物理知识：为什么比萨斜塔能斜而不倒

物理知识：为什么比萨斜塔能斜而不倒 【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因为撞击发生了明显的变形。所以人们自然想到，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，所以，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，受伤害的水准也尽可能降到最低。 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，这个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。 所以，相对车身的其他部分来说，乘员舱理应做得更结实一些。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，则理应被设计成在碰撞下能够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水准也应该做得不同，这些都是需要设计师实行综合考虑的。 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。不过，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，受损水准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水准，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相关系的，只跟接触材料和压力相关；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。因为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。该塔不但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？相关这个话题，几个世纪以来很多人为此争论不休。有人以前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准确的位置！ 原来，比萨斜塔之所以会倾斜，是因为其地基土层极其复杂：不但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，很多人伤透了脑筋。1173年钟楼开始修建时，原计划建造8层。不过兴建到第四层时，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，放置铜钟的这个层直到1350年才加建。这个次，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水准的平衡。不过，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。这个次，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，都要实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。所以，现代的建筑已经很少出现这种意外倾斜的