從“圣彼得堡開橋”中談物理知識

聶千衡

摘 要 橋梁在我們的生活中扮演著重要角色，無處不在，儼然成為我們生活中的一部分，在我們出行時，橋梁能夠幫助我們越過河流，穿過高山，跨過峽谷。橋梁的形態多種多樣，包括，梁橋、拱橋和吊橋、斜拉索橋等，在我國就有很多著名的橋梁，像趙州橋、盧溝橋、錢塘江大橋以及目前世界總體跨度最長、被譽為“新世界七大奇跡”之一的跨海大橋——港珠澳大橋，在這些橋梁中蘊藏了很多物理知識，下面就以圣彼得堡開橋來談一談隱藏在橋梁中的小秘密，希望能夠為人們帶來一定啟示。

關鍵詞 開橋 物理 吊橋

圣彼得堡是與莫斯科齊名的著名城市，這兩個城市間固然有許多相似之處，建筑風格，美食特點，人文氣息都是大同小異的。而它們間最大的區別在于，一座是“陸”城，一座是被人們贊譽而為的“水”城----北方威尼斯。在整個圣彼得堡城區，共有300多座橋，更有意思的是橫跨涅瓦河的13座橋在夏季時段會定期打開，讓過往貨船通行，而開橋時都會有個簡單儀式，因此游客稱之為開橋儀式。開橋儀式在夏季時間段從4月底至11月底，而現在正是八月中旬，我有幸觀賞了位于圣彼得堡冬宮附近的開橋儀式。

一、圣彼得堡開橋

2018年8月10日凌晨1：05，我已站在了涅瓦河旁，靜靜望著冬宮橋，等待奇跡的到來。而在這之前，已有5，6艘游輪漂浮在離橋不遠的水面上，同我們一起候著。終于，在1：15時，急駛的汽車不再碾過橋面，只聽到機械和馬達的轟隆聲慢慢增大，又望見橋的中間部分慢慢隆起，橋板像粗壯的手臂緩緩舒展開[1]。冬宮橋的橋面在人們的目睹中慢慢一分為二，當橋面打開至相當大的角度時，大型或小型的船只魚貫通過，它們有的拉響汽笛，像是對開啟的橋梁致以謝意。開橋的整個過程大約持續兩個小時，情景宏闊，氣勢浩蕩，蔚為壯觀。朋友告訴我，像這樣能開能合的橋，圣彼得堡還有12座。

二、圣彼得堡開橋的物理知識原理

觀賞完宏偉的開橋儀式，我由衷感嘆的同時也開始思考其工作原理。當我第一次看到這樣的開橋時，我首先想到的是吊橋。吊橋是中間橋墩作為橋面重力的支撐點，利用斜拉鋼索牽引力把橋面重力用“天平”原理平均牽拉，其主要優點是外形美觀、跨度高大、科學實用。吊橋通過繩索或者鏈條拉起并橫跨在河流之上或其他阻礙同行的障礙物上，橋面則利用繩索懸掛。現代吊橋有兩座高塔，通過橋塔能夠支撐路面大部分重量。橋身有一個向下的力來擠壓橋面，但由于這是懸掛的，所以纜索可以將壓力轉移至橋塔，通過橋塔可以將壓力進行分散至固定橋塔的地面。纜索位于兩個錨點的中心位置，能夠承受大部分拉力，因為橋體本身的重量以及穿過錨點汽車的重量，會拉長纜索，錨點也自然會受到拉力的作用，但是橋塔與纜索非常穩固，能夠與地面形成良好鏈接，因此就使拉力逐漸分散開來[2]。

除纜索之外，在所有吊橋下方還配有上承式桁架，能夠有效提升橋面強度，避免橋面出現搖擺或者顛簸。吊橋一般分為兩種設計結構：首先是懸索橋，可以將其看做是一個拉長的M型；其次就是斜拉橋，看上去像是A型。懸拉橋配有兩座橋塔以及四個錨點，與之相比，斜拉橋有一些不同，是通過纜索直接從地面斜拉至橋塔并進行固定的。與懸索橋類似，斜拉橋的橋塔能夠實現吸收并分散橋面壓力，而且這兩種吊橋的纜索都能夠承受較大的拉力[3]。根據使用情況的不同，往往會設計出不同結構的橋梁，而且橋梁結構不同，所產生的作用也有較大區別，在設計橋梁的過程中，可以通過物理知識解決其中橋梁承載力的相關問題，但也要講自然因素考慮進去，這樣才能讓所設計的橋梁為我們所用，使人們的生活更加便利。下面通過圖片來具體說明吊橋的工作原理。

如圖3，通過安裝滑輪控制橋面的起落，再用繩子連接橋頭，經過滑輪。人們用X牛頓的力即可拉起X牛頓的橋板。但是上面的一種開橋方式太原始費力，而且運用人力，過程太過于復雜。現在開橋大多是為了讓橋下可通過巨型的船只。而相對于古代的吊橋來說，古代吊橋大多是用來防御城池等。于是我不禁又想到了倫敦塔橋和“歐洲之門”橋，他們的開啟方式有同于冬宮橋的開啟方式，即都是從兩端開合的。它們的轉動軸位于它們的重心上，從而來減小它們起升時所需要的力。起初這個升降裝置是液壓的，它擁有水庫來產生高壓水。蒸汽機把水從水庫泵入液壓裝置，從而升降橋面。而現在的橋是用電動機來升降的，不過這還是一項很艱巨的工程。

三、結束語

總的來說，開橋主要是為了兼顧通航與通車。過去經常是以犧牲通車而通航，而現在擁有這項技術后，就能更合理地組織協調水陸交通了。除了橋梁之外，其實生活中也有很多物理知識，例如行船的浮力、聽聲辨人的音色、菜刀切菜的壓強等等，需要我們有一雙善于觀察的眼睛，這樣才能發現物理之美，使我們更加熱愛物理學習。

參考文獻：

[1]李芒.中學物理資訊化教學設計指導案例[M].北京：人民郵電出版社.2004：56.

[2]朱江海.綜合題的類型及解題方法[J].技術物理教學，2005（12）：47.

[3]鄒會坤.影響物理學習困難因素探析及教學對策研究[D].山東師范大學，2015.