Dalam catatan blog ini, kami akan menerangkan sejarah dan prinsip fizikal struktur gerbang—yang telah digunakan selama lebih 6,000 tahun—dengan cara yang mudah dan mudah difahami.
Pont Neuf di Paris, Perancis; Ponte Vecchio di Florence, Itali; dan Jambatan Richmond di Australia semuanya dianggap sebagai jambatan bersejarah dan indah di wilayah masing-masing. Ciri umum jambatan ini ialah struktur melengkungnya, yang melengkung seperti busur. Perkataan "lengkungan" berasal daripada perkataan Latin "arcus" dan merujuk kepada bentuk jambatan yang biasa digunakan untuk masa yang lama dalam budaya Timur dan Barat.
Kesan bentuk gerbang boleh ditemui di rantau Mesopotamia seawal sekitar 4000 SM, dan pembangunan berskala penuhnya berasal dari seni bina Etruscan. Sejak itu, gerbang telah digunakan secara konsisten dalam seni bina dan reka bentuk jambatan di seluruh dunia, dan sebab penggunaannya yang berterusan terletak pada kelebihan strukturnya dan keupayaannya untuk menggunakan sifat-sifat bahan secara berkesan.
Pada masa lalu, bahan yang diperoleh daripada alam semula jadi—seperti batu, tanah, dan kayu—sering digunakan sebagaimana adanya tanpa pemprosesan. Walaupun bahan semula jadi ini mudah pecah apabila dibelah atau dibengkokkan dengan tangan, ia agak kuat apabila dikenakan daya mampatan atau tegangan dari sisi. Hari ini, bahan seperti tetulang dan konkrit digabungkan untuk meningkatkan kekuatan, tetapi pada masa lalu, orang ramai mereka bentuk gerbang untuk memaksimumkan kekuatan semula jadi bahan tersebut.
Dari perspektif struktur, bahagian atas jambatan menanggung beban secara langsung, manakala bahagian bawah menghantar beban tersebut ke tanah. Daya yang bertindak pada jambatan boleh dikategorikan kepada momen lenturan (daya yang menyebabkan bahan membengkok), daya ricih (daya yang menyebabkan bahan tergelincir ke arah yang bertentangan), dan daya paksi (daya yang menolak atau menarik bahan melalui mampatan atau tegangan). Contohnya, jika anda menghulurkan lengan anda secara mendatar dan mengangkat objek berat, anda boleh merasakan momen lenturan yang ketara yang bertindak pada lengan dan bahu anda. Jika anda menekan penumbuk anda bersama-sama dan menolaknya ke arah yang bertentangan, penumbuk anda akan cuba tergelincir; ini adalah contoh daya ricih yang ketara. Apabila anda menekan sekeping taffy dengan tangan anda, anda merasakan daya mampatan, dan apabila anda menariknya, anda merasakan daya tegangan.
Bahan semula jadi seperti batu dan kayu lemah terhadap momen lenturan dan daya ricih tetapi kuat terhadap daya paksi. Struktur gerbang memanfaatkan ciri ini. Apabila jambatan jenis rasuk yang diletakkan secara mendatar menanggung beban, momen lenturan dan daya ricih menyebabkan bahan tersebut bengkok atau pecah; walau bagaimanapun, gerbang mengagihkan beban secara lateral, menyebabkan bahan tersebut tertakluk terutamanya kepada daya mampatan.
Anda boleh mengesahkan perbezaan ini dengan eksperimen mudah. Jika anda memegang sehelai kertas rata secara mendatar dan meletakkan objek di atasnya, bahagian tengahnya akan bengkok atau kendur; walau bagaimanapun, jika anda membengkokkan sehelai kertas yang sama menjadi bentuk gerbang dan mengikat kedua-dua hujungnya, ia akan mengekalkan bentuknya walaupun objek yang lebih berat diletakkan di atasnya. Dalam gerbang, beban dari atas dipindahkan ke kedua-dua belah pihak, mewujudkan daya yang menekan jambatan secara mendatar—ini berkesan menggunakan kekuatan bahan di bawah daya mampatan.
Ia lebih mudah difahami apabila dijelaskan secara berangka. Contohnya, katakan kayu mempunyai rintangan 100 terhadap daya ricih dan momen lentur, dan rintangan 200 terhadap daya paksi. Jika berat 150 dikenakan pada jambatan, jambatan gaya rasuk rata mesti menahan 150 sebagai momen lentur atau daya ricih, yang melebihi had bahan (100), menyebabkannya bengkok atau patah. Walau bagaimanapun, jika bahan yang sama digunakan untuk membina gerbang, beban ditukar menjadi komponen daya paksi (daya mampatan), yang membolehkannya menahan sehingga 200; oleh itu, ia boleh menyokong beban 150 secara stabil.
Dengan cara ini, gerbang merupakan kaedah struktur yang cekap yang mengelakkan kelemahan bahan dan menggunakan kekuatannya. Hakikat bahawa struktur yang kukuh boleh dibina dengan menggunakan sifat-sifat bahan semula jadi—tanpa memerlukan teknik fabrikasi canggih atau bahan komposit—adalah sebabnya orang ramai pada masa lalu menggunakan gerbang secara meluas. Disebabkan kelebihan ini, jambatan dan bangunan berbentuk gerbang masih boleh ditemui dengan mudah di seluruh dunia pada hari ini.
