结构是什么？

★与《从0到1》《生命3.0》《超 级智能》《银河帝国：基地三部曲》《魔戒》等同为特斯拉CEO埃隆•马斯克推荐读物：“这是一本关于结构设计的非常好的入门书。”

★畅销40余年经典著作，邀请业内工程师审校。

★美亚分类榜前十，入选中学和大学教材，行业内口碑高，结构学、建筑学、工程学经典书目。

为什么一座吊桥即便开通了八条车道也不至于倒塌？为什么堤坝可以阻拦或释放巨大的水量？为什么希腊人在晚上会将马车轮子卸下来？为什么人类会腰痛？为什么鸟类有羽毛？摩天大楼和袋鼠的设计有什么原理？本书将帮你理解伟大建筑的巧夺天工之处，并探究历史上诸多灾难性事故的背后原因。

结构涉及我们生活的方方面面，无论是植物或动物，还是高楼大厦、桥梁等设计都要承受一定的机械力度，使其不易被折断或倒塌。所以，每个事物都包含一种结构。当我们思考结构的问题时，我们不仅要考虑为什么建筑物和桥梁不会坍塌，为什么机器和飞机不会解体，也要考虑虫子为何长成那种形态，以及蝙蝠为什么能飞过玫瑰花丛而翅膀完好无损。

这是一本发现结构的原理、生动解释结构的基本特性的趣味读物，它将为你揭开关于结构力学的许多好玩的谜题。作者摒弃了工程师惯用的让人不知所云的技术术语，用浅显、幽默的语言为读者解释了结构的有趣原理，分析了不同结构的特性，并告诉我们，生物的生存需求和人类的设计需求影响了这些结构的发展，自然、科技、生活中存在的结构都有其各自的道理。

詹姆斯•爱德华•戈登（1913–1998）毕业于格拉斯哥大学造船系，材料科学和生物力学研究领域的先驱者之一，他的三本结构和材料方面的普及读物影响深远，本书即为其中之一。他的作品被翻译成多种文字，并进入中学和大学教材。The Times称他是“材料科学的先驱之一”，他的书“文学造诣颇高，行业内人士和学生都会有兴趣”。

前言 III

第1章 如何与工程师无障碍地沟通 001

第一部分 弹性科学的前世今生

第2章 结构的根基——胡克定律与固体的弹性 017

第3章 应力与应变——柯西男爵与杨氏模量 029

第4章 设计的安全性——裂缝是怎么出现的？044

第5章 如何同裂缝和应力集中共存——弓、投石器和袋鼠 054

第二部分 承张结构

第6章 承张结构与压力容器——锅炉、蝙蝠和中式平底帆船 095

第7章 接合、铆接、焊接的应用分布——蠕变和战车轮子 113

第8章 一只蠕虫的诞生——泊松比和弹性蛋白 130

第三部分 承压结构与承弯结构

第9章 墙、拱与坝——通天塔与砖石建筑如何保持稳定 151

第10章 倒下的和未倒下的桥梁——拱桥、铸铁桥和悬索桥 178

第11章 一道梁的益处——屋顶、桁架与桅杆 190

第12章 剪切与扭转的奥秘——北极星导弹与斜裁睡袍 223

第13章 承压的失败——三明治、头盖骨与欧拉博士 249

第四部分 结构与审美

第14章 设计的哲学——形状、重量与成本的平衡 277

第15章 罪魁祸首——误差、金属疲劳与操作不当 297

第16章 效率与美感——逃不掉的现实 326

致谢 347

附录I 推荐手册与公式 349

附录II 梁理论公式 353

附录Ⅲ 扭转公式 361

附录Ⅳ 压缩载荷作用下柱与板的效率 363

延伸阅读 367

前言

我非常清楚，想写出一本有关结构的入门书是一种不自量力的行为。实际上，只有当这门学问从数学中脱离出来后，人们才开始意识到要准确表述那些通常所谓的“入门级”的结构概念是多么困难；我所说的“入门级”意即“基础性”或“根本性”。其中某些省略和简化是有意为之，但另一些无疑是因为我自己才疏学浅和对这门学问一知半解所致。

虽然本书几乎等于《强材料新科学研究》（The New Science of Strong Materials）的续篇，但它仍可被视为一部在其所述领域完全独立的作品。因此，在前面几章里，难免有重复之处。

我要感谢曾为我提供素材、建议和灵感以及同我热烈讨论的很多人。其中的在世者，包括我在雷丁大学的同事，他们曾慷慨地给予我帮助，尤其是建筑学教授比格斯（W. D. Biggs），以及理查德·查普林（Richard Chaplin）博士、乔吉奥·杰洛尼米迪斯（Giorgio Jeronimidis）博士、朱利安·文森特（Julian Vincent）博士和亨利·布莱斯（Henry Blyth）博士，还有哲学教授安东尼·弗卢（Anthony Flew），他为本书最后一章提出了有益的建议。我还要感激布鲁克医院的神经外科顾问医师约翰·巴特雷特（John Bartlett）先生。西印度群岛大学的休斯（T. P. Hughes）教授在与火箭相关的问题上给予了我诸多帮助。我的秘书琼·柯林斯（Jean Collins）在我陷入困境时帮了大忙。《时尚》杂志的内瑟柯特（Nethercot）女士在女装剪裁方面的见解使我获益良多。杰拉德·利奇（Gerald Leach）以及企鹅图书的多位编辑付出了他们一贯的耐心和友善。

在我要致谢的逝者中，我要感谢剑桥大学三一学院的马克·普莱尔（Mark Pryor）博士，他与我已探讨生物力学的问题近30年。最后，理所应当，我还要感谢希罗多德（Herodotus），我欠这位哈利卡纳苏斯城曾经的公民一份薄祭。

这是一本非常好的关于结构设计的入门书。

—— 埃隆•马斯克

这是一本精彩纷呈的书……写作风格幽默风趣，且发人深省……应该成为16岁到60岁人的必读书。

——A. G. 阿特金斯，英国皇家工程院院士

这本书论述充分，可读性强，且带有作者鲜明的个人特征，体现出作者的聪明之处和幽默感。

——《科学美国人》

在这本书中，你将与一个经验丰富的工程师展开一场轻松的对话，前提是你对他的艺术、历史、领域和蠢事都很了解。这本书读来毫不费力，并散发出无穷的魅力。

——《建筑师期刊》

第1章

如何与工程师无障碍地沟通

人们向东迁徙的时候，在示拿地遇见一片平原，便定居在那里。他们互相商量：“来吧，让我们制作砖块，把砖烧透了。”他们就以砖块为石，又以柏油为浆。“来吧，”他们说，“让我们为自己建造一座城和一座塔，塔顶通天，传扬我们的声名，免得我们流散到四面八方。”耶和华降临，要看看凡人所建造的城和塔。耶和华说：“他们在此，为同一种族，用同一语言，如今他们已开始如此行事，此后他们意欲所为便没有办不到的了。来吧，让我们下凡去那儿，搅乱他们的言说，使他们彼此无法沟通。”于是，耶和华使他们从那里流散到四面八方，他们便停止造城了。这就是为何那里被叫作巴别（即巴比伦），因为上帝在那儿搅乱了世间的语言。

—《圣经·旧约全书·创世记》（Genesis 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，因此工程师务必小心谨慎地探究结构的行为。然而遗憾的是，当工程师要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的确令人费解、无关紧要，也非常无聊。

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，我们不仅要问楼房和桥梁为何会坍塌，机器和飞机为何有时会坏掉，还需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？希腊投石机如何工作？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，我们才补上了所欠的知识，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。

本书讲述了关于自然界、工程技术和日常生活中的结构元素的现代观点，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，你要将其与非生命体分隔开，并防止其受到侵害。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，且要容纳生命物质，还要保护其免遭外力的侵袭。

在可能的条件下，某些最早的生命形态是由在水中游荡的微滴构成的，那么一个非常脆弱且简单的屏障，或许仅仅靠不同液体间界面上存在的表面张力，就已经够用了。渐渐地，随着生物形态日趋繁复，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，它们会撕咬，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生物材料和更精妙活体结构的发展。

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自身，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。尽管如此，但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，动物绝对不会变成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。那些更小且更原始的植物通常是软的，所以植物既不能追捕其食物，也没法躲避其天敌。然而在某种程度上，它可以通过长高来自保，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，这是迄今最大且最结实的活体结构。然而，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、柔度和韧度的问题遍布医学和动植物学等领域，然而长期以来，医生和生物学家都排斥这些观念，他们仰仗的是在这些领域的巨大成就和专业自尊。当然，这一方面关乎性格，另一方面关乎语言，或许工程师对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。