Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào những cây cầu bắc qua sông, hồ và đại dương lại ra đời chưa? Những công trình này không chỉ đơn thuần là sự lắp ghép của thép và bê tông mà còn là đỉnh cao của sự sáng tạo và kỹ thuật của con người. Hôm nay, chúng ta sẽ vén màn bí mật đằng sau những kỳ quan kiến trúc này, khám phá bảy loại cầu phổ biến, đặc điểm độc đáo của chúng và các nguyên lý khoa học đằng sau việc xây dựng.

Khi nhắc đến San Francisco, hình ảnh cây cầu Cổng Vàng hùng vĩ chắc chắn sẽ hiện lên trong tâm trí bạn. Được thiết kế bởi Joseph Strauss vào năm 1917, việc xây dựng bắt đầu vào tháng 1 năm 1933 và mất hơn bốn năm để hoàn thành, cây cầu được thông xe vào tháng 5 năm 1937. Cây cầu treo này đã cách mạng hóa việc di chuyển giữa đất liền California và San Francisco. Nổi tiếng là một trong những cây cầu được chụp ảnh nhiều nhất trên thế giới, nó đã được Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Hoa Kỳ vinh danh là một trong "Bảy Kỳ Quan Thế Giới Hiện Đại".

Trong những chuyến thăm San Francisco, cầu Vịnh San Francisco-Oakland thường thu hút sự chú ý, đặc biệt là vào lúc bình minh khi ánh đèn của nó chiếu sáng đường chân trời. Hoàn thành sớm hơn cầu Cổng Vàng một năm vào năm 1936, công trình hai tầng này nối liền San Francisco và Oakland. Nó bao gồm hai cây cầu treo nối tiếp nhau được kết nối bởi Đường hầm Đảo Yerba Buena. Ban đầu, tầng dưới dành cho tàu hỏa, nhưng ngày nay cả hai tầng đều phục vụ giao thông xe cộ.

Cầu là yếu tố không thể thiếu đối với cơ sở hạ tầng hiện đại. Chúng kết nối cộng đồng, hợp lý hóa giao thông vận tải và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế bằng cách rút ngắn khoảng cách di chuyển và nâng cao hiệu quả hậu cần. Dù bắc qua vùng nước, thung lũng hay đường cao tốc, cầu đều đóng vai trò là huyết mạch quan trọng cho sự phát triển.

Thiết kế và xây dựng cầu đòi hỏi sự xem xét tỉ mỉ nhiều yếu tố, trong đó khả năng chịu tải trọng — khả năng chống chịu trọng lượng hoặc tải trọng — là tối quan trọng. Cầu cũng phải chịu được các thách thức về môi trường như gió, mưa, tuyết và hoạt động địa chấn. Do đó, các kỹ sư cầu cần có kiến thức chuyên môn sâu rộng để đảm bảo tính toàn vẹn và an toàn của kết cấu.

Mặc dù cầu có nhiều thiết kế khác nhau, bốn loại chính chiếm ưu thế: cầu dầm, cầu vòm, cầu treo và cầu giàn. Dưới đây, chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng loại.

Là loại cầu cổ xưa và kinh tế nhất, cầu dầm bao gồm các dầm ngang được đỡ bởi các trụ ở hai đầu. Nhịp cầu dài hơn đòi hỏi thêm các trụ. Trọng lượng của dầm truyền trực tiếp xuống các trụ. Cầu dầm ngắn có thể sử dụng gỗ, như những cây cầu bắc qua suối ở sân sau, trong khi các phiên bản dài hơn sử dụng bê tông ứng lực trước. Dưới tải trọng nặng, mặt cầu có thể bị võng.

Đường Cao Tốc Lake Pontchartrain ở New Orleans là một ví dụ điển hình cho thiết kế này.

Có niên đại hàng thiên niên kỷ, những cây cầu vòm đầu tiên sử dụng đá hoặc bê tông cho nhịp ngắn. Các phiên bản hiện đại sử dụng thép và bê tông. Các đầu của vòm dựa vào mố cầu, phân phối trọng lượng đều trên đường cong. Mặc dù cực kỳ chắc chắn, cầu vòm đòi hỏi thời gian xây dựng dài hơn.

Các ví dụ đáng chú ý bao gồm Cầu Rialto ở Venice và Cầu Cảng Sydney.

Trong cầu treo, mặt cầu được treo từ các dây treo thẳng đứng gắn vào cáp chính neo giữa các tháp. Cấu hình này phân tán tải trọng đều, cho phép nhịp cầu dài hơn, lý tưởng cho các tuyến đường thủy có tàu lớn. Mặc dù được đánh giá cao về mặt thẩm mỹ, cầu treo đối mặt với những điểm yếu: dây treo quá tải có thể bị hỏng, và gió mạnh có thể gây ra dao động nguy hiểm.

Cây cầu trong rừng ở Vườn Quốc gia Khao Yai, Thái Lan, minh họa một thiết kế treo thô sơ, trái ngược hoàn toàn với các đối tác tinh vi ở San Francisco.

Cầu giàn thuộc hàng những thiết kế mạnh mẽ nhất. Khung tam giác của chúng, được xây dựng từ các thanh thép thẳng, chịu tải trọng hiệu quả.

Cầu Ikitsuki ở Nhật Bản là một ví dụ về loại hình này.

Ngoài bốn loại chính, các thiết kế chuyên biệt giải quyết các nhu cầu cụ thể:

Chúng sử dụng dầm được đỡ ở một đầu, đôi khi ghép hai console gặp nhau ở giữa nhịp hoặc nối nhiều đơn vị theo trình tự.

Cây cầu cùng tên của Canada minh họa cách tiếp cận này.

Với các tháp có dây cáp đỡ trực tiếp mặt cầu, những cây cầu này áp dụng cách bố trí dây cáp "đàn hạc" hoặc "quạt". Kinh tế và chắc chắn, chúng có thể lắc lư trong gió nhưng lại quyến rũ với thẩm mỹ hiện đại.

Cầu Vịnh Gia Hưng-Thiệu Hưng ở Trung Quốc là một ví dụ về kỹ thuật dây văng.

Kết hợp các yếu tố dầm và treo, cầu vòm chạy qua phù hợp với các nhịp vừa phải như cầu bắc qua sông.

Cầu Fremont ở Portland là một ví dụ về thiết kế lai này.

Hãy tưởng tượng học sinh là kỹ sư xây dựng được giao nhiệm vụ xây dựng cầu. Trước khi xây dựng, họ phải lên chiến lược thiết kế.

Sự sụp đổ của cầu Tacoma Narrows là một nghiên cứu điển hình hấp dẫn. Rung động cộng hưởng từ gió liên tục đã gây ra "hiện tượng rung lắc" thảm khốc, mang lại những bài học kỹ thuật quý giá. Chứng kiến mặt cầu bê tông và thép uốn cong một cách ấn tượng như vậy vẫn còn đáng kinh ngạc.

Các nhà giáo dục có thể sử dụng video để khơi gợi sự quan tâm đến cơ chế hoạt động của cầu. Học sinh tiểu học được hưởng lợi từ các buổi trình diễn cơ bản về cầu dầm, cầu giàn và cầu treo, trong khi học sinh lớn hơn tham gia vào các phân tích nâng cao như video Thử thách STEM của Michelle Gay.

Các tài nguyên của PBS cung cấp các công cụ tương tác để khám phá vật lý của cầu ở các nhóm tuổi khác nhau. Trẻ nhỏ có thể tái tạo cây cầu "Ba Chú Heo Con" bằng các khối xây dựng, trong khi học sinh lớn hơn giải quyết các thử thách chịu tải với các vật liệu hạn chế như que thủ công và băng dính. Độ phức tạp tăng dần giới thiệu các loại cầu cụ thể hoặc tối đa hóa chiều dài nhịp dưới các ràng buộc về tải trọng.

Các vật liệu trong lớp học bao gồm từ khối xây dựng và ống hút đến các dải gỗ cắt sẵn, được cố định bằng băng dính, đất sét hoặc keo nóng. Hãy nhớ rằng — tất cả đều là khoa học đang hoạt động!