>受力特点：
•
在竖向荷载作用下,水平方向约束力是推力.推
力对拱上任意点力矩与支持力对该点力矩转向相反,
故其任意截面弯矩小于相当的梁在相同截面弯矩.
• <3>优点：
•
比梁经济.因弯矩小,应力就小,强度高,等强度
时,可以用较少的材料.
• <4>用途：
二节典型案例分析--结构是怎样受力的
构件所受的外力形式多样，基本形式
有拉力、压力、剪切力、扭转力、
和弯曲力等。
外力 拉力 压力 弯曲力 扭转力
剪切力
效果 物体承受的拉拽力，产生拉伸变形
积压物体的力，产生压缩变形
作用于物体，使其产生弯曲变形
反方向向物体的两端均匀施力，使物体产 生扭转 两个距离很近，等大，反向且作用于同一 物体上的平行力，产生剪切变形
葡萄大棚的结构
荷载
施加于机械或结构上的外力在力学中通 常被称为荷载。
按作用时间的久暂，荷载可分为恒载和 活载。
不随时间变化而变化的永久性荷载；包 括屋面、梁的质量等；
随情况变化而变化的可变性荷载。包括风 载、雪载等。
立柱受力
压力引起压缩变形；弯矩引起弯曲变形。
梁的受力
拱结构
中间高四周低呈弧形的曲面。 荷载压力作用于拱上，圆拱在把力传到其
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
所以，任意时刻，人对杠体的作用 力方向都是指向人重心所处的瞬间 位置。
结论一：
杠体总是朝着人体所在 的瞬间位置的方向上发生 弯曲。
请问同学们有什么方法可以抵消这 种弯曲呢？
立柱埋深一点、用一个力从反方 向拉，都可以帮助立柱抵抗变形
结论二：
任意时刻，对于立柱，由人运 动所产生的弯矩M1，都有一个由立 柱埋在地下部分和拉杆共同产生的 反弯矩M2来平衡，以保持单杠整体 的稳定。
从力学角度出发，对结构理解为： 结构是可承受一定应力的架构形 态，结构可以抵抗引起形态和大 小变化的力。
把单杠看成结构，构件有：杠体、 立柱、拉杆。
单摆实验示意图
F
球
小球对固定点的作用力的方向，从固定 点指向小球球心所处的瞬间位置。
1-2典型结构受力分析——结构是怎样受力的
• 荷载压力——由恒载和雪载生成。 • 墙受压力时的情形。
• 荷载中的风载，作用于棚室的情况比较复 杂，它与风的作用方向有关。 压力 推力
• 认识到： 不同形式的荷载，同一结构承受 的 外力也不同
观察右下图,说明石磨的推杆为 什么要用一根绳子吊起来。
小试验 • 用一张纸做桥梁,河面的宽度为15CM，如 何只用一张纸让你设计的桥梁能承受最大 的重量？ 1、哪种 情况下纸 板的抗压 能力最强？ 2、还有 更好的方 案吗？
一座限重1.5吨的简单梁式桥，如 果要使它的承重增加，该如何改进。
（3）构件——拱的受力
• 拱结构：即中间高四周低呈弧形的曲面。 • 试验：纸桥
• 问题：杠体和立柱的上端相连，人的 作用力通过杠体作用于立柱，立柱产 生弯曲变形趋势,如果要向前发生弯曲， 请问同学们，有什么方法可以削弱或 抵消这种弯曲呢？ • 立柱埋深一点 • 用一个力从反方向拉
（3）拉杆的作用
• 拉杆：辅助立柱抵抗弯曲变形趋势
单杠的受力与变形
• 当人体静挂在杠体上时，两根立柱只承受压力。
如：梁必须是混泥土 底部含有加固钢筋， 混泥土擅长抗压力， 而钢筋擅长抗拉力， 他们共同形成了非常 牢固的结构
混凝土和石材，较能抵抗压力，却无法抗拉力， 为避免产生裂变，一般在混凝土梁上加钢筋。以下 两种结构（屋顶、雨搭）要在哪一面加钢筋？
屋顶 雨搭
受拉力一侧加上钢筋
（2）构件——墙的受力 对于墙（和立柱）来说：
9 防渗膜固定槽 10 防渗膜
8 防寒沟 11 混凝土墙
（1）构件——梁(拱架)的受力 对于梁（拱架）来说：
• 恒载：塑料棚膜、后屋面、梁（拱架）的自重 • 活载：雪载、风载等
单杠的受力和变形分析
(单杠的受力和变形分析 )
从力学角度出发，对结构理解为： 结构是可承受一定应力的架构形 态，结构可以抵抗引起形态和大 小变化的力。
把单杠看成结构，构件有：杠体、 立柱、拉杆。
单摆实验示意图
F
球
小球对固定点的作用力的方向，从固定 点指向小球球心所处的瞬间位置。
运动员在杠体上转动，其侧视图与 单摆类似：杠体相当于固定点，人 相当于小球。
所以，任意时刻，人对杠体的作用 力方向都是指向人重心所处的瞬间 位置。
结论一：
杠体总是朝着人体所在的瞬间
位置的方向上发生弯曲。
杠体和立柱的上端相连，人的作用 力通过杠体作用于立柱，将可能发 生弯曲变形,如果要向前发生弯曲， 请问同学们有什么方法可以抵消这 种弯曲呢？
立柱埋深一点、用一个力从 反方向拉，都可以帮助立柱 抵抗变形
结论二：
任意时刻，对于立柱，由人运 动所产生的弯矩M1，都有一个由 立柱埋在地下部分和拉杆共同产生 的反弯矩M2来平衡，以保持单杠 整体的稳定。
问题1： 课本13页，图1-19，运动员从
单杠前侧向后侧运动，起削弱、平 衡作用的是拉杆5 还是拉杆6？
问题4：
人与杠体的接触点有两个（人 的双手），这与单摆实验只有一个 固定点有所不同。与只有一个接触 点相比，有何不同？
拉杆6
问题2：
T0时刻人在杠体的正上方，然后沿 顺时针方向运动到杠体正下方。假设T0 时刻刚好有一只小虫飞到人的身上，那 么在小虫看来，人是不动的，而杠体是 运动的，(例如地球绕太阳转，而人在 地球上看来，是地球不动，太阳绕地球 转)。请问，小虫看到杠体将怎样运动？ 如下图。
T0时 刻 人
从运动生物力学角度对单杠屈伸上的理论与技术分析
从运动生物力学角度对单杠屈伸上的理论与技术分析摘要：运用运动生物力学方法，对单杠屈伸上动作的技术原理进行分析，从中找出练习中常见的错误技术并分析，同时提出相应纠正错误技术的建议，为教学和训练提供理论依据，提高教学水平和质量。
关键词：单杠；屈伸上；生物力学分析竞技体育的发展, 越来越离不开科技的支撑, 不同运动项目科研的侧重点不同。
对于技巧类项目, 各种动作技术生物力学原理的研究尤为重要。
在竞技体操项目中, 单杠是一项典型的弹性器械运动, 其摆动、回环、腾越、脱手再握都是该项目的特征性动作。
通过对这些特征动作的生物力学原理探讨和分析,有助于我们对弹性器械运动一般原理和基本规律的认识和理解, 更有利于把握用运动生物力学原理分析和解决动作技术问题的思路和方法, 有效提高竞技水平。
1.单杠中基本动作技术原理单杠直角悬垂屈伸上是典型的后摆屈伸类动作，是体育院系体操教材的重要内容之一也是各级水平运动员所必须掌握的一个基本动作。
它在发展练习者躯干上下肢诸肌群的肌肉力量培养身体协调用力等方面均有着良好的作用。
对于单杠屈伸上，苏联医学博士伊万尼茨基教授曾论述到：“单杠屈伸上对于那些肌肉虽很发达，但没有掌握这个练习的人来讲，是一个相当困难的练习；但对体操运动员来讲，这则是一个非常容易的练习”。
从这我们可以略微知道，单杠屈伸上的完成，主要不是取决于肌肉力量的大小，而是技术掌握的正确与否，动作用力顺序以及衔接是否符合运动生物力学原理。
通过分析单杠项目特点，可把单杠动作分成摆动、回环、振浪、飞行等几大类，结合相关运动生物力学知识和理论，对单杠屈伸上的摆动动作一般生物力学原理进行分析知道：单杠是以摆动动作为主的器械运动, 慢用力动作或者静力平衡动作在项目中已经不复存在。
因而分析摆动动作即抓住了单杠运动的核心问题。
单杠的摆动通常有下摆、兜腿、上摆几个部分组成。
1.1下摆技术原理在下摆过程中, 重力是动力, 通过人体重心的重力线对手握单杠的支点产生力矩, 加速人体绕单杠的转动。
《单杠结构分析作业设计方案》
《单杠结构分析》作业设计方案一、课程背景《单杠结构分析》是一门重要的土木工程专业课程，主要传授单杠结构的基本原理和分析方法。
通过进修这门课程，学生可以掌握单杠结构的受力特点、计算方法和设计要求，为今后的土木工程实践奠定基础。
二、课程目标1. 理解单杠结构的基本观点和分类；2. 掌握单杠结构的受力分析方法；3. 学会应用相关软件进行单杠结构的计算和设计；4. 提高学生的工程实践能力和团队合作认识。
三、作业设计方案1. 作业一：单杠结构的受力分析要求：选择一个实际的单杠结构案例，进行受力分析并撰写报告。
报告要包括结构的荷载计算、支座反力计算和构件受力情况分析。
同时，要求应用专业软件进行模拟计算，并将计算结果与手算结果进行比照。
2. 作业二：单杠结构的设计优化要求：根据给定的单杠结构设计要求和约束条件，进行结构的设计优化。
要求思量结构的强度、稳定性和经济性，提出最佳设计方案并给出详细设计报告。
同时，要求应用相关软件进行设计验证，确保设计方案的可行性。
3. 作业三：单杠结构的实践应用要求：团队合作完成一个单杠结构的实际工程项目，包括结构的设计、施工和监测。
要求思量项目标实际情况和需求，提出创新的设计方案并进行实施。
同时，要求撰写项目总结报告，包括设计过程、施工过程和监测结果。
四、评分标准1. 作业一：受力分析报告的完备性和准确性，计算结果的正确性，比照分析的深度和广度。
2. 作业二：设计优化报告的创新性和合理性，设计方案的经济性和可行性，设计验证结果的准确性。
3. 作业三：实践项目标实施情况和效果，团队合作能力和创新认识，项目总结报告的完备性和深度。
五、作业提交方式1. 作业一和作业二：要求以电子文档的形式提交，包括受力分析报告和设计优化报告。
2. 作业三：要求以实物展示和书面报告相结合的形式提交，包括实践项目效果和项目总结报告。
六、作业时间安排1. 作业一：第四周提交；2. 作业二：第六周提交；3. 作业三：第十周提交。
单杠材料设计实验报告
单杠材料设计实验报告一、实验目的本实验旨在通过对不同材料的单杠进行设计和制作，并测试其性能，探究不同材料的优劣势并给出材料选择建议。
二、实验过程1. 实验材料准备：本实验使用金属材料、塑料材料和木材作为制作单杠材料的候选材料，分别准备相应的金属块、塑料块和木块。
2. 设计并制作单杠：首先，在实验室设定了单杠的长度和直径。
然后，根据设定的参数，使用机器加工对不同材料的候选材料进行制作，制作出相同长度且直径相等的金属单杠、塑料单杠和木单杠。
3. 测试单杠性能：使用测试仪器将单杠固定在同一端点，并在另一端施加一定的力。
通过测量变形程度和断裂发生的载荷，来评估单杠的性能。
4. 数据收集和分析：根据测试结果，对不同材料的单杠进行性能对比分析，总结各材料的优劣势。
三、实验结果通过测试仪器测得以下数据：材料变形程度断裂载荷金属2mm 500N塑料5mm 200N木材3mm 300N四、分析与讨论根据实验结果，可得出以下结论：1. 变形程度较小的材料有更好的抗变形能力，即能够更好地保持形状。
在本实验中，金属材料的变形程度最小（2mm），而塑料的变形程度最大（5mm）。
2. 断裂载荷较大的材料有更好的抗断裂能力，即能够承受更大的力。
在本实验中，金属的断裂载荷最大（500N），而塑料的断裂载荷最小（200N）。
基于以上分析，可以得出以下建议：1. 如果注重抗变形能力，金属材料是较好的选择。
其抗变形能力高，形状不易改变。
2. 如果注重抗断裂能力，金属材料同样是较好的选择。
其断裂载荷高，能够承受大的力。
3. 如果需要在成本、质量和强度之间做出权衡，可以考虑使用木材材料。
虽然其抗变形和断裂能力略低于金属材料，但其成本相对较低，且质量轻便，适用于某些特定场景。
五、实验总结本实验通过对不同材料的单杠进行设计和制作，并测试其性能，得出了不同材料的优劣势。
通过对变形程度和断裂载荷的测量和比较，我们发现金属材料具有较好的抗变形和抗断裂能力，而塑料材料的表现较差。
《单杠结构分析导学案-2023-2024学年高中通用技术地质版》
《单杠结构分析》导学案
一、导学目标：
1. 了解单杠结构的定义和特点；
2. 掌握单杠结构的受力分析方法；
3. 能够运用单杠结构的分析方法解决实际问题。
二、导学内容：
1. 单杠结构的定义和特点
单杠结构是由一根杠杆和支点组成的结构，通常用于支持或承载物体。
其特点是只有一个支点，杠杆的两端可以有不同的受力情况。
2. 单杠结构的受力分析方法
（1）确定受力分析方向：根据杠杆的受力情况，确定受力分析方向；
（2）建立受力平衡方程：根据受力平衡条件，建立受力平衡方程；
（3）解方程求解：利用数学方法解方程，求解出未知受力。
3. 实际问题的解决方法
根据单杠结构的受力分析方法，可以解决各种实际问题，如悬挂物体的稳定性分析、支持结构的设计等。
三、导学步骤：
1. 引入问题：介绍单杠结构的定义和特点，引出单杠结构的受力分析方法的重要性；
2. 进修理论知识：讲解单杠结构的受力分析方法，包括确定受力方向、建立受力平衡方程和解方程求解；
3. 练习应用：让学生通过实际案例练习单杠结构的受力分析方法，加深理解；
4. 总结归纳：总结单杠结构的受力分析方法，强化学生对知识点的理解；
5. 拓展应用：引导学生应用单杠结构的受力分析方法解决更复杂的问题，提高解决问题的能力。
四、导学反思：
通过本节课的进修，学生应该能够掌握单杠结构的受力分析方法，能够运用所学知识解决实际问题。
同时，学生也应该认识到单杠结构在工程设计中的重要性，能够应用所学知识设计出更稳定、更安全的结构。
在今后的进修和工作中，学生应该继续加强对单杠结构的理解和应用，不息提高自己的专业能力。
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T0时 刻 人
T0时 刻 杠 人
人
解： 在小虫看来，杠体开始在正 下方，最后在正上方，而且运动过 程中一直在左边。所以小虫看到杠 体应是从正下方顺时针运动到正上 方。
问题3： 知道t时刻人的位置，怎样确定 同一时刻杠体的位置？
2
T时刻杠 位置 杠
人 人
T时刻人 位置
1
杠
2和1要平行
1代表T时刻人对杠体的作用 力；2代表同一时刻杠体对人的作 用力，它们是一对作用力和反作用 力，方向一定要相反，所以1和2 一定要平行。
把单杠看成结构，构件有：杠体、 立柱、拉杆。
单摆实验示意图
F
球
小球对固定点的作用力的方向，从固定 点指向小球球心所处的瞬间位置。
运动员在杠体上转动，其侧视图与 单摆类似：杠体相当于固定点，人 相当于小球。 所以，任意时刻，人对杠体的作用 力方向都是指向人重心所处的瞬间 位置。
结论一： 杠体总是朝着人体所在的瞬间 位置的方向上发生弯曲。
杠体和立柱的上端相连，人的作用 力通过杠体作用于立柱，将可能发 生弯曲变形,如果要向前发生弯曲， 请问同学们有什么方法可以抵消这 种弯曲呢？ 立柱埋深一点、用一个力从 反方向拉，都可以帮助立柱 抵抗变形
结论二： 任意时刻，对于立柱，由人运 动所产生的弯矩M1，都有一个由 立柱埋在地下部分和拉杆共同产生 的反弯矩M2来平衡，以保持单杠 整体的稳定。
问题1： 课本13页，图1-19，运动员 从单杠前侧向后侧运动，起削弱、 平衡作用的是拉杆5 还是拉杆6？
拉杆6
问题2： T0时刻人在杠体的正上方，然后 沿顺时针方向运动到杠体正下方。假设 T0时刻刚好有一只小虫飞到人的身上， 那么在小虫看来，人是不动的，而杠体 是运动的，(例如地球绕太阳转，而人 在地球上看来，是地球不动，太阳绕地 球转)。请问，小虫看到杠体将怎样运 动？如下图。
两个距离很近，大小 相等，方向相反，且作用于同一物体 上的平行的力。
剪 切 力：
使用弓、使用 臂力器、撑杆 跳高
钓 鱼！
弯曲力：作用于物体，使它产生
弯曲的力
拧干衣服！
拧瓶盖 拧麻花条
扭转力：反方向向物体两端均匀
施力，使物体发生扭转形变的力。
马上行动: 请连线
拉 作用于物体 ,使它 力 产生弯曲的力
问题4： 人与杠体的接触点有两个（人 的双手），这与单摆实验只有一个 固定点有所不同。与只有一个接触 点相比，有何不同？
碳的各种结构
实例：
1981年7月 17日美国的堪萨 斯城饭店发生倒 塌。造成113人 死亡，200人受 重伤。 这一惨案的 结论是：空中通 道和凉台的构造 设计有缺陷，从 墙壁至立柱间的 空中距离过长。
二、 结构与力 从力学的角度来说，结构是 指可承受一定力的架构形态，它 可以抵抗能引起形态和大小改变 的力。
两个距离很近 ,大 压 小相等,方向相反, 力 且作用于同一物体 上的平行力 剪 切 挤压物体的力 力 扭 物体所承受的拉拽 转 力 力
弯 反方向向物体两端 曲 均匀施力,使物体发 力 生扭转形变的力
结构与力
分析椅子和桥受力的共同之处
观察右图,说 明石磨的推 杆为什么要 用一根绳子 吊起来。 答案： 1、保持人在推磨过程时推杆始终在平行 于地面的平面上运动； 2、防止推杆弯曲变形。
硬纸包装箱：
通过以上例子可以得出：结构可
以抵抗来自外界的作用力，那结构一 般会受到哪一些力？
赶紧来学学以下五种力吧· · · · · ·
拔河！
拉拉面、拉油 条、拉拉力器
拉力：物体所承受的拉拽力。
趁热打铁！
压订书机、桥墩 受到压力、压路 机压路
压力：挤压物体的力。
修理草坪！
剪刀剪纸、钢 丝钳钳钢丝
让我们一起看看下面的例子吧！
马上行动
指出下例结构可以抵 抗来自外界那些方面 的作用力。
餐桌
建筑物的 窗户
硬纸包装箱
参考答案：
建筑物的窗户：
抵抗来自建筑物墙的正 向和侧向的压力、风的 作用力，及其自身的重 力等
餐
桌承受箱内物体的重力、 箱内物体向外的挤压力 以及自身的重力等
第二节 典型案例分析 －－结构是怎样受力的
(单杠的受力和变形分析 )
回顾
结构影响着物体的性质和功能。 结构方面存在的一个小问题也许会导致一 个重大事故的发生。 （千里长堤溃于蚁穴） 卓越的结构是设计者和制造者的追求。
碳单质的各种同素异形体结构
碳单质通常是无臭无味的固体。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构， 外观、密度、熔点等各自不同。 碳的单质已知以多种同素异形体的形式存在： 石墨 金刚石 富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球） 无定形碳（Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨） 碳纳米管（Carbon nanotube） 六方金刚石（Lonsdaleite，与金刚石有相同的键型，但原子以六边形排列，也被 称为六角金刚石） 赵石墨（Chaoite，石墨与陨石碰撞时产生，具有六边形图案的原子排列） 汞黝矿结构（Schwarzite，由于有七边形的出现，六边形层被扭曲到“负曲率” 鞍形中的假想结构） 纤维碳（Filamentous carbon，小片堆成长链而形成的纤维） 碳气凝胶（Carbon aerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶） 碳纳米泡沫（Carbon nanofoam，蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分 之一，有铁磁性）