从“圣彼得堡开桥”中谈物理知识

聂千衡

摘 要 桥梁在我们的生活中扮演着重要角色，无处不在，俨然成为我们生活中的一部分，在我们出行时，桥梁能够帮助我们越过河流，穿过高山，跨过峡谷。桥梁的形态多种多样，包括，梁桥、拱桥和吊桥、斜拉索桥等，在我国就有很多著名的桥梁，像赵州桥、卢沟桥、钱塘江大桥以及目前世界总体跨度最长、被誉为“新世界七大奇迹”之一的跨海大桥——港珠澳大桥，在这些桥梁中蕴藏了很多物理知识，下面就以圣彼得堡开桥来谈一谈隐藏在桥梁中的小秘密，希望能够为人们带来一定启示。

关键词 开桥 物理 吊桥

圣彼得堡是与莫斯科齐名的著名城市，这两个城市间固然有许多相似之处，建筑风格，美食特点，人文气息都是大同小异的。而它们间最大的区别在于，一座是“陆”城，一座是被人们赞誉而为的“水”城----北方威尼斯。在整个圣彼得堡城区，共有300多座桥，更有意思的是横跨涅瓦河的13座桥在夏季时段会定期打开，让过往货船通行，而开桥时都会有个简单仪式，因此游客称之为开桥仪式。开桥仪式在夏季时间段从4月底至11月底，而现在正是八月中旬，我有幸观赏了位于圣彼得堡冬宫附近的开桥仪式。

一、圣彼得堡开桥

2018年8月10日凌晨1：05，我已站在了涅瓦河旁，静静望着冬宫桥，等待奇迹的到来。而在这之前，已有5，6艘游轮漂浮在离桥不远的水面上，同我们一起候着。终于，在1：15时，急驶的汽车不再碾过桥面，只听到机械和马达的轰隆声慢慢增大，又望见桥的中间部分慢慢隆起，桥板像粗壮的手臂缓缓舒展开[1]。冬宫桥的桥面在人们的目睹中慢慢一分為二，当桥面打开至相当大的角度时，大型或小型的船只鱼贯通过，它们有的拉响汽笛，像是对开启的桥梁致以谢意。开桥的整个过程大约持续两个小时，情景宏阔，气势浩荡，蔚为壮观。朋友告诉我，像这样能开能合的桥，圣彼得堡还有12座。

二、圣彼得堡开桥的物理知识原理

观赏完宏伟的开桥仪式，我由衷感叹的同时也开始思考其工作原理。当我第一次看到这样的开桥时，我首先想到的是吊桥。吊桥是中间桥墩作为桥面重力的支撑点，利用斜拉钢索牵引力把桥面重力用“天平”原理平均牵拉，其主要优点是外形美观、跨度高大、科学实用。吊桥通过绳索或者链条拉起并横跨在河流之上或其他阻碍同行的障碍物上，桥面则利用绳索悬挂。现代吊桥有两座高塔，通过桥塔能够支撑路面大部分重量。桥身有一个向下的力来挤压桥面，但由于这是悬挂的，所以缆索可以将压力转移至桥塔，通过桥塔可以将压力进行分散至固定桥塔的地面。缆索位于两个锚点的中心位置，能够承受大部分拉力，因为桥体本身的重量以及穿过锚点汽车的重量，会拉长缆索，锚点也自然会受到拉力的作用，但是桥塔与缆索非常稳固，能够与地面形成良好链接，因此就使拉力逐渐分散开来[2]。

除缆索之外，在所有吊桥下方还配有上承式桁架，能够有效提升桥面强度，避免桥面出现摇摆或者颠簸。吊桥一般分为两种设计结构：首先是悬索桥，可以将其看做是一个拉长的M型；其次就是斜拉桥，看上去像是A型。悬拉桥配有两座桥塔以及四个锚点，与之相比，斜拉桥有一些不同，是通过缆索直接从地面斜拉至桥塔并进行固定的。与悬索桥类似，斜拉桥的桥塔能够实现吸收并分散桥面压力，而且这两种吊桥的缆索都能够承受较大的拉力[3]。根据使用情况的不同，往往会设计出不同结构的桥梁，而且桥梁结构不同，所产生的作用也有较大区别，在设计桥梁的过程中，可以通过物理知识解决其中桥梁承载力的相关问题，但也要讲自然因素考虑进去，这样才能让所设计的桥梁为我们所用，使人们的生活更加便利。下面通过图片来具体说明吊桥的工作原理。

如图3，通过安装滑轮控制桥面的起落，再用绳子连接桥头，经过滑轮。人们用X牛顿的力即可拉起X牛顿的桥板。但是上面的一种开桥方式太原始费力，而且运用人力，过程太过于复杂。现在开桥大多是为了让桥下可通过巨型的船只。而相对于古代的吊桥来说，古代吊桥大多是用来防御城池等。于是我不禁又想到了伦敦塔桥和“欧洲之门”桥，他们的开启方式有同于冬宫桥的开启方式，即都是从两端开合的。它们的转动轴位于它们的重心上，从而来减小它们起升时所需要的力。起初这个升降装置是液压的，它拥有水库来产生高压水。蒸汽机把水从水库泵入液压装置，从而升降桥面。而现在的桥是用电动机来升降的，不过这还是一项很艰巨的工程。

三、结束语

总的来说，开桥主要是为了兼顾通航与通车。过去经常是以牺牲通车而通航，而现在拥有这项技术后，就能更合理地组织协调水陆交通了。除了桥梁之外，其实生活中也有很多物理知识，例如行船的浮力、听声辨人的音色、菜刀切菜的压强等等，需要我们有一双善于观察的眼睛，这样才能发现物理之美，使我们更加热爱物理学习。

参考文献：

[1]李芒.中学物理资讯化教学设计指导案例[M].北京：人民邮电出版社.2004：56.

[2]朱江海.综合题的类型及解题方法[J].技术物理教学，2005（12）：47.

[3]邹会坤.影响物理学习困难因素探析及教学对策研究[D].山东师范大学，2015.