生活与科学:高楼矗立与力学(组图)

发布 : 2025-3-17  来源 : 明报新闻网


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无支撑点



有支撑点



刘特斌教授


【明报专讯】香港这个石屎森林,高楼大厦林立,同学有否想过为何这些高耸的建筑物可以牢固在地上,让我们安全地使用?

答案隐藏在地底——一根根的桩柱。通过机器,这些桩柱被打进并深陷在地底中,造成稳固的地基,确保能在之上建构楼宇。这个过程牵涉物理中的牛顿力学。香港青年科学院创院院士、香港城市大学创新学院副院长、建筑学及土木工程学系刘特斌教授以小实验,解?牛顿力学的神奇。

■实验材料

˙4张硬卡纸

˙白米

˙糖浆/浓缩糖水溶液

˙数本厚重书本

■实验步骤

1.将白米堆起成约20厘米高的小山丘,然后在上面直接放置书本

2. 观察书本倾斜并倒下

3.然后把4张硬卡纸卷成4条约20厘米高的圆柱体

4.将圆柱直插入米堆中,再在上方放置书本,直至书本倾斜并倒下

5.大家可以观察到加入圆柱后,米堆能够放置更多书本、承受更多重量

桩柱造成稳固的地基,是牛顿力学反作用力的体现。

■力的相互作用实验

根据牛顿第三定律,当两个物体交互作用时,便会产生作用力及反作用力;即是,当物体A向物体B施加力量时,物体B会向物体A施加大小相同但反方向的力量。在实验中,我们将厚重的书本放在米堆这类松散的物质上,若没有其他东西支撑,米堆便会散开,书本很快随之倒下。

不过,若在米堆中插入4支用硬卡纸制成的圆柱,然后放上书本,便可以看到承托力显著增加,这时,放置更多书本也不会辗x??倒下,这体现了牛顿力学的反作用力。原因是当加入圆柱后,米堆与圆柱之间有摩擦力产生,随之而来的反作用力会进一步增加承托力,使上方的建构物(书本)更加稳固。

这个实验简单模拟兴建楼宇时,为何在地底钻入桩柱来加强建筑物与地基的连接。桩柱大幅提升建筑物与地下的摩擦力,并形成交互作用,使其承托力更高,锁紧位置,降低上层建筑物移位的可能,变相令楼宇更加稳固。

基于上述概念,同学可能??u想,是否桩柱愈多,楼宇便愈牢固?刘教授解释,这并非必然,因为这个实验在特定空间下进行,我们只计算直立建筑物的单一受力影响,当实际兴建楼宇时,户外空间还有很多其他横向因素影响,例如风力等,这些都会影响设置桩柱所需要的数量及位置。

其实,在日常生活中,有不少情?应用了反作用力的理论,例如打钉子或射箭到靶上等,大家不妨试试从日常中发掘,可能会发现身边有不少神奇的物理应用。

文:香港青年科学院

图:香港青年科学院、郑惠霞、方绮婷

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[常识学堂 第331期]