为什么桥大多设计成拱形的呢?

为什么桥大多设计成拱形的呢?

生活中,我们见过许许多多的桥。这些桥大多设计成拱形的,这是为什么呢?为什么不设计成凹形的呢?况且设计成拱形的桥,还会给交通造成不便。因为如果是跨度比较小的桥梁还无所谓,如果是跨度较大的桥梁,就会拱顶很高,进而使得坡度比较大,这样一来,无论是行人还是车辆通过时,都非常不便。如果设计成凹形的桥,汽车还会省油,因为汽车在向下行驶时,会有一个向前冲的力,具有一定的势能,这个势能便可以帮助它顺利地到达桥的那一端。难道我们的桥梁专家不明白这一点吗?

实际上,我们的桥梁专家怎么会不明白呢,设计成拱形不仅仅是美观好看,这里面还蕴含一定的力学原理的。

桥设计成拱形,是因为当汽车经过时,桥所承受的压力比较小,桥体所需要的支撑力便小。而相比之下,凹形桥承受的压力较大,桥体所需要的支撑力便大。这是为什么呢?因为无论是拱形桥还是凹形桥,当汽车通过大桥时,由于汽车方向的改变产生的向心加速度,需要向心力F。拱形桥的圆心在桥下方,因而向心力方向向下,这样就使得自身重力mg与支撑力N1的合力向下,即支撑力小于重力,也就是拱形桥耐重。F=Mg-N1,所以 N1=Mg-F。凹形桥的圆心在桥上方,因而向心力F就向上,这就使重力Mg与支持撑力N2的合力向上,即支撑力大于重力。也就是凹形桥不耐重。F=N2-Mg,所以 N2=F+Mg。由此看来,如果仅仅是为了汽车省那么一点点油而改变桥的设计,那么岂不是抓不住重点了。

此外,我们还可以这么理解。众所周知,球形比任何形状都坚固。因为球形的任何一个地方受力,力都可以向四周均匀地分散开来。这也就是为什么我们生活中常见的巨大的贮油罐要做成球形的。还有我们生活中常见的灯泡,虽然是比较易碎的玻璃制成的,但做成了球形也就比较坚固了。

我们都有过类似的经历,把蛋壳放在两手的掌心之间,挤压它的两端,并不会像我们想的那样因为鸡蛋壳薄而易碎,而是需要使出很大的力气。这也是因为球形比较坚固的原因。球形也是若干个拱形的组合,因此拱形也具有此特点。这也是为什么桥要设计成拱形的原因了,因为它更坚固,可以使受力分散,进而桥体的承重力加大。

我国拱形桥的代表便是坐落在河北省赵县洨河上的赵州桥。这座桥建于隋代,距今已有约1400年的历史,由著名匠师李春设计和建造,是当今世界上现存最早、保存最完善的古代石拱桥。

想想,我们的生活中,还有哪些类似的呢?头盔和安全帽,我们所见到的都是拱形的,也是因为能够承受更大的冲击力,进而比较安全。这种结构的特点便是能够将物体受到的力均匀地分散到壳体的各个部分。

作者:王懿  转载于科普中国


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