神奇的拱结构

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  拱形结构是一类很重要的建筑结构,中国赵州桥、巴黎圣母院、圣彼得大教堂等都属于拱形建筑结构的代表。拱形结构的特点是能把受到的压力分解成向下的压力和向外的推力,它是所有结构中唯一产生外推力的结构。
  让我们做个实验,一起感受拱结构的神奇吧!
  实验材料 卡纸、硬币。
  实验过程
  ①将一张卡纸平放在相距15厘米的两叠书本中间。
  ②把5角硬币逐个轻轻地搭在卡纸上,“纸桥”能承受几枚硬币的重量?
  ③将卡纸弯成圆弧形抵在两叠书本之间,把5角硬币逐个轻轻地搭在卡纸上,“纸桥”能承受几枚硬币的重量?
  ④将卡纸弯成圆弧形抵在两叠书本之间,把另一张卡纸条横放在它的上面,两端仍然平放在相距15厘米的两叠书本中间,“纸桥”能承受几枚硬币的重量?
  科学原理
  很显然,拱形的“纸桥”能承受的硬币个数明显要比平展的“纸桥”承受得多,这就说明拱形比平放所能承受的压力大。
  当拱形各部分受到压力时,会产生外推力,如果能抵住拱的外推力,拱就能承受巨大的压力。鸡蛋也是一个就地旋转的拱,它能够把加于其上的力均匀地分散到整个球面上,有效地降低了局部的压力,所以蛋壳比我们想象的更耐压,强度更强。
  也许你会问,既然薄薄的蛋壳能承受这么大的压力,为什么在蛋壳内孵化成的雏鸡却能轻而易举地啄破蛋壳呢?这是因为,构成蛋壳的物质和组成水泥、砖块的物质相似,它们都具有很好的抗压性,能承受很大的压力,但抗拉性却较差,经不起较大的拉力。
  对此,我们也可以做一个实验来加以证明。
  实验材料 鸡蛋壳、铅笔。
  实验过程
  ①取半个鸡蛋壳,先让它凸面朝上放在桌子上。
  ②取一支削得不太尖的铅笔,在离凸面顶部15厘米高处垂直落下,撞在蛋壳顶部,观察蛋壳变化。
  ③把蛋壳翻过来,使凹面朝上,放在一只玻璃瓶的瓶口上。
  ④用刚才的那支铅笔,让它在距蛋壳底部约15厘米高处垂直落下,观察蛋壳变化。
  蛋壳被笔尖戳穿了。究其原因,由于蛋壳的外形弯曲均匀而且对称,能使蛋壳在某一部分受到的压力均匀地传给其余各部分,并且巧妙地相互“抵消”。但是,当这个压力从蛋壳内侧向外施加时,蛋壳各部分所受到的便是拉力了,所以就容易破碎。
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