아치 형태는 위쪽이 얇은데도 어떻게 무거운 질량을 버티는건가요?

Question

각종 다리, 교각 등 건축물에서 많이 볼 수 있는 아치형태는 그 위쪽 부분이 가늘고 얇더라도 무거운 물체들을 버티던데, 이게 어떤 원리에서 가능한건가요?

Answer 1

안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.

아치의 돌덩이들은 서로가 쐐기가 되어 서로 물려있는 형상입니다. 위에서 화살표와 같이 아래방향으로 힘을 가하면 힘은 돌덩이들로 전달되는데, 맨윗돌은 그 아랫돌은 그 아랫돌은 또 그 아랫돌 누르는 식으로 힘이 전달됩니다. 돌은 누르는 힘(공학에서는 압축력이라고 합니다)을 견디는 데는 탁월합니다. 하지만 당기는 힘(인장력)에는 생각보다 약한데 아치에서는 위 그림에서와 같이 모든 돌덩이들이 압축력만 받게 되어있기 때문에 튼튼한 다리가 될 수 있는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

아치 형태는 위쪽이 얇지만, 곡선의 형태로 인해 무게를 분산시키고, 지지력을 높이는 특징이 있습니다. 아치 형태는 중력에 의해 압력이 발생할 때, 그 압력을 아치 위의 서로 다른 지점들로 전달하면서, 전체 구조물을 지지합니다. 이러한 구조는 중력의 압력이 집중되는 지점을 분산시키고, 구조 전체를 더 넓은 지점에 거쳐 흩어지게 하여, 구조물 전체를 더 효과적으로 지탱할 수 있도록 설계됩니다.

또한, 아치 구조물의 재료는 강철, 석재, 벽돌 등으로 이루어져 있으며, 이러한 재료는 높은 인장 강도를 지니고 있습니다. 따라서, 아치 구조물은 고강도의 재료와 형태적 장점을 결합하여, 높은 안전성과 지지력을 갖추고 있습니다.