耐压的拱结构

耐压的拱结构

捉一只乌龟，让一个体重相当可观的彪形大汉站在乌龟的背上，在人的重压下，乌龟却安然无恙。

电灯泡看来好像很脆弱，实际上都极坚固，我们知道有许多灯泡(真空的，不是充气的)几乎完全是空的，里面没有什么物质来抵抗灯泡外面空气的压力。空气对电灯泡的压力并不小，直径10厘米的灯泡周围所受的压力就在75公斤以上。

为什么乌龟能经得住重物的压力?为什么易碎的玻璃灯泡却没有被压碎?原来灯泡的形状，龟壳的形状都有弯曲的表面，属于“拱结构”。

力学上有一条极有价值的原理:决定某一物体的坚固程度，除了构成物体的物质本身的强度外，还有物体的几何形状也起关键作用。什么样的几何形状最好呢?就耐压来说，凸曲面形(拱结构)最好。蚕壳、螺壳、蚌壳以及有些种子的外壳等也有弯曲的表面，它们虽薄，但却耐压。

为什么拱形结构特别耐压呢?那是由于凸面能把外来的压力沿着曲面分散开来，在很大程度上避免了弯折现象。以拱门为例来说明拱门顶上面哪部分砖墙的重量向下施加着压力，压在拱门中心那快楔形石头上。正因为这石块是楔形的，所以它无法向下移动，只能将压力按平行四边形的规则分解成两个力分别加在相邻的两块石头上去。相邻的这两块石头也是楔形的，同样不会往下掉，也只能把力再向旁边的石头上压，这样继续传递下去，力就均匀地分布在两旁的石头上，最后压向地基，因此，从外面压在拱门上的力量就不会把拱门压坏，可是如果从里面向它用力，那就比较容易把它毁坏了，因为石块的楔形虽然能够阻止它下落，却不能阻止它上升。

蛋壳也是这样的拱门，不过这个拱门是整块的，不是由一块一块的物质构成的。蛋壳虽然很脆，但是在受到外来压力的时候，却不容易碎，就是这个道理。

拱结构在工程上早已得到应用。我们常见的石拱桥的最大的特点就是经得起重压，在一定程度的重压之下，它会变得更加坚固。我国隋朝石匠李春设计监造的赵州桥(在今河北赵县城南洨河上)，全长50.82米，一个桥孔，跨度达37.37米，至今已经1300多年了，仍然完好无损，照常通行。

20世纪70年代，有人模仿鸡蛋设计了一种特殊的抗震房屋:外壳是用钢铁制造的，“蛋白”用耐高温玻璃，石棉等制造，人则住在相当于“蛋黄”的部分。这种房屋能抵抗强烈地震，即使震翻了，也能自动复原，很难将它压坏。屋内储有氧气，水和食物，在与外界完全隔绝的情况下，7个人也能在里面生活1个星期。

造个“乌龟壳”来做为建筑物的基础，早在五十年前便有人提出了这个设想，直到近些年才实现。它很像一个倒扣在地下的大碗。这个薄薄的大碗支撑着高大的铁塔或烟囱。采用这种薄壳基础，要比实心基础节约混凝土30～50%，还可以节约大批钢材。

如今我们在街上见到的宏大建筑物的薄壳屋顶，也都是拱结构，它们既轻便坚固，又节约材料，当然它们那流畅的、富于变化的屋顶更是美妙!