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摘要：拱形承受压力时，能把压力向下向外传递给相邻的部分，使受到的力分给不同的受力点，因此比起单面受力形状的物体来说，拱行能承受的力更大。在生活中我们经常看到拱形形状的物体，在生物体中也能找到许多拱形结构。拱形结构甚至还演化成一种音乐结构形态，在现代音乐中被大量运用。 一、拱形的基本原理 拱形作为一种特殊的结构，能够使强度一般的材料变得“坚硬”，从而使其能承受很大的压力，那么拱形为什么具有如此强大的力量呢？为此，我做了个小实验，实验过程如下： 我找来一张64开的的普通小纸片、两本一样的书和几枚1角钱的硬币。先将纸片平放在两本书之间，再将硬币小心的放上去，看是纸片否能承受住硬币的压力，结果只有当两本书靠得很近时，才能勉强放上一枚硬币。 然后我又将纸片弄成拱形夹在两本书中间，再往纸片上放硬币，结果纸片能够轻易承受住两枚硬币，直到我放第三枚硬币时，纸片才微微凹下去。 那么同一张纸片，变了个形状，为什么就能承受3倍甚至更大的力了呢？硬币的压力到底“跑”到哪去了呢？ 于是，我又将两本书换成两个小塑料薄片，重复上述实验的第二步，当我将第3枚硬币放到拱行纸片上时，两个塑料薄片居然被推开了！原来拱形受压后将压力分散了，然后产生了一个向外的推力，抵住这个推力，拱就能承受很大的重量，这就是拱形的基本原理。 二、拱形结构的演变 拱形结构除了一般的形状外，还可以演变成类似半球形的形状，使得拱形的运用范围更加广泛。 这种类型的拱是个什么样子呢？举个简单的例子，被剖开的半个乒乓球就是一个“球形”拱。那么这种形状的拱是否也能承受住巨大的压力呢？为了解决这个问题，我又做了一个小实验，实验过程如下： 我找来两个乒乓球，将它们剖成4个半球，取了其中的3个放在桌上，围成一个三角形，在上面放了一本大词典，但乒乓球丝毫没有扁的迹象。随后，我又在词典上放了厚厚的一垛书，乒乓球仍然保持原来的形状。由此可见，这小小的乒乓球能够承受的力相当的大。那么，这种形状的拱又是什么原理呢？ 在查阅相关资料后，我得出下列结论：两个半球形可以组合成一个球形，球形也可以看成是若干个拱形的组合，球形各个方向上都是拱形的组合。球形的任何一个地方受力，力都可以向四周均匀地分散开来，这和拱形受压力的特点相同，所以球形比任何形状都更坚固。同样，半球形和类半球形的拱也能承受巨大的压力。而且球形拱还有另一个好处，那就是它具备了拱形受压大的特点并且没有外推力，而消除这个外推力在很多地方都显得格外重要。 三、拱形的运用 生活中，我们时常可以看到拱形，大到桥梁、建筑，小到安全帽、电灯泡，拱形可谓是无处不在。 电灯泡为了透光，玻璃做得很薄，但球形可以使薄薄的玻璃变得坚固；半球形的安全帽，可以使头部在受到重物砸击时将力分散从而防止头部受伤；拱形门窗、圆顶锅盖在增大压力承受能力的同时，又减少了外推力；大型储油罐做成球形，大大增加了安全系数...... 当然，拱形主要还是运用在桥梁和建筑方面。在古代，这种建筑理念就已经被广泛运用。比如我国的拱桥，其中，赵州桥就是一个非常典型的例子，他是我国现存最早，保存最完善的拱桥之一；黄土高原的窑洞，其历史可以追溯到四千年前，它内部球形的窑顶和拱形的洞口使其能够支撑起厚厚的土层；清真寺的巨大球形顶是其留给人们的第一印象；欧洲哥特式建筑堪称建筑史上的经典，其中的巨型拱形门给人一种强烈的震撼；巴黎的四大代表建筑：埃菲尔铁塔、凯旋门、卢浮宫、巴黎圣母院无不是运用了拱形。 而在现代，拱形在建筑、桥梁方面的作用丝毫没有减少。我国的国家大剧院和悉尼歌剧院就是很典型的代表，这种半球形拱形屋顶结构运用相当广泛；在桥梁方面，上海卢浦大桥是当今世界第一钢结构拱桥，是世界上跨度最大的拱形桥，整座桥就是靠那个巨大的拱形架支撑。 虽然现代的拱形建筑和桥梁在外形上和古代的有很大差别，但它们所利用的原理都是一样的。 四、生物体中的拱形 拱形被运用得如此广泛，自然在生物体这个大自然的伟大结晶中，也是必不可少的。 首先说人体，骨骼作为支撑人体的主要构成部分，它多处呈拱形结构。人的头骨近似于球形，可以很好的保护大脑；拱形的肋骨护卫着胸腔中的内脏；人的足骨构成一个拱形——足弓，它可以更好地承载人体的重量；人的盆骨是拱形的，下颌骨是拱形的，脊椎的每一节也可以看作是拱形，肩胛骨的一部分也是拱形的...... 哺乳动物的骨骼结构和人体基本类似，但在其他的一些结构中，我们依然可以看到拱形。蛋，作为许多动物繁殖后代的工具，其蛋壳要保护内部的安全，自然要相当坚固。那么蛋壳在由碳酸钙这种坚硬物质构成的同时，它也呈椭球形，这种拱形使其更加坚固。有一些动物，他们具有坚硬的“外骨骼”，比如乌龟背上的龟甲，贝类的贝壳，也都是类似球形或椭球形的结构。 五、拱形结构的推广 除了这些看得见、摸得着的拱形，还有一些拱形要用我们的耳朵去听、去感受，这便是拱形音乐结构。 拱形音乐结构是一种历经几个世纪发展演化的音乐结构形态，在二十世纪被大量地运用，并且作曲家将这一原则引申为一种思维运用于各种作曲技法之中，从而成为现代作品的一种典型结构。 |
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