科学家是怎样固定比萨铁塔?伽利略25岁时是不是在上面扔下了11磅的东西?

科学家是怎样固定比萨铁塔?伽利略25岁时是不是在上面扔下了11磅的东西?
科学家是怎样固定比萨铁塔?
伽利略25岁时是不是在上面扔下了11磅的东西?

科学家是怎样固定比萨铁塔?伽利略25岁时是不是在上面扔下了11磅的东西?
在十六世纪,亚里士多德的理论学说如日中天,人人奉为经典,而里面提到的自由落体的说法是：“物体的下落速度与重力成正比”.就是说,越重的东西下落速度越快.而伽利略却对此表示怀疑,于是,年仅25岁的伽利略在比萨斜塔顶端将两个重量相差悬殊的物体同时放开,它们在众目睽睽之下始终保持速度一致的落在了地面!——这就是著名的比萨斜塔试验.然而这却没有动摇人们对亚里士多德的信仰,反而认为伽利略是异教徒,对他发起攻击,使他再也呆不下去了,于是离开了比萨大学.伽利略的太阳水星合相与火星相刑,这里我们可以看出他是一个有着独立思想、能够摆脱教条,并用于付诸实践的人.
比萨斜塔
英文名称：The Leaning Tower of Pisa
时间:1173-1370年左右
地点:意大利
【比萨基本资料】
从地基到钟楼的高度：58.4公尺
地基的直径：19.6公尺
钟塔向南的倾斜度：5.5度
稳定斜塔是一项非常细腻的工程,就像是医师在治疗一位体弱多病的老人一般,尽管不能听诊病人的胸腔,却很清楚病患对每一种药物都有令人忧心的反应.—克里实尔,一九八七年
想象一座高塔,建立在像海绵橡胶这样柔软的材质上,缓慢且无情地日渐倾斜将要倒塌的地步.此外 ,高塔的砖石结构也非常脆弱,随着倾斜度日益增加,产生的应力已经逼近砖石的强度,随时可能应声而倒.若在倾斜那一侧的地基灌浆或加固,恐怕导致高塔倾覆,然而利用缆索支撑或牵引,则可能会令砖石崩溃.
这段话精确地描绘出比萨塔目前岌岌可危的情况,该如何隐住斜塔,就成了土木工程学最大的挑战.
但比萨塔不只是诡谲离奇的观光胜景,更是建筑上的瑰宝,就算没有倾斜,也堪称是中世纪欧洲最重要的建筑成就.高塔位于主座教堂广场,隶属大教堂(主座教堂)、钟塔(斜塔)、洗礼堂及墓地等四座耀眼的白色大型建筑所构成的综合建筑群之一.兴建钟塔的用意和广场上其它建筑物一样,皆是代表比萨这个富庶城邦的骄傲和荣耀,因而格外美丽、独特、神秘.
兴建细节
这座八层高的塔楼有五十八．四公尺高 ．重一万四千五百公吨,砖石打造的地基直径为十九．六公尺．深及地平面以下五．五公尺,地基朝南向水平线倾斜了五．五度,因此钟塔的第七层比一楼向外突出了四．五公尺
塔楼的建构形成是以列柱环绕一根中空的圆柱.圆柱内外两则的表面是用大理石紧密的接合覆盖而成,但这两个墙面之间只有灰泥和石头,因此出现了大量的空隙.一条螺旋状的楼梯则在钟塔墙壁的内侧蜿蜒上升.
钟塔地底共有壁垒分明的三层土壤.A层厚约十公尺,是松软易变形的淤泥沉积物,在浅水中沉积还不到一万年.B层是非常松软且容易波动的海泥层,沉积三万之久,深可达地底四十公尺.C层是紧密的沙质土壤,伸至地底极深处.
A层的地下水位在地底一公尺到两公尺之间.根据在塔四周围,甚至是钟塔正下方所做许多土壤钻探结果来看,B层的表面已经被钟塔的重量压成了碟影.由此可推演出钟塔的平均沉陷是二．五到三公尺,显示塔底土壤的压缩性有多高.
兴建史
钟塔于一一七三年八月在伯纳诺．毕萨诺的监督下动工兴建.但在一一七八年左右,当第四层盖到四分之一时突然叫停.停工的理由不得而知,但是若非当时及时打住,B层土壤的强度早已被无法承受这个负荷,而钟塔也早就坍塌了.
约在一二七二年左右,西蒙在停摆了将近百年之后重新动工,这时候的泥土层已在钟塔的重压下强化,强度也增加了(尽管当时并不知道这一点).到了一二七八年左右,可能是因为当地发生战事,原本进行到第七层的工程又再度喊停.要是钟塔在这个阶段已经竣工,一定早就倒塌了.
等到一三六零年,泥土再经进一步强化,汤玛索,毕萨诺在这时激活钟楼的工程,并于一三七零年左右完竣,距离钟塔肇建之初,已相隔将近两百年了.
很明显地钟楼比斜塔的其它部分更为挺直,因此在钟楼的工程激活时,高塔一定早已倾斜了.事实上,从斜塔第七层的檐口连接到钟楼的地面,在南边有六层阶梯,在北边却只有四层.
倾斜的历史
事实上,有证据显示钟塔在刚动工不久便已开始倾斜：塔楼的中心轴线并非笔直,而是向北倾斜.为了矫正斜度,每层楼的标高都使用了锥形的砖石砌块,好把倾斜的中心轴线拉回来.
仔细分析砖石层的相对倾斜度,便能得知钟塔倾斜的历史.在第一阶段工程的末期,钟塔其实是向西北倾斜约四分之一度.后来工程从四楼向上推进时,钟塔开始向南倾斜,因此到了一二七八年,工程进行到第七层的时候,钟塔向西南倾斜零．六度左右.到了一三六零年,已经增加到大约一．六度.
先进的计算机仪器分析显示,斜塔盖完第七层,在加盖钟楼的时候,倾斜的速度急遽增加,就像是用模型砌砖在柔软的地毯上叠高塔一般,或许已经到达了某个临界高度,但是不管多幺小心都不能再继续往上叠.而现在的斜塔已经到了它的临界高度因此随时都有倒塌的危险.
公元一八一七年,两位英国建筑师一条铅垂线测量倾斜度,当时就发现塔楼已经倾斜了五度.接着在一八三八年时,建筑师盖瑞德斯加沿着斜塔底座的周围掘了一条信道,想弄清楚,在塔楼沉陷倾斜之前,原来设计的圆柱底座以及地基的阶梯是什幺样子.结果因为开凿的信道低于地下水位,使得南侧发生地下水涌入的现象.有证据显示,斜塔在这个时候又大幅度地斜了将近半度左右,形成了五．四度
精确的测量工作在一九一一年展开,量出钟塔的倾斜度每年都不断地持续增加,从一九三零年代中期开始,倾斜的速率已经加倍.到了一九九零年,倾斜的速率相当于每年高达一．五公厘的水平位移.
此外,任何人想在斜塔身上动手脚,最后总是弄巧成拙,反而使得倾斜度大幅增加.例如,一九三四年曾利用灌浆的方法强化地基砖石,结果使得钟塔突然向南移动二将近十公厘,一九七零年代从下层砂土抽地下水,又让斜塔再移动十二公厘.这些反应都证实了塔楼很容易失去平衡,任何一种稳定钟塔的方法,都必须非常细腻.
稳定斜塔
一九九零年,因为帕维亚一座根本没有倾斜的钟塔倒塌了,意大利总理便成立了一个委员会,由杰米欧科夫斯基教授担任主席,负责对稳定比塞塔的策略提供意见并加以执行.依照国际惯例,任何珍贵历史古迹的保存,都必须保留其基本特色,同时不能破坏古迹的历史和原工匠的技术.因此对斜塔的任何侵入性手段,都必须减至最低,而且无论采取哪一种永久性的稳定计画,都绝不能架设任何明显的支撑物,何况这种作法可能导致斜塔脆弱的砖石结构应声而倒.
委员会所寻求的解决之道,必须能稍稍减低斜塔的倾斜度,尽管不是很明显,却能减砖石结构的压力,稳定斜塔的地基.经过多年的研究、分析及大规模的试验,终于采用了所谓土壤萃取的方法,要在斜塔地基北侧的下方和旁边安装几根土壤萃取管.
一九九九年二月,在一片令人屏息的紧张气氛中,一部特殊的钻孔机在严密的监视下,一步一步地慢慢从A层抽出少量的土壤.由于土壤质地松软,每次抽取后所形成的空洞会慢慢地封闭,使得地表稍稍下沉,而斜塔也微微向北转动.
土壤萃取的作业进行了两年半,钟塔的倾斜度减少了半度.如果斜塔再度开始向南倾斜,将来可能会再做一次土壤萃取.除了这个方法之外,在南侧最脆弱的几个地方,也做了限量的砖石强化.
这个方法把谜样而美丽的钟塔渐渐稳定下来,不但保存了斜塔的特色,也维持了它和底土之间耐人寻味的互动关系.

几个世纪以来，比萨斜塔倾斜的原因一直是人们关注的问题，各种解释众说纷纭，莫衷一是。有人说是建塔施工中的精确度偏离了设计方案造成的，有人认为是设计本身的问题。进入20世纪后，“地基原因”说逐渐占了上风。这种解释认为，由于粘土和砂组成的地基难以平衡地承受重达14553吨的塔身，从而导致了倾斜。1817年，两名英国的研究者在这方面提出了令人信服的研究报告，“地基原因说”自此开始广泛地被人们接受。

全部展开

几个世纪以来，比萨斜塔倾斜的原因一直是人们关注的问题，各种解释众说纷纭，莫衷一是。有人说是建塔施工中的精确度偏离了设计方案造成的，有人认为是设计本身的问题。进入20世纪后，“地基原因”说逐渐占了上风。这种解释认为，由于粘土和砂组成的地基难以平衡地承受重达14553吨的塔身，从而导致了倾斜。1817年，两名英国的研究者在这方面提出了令人信服的研究报告，“地基原因说”自此开始广泛地被人们接受。
从1550年到1817年的267年间，比萨斜塔共倾斜了5厘米。1838年，比萨斜塔又出现了一次较大幅度的倾斜，斜塔的保护工作从此开始，在意大利政府的参与组织下，各领域的专家学者成立了专门的拯救委员会，研究制定纠偏的办法。此后，斜塔以每年平均1毫米的速度继续倾斜，塔身重心线偏离10％。
（二）早在20世纪80年代初期曾有人预言，比萨斜塔将在2003年到2004年间轰然倒塌，这使全世界关心比萨斜塔的人们心急如焚，斜塔拯救委员会向全世界征集办法，以期延缓斜塔倾斜的速度。但是，鉴于1934年向塔基土层内注入水泥后，反而使斜塔在1年内多倾斜了6毫米的教训，面对收集上来的各种方案，拯救委员会一直无法抉择。
1988年，比萨斜塔向游人关闭，从1990年1月起斜塔全部关闭，纠偏工程开始进入确定方案并具体实施阶段。或许是由于承受了太大心理压力的原因，意大利政府和比萨斜塔拯救委员会在近10年的时间里一直对纠偏工程低调处理，媒体对工程的进展和效果也绝少提及。
现在的比萨斜塔拯救委员会主任是米凯莱·雅米乌科夫斯基，这位已在意大利都灵工业大学教了30年书的工程教授是位波兰人。在当初刚刚领导比萨斜塔拯救委员会的工作时，摆在他和同事们面前有成千上万种方案，这些方案五花八门，无奇不有。有人建议，先将斜塔分解拆除后，保存好，待夯实地基土层后再重新“组装起来”。另一位美国人建议，应设计一个透明的巨大罩子，将斜塔笼住。还有一位英国人提出，干脆在斜塔的南侧与斜塔并排再建一塔，抵住可能倒塌 的斜塔……雅米乌科夫斯基教授和同事们还要接待来自全球的登门荐贤者和毛遂自荐者。
谈起在这项工程进行中的感受，雅米乌科夫斯基教授心有余悸：“担心始终伴随着我们，每次要触动斜塔时，我们都提心吊胆。”这也难怪，因为比萨斜塔已经不再是个普通的文物古迹了，它已经是全世界的一份珍贵文化遗产

收起