结构

作者简介

詹姆斯·爱德华·戈登（1913–1998）毕业于格拉斯哥大学造船专业，材料科学和生物力学研究领域的先驱者之一，因撰写的三本结构和材料方面的普及读物闻名于世，本书即为其中之一。这几本书已被翻译成多种文字，并进入中学和大学教材。《泰晤士报》称他是“材料科学的先驱之一”，他的“两本书文学造诣颇高，专业人士和学生都会有兴趣”。

内容简介

第1章 如何与工程师无障碍地沟通 他们往东边迁移的时候，在示拿地遇见一片平原，就住在那里。他们彼此商量说：“来吧，我们要作砖，把砖烧透了。”他们就拿砖当石头，又拿石漆当灰泥。他信说：“来吧，我们要建造一座城，和一座塔，塔顶通天，为要传扬我们的名，免得我们分散在全地上。”耶和华降临要看看世人所建造的城和塔。耶和华说：“看哪，他们成为一样的人民，都是一样的言语，如今既作起这事来，以后他们所要作的事，就没有不成就的了。我们下去，在那里变乱他们的口音，使他们的言语，彼此不通。”于是耶和华使他们从那里分散在全地上，他们就停工，不造那城了。因为耶和华在那里变乱天下人的言语，使众人分散在全地上，所以那城名叫巴别。 —《圣经·旧约全书·创世记11：2-9》 结构曾被定义为任何用于承受载荷的材料的组合，而研究结构是科学的传统分支之一。如果一个工程结构倒塌，就可能出现人员伤亡，因此工程师必须小心谨慎地探究结构的行为。然而遗憾的是，当工程师向大家普及他们的专业时，麻烦就来了：他们总是说着奇怪的用语，于是一些人便会认为，研究结构及其负载的方式令人费解、无关紧要，也实在无聊。 但是，结构无处不在，我们实在没法视而不见：毕竟，所有动植物以及几乎所有的人造物都必须能够承受某种强度的机械性力量而不致损坏，所以实际上，万物皆有结构。当我们谈论结构时，我们不仅要问为何房屋和桥梁不会坍塌、为何机器和飞机有时会坏掉，还要问蠕虫为何长成那种形态，以及蝙蝠为什么能飞过玫瑰花丛而保持翅膀完好无损。 我们的肌腱如何工作？我们为何会“腰酸背痛”？翼手龙的体重怎么那么轻？鸟类为何有羽毛？我们的动脉如何工作？我们能为残疾儿童做些什么？为什么帆船要那样装配帆索？为什么奥德修斯之弓很难拉开？为什么古人晚上要把战车的轮子卸下来？希腊投石机是如何工作的？为什么芦苇会随风摇曳？为什么帕提侬神庙如此壮美？工程师能从天然结构中得到什么启示？医生、生物学家、艺术家和考古学家能从工程师那儿学到些什么？ 事实表明，理解结构的原理和损坏的原因是一场斗争，其艰难与漫 长远非常人所能预料。直到最近，我们才补上了知识里的部分漏洞，使得我们能以某些有效或巧妙的办法回答上述一部分问题。当然，随着将更多块拼图汇集组装，整个图景越发清晰：这门学科整体上不再局限于专业研究的狭窄范围，而越发贴近大众的普遍利益，普通人从中也能有所收获。 本书从当代研究的视角讲述了自然界、工程技术和日常生活中的结 构元素，探讨了对强度及支持不同载荷的需求如何影响各种生命体和机械装置的发展，包括人的进化。 生物的结构生物学结构的出现远早于人工结构。在生命出现之前，世界上不存在任何形式的目的性结构，只有山岳和成堆的沙石。即使是非常简单、原始的生命形态，也形成了一种微妙的平衡，其化学反应自发产生且不断延续，它必须与非生命体分隔开，防止受到后者破坏。大自然创造了生命，并让其自生自灭，所以有必要设计出某种容器以使之存续。这样的薄层或薄膜至少要具备最低限度的机械强度，既要容纳生命物质，又要保护其免遭外力的侵袭。 如果某些最早的生命形态由在水中游荡的微滴构成（这似乎是可能的），那么或许仅仅靠不同液体间界面上存在的表面张力形成一个非常脆弱且简单的屏障，就已经够用了。渐渐地，随着生物种类增多，生命的竞争越发激烈，弱小、无法自主运动的球状生物将会处于不利的地位。生物的表皮变得越来越坚韧，各种各样的运动形式层出不穷。更大的多细胞动物出现了，它们会互相吞食，并快速游动。生存的要义变成了追逐与被追逐，吃与被吃。亚里士多德称之为“allelophagia”，即相互吞噬，达尔文则称之为自然选择。不管怎样，进化的历程取决于更强的生物材料和更精妙的活体结构的发展。 早期更原始的动物大多是由软材料构成的，不仅因为这样的材料能使之更易扭动且能任意延展，还因为这些软组织通常是坚韧的（正如我们将要看到的），而像骨骼这样的刚性结构却往往是脆弱的。此外，刚性材料的运用会给生长和繁殖带来各种各样的麻烦。女士们都知道，生产是一项涉及高应变和大挠度的大工程。脊椎动物从受精卵发育到胎儿的过程，就像普遍的天然结构一样，在某些方面是从软变硬的过程，而且在婴儿出生后，这个硬化过程仍在持续。 这给人的感觉像是大自然很不情愿地接受了强劲的材料，然而当动物越来越大时，它们从水中登上陆地，大多数长出且用上了刚性的骨架和牙齿，有些还有硬角和甲壳。但是，动物从来没有像大部分现代机械那样以刚性装置为主导。骨骼通常只占全身的一小部分，下面我们将会看到，那些柔软的部分常常巧妙地减轻了骨骼上的负荷，使之免受折断之苦。 大多数动物的躯体主要是由柔性材料构成的，而植物则并不总是如此。更小且更原始的植物通常是软的，但植物既不能追捕其食物，也没法躲避其天敌。在某种程度上，它只能通过长高来自保，并争夺更多的阳光雨露。尤其是树木，它们十分巧妙地伸展，既能收集散布在空中的若隐若现的阳光，又能挺立直面狂风的威胁，当然，是以最节能的方式。最高的树能长到约110米，这是迄今最大且最耐久的活体结构。但一株植物即使只长到上述高度的1/10，其主体结构也需轻巧又有刚性，我们将在后文看到这为工程师提供了许多重要的经验。 很明显，像这样关于强度、柔度和韧度的问题对医学和动植物学等领域都有用，然而长期以来，医生和生物学家出于自己在专业上的成功和自尊都排斥这些观念。当然，这一方面关乎性格，另一方面关乎语言，或许对工程师口中数学概念的厌恶和畏惧也与此有关。在绝大多数情况下，从结构的角度研究动植物，确实是生物学家无法胜任的工作。 但是我们也没有道理假定大自然在其化学与控制机制上精雕细琢，而在结构上却粗制滥造。 工艺结构 世上奇迹虽多，若论神奇 难比于人— 他迎着凛冬寒风， 穿过滔天巨浪， 横渡沧溟茫茫； 连不倦不朽之大地，这最古老的神灵， 亦厌倦他，年复一年， 来来去去，耕耘不辍。 逍遥自在者，飞鸟， 走兽，游鱼， 尽入其网， 败于他的狡黠。 —索福克勒斯，《安提戈涅》 本杰明·富兰克林曾把人定义为“一种会制造工具的动物”。事实上，好多其他动物也会制造并使用相当原始的工具，它们筑巢的本事甚至常常超过未开化的人。要指明人类什么时候走出洪荒，获得捕食野兽的技艺绝非易事。考虑到早期人类可能栖息于树上这个事实，或许它比我们想象的要晚。 然而，从最早期的棍棒和石块（并不比高等动物使用的工具好多少）发展到石器时代晚期成熟精美的手工制品，人类跨越了一条巨大的鸿沟。金属工具时代之前的文明在化外之地一直存续到距今不久，许多器物就陈列在博物馆里。不借助金属材料就制作出坚固的结构，需要一种把握应力分布和方向的天赋，这是现代工程师未必具备的；金属自有坚韧且均质之便，就其运用而言，既有直觉上的考量，也有工程之外的思索。自玻璃纤维等人工复合材料问世以来，我们间或回归波利尼西亚人和因纽特人开发出的那种含纤维的非金属结构。故而，我们越发意识到自身在运用应力体系方面的不足，也因此更加敬重原始工艺。 事实上，金属工艺进入人类文明—大致在公元前2000年到公元前1000年间—对大部分人工结构来说，并没有带来特别巨大或直接的影响，原因在于金属既稀缺又昂贵，且不易成形。使用金属制造切削工具、武器以及甲胄自有其效果，但大多数承担负载的人工制品仍是由砖石、木材、皮革、绳索和纺织物构成的。 建磨坊的、造车的、造船的以及搞装配的工匠在使用这些旧式的混合构造时，需要具备高超的技能，但他们也有各自的弱势，也会因缺乏正规理论训练而犯错。总体来看，蒸汽与机械的引入导致了手工技能的弱化，也造成只有少数标准化的刚性材质，譬如钢材和混凝土，才能应用于“先进工艺”的结果。 虽然某些早期发动机的缸压并不比我们的血压高多少，但像皮革这样的材料无法承受灼热的蒸汽，工程师没法用皮囊、皮膜和软管制造出一台蒸汽发动机。因此，他们只能用金属，并借助机械手段实现。如果是让动物来做同样的事，它们的办法可能更简单，耗材或许更轻。a 但工程师则不得不依靠轮子、弹簧、连杆和气缸中滑动的活塞来达成目标。 虽然这些笨重的装置最初是受材料所限而不得已用之，但工程师已逐渐把这种技术视作正当且体面的方法。在习惯使用金属齿轮和主梁后，工程师就很难转换思路了。此外，这种对材料和技术的态度已经散播到普通人中间去了。不久前，在一场鸡尾酒会上，一位美国科学家的美丽妻子对我说：“你是说人们过去是用木材造飞机的吗？就用破木头！我不信，你就胡扯吧。” 我们应如何客观评价这些看法，它们又在多大程度上是基于偏见和赶时髦的心血来潮，这是本书探讨的问题之一。我们需要更全面地看待这些问题。工程结构的传统选材——砖石混凝土、钢材和铝材，已经非常成功，我们显然不可等闲视之，既因为这些材料本身的作用，也因为我们从中获益良多。然而，我们或许记得，充气轮胎改变了陆上运输的面貌，这可能是比内燃机更重要的发明。但我们一般不怎么给工科生讲授轮胎的相关知识，工科学校有一个明显的倾向，即对柔性结构一概讳莫如深。当我们更宽泛地看待这个问题时，或许可以发现，出于定量的考虑，我们可以试着重构传统工程学的某些部分，将其建立在仿生学模型的基础上。 我们无论持何种观点，都无法回避这样的事实：工程技术的每个分支都必须或多或少地关注强度和挠度的问题。而且，如果我们在这些问题上犯错带来的仅仅是恼人的状况或高昂的花费，而非人员伤亡的后果，我们已经相当走运了。从事与电子相关工作的人可能都知道，大部分电气与电子设备的故障都是由机械故障引发的。 结构能够被破坏，这一点很重要，有时影响巨大；但是，在传统的工程技术中，一个结构在损坏前的刚度和挠度在实践过程中可能更为重要。摇摇晃晃的房子、地板和桌子是很难让人满意的，我们也应该意识到光学设备，比如显微镜或照相机，其性能不仅取决于镜头的品质，还依赖于其架设位置的精度和刚度。而这类失误比比皆是。 ★埃隆？马斯克推荐读物之一，“这是一本关于结构设计的非常好的入门书。” ★清华大学高级工程师王文浩、上海交通大学讲席教授江晓原、科普时报社社长尹传红、同济大学高级工程师马澍玮、英国皇家工程院院士A. G. 阿特金斯推荐，业内资深工程师审校定稿。 ★行业内经典读物，业内人士交口称赞的口碑作品。 ★新版重新排版包装，特别新增多位国内行业专家解读推荐，提炼更多内容亮点。