生活與科學：高樓矗立與力學
【明報專訊】香港這個石屎森林，高樓大廈林立，同學有否想過為何這些高聳的建築物可以牢固在地上，讓我們安全地使用？
答案隱藏在地底——一根根的樁柱。通過機器，這些樁柱被打進並深陷在地底中，造成穩固的地基，確保能在之上建構樓宇。這個過程牽涉物理中的牛頓力學。香港青年科學院創院院士、香港城市大學創新學院副院長、建築學及土木工程學系劉特斌教授以小實驗，解?牛頓力學的神奇。
■實驗材料
˙4張硬卡紙
˙白米
˙糖漿/濃縮糖水溶液
˙數本厚重書本
■實驗步驟
1.將白米堆起成約20厘米高的小山丘，然後在上面直接放置書本
2. 觀察書本傾斜並倒下
3.然後把4張硬卡紙捲成4條約20厘米高的圓柱體
4.將圓柱直插入米堆中，再在上方放置書本，直至書本傾斜並倒下
5.大家可以觀察到加入圓柱後，米堆能夠放置更多書本、承受更多重量
樁柱造成穩固的地基，是牛頓力學反作用力的體現。
■力的相互作用實驗
根據牛頓第三定律，當兩個物體交互作用時，便會產生作用力及反作用力；即是，當物體A向物體B施加力量時，物體B會向物體A施加大小相同但反方向的力量。在實驗中，我們將厚重的書本放在米堆這類鬆散的物質上，若沒有其他東西支撐，米堆便會散開，書本很快隨之倒下。
不過，若在米堆中插入4支用硬卡紙製成的圓柱，然後放上書本，便可以看到承托力顯著增加，這時，放置更多書本也不會輕易倒下，這體現了牛頓力學的反作用力。原因是當加入圓柱後，米堆與圓柱之間有摩擦力產生，隨之而來的反作用力會進一步增加承托力，使上方的建構物(書本)更加穩固。
這個實驗簡單模擬興建樓宇時，為何在地底鑽入樁柱來加強建築物與地基的連接。樁柱大幅提升建築物與地下的摩擦力，並形成交互作用，使其承托力更高，鎖緊位置，降低上層建築物移位的可能，變相令樓宇更加穩固。
基於上述概念，同學可能推想，是否樁柱愈多，樓宇便愈牢固？劉教授解釋，這並非必然，因為這個實驗在特定空間下進行，我們只計算直立建築物的單一受力影響，當實際興建樓宇時，戶外空間還有很多其他橫向因素影響，例如風力等，這些都會影響設置樁柱所需要的數量及位置。
其實，在日常生活中，有不少情况應用了反作用力的理論，例如打釘子或射箭到靶上等，大家不妨試試從日常中發掘，可能會發現身邊有不少神奇的物理應用。
文：香港青年科學院
圖：香港青年科學院、鄭惠霞、方綺婷
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[常識學堂 第331期]
