物理知識在橋梁中的體現(xiàn)

　　橋梁在我們的生活中無處不在，它已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧蚰軌蜃屓舜┰侥承┱系K：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度。跨距是指兩個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到60米，而現(xiàn)代拱橋的跨距可以輕松達到240到300米。吊橋是橋梁技術(shù)的金字塔尖，它的跨距能夠達到2100米。
　　為什么吊橋的跨距能夠達到拱橋的7倍？為什么拱橋的跨距能夠比梁橋長得多？答案就在于各種橋梁如何處理兩種力——壓力和拉力：壓力是物體所作用的擠壓或收縮力。拉力是物體所作用的擴張或拉伸力。
　　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向一起的時候，即將其壓縮。壓力會讓彈簧變短。上拉彈簧或者將其兩端向外拉時，即將其拉伸。拉力會讓彈簧伸長。所有的橋梁都會受到壓力和拉力，橋梁設計的任務就是妥善處理這些力而不會出現(xiàn)彎曲或拉斷。當壓力超過物體的承受能力時就會發(fā)生彎曲，當拉力超過物體的承受能力時就會造成拉斷。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)某個點集中受力。轉(zhuǎn)移就是將其從強度較弱的區(qū)域移到專門設計的受力區(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
　　拱橋是一種半圓形結(jié)構(gòu)，兩端各有橋墩。拱形半圓形的設計自然地將橋面的重量轉(zhuǎn)移到橋墩上。當有物體經(jīng)過橋頂時，物體所做的運動為圓周運動，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)，物體的運動速度越大，失重現(xiàn)象越明顯，物體對橋的壓力越小。當物體的速度大于（g為重力加速度，r為半圓的半徑）時，物體將做離心運動，發(fā)生危險。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超過其自然強度。
　　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固的水平結(jié)構(gòu)，并支撐在兩端的兩個橋墩上。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。當橋面受到壓力時，會導致橋面的上面部分收縮。由于橋面上面部分受壓，導致橋面下面部分要承受拉力。這種拉力導致梁的下面部分拉伸。（如圖）
　　如果不斷增加壓力，橋梁就會折斷，且梁橋越長越容易折斷。為了使梁橋承受更多的壓力而不易折斷，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分散拉力。為了建造很高的梁，橋梁設計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)有的梁增加強度，大大提高了其分散壓力和拉力的能力。當梁開始受壓時，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。現(xiàn)代吊橋有兩座用于固定纜索高塔。這樣，橋塔就支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錨點之間，是拉力的主要承受者。由于橋重量和穿行于錨點之間汽車的重量，纜索會被拉長。錨點也會承受拉力，不過由于它們與橋塔一樣非常穩(wěn)固地與地面連接，所受的拉力會被分散開來。
　　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）。這可增加橋面強度，減弱路面搖擺和顛簸的傾向。吊橋主要有兩種不同的設計：懸索橋，特點是像個拉長的M形；斜拉橋，看上去更像是一個A形。斜拉橋不需要懸索橋那樣的兩座橋塔和四個錨點，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，負責吸收和分散橋面的壓力。兩種橋中的纜索都承受拉力。
　　根據(jù)不同的需要設計不同的橋梁，不同的橋梁其作用也不同。在設計橋梁時除了利用物理知識解決橋梁的承受力，還應考慮自然因素。只有這樣橋梁才能為我們的生活提供更大的幫