Tại sao một số cây cầu lại cong?

Nếu bạn tìm kiếm hình ảnh của những cây cầu cổ xưa, dù chúng được xây dựng hay lắp đặt ở vùng nào, quốc gia nào, hay được thiết kế bởi ai, bạn cũng sẽ thấy khá thú vị với sự tương đồng về thiết kế của chúng – những cây cầu cong (những cây cầu hình vòm).

Tại sao các cây cầu thời xưa - và nhiều cây cầu ngày nay cũng vậy - lại có chung hình dạng cong? Và có vẻ như sự giống nhau này không đơn giản chỉ là sự trùng hợp…

Những cây cầu cong

Theo Science ABC, khi bạn nhìn vào một cây cầu cong, bạn sẽ bị ấn tượng bởi kiến trúc hình bán nguyệt. Chúng được gọi như vậy vì cây cầu có cấu trúc cơ bản là hai mố trụ cầu ở hai bên đầu cầu được nối với nhau bằng một vòm cong. Không giống như các cây cầu thẳng (chúng cần rất nhiều mống trụ cầu để hỗ trợ trọng tải), với những cây cầu cong, đường vòm giúp tiêu tán lực trọng tải ra bên ngoài một cách hiệu quả, điều này giúp cây cầu chịu ít lực hơn thông thường.

 Phong cách thiết kế cầu này có từ rất lâu đời và chúng ta có thể nhìn thấy chúng ở rất nhiều nơi trên thế giới. Những cây cầu cổ xưa thường được làm từ gạch hay đá, nhưng trong thời kỳ hiện đại, sắt và bê tông chịu lực đã được sử dụng để đảm bảo cây cầu có thể chịu đựng và nâng đỡ được áp lực và trọng tải lớn.

Tại sao lại là "dạng vòm"?

Giả sử có một người (chúng ta hãy gọi anh ta là A) đang đứng ở đâu đó giữa một chiếc cầu dạng vòm. A sẽ gây ra một trọng tải và lực nhất định lên mặt cầu do trọng lượng của anh ta.

Những viên đá tạo nên chiếc cầu sẽ bị áp chặt lại với nhau (điều này phụ thuộc vào chất lượng của công trình xây cầu). Do đó, khi A gây áp lực xuống cây cầu từ phía trên, những viên đá bên dưới anh ta (gọi là viên đá chính) sẽ chèn ép và gạt những viên đá xung quanh sang hai bên, và những viên đá xung quanh viên đá này lại tiếp tục đẩy các viên đá bên cạnh chúng nữa, và quá trình này tiếp tục đối với tất cả những viên đá tiếp theo. Bằng cách này, lực trọng tải được truyền ra đều dọc theo đường cong của chiếc cầu sang hai bên trước khi nó chạm đến các mống trụ cầu.

Những chiếc cầu cong làm cách nào để tiêu tán trọng tải?

Các mống trụ nằm hai bên của cây cầu cong giúp hoàn thiện điều này. Do các mống trụ cầu được nối với lòng đất (thường là nơi rất cứng và chắc chắn), chúng sẽ có khả năng xử lý những lực cực kỳ lớn giúp cho cây cầu luôn vững chắc. Tuy nhiên, vì bất cứ lực nào cũng có phản lực tương đương (theo quy luật của Newton), nền đất xung quanh các mống trụ cầu bị ép lại khi phải chịu lực nén từ cây cầu truyền đến mống trụ cầu, và dĩ nhiên, nó sẽ tạo phản lực lại đối với mống trụ cầu. Sau khi mống trụ cầu nhận lực, nó sẽ tác động lên các viên đá làm nên cây cầu tương tự như trên: hòn đá này đẩy các hòn đá xung quanh chúng và cứ như vậy cho đến khi lự từ trụ cầu tác động đến giữa cây cầu. Và cuối cùng, chúng sẽ tác động lên viên đá chính – nơi trực tiếp chịu lực trọng tải.

Tuy nhiên, đến lúc này, lực tác động đã được phân tán và triệt tiêu rất nhiều rồi.

Ưu điểm của những cây cầu cong

Nhờ các nguyên liệu cấu thành nên chúng, ví dụ như gạch hoặc đá, những cây cầu cong đều rất xuất sắc trong việc xử lý các áp lực. Chúng cũng góp phần trong việc chống đỡ những áp lực. Tuy vậy, đường cong của cây cầu và khả năng tiêu tán lực trọng tải dọc theo đường cong của cầu đã làm giảm đáng kể hiệu quả của lực căng bên trong cây cầu. Nói cách khác, bạn sẽ không muốn làm một cây cầu có vòm quá cao hay quá cong, vì đường cong càng cao sẽ làm tăng lực căng bên trong cây cầu và làm cây cầu yếu hơn.

Vì đây là hình dạng giúp cây cầu tiêu tán lực tác động, nên những cây cầu cong không cần đến bất cứ kiến trúc hay cáp nào khác để hỗ trợ. Hơn nữa, những cây cầu này không tốn nhiều chi phí để xây dựng, cũng không tốn nhiều loại nguyên liệu, chỉ cần gạch và đá. Những cây cầu này cũng rất bền; rất nhiểu cây cầu được xây dựng từ thời các đế chế La Mã vẫn còn nguyên vẹn đến ngày nay! Một số cây cầu hiện đại cũng có hình vòm, nhưng chúng được xây dựng từ các nguyên liệu tốt hơn, khỏe hơn, và dĩ nhiên sẽ phức tạp hơn so với các cây cầu cổ xưa.

Chúng ta cần thừa nhận rằng, những cây cầu cong không chỉ đẹp ngoạn mục về hình dáng, mà còn mang trong nó rất nhiều lợi thế quan trọng về kiến trúc cũng như về chức năng. Và đó là lý do tại sao hình vòm vẫn được chọn làm thiết kế cho rất nhiều cây cầu ở thời đại của chúng ta.