原標(biāo)題:為什么橋大多設(shè)計成拱形的呢? 橋梁為何要設(shè)計成拱形的?
生活中,我們見過許許多多的橋。這些橋大多設(shè)計成拱形的,這是為什么呢?為什么不設(shè)計成凹形的呢?況且設(shè)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梁還無所謂,如果是跨度較大的橋梁,就會拱頂很高,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,都非常不便。如果設(shè)計成凹形的橋,汽車還會省油,因為汽車在向下行駛時,會有一個向前沖的力,具有一定的勢能,這個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嗎?
實際上,我們的橋梁專家怎么會不明白呢,設(shè)計成拱形不僅僅是美觀好看,這里面還蘊含一定的力學(xué)原理的。
橋設(shè)計成拱形,是因為當(dāng)汽車經(jīng)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。這是為什么呢?因為無論是拱形橋還是凹形橋,當(dāng)汽車通過大橋時,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點油而改變橋的設(shè)計,那么豈不是抓不住重點了。
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。這也是為什么橋要設(shè)計成拱形的原因了,因為它更堅固,可以使受力分散,進(jìn)而橋體的承重力加大。
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