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摘要：

在很多經典建筑中都應用到了很多力學方面的模型，力學模型應用得好，不僅土木建筑堅實穩固、美觀藝術，而且科學省力。我們在中學物理中學到了很多力學模型，在諸多土木建筑中我們都可以發現它們的實際應用。本文是根據我在中學物理中學到的力學模型知識結合實際中的土木建筑所進行的一點思考。

關鍵詞：

力學模型，土木建筑，應用，思考

一、前言

世界各國有許許多多的經典建筑，我國古代也有許多優秀的建筑方面的世界物質文化遺產，長城、趙州橋、岳陽樓、都江堰等。那一土一木，一磚一瓦，都是我國古代建筑師們智慧的結晶。雖然鋼筋混凝土代替了傳統的土木建筑，雖然家居裝修代替了先民們遺留下來的木工手藝，可是唯一不變的是建筑中那種崇尚結實耐用，美觀和諧價值觀，以及對力學模型應用的科學手段。下面根據我所學到的中學力學知識，談談我對土木建筑的一點思考。

二、土木建筑中力學模型的定義

遵循認識論的規律，其研究方法是首先從生活、工程或實驗中觀察各種現象，從復雜的現象中抓住共性，找出反映事物本質的主要因素，略去次要因素，經過簡化，把做機械運動的實際物體抽象為力學模型。建立力學模型是工程力學研究方法中很重要的一個步驟。

三、力學模型在建筑中使用研究的學術史起源

中國先秦典籍《考工記》對當時營造宮室的屋頂、墻、基礎和門宙的構造已有記述。唐代的《大唐六典》，宋代的《木經》和《營造法式》，明代成書的《魯班經》和清代的清工部《工程做法》等，都有關于建筑構造方面的內容。公元前一世紀羅馬維特魯威所著《建筑十書》，文藝復興時期的《建筑四論》和《五種柱式規范》等著作均有對當時建筑結構體系和構造的記述。在19世紀，由于科學技術的進步，建筑材料、建筑結構、建筑施工和建筑物理等學科的成長，建筑構造學科也得到充實和發展。

四、力學模型在建筑中的作用和意義

在土木建筑中，會應用到許多力學方面的模型，如三角形模型、菱形模型、滑輪組模型、傳送帶模型、相似三角形模型、正交分解模型、力矩模型，小船渡河模型、輕桿模型、連通器模型……力學模型應用得好，不僅土木建筑堅實穩固、美觀藝術，而且科學省力，使我們在建筑中發現科學之美，體味應用之美。下面詳細談談以上模型是如何應用到具體的建筑中去的。

1．三角形力學模型在建筑中的應用。自然界中結構無處不在，大自然是我們最好的老師。結構和力有著密切的聯系，結構決定著物體的強度。同是由碳元素構成的金剛石和石墨，由于它們結構的差異，導致這兩種物質的硬度有著天壤之別，石墨具有層狀的結構，層與層之間可以相對滑動，因此根據石墨的這一特點經常把它用作潤滑劑，門鎖的鎖孔里面放一些鉛筆芯，就可以很好地解決用鑰匙打開鎖子時，難以拔掉鑰匙的問題。而金剛石每一個面是三角形的，三角形的結構使得金剛石具有很高的硬度，同時使得它具有很高的穩定性，不會像石墨那樣可以在層與層之間發生相對滑動。任何多邊形都不具有穩定性，而唯獨三角形具有穩定性，在我們的日常生活中，利用三角形的穩定性，可以解決很多問題，例如我們坐的小板凳或椅子的腿松了，這時只要在凳腿上斜拉一根木條或鐵絲，形成三角形，就解決了椅子松動不穩的難題。土木建筑的結構可分為實體結構、框架結構和殼體結構，長城就是典型的實體結構建筑，框架結構如建筑中多用的腳手架，無論如何都要用三角形的穩定性；殼體結構如圣彼得堡大教堂的穹頂。其實在房屋的建筑中，馬鞍狀的房梁，埃菲爾鐵塔等，三角形模型無處不在。不僅如此，三角形法則作為平行四邊形重要的衍生法則，在土木建筑中有著重要的應用，例如在粉刷墻壁時，應用滾輪將涂料粉刷到墻壁上去，在緩慢推動滾輪的過程中，滾輪處于一種動態的平衡狀態之中，滾輪所受重力、墻壁對滾輪的彈力，以及手通過長桿對滾輪的推力構成一個封閉的三角形，隨著推力方向的變化，墻壁對滾輪的彈力也隨之發生變化，這直接影響著涂層的均勻程度。

2．菱形力學模型在建筑中的應用。土木建筑講究對稱美，結構對稱的房梁，結構對稱的腳手架，凡是對稱的一切建筑，對稱的桿件上所承受的力是對稱的，而且根據力的合成的知識，平行四邊形在兩邊相等時就成了菱形，菱形法的合力與分力之間的關系。合力一定時，兩分力之間的夾角越大，分力越大，因此斧子劈柴時，斧子越鋒利，劈柴越省力，效果越好；菱形法中合力一定，兩分力之間的夾角越小，兩分力越小，房梁一般是這樣設計的。隨著科技的發展，社會的進步，物理模型已滲入到土木工程建筑的各個領域。在土木建筑中，還有許多物理模型也在廣泛地應用，例如解決鋼筋混凝土問題熱脹冷縮模型。一般的物質（少數幾種例外），都具有熱脹冷縮的特性。可是，不同的物質受熱或冷卻的時候，伸縮的速度和幅度各不相同。一般說來，密度小的物質，要比密度大的物質容易發生伸縮，伸縮的幅度也大，傳熱快的物質，要比傳熱慢的物質容易伸縮。明白了這個道理，對我們很有用處。凡需要經受較大溫度變化的東西，如果它們是用兩種不同材料合在一起做的，那么在選擇材料的時候，就必須考慮它們的熱膨脹性質，兩者越接近越好。工程師在設計房屋和橋梁時，都廣泛采用鋼筋混凝土，就是因為鋼材和混凝土的膨脹程度幾乎完全一樣，盡管春夏秋冬的溫度不同，也不會產生有害的作用力，所以鋼筋混凝土的建筑十分堅固。物理是一門實用性很強的科學，與工農業生產、日常生活有著極為密切的聯系。物理規律本身就是對自然現象的總結和抽象。

五、土木建筑中將地磚鋪平到相同的高度的思考

在居室裝修的過程中，偌大一個樓房，要想使整個房子的地磚鋪平到相同高度談何容易，那么如何應用我們現有的物理知識，尋找這個地平呢？只要我們展開想象的翅膀，就會發現可以應用連通器模型解決這一難題。用細長水管做一個連通器，應用這個連通器的物理知識，我們可以在房屋的各個角落找到同一高度，從而找到整個房子的地平來。當然，在鋪放每一塊地磚時，我們可以使用“水平儀”進行檢測。當我們攜帶以上力學模型，用力學的眼觀審視我們身邊的每一個土木建筑，就會發現處處都是力學模型的應用。當我們應用力學眼光去欣賞每一個經典建筑，我們就會驚嘆于古人的智慧了，因為在古代，力學知識還沒有發展到當今這樣發達的程度，很多合理的建筑，我們的先民們，雖然從力學模型的角度說不出所以然來，但那種穿越時空的應用，使我們感受到科學知識的無窮魅力。現代建筑，既已有了理論的指導，就應該是理論指導下的科學實踐，我相信在科學的引領下，我們會設計出更多更好的建筑精品來，力學經典模型在土木建筑中一定會大放異彩！

參考文獻：

［1］劉金柱．萬里長城［M］．哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1985．

［2］鄒律資．岳陽樓［M］．北京：文物出版社，2009．

［3］譚徐明．都江堰史［M］．北京：中國水利水電出版社，2009．

［4］李誡（宋）．校注：鄒其昌．營造法式［M］．北京：人民出版社，2011．

［5］午榮．魯班經［M］．海口：海南出版社，2006．

作者：陳昊祺 單位：湖南省永興縣第一中學