塔吊以鋼鐵“撬動”云端

途經(jīng)建筑工地時，我們時常能看到一座座高聳的塔式起重機(jī)（以下簡稱“塔吊”），正輕松地將成噸的鋼材與混凝土預(yù)制件吊運至百米高空。它們不僅是現(xiàn)代工程力量的象征，更是物理學(xué)與工程智慧的精妙融合。今天，我們將深入探尋塔吊背后的科學(xué)奧秘，揭示工程師們是怎樣運用物理定律“馴服”重力，讓這些“鋼鐵大力士”在云端自如運作的。

塔吊為何“穩(wěn)如泰山”？

塔吊，即塔式起重機(jī)，指機(jī)身為塔形鋼架、動臂裝在高聳塔身上部的旋轉(zhuǎn)起重機(jī)。它的作業(yè)空間大，起重能力強(qiáng)，常被用于多層建筑施工和港口裝卸貨物。

塔吊最深層的力學(xué)奧秘其實源于一個非常基礎(chǔ)的物理學(xué)原理——杠桿原理，圍繞旋轉(zhuǎn)中心，起重臂與平衡臂共同構(gòu)成了一個龐大的杠桿系統(tǒng)。

根據(jù)起重臂的構(gòu)造特點，可將塔吊分為動臂式（依靠起重臂上下抬升實現(xiàn)變幅）和平臂式（依靠軌道上安裝的小車行走實現(xiàn)變幅）。以我國常見的平臂式為例，吊起重物時，應(yīng)滿足F1×L1=F2×L2，即M1=M2（力矩，用來度量力使物體轉(zhuǎn)動的能力，為力與力臂〔給定點到力作用線的最短距離〕的乘積）。

精密計算的配重塊

塔吊工作前，工程師會在平衡臂后方安裝適當(dāng)數(shù)量的混凝土配重塊，使M2成為定值，將難以駕馭的百噸級力矩轉(zhuǎn)化為作用于塔吊的垂直壓力。憑借精確的計算，通過調(diào)節(jié)配重塊數(shù)量和起重臂長度，配重塊可以有效抵消絕大部分建材所產(chǎn)生的重力力矩。同時，精心設(shè)計的滑輪組及液壓系統(tǒng)借助多組滑輪，成倍放大鋼絲繩的牽引力，使得電動機(jī)能以更小的輸出功率吊起更重的建材。

理論上，起重臂與平衡臂的力矩必須完全相等，才能達(dá)成M1=M2。但其實塔吊并非絕對平衡，而是有可承受的范圍，部分力矩會由其自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來承受。塔吊還會搭載相應(yīng)的監(jiān)測儀器，避免起重臂力矩過大而引發(fā)事故。

與風(fēng)的“推拉”

作為高空作業(yè)的大型設(shè)備，高空風(fēng)力對塔吊來說影響極大，稍有不慎就可能導(dǎo)致工程事故。因此，工程師對塔吊進(jìn)行了細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計，材料選擇上兼顧輕量化與高強(qiáng)度。目前，塔吊的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點普遍會采用性能更優(yōu)的合金鋼，而塔吊現(xiàn)有的桁架結(jié)構(gòu)如同一副精心設(shè)計的空心骨骼，在保障強(qiáng)度的同時最大程度減輕塔吊自重，降低風(fēng)阻。

根據(jù)安全操作規(guī)范要求，在未工作狀態(tài)時，塔吊也需要松開回轉(zhuǎn)制動器，確?；剞D(zhuǎn)部分能自由隨風(fēng)轉(zhuǎn)動，以減少風(fēng)載荷對塔身結(jié)構(gòu)的集中作用。

精細(xì)的監(jiān)測

塔吊與起吊物通常距離較遠(yuǎn)，操作時，許多傳感器和影像監(jiān)控可對塔吊操作員進(jìn)行輔助。除此之外，現(xiàn)場還需配備相應(yīng)的信號工、掛鉤工等，確保塔吊工作順利進(jìn)行。

最先進(jìn)的塔吊甚至可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，通過授權(quán)，操作員可操控千里之外的吊裝設(shè)備，實現(xiàn)毫米級的精準(zhǔn)吊裝。

此外，一些現(xiàn)代塔吊會配備姿態(tài)傳感器和人工智能算法，實時監(jiān)測風(fēng)速和載重，并自動調(diào)整姿態(tài)。

堅固的底座

為保持穩(wěn)定性，塔吊的地基設(shè)計十分穩(wěn)固，固定地基通常會采用樁基加混凝土承臺的方式，確保其矗立在松軟地基之上。

節(jié)節(jié)長高的秘訣

塔吊不僅是建筑工地上的“鋼鐵巨人”，更是具備“自我進(jìn)化”能力的智能工程裝備。它們往往伴隨著摩天大樓的拔地而起而“生長”，又能在建筑完工后優(yōu)雅“謝幕”。

摩天大樓封頂后，塔吊的拆除同樣需要專業(yè)的解決方案。常見的工程策略是“以小拆大”，即塔吊降級技術(shù)：首先利用原塔吊安裝一臺更小的輔助塔吊，隨后用輔助塔吊逐段拆卸原塔吊，最終借助微型吊機(jī)或無人機(jī)完成輔助設(shè)備的拆除。現(xiàn)中國第一高樓——上海中心大廈就成功運用此方法，在600余米的高空順利拆除幾百噸級的塔吊。

空中指揮家：塔吊間的協(xié)同作業(yè)

在集裝箱密集的碼頭和場地有限的建筑工地，塔吊之間的智能協(xié)調(diào)尤為重要。中國的智能碼頭聞名世界，正是借助了先進(jìn)的北斗定位和三維路徑規(guī)劃技術(shù)。智能塔吊在人工智能調(diào)度算法的支持下，實現(xiàn)對港口集裝箱的精準(zhǔn)智能調(diào)配。通過統(tǒng)籌優(yōu)化，塔吊的使用效率被顯著提升，僅需少量工作人員，便能高效管理成百上千個集裝箱組群，滿足復(fù)雜的工程需求。

在工地的特種吊裝作業(yè)中，超大超重吊裝始終是一大難題。如今，多臺吊裝設(shè)備協(xié)同配合已成為標(biāo)準(zhǔn)操作流程。多機(jī)協(xié)同不僅能顯著提升吊裝的最大承載重量，在吊掛物重心偏離理想位置時，還能通過動態(tài)配載迅速實現(xiàn)復(fù)合力矩平衡。為避免碰撞，塔吊集群通常采用高低錯落的布局，通過合理設(shè)定各塔吊的高度和作業(yè)半徑，確保塔吊群內(nèi)設(shè)備的有序協(xié)作。一旦出現(xiàn)潛在危險，防撞系統(tǒng)會自動切斷操作并觸發(fā)警報。

抬起未來

工程學(xué)領(lǐng)域，無人機(jī)吊運技術(shù)快速發(fā)展，許多大型無人機(jī)已經(jīng)能夠承載幾十千克重物，續(xù)航里程高達(dá)上百千米，不僅能夠進(jìn)行物流配送，還能助力邊遠(yuǎn)險峻地區(qū)建筑的快速建設(shè)。

在太空，中國空間站的艙外機(jī)械臂兼具組合和移動功能，通過交替抓取艙體表面，能夠像尺蠖（huò）爬行般服務(wù)于空間站全區(qū)域，輕松完成艙段轉(zhuǎn)位、設(shè)備維修、協(xié)助航天員移動等任務(wù)。此外，它還配備了視覺識別和自主避障系統(tǒng)，即便在宇宙射線和極端溫度環(huán)境下也能穩(wěn)定運行。

從杠桿原理到智能算法，從城市中高樓林立的“鋼筋森林”到廣袤無垠的宇宙深空，塔吊的進(jìn)化歷程堪稱一部人類征服重力的壯麗史詩。未來，我們或許能在月球基地目睹塔吊的身影，它們將繼續(xù)憑借鋼鐵之軀，創(chuàng)造工程奇跡。

嘗試用積木搭建一座屬于你的塔吊模型，你可以使用不同的齒輪組模擬動力傳動，還可以為它搭建更穩(wěn)固的底座、縮短臂長以提升更重的積木、調(diào)整配重塊以防止模型傾倒。在這一過程中，你可以思考真實的塔吊如何通過各個部件的協(xié)同作用來實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的起重作業(yè)。

若由你負(fù)責(zé)設(shè)計月球上的塔吊，需要綜合考量哪些物理學(xué)與工程方面的問題？月球上的塔吊又會與地球上的有何不同？

（提示：充分考慮組合形式、低重力狀況、真空環(huán)境、溫差變化等因素）

（責(zé)任編輯 / 牛一名 美術(shù)編輯 / 周游）