为什么桥大多设计成拱形的?
桥梁的主要受力是桥面的荷载重量及自身重量,都是垂直向下的,采用拱形可以将垂直受力转移到横向的桥墩或岸边的地面,这样可以加宽桥梁下面的通道宽度,减少桥墩数量,因此,桥梁大多设计成拱形。
桥梁是指架设在江河湖海上,供车辆、人们顺利通行的建筑物,在日常生活中,经常可以见到。而且,他们的种类多种多样,按用途分,有铁路桥、公路桥、公铁两用桥、人行桥,按跨越障碍分,有跨河桥、跨谷桥、跨线桥。总之,它们就是一种非常普遍的存在。那么,大家有没有发现其中大多数桥都有一个共同的特征,那就是他们都为拱形的,知道这是为什么吗?
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。
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