สะพานแขวน (Suspension bridge) มีหลักการทำงานอย่างไร

          สิ่งก่อสร้างต่างๆที่มนุษย์สร้างขึ้น เราอาจจะเห็นจนชินเป็นเรื่องปรกติ แต่แท้จริงแล้วทุกอย่างล้วนมีการออกแบบทางวิศวกรรมอย่างชาญฉลาด ถ้าเราพิจารณาดีๆสิ่งก่อสร้างต่างๆล้วนน่าสนใจมาก อย่างเช่นสะพาน สะพานคือสิ่งก่อสร้างที่ใช้ข้ามอุปสรรคต่างๆเช่นหุบเหวหรือแหล่งน้ำต่างๆ เพื่อให้คนเดินทางหรือใช้ยานพาหนะข้ามไป ในประเทศไทยมีสะพานที่สวยงามมากหลายแห่งเช่น สะพานภูมิพล 1 และ 2 หรือสะพานพระราม 8 เป็นต้น สะพานที่โด่งดังมากในโลกแห่งหนึ่งชื่อว่าสะพานโกลเดนเกต (Golden Gate Bridge) ซึ่งสะพานที่มีรูปร่างคล้ายๆกันนี้เราเรียกมันว่าสะพานแขวน นอกจากความสวยงามของสะพานนี้แล้ว รูปทรงการออกแบบนี้ยังช่วยให้มันสามารถตั้งอยู่ได้ยาวนานไม่ถล่มหรือพังลงมา แต่ว่าสะพานแบบนี้มีหลักการทำงานอย่างไร


          เพื่อที่จะเข้าใจเรื่องนี้เราต้องเข้าใจนิยามศัพท์เฉพาะในทางฟิสิกส์ก่อนที่เป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับสะพานนี้คือเรื่องของแรงตึง (tension) และแรงบีบอัด (compression) เมื่อเชือกหรือสายเคเบิลผูกติดกับวัตถุต่างๆและเราออกแรงดึงให้ตึง เส้นเชือกนี้จะดึงวัตถุด้วยแรง \(\vec{T}\) ในทิศทางพุ่งออกจากวัตถุและตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตันก็จะมีแรงขนาดที่เท่ากันจากฝั่งตรงข้ามของวัตถุด้วย แรงนี้เรียกว่าแรงตึงเพราะเส้นเชือกนั้นตึง ส่วนแรงบีบอัดนั้นหมายถึงเมื่อมีแรงกดไปยังวัตถุ โดยสมมติให้มีแรงกดจากด้านบนกดมายังวัตถุบนพื้น ตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตันก็จะมีแรงขนาดเท่ากันจากพื้นกระทำต่อวัตถุด้วย เพื่อให้เห็นภาพอย่างง่ายๆเช่นในระบบสปริงเมื่อเราออกแรงบีบอัดจะทำให้สปริงนั้นหดสั้นลง เมื่อเราออกแรงดึงสปริงจะทำให้เกิดแรงตึงและสปริงขยายใหญ่ขึ้น ในการสร้างสะพานนั้นจะต้องพยายามทำให้แรงทั้งสองนั้นสมดุลกันเพื่อที่จะให้สะพานนั้นแข็งแรงไม่พังทลายลงมา           สะพานแขวนนั้นเป็นสะพานชนิดหนึ่งที่นิยมสร้างกันมากเพราะเมื่อสร้างเพื่อข้ามแม่น้ำจะใช้เสารับน้ำหนักน้อย น้อยสุดเพียงแค่ 2 ต้นทำให้ไม่กีดขวางการจราจรทางเรือ สะพานแขวนนั้นมีหลักการคล้ายๆกับสะพานอีกชนิดหนึ่งคือสะพานขึง (cable-stayed bridge) ซึ่งสามารถพบเห็นในประเทศไทยได้มากกว่า อาทิเช่นสะพานพระราม 8 จัดเป็นสะพานขึงแบบอสมมาตรเสาเดี่ยว 3 ระนาบที่ยาวที่สุดในโลก


          สะพานแขวนโดยปรกติจะมีเสารับน้ำหนักทำหน้าที่รับน้ำหนักโครงสร้างของสะพานโดยจะมีสายเคเบิลหลักพาดระหว่างเสารับน้ำหนักและเชื่อมไปยังฐานทั้งสองฝั่งของสะพานทำหน้าที่ขึงตึงสายเคเบิล และมีสายเคเบิลในแนวตั้งจำนวนหลายสายยึดระหว่างโครงสร้างของสะพานไปยังสายเคเบิลหลัก สะพานแขวนนั้นถูกแขวนโดยสายเคเบิลหลักกับเสารับน้ำหนักทั้ง 2 เสา รับน้ำหนักส่วนใหญ่ของโครงสร้างสะพาน น้ำหนักของโครงสร้างสะพานจะดึงสายเคเบิลในแนวตั้งจำนวนหลายสายตลอดความยาวของสะพาน โดยแรงดึงที่เกิดขึ้นในสายเคเบิลจะถูกส่งไปยังฐานทั้งสองฝั่งของสะพานที่มักทำมาจากวัตถุที่มีมวลมากและมีความแข็งแรงสูง เพราะเช่นนี้เองสะพานแขวนจึงมีจำนวนเสารับน้ำหนักน้อยกว่าสะพานแบบปรกติมาก ทำให้สะดวกในการสัญจรทางน้ำใต้สะพาน           ยังมีสะพานอีกหลายชนิด เช่นสะพานแบบโค้ง (arch bridge) ซึ่งนิยมสร้างมากในสมัยโรมันสะพานแบบนี้มีความพิเศษตรงที่สามารถนำอิฐหรือหินมาต่อกันเป็นทรงโค้งโดยไม่ต้องใช้วัสดุเชื่อมประสานเลย สะพานแบบคาน (beam bridge) หรือสะพานแบบปรกติที่ตั้งใช้เสารับน้ำหนักจำนวนมากสร้างเป็นสะพาน   

อ้างอิง

• Resnick, R., Walker, J. and Halliday, D. (2014). Fundamentals of physics. Hoboken, N.J.: Wiley.
• https://www.wonderopolis.org/wonder/how-does-a-suspension-bridge-work
• https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7296-vs
• https://www.dek-d.com/education/26837/