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揭秘“比萨斜塔”百年不倒之谜

比萨斜塔位于意大利托斯卡纳省比萨城北面,是比萨大教堂的一座独立式钟楼,塔高54.45米,倾斜角度约为3.99度,始建于1173 年,至今已有800多年的历史,是意大利知名景点。

相传1590年,伟大的意大利科学家伽利略曾在比萨斜塔的顶层做过自由落体运动的实验,从此,人们同时记住了伽利略和壮观且斜而不倒的比萨斜塔。

比萨斜塔为什么会倾斜?

比萨斜塔的倾斜是建筑师为追求个性而特意设计的吗?还是建造过程中无法预料的问题导致的呢?这些问题曾一度引起相关专家的热议,到了20世纪,随着科技的发展,对比萨斜塔的测量越来越精确、对地基土层的勘测设备越来越先进,最终这个问题的答案才浮出水面。比萨斜塔在最初的设计中实际上是一幢垂直建筑,但是在建造初期就偏离了正确位置。

究其原因,是因为它地基下土层的特殊性造成的。比萨斜塔下有好几层不同材质的土层,各种软质土层的沉淀物和非常软的粘土相间而成,在约一米深的地方则是地下水层。而地基上的钟楼塔身又重又高,加上地基仅3米深,因此造成了塔身的不均衡下沉,比萨斜塔在建造过程中曾一度停工,直到170多年后,人们又继续施工。为防止倾斜,设计师曾设法将塔的重心转移,但由于塔身底部三层倾斜已成事实,所以塔在建成后形成了现在的特殊风格。

揭开“比萨斜塔”斜而不倒之谜

比萨斜塔所在地区自1280年以来发生过至少4次强烈地震,但它仍屹立不倒,这个谜团一直困扰着无数专家。2018年,罗马第三大学建筑学教授努提与16名英国和意大利工程学、地震学专家组成的研究团队,给出了答案。

他们从地震学、地质工艺学及比萨斜塔结构等方面进行分析,认为这是斜塔结构、高度和坚硬建筑材料和塔下松软土壤相互配合的结果。一般来说,当地震发生时,建筑物本身的共振频率与地震频率相近时,就会引发共振效应,增加建筑物受摇晃程度。但比萨斜塔底下的泥土较为松软,而塔的建筑结构本身相对坚硬,两者配合下产生了“动态土壤——结构互动”(DSSI)现象,改变了斜塔本身的共振频率,使它不会在地震发生时产生共振,从而减低摇晃的剧烈程度,致使比萨斜塔能够在经历数次强烈地震后依然安然无恙。

可以说,比萨斜塔地基下方的土壤既是风险又是功臣,正是迫使塔倾斜的土壤帮助了斜塔在地震中幸存下来。

“比萨斜塔”最新动态

比萨斜塔1990年因塔身倾斜4.5米面临倒塌,从而停止接待游客。为此当地成立了负责修复工程的监督小组,该小组自1993至2001年,通过填埋重物、挖掘倾斜对侧土壤的方式,将比萨斜塔“扶正”了约40厘米。直至2018年,比萨斜塔已经被拉直约44厘米,目前监测小组专家证实,比萨斜塔现处于“健康状态”,以目前的状态,塔变直还需要大概4000年左右。

本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创,转载时务请注明出处。

作者: 吴联芳

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信息录入:科协    责任编辑:王璐
文章关键词: 揭秘“比萨斜塔”百年不倒之谜

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