從“圣彼得堡開(kāi)橋”中談物理知識(shí)

聶千衡

摘 要 橋梁在我們的生活中扮演著重要角色，無(wú)處不在，儼然成為我們生活中的一部分，在我們出行時(shí)，橋梁能夠幫助我們?cè)竭^(guò)河流，穿過(guò)高山，跨過(guò)峽谷。橋梁的形態(tài)多種多樣，包括，梁橋、拱橋和吊橋、斜拉索橋等，在我國(guó)就有很多著名的橋梁，像趙州橋、盧溝橋、錢(qián)塘江大橋以及目前世界總體跨度最長(zhǎng)、被譽(yù)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(yùn)藏了很多物理知識(shí)，下面就以圣彼得堡開(kāi)橋來(lái)談一談隱藏在橋梁中的小秘密，希望能夠?yàn)槿藗儙?lái)一定啟示。

關(guān)鍵詞 開(kāi)橋 物理 吊橋

圣彼得堡是與莫斯科齊名的著名城市，這兩個(gè)城市間固然有許多相似之處，建筑風(fēng)格，美食特點(diǎn)，人文氣息都是大同小異的。而它們間最大的區(qū)別在于，一座是“陸”城，一座是被人們贊譽(yù)而為的“水”城----北方威尼斯。在整個(gè)圣彼得堡城區(qū)，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(shí)段會(huì)定期打開(kāi)，讓過(guò)往貨船通行，而開(kāi)橋時(shí)都會(huì)有個(gè)簡(jiǎn)單儀式，因此游客稱(chēng)之為開(kāi)橋儀式。開(kāi)橋儀式在夏季時(shí)間段從4月底至11月底，而現(xiàn)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(kāi)橋儀式。

一、圣彼得堡開(kāi)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(lái)。而在這之前，已有5，6艘游輪漂浮在離橋不遠(yuǎn)的水面上，同我們一起候著。終于，在1：15時(shí)，急駛的汽車(chē)不再碾過(guò)橋面，只聽(tīng)到機(jī)械和馬達(dá)的轟隆聲慢慢增大，又望見(jiàn)橋的中間部分慢慢隆起，橋板像粗壯的手臂緩緩舒展開(kāi)[1]。冬宮橋的橋面在人們的目睹中慢慢一分為二，當(dāng)橋面打開(kāi)至相當(dāng)大的角度時(shí)，大型或小型的船只魚(yú)貫通過(guò)，它們有的拉響汽笛，像是對(duì)開(kāi)啟的橋梁致以謝意。開(kāi)橋的整個(gè)過(guò)程大約持續(xù)兩個(gè)小時(shí)，情景宏闊，氣勢(shì)浩蕩，蔚為壯觀。朋友告訴我，像這樣能開(kāi)能合的橋，圣彼得堡還有12座。

二、圣彼得堡開(kāi)橋的物理知識(shí)原理

觀賞完宏偉的開(kāi)橋儀式，我由衷感嘆的同時(shí)也開(kāi)始思考其工作原理。當(dāng)我第一次看到這樣的開(kāi)橋時(shí)，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(diǎn)，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(yōu)點(diǎn)是外形美觀、跨度高大、科學(xué)實(shí)用。吊橋通過(guò)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?，F(xiàn)代吊橋有兩座高塔，通過(guò)橋塔能夠支撐路面大部分重量。橋身有一個(gè)向下的力來(lái)擠壓橋面，但由于這是懸掛的，所以纜索可以將壓力轉(zhuǎn)移至橋塔，通過(guò)橋塔可以將壓力進(jìn)行分散至固定橋塔的地面。纜索位于兩個(gè)錨點(diǎn)的中心位置，能夠承受大部分拉力，因?yàn)闃蝮w本身的重量以及穿過(guò)錨點(diǎn)汽車(chē)的重量，會(huì)拉長(zhǎng)纜索，錨點(diǎn)也自然會(huì)受到拉力的作用，但是橋塔與纜索非常穩(wěn)固，能夠與地面形成良好鏈接，因此就使拉力逐漸分散開(kāi)來(lái)[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(qiáng)度，避免橋面出現(xiàn)搖擺或者顛簸。吊橋一般分為兩種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：首先是懸索橋，可以將其看做是一個(gè)拉長(zhǎng)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(gè)錨點(diǎn)，與之相比，斜拉橋有一些不同，是通過(guò)纜索直接從地面斜拉至橋塔并進(jìn)行固定的。與懸索橋類(lèi)似，斜拉橋的橋塔能夠?qū)崿F(xiàn)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(jù)使用情況的不同，往往會(huì)設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的橋梁，而且橋梁結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的作用也有較大區(qū)別，在設(shè)計(jì)橋梁的過(guò)程中，可以通過(guò)物理知識(shí)解決其中橋梁承載力的相關(guān)問(wèn)題，但也要講自然因素考慮進(jìn)去，這樣才能讓所設(shè)計(jì)的橋梁為我們所用，使人們的生活更加便利。下面通過(guò)圖片來(lái)具體說(shuō)明吊橋的工作原理。

如圖3，通過(guò)安裝滑輪控制橋面的起落，再用繩子連接橋頭，經(jīng)過(guò)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(kāi)橋方式太原始費(fèi)力，而且運(yùn)用人力，過(guò)程太過(guò)于復(fù)雜。現(xiàn)在開(kāi)橋大多是為了讓橋下可通過(guò)巨型的船只。而相對(duì)于古代的吊橋來(lái)說(shuō)，古代吊橋大多是用來(lái)防御城池等。于是我不禁又想到了倫敦塔橋和“歐洲之門(mén)”橋，他們的開(kāi)啟方式有同于冬宮橋的開(kāi)啟方式，即都是從兩端開(kāi)合的。它們的轉(zhuǎn)動(dòng)軸位于它們的重心上，從而來(lái)減小它們起升時(shí)所需要的力。起初這個(gè)升降裝置是液壓的，它擁有水庫(kù)來(lái)產(chǎn)生高壓水。蒸汽機(jī)把水從水庫(kù)泵入液壓裝置，從而升降橋面。而現(xiàn)在的橋是用電動(dòng)機(jī)來(lái)升降的，不過(guò)這還是一項(xiàng)很艱巨的工程。

三、結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，開(kāi)橋主要是為了兼顧通航與通車(chē)。過(guò)去經(jīng)常是以犧牲通車(chē)而通航，而現(xiàn)在擁有這項(xiàng)技術(shù)后，就能更合理地組織協(xié)調(diào)水陸交通了。除了橋梁之外，其實(shí)生活中也有很多物理知識(shí)，例如行船的浮力、聽(tīng)聲辨人的音色、菜刀切菜的壓強(qiáng)等等，需要我們有一雙善于觀察的眼睛，這樣才能發(fā)現(xiàn)物理之美，使我們更加熱愛(ài)物理學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李芒.中學(xué)物理資訊化教學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)案例[M].北京：人民郵電出版社.2004：56.

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

[3]鄒會(huì)坤.影響物理學(xué)習(xí)困難因素探析及教學(xué)對(duì)策研究[D].山東師范大學(xué)，2015.