勇挑重?fù)?dān)的拱形

如果說，建筑是凝固的音樂，那么，拱形建筑就是那宏偉樂章中非常奇妙的音符。傳說，古代建筑家就是從天上的彩虹得到靈感，才設(shè)計(jì)建造出許多美麗的拱形建筑。今天我們就一起來走進(jìn)美麗的拱形世界吧！

主持人：雨 田

中國(guó)的趙州橋（也叫安濟(jì)橋）是現(xiàn)在的世界上最古老的拱形建筑之一。它位于河北趙縣的 河上。整個(gè)橋長(zhǎng)50多米，拱的跨度37米多，中間沒有一個(gè)橋墩。趙州橋是世界古代建橋史上的杰作，它突破了半圓拱的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，首次采用了弓形拱，而且別具匠心地在主拱的肩上開了4個(gè)小拱，對(duì)橋梁起到了很好的保護(hù)作用。

在歐洲，拱形很早就在建筑中得到應(yīng)用。從古羅馬時(shí)期的許多建筑中，例如，神廟、宮殿、百姓的住宅、劇院、橋梁等地方，都可以找到拱形的身影。

君士坦丁堡的圣索菲亞大教堂是一個(gè)以穹頂大廳為中心的建筑群，充分顯示了1400年前人類的建筑技術(shù)水平。

人們?yōu)槭裁慈绱饲嗖A拱形呢？美觀、簡(jiǎn)潔是建筑師偏愛拱形的一個(gè)原因，但這不是唯一的原因，這里面還有許多科學(xué)道理哩！

許多人都見過“腹上碎石”的“氣功”表演：表演者躺在地上，五六個(gè)小伙子抬來一塊大石頭放在他的肚子上，然后由一位彪形大漢揮起18磅大錘猛擊石塊。大石頭應(yīng)聲而斷，表演者安然無恙。

哇！好棒的功夫！這難道是真的嗎？其實(shí)，觀眾是被那塊大石頭迷惑了。許多人認(rèn)為石頭是世界上頂結(jié)實(shí)的東西，但是石頭結(jié)實(shí)是有條件的，它能承受很大的壓力，卻沒有韌性，遇到使它彎曲的打擊力時(shí)容易斷裂。這種表演正是利用了石頭抗彎曲能力弱的特點(diǎn)。石頭越重，打擊后表演者感到的振動(dòng)就越小，如果錘子直接敲在肚皮上，肚子反而受不了。所以說，正是石頭保護(hù)了表演者。

許多建筑材料和石頭有同樣的特性。一塊磚頭，壘在樓房的最下層就能經(jīng)受住巨大的壓力，但在瓦工師傅的手里，用瓦刀輕輕地一擊，它就會(huì)斷成兩截。

古代建筑師很早就注意到石頭的這個(gè)特性，所以，在建筑上想方設(shè)法克服石頭的缺點(diǎn)，讓石材盡可能承受壓力，避免受拉和彎曲。讓我們觀察一下拱形建筑的結(jié)構(gòu)：砌造拱時(shí)，要精細(xì)地雕鑿楔形的石頭，使它們的尺寸非常精確，即使中間不用粘結(jié)的砌縫料，每塊石頭之間也能密切地配合成為一個(gè)弓形的整體。中間的一個(gè)楔形石頭的作用，是把向下的重量變成擠壓相鄰兩塊石頭的壓力，這兩塊石頭又會(huì)去擠壓它旁邊的石頭，一塊挨著一塊擠壓下去，拱形就會(huì)把上面的壓力沿著拱向拱腳（拱的兩端叫拱腳）傳遞。由于所有的石頭受到的都是直接的壓力，石頭就不會(huì)有被拉斷的危險(xiǎn)。人們就是這樣利用拱形克服了石頭容易拉斷的缺點(diǎn)，建立了一座座令人稱奇的宏偉建筑。

看足球比賽的時(shí)候，經(jīng)常能看到球員用頭頂球的鏡頭。

足球的運(yùn)動(dòng)速度往往會(huì)超過一輛高速奔馳的汽車，但是足球運(yùn)動(dòng)員會(huì)毫不猶豫地去頂球，很多人還真替他們的腦袋擔(dān)心吶。

當(dāng)然，擔(dān)心是多余的。訓(xùn)練有素的足球運(yùn)動(dòng)員，頂球時(shí)會(huì)運(yùn)用技巧來減少球的沖擊力；另外頭部（額頭）的結(jié)構(gòu)本身也能承受一定的沖擊，因?yàn)槿说念~頭其實(shí)就是一個(gè)小拱形。

他也許沒有注意到，整個(gè)人體就是建在一座輕巧的“拱橋”上。人體上身的重量占整個(gè)人體重量的70%，這些重量都通過脊柱加在兩條腿上。所以，人體是一座兩個(gè)柱子的“大廈”。

在日常生活中，人體要經(jīng)受各種各樣的震動(dòng)沖擊，奔跑、跳躍、甚至走路都會(huì)有震動(dòng)發(fā)生。就拿行走來說吧，人每向前走一步，就等于移動(dòng)幾十千克重的物體，體重通過一只腳沖擊地面，由于反作用力人體也會(huì)受到相同的沖擊。人體在跳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力更大，有時(shí)是體重的十幾倍甚至幾十倍，沖擊力可以達(dá)上萬牛頓。

為了承受住這么大的重量和沖擊，按道理在人的兩條腿之間應(yīng)該有一根厚重的結(jié)實(shí)的“梁”才行，然而，在我們身體的腰部卻沒有發(fā)現(xiàn)一根十分寬厚的骨頭。從生理學(xué)上我們知道，“人體大廈”是支撐在骨盆上的，而解剖學(xué)告訴我們，骨盆很輕、很薄。那么，它怎么能承受這么大的力量呢？

原來，秘密就在骨盆的形狀上。骨盆是一個(gè)拱形，拱的前下方通過恥骨拉緊，上身的重量通過脊柱末端的骶骨壓到兩個(gè)髖骨上，再傳到大腿骨上。恥骨的連接使這個(gè)拱形更加穩(wěn)定。

人的兩條腿也支持在兩個(gè)小“拱橋”上，那就是由蹠骨、骰骨和跟骨等組成的足弓。這兩個(gè)小小的“拱橋”既輕便又結(jié)實(shí)，它不但承受了直立行走的人的全身重量，使人能站立穩(wěn)固，而且可保護(hù)足底的神經(jīng)和血管免受壓迫。足弓還像一個(gè)彎曲的鋼條一樣富有彈性，不但能幫助人體跳躍，還能起防震作用。在你行走落腳或跳躍觸地的一瞬間，足弓變平，緩沖了震動(dòng)的沖擊；抬起腳時(shí)，它又恢復(fù)成了原來彎曲的形狀。

（選自《探索形狀?yuàn)W秘》）