工程师们对列奥纳多·达·芬奇的桥梁设计进行了测试

公元1502年当时,苏丹巴耶济德二世(Sultan Bayezid II)发出了相当于文艺复兴时期政府招标书(RFP)的文件,要求设计一座连接伊斯坦布尔和邻近城市加拉塔(Galata)的桥梁。列奥纳多·达·芬奇已经是一位著名的艺术家和发明家,他想出了一个新颖的桥梁设计,他在给苏丹的一封信中描述了这个设计,并在他的笔记本上画了一个小草图。

他没有得到那份工作。但在他去世500年后,这座世界上当时最长的桥梁的设计引起了麻省理工学院研究人员的兴趣,他们想知道列奥纳多的概念是如何经过深思熟虑的,以及它是否真的可行。

剧透警告:莱昂纳多知道自己在做什么。

最近的研究问题,研究生卡乐韧皮孟”19日处理建筑与土木与环境工程教授John Ochsendorf和本科米歇尔·谢,解决这个问题通过分析可用的文档,可能使用的材料和施工方法,和地质条件提出的网站,这是一个河口称为金角湾。最终,该团队建立了一个详细的比例模型来测试结构的承受和支撑重量的能力,甚至是承受地基沉降的能力。

研究结果于本周在巴塞罗那举行的国际贝壳与空间结构协会会议上公布。本月晚些时候,他们还将在马萨诸塞州剑桥的德雷珀学院(Draper)发表演讲,并将在11月13日播出的PBS节目NOVA中亮相。

一个扁平的拱

在李奥纳多的时代,大多数的石桥都是用传统的半圆拱来支撑的,这样的桥需要10个或更多的桥墩来支撑。列奥纳多的桥的概念是非常不同的——一个足够高的平拱,可以让一艘帆船在桅杆就位的情况下通过,就像他的素描中所描绘的那样,但是它会用一个巨大的拱来跨越宽广的跨度。

这座桥大约有280米长(虽然列奥纳多自己使用的是另一种测量系统,因为米制仍有几个世纪的历史),如果建成的话,它将成为当时世界上最长的桥梁。“这是难以置信的雄心壮志,”巴斯特说。“它的长度大约是当时典型桥梁的10倍。”

该设计还采用了一种不同寻常的方法来稳定跨度,防止横向运动——这种方法导致了几个世纪以来许多桥梁的倒塌。为了解决这个问题,列奥纳多提出了两边都向外展开的桥台,就像一个站着的地铁乘客在一辆摇摇欲坠的车里扩大自己的姿势以保持平衡。

在他的笔记和给苏丹的信中,列奥纳多没有提供任何关于材料使用或建造方法的细节。巴斯特和他的团队分析了当时可用的材料,得出的结论是,这座桥只能由石头建成,因为木头或砖不可能承受如此大的跨度。他们得出的结论是,就像罗马人建造的那些经典的石桥一样,这座桥在地心引力的作用下可以独立存在,不需要任何固定物或灰浆来把石头固定在一起。

为了证明这一点,他们必须建立一个模型并证明其稳定性。这需要弄清楚如何将复杂的形状分割成可以组装成最终结构的单个块。虽然原尺寸的桥是由数千块石头组成的,但他们决定采用126块石头作为模型的设计,模型按1到500的比例建造(大约32英寸长)。然后在3D打印机上制作每一块,大约需要6个小时。

“这很费时间,但3D打印让我们能够精确地重现这个非常复杂的几何图形,”巴斯特说。

测试设计的可行性

这并不是第一次尝试以实物形式再现达芬奇的基本桥梁设计。其他的,包括挪威的一座人行桥,都受到了他的设计的启发,但是在那个案例中,使用了现代材料——钢筋和混凝土,所以建筑没有提供关于达芬奇工程实用性的信息。

“这不是一个测试,看看他的设计是否能与他那个时代的技术一起工作,”Bast说。但是,由于重力支撑砌体的性质,这个可靠的比例模型,尽管是由不同的材料制成,将提供这样一个测试。

她说:“这一切都是通过压缩来实现的。”“我们想真正展示的是,所有的力量都是在结构内部转移的,”这是确保桥梁稳固而不倒塌的关键。

与实际的砖石拱桥施工一样,这些“石头”在组装时由脚手架支撑,只有当它们全部就位后,才能拆除脚手架,让结构支撑自身。然后是时候在建筑中插入最后一块了,拱顶的楔石。

“当我们把它放进去的时候,我们必须把它挤进去。那是我们第一次架桥的关键时刻。我有很多怀疑”,关于它是否会全部工作,巴斯特回忆说。但是“当我把楔石放进去的时候,我想,‘这会有用的。’之后,我们把脚手架拿出来,它就竖起来了。”

“这是几何的力量”,她说。“这是一个强有力的概念。这是经过深思熟虑的。“莱昂纳多又赢得了一场胜利。

这幅草图是他徒手画的,还是他在50秒内完成的,还是他真正坐下来深入思考的?她说,“从现有的历史材料中很难得知”。但她说,设计的有效性表明,达芬奇确实是经过深思熟虑的。“他知道物质世界是如何运作的。”

他显然也明白该地区容易发生地震,并将一些特征(如可提供额外稳定性的扩展地基)纳入其中。为了测试结构的回弹性,Bast和Xie在两个可移动的平台上建造了这座桥,然后将其中一个移开,以模拟可能由软弱土壤引起的地基移动。这座桥对水平运动表现出弹性,只是轻微变形,直到被拉伸到完全倒塌的点。

这种设计可能对现代桥梁设计师没有实际意义,Bast说,因为今天的材料和方法为更轻、更坚固的设计提供了更多的选择。但是,这一设计的可行性证明让我们更清楚地认识到,如果只使用文艺复兴早期的材料和方法,那些雄心勃勃的建设项目是有可能实现的。这再次凸显了世界上最多产的发明家之一的才华。

它还表明,Bast说,“你不一定需要花哨的技术来想出最好的点子。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/leonardo-da-vinci-bridge-test-1010

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