比萨斜塔为什么倾斜了几百年都不倒?这符合力学原理吗?
谢谢诚邀!谨以分享个人观点,勿喜勿喷!记得小时候看杂技时,表演者在额头垫一块手帕,顶起三四张椅子灵活自如且不倒。联系起比萨斜塔不倒的原因是不是与塔底部地质构造、土壤硬度正好形成了个天然的几何形重力支撑有关呢?
1、受力分析
如下图。斜塔受重力,以及地面的约束力。斜塔的地基是插入地面的,周围土壤对地基有四面八方的约束力,如红色部分。这些四面八方的力,可以等效为水平方向和竖直方向力的分量,以及一个力矩。
从力学上来讲,只要固定端(即插入地面端)的约束力足够,即使斜塔90°也不会倒下来。力学上,水平状态的,我们叫它悬臂梁。假设斜塔90°,就类似于悬臂梁。
正如前面所说,只要约束力足够,斜塔自身强度足够,斜塔成水平,也不会倒。那么斜塔倒塌到底取决于什么?
取决于固定端约束力!也就是地基周围的土壤对地基的作用力。地基越深,作用力越大,也就越不容易倒。如果地基深度给定,那么就取决于土壤的性质。显然沙土更加容易倒。把土壤尽量压实,就不容易倒了。
斜塔本身材质决定了斜塔塌不塌。对于这种一段固定的结构,固定端承受着较大的弯矩。具体表现是一侧受拉,一侧受压。通常材料都是抗压不抗拉,所以斜塔受拉的一侧比较容易发生拉伸破坏。当然,当前斜塔并不是很倾斜,受拉一侧的应力没有达到材料的承受极限。
不管怎么分析很多都是臆想的,设计师最初并不想让它倾斜。由于多次地震,加强塔的基础部分地质结构,一直不断倾斜幅度加大,工程师们不断加固修复。归根结底塔的重心始终保持在塔内才没坍塌。
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