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藏文科普 | 和县文昌塔斜而未倒之谜

撰文 / 刘晨(合肥工业大学)本文来自《知识就是力量》杂志文昌塔的前世今生安徽和县文昌塔(供图:刘晨)文昌塔矗立于和县横江河和得胜河之间。关于此塔的来历,据和县《文昌塔记》记载,当时的古代人信风水,认为和县风水不好,从而导致文风不振、士不登朝,希望建成此塔后,能振兴和县的文风,使其昌盛。据记载,此塔建成时并未倾斜,但不知是何缘故,也不知是从什么时候开始,文昌塔开始由南向北倾斜,倾角颇大,导致了现在的模样。塔为何会发生倾斜塔倾斜的主要原因是由于斜塔所处的地理和地质结构造成的。一般斜塔下都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黏土相间形成,从而产生地基不均匀、土层松软的现象。由于黏土和砂组成的地基难以平衡地承受重达数吨的塔身,导致地面沉降,引起地面下沉累积效应,于是塔开始向土质软的方向倾斜。斜塔斜而未倒之谜我们可以从斜塔的结构和建筑材料两个方面来简单分析一下原因。众所周知,一个物体结构的稳定性来自三个方面:重心的位置、支撑面的大小和结构的形状。根据物理知识:“从重心引出的重垂线如果通过支点或在物体底部的支承面内,物体就不会倒下。”把斜塔设想成是一个长方体,把塔底看作是平衡点,把重心看作是力的作用点。当长方体(斜塔)倾斜的角度较小时,重垂线仍然在物体底部的支承面内,长方体(斜塔)不会倒;当长方体(斜塔)倾斜到重垂线与斜线重合,即“重垂线通过支点”时,长方体(斜塔)也不会倒下;而当长方体(斜塔)倾斜的角度大到重垂线过了支点时,这时长方体(斜塔)就会轰然倒下。实际上,这里涉及两个方面的知识:一是杠杆原理,一是平衡原理。由于倾斜的角度很小,所以作用点到平衡点的力矩很小,还没有破坏到塔的平衡,所以斜塔是不倒的。从科学的角度讲,一个物体的结构强度由三个因素决定:结构的形状、使用的材料和连接方式。和县斜塔为砖木结构,每层外部以砖砌而成。国内其他的斜塔也都有相似的情况。这表明,斜塔斜而未倒的原因可能是因为石砖与石砖之间的黏合极为巧妙,从而有效地防止了塔身倾斜引起的断裂。古代先民们建塔时所使用的垒砌搭配技术是相当成熟和优良的。从塔的砖墙体裸露部分看,条砖规格基本一致,砌筑搭配合理,这使得塔保持着相当高的整体强度和优良结构。这种成熟的砌筑法将塔的上下、内外塔壁连接成一个整体,形成套筒结构,其形体相当于内塔连结着一个外塔。这种建筑和连接方式有效地增强了塔身的结构强度,一定程度上阻止了塔身倾斜可能引起的倒塌。另外,塔斜而未倒应该和塔使用的建筑材料也有很大的关系。古代建造石塔时,用米烧成很黏稠的粥,打成浆后以一定比例和石灰、沙子拌在一起来黏合砖块,这种古代黏接材料很坚固,使得黏合的强度甚至超过现代的水泥砂浆,其韧性接近于现代的钢筋混凝土。用这种优良的黏合剂,同时利用精湛的古代砌砖技艺,使整座塔浑然一体,再加上这种黏合剂随着建筑时间的推移,会越来越坚固,因此成为斜塔不倒的一个主要原因。