物理知識(shí)在橋梁中的體現(xiàn)

1、物理知識(shí)在橋梁中的體現(xiàn)橋梁在我們的生活中無(wú)處不在，它已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。橋能夠讓人穿越某些障礙：河流、峽谷、道路、各種鐵軌，等等。橋梁的種類多種多樣， 多姿多彩，主要有三種類型， 即梁橋、拱橋、吊橋。這三種類型最大的不同之處在于其單跨距的長(zhǎng)度。跨距是指兩個(gè)橋梁支柱之間的距離，不管它們是橋柱、橋塔還是峽谷的峭壁，例如現(xiàn)代梁橋的跨距可以達(dá)到 60 米，而現(xiàn)代拱橋的跨距可以輕松達(dá)到 240 到 300 米。吊橋是橋梁技術(shù)的金字塔尖，它的跨距能夠達(dá)到 2100 米。為什么吊橋的跨距能夠達(dá)到拱橋的 7 倍？為什么拱橋的跨距能夠比梁橋長(zhǎng)得多？答案就在于各種橋梁如何處理兩種力壓力和拉力：壓力是物體

2、所作用的擠壓或收縮力。拉力是物體所作用的擴(kuò)張或拉伸力。彈簧是我們每天常見的有關(guān)壓力和拉力的例子。下壓彈簧或?qū)椈傻膬啥藬D向一起的時(shí)候，即將其壓縮。壓力會(huì)讓彈簧變短。上拉彈簧或者將其兩端向外拉時(shí)，即將其拉伸。拉力會(huì)讓彈簧伸長(zhǎng)。所有的橋梁都會(huì)受到壓力和拉力，橋梁設(shè)計(jì)的任務(wù)就是妥善處理這些力而不會(huì)出現(xiàn)彎曲或拉斷。當(dāng)壓力超過物體的承受能力時(shí)就會(huì)發(fā)生彎曲，當(dāng)拉力超過物體的承受能力時(shí)就會(huì)造成拉斷。處理這些力的最佳方式就是將其分散或轉(zhuǎn)移。分散就是將其散布到更大的面積，避免出現(xiàn)某個(gè)點(diǎn)集中受力。轉(zhuǎn)移就是將其從強(qiáng)度較弱的區(qū)域移到專門設(shè)計(jì)的受力區(qū)域。吊橋則是將力轉(zhuǎn)移的范例，而拱橋就是將力分散的很好的例子。一、拱橋拱

3、橋是一種半圓形結(jié)構(gòu)，兩端各有橋墩。拱形半圓形的設(shè)計(jì)自然地將橋面的重量轉(zhuǎn)移到橋墩上。當(dāng)有物體經(jīng)過橋頂時(shí)，物體所做的運(yùn)動(dòng)為圓周運(yùn)動(dòng)，物體所需的向心力由物體的重力和橋?qū)ξ矬w的支持力的合力提供。故物體處于失重狀態(tài)，物體的運(yùn)動(dòng)速度越大，失重現(xiàn)象越明顯，物體對(duì)橋的壓力越小。當(dāng)物體的速度大于（ g 為重力加速度， r 為半圓的半徑）時(shí)，物體將做離心運(yùn)動(dòng)，發(fā)生危險(xiǎn)。正常情況下拱橋始終為受壓狀態(tài)。物體壓力沿著拱形的弧面向外傳遞到橋墩上。（如圖）拱橋的拉力可以忽略。拱橋的自然弧線及其將力向外擴(kuò)散的能力能夠大大降低拱橋下側(cè)所受拉力的影響。不過曲率越大（拱橋的半圓越大），下側(cè)所受的拉力影響就越大。正如前文所提到的，拱

4、橋本身的形狀足以將重量從橋面中心向橋墩分散。和梁橋的情況相似，拱橋在尺寸上存在的限制最終會(huì)超過其自然強(qiáng)度。拱橋的種類不多，畢竟它就只是一種拱形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的造型賦予其力量。它不需要額外的支撐或纜索。實(shí)際上，石制的拱橋甚至不需要灰漿。二、梁橋梁橋基本上是一種堅(jiān)固的水平結(jié)構(gòu)，并支撐在兩端的兩個(gè)橋墩上。例如人行天橋、立交橋等。橋梁及其上的所有承載物的重量直接由橋墩支撐。重量直接向下方傳遞。當(dāng)橋面受到壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橋面的上面部分收縮。由于橋面上面部分受壓，導(dǎo)致橋面下面部分要承受拉力。這種拉力導(dǎo)致梁的下面部分拉伸。 （如圖）如果不斷增加壓力，橋梁就會(huì)折斷，且梁橋越長(zhǎng)越容易折斷。為了使梁橋承受更多的壓力

5、而不易折斷，可將壓力分散。公路上的很多天橋使用了混凝土或鋼梁來(lái)承受載荷。梁的尺寸（特別是梁的高度）決定了梁的最大跨距。增加梁的高度，梁就有更多的材料來(lái)分散拉力。為了建造很高的梁，橋梁設(shè)計(jì)師為橋添加了支撐的柵格結(jié)構(gòu)，又叫桁架。這種支撐桁架為現(xiàn)有的梁增加強(qiáng)度，大大提高了其分散壓力和拉力的能力。 當(dāng)梁開始受壓時(shí)， 力量即通過桁架分散。盡管使用了天才的桁架結(jié)構(gòu)，但梁橋的跨距仍然有限。隨著跨距的增加，桁架的尺寸也要增大，直到橋的自身重量無(wú)法被桁架支撐。三、吊橋吊橋是用纜索（或繩索、鏈條）拉起并跨越于河流之上（或者遇到的其他障礙物），而橋面則懸掛在這些纜索上?，F(xiàn)代吊橋有兩座用于固定纜索高塔。這樣，橋塔就支

6、撐了路面的絕大部分重量。物體向下擠壓吊橋的橋面，但由于它是懸吊的路面，纜索會(huì)將壓力轉(zhuǎn)移到橋塔，橋塔再直接將壓力分散到固定它的地面。支撐的纜索系在兩個(gè)錨點(diǎn)之間，是拉力的主要承受者。由于橋重量和穿行于錨點(diǎn)之間汽車的重量，纜索會(huì)被拉長(zhǎng)。錨點(diǎn)也會(huì)承受拉力，不過由于它們與橋塔一樣非常穩(wěn)固地與地面連接，所受的拉力會(huì)被分散開來(lái)。除了纜索以外，幾乎所有的吊橋在橋面底下還有支撐的桁架結(jié)構(gòu)（上承式桁架）。這可增加橋面強(qiáng)度，減弱路面搖擺和顛簸的傾向。吊橋主要有兩種不同的設(shè)計(jì)：懸索橋，特點(diǎn)是像個(gè)拉長(zhǎng)的m形；斜拉橋，看上去更像是一個(gè)a 形。斜拉橋不需要懸索橋那樣的兩座橋塔和四個(gè)錨點(diǎn)，而是由纜索從路面向上斜拉到單座橋塔上并固定。斜拉橋中的橋塔與懸索橋一樣，負(fù)責(zé)吸收和分散橋面的壓