拱形原理(折弯机工作原理)


【资料图】

小学课本的著名文章之一,就是赵州桥。赵州桥被誉为世界上现存最古老的一座石拱桥,它历经一千四百多年仍屹立不倒。但是,实际上,除了跨越千年的爱情,跨越千年的石头也敌不住岁月的摧残,石头会风化,最终变成尘埃。

破损的老赵州桥(梁思成拍摄)

修复后的赵州桥已经失去了原有的样貌

赵州桥的结构

对于古代技术而言,赵州桥是个大跨度桥梁,除了两侧外,没有其他桥墩。古赵州桥都是用石头堆叠而成,细节如下图。

局部细节

为了加固,石头与石头之间用腰铁连接。整座桥里的石头,会在自重的作用下,互相挤压,所有的石头受到的都是挤压力。

拱形的力学原理

正是由于拱桥的石头受到的都是挤压力,才让赵州桥能够跨越千年。因为,大多数材料,包括石头,其抗压性能要远好于抗拉性能。通俗点说,材料拉的话容易坏,但是压的话不容易坏。下图是低碳钢和铸铁的拉压比较。

低糖拉压比较

铸铁拉压比较

图中明显看出,压缩的力要比拉伸的力大很多。特别是低碳钢,由于是韧性材料,是没办法压坏的,只会越压越扁。从承受力来讲,低碳钢的承受能力可以无穷大。实际上当然并不可能。特别是对于结构而言,发生塑性变形就认为失效了,塑性变形的应力与拉伸一致。

铸铁(左)和低碳钢(右)的压缩

总结

跨越千年的爱恋,来到了赵州桥的身边。然而物非人更非,由于石头的风化,修复后的赵州桥再也不是原来的那个赵州桥。尽管如此,古赵州桥依然屹立了一千多年,见证了千年的爱恋。它之所以屹立不倒千年,就是因为采用了挤压的拱形结构,充分利用了石头的受压性能。


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