為什麼橋大多設計成拱形的？

橋樑的主要受力是橋面的荷載重量及自身重量，都是垂直向下的，採用拱形可以將垂直受力轉移到橫向的橋墩或岸邊的地面，這樣可以加寬橋樑下面的通道寬度，減少橋墩數量，因此，橋樑大多設計成拱形。

橋樑是指架設在江河湖海上，供車輛、人們順利通行的建築物，在日常生活中，經常可以見到。而且，他們的種類多種多樣，按用途分，有鐵路橋、公路橋、公鐵兩用橋、人行橋，按跨越障礙分，有跨河橋、跨谷橋、跨線橋。總之，它們就是一種非常普遍的存在。那麼，大家有沒有發現其中大多數橋都有一個共同的特徵，那就是他們都為拱形的，知道這是為什麼嗎？

生活中，我們見過許許多多的橋。這些橋大多設計成拱形的，這是為什麼呢？為什麼不設計成凹形的呢？況且設計成拱形的橋，還會給交通造成不便。因為如果是跨度比較小的橋樑還無所謂，如果是跨度較大的橋樑，就會拱頂很高，進而使得坡度比較大，這樣一來，無論是行人還是車輛通過時，都非常不便。如果設計成凹形的橋，汽車還會省油，因為汽車在向下行駛時，會有一個向前衝的力，具有一定的勢能，這個勢能便可以幫助它順利地到達橋的那一端。難道我們的橋樑專家不明白這一點嗎？

實際上，我們的橋樑專家怎麼會不明白呢，設計成拱形不僅僅是美觀好看，這裏面還藴含一定的力學原理的。

橋設計成拱形，是因為當汽車經過時，橋所承受的壓力比較小，橋體所需要的支撐力便小。而相比之下，凹形橋承受的壓力較大，橋體所需要的支撐力便大。這是為什麼呢？因為無論是拱形橋還是凹形橋，當汽車通過大橋時，由於汽車方向的改變產生的向心加速度，需要向心力F。拱形橋的圓心在橋下方，因而向心力方向向下，這樣就使得自身重力mg與支撐力N1的合力向下，即支撐力小於重力，也就是拱形橋耐重。F=Mg-N1，所以 N1=Mg-F。凹形橋的圓心在橋上方，因而向心力F就向上，這就使重力Mg與支持撐力N2的合力向上，即支撐力大於重力。也就是凹形橋不耐重。F=N2-Mg，所以 N2=F+Mg。由此看來，如果僅僅是為了汽車省那麼一點點油而改變橋的設計，那麼豈不是抓不住重點了。

此外，我們還可以這麼理解。眾所周知，球形比任何形狀都堅固。因為球形的任何一個地方受力，力都可以向四周均勻地分散開來。這也就是為什麼我們生活中常見的巨大的貯油罐要做成球形的。還有我們生活中常見的燈泡，雖然是比較易碎的玻璃製成的，但做成了球形也就比較堅固了。

我們都有過類似的經歷，把蛋殼放在兩手的掌心之間，擠壓它的兩端，並不會像我們想的那樣因為雞蛋殼薄而易碎，而是需要使出很大的力氣。這也是因為球形比較堅固的原因。球形也是若干個拱形的組合，因此拱形也具有此特點。這也是為什麼橋要設計成拱形的原因了，因為它更堅固，可以使受力分散，進而橋體的承重力加大。

我國拱形橋的代表便是坐落在河北省趙縣洨河上的趙州橋。這座橋建於隋代，距今已有約1400年的歷史，由著名匠師李春設計和建造，是當今世界上現存最早、保存最完善的古代石拱橋。