Home arrow บทความวิทยาศาสตร์ arrow สะพานสื่อความสมดุล
  
เมนูอื่นๆ
Home บทความวิทยาศาสตร์ เซ็นสมุดเยี่ยม
สะพานสื่อความสมดุล PDF พิมพ์

   สะพานสื่อความสมดุล

สิ่งก่อสร้างที่นับว่าท้าทายวิศวกรมากที่สุดอย่างหนึ่งก็คือสะพาน เพราะว่าความยาวและความแข็งแรงของสะพานนั้นยังมีขีดจำกัด และการขยายช่วงข้ามให้กว้างออกไปยังคงเป็นสิ่งที่ท้าทายกันต่อไป

ผู้เขียน: Joe Dynamics

สะพานรูปแบบต่างๆ

    สิ่งก่อสร้างที่นับว่าท้าทายวิศวกรมากที่สุดอย่างหนึ่งก็คือสะพานครับ สะพานเชื่อมต่อแผ่นดินที่ถูกขวางกั้นด้วยแม่นํ้าหรือหุบเหว ทำให้การเดินทางของมนุษย์สามารถไปต่อกันได้ แต่ใช่ว่าจะไร้พรมแดนนะครับ เพราะว่าความยาวและความแข็งแรงของสะพานนั้นยังมีขีดจำกัด และการขยายช่วงข้ามให้กว้างออกไปยังคงเป็นสิ่งที่ท้าทายกันต่อไป

    แรกเริ่มเดิมทีนั้น การสร้างสะพานก็จะสร้างกันแบบง่ายๆพอให้คนข้ามไปได้ อย่างเช่นการใช้สะพานที่ทำด้วยไม้หรือเชือกสำหรับข้ามแม่นํ้า แต่ต่อมาเมื่อโลกเราแคบลง มีการติดต่อค้าขายไปมาหาสู่กันมากขึ้น การใช้งานของสะพานจึงไม่ได้จำกัดอยู่แค่ การข้ามของตัวคนเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสิ่งของ สัมภาระ พาหนะ สินค้าอุปกรณ์ อาวุธ และอื่นๆอีกมาก ดังนั้นการสะพานในรุ่นต่อมา จึงต้องมีผ่านการออกแบบ ที่ซับซ้อนและท้าทายมากยิ่งขึ้น เพราะความต้องการของสะพานคือ จะต้องสามารถรองรับนํ้าหนักได้มาก ในขณะเดียวกันก็จะต้องมีช่วงข้าม (span) หรือช่องห่างระหว่างตอม่อที่ยาวยิ่งขึ้นด้วยเช่นกัน

    ในเปิดโลกวิศวะตอนนี้ พี่โจก็อยากจะมาแนะนำให้น้องๆได้รู้จักกับสะพานแบบต่างๆกันนะครับ รวมถึงหลักการในการออกแบบว่าทำไมถึงได้มีสะพานรูปร่างแตกต่างกันมากมาย และสุดท้ายก็จะยกตัวอย่างการคำนวณขั้นพื้นฐาน ที่จะนำไปสู่การออกแบบสะพานได้นะครับ





     สะพานแบบที่ง่ายที่สุดหรือครับ ก็คือการตัดต้นไม้ลงคร่อมคลองนั่นเอง(ฮา) แต่สะพานแบบพื้นฐานเกิดมาแต่นมนานจริงๆแล้วก็คือ สะพานแบบคาน (beam bridge หรือ grider bridge) ซึ่งลักษณะก็เพียงแค่เรานำคานมาวางพาดลงระหว่่างเสา การออกแบบและก่อสร้างของสะพานแบบคานนั้นค่อนข้างจะง่าย แต่ว่ามีข้อจำกัดที่ความแข็งแรงของตัวคานครับ สมมุติว่าถ้ามีของหนักๆข้าม เช่นช้างน้อยในรูปที่ 2 นี้




     คานจะแอ่นลงตามนํ้าหนัก ส่วนบนของคานจะรับแรงกด (ลูกศรสีแดง) และส่วนล่างจะรับแรงดึง (ลูกศรสีนํ้าเงิน) ซึ่งถ้าแรงที่กระทำต่อคานนั้นมากเกินกว่าความทนทานของวัสดุ ก็จะทำให้คานร้าวและสะพานหักลงในที่สุดได้ ความยาวของยาวของสะพานถูกจำกัด ดังนั้นจึงหาสะพานมีการก่อสร้างแบบคาน และมีช่วงข้ามเกิน 250 ฟิตได้ยากมาก

--------------------------------------------------------------------------------





สะพานแบบโค้ง (arch bridge) เป็นแบบที่นับว่ามีความแข็งแรงมาก โดยธรรมชาติครับ สะพานแบบนี้ถูกสร้างมาตั้งแต่สมัยโรมัน โดยสำหรับใช้ในการเดินทัพ คน-ม้า-อาวุธ-เสบียง ออกจากเมืองไปรบกับเมืองอื่น การก่อสร้างของชาวโรมันก็คือ แกะสลักก้อนหินออกเป็นแท่งๆ ให้ได้รูปร่างพอดีที่จะมาต่อกับเป็นส่วนโค้ง เสร็จแล้วจึงนำมาเรียงต่อกัน เป็นส่วนโค้งด้านใต้สะพาน ส่วนด้านข้างของส่วนโค้ง ก็จะวางก้อนหินมาวางเพิ่ม เพื่ออุดช่องว่างไม่ให้ส่วนโค้งนั้นเสียรูป ดังนั้นเมื่อมีนํ้าหนักกดจากทางด้านบน แรงก็จะถ่ายต่อให้่ส่วนโค้งนั้นรับแรงกด ไปตามลูกศรสีแดงในรูปครับ ข้อดีของสะพานแบบนี้คือ เมื่อสะพานได้รับแรงกดไปนานเข้า ก็จะดันให้ก้อนหินบีบเข้าใกล้กันแน่นขึ้นๆ ทำให้เพิ่มความแข็งแรงของสะพานยิ่งๆ ขึ้น ดังตัวอย่างเช่น สะพานที่สร้างในสมัยโรมันนั้น บางสะพานยังสามารถใช้งานได้ในปัจจุบัน มีรถยนต์วิ่งข้ามกันฉลุยเลยครับ





ข้อเสียของสะพานแบบนี้คือ ข้อจำกัดในการหาวัสดุ และความยากลำบากในการก่อสร้าง สะพานหนึ่งๆ ต้องใช้เวลาก่อสร้างนานมาก ต่อมาเมื่อมีอุตสาหกรรมเหล็กเกิดขึ้น ความนิยมในการสร้างสะพานโค้งด้วยหินจึงลดลง และได้มีการพัฒนามาใช้โครงเหล็ก มาแทนก้อนหินดังตัวอย่างในรูปครับ



เทคนิคการออกแบบสะพาน

สะพานแบบโครง (truss bridge) อาศัยการรวมกันของโครง (truss) ครับ ซึ่งเจ้าโครงนี้ก็คือคานตรง (beam) สามแท่ง ต่อกันเป็นรูปสามเหลี่ยม ซึ่งจะรับ-ถ่ายแรงกันอย่างสมดุลอยู่ภายในแต่ละโครง และเมื่อนำโครงหลายๆชุดมารวมกันเป็นโครงร่างสะพาน ก็จะทำให้สะพานแข็งแรงไม่บิดหรือแอ่นครับ



      ตัวอย่างเช่นเมื่อมีนํ้าหนักกดอยู่บนสะพาน แทนที่พื้นสะพานจะรับนํ้าหนักนี้โดยตรง แรงจากนํ้าหนักนั้น ก็จะถูกถ่ายลงไปเป็นแรงอัด และแรงดึงภายในคานต่างๆ ของโครงสร้าง ความสมดุลในการถ่ายแรง ระหว่างคานนี้เองจะป้องกันไม่ให้คานบิดหรือแอ่น ทำให้สามารถสร้างสะพาน ที่มีช่วงข้ามยาวขึ้นได้กว่า สะพานแบบคานธรรมดาครับ

--------------------------------------------------------------------------------



สะพานแขวน (suspension bridge) สะพานแบบสะพานแขวนนั้น ถือว่าเป็นแบบที่มีช่วงข้ามยาวที่สุด เมื่อเทียบกับสะพานแบบอื่นๆครับ โดยโครงสร้างของสะพาน จะประกอบด้วยการโยงสายเคเบิล ข้ามฝั่งจากฝั่งหนึ่งไปอีกฝั่งหนึ่ง โดยที่แต่ละฝั่งก็จะสร้างฐาน ยึดสายเคเบิลนี้ไว้อย่างแน่นหนา ส่วนเคเบิลนี้จะขึ้นไป พาดอยู่บนเสาที่อยู่ระหว่างฝั่ง โดยส่วนมากจะออกแบบให้มีสองเสาดังรูป ส่วนตัวพื้นสะพานก็จะถูกยึดแขวน ด้วยสายโยงไปยังสายเคเบิลนี้

      สำหรับในการทำงานนั้น นํ้าหนักบนสะพานจะดึง สายโยงย่อยไปยังสายเคเบิล และแรงดึงที่เกิดขึ้นในสายเคเบิล ก็จะถูกถ่ายออกไปยังฐานยึดของสายเคเบิล ที่อยู่บนฝั่งตลิ่งทั้งสองข้าง ส่วนเสาตรงกลางทั้งสอง จะเป็นตัวรับนํ้าหนักของสะพานนั่นเอง ด้วยการใช้สายเคเบิลในช่วยถ่ายนํ้าหนัก จากพื้นสะพานนี้เอง ทำให้สามารถขยายช่วงข้ามในยาวออกไปได้ นอกจากนั้น พื้นสะพานก็ออกแบบเป็นโครง เพื่อไม่ให้พื้นสะพานเกิดการบิดตัวได้จากแรงลม ตัวอย่างของสะพานแบบนี้ก็เช่น สะพานโกลเด้นเกตที่เมืองซานฟรานซิสโก

     แต่น้องๆทราบหรือไม่ว่าสะพานแขวนแห่งแรกของอเมริกา คือบรู็คลินบริดจ์แห่งนครนิวยอร์ค อันเก่าแก่ซึ่งใช้เวลาสร้างนานนับสิบปี แต่กลับมาโดนก็อดซิล่าพันซะขาดลงเมื่อปี 1998 นี้เอง(ในภาพยนตร์นะครับ ของจริงยังอยู่ครับ)

ความยากลำบากของการสร้างสะพานแบบนี้อยู่ที่การสร้างเสาที่อยู่กลางนํ้า เพราะเสานี้จะต้องทั้งสูงและแข็งแรง และยังต้องต้านกับแรงลมได้ด้วย


      นอกจากสะพานแขวนแบบที่เห็นในรูปข้างบน ก็ยังมีสะพานแขวนอีกแบบเรียกว่า เคเบิลสเตบริดจ์ (cable-stayed bridge) โดยสะพานแบบนี้จะโยงสายเคเบิล จากเสาไปยังพื้นสะพานโดยตรง ถ้ามองจากด้านข้าง ก็จะเหมือนรูปตัวอักษร A สะพานแบบนี้จะอาศัยความสมดุล ระหว่างแรงดึงจากแต่ละข้างของสายเคเบิล (ขาทั้งสองของตัวA) นั้นเองในการทรงไว้ซึ่งการถ่ายเทนํ้าหนักจากพื้นสะพาน ไปยังเสา น้องๆรู้สึกคุ้นๆกับสะพานแบบนี้หรือไม่ครับ ก็สะพานพระรามเก้าของเราไงครับก็ใช้หลักการนี้



สำหรับสะพานแขวนที่ยาวที่สุดในโลกในปัจจุบันคือสะพาน "อากาชิ ไคโก" ที่เชื่อมเมืองโกเบและเกาะอาวาจิ-ชิมาในประเทศญี่ปุ่น มีความยาว 12,828 ฟิต และมีช่วงข้ามยาว 6,527 ฟิต ยาวแค่ไหนนั้น ขนาดต้องเอาตึกเซียร์จากชิคาโกมานอนเรียงต่อกันถึง 8 ตึก ถึงจะยาวเท่ากับสะพานนี้ครับ ...ว้าว

--------------------------------------------------------------------------------



แหล่งข้อมูลและรูป
http://www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge/index.html


http://www.matsuo-bridge.co.jp/english/bridges/index.shtml


http://www.howstuffworks.com/bridge.htm


Views: 7302

ความคิดเห็นแรก

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

< ก่อนหน้า   ถัดไป >
ขณะนี้มี 64 บุคคลทั่วไป ออนไลน์
สถิติผู้เยี่ยมชม
ผู้เยี่ยมชม: 9789211  คน
หนังสืออิเล็กทรอนิกส์
ฟิสิกส์ 1 (ภาคกลศาสตร์)
ฟิสิกส์ 1 (ความร้อน)
ฟิสิกส์ 2
กลศาสตร์เวกเตอร์
โลหะวิทยาฟิสิกส์
เอกสารคำสอนฟิสิกส์ 1
ฟิสิกส์ 2 (บรรยาย)
ฟิสิกส์พิศวง
สอนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต
ทดสอบออนไลน์
วีดีโอการเรียนการสอน
แผ่นใสการเรียนการสอน
เอกสารการสอน PDF
หน้าแรกในอดีต

ทั่วไป
การทดลองเสมือน
บทความพิเศษ
ตารางธาตุ(ไทย1)
พจนานุกรมฟิสิกส์
ลับสมองกับปัญหาฟิสิกส์
ธรรมชาติมหัศจรรย์
สูตรพื้นฐานฟิสิกส์
การทดลองมหัศจรรย์
กิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร์

บททดสอบ
แบบฝึกหัดกลาง
แบบฝึกหัดโลหะวิทยา
แบบทดสอบ
ความรู้รอบตัวทั่วไป
อะไรเอ่ย ?
ทดสอบ(เกมเศรษฐี)
คดีปริศนา
ข้อสอบเอนทรานซ์
เฉลยกลศาสตร์เวกเตอร์
แบบฝึกหัดออนไลน์

สรรหามาฝาก
คำศัพท์ประจำสัปดาห์
ความรู้รอบตัว
การประดิษฐ์แของโลก
ผู้ได้รับโนเบลสาขาฟิสิกส์
นักวิทยาศาสตร์เทศ
นักวิทยาศาสตร์ไทย
ดาราศาสตร์พิศวง
สุดยอดสิ่งประดิษฐ์
การทำงานของอุปกรณ์ทางฟิสิกส์
การทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ

การเรียนฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต
การวัด
เวกเตอร์
การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ
การเคลื่อนที่บนระนาบ
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
การประยุกต์กฎของนิวตัน
งานและพลังงาน
การดลและโมเมนตัม
การหมุน
สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง
การเคลื่อนที่แบบคาบ
ความยืดหยุ่น
กลศาสตร์ของไหล
กลไกการถ่ายโอนความร้อน
เทอร์โมไดนามิก
คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร
คลื่น
การสั่น และคลื่นเสียง
ไฟฟ้าสถิต
สนามไฟฟ้า
ความกว้างของสายฟ้า
ตัวเก็บประจุ
ศักย์ไฟฟ้า
กระแสไฟฟ้า
สนามแม่เหล็ก
การเหนี่ยวนำ
ไฟฟ้ากระแสสลับ
ทรานซิสเตอร์
สนามแม่เหล็กไฟฟ้า
แสงและการมองเห็น
ทฤษฎีสัมพัทธภาพ
กลศาสตร์ควอนตัม
โครงสร้างของอะตอม
นิวเคลียร์

สมัครสมาชิก
เพื่อรับเอกสารเพิ่ม!