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為什么橋大多設(shè)計(jì)成拱形的
為什么橋大多設(shè)計(jì)成拱形的
橋梁是指架設(shè)在江河湖海上，供車輛、人們順利通行的建筑物，在日常生活中，經(jīng)�？梢砸姷�。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�？傊鼈兙褪且环N非常普遍的存在。那么，大家有沒有發(fā)現(xiàn)其中大多數(shù)橋都有一個(gè)共同的特征，那就是他們都為拱形的，知道這是為什么嗎?
生活中，我們見過許許多多的橋。這些橋大多設(shè)計(jì)成拱形的，這是為什么呢?為什么不設(shè)計(jì)成凹形的呢?況且設(shè)計(jì)成拱形的橋，還會(huì)給交通造成不便。因?yàn)槿绻强缍缺容^小的橋梁還無所謂，如果是跨度較大的橋梁，就會(huì)拱頂很高，進(jìn)而使得坡度比較大，這樣一來，無論是行人還是車輛通過時(shí)，都非常不便。如果設(shè)計(jì)成凹形的橋，汽車還會(huì)省油，因?yàn)槠囋谙蛳滦旭倳r(shí)，會(huì)有一個(gè)向前沖的力，具有一定的勢能，這個(gè)勢能便可以幫助它順利地到達(dá)橋的那一端。難道我們的橋梁專家不明白這一點(diǎn)嗎?
實(shí)際上，我們的橋梁專家怎么會(huì)不明白呢，設(shè)計(jì)成拱形不僅僅是美觀好看，這里面還蘊(yùn)含一定的力學(xué)原理的。
橋設(shè)計(jì)成拱形，是因?yàn)楫?dāng)汽車經(jīng)過時(shí)，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。這是為什么呢?因?yàn)闊o論是拱形橋還是凹形橋，當(dāng)汽車通過大橋時(shí)，由于汽車方向的改變產(chǎn)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，即支撐力小于重力，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，即支撐力大于重力。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么一點(diǎn)點(diǎn)油而改變橋的設(shè)計(jì)，那么豈不是抓不住重點(diǎn)了。
此外，我們還可以這么理解。眾所周知，球形比任何形狀都堅(jiān)固。因?yàn)榍蛐蔚娜魏我粋�(gè)地方受力，力都可以向四周均勻地分散開來。這也就是為什么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制成的，但做成了球形也就比較堅(jiān)固了。
我們都有過類似的經(jīng)歷，把蛋殼放在兩手的掌心之間，擠壓它的兩端，并不會(huì)像我們想的那樣因?yàn)殡u蛋殼薄而易碎，而是需要使出很大的力氣。這也是因?yàn)榍蛐伪容^堅(jiān)固的原因。球形也是若干個(gè)拱形的組合，因此拱形也具有此特點(diǎn)。這也是為什么橋要設(shè)計(jì)成拱形的原因了，因?yàn)樗鼒?jiān)固，可以使受力分散，進(jìn)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。這座橋建于隋代，距今已有約1400年的歷史，由著名匠師李春設(shè)計(jì)和建造，是當(dāng)今世界上現(xiàn)存最早、保存最完善的古代石拱橋。
想想，我們的生活中，還有哪些類似的呢?頭盔和安全帽，我們所見到的都是拱形的，也是因?yàn)槟軌虺惺芨蟮臎_擊力，進(jìn)而比較安全。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)便是能夠?qū)⑽矬w受到的力均勻地分散到殼體的各個(gè)部分。
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