拱橋的秘密

本期“科學主角”：

統編版語文三年級下冊《趙州橋》

課 文 再 現

這么長的橋，全部用石頭砌成，下面沒有橋墩，只有一個凈跨三十七米多的拱形大橋洞。大橋洞頂上的左右兩邊，還各有兩個拱形的小橋洞。

在生活中，我們經常可以看到拱橋，如圖1。橋洞為什么要設計成拱形？拱橋有什么特別之處嗎？讓我們通過實驗來探究拱橋的秘密吧。

拱形結構PK平面結構

用兩塊銅皮分別搭建跨度為10 cm的平面結構橋和拱形結構橋，測試它們的承重能力。

測試發現：平面結構橋只能承重1個砝碼（20 g），增加至2個砝碼時，橋就往下塌了，如圖2；拱形結構橋能承重4個不同的砝碼（累計100 g），如圖3。對比發現 ：拱形結構比平面結構承重能力強。

承重大挑戰

用銅皮做一個拱形結構橋，往拱面頂部放面值5角的硬幣。你們猜它能承受幾個硬幣？

測試發現：隨著硬幣的增加，兩個拱腳會不斷向外推。當硬幣增加到6個時，橋變形嚴重。如圖4。

怎樣才能使拱橋承受更多的硬幣呢？根據上面的測試，我們發現拱頂受到的壓力會傳遞到拱腳，產生外推力。那么，如果用重物抵住兩個拱腳，不讓它向外推，結果會怎樣呢？

在拱腳兩邊分別放置2塊長條形、質量為150 g的配重鋼板，繼續測試拱橋的承重能力。

測試發現 ：挑戰到15個硬幣時，拱橋仍紋絲不動。隨著硬幣的繼續增加，拱腳雖然沒有向外推，但拱面開始變形。如圖5。

拱橋只能承受15個硬幣嗎？它的極限在哪里？根據上面的測試，可以發現：若給拱腳一個向內抵的力，拱橋能承受更大的壓力，但壓力會傳遞到拱面的各個點，當壓力達到一定程度時，拱面就會發生變形。

我們沿著兩側拱面往上疊放更多的配重鋼板，加大對拱面各處的內抵力，繼續測試。

測試發現 ：挑戰到62個硬幣時，拱橋仍屹立不倒，只是拱面稍微變形，如圖6。

通過以上實驗，我們可以發現拱形結構比平面結構承重能力更強，給拱面足夠的內抵力，拱橋的承重能力就更大，這就是拱橋千年不倒的秘密。