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Jul 6, 2011

上个周末去了一趟密苏里州的 St. Louis。这里一百年前还是美国的第四大都市,拜得天独厚的地理条件所赐,是整个美国的水陆交通枢纽。一百年后,这里已经变成了一个乡下小城。它最著名的地标建筑当然是上世纪六十年代建成的 Gateway Arch,是为纪念美国的西部大开发而树立的一座纪念碑,高 192 米,是至今为止全美最高的纪念碑。(下图转载自 wiki。)

直到到了现场我才意识到它真的非常高,高到看起来有点不自然的程度。而另一个让我到了现场才意识到的问题是,作为这么高的一个拱,要稳定地树立在那里,它的形状不可能是任意弯成的。事实上,它的曲线是在数学上被唯一确定的。我不知道这个事实在建筑从业者中是不是尽人皆知,但是我自己至少此前从来没有想到过。

确切来说,它的曲线一定是悬链线,也就是一根绳子固定两头后自然下垂得到的曲线(当然要经过一个上下反转)。

这个事实可以这样简单的推出:一根悬绳的曲线所满足的数学要求是每个质点所受到的三个力——即左侧和右侧的拉力以及自身的重力——必须刚好平衡。而这样的一个拱要想保持稳定,所需要满足的数学要求则是每一小段所受到的三个力——即左侧和右侧的推力以及自身的重力——必须刚好平衡。容易看出,这两种关系正好相差一个正负号,所以把悬链线翻过来就是拱的曲线。

悬链线早在文艺复兴时代之前就吸引了数学家的注意,伽利略曾经错误地以为悬链线就是抛物线(看起来确实很像),莱布尼茨、惠更斯和伯努利兄弟差不多同时在十七世纪末给出了悬链线的正确数学公式(即双曲余弦函数 cosh)。

确切说来,Gateway Arch 的曲线并不是严格的悬链线,因为它的粗细不匀,拱顶的宽度只有两脚的三分之一,所以它相当于把一根粗细不匀的绳子垂成的形状翻转过来。但是数学上它仍然是由双曲余弦函数来刻画的。

我不知道在建筑学上人们是什么时候意识到悬链线可以用来做拱的,似乎是胡克第一个严格指出了这一点,但是显然早在它之前就有更古老的建筑采用悬链线拱了。(不过更多的古代拱门还是半圆形的。悬链线作为数学曲线来说过于精巧,而半圆看起来似乎已经挺稳定了。有更好的解释么?)

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