见证身边的科学奇迹——关于洛阳古桥的科学探究

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2016/1/29来源:《中国科技教育·理论版》2015年第11期供稿文/许铭青
[导读]福建省泉州第五中学 2012年8月24日早晨,哈尔滨阳明滩大桥发生垮塌事故,距离大桥开通时间不足一年。

许铭青   福建省泉州第五中学  362000
  摘要  以身边的洛阳桥为例,走出课堂,观察,实验,深入分析身边的科学。
  关键词  筏形基础   船型桥墩   殖蛎固基  模型  实验  分析
  起因:
  2012年8月24日早晨,哈尔滨阳明滩大桥发生垮塌事故,距离大桥开通时间不足一年。事故造成3人死亡5人受伤,大桥总投资18.82亿元,造成了国家巨大经济损失。这一年,我刚好在哈尔滨游玩,这次事件给我留下了很深记忆。无独有偶,这样的桥脆脆,这几年时有发生,据公开资料显示,自2007年-2012年5年时间内,全国范围内公开可查询的桥梁垮塌事故共有15起,发生事故的15座桥梁中,仅有3座至事发时使用时间超过15年。我不由想起家乡泉州也有座桥梁——洛阳桥,却有着千年的历史,至今仍在服务百姓,促使我去深入研究洛阳桥建造的科学原理。  
  泉州洛阳桥与河北赵州桥,北京卢沟桥,潮州广济桥并称中国四大古桥,北宋皇祐5年修建,距今已近1000年,建成后成为当时广东、福建进京城的必经之路。是我国现存最早的跨海梁式大石桥。
  洛阳桥位于福建省泉州市东郊的洛阳江上,距泉州城5公里,据史料记载石桥一共有1200米长,有44座桥墩。桥上两边有扶栏。如今石桥只剩下31座桥墩,834米长了。远远望去,浅灰色花岗岩桥体在阳光下遍体磷光,就像一条银龙横卧江上,十分壮观。
  实地观察:
  筏形基础。据当地渔民介绍和查看文献,洛阳桥桥墩下面,江底深处埋着一大片花岗岩基石,在桥墩下方筑成了一条横跨江底的大石堤。
  船型桥墩。洛阳桥的桥墩砌体相当庞大,两端砌成尖形,形状像船型。几十座桥墩每隔几米一字排开,就像整装待发的航船,一字列开在江面上。
  殖蛎固基。桥墩上下密密麻麻布满了牡蛎,就像披上了厚厚的铠甲,几乎看不出是由一块块花岗岩条石相接而成。经过了解,为了把水底那些堆积在一起的石条凝聚成为一体,使之不被大水冲塌,造桥的工匠们想出了一个绝妙的办法。沿海海底有一种长有贝壳的软体动物,名叫牡蛎。它有两个壳,一个壳附在岩礁上或者另一个牡蛎上,互相交结在一起,另一个壳则盖着自己的软体。牡蛎繁殖能力很强,而且无孔不入,一旦跟石胶成一片后,形成大量的碳酸钙物质,我们用铁铲也铲不下来。工匠们利用牡蛎的这个特性,在桥基上种牡蛎。把桥基和桥墩自然地胶结成整体。
  洛阳桥这样的建造方式对桥梁结实,牢固有什么影响呢?我把实地考察的结果带回来后,依照洛阳桥建造的这些特性,实验室做了模型,进行了对比实验。
  我买了些石材,把石材分成2组,一组依照洛阳桥建造特性建造,在底座放置一块又宽又长的石板材,作为筏形基础;把一块块石材修剪成船型的形状。用AB胶代替殖蛎固基,把船型石材粘合在一起做为桥墩,并与底座桥基粘结在一起,成为一个整体,最后在桥墩上面放置几块长长的板材,做为桥面,这样洛阳桥的模型就做好了。另一组,则像堆积木的方式,把石材砌成桥墩,再在上面架上桥面。然后我把这2座桥埋在沙土里,在2座桥的斜上方放置一块巨大的玻璃板,让水流从上方冲至玻璃板,同时冲向这2座桥梁模型。第一次,水流过小,2座桥梁巍然不动,失败了,第二次,水流过猛,把2座桥都冲歪冲塌了,调整控制水流后,再次试验,在流水巨大的冲击下,洛阳桥模型稳稳屹立着,而另一座积木式搭建的桥梁模型则被完全冲垮。我们通过实验室验证了洛阳桥正是由于这些建造特点,虽历经风雨,仍千百年来始终屹立在洛阳江面上。
  我们用信息技术手段,拍摄并制作了实验探究过程的视频。
  洛阳古桥的实验探究—在线播放—优酷网,视频高清在线观看
  http://v.youku.com/v_show/id_XMTQzNTcwNjYwOA==.html
  下面我们依据实验结果来具体分析:
  筏形基础。当建筑物上部荷载较大而地基承载能力又比较弱时,用简单的独立基础或条形基础已不能适应地基变形的需要,这时将柱下基础连成一片,使整个建筑物的荷载承受在一块整板上。筏形基础由于其底面积S大,在同等受力F情况下,P=F/S,可以减小基底压强,也能更有效地增强基础的整体性,调整不均匀沉降。
  船型桥墩。位于流水中的桥墩,其上游迎水面受到流水冲击作用。流水受到桥墩阻碍,对桥墩施加压力。等速流动的河流可视为流速为v的平面流场,流线为互相平行的水平线。
  在流动的河流中放置一桥墩,流线在接近柱体时流动受阻,在桥墩前一分为二,沿柱面两侧向后流动,桥墩后出现旋涡区。在河流中放置一桥墩,水流在接近桥墩时流动受阻,流速减小,压强增大。到达a点,流线停滞,流速为零,压强最大,a点称为停滞点。a点开始,一分为二,沿柱面两侧向前流动,形成边界层流动,到达b点。
  

         

       体当成是圆形的,A与半径R的关系为A=∏R2,而质量M与半径R的关系为M=  ∏R3
  因此,当物体的体积增大时,受到的绕流阻力与质量的比值越小,这也说明了桥基和桥墩自然地胶结成整体时,桥墩更难被水冲走。
  通过这次科学探究我们发现,洛阳古桥运用了生物学方法与物理科学的建造手段,终于成就了洛阳桥的千年不朽。
  关注身边科学,勤观察,善思考,孜孜不倦的探究促进了我对知识更深的理解与提高。
  参考文献
  【1】 洛阳桥. 泉州市志