為什麼橋大多設計成拱形的?
橋樑的主要受力是橋面的荷載重量及自身重量,都是垂直向下的,採用拱形可以將垂直受力轉移到橫向的橋墩或岸邊的地面,這樣可以加寬橋樑下面的通道寬度,減少橋墩數量,因此,橋樑大多設計成拱形。
橋樑是指架設在江河湖海上,供車輛、人們順利通行的建築物,在日常生活中,經常可以見到。而且,他們的種類多種多樣,按用途分,有鐵路橋、公路橋、公鐵兩用橋、人行橋,按跨越障礙分,有跨河橋、跨谷橋、跨線橋。總之,它們就是一種非常普遍的存在。那麼,大家有沒有發現其中大多數橋都有一個共同的特徵,那就是他們都為拱形的,知道這是為什麼嗎?
生活中,我們見過許許多多的橋。這些橋大多設計成拱形的,這是為什麼呢?為什麼不設計成凹形的呢?況且設計成拱形的橋,還會給交通造成不便。因為如果是跨度比較小的橋樑還無所謂,如果是跨度較大的橋樑,就會拱頂很高,進而使得坡度比較大,這樣一來,無論是行人還是車輛通過時,都非常不便。如果設計成凹形的橋,汽車還會省油,因為汽車在向下行駛時,會有一個向前衝的力,具有一定的勢能,這個勢能便可以幫助它順利地到達橋的那一端。難道我們的橋樑專家不明白這一點嗎?
實際上,我們的橋樑專家怎麼會不明白呢,設計成拱形不僅僅是美觀好看,這裏面還藴含一定的力學原理的。
橋設計成拱形,是因為當汽車經過時,橋所承受的壓力比較小,橋體所需要的支撐力便小。而相比之下,凹形橋承受的壓力較大,橋體所需要的支撐力便大。這是為什麼呢?因為無論是拱形橋還是凹形橋,當汽車通過大橋時,由於汽車方向的改變產生的向心加速度,需要向心力F。拱形橋的圓心在橋下方,因而向心力方向向下,這樣就使得自身重力mg與支撐力N1的合力向下,即支撐力小於重力,也就是拱形橋耐重。F=Mg-N1,所以 N1=Mg-F。凹形橋的圓心在橋上方,因而向心力F就向上,這就使重力Mg與支持撐力N2的合力向上,即支撐力大於重力。也就是凹形橋不耐重。F=N2-Mg,所以 N2=F+Mg。由此看來,如果僅僅是為了汽車省那麼一點點油而改變橋的設計,那麼豈不是抓不住重點了。
此外,我們還可以這麼理解。眾所周知,球形比任何形狀都堅固。因為球形的任何一個地方受力,力都可以向四周均勻地分散開來。這也就是為什麼我們生活中常見的巨大的貯油罐要做成球形的。還有我們生活中常見的燈泡,雖然是比較易碎的玻璃製成的,但做成了球形也就比較堅固了。
我們都有過類似的經歷,把蛋殼放在兩手的掌心之間,擠壓它的兩端,並不會像我們想的那樣因為雞蛋殼薄而易碎,而是需要使出很大的力氣。這也是因為球形比較堅固的原因。球形也是若干個拱形的組合,因此拱形也具有此特點。這也是為什麼橋要設計成拱形的原因了,因為它更堅固,可以使受力分散,進而橋體的承重力加大。
我國拱形橋的代表便是坐落在河北省趙縣洨河上的趙州橋。這座橋建於隋代,距今已有約1400年的歷史,由著名匠師李春設計和建造,是當今世界上現存最早、保存最完善的古代石拱橋。
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