专题活动
桥梁的设计
【思考与实践】
中国的造桥历史悠久，自古以来就以“桥的国度”著称。从最初简单的独木桥，到今天各式各样的石拱桥、栈道桥乃至钢索大桥，这是一个非常漫长的发展过程，背后能够一定程度上反映出一个国家的经济和科技实力。

赵州桥 卢沟桥 建水双龙桥 汕头海湾大桥
那么同学们是否思考过这样一个问题？桥大多架于水面之上，要承载自身巨大的重量和来往行人、车辆的重量，是怎么做到始终稳定地屹立不倒的呢？下面让我们先来进行一个和桥的承重能力相关的小实验：
1. 用两摞堆得一样高的书当作“桥墩”，一张A4纸放在两个“桥墩”上，充当“桥梁”，在“桥梁”上放硬币，看看它能承受几枚硬币的重量？

2. 如果在“桥梁”下方再放一张拱起的A4纸，充当“桥拱”，现在这座“桥”能承受的硬币数量是否发生变化？

想一想：为什么会发生这种变化？除了在“桥梁”下加“桥拱”，你还能想到什么办法增加“桥”的承重能力？动手试一试，并记录在下方的表格里。
“桥”的设计方式 能够承受硬币的数量
单独一张A4纸
在A4纸下加一个“桥拱”

【阅读与科普】
拱桥的承重能力为什么比平面桥更好呢？如图所示，当重物放在拱形结构上时，产生的压力会被分解为一个向下的力和两个向外的推力，因此拱形结构能够有效地将垂直向下的荷载转化为沿着拱线向外的水平推力。拱桥就是通过这种方式，将桥面受到的压力分散到两侧的桥墩上，从而能够稳定地承载重量。

拱桥受力原理示意图
现如今，随着科技的不断发展和人们生活水平的不断提高，拱桥并不适用于所有场合，跨度更大的“悬索桥”应运而生。悬索桥的主要结构包括桥塔、锚碇、主缆、吊杆和桥面板。由于桥面板是被吊杆悬挂着的，因此当车辆行驶过桥面板时，产生的压力就会转化为对吊杆的拉力，这个拉力又会传递到主缆上，并在两侧形成平衡的力。因为桥梁两侧的锚碇牢牢固定住了主缆，主缆的拉力最终会转化成对两个桥塔的压力，并一直顺着桥塔传递到河床下的桩基中。

悬索桥受力原理示意图
【课外探究】
作为“桥的国度”，我国有许多世界名桥。从语文课本中学过的赵州桥，到世界第一长桥——丹昆特大桥，再到中国十大古拱桥之一的云南建水双龙桥……各式各样的桥已经成为中国传统文化的一部分。
调查你身边的桥，观察它们各有怎样的结构特点，从中选择一座自己感兴趣的桥，查阅资料并进行思考，看看它的结构背后反映了怎样的力学原理，完成下方的表格。
桥的名字
地点
结构特征
力学原理

图片张贴处

解：
实验记录
| “桥”的设计方式 | 能够承受硬币的数量 |
| --- | --- |
| 单独一张A4纸 | 2枚 |
| 在A4纸下加一个“桥拱” | 7枚 |
| 将A4纸反复折叠成褶皱瓦楞状作为桥面 | 5枚 |
| 在桥面上方加装斜拉棉线连接两侧桥墩 | 6枚 |
| 叠加3张A4纸作为桥面 | 4枚 |
变化原因：拱形结构能将垂直向下的荷载分解为沿拱面向外的水平推力，把桥面受到的压力分散到两侧桥墩上，因此承重能力大幅提升。
课外探究记录
| 桥的名字 | 赵州桥 |
| --- | --- |
| 地点 | 河北省赵县的洨河上 |
| 结构特征 | 为单孔敞肩石拱桥，整体由石材建造，主拱上方两端各设有两个小型拱洞，桥身整体呈平缓的弓形，跨水段没有设置额外桥墩 |
| 力学原理 | 利用拱形受力特性，将桥面承受的所有荷载转化为沿拱圈传递的推力，分散传递到桥两侧的地基中，主拱上的小拱既可以减轻洪水对桥身的冲击，也能分散桥体自身重量，进一步提升桥的承重上限与稳定性。 |