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【转】拱形的奥秘

2012-05-27  易&极
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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