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拱形的力量

2022-04-25许秀华插画玖月

科学大众 2022年7期
关键词:拱形石拱桥拱桥

● 文/许秀华 ●插画/玖月

寄扬州韩绰判官

〔唐〕杜牧

青山隐隐水迢迢,

秋尽江南草未凋。

二十四桥明月夜,

玉人何处教吹箫。

唐朝某一年的晚秋,已经辞掉扬州工作回到长安的诗人杜牧不禁思念尚在扬州工作的同事韩绰。此刻的北方,已经草木凋零,河水冰冷。南方的扬州是否青山依旧,绿水荡漾?在同一轮明月下,老朋友韩绰是否正流连在二十四桥上和一众美女吹奏乐器,并时不时指导一二?

诗中的“二十四桥”是指二十四座桥吗?北宋沈括曾经在《梦溪笔谈·补笔谈》明确地列出了二十四座桥中每一座桥的方位和名称。可事实真是如此吗?

其实,二十四桥(又称“廿四桥”)是扬州瘦西湖上著名的建筑,它并不是一共有二十四座桥,而是仅有一座桥,这座桥的名字就叫作“二十四”。和中国古代很多著名的桥梁一样,它是一座石拱桥。

拱形美丽又实用

石拱桥犹如悬挂于水面上的半轮明月,又如横跨河面的美丽彩虹,形态优美。但是,过石拱桥要上坡下坡、上台阶下台阶,很不方便,尤其是推车和骑车,上、下都很费力。为什么古代造桥却偏爱石拱桥呢?难道仅仅是出于观赏角度的考虑吗?当然不是。其实,石拱桥还具备很强的实用性。

石拱桥中间拱起,水运通畅。高高拱起的桥背架高了桥面,可以让船体较高的大船不受阻碍地从桥底通过。这样既保障了桥面通行,又保障了水面运输。因此,石拱桥也被称为古代的“水陆立交桥”。

拱形桥面的承载力和坚固性均优于平铺的桥面。著名的赵州桥始建于隋朝,经历了1 400多年的风霜雨雪,承载了数个朝代的舟车行人,至今仍能保障车辆和行人的通行,就是得益于其拱形的结构。

拱形背后的奥秘

为何桥梁拱起了“脊背”,就变得更加结实、牢固了?

物体聚合在一起组成拱形,这就体现了团结的力量。当拱形的任意一点受到压力时,这一点并不会独自承受,而是会把压力向四面扩散,让周围的“邻居们”替自己分担。而“邻居们”又会继续把自身受到的压力往自己的“邻居”那里传递。因此,不管拱形的哪一个点受力,都会被大家分摊。分摊后,每个点所承受的压力较小,就不太容易让桥面发生形变或下沉,从而延长了桥梁的使用寿命。

当行人和车辆经过拱桥时,表面上是经过桥面上一连串的点,对每一个点都形成了向下的压力。而实际上,这些压力都被快速地传递出去了,由拱桥的各个部分一同分担。用物理学的理论解释就是,当你走在拱桥倾斜的桥面上时,拱桥提供的支持力不仅有竖直方向的,还有水平方向的。所以,不管多少人或车辆通过、携带的物体有多重,都不易压垮一座拱桥。

生活中的拱形物体

拱形本质上是球形的一部分,球形也可以看成若干个拱形的组合。不论是平面的圆形还是立体的球形,它们都有很好的耐压能力,比其他形状要更加坚固。爱迪生发明的电灯泡里面是真空的,然而灯泡外面却无处不被空气包围,承受着很大的空气压力。因此,为了防止灯泡被空气压碎,人们将其底部做成了球形。公路上运送汽油的油罐车被做成圆柱体,也是为了让油罐车更加坚固,经得起磕碰,从而确保安全。

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