结构与力：压缩、拉张与剪切
基础结构承受的力有压缩、拉张、屈曲、扭转和剪切五种。拱架、构架、横梁和方箱等结构各有不同负载能力，改变构件形状便能把弱点变成强项，令结构更稳固。
- 结构承受五种力：压缩、拉张、屈曲、扭转、剪切
- 常见结构类型：拱架、构架、横梁、方箱，各有不同负载能力
- 底阔、低重心令结构平衡稳定
文体小知识：科技知识说明文有条理地讲解结构、力和负载等概念，配合实例说明抽象原理，使读者能够理解及应用。
§课文原文 Passage
1桥梁、大厦、桌椅、鸟笼，甚至一张纸张，只要有固定形状并能承受外力，就是结构。结构的任务是承受负载，即加在它身上的重量和力量，并把这些力稳妥地传到地面或支承处。香港的青马大桥横越急流，国际金融中心高耸入云，都因为结构设计得宜，才能经年累月安全地屹立。
2结构中常见的力有五种。压缩把构件向内挤压，拉张把构件向外拉长，屈曲令构件弯曲，扭转把构件像拧毛巾般扭动，剪切则像剪刀般把构件上下错开。同一个结构的不同部位，可能同时受著不同的力。举个例子：坐在木凳上，凳面弯曲受屈曲，凳脚受压缩，摇晃时接驳位更会受到剪切。
3常见的结构类型有拱架、构架、横梁和方箱四种。拱架把重量沿曲线传向两端，非常坚固；构架由杆件组成三角形网络，轻身而刚硬；横梁架在支柱之间直接承受弯曲；方箱结构四面封闭，抵抗扭转特别强。举个例子：大桥的桥塔属于构架，双层巴士的车身属于方箱结构，各自的负载能力并不相同。
4改变构件的形状和摆放方式，可以在不换物料的前提下大大增强结构。把纸折成波纹或卷成圆筒，它便能承起书本，因为折痕把弯曲的力转化为折位之间的压缩和拉张。三角形是唯一受力后形状不变的多边形，所以铁塔和棚架处处可见三角形构架。学会分析受力，才能设计出又轻又稳的结构。
1重点摘要 Summary
结构承受的力有压缩、拉张、屈曲、扭转和剪切五种。拱架、构架、横梁和方箱等结构各有不同负载能力，改变构件形状便能把弱点变成强项，令结构更稳固。
2生字卡 Vocabulary
承受和传递力量的形状组合。
加在结构上的重量和力量。
把构件向内挤压的力。
把构件向外拉长的力。
令构件弯曲变形的力。
把构件如拧毛巾般扭动的力。
像剪刀般令构件两部分错开的力。
沿曲线把重量传向两端支承的结构。
由杆件组成、多用三角形的骨架结构。
架在支柱之间、直接承受弯曲的构件。
3逐步讲解 Steps
- 什么是结构与负载结构是能够固定形状并承受外力的组合，负载则是加在结构上的重量和力量。所有结构的任务都是把负载安全地传到支承处，令产品和大厦不倒不塌。举个例子：双层巴士的上层载满乘客时，负载经车身结构传到车轮再传到路面；你背上书包时，书包带和背垫就是承受负载的结构。分析任何结构，第一步都是问：力从哪里来，要传到哪里去。
- 压缩与拉张压缩是向内挤压构件的力，构件会变短变粗；拉张是向外拉开构件的力，构件会变长变细。两者方向相反，却常常同时出现。举个例子：吊桥的桥塔被缆索向下压，受压缩；缆索本身被桥面拉紧，受拉张。坐在木凳上，凳面被体重压弯，凳面上方受压缩、下方受拉张。分辨受力方向，是选择构件形状和物料的第一步。
- 屈曲、扭转与剪切屈曲令长条构件中间弯曲变形，是最容易令薄板和长梁失效的力；扭转像拧毛巾般把构件两端向相反方向扭动；剪切则像剪刀，令构件两部分沿相反方向错开。举个例子：书架层板放满书会向下屈曲；拧干毛巾时毛巾受扭转；用剪刀剪纸时纸张受剪切。长而薄的构件最怕屈曲，所以要加厚、加折或加支撑；接驳位的螺丝则要抵受剪切。
- 四种常见结构类型按形状和受力方式，结构可分为拱架、构架、横梁和方箱等类型。拱架沿曲线把重量传向两端支承，桥梁和隧道常用；构架以杆件组成，多用三角形，轻身而刚硬；横梁架在支柱之间，直接承受弯曲；方箱四面封闭，抵受扭转和撞击。举个例子：行人天桥的拱架、电塔和棚架的构架、课室门上的横梁、冷藏货柜的方箱，各自配合不同的需要，负载能力也不同。
- 平衡与稳定结构要站得稳，必须令各项作用力互相平衡：向下的负载与向上的支承力相等，而且合力通过底座范围。底面积越大、重心越低，结构越稳定。举个例子：不倒翁底部又圆又重，重心极低，怎样推都会回正；过山车的支架又阔又低，令高速摆动时仍然平衡。设计书架、灯柱甚至风扇底座，都要运用阔底和低重心的原理，才能安全耐用。
- 改变形状增强结构不更换物料，只改变构件形状，也能大幅提升负载能力。把平板折成波纹、卷成圆筒或加上三角形折痕，都能把屈曲转化为折位之间的压缩和拉张；三角形是受力后形状不变的多边形，加三角形等于加刚度。举个例子：瓦通纸的波浪夹层令纸板坚挺，锡纸盒压出折边后不再变软，铁闸以斜杆组成三角形网络，都是同一个原理，以形状换取强度。
- 用输入–处理–输出看机械结构机械设计中常用输入–处理–输出的黑盒方法分析装置：输入和输出往往是力量与运动，运动有直线、旋转等不同形式；机构内部把输入的力量方向或大小转化，最后输出需要的动作。举个例子：单车制动系统中，手握刹车杆是输入，缆索和杠杆把力传大是处理，车轮被夹停是输出。这个方法先不理会内部细节，只看两端的关系，是后面两课学习系统和简单机械的基础。
4图解 Diagrams
5例题示范 Example
例题：一张 A4 纸平放时连一支笔也承不起，怎样处理才能承起一本课本？试用力的知识解释。
- 先分析 → 平纸又薄又平，书的重力令纸面屈曲，纸张立即塌下
- 折成波浪（风琴）形 → 折痕把纸分成一条条斜撑，形成三角结构
- 受力转化 → 屈曲被折位之间的压缩和拉张取代，纸张整体不易变形
- 再改进 → 折数越多、波浪越深，负载能力越强；或卷成圆筒再封边
- 答案：把 A4 纸纵向折成波浪（风琴）形或卷成圆筒，便能承起课本。平纸受书本重量时整面屈曲，很快就塌下；折成波浪后，每条折痕像小小的斜撑，把屈曲转化为折位之间的压缩和拉张，力量沿折痕传向两端支承，纸张就能保持形状。折数越多、越深，负载越大。这说明结构的强弱不只看物料，形状设计同样关键。
6常见错误 Mistakes
75 题快测 Quick check
Q1挂在衣架上的毛巾，衣架的挂钩受到什么力？A. 压缩 B. 拉张 C. 扭转
Q2为什么铁塔和棚架处处使用三角形构架？
Q3用剪刀剪开卡纸时，卡纸受到什么力？
Q4书架的长层板中间下弯，是哪种力造成的？可以怎样改善？
Q5双层巴士车身属于哪类结构？它有什么好处？
8重点回顾 Recap
- 结构承受五种力：压缩、拉张、屈曲、扭转、剪切
- 常见结构类型：拱架、构架、横梁、方箱，各有不同负载能力
- 底阔、低重心令结构平衡稳定
- 三角形受力后形状不变，是结构刚硬的关键
- 改变形状（折叠、卷筒、加折边）可以大幅提升负载能力