比萨大教堂;比萨斜塔为何能屹立不倒呢?

发布时间:2021-08-06 07:07:22 阅读:

比萨斜塔的重心在地面的投影没有偏出斜塔地基面,也就是说比萨斜塔虽然斜,但重心仍然在地基上面.

意大利比萨斜塔修建于1173年,由著名建筑师那诺·皮萨诺主持修建比萨大教堂。它位于罗马式大教堂后面右侧,是比萨城的标志。开始时,塔高设计为100米左右,但动工五六年后,塔身从三层开始倾斜,直到完工还在持续倾斜,在其关闭之前,塔顶已南倾(即塔顶偏离垂直线)3.5米。1990年,意大利政府将其关闭,开始进行整修。

比萨斜塔开始建造时,塔身端直,但建到第三层因结构原因发生倾斜。为什么会发生倾斜呢?

原因有三:一是塔建造在古河流泥沙冲积的平原上,地质松软;

二是地基处理太浅,只有3米;

三是此塔全用巨石建造,本身重量太大,地基负荷超重。因此建到三层便中途停工,这一停便是94年,到了第95年才继续施工,于1350年才建成了此塔。塔建成后塔顶偏离垂直中心就达2.1米,成了斜塔。据测定从1829年至1910年,平均每年倾斜3.8毫米,经过600年的风雨沧桑,塔身倾斜度达到了5.3度,偏离中心达4.4米,岌岌可危,但经过1972年当地的地震,塔体还是倾而不倒,巍然屹立,因此斜塔更加闻名遐尔,吸引了世界各国游人来此观览。   

比萨斜塔另一个驰名的原因,就是意大利的科学家伽利略1590年在比萨斜塔上做了著名的自由落体实验。一般人认为同样两块石头落地,必然是重的先落地,实际则不然,伽利略登上斜塔塔顶,一手拿10磅的铅球,一手拿1磅的铅球,结果是以同样的速度落地,打破了人们对自由落体的偏见有说是当时的建筑师为了表示其才华, 故意建了斜塔, 给傻瓜的後人头疼,来挽救它.

比萨斜塔为什么倾斜了几百年都不倒?这符合力学原理吗?

1、受力分析如下图。斜塔受重力,以及地面的约束力。斜塔的地基是插入地面的,周围土壤对地基有四面八方的约束力,如红色部分。这些四面八方的力,可以等效为水平方向和竖直方向力的分量,以及一个力矩。

比萨大教堂;比萨斜塔为何能屹立不倒呢?

2、倒塌分析从力学上来讲,只要固定端(即插入地面端)的约束力足够,即使斜塔90°也不会倒下来。力学上,水平状态的,我们叫它悬臂梁。假设斜塔90°,就类似于悬臂梁。

3、倒塌与否于重心投影点位置无关正如前面所说,只要约束力足够,斜塔自身强度足够,斜塔成水平,也不会倒。那么斜塔倒塌到底取决于什么?

取决于固定端约束力!也就是地基周围的土壤对地基的作用力。地基越深,作用力越大,也就越不容易倒。如果地基深度给定,那么就取决于土壤的性质。显然沙土更加容易倒。把土壤尽量压实,就不容易倒了。

4、斜塔自身的强度问题斜塔本身材质决定了斜塔塌不塌。对于这种一段固定的结构,固定端承受着较大的弯矩。具体表现是一侧受拉,一侧受压。通常材料都是抗压不抗拉,所以斜塔受拉的一侧比较容易发生拉伸破坏。当然,当前斜塔并不是很倾斜,受拉一侧的应力没有达到材料的承受极限。

未来,假如斜塔继续倾斜。由于地基深度,土壤性质,我们无法改变。只能对斜塔自身进行结构加强。比如在受拉的一侧,加装抗拉的钢铁材料等。

总结综上,斜塔不倒,是因为斜塔固定端的约束力足够大,斜塔自身的强度也满足要求。与重心投影点并无太大关系。

Tag:比萨大教堂
相关文章

发表评论: