物理知识在桥梁中的体现

桥梁在我们的生活中无处不在,它已经成为我们日常生活的一部分.桥能够让人穿越某些障碍：河流、峡谷、道路、各种铁轨,等等.桥梁的种类多种多样,多姿多彩,主要有三种类型,即梁桥、拱桥、吊桥.这三种类型最大的不同之处在于其单跨距的长度.跨距是指两个桥梁支柱之间的距离,不管它们是桥柱、桥塔还是峡谷的峭壁,例如现代梁桥的跨距可以达到60米,而现代拱桥的跨距可以轻松达到240到300米.吊桥是桥梁技术的金字塔尖,它的跨距能够达到2100米.

为什么吊桥的跨距能够达到拱桥的7倍?为什么拱桥的跨距能够比梁桥长得多?答案就在于各种桥梁如何处理两种力——压力和拉力：压力是物体所作用的挤压或收缩力.拉力是物体所作用的扩张或拉伸力.

弹簧是我们每天常见的有关压力和拉力的例子.下压弹簧或将弹簧的两端挤向一起的时候,即将其压缩.压力会让弹簧变短.上拉弹簧或者将其两端向外拉时,即将其拉伸.拉力会让弹簧伸长.所有的桥梁都会受到压力和拉力,桥梁设计的任务就是妥善处理这些力而不会出现弯曲或拉断.当压力超过物体的承受能力时就会发生弯曲,当拉力超过物体的承受能力时就会造成拉断.处理这些力的最佳方式就是将其分散或转移.分散就是将其散布到更大的面积,避免出现某个点集中受力.转移就是将其从强度较弱的区域移到专门设计的受力区域.吊桥则是将力转移的范例,而拱桥就是将力分散的很好的例子.

一、拱桥

拱桥是一种半圆形结构,两端各有桥墩.拱形半圆形的设计自然地将桥面的重量转移到桥墩上.当有物体经过桥顶时,物体所做的运动为圆周运动,物体所需的向心力由物体的重力和桥对物体的支持力的合力提供.故物体处于失重状态,物体的运动速度越大,失重现象越明显,物体对桥的压力越小.当物体的速度大于（g为重力加速度,r为半圆的半径）时,物体将做离心运动,发生危险.正常情况下拱桥始终为受压状态.物体压力沿着拱形的弧面向外传递到桥墩上.（如图）

拱桥的拉力可以忽略.拱桥的自然弧线及其将力向外扩散的能力能够大大降低拱桥下侧所受拉力的影响.不过曲率越大（拱桥的半圆越大）,下侧所受的拉力影响就越大.

正如前文所提到的,拱桥本身的形状足以将重量从桥面中心向桥墩分散.和梁桥的情况相似,拱桥在尺寸上存在的限制最终会超过其自然强度.

拱桥的种类不多,毕竟它就只是一种拱形结构.这种结构的造型赋予其力量.它不需要额外的支撑或缆索.实际上,石制的拱桥甚至不需要灰浆.

二、梁桥

梁桥基本上是一种坚固的水平结构,并支撑在两端的两个桥墩上.例如人行天桥、立交桥等.桥梁及其上的所有承载物的重量直接由桥墩支撑.重量直接向下方传递.当桥面受到压力时,会导致桥面的上面部分收缩.由于桥面上面部分受压,导致桥面下面部分要承受拉力.这种拉力导致梁的下面部分拉伸.（如图）

如果不断增加压力,桥梁就会折断,且梁桥越长越容易折断.为了使梁桥承受更多的压力而不易折断,可将压力分散.公路上的很多天桥使用了混凝土或钢梁来承受载荷.梁的尺寸（特别是梁的高度）决定了梁的最大跨距.增加梁的高度,梁就有更多的材料来分散拉力.为了建造很高的梁,桥梁设计师为桥添加了支撑的栅格结构,又叫桁架.这种支撑桁架为现有的梁增加强度,大大提高了其分散压力和拉力的能力.当梁开始受压时,力量即通过桁架分散.

尽管使用了天才的桁架结构,但梁桥的跨距仍然有限.随着跨距的增加,桁架的尺寸也要增大,直到桥的自身重量无法被桁架支撑.

三、吊桥

吊桥是用缆索（或绳索、链条）拉起并跨越于河流之上（或者遇到的其他障碍物）,而桥面则悬挂在这些缆索上.现代吊桥有两座用于固定缆索高塔.这样,桥塔就支撑了路面的绝大部分重量.物体向下挤压吊桥的桥面,但由于它是悬吊的路面,缆索会将压力转移到桥塔,桥塔再直接将压力分散到固定它的地面.

支撑的缆索系在两个锚点之间,是拉力的主要承受者.由于桥重量和穿行于锚点之间汽车的重量,缆索会被拉长.锚点也会承受拉力,不过由于它们与桥塔一样非常稳固地与地面连接,所受的拉力会被分散开来.

除了缆索以外,几乎所有的吊桥在桥面底下还有支撑的桁架结构（上承式桁架）.这可增加桥面强度,减弱路面摇摆和颠簸的倾向.吊桥主要有两种不同的设计：悬索桥,特点是像个拉长的M形；斜拉桥,看上去更像是一个A形.斜拉桥不需要悬索桥那样的两座桥塔和四个锚点,而是由缆索从路面向上斜拉到单座桥塔上并固定.斜拉桥中的桥塔与悬索桥一样,负责吸收和分散桥面的压力.两种桥中的缆索都承受拉力.

根据不同的需要设计不同的桥梁,不同的桥梁其作用也不同.在设计桥梁时除了利用物理知识解决桥梁的承受力,还应考虑自然因素.只有这样桥梁才能为我们的生活提供更大的帮助.