比萨斜塔实验物理知识|物理知识：为什么比萨斜塔能斜而不倒

【#能力训练# 导语】比萨斜塔是意大利比萨大教堂的钟楼。这是一座直径为16米的圆形塔楼，共8层，每层外部都环绕着连拱廊。该塔不仅以令人瞠目的倾斜度，吸引着全世界好奇的目光，而且，还似乎在宣示，人们所熟知的静力学定律根本不适合它。下面是©文档大全网分享的物理知识：为什么比萨斜塔能斜而不倒。欢迎阅读！

　　【汽车的车身越坚硬就越安全吗】

　　在严重的汽车碰撞事故中，一些汽车的部分结构由于撞击发生了明显的变形。因此人们自然想到，是不是因为汽车的车身不够坚硬，才会发生如此严重的变形？

　　其实，因汽车碰撞所造成的车身变形和破坏，有相当一部分是汽车制造业的工程师们在设计时就刻意为之的，其目的是消耗碰撞前所携带的动能。动能是物体因运动而具有的能量，它的大小与物体的重量成正比，也与物体运动速度的平方成正比。

　　碰撞结束后，汽车停下来，其速度变为零。碰撞过程通常不超过半秒钟，在如此短的时间内要将汽车的动能完全消耗，必然会造成某些物体的剧烈变形和破坏。如果由乘员来承担这种剧烈变形，那就意味着对人体将造成严重伤害，因此，车辆设计者就希望车身能够尽可能多地承担变形并消耗这些动能，以尽可能避免人员受伤，即使受伤，受伤害的程度也尽可能降到最低。

　　与此同时，在设计时还要考虑让乘员在碰撞中拥有一定的生存空间。通常，人们将乘员所处车身空间称为乘员舱，这一部分的结构在碰撞中要避免发生太大的变形，以免外物直接威胁到乘员的人身安全。况且，车内常用的乘员保护装置，比如座椅安全带和安全气囊等，也都需要在一定的空间内才能起到正常的保护作用。

　　因此，相对车身的其他部分而言，乘员舱应当做得更结实一些。而那些位于车身的前部和后部、在多数事故中被首先撞击到的部件，例如保险杠等，则应当被设计成在碰撞下可以发生永久变形的结构，并通过这些变形来消耗汽车的动能。所以，出于保护乘员的目的，车身的不同部位软硬程度也应该做得不同，这些都是需要设计师进行综合考虑的。

　　当然，任何结构都不可能提供绝对安全的保护功能。如果碰撞非常严重，比如在碰撞前车速很快的情况下，预先设计用于吸收动能的车身结构在达到变形后，还没有完全消耗掉所有的动能，这时乘员舱就难以避免会发生结构变形，乘员受伤害的可能性就急剧升高，这就是为什么平时开车不能太快的原因。

　　节约能源、保护环境是当今社会所提倡的，为了降低汽车的能耗，减少尾气的排放，有人提倡设计并使用又小又轻的汽车，此举也被称为汽车的轻量化。然而，汽车做得过于轻、小，安全性能就会下降。比如，当轻量化汽车撞到静止不动的障碍物上，因为其自身轻，携带的动能少，受损程度会比又重又大的车要小一些。如果与骑自行车者或者行人发生碰撞，因为汽车较轻，那么后两者受到的伤害可能会较小。但是，当轻量化汽车与比它自身大很多、且重很多的汽车相撞时，前者车内的乘员就可能会受到非常严重的伤害。

　　所以，无论是讨论车身软硬程度，还是讨论车子是该做得又轻又薄，抑或又厚又重，都应该采用辩证的观点。否则，就很可能是好心办坏事。

　　【为什么骑轮胎气不足的自行车比较费劲】

　　骑过自行车的人都有这种体会，如果轮胎的气满满的，自行车骑起来就特别轻快，一点都不费劲；如果轮胎瘪瘪的，要想骑动它就很费力，所以人们骑车出发前会检查轮胎有没有打满气。那么，为什么自行车轮胎气不足时，骑起来比较费劲？

　　通过观察，我们可发现瘪瘪的轮胎跟地面的接触面积很大，是不是因为这个原因导致“摩擦力”变大了？直观感觉好像是这样，但是物理学告诉我们，一般来说，摩擦力是跟接触面积没有关系的，只跟接触材料和压力有关；何况，自行车提供动力的轮子是后轮，后轮的摩擦力是向前的，所以摩擦力越大，骑起来应该更省力才是。

　　其实，使自行车骑起来困难的原因不是“力”的增大，而是“力矩”的增大。由于轮胎瘪了所以地面支承力的作用点会与重力的作用点分开，重力绕着支承力的作用点产生一个力矩，这个力矩对于链条产生的动力矩会有一个“抵抗”作用，蹬车自然就更费劲了。轮胎越瘪，骑车也就越费力。

　　【为什么比萨斜塔能斜而不倒】

　　比萨斜塔是意大利比萨大教堂的钟楼。这是一座直径为16米的圆形塔楼，共8层，每层外部都环绕着连拱廊。该塔不仅以令人瞠目的倾斜度，吸引着全世界好奇的目光，而且，还似乎在宣示，人们所熟知的静力学定律根本不适合它。

　　为什么比萨斜塔能斜而不倒？有关这个话题，几个世纪以来许多人为此争论不休。有人曾经怀疑这座斜而不倒的钟楼是有意设计、建造成的。事实是否真的如此呢？19世纪，随着越来越精确的建筑测量工具和地下勘探设备的应用，专家们开始尝试使用科学的工具来揭示斜塔的奥秘。对历史档案资料的进一步研究也证实了人们的疑惑：这座钟楼可能最初设计成正常的直塔，但始料不及的是，它竟然在建造伊始就偏离了正确的位置！

　　原来，比萨斜塔之所以会倾斜，是因为其地基土层极其复杂：不仅被不同材质的土壤分成了若干层，而且这些土层又由各种柔软的黏土质物质和砂质淤泥相间而成。更糟糕的是，地基下的地下水位也非常浅，深度只有大约1米。最新的地质勘探发现，钟楼的选址位于古代的海岸线上，也就是说，在建造之时地基土壤就早已沙化。如此一来，比萨斜塔这个“大家伙”刚一建造就注定很快将产生不均匀沉降和倾斜。

　　为了防止斜塔的过度倾斜，不少人伤透了脑筋。1173年钟楼开始修建时，原计划建造8层。然而兴建到第四层时，建筑就已经明显地发生倾斜。工程停顿了近50年后才重新启动，放置铜钟的这一层直到1350年才加建。这一次，建造者在向上建楼层时故意向反方向倾斜，以补偿和修正重心的偏离。当建造到第七楼层时，塔身不再呈垂直状而变成了弧形——矫枉过正的结果是斜塔开始以更大的角度和速度向反方向倾斜。随着时间的推移，斜塔和其下方的土层似乎达到了某种程度的平衡。然而，1838年的一次勘测实验意外地破坏了斜塔和土层间的平衡，使塔顶的水平位移骤然增加了20厘米之多。1972年当地发生地震，斜塔再次受到强烈冲击，倾斜速度明显加快，到再次修复之前，塔顶已偏离设计铅垂线达4.2米的距离。1990年起，意大利政府开始了漫长的拯救斜塔工程。这一次，为了不再因沉重的设备和脚手架而造成新的麻烦，工人们像蜘蛛侠一样被悬挂在轻巧的铝制平台上工作。2007年6月，比萨斜塔的塔身被成功扶正了约45厘米。

　　中世纪时期，地质勘探技术还不发达，因不均匀沉降而导致建筑倾斜在当时是难以避免的。今天，人们在设计、建造建筑物之前，都要进行地质岩层的取样和计算，通过科学的结构设计，以保证建筑的稳定。因此，现代的建筑已经很少出现这种意外倾斜的情况了。

　　为了探究斜塔“斜而不倒”的原因，许多专家还运用先进仪器对斜塔的制作材料和结构等进行了测试。比萨中古史学家皮洛迪教授经研究后认为，建造塔身的每一块石头都是石雕佳品，石块之间极为巧妙的咬合，有效地防止了塔身倾斜引起的断裂，这是斜塔安然屹立近千年的一个内在因素。

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