Γιατί μερικές γέφυρες είναι τοξωμένες;
Οι τοξωτές γέφυρες είναι γέφυρες που έχουν καμπύλο σχήμα. Η καμπύλη βοηθά στη διάχυση της δύναμης του φορτίου (το βάρος των ανθρώπων και των πραγμάτων στη γέφυρα) προς τα έξω αντί προς τα κάτω όπως σε μια γραμμική γέφυρα. Αυτό σημαίνει ότι η γέφυρα μπορεί να αντέξει περισσότερο βάρος χωρίς να σπάσει.
Αν αναζητήσετε εικόνες αρχαίων γεφυρών, ανεξάρτητα από τη χώρα στην οποία βρίσκονται ή τους υπεύθυνους για την κατασκευή τους, θα βρείτε μια αρκετά ενδιαφέρουσα δομική ομοιότητα μεταξύ όλων αυτών - το σχήμα της καμάρας.
Παρατηρήστε το σχήμα αψίδας της γέφυρας Pont St. Martin του 1ου αιώνα π.Χ. που βρίσκεται στην Ιταλία (Φωτογραφία :Wikipedia.org)
Γιατί τόσες πολλές αρχαίες – καθώς και σύγχρονες γέφυρες – έχουν το ίδιο τοξωτό σχήμα; Όπως αποδεικνύεται, αυτή η περίεργη ομοιότητα είναι πολύ περισσότερο από μια σύμπτωση…
Τοξωτές γέφυρες
Αν κοιτάξετε μια τοξωτή γέφυρα, θα μπορούσε να σας προσκρούσει ως ημικυκλική κατασκευή, δηλαδή επειδή τα δύο στηρίγματα εκατέρωθεν της γέφυρας συνδέονται με ένα καμπύλο τόξο. Σε αντίθεση με τις γραμμικές γέφυρες, που χρειάζονται πολλαπλά στηρίγματα για τη στήριξη του φορτίου, στις τοξωτές γέφυρες, η καμπύλη διαλύει αποτελεσματικά τη δύναμη του φορτίου προς τα έξω, δηλαδή μακριά από την ίδια τη γέφυρα.
Η γέφυρα Bixby Creek στον αυτοκινητόδρομο #1 της Δυτικής Ακτής των ΗΠΑ (Φωτογραφία:Michael Urmann / Shutterstock)
Αυτό το στυλ σχεδιασμού γεφυρών είναι αρκετά παλιό και μπορεί να δει κανείς σε γέφυρες που βρίσκονται σε πολλά διαφορετικά μέρη του κόσμου. Οι αρχαίες τοξωτές γέφυρες κατασκευάζονταν από τούβλο ή πέτρα, αλλά στη σύγχρονη εποχή, ο χάλυβας και το προεντεταμένο σκυρόδεμα χρησιμοποιείται για να εξασφαλιστεί η στιβαρότητα των γεφυρών κάτω από τεράστια πίεση.
Γιατί το σχήμα "καμάρα";
Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένα άτομο (ας τον πούμε Archie) που στέκεται κάπου στη μέση μιας τοξωτής γέφυρας. Ο Archie θα ασκήσει μια συγκεκριμένη ποσότητα δύναμης στο κατάστρωμα της γέφυρας λόγω του βάρους του. Αυτή η δύναμη είναι το «φορτίο», δηλαδή η δύναμη προς τα κάτω που πρέπει να υποστηρίξει η γέφυρα.
Οι πέτρες που απαρτίζουν τη γέφυρα πρέπει να πιέζονται σφιχτά μεταξύ τους (ανάλογα με την ποιότητα κατασκευής). Επομένως, όταν ο Archie εφαρμόζει δύναμη (βάρος) από πάνω, αναγκάζει την πέτρα κάτω από αυτόν (που ονομάζεται keystone) να σπρώξει προς τα έξω πάνω στην πέτρα δίπλα της, η οποία σπρώχνεται πάνω στην επόμενη πέτρα και η διαδικασία συνεχίζεται για όλες τις επόμενες πέτρες . Με αυτόν τον τρόπο, η δύναμη μεταδίδεται προς τα έξω κατά μήκος της καμπύλης της γέφυρας και στις δύο πλευρές πριν φτάσει στα στηρίγματα.
Πώς μια τοξωτή γέφυρα διαλύει αποτελεσματικά το φορτίο
Τα στηρίγματα φέρουν αυτή τη δύναμη και εμποδίζουν τη γέφυρα να απλωθεί. Δεδομένου ότι αυτά τα στηρίγματα είναι ενσωματωμένα στο έδαφος (που είναι βασικά μια άκαμπτη, συμπαγής περιοχή), είναι ικανά να χειρίζονται πολύ βαριά φορτία χωρίς να υποχωρούν. Ωστόσο, δεδομένου ότι κάθε δράση έχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση (σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα), το έδαφος γύρω από τα στηρίγματα συμπιέζεται όταν δέχεται μια δύναμη και σπρώχνει προς τα πίσω στα στηρίγματα. Αυτή η δύναμη δημιουργεί μια «αντίσταση», η οποία περνάει από τη μια πέτρα στην άλλη –αυτή τη φορά μακριά από τα κολοβώματα και προς το κέντρο– έως ότου τελικά σπρώξει την ίδια την πέτρα που φέρει το φορτίο – την θεμελίωση.
Πλεονεκτήματα των τοξωτών γεφυρών
Η Γέφυρα του Ρίτσμοντ, η παλαιότερη επιχειρησιακή γέφυρα στην Αυστραλία, αποτελείται από βασικές πρώτες ύλες (1825) (Φωτογραφία:Wikipedia.org)
Χάρη στις πρώτες ύλες που τις αποτελούν, όπως το τούβλο ή πέτρα, οι τοξωτές γέφυρες είναι εξαιρετικές στο χειρισμό της συμπίεσης. Στέκονται επίσης αρκετά καλά ενάντια στη διάτμηση. Ωστόσο, η τάση στις τοξωτές γέφυρες είναι σχεδόν αμελητέα. Η καμπύλη της γέφυρας και η ικανότητά της να διαχέει τη δύναμη του φορτίου προς τα έξω κατά μήκος της καμπύλης μειώνει σημαντικά τις επιπτώσεις της δύναμης τάσης στην κάτω πλευρά της γέφυρας. Με άλλα λόγια, δεν θέλετε να κάνετε ένα πολύ μεγάλο ημικύκλιο στην καμάρα, καθώς η μεγαλύτερη καμπυλότητα αυξάνει την τάση στην κάτω πλευρά και σταδιακά εξασθενεί ολόκληρη τη γέφυρα.
Δεδομένου ότι είναι το εγγενές τους σχήμα που διαλύει τη δύναμη κατά μήκος της καμπύλης, οι τοξωτές γέφυρες δεν χρειάζονται πρόσθετα στηρίγματα, δομές ή καλώδια. Επιπλέον, είναι σχετικά φθηνό στην ανέγερσή τους, καθώς δεν απαιτούν μεγάλη ποικιλία πρώτων υλών, απλά τούβλα και πέτρες. Είναι επίσης απίστευτα ανθεκτικά? ορισμένες τοξωτές γέφυρες που κατασκευάστηκαν από τη Ρωμαϊκή Αυτοκρατορία στέκονται ακόμα ψηλά σήμερα! Ορισμένες σύγχρονες γέφυρες έχουν επίσης τοξοειδές σχήμα, αλλά είναι κατασκευασμένες από πολύ ισχυρότερα και πιο αξιόπιστα υλικά και είναι απείρως πιο εξελιγμένες από τα αρχαία παραδείγματα.
Μια σύγχρονη μεταλλική γέφυρα σε Maslenica – Κροατία (Φωτογραφία :Ivan Pikunic / Shutterstock)
Όπως αποδεικνύεται, οι τοξωτές γέφυρες όχι μόνο φαίνονται εντυπωσιακά γραφικές, αλλά το τοξωτό τους σχήμα προσφέρει επίσης ορισμένα σοβαρά φυσικά και δομικά πλεονεκτήματα!
