結構與力：壓縮、拉張與剪切
基礎結構承受的力有壓縮、拉張、屈曲、扭轉和剪切五種。拱架、構架、橫樑和方箱等結構各有不同負載能力，改變構件形狀便能把弱點變成強項，令結構更穩固。
- 結構承受五種力：壓縮、拉張、屈曲、扭轉、剪切
- 常見結構類型：拱架、構架、橫樑、方箱，各有不同負載能力
- 底闊、低重心令結構平衡穩定
文體小知識：科技知識說明文有條理地講解結構、力和負載等概念，配合實例說明抽象原理，使讀者能夠理解及應用。
§課文原文 Passage
1橋樑、大廈、桌椅、鳥籠，甚至一張紙張，只要有固定形狀並能承受外力，就是結構。結構的任務是承受負載，即加在它身上的重量和力量，並把這些力穩妥地傳到地面或支承處。香港的青馬大橋橫越急流，國際金融中心高聳入雲，都因為結構設計得宜，才能經年累月安全地屹立。
2結構中常見的力有五種。壓縮把構件向內擠壓，拉張把構件向外拉長，屈曲令構件彎曲，扭轉把構件像擰毛巾般扭動，剪切則像剪刀般把構件上下錯開。同一個結構的不同部位，可能同時受著不同的力。舉個例子：坐在木凳上，凳面彎曲受屈曲，凳腳受壓縮，搖晃時接駁位更會受到剪切。
3常見的結構類型有拱架、構架、橫樑和方箱四種。拱架把重量沿曲線傳向兩端，非常堅固；構架由杆件組成三角形網絡，輕身而剛硬；橫樑架在支柱之間直接承受彎曲；方箱結構四面封閉，抵抗扭轉特別強。舉個例子：大橋的橋塔屬於構架，雙層巴士的車身屬於方箱結構，各自的負載能力並不相同。
4改變構件的形狀和擺放方式，可以在不換物料的前提下大大增強結構。把紙摺成波紋或捲成圓筒，它便能承起書本，因為摺痕把彎曲的力轉化為摺位之間的壓縮和拉張。三角形是唯一受力後形狀不變的多邊形，所以鐵塔和棚架處處可見三角形構架。學會分析受力，才能設計出又輕又穩的結構。
1重點摘要 Summary
結構承受的力有壓縮、拉張、屈曲、扭轉和剪切五種。拱架、構架、橫樑和方箱等結構各有不同負載能力，改變構件形狀便能把弱點變成強項，令結構更穩固。
2生字卡 Vocabulary
承受和傳遞力量的形狀組合。
加在結構上的重量和力量。
把構件向內擠壓的力。
把構件向外拉長的力。
令構件彎曲變形的力。
把構件如擰毛巾般扭動的力。
像剪刀般令構件兩部分錯開的力。
沿曲線把重量傳向兩端支承的結構。
由杆件組成、多用三角形的骨架結構。
架在支柱之間、直接承受彎曲的構件。
3逐步講解 Steps
- 什麼是結構與負載結構是能夠固定形狀並承受外力的組合，負載則是加在結構上的重量和力量。所有結構的任務都是把負載安全地傳到支承處，令產品和大廈不倒不塌。舉個例子：雙層巴士的上層載滿乘客時，負載經車身結構傳到車輪再傳到路面；你背上書包時，書包帶和背墊就是承受負載的結構。分析任何結構，第一步都是問：力從哪裏來，要傳到哪裏去。
- 壓縮與拉張壓縮是向內擠壓構件的力，構件會變短變粗；拉張是向外拉開構件的力，構件會變長變細。兩者方向相反，卻常常同時出現。舉個例子：吊橋的橋塔被纜索向下壓，受壓縮；纜索本身被橋面拉緊，受拉張。坐在木凳上，凳面被體重壓彎，凳面上方受壓縮、下方受拉張。分辨受力方向，是選擇構件形狀和物料的第一步。
- 屈曲、扭轉與剪切屈曲令長條構件中間彎曲變形，是最容易令薄板和長樑失效的力；扭轉像擰毛巾般把構件兩端向相反方向扭動；剪切則像剪刀，令構件兩部分沿相反方向錯開。舉個例子：書架層板放滿書會向下屈曲；擰乾毛巾時毛巾受扭轉；用剪刀剪紙時紙張受剪切。長而薄的構件最怕屈曲，所以要加厚、加摺或加支撐；接駁位的螺絲則要抵受剪切。
- 四種常見結構類型按形狀和受力方式，結構可分為拱架、構架、橫樑和方箱等類型。拱架沿曲線把重量傳向兩端支承，橋樑和隧道常用；構架以杆件組成，多用三角形，輕身而剛硬；橫樑架在支柱之間，直接承受彎曲；方箱四面封閉，抵受扭轉和撞擊。舉個例子：行人天橋的拱架、電塔和棚架的構架、課室門上的橫樑、冷藏貨櫃的方箱，各自配合不同的需要，負載能力也不同。
- 平衡與穩定結構要站得穩，必須令各項作用力互相平衡：向下的負載與向上的支承力相等，而且合力通過底座範圍。底面積越大、重心越低，結構越穩定。舉個例子：不倒翁底部又圓又重，重心極低，怎樣推都會回正；過山車的支架又闊又低，令高速擺動時仍然平衡。設計書架、燈柱甚至風扇底座，都要運用闊底和低重心的原理，才能安全耐用。
- 改變形狀增強結構不更換物料，只改變構件形狀，也能大幅提升負載能力。把平板摺成波紋、捲成圓筒或加上三角形摺痕，都能把屈曲轉化為摺位之間的壓縮和拉張；三角形是受力後形狀不變的多邊形，加三角形等於加剛度。舉個例子：瓦通紙的波浪夾層令紙板堅挺，錫紙盒壓出摺邊後不再變軟，鐵閘以斜杆組成三角形網絡，都是同一個原理，以形狀換取強度。
- 用輸入–處理–輸出看機械結構機械設計中常用輸入–處理–輸出的黑盒方法分析裝置：輸入和輸出往往是力量與運動，運動有直線、旋轉等不同形式；機構內部把輸入的力量方向或大小轉化，最後輸出需要的動作。舉個例子：單車制動系統中，手握剎車桿是輸入，纜索和槓桿把力傳大是處理，車輪被夾停是輸出。這個方法先不理會內部細節，只看兩端的關係，是後面兩課學習系統和簡單機械的基礎。
4圖解 Diagrams
5例題示範 Example
例題：一張 A4 紙平放時連一支筆也承不起，怎樣處理才能承起一本課本？試用力的知識解釋。
- 先分析 → 平紙又薄又平，書的重力令紙面屈曲，紙張立即塌下
- 摺成波浪（風琴）形 → 摺痕把紙分成一條條斜撐，形成三角結構
- 受力轉化 → 屈曲被摺位之間的壓縮和拉張取代，紙張整體不易變形
- 再改進 → 摺數越多、波浪越深，負載能力越強；或捲成圓筒再封邊
- 答案：把 A4 紙縱向摺成波浪（風琴）形或捲成圓筒，便能承起課本。平紙受書本重量時整面屈曲，很快就塌下；摺成波浪後，每條摺痕像小小的斜撐，把屈曲轉化為摺位之間的壓縮和拉張，力量沿摺痕傳向兩端支承，紙張就能保持形狀。摺數越多、越深，負載越大。這說明結構的強弱不只看物料，形狀設計同樣關鍵。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1掛在衣架上的毛巾，衣架的掛鈎受到什麼力？A. 壓縮 B. 拉張 C. 扭轉
Q2為什麼鐵塔和棚架處處使用三角形構架？
Q3用剪刀剪開卡紙時，卡紙受到什麼力？
Q4書架的長層板中間下彎，是哪種力造成的？可以怎樣改善？
Q5雙層巴士車身屬於哪類結構？它有什麼好處？
8重點回顧 Recap
- 結構承受五種力：壓縮、拉張、屈曲、扭轉、剪切
- 常見結構類型：拱架、構架、橫樑、方箱，各有不同負載能力
- 底闊、低重心令結構平衡穩定
- 三角形受力後形狀不變，是結構剛硬的關鍵
- 改變形狀（摺疊、捲筒、加摺邊）可以大幅提升負載能力