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在意大利托斯卡纳省比萨城北面的奇迹广场上,有一座非常有名的斜塔,因为它是意大利比萨大讲堂的钟楼,所以后人称之为“比萨斜塔”。其实,在安徽省马鞍山市和县境内也有一座斜塔,名叫文昌塔。它与比萨斜塔类似,也是斜而未倒。
矗立于和县横江河和得胜河之间的文昌塔为砖木结构,外形呈六方形,塔高30米,共7级。塔体以青砖砌筑而成,而塔内7级台阶则以木板铺垫而成。关于此塔的来历,据和县《文昌塔记》记载,当时的古代人信风水,认为和县风水不好,从而导致文风不振、士不登朝,希望建成此塔后,能振兴和县的文风,使其昌盛。据记载,此塔建成时并未倾斜,但不知是何缘故,也不知是从什么时候开始,文昌塔开始由南向北倾斜,倾角颇大,导致了现在的模样。
近四百年来,文昌塔历经风雨,饱受战火的洗礼。日本侵略中国时,日军曾在和县金河口水面炮击文昌塔,但因塔身坚固,即使被炮击中也未倒塌。直到现在,在文昌塔的一侧,还留有一炮弹窟窿。1985年,当地曾有一顽童在此处玩火,结果导致塔内木结构着火,后经消防队员扑救,才得以幸存。
塔倾斜的主要原因是由于斜塔所处的地理和地质结构造成的。一般斜塔下都有好几层不同材质的土层,各种软质粉土的沉淀物和非常软的黏土相间形成,从而产生地基不均匀、土层松软的现象。由于黏土和砂组成的地基难以平衡地承受重达数吨的塔身,导致地面沉降,引起地面下沉累积效应,于是塔开始向土质软的方向倾斜。文昌塔坐落在县城小南门外的横江河南岸,建造的地点位于沉积泥沙和砾石地层的地方,从而产生塔身向东北倾斜的现象。
可以这样讲,世界上所有的斜塔在建成初期大都是直立的,后来由于地质原因下陷而造成倾斜。
根据现有的科学知识,我们可以从斜塔的结构和建筑材料两个方面来简单分析一下原因。
众所周知,一个物体结构的稳定性来自三个方面:重心的位置、支撑面的大小和结构的形状。根据物理知识:“从重心引出的重垂线如果通过支点或在物体底部的支承面内,物体就不会倒下。”把斜塔设想成是一个长方体,把塔底看作是平衡点,把重心看作是力的作用点。当长方体(斜塔)倾斜的角度较小时,重垂线仍然在物体底部的支承面内,长方体(斜塔)不会倒;当长方体(斜塔)倾斜到重垂线与斜线重合,即“重垂线通过支点”时,长方体(斜塔)也不会倒下;而当长方体(斜塔)倾斜的角度大到重垂线过了支点时,这时长方体(斜塔)就会轰然倒下。
实际上,这里涉及两个方面的知识:一是杠杆原理,一是平衡原理。由于倾斜的角度很小,所以作用点到平衡点的力矩很小,还没有破坏到塔的平衡,所以斜塔是不倒的。在日常生活中,我们也可以看到类似的情况。比如一摞书,当我们将它整齐放置时,它稳如泰山;而当我们将每本书都往一边慢慢往外放置时,刚开始不会出现倒塌,而当到了一定倾斜程度时,一摞书就会顷刻倒下。
从科学的角度讲,一个物体的结构强度由三个因素决定:结构的形状、使用的材料和连接方式。上文说过和县斜塔为砖木结构,每层外部以砖砌而成。国内其他的斜塔也都有相似的情况。这表明,斜塔斜而未倒的原因可能是因为石砖与石砖之间的黏合极为巧妙,从而有效地防止了塔身倾斜引起的断裂。
古代先民們建塔时所使用的垒砌搭配技术是相当成熟和优良的。从塔的砖墙体裸露部分看,条砖规格基本一致,砌筑搭配合理,这使得塔保持着相当高的整体强度和优良结构。这种成熟的砌筑法将塔的上下、内外塔壁连接成一个整体,形成类似内外两个塔体套合在一起的结构,即套筒结构,其形体相当于内塔连结着一个外塔。这种建筑和连接方式有效地增强了塔身的结构强度,一定程度上阻止了塔身倾斜可能引起的倒塌。
另外,塔斜而未倒应该和塔使用的建筑材料也有很大的关系。古代建造石塔时,用米烧成很黏稠的粥,打成浆后以一定比例和石灰、沙子拌在一起来黏合砖块,这种古代黏接材料很坚固,使得黏合的强度甚至超过现代的水泥砂浆,其韧性接近于现代的钢筋混凝土。用这种优良的黏合剂,同时利用精湛的古代砌砖技艺,使整座塔浑然一体,再加上这种黏合剂随着建筑时间的推移,会越来越坚固,因此成为斜塔不倒的一个主要原因。
文昌塔的前世今生
矗立于和县横江河和得胜河之间的文昌塔为砖木结构,外形呈六方形,塔高30米,共7级。塔体以青砖砌筑而成,而塔内7级台阶则以木板铺垫而成。关于此塔的来历,据和县《文昌塔记》记载,当时的古代人信风水,认为和县风水不好,从而导致文风不振、士不登朝,希望建成此塔后,能振兴和县的文风,使其昌盛。据记载,此塔建成时并未倾斜,但不知是何缘故,也不知是从什么时候开始,文昌塔开始由南向北倾斜,倾角颇大,导致了现在的模样。
近四百年来,文昌塔历经风雨,饱受战火的洗礼。日本侵略中国时,日军曾在和县金河口水面炮击文昌塔,但因塔身坚固,即使被炮击中也未倒塌。直到现在,在文昌塔的一侧,还留有一炮弹窟窿。1985年,当地曾有一顽童在此处玩火,结果导致塔内木结构着火,后经消防队员扑救,才得以幸存。
塔为何会发生倾斜
塔倾斜的主要原因是由于斜塔所处的地理和地质结构造成的。一般斜塔下都有好几层不同材质的土层,各种软质粉土的沉淀物和非常软的黏土相间形成,从而产生地基不均匀、土层松软的现象。由于黏土和砂组成的地基难以平衡地承受重达数吨的塔身,导致地面沉降,引起地面下沉累积效应,于是塔开始向土质软的方向倾斜。文昌塔坐落在县城小南门外的横江河南岸,建造的地点位于沉积泥沙和砾石地层的地方,从而产生塔身向东北倾斜的现象。
可以这样讲,世界上所有的斜塔在建成初期大都是直立的,后来由于地质原因下陷而造成倾斜。
斜塔斜而未倒之谜
根据现有的科学知识,我们可以从斜塔的结构和建筑材料两个方面来简单分析一下原因。
众所周知,一个物体结构的稳定性来自三个方面:重心的位置、支撑面的大小和结构的形状。根据物理知识:“从重心引出的重垂线如果通过支点或在物体底部的支承面内,物体就不会倒下。”把斜塔设想成是一个长方体,把塔底看作是平衡点,把重心看作是力的作用点。当长方体(斜塔)倾斜的角度较小时,重垂线仍然在物体底部的支承面内,长方体(斜塔)不会倒;当长方体(斜塔)倾斜到重垂线与斜线重合,即“重垂线通过支点”时,长方体(斜塔)也不会倒下;而当长方体(斜塔)倾斜的角度大到重垂线过了支点时,这时长方体(斜塔)就会轰然倒下。
实际上,这里涉及两个方面的知识:一是杠杆原理,一是平衡原理。由于倾斜的角度很小,所以作用点到平衡点的力矩很小,还没有破坏到塔的平衡,所以斜塔是不倒的。在日常生活中,我们也可以看到类似的情况。比如一摞书,当我们将它整齐放置时,它稳如泰山;而当我们将每本书都往一边慢慢往外放置时,刚开始不会出现倒塌,而当到了一定倾斜程度时,一摞书就会顷刻倒下。
从科学的角度讲,一个物体的结构强度由三个因素决定:结构的形状、使用的材料和连接方式。上文说过和县斜塔为砖木结构,每层外部以砖砌而成。国内其他的斜塔也都有相似的情况。这表明,斜塔斜而未倒的原因可能是因为石砖与石砖之间的黏合极为巧妙,从而有效地防止了塔身倾斜引起的断裂。
古代先民們建塔时所使用的垒砌搭配技术是相当成熟和优良的。从塔的砖墙体裸露部分看,条砖规格基本一致,砌筑搭配合理,这使得塔保持着相当高的整体强度和优良结构。这种成熟的砌筑法将塔的上下、内外塔壁连接成一个整体,形成类似内外两个塔体套合在一起的结构,即套筒结构,其形体相当于内塔连结着一个外塔。这种建筑和连接方式有效地增强了塔身的结构强度,一定程度上阻止了塔身倾斜可能引起的倒塌。
另外,塔斜而未倒应该和塔使用的建筑材料也有很大的关系。古代建造石塔时,用米烧成很黏稠的粥,打成浆后以一定比例和石灰、沙子拌在一起来黏合砖块,这种古代黏接材料很坚固,使得黏合的强度甚至超过现代的水泥砂浆,其韧性接近于现代的钢筋混凝土。用这种优良的黏合剂,同时利用精湛的古代砌砖技艺,使整座塔浑然一体,再加上这种黏合剂随着建筑时间的推移,会越来越坚固,因此成为斜塔不倒的一个主要原因。