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【知识应用】桥梁的力学问题---适合高中生的桥
发表于:2019-06-28 17:44

  高中的物理知识当然还不足以解决桥梁设计的全部问题。但是,课本告诉了我们一些基本的方法,基本的原理,这足以驱动我们的好奇心。今天我们就在高一的知识范围内,进行一点点探究。

  用等高的书模拟桥的跨度。用一张A4纸作为桥面,研究不同的结构下纸面的承重。为了比较纸的结构对承重的影响,实验中改变砝码的质量,观察现象,但我们不去精确测量每个结构的承重值,大家同样可以看到明显的实验现象。

  我国古代劳动人民智慧无穷,牛顿出生在1643年,即便是伽利略也比牛顿只早一代人。而我国隋朝(公元591年)开始建造的拱形结构的石桥赵州桥历经1400多年至今安然无恙。

  通过对正中间的石块的受力分析,我们可以发现,由力的平行四边形定则可知,与石块重力相平衡的是旁边两个石块给的推力。能够保持合力为0当然可以保持静止不动。事实上,在建筑中,这种结构叫推力结构。

  不仅石桥可以用这个结构,连冰雕也可以,下图是我拍摄的昆河冰雪世界的冰雕拱门。

  为了放砝码方便,在折痕上方铺上一块三角板(已经有一定的重量了),看看它的承重会有什么变化呢?

  我们从侧面进行受力分析。研究一个三角形顶端对物体的支撑作用。因为有锐角的存在,所以两个侧面纸张的支持力合力会大于分力。(图中黄色的为合力,大于两个红色的分力)

  大家一定经常收到快递,你有没有发现,无论运输中会有怎样暴力分拣,但是货品基本完好无损,全靠包装啊!今天不提其他包装材料,只看纸箱子的结构:

  中间是不是有很多折叠?一方面增加厚度,撞击时有缓冲时间,另一方面也是为了承重更多。

  我国自行设计建造的武汉长江大桥就采用了钢桁架结构。关于真实的桥梁,需要提醒的是:桥承受的主要荷载不是上面的汽车或者火车,而是其自重。澳门皇冠

  目前长距离大桥最常见的都是拉索大桥,如上图所示。钢缆支撑桥面重量,将重量转移到桥柱上,所以桥柱需要建造在坚固的地基之上。

  再次提醒大家,桥面的重量才是真正的承重。中间竖直的柱子叫做索塔。钢索成两边对称。钢索连接桥面和索塔,当它绷紧时,向上牵拉桥面,上端拉近索塔顶端(图中受力分析的地方)。我们看索塔顶端受力:沿着钢索的拉力,正交分解后,水平方向两侧平衡。竖直方向两个分量都向下,所以索塔承受更大的力,地面需要特别坚固。