為什么橋是拱形的科學故事

橋梁是指架設在江河湖海上，供車輛、人們順利通行的建筑物，在日常生活中，經常可以見到。而且，他們的種類多種多樣，按用途分，有鐵路橋、公路橋、公鐵兩用橋、人行橋，按跨越障礙分，有跨河橋、跨谷橋、跨線橋。總之，它們就是一種非常普遍的存在。那么，大家有沒有發現其中大多數橋都有一個共同的特征，那就是他們都為拱形的，為什么橋是拱形的呢？

為什么不設計成凹形的呢？設計成拱形的橋，還會給交通造成不便。因為如果是跨度比較小的橋梁還無所謂，如果是跨度較大的橋梁，就會拱頂很高，進而使得坡度比較大，這樣一來，無論是行人還是車輛通過時，都非常不便。如果設計成凹形的橋，汽車還會省油，因為汽車在向下行駛時，會有一個向前沖的力，具有一定的勢能，這個勢能便可以幫助它順利地到達橋的那一端。難道我們的橋梁專家不明白這一點嗎？

實際上，我們的橋梁專家怎么會不明白呢，設計成拱形不僅僅是美觀好看，這里面還蘊含一定的力學原理的。

橋設計成拱形，是因為當汽車經過時，橋所承受的壓力比較小，橋體所需要的支撐力便小。而相比之下，凹形橋承受的壓力較大，橋體所需要的支撐力便大。這是為什么呢？因為無論是拱形橋還是凹形橋，當汽車通過大橋時，由于汽車方向的改變產生的向心加速度，需要向心力F。拱形橋的圓心在橋下方，因而向心力方向向下，這樣就使得自身重力mg與支撐力N1的合力向下，即支撐力小于重力，也就是拱形橋耐重。F=Mg-N1，所以 N1=Mg-F。凹形橋的圓心在橋上方，因而向心力F就向上，這就使重力Mg與支持撐力N2的合力向上，即支撐力大于重力。也就是凹形橋不耐重。F=N2-Mg，所以 N2=F+Mg。由此看來，如果僅僅是為了汽車省那么一點點油而改變橋的設計，那么豈不是抓不住重點了。

此外，我們還可以這么理解。眾所周知，球形比任何形狀都堅固。因為球形的任何一個地方受力，力都可以向四周均勻地分散開來。這也就是為什么我們生活中常見的巨大的貯油罐要做成球形的。還有我們生活中常見的燈泡，雖然是比較易碎的玻璃制成的，但做成了球形也就比較堅固了。

我們都有過類似的經歷，把蛋殼放在兩手的掌心之間，擠壓它的兩端，并不會像我們想的那樣因為雞蛋殼薄而易碎，而是需要使出很大的力氣。這也是因為球形比較堅固的原因。球形也是若干個拱形的組合，因此拱形也具有此特點。這也是為什么橋要設計成拱形的原因了，因為它更堅固，可以使受力分散，進而橋體的承重力加大。

我國拱形橋的代表便是坐落在河北省趙縣洨河上的趙州橋。這座橋建于隋代，距今已有約1400年的歷史，由著名匠師李春設計和建造，是當今世界上現存最早、保存最完善的古代石拱橋。

為什么橋是拱形的科學故事點評

小朋友們，仔細想一想，我們的生活中，還有哪些類似的呢？頭盔和安全帽，我們所見到的都是拱形的，也是因為能夠承受更大的沖擊力，進而比較安全。這種結構的特點便是能夠將物體受到的力均勻地分散到殼體的各個部分。