首页 -> 2004年第5期
勇挑重担的拱形
作者：佚名
主持人：雨 田
中国的赵州桥（也叫安济桥）是现在的世界上最古老的拱形建筑之一。它位于河北赵县的 河上。整个桥长50多米，拱的跨度37米多，中间没有一个桥墩。赵州桥是世界古代建桥史上的杰作，它突破了半圆拱的传统设计，首次采用了弓形拱，而且别具匠心地在主拱的肩上开了4个小拱，对桥梁起到了很好的保护作用。
在欧洲，拱形很早就在建筑中得到应用。从古罗马时期的许多建筑中，例如，神庙、宫殿、百姓的住宅、剧院、桥梁等地方，都可以找到拱形的身影。
君士坦丁堡的圣索菲亚大教堂是一个以穹顶大厅为中心的建筑群，充分显示了1400年前人类的建筑技术水平。
人们为什么如此青睐拱形呢？美观、简洁是建筑师偏爱拱形的一个原因，但这不是唯一的原因，这里面还有许多科学道理哩！
许多人都见过“腹上碎石”的“气功”表演：表演者躺在地上，五六个小伙子抬来一块大石头放在他的肚子上，然后由一位彪形大汉挥起18磅大锤猛击石块。大石头应声而断，表演者安然无恙。
哇！好棒的功夫！这难道是真的吗？其实，观众是被那块大石头迷惑了。许多人认为石头是世界上顶结实的东西，但是石头结实是有条件的，它能承受很大的压力，却没有韧性，遇到使它弯曲的打击力时容易断裂。这种表演正是利用了石头抗弯曲能力弱的特点。石头越重，打击后表演者感到的振动就越小，如果锤子直接敲在肚皮上，肚子反而受不了。所以说，正是石头保护了表演者。
许多建筑材料和石头有同样的特性。一块砖头，垒在楼房的最下层就能经受住巨大的压力，但在瓦工师傅的手里，用瓦刀轻轻地一击，它就会断成两截。
古代建筑师很早就注意到石头的这个特性，所以，在建筑上想方设法克服石头的缺点，让石材尽可能承受压力，避免受拉和弯曲。让我们观察一下拱形建筑的结构：砌造拱时，要精细地雕凿楔形的石头，使它们的尺寸非常精确，即使中间不用粘结的砌缝料，每块石头之间也能密切地配合成为一个弓形的整体。中间的一个楔形石头的作用，是把向下的重量变成挤压相邻两块石头的压力，这两块石头又会去挤压它旁边的石头，一块挨着一块挤压下去，拱形就会把上面的压力沿着拱向拱脚（拱的两端叫拱脚）传递。由于所有的石头受到的都是直接的压力，石头就不会有被拉断的危险。人们就是这样利用拱形克服了石头容易拉断的缺点，建立了一座座令人称奇的宏伟建筑。
看足球比赛的时候，经常能看到球员用头顶球的镜头。
足球的运动速度往往会超过一辆高速奔驰的汽车，但是足球运动员会毫不犹豫地去顶球，很多人还真替他们的脑袋担心呐。
当然，担心是多余的。训练有素的足球运动员，顶球时会运用技巧来减少球的冲击力；另外头部（额头）的结构本身也能承受一定的冲击，因为人的额头其实就是一个小拱形。
他也许没有注意到，整个人体就是建在一座轻巧的“拱桥”上。人体上身的重量占整个人体重量的70%，这些重量都通过脊柱加在两条腿上。所以，人体是一座两个柱子的“大厦”。
在日常生活中，人体要经受各种各样的震动冲击，奔跑、跳跃、甚至走路都会有震动发生。就拿行走来说吧，人每向前走一步，就等于移动几十千克重的物体，体重通过一只脚冲击地面，由于反作用力人体也会受到相同的冲击。人体在跳动时产生的冲击力更大，有时是体重的十几倍甚至几十倍，冲击力可以达上万牛顿。
为了承受住这么大的重量和冲击，按道理在人的两条腿之间应该有一根厚重的结实的“梁”才行，然而，在我们身体的腰部却没有发现一根十分宽厚的骨头。从生理学上我们知道，“人体大厦”是支撑在骨盆上的，而解剖学告诉我们，骨盆很轻、很薄。那么，它怎么能承受这么大的力量呢？
原来，秘密就在骨盆的形状上。骨盆是一个拱形，拱的前下方通过耻骨拉紧，上身的重量通过脊柱末端的骶骨压到两个髋骨上，再传到大腿骨上。耻骨的连接使这个拱形更加稳定。
人的两条腿也支持在两个小“拱桥”上，那就是由蹠骨、骰骨和跟骨等组成的足弓。这两个小小的“拱桥”既轻便又结实，它不但承受了直立行走的人的全身重量，使人能站立稳固，而且可保护足底的神经和血管免受压迫。足弓还像一个弯曲的钢条一样富有弹性，不但能帮助人体跳跃，还能起防震作用。在你行走落脚或跳跃触地的一瞬间，足弓变平，缓冲了震动的冲击；抬起脚时，它又恢复成了原来弯曲的形状。
（选自《探索形状奥秘》）