2.10　斜塔背后的物理原理

在意大利西北部的比萨古城，巍然矗立着一座已有600多年历史的古塔——比萨斜塔。比萨斜塔被誉为世界奇迹之一。1173年8月9日，比萨斜塔奠基。但是，动工五六年后，建好的三层塔就开始倾斜，中间曾经几度停工，历经178年才建成。谁知建成后的比萨塔仍然不停地向南倾斜。据资料记载，1829～1910年间，比萨塔平均每年倾斜3.8毫米；1918～1958年间，平均每年倾斜1.1毫米；1959～1969年间，平均每年倾斜l.26毫米。此后，比萨塔平均每年倾斜1.19毫米。现在，塔顶中心点偏离塔基中心垂直线5米多，然而至今并未倒塌。这是为什么呢？

回答这个问题之前，先来谈一个杂技。利用“倾斜造型”获得惊险感和美感，是中国传统杂技艺术的一大特色。例如在国内外享有盛誉的“单排椅造型”，动作惊险，造型美观，令人叹绝！演员将椅子由直立堆砌发展成斜叠的梯形，两脚悬空的椅子逐级斜叠上升，演员每人扣住一把，相互配合，在空中阶梯上一个个做挺拔的倒立，总的高度差不多已达7米，构成了一幅凤凰单展翅的美丽画面。

单排椅造型

这个节目的编排，既遵循力学的平衡原理，也符合审美法则，而前者则是构成审美法则的物理基础。从人们的习惯来看，对称平衡感似乎是形体视觉美的一个要素。因此，人类很早以前就习惯于把器物作成对称形体，认为这才是美；人们还认识到，在主体形象的两侧重叠地增添对称的陪衬形象就能增强整体形象的均衡、稳定和庄重感。

然而，自从力学中的杠杆原理、力矩平衡原理出现之后，人类审美法则的内容也大大丰富了。人们进一步认识到，在不对称形体上也可以得到美的感受，而且这种非对称平衡的形体美有时甚至比对称体更生动活泼。所以无怪乎美学家要说，比萨斜塔具有一种“激动人心的非对称美”，这个赞誉真是恰如其分。试想，如果把比萨斜塔彻底“纠斜”而变直，岂不要大煞风景！

比萨斜塔之所以至今并未倒塌，是因为这里受着牛顿力学中一条平衡原理——力矩平衡原理所支配。

平衡与翻倒的判别

一个物体被支撑在另一个物体上时，支撑范围的大小，叫作支面；支撑范围是一条直线或一个点的话，则称为支线或支点。力学原理告诉我们，如果物体的重力作用线通过支面、支线或支点，物体就能平衡。因为，这时重力和支面的反作用力（支承力）都通过物体的重心，它们在同一直线上，大小相等而方向相反，故能使合力和合力矩都为零。但是，当重力作用线越出了支面（支线或支点）之后，重力与支承力就不再共线了，二者形成一个力偶，从而迫使物体绕着支点、支线或支面的一侧转动致使物体翻倒。力学上把这个力矩称为“倾覆力矩”。比萨斜塔之所以尚未倒塌，原因就在于塔身的重力作用线至今尚未越出塔基这个巨大的支面。但据科学家推算，比萨斜塔如果按现在的速度继续倾斜下去，过不了多少年恐怕就要倒塌了！