理科生速围观，塔吊是用物理定律“驯服”重力？

途经建筑工地时，我们时常能看到一座座高耸的塔式起重机（以下简称“塔吊”），正轻松地将成吨的钢材与混凝土预制件吊运至百米高空。它们不仅是现代工程力量的象征，更是物理学与工程智慧的精妙融合。今天，我们将深入探寻塔吊背后的科学奥秘，揭示工程师们是怎样运用物理定律“驯服”重力，让这些“钢铁大力士”在云端自如运作的。

塔吊为何“稳如泰山”？

塔吊，即塔式起重机，指机身为塔形钢架、动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。它的作业空间大，起重能力强，常被用于多层建筑施工和港口装卸货物。

塔吊最深层的力学奥秘其实源于一个非常基础的物理学原理——杠杆原理，围绕旋转中心，起重臂与平衡臂共同构成了一个庞大的杠杆系统。

根据起重臂的构造特点，可将塔吊分为动臂式（依靠起重臂上下抬升实现变幅）和平臂式（依靠轨道上安装的小车行走实现变幅）。以我国常见的平臂式为例，吊起重物时，应满足F1×L1=F2×L2，即M1=M2（力矩，用来度量力使物体转动的能力，为力与力臂〔给定点到力作用线的最短距离〕的乘积）。

精密计算的配重块

塔吊工作前，工程师会在平衡臂后方安装适当数量的混凝土配重块，使M2成为定值，将难以驾驭的百吨级力矩转化为作用于塔吊的垂直压力。凭借精确的计算，通过调节配重块数量和起重臂长度，配重块可以有效抵消绝大部分建材所产生的重力力矩。同时，精心设计的滑轮组及液压系统借助多组滑轮，成倍放大钢丝绳的牵引力，使得电动机能以更小的输出功率吊起更重的建材。

理论上，起重臂与平衡臂的力矩必须完全相等，才能达成M1=M2。但其实塔吊并非绝对平衡，而是有可承受的范围，部分力矩会由其自身的结构强度来承受。塔吊还会搭载相应的监测仪器，避免起重臂力矩过大而引发事故。

与风的“推拉”

作为高空作业的大型设备，高空风力对塔吊来说影响极大，稍有不慎就可能导致工程事故。因此，工程师对塔吊进行了细节优化设计，材料选择上兼顾轻量化与高强度。目前，塔吊的标准节点普遍会采用性能更优的合金钢，而塔吊现有的桁架结构如同一副精心设计的空心骨骼，在保障强度的同时最大程度减轻塔吊自重，降低风阻。

根据安全操作规范要求，在未工作状态时，塔吊也需要松开回转制动器，确保回转部分能自由随风转动，以减少风载荷对塔身结构的集中作用。

精细的监测

塔吊与起吊物通常距离较远，操作时，许多传感器和影像监控可对塔吊操作员进行辅助。除此之外，现场还需配备相应的信号工、挂钩工等，确保塔吊工作顺利进行。

最先进的塔吊甚至可实现远程操控，通过授权，操作员可操控千里之外的吊装设备，实现毫米级的精准吊装。

此外，一些现代塔吊会配备姿态传感器和人工智能算法，实时监测风速和载重，并自动调整姿态。

坚固的底座

为保持稳定性，塔吊的地基设计十分稳固，固定地基通常会采用桩基加混凝土承台的方式，确保其矗立在松软地基之上。

固定式塔吊底座，还需等待混凝土浇筑

移动式塔吊底座，可在专设的轨道上运行

抬起未来

工程学领域，无人机吊运技术快速发展，许多大型无人机已经能够承载几十千克重物，续航里程高达上百千米，不仅能够进行物流配送，还能助力边远险峻地区建筑的快速建设。

在太空，中国空间站的舱外机械臂兼具组合和移动功能，通过交替抓取舱体表面，能够像尺蠖（huò）爬行般服务于空间站全区域，轻松完成舱段转位、设备维修、协助航天员移动等任务。此外，它还配备了视觉识别和自主避障系统，即便在宇宙射线和极端温度环境下也能稳定运行。

动画演示空间站机械臂在太空内在轨运行作业(视频截图，供图/中国载人航天工程办公室)

从杠杆原理到智能算法，从城市中高楼林立的“钢筋森林”到广袤无垠的宇宙深空，塔吊的进化历程堪称一部人类征服重力的壮丽史诗。未来，我们或许能在月球基地目睹塔吊的身影，它们将继续凭借钢铁之躯，创造工程奇迹。

尝试用积木搭建一座属于你的塔吊模型，你可以使用不同的齿轮组模拟动力传动，还可以为它搭建更稳固的底座、缩短臂长以提升更重的积木、调整配重块以防止模型倾倒。在这一过程中，你可以思考真实的塔吊如何通过各个部件的协同作用来实现高效、稳定的起重作业。

若由你负责设计月球上的塔吊，需要综合考量哪些物理学与工程方面的问题？月球上的塔吊又会与地球上的有何不同？请来评论区聊一聊吧！

（提示：充分考虑组合形式、低重力状况、真空环境、温差变化等因素）

责任编辑｜牛一名 赵青云

运营编辑｜赵青云

质量审核 | 业蕾
文章来源 | 《知识就是力量》杂志《塔吊以钢铁“撬动”云端》，撰文/吴吉明（北京土木建筑学会），有删改，原创作品转载请注明来源。

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