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驰名遐迩的比萨斜塔为何斜而不倒?

2018-08-09 14:12:32 来源:

驰名遐迩的比萨斜塔是比萨城的标志,它耸立在意大利比萨市的奇迹广场上,位於罗马式大教堂后面右侧,与大教堂、洗礼堂和公墓构成了比萨“奇迹区”。

比萨斜塔是大教堂的钟楼,这是一座直径为16米的圆形塔楼,共8层,每层外部都环绕着连拱廊。该塔以令人瞠目的倾斜度,似乎在宣示,人们所熟知的力学定律根本不适合它……

比萨斜塔

伽利略的自由落体实验

1590年的一天,年仅25岁的比萨大学教授伽利略正在进行一次前所未有的科学实验。比萨大学的学生、教师和围观的过路人正以期待和怀疑的眼光注視着即将发生的一切。当伽利略发出信号后,一个重10磅和一个重1磅的铁球同时从塔顶上降落,一会儿,兩个球同时落地。接着他們又把实验重复一次,结果亦相同。

实验结果表明,亚里士多德关於“物体降落的速度与其重量成正比”的說法是错误的。证明了自由落体定律——即物体不论大小轻重,在自由落下的过程中,若把空气的阻力产生的影响除外,它們的加速度完全相同的。伽利略的这一实验不仅纠正了物理学认识上长期以来的一个谬误,也使的比萨斜塔闻名世界。

不断倾斜的斜塔

比萨塔於1173年8月9日奠基,由著名的建筑师波那诺·皮萨诺建造。原设计塔高为100米左右,但动工五六年后,建好的三层塔身开始倾斜。建筑师下令停止施工,想等地基沉降稳定后再复工。可是在他有生之年未能实现续建的愿望。

到1275年时,塔已倾斜了90多厘米。建筑师迪·西蒙於同年恢复建塔,并针对倾斜的問题,在施工中采取减轻续建部分的自重措施,不仅减薄了塔壁,采用轻质灌注材料,而且在内外壁之间留有30至80厘米宽的空腔。到1284年,塔建至第六层,倾斜仍在继续,当年,迪·西蒙死去,斜塔再度停工。

此后,著名的建筑师托马索·皮萨纳继续建筑第七、八层,1350年最后完工。塔高56米,总重量1.45万吨,除了几根柱子用花岗石外,全部外表材料均是白色和黑色大理石。

斜塔完工后,倾斜仍在继续。根据有关统计材料:1829—1910年间,平均每年倾斜3.8毫米。自20世纪早期后,倾斜速度放慢。1918—1958年间,平均每年倾斜1.1毫米。1959—1969年间,平均每年倾斜1.26毫米。70年代后期至1982年的几年间,平均每年倾斜1.2毫米,其中1982年只倾斜1毫米。其后,平均每年倾斜1.19毫米。到目前为止,塔身偏离(即塔顶偏离垂直线)已有5米多。

为什么会倾斜?

比萨斜塔为什么会倾斜,专家们曾为此争论不休。最初的时候,有的学者认为,是有人故意把塔建成了这个样子。建筑师为了显示自己的高超技艺,就故意把塔建成了倾斜的。

进入20世纪,随着对比萨斜塔的研究,一些事实逐渐浮出水面:比萨斜塔在最初的设计中本应是垂直的建筑,但是在建造初期就开始偏离了正确位置。

比萨塔的倾斜无疑是与土质有关。因为早在19世纪,建筑师拉德斯卡在斜塔地基中钻孔取样,证实土壤条件是塔身倾斜的原因。比萨斜塔下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粘土相间形成,而在深约一米的地方则是地下水层。这个结论是在对地基土层成份进行观测后得出的。最新的挖掘表明,钟楼建造在了古代的海岸边缘,因此土质在建造时便已经沙化和下沉。

但是,一些专家研究发现:第一位建筑师皮萨诺当时已了解到,建塔的地方与整个比萨城一样,都处於一条河谷的冲积地上,所以他对地基的地质结构并非一无所知。而且他在建至三层发现倾斜时,采取停工等待地基沉降稳定的做法已有效地解决了一些問题。第二位建筑师续建时,又注意到调整倾斜高度,同时采取措施,减轻塔身重量。第三位建筑师建筑第七八层之间,钟楼來个转折,第八层倾向北面。建钟楼时,还吸收了清真寺尖塔的一些特点,也没设楼顶,以此减轻塔的重量和平衡倾斜。建筑师的做法正是与在比萨城其他地方建培的做法相似。

在意大利的另一个城市佛罗伦萨,於1420年建造的圣玛丽亚·德尔--斐奥雷大教堂,选址就在一片沼泽地上,土层更软,下陷危险更大,但至今几百年來丝毫没有倾斜。

一些专家学者由此推测出,比萨塔的倾斜是建筑师意料之中,几百年來斜塔斜而不倒与设计、建筑者有关。

斜塔会倾倒吗?

根据比萨斜塔近年來倾斜的速度,从事观测该塔的专家盖里教授认为,如果按此倾斜率计算,而又不在某些部位承受特殊压力下突然坍塌,250年后斜塔將因塔身的重心超出塔基外缘而倾倒。

但是比萨斜塔服务局的有关人员,认为只按数学方式推算是不可靠的,比萨斜塔是“一个由多种事实交织成的综合性問题。”一些研究者也发现這样一个問题,比萨斜塔塔身曾一度向东倾斜,尔后又转向南倾斜,认为该塔在过去几百年间斜而不倒,250年后倒与不倒恐怕不能局限於简单的假设和预测。

最关心斜塔命运的自然是比萨人,他們有這样一句俗语,比萨斜塔象比萨人一样健壮结实,永远不会倒下去。他們对那些把斜塔重新纠直竖正的建议最为深恶痛绝。

說來也怪,每当专家們采取加固斜塔地基的措施时,塔的倾斜速度反而加快。如1838年,在塔基及周围进行加固性施工,1934年,在地基及四周喷入九十吨水泥,实施基础防水工程,塔身反而更加不稳,向周围移动,倾斜得更快。但是1973年至1975年间,在关闭了斜塔方圆3公里以内所有私人水井和禁止其他方法取用地下水之后,地下水位稳定下來,塔的倾斜速度放慢下來了。

1990年1月7日,意大利著名电視节目女主持人拉发埃拉·卡拉宣布:比萨斜塔暂停开放。比萨市政府决定將斜塔暂时关闭,进行修理,這是比萨斜培自建塔以來的第一次正式的对公众关闭。

意大利政府斥资2500万英镑开始修复工程,包括加固地基和抽走地下水,并以钢缆支撑塔身。该修复工程于2001年完成,斜塔当时已立刻变直近38厘米。最新调查发现,该塔的倾斜幅度在2001年至2013年间,减少2.5厘米。

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