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- 1、中国古代杰作“赵州桥”为何屹立1300年不倒？原来多亏了拱形结构！
- 2、为什么桥大多设计成拱形的
1、中国古代杰作“赵州桥”为何屹立1300年不倒？原来多亏了拱形结构！
大家还记得我们曾经做过“纸的力量”、“纸筒的力量”的实验吗？在这两个实验中，我们惊奇地发现，看似柔软脆弱的纸，只要稍稍改造它的结构，就能够承受比它自身重量重几十倍、甚至几百倍的物体。
今天爆爆和大家一起设计桥梁，看看纸桥采用什么样的结构承重最大？
实验材料
书本/卡纸/订书机/剪刀
实验步骤
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往两摞书中间放置一张卡纸，这是一个简易版纸桥
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一把剪刀想要过桥，哎呀，没成功！
一个订书机想要过桥，同样失败了！
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接下来我们为纸桥设计另一种拱形结构
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这一次订书机稳稳地站在桥上
换更重的手机，纸桥同样可以托起它
实验原理
拱形结构又叫推力结构，是所有结构中唯一产生外推力的结构。它的特点是把受到的压力分解成一个向下的力和两个水平向两端的力（向外的推力）。所以我们放在拱形纸桥正上方的重物，产生的压力已经被传递到了放在两侧的书本上。
我们的祖先很早就发现拱形是最能承受上方压力的一种结构，并且把它运用到建筑上去，创造了举世闻名的筑拱技术。我国最古老、最杰出的拱形建筑物是赵州桥。在漫长的1300多年的岁月里，赵州桥经受了地震的摇撼，洪水的冲击，车马的碾压，仍然屹立在洨河之上。
2、为什么桥大多设计成拱形的
桥梁的主要受力是桥面的荷载重量及自身重量，都是垂直向下的，采用拱形可以将垂直受力转移到横向的桥墩或岸边的地面，这样可以加宽桥梁下面的通道宽度，减少桥墩数量，因此，桥梁大多设计成拱形。
桥梁是指架设在江河湖海上，供车辆、人们顺利通行的建筑物，在日常生活中，经常可以见到。而且，他们的种类多种多样，按用途分，有铁路桥、公路桥、公铁两用桥、人行桥，按跨越障碍分，有跨河桥、跨谷桥、跨线桥。总之，它们就是一种非常普遍的存在。那么，大家有没有发现其中大多数桥都有一个共同的特征，那就是他们都为拱形的，知道这是为什么吗？
生活中，我们见过许许多多的桥。这些桥大多设计成拱形的，这是为什么呢？为什么不设计成凹形的呢？况且设计成拱形的桥，还会给交通造成不便。因为如果是跨度比较小的桥梁还无所谓，如果是跨度较大的桥梁，就会拱顶很高，进而使得坡度比较大，这样一来，无论是行人还是车辆通过时，都非常不便。如果设计成凹形的桥，汽车还会省油，因为汽车在向下行驶时，会有一个向前冲的力，具有一定的势能，这个势能便可以帮助它顺利地到达桥的那一端。难道我们的桥梁专家不明白这一点吗？
实际上，我们的桥梁专家怎么会不明白呢，设计成拱形不仅仅是美观好看，这里面还蕴含一定的力学原理的。
桥设计成拱形，是因为当汽车经过时，桥所承受的压力比较小，桥体所需要的支撑力便小。而相比之下，凹形桥承受的压力较大，桥体所需要的支撑力便大。这是为什么呢？因为无论是拱形桥还是凹形桥，当汽车通过大桥时，由于汽车方向的改变产生的向心加速度，需要向心力F。拱形桥的圆心在桥下方，因而向心力方向向下，这样就使得自身重力mg与支撑力N1的合力向下，即支撑力小于重力，也就是拱形桥耐重。F=Mg-N1，所以 N1=Mg-F。凹形桥的圆心在桥上方，因而向心力F就向上，这就使重力Mg与支持撑力N2的合力向上，即支撑力大于重力。也就是凹形桥不耐重。F=N2-Mg，所以 N2=F+Mg。由此看来，如果仅仅是为了汽车省那么一点点油而改变桥的设计，那么岂不是抓不住重点了。
此外，我们还可以这么理解。众所周知，球形比任何形状都坚固。因为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。这也就是为什么我们生活中常见的巨大的贮油罐要做成球形的。还有我们生活中常见的灯泡，虽然是比较易碎的玻璃制成的，但做成了球形也就比较坚固了。
我们都有过类似的经历，把蛋壳放在两手的掌心之间，挤压它的两端，并不会像我们想的那样因为鸡蛋壳薄而易碎，而是需要使出很大的力气。这也是因为球形比较坚固的原因。球形也是若干个拱形的组合，因此拱形也具有此特点。这也是为什么桥要设计成拱形的原因了，因为它更坚固，可以使受力分散，进而桥体的承重力加大。
我国拱形桥的代表便是坐落在河北省赵县洨河上的赵州桥。这座桥建于隋代，距今已有约1400年的历史，由著名匠师李春设计和建造，是当今世界上现存最早、保存最完善的古代石拱桥。
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