热议：石拱桥千年不倒的奥秘

2023-03-06 10:26:05 来源：科普中国

你知道中国石拱桥-千年不倒的奥秘吗？斜拉桥为何有那么多拉索？为什么桥建得越高，引桥就越长？为什么盘山路修得弯弯曲曲？为什么刀刃的夹角越小越锋利？这些都跟力的分解有关。将一个力化作等效的两个或两个以上的分力，求一个力的分力叫做力的分解。力的分解是力的合成的逆运算,同样遵循平行四边形定则：把一个已知力作为平行四边形的对角线，那么与已知力共点的平行四边形的两条邻边就表示已知力的两个分力。如果没有其他限制，对于同一条对角线，可以作出无数个不同的平行四边形。力的分解常采用两种方式：按照力产生的实际效果进行分解或根据“正交分解法”进行分解。

(资料图片仅供参考)

拱桥是用拱作为桥身主要承重结构的桥，拱桥主要承受轴向压力，可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造。具有跨越能力较大；可节省钢材和水泥；养护、维修费用少；外型美观；构造较简单，利于广泛采用等特点。位于河北省石家庄市赵县城南洨河之上的石拱桥，因赵县古称赵州而得名的赵州桥，由隋朝匠师李春建造，是世界上现存年代久远、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥，其建造工艺独特，具有较高的科学研究价值，历经千年风雨仍岿然无恙。漫长岁月中，经过无数次洪水冲击、风吹雨打、冰雪风霜的侵蚀和8次地震的考验，却安然无恙，巍然挺立在清水河上。这是因为建筑石拱桥的石块截面接近梯形，依靠自身弧形拱式结构可将拱桥受到的竖直向下的压力分解转化为与拱桥石块间相互垂直的侧面斜向压力，并沿着拱形传递到两侧的桥基，再将力转移到地面，因此石拱桥只要不受到侧向力，结构可非常稳固。拱形结构能够有效的缓解热胀冷缩效应，建造材料可用抗压强度高抗拉强度低的石块或混凝土等。位于中国广西河池市的南丹县、天峨县和百色市乐业县境内的天峨龙滩特大桥，誉为“世界第一跨”，于2022年6月6日主桥拱桁实现高精度合龙，该桥全长2488.55米，主桥为上承式劲性骨架混凝土拱桥，计算跨径600米，是目前世界上在建最大跨径的拱桥。

建造水上桥梁时，为了让桥下顺利通行大型船只，桥孔下必须留有足够净空高度，这样就必须把桥造得高一些。桥造高了，桥与两岸间的坡度就会增加，严重影响上下桥面的交通。引桥是桥和路之间的“过渡”，把路面逐渐抬高或逐渐降低，使车辆能平缓地上下桥面。桥建得越高，引桥就越长，因为斜面上物体重力按实际效果分解，其中一个使物体沿斜面下滑的分力mg sinθ（θ为斜面倾斜角），在高度相同的情况下，斜面越长倾斜角越小，越省力，才能使车辆轻松爬上桥。斜面是一种省力的简单机械，上山的公路修成弯曲蜿蜒的盘山路,也是要增加斜面的长,从而更加省力些。

刀、刨等切削工具的刃部叫做劈,劈的纵截面是一个三角形,使用劈的两个截面推压物体,把物体劈开, 为什么劈两侧面之间的夹角越小(即越锋利的切削工具)越容易劈开物体？设劈的纵截面是一个等腰三角形,劈背的宽度是d,劈的侧面的长度是L.在劈背上加力F,这个力产生两个效果,使劈的侧面挤压物体,把物体劈开，即F分解为两个垂直侧面的分力F1和F2。设劈的纵截面是一个等腰三角形,劈背的宽度是d,劈的侧面的长度是L.可得：F1=F2=( FL/2d)可知,F一定的时候,劈的两个侧面间的夹角越小,L/d就越大,F1和F2就越大.这就是越锋利的切削工具越容易劈开物体的道理。小小拉链原理跟此类似，也

是楔应用的一种，使拉拉链的微小力量转换成足以分合链齿的强大力量。

下面我们来做有关力的分解的小实验吧。

器材：棉线、缝纫线、铅笔、钥匙、纸板、直尺、装满石头的塑料盒、装满玻璃珠的茶叶罐、剪刀、弹簧测力计

1、平、拱桥之对比：两手捏住40厘米长的钢直尺水平放置，上放装满石头的塑料盒，发现不堪重负，直尺下凹。直尺弯成拱形放置，放上同样质量装满石头的塑料盒，发现直尺安然无恙，再加放装满玻璃珠的茶叶罐，肉眼未见直尺形变改变。

2、引桥的妙用：直尺靠在茶叶罐上构建斜面，装满石头的塑料盒静止放在斜面上，观察到重物下滑的同时，还对直尺有压力作用使之发生形变，这是斜面上重力的分解。

3、四两拨千斤：①缝纫线穿过装满石头的塑料盒，左右手分提线两头，开始两线间夹角小，感觉提物较轻松（拉力小），随着两手渐渐远离，两线间夹角增大，线拉力增大，超过能承受最大力时，线断。

②把装满玻璃珠的茶叶罐叠放在装满石头的塑料盒上面，放在纸板上充当陷入泥沼的汽车、用测力计直接拉车，感觉要拉动“车”费力（测力计示数大）。若用棉线一头拴车，另一头固定在手机支架上，垂直细绳中间拉，则轻松就把“车”拉动（测力计示数小）。

4、三角架之上拉下顶：如图示，一根棉线一头系在中指上，另一头绕过铅笔挂上钥匙串，铅笔尖撑在手掌心上，感受上拉下压的效果。

关键词：力的分解切削工具平行四边形