结构是什么

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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。 P9

”他们就以砖块为石,又以柏油为浆。 P10

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。 P11

——索福克勒斯(Sophocles),《安提戈涅》(Antigone)本杰明·富兰克林曾把人定义为“一种会制造工具的动物”。 P12

要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。 P13

这与其说是“自找的丑”,不如说是平庸乏味的盛行。 P14

然而,数个世纪以来,实干家都在按自己的套路行事,至少在某些制造领域是这样。 P15

就有关材料强度的知识而言,伽利略的贡献仅算略有创新,但你务必牢记他开始研究该课题时已年近七旬,饱经风霜且形同囚徒。 P16

“能告诉我你是做什么的吗?”“我是一名研究材料的教授。 P17

例如,它或许是一种“死”载荷,即某种不变的配重。 P19

在许多结构中,比如建筑物,载荷源于压缩,即通过挤压产生。 P20

因此,当我们在一根绳子的末端挂一块砖头时,绳子会伸长,这种拉伸使绳向上拉砖块,防止其掉落。 P21

也就是说,200磅载荷产生的挠度是100磅载荷的两倍,“以下类推”。 P22

尽管没有材料能够达到绝对的“刚性”,但蓝宝石和金刚钻等少数固体确实非常强劲。 P23

18世纪的法国工程师意识到了这一点,很是惋惜,于是试图运用既有理论来建造结构(却常常坍塌)。 P24

在材料内部,某一点的弹性状态指的就是应力和应变。 P25

因此,“这块钢中某点的应力为500千克力/平方厘米”与“我的汽车轮胎里的气压是2千克力/平方厘米或者28磅力/平方英寸”,这两种表述同样简单易懂。 P26

它也常见于大量表格和工具书中。 P27

此外,因为我们计算应变时是用一个长度除以另一个长度——伸长量除以原长,所以应变是一个比值,它没有单位,无论是在国际单位制、英制还是其他任何单位制中。 P28

杨氏模量有时也被称为“弹性模量”(elastic modulus),记作E,在平常的技术交流中它往往会被说成是“刚度”。 P29

我们稍后再来讨论这类弹性问题。 P30

因此,考虑到重量因素,金属的强度相较于植物和动物,并不太突出。 P34

田间百合本无心,也不必费神计算,但它们本身都是了不起的结构。 P36

在英国和美国,情况尤其如此,人们认为实干家比“纯理论家”可靠得多。 P37

他们用当时的方法估算出结构的最大拉应力,以确保这些应力小于材料额定的“抗拉强度”。 P38

英格利斯表明,这种方法只适用于表面光滑且没有形状突变的材料和结构。 P39

据此,钢板的应变和应力就很容易计算出来了。 P40

[4] 无视数学的英国传统靠19世纪一群杰出的工程师传承不绝,尤其是亨利·罗伊斯爵士(Sir Henry Royce),他造出了“世界上最好的轿车”。 P41

然而,在很多一线工程师接受这种计算方法后没多久,英格利斯就在他们心中播下了怀疑的种子。 P42

如果裂缝延伸得再远一些,导致船在海上断成两截,那么人员伤亡可能会非常严重。 P43

因此,能量可被视为科学的通货,我们常常可以借助能提供丰富信息的计量手段来追踪它的各种变换。 P44

为在山区快速行驶的汽车设计减震悬架,才是真正的难题。 P45

弓我会把神圣的奥德修斯的大弓给你,无论是谁,只要能赤手为此弓上弦,射穿全部12个斧头,我就同他远走,舍弃这宫殿。 P46

但是,长弓本质上是一种廉价且做工简单的武器,而复合弓做起来则要复杂得多,想必价格不菲。 P47

复合弓可以小到便于人们在马背上使用,比如帕提亚人和鞑靼人做的弓。 P48

标准的罗马攻城弩炮似乎可达到每次投掷90磅(约40千克)弹丸的水平。 P49

结果相当令人惊讶,理论上其能量转化过程的效率几乎可达到100%。 P50

此外,锚索和纤绳常见的断裂不是来自稳定负载,而是源于猛然拉动,所以通常最好把它们设置得长一些。 P51

但是,如果我们使其超负荷,它们迟早会被损坏。 P52

破坏大多数类型的化学键所需的能量值是众所周知的,至少对化学家来说如此。 P53

当这样的金属杆或金属片在拉伸作用下断裂时,材料在像糖浆或口香糖那样断裂之前就被拉开了;其断裂末端会逐渐变尖或呈锥状,如图5–10中所示。 P54

人造塑料和纤维复合材料有其他断裂功机制,与金属存在很大不同,但相当有效。 P55

这是因为缝隙在应力的作用下会裂开一点儿,所以紧邻裂缝表面的材料是松弛的(见图5–11)。 P56

)所以,一条安全裂缝的长度仅取决于断裂功与材料中存储的应变能的比值。 P57

事实上,源于冶金学家和材料学家想出的各种好理由,小于临界长度的裂缝仍可继续扩展,如我们将在第15章看到的那样。 P58

正是基于这些原因,所有钢材中大约有98%是低碳钢,即抗拉强度约为60 000~70 000 psi或450 MN/m2的软金属或可延展金属。 P59

据说某些非洲的鹿被狮子吓一跳时,它们的后腿也会发生类似的骨折。 P60

”中尉再次报告说。 P62

但是,许多更有趣的案例,比如给船舶装配帆索或空中索道的设计,则容易受到不确定和复杂因素的干扰。 P63

在技术层面,提供可靠的压力容器是晚近的成就,而我们极少会停下来想一想如果不使用管道会怎么样。 P64

为方便计,让我们先看看圆球形状的压力容器。 P65

换言之,导致香肠肠衣破裂的是周向应力,而非纵向应力。 P66

就所有这些用途而论,便利又经济的办法(见第14章)不是使用“刚性”的面板、外壳或单壳式构造,而是用某种柔韧的织物、外皮或膜覆盖住由杆、圆木或骨构成的强劲开放框架。 P67

对所有蝙蝠来说,翅膀的构成都是通过拉伸柔性皮肤膜覆盖细长骨骼组成的框架,这些骨骼本质上就是手指。 P68

最近,据来自美国的报道,更大的翼龙化石被发现了,其翼展约为无齿翼龙的两倍。 P69

鹰通常是伸出脚击打鸟的后背,导致鸟猛烈地加速,以致脖子被折断,很像实施绞刑时发生的情况。 P70

5分钟后,除了煤渣儿浮尘、木料,以及少数几个劫后余生者,什么都没剩下。 P71

因此,为了达到足够的刚性,各个部位通常要足够厚,才能使其应力足够小,这在工程师看来十分荒谬。 P72

3. 根本没有胶。 P73

图7–4 铆搭接合 图7–5 焊搭接合通常,我们想为承张的棒或杆加上某种锚座或实心锚具作为端接附件;在这里,类似的考虑也适用,只有一处应力集中的情况除外,它通常发生在杆进入锚座的那一点上(见图7–6)。 P74

依靠这种设计,我们能用相当小的钢制配件从塑料结构中分走大约40~50吨的载荷。 P75

此外,锈蚀可以像胶一样传递板材间的剪切作用,因此铆搭接合的强度通常会随时间增加。 P76

尽管如此,我记得自己见过焊接战舰上隔舱水压测试遭遇的许多麻烦。 P77

在基本的胡克弹性中,为简便起见,我们假定若材料能承受应力,便会无限期地维持,我们还假定只要应力保持不变,固体中的应变就不会随时间改变。 P78

[4] 据说达官贵人在乘坐国家礼宾马车时会晕车,原因也在于此。 P79

”——米尔恩(A. A. Milne),《小熊维尼》(Winnie-the-Pooh)当大自然创造出“生命”时,可能会略显焦急地环顾四周,想找个有用的罐子来盛放生命,因为生命不可能在长期裸露而无约束的情况下繁衍生息。 P80

3.表面张力不依赖于表面的横截面积,而取决于表面的宽度。 P81

事实上,任何由这种材料制成的结构必然类似于液体薄膜在表面张力作用下形成的结构,观察它们的最好办法就是在浴缸里吹肥皂泡。 P82

稍做变化,这种应力–应变曲线在动物组织尤其是膜中,其实非常普遍。 P83

我们在第6章中计算过,对像动脉壁这样的圆柱形容器而言,纵向应力只是周向应力的一半;无论容器的外壳是用什么做的,情况总是这样。 P84

s1方向上的应变e1常被称为“主应变”,s1在垂直于自身方向上产生的应变可被称为“次应变”(见图8–7)。 P85

[4]毫无疑问,身体内的动脉一直被拉伸,这是针对任何残余纵向应变的防备措施。 P86

[5]如我们所说,大部分动物组织的弹性表现都跟图8–5所示差不多。 P87

[6] 图8–9 弹性蛋白的假想形态当然,我们的大部分身体都是由肌肉组成的,肌肉是一种活性物质,它能通过收缩产生肌腱和其他部分所需的张力。 P88

基于这些原因,我们的祖先通常会尽可能地避开承张结构,而尽量选择所有部位都承压的构造。 P90

但是——再次引述《圣经》——并不是特别高的西罗亚楼却倒塌了,还死了18个人。 P91

事实上,砖块和石块的杨氏模量并不是特别高,如同我们能从索尔兹伯里大教堂的弯曲支柱(见插图1)上看到的,砖石建筑中的弹性运动绝不像人们猜想的那么微小。 P92

这本身不太重要,但对预计有事会发生的人来说,它必定变得越来越明显了。 P93

在上流社会中,女性的许多闲暇时光都会被利用起来,她们获得了更大的满足感,提升心智并获取知识,而非娱乐嬉戏,白白浪费空余的时间……然而,命运并不总是眷顾那些演讲者,无论他们多么诚挚地传播有用的知识,上流社会的一些女性可能还是会悄悄溜走,宁愿无聊地打发空余的时间。 P94

之后发生的事情如图9–9所示。 P95

结构是什么?Structures: Or Why Things Don’t Fall Down 科学与自然电子书 第2张

第二步,当炸弹爆炸时,坝体结构会在深处开裂,短暂的时间延迟之后,渗透进裂缝的高压水造成坝体的实际倾覆。 P96

传统拱的各个部位如图9–13所示。 P97

它已经如此存在了很长时间,并且相当安全。 P98

正因如此,这些事物直到近代才发明出来,至少是发展出它们的现代形式。 P99

此外,就纯粹的尺寸而言,许多的罗马桥梁和沟渠以任何标准衡量,都令人印象深刻。 P100

这似乎是“协和综合征”(Concorde syndrome)的一个早期案例。 P101

找人来盯一整夜,一整夜,一整夜;找人来盯一整夜;我美丽的女士。 P102

拱桥拱桥一直颇受欢迎,不论何种样式,都非常流行。 P103

铸铁是一种完全不同于锻铁和钢的材料,它非常脆。 P104

因此,在大型桥梁中,作用于桥墩的推力是相当大的,所以需要非常可靠的桥基。 P105

销接合的应力集中要求材料既有韧性又有延展性,比如锻铁,这种类型的铁链的确非常成功,几乎不会带来任何麻烦。 P106

在维多利亚时代英格兰建筑的25 000座大桥中,绝大部分都是铁路桥。 P107

1871年,英格兰的某位利勋爵具有重大嫌疑,人们怀疑他在沃里克郡斯通利的一座桥基里埋了一个“讨厌的家伙”。 P108

——《圣经·旧约全书·列王纪上》(1 Kings 7:1-3)头顶上有稳固的屋顶是文明存续的基本要求之一,但永久性的屋顶很沉重,所以如何支撑它们的难题其实和文明本身一样古老。 P109

然而,如果将一个令人赞叹、价格不菲的窗户镶嵌到一堵厚墙的隧道状孔洞中,那么它的大部分效果都会丧失。 P110

然而事实上,梁及其等效物桁架的应用并不仅限于建筑物的屋顶;梁与梁理论确实发挥了非常重要的作用,它们使技术文明成为可能。 P111

希腊神庙中通常包含一定数量的满跨度木制屋顶梁,在这里,梁只是简单地横卧在墙壁和列柱廊石楣的顶部。 P112

图11–8 为了节约空间和成本,将领梁提升过高的后果(略有夸张)一个典型的例子是,英格兰的建筑工匠制造出一种折中或权宜类型的木屋顶,被形容为“新颖性大于科学性”。 P113

大部分造船史都始于古埃及人在尼罗河上使用的小艇。 P114

木制板条非常短且不利于紧固,因此这种船也保留了传统的埃及中拱桁架构件。 P115

这种安排是为了让所有逐级向上的桅杆部位和帆桁可以不时地被降到甲板上。 P116

就我们刚才探讨的意义而论,所有梁,无论对于有生命的物体还是无生命的物体来说,都有同样的作用。 P117

铁很昂贵,但廉价的木料无数。 P118

此外,如果让所有构件既能承张又能承压,我们就可以将该结构简化为沃伦式主梁,如图11–17所示,或者类似的形式,这是最常用的普通钢构桁架。 P119

4号构件必然处于拉伸状态,但像2号构件(仍然处于压缩状态)一样,它对承重没有直接贡献,虽然没有它的话,桁架是支撑不起来的。 P120

图11–24 在许多工程梁中,剪切都是由连续的腹板来承受的。 P121

这些截面的优点是,较易于在轧钢厂用低碳钢轧制成型。 P122

”其实我敢说,我们中许多人都倾向于得出这样的结论,即事物在剪切状态下的行为方式归根结底是专家们操心的事情。 P124

其单位也同拉应力的单位相同,即psi、MN/m2等。 P125

直线部分的斜率相当于剪切模量抗剪腹板如我们在上一章所说,虽然在梁或桁架顶部和底部的凸缘上可能有很大的水平拉伸和压缩作用,但真正使结构发挥作用承受向下载荷的实际向上推力一定是腹板产生的,即来自将顶桁和底桁接合起来的中间部位。 P126

如果你相当精确地沿经纱或者纬纱拉扯,[1]那么这块布的伸展幅度极小;换言之,它在拉伸状态下是强劲的。 P127

当被告知美利坚号是第一艘驶过终点线的帆船时,女王问道:“谁是第二名?”“现在还看不到第二名,陛下。 P128

在这种情况下,尽管燃料管比原来更长,就像薇欧奈女士的腰身,但出于多种原因,纵向的延伸对推进剂的危害更小。 P129

织物的悬垂主要取决于它的剪切模量,尽管没几个女装裁缝会引用数据(国际单位制或任何其他单位制)描述丝绸和棉布的剪切模量G,但总的来说,“材料”的剪切模量越低,无用的起皱趋势越小。 P130

但D8刚一投入战斗就被发现,当空中格斗的战机因俯冲而受牵拉时,机翼会发生脱落。 P131

那么,从弹性角度来说,究竟发生了什么?挠曲中心与承压中心考虑一对类似且平行的悬臂梁或翼梁,每隔一段距离用水平纵向的翼肋来桥接二者的间隙,将它们连接到一起(见图12–10)。 P132

在带有简单的布蒙皮的单翼飞机机翼上,挠曲中心的位置和抗扭刚度几乎完全取决于主翼梁的相对弯曲刚度。 P133

这样一个箱抵抗扭转的方式如图所示。 P134

大自然似乎不介意耗费大量的时间和精力,而且金钱的价值对它而言根本没有意义。 P135

当我们让一个固体处于拉伸状态时,我们当然会将它的原子和分子拉开得更远,将材料聚合到一起的原子间化学键会因此伸展,但它们只能被安全地拉伸到有限的程度。 P136

我们在上一章说过,拉应力和压应力必然在45°方向上引发剪切,这些对角剪切通常会导致短支杆“承压失败”。 P137

部分原因在于,材料承压失效的实验值随所用试样形状的改变幅度比抗拉强度的改变幅度大得多。 P138

他说任何想干这种事的人(在此我把他的措辞进行了温和处理),跟那些在教堂里高声咒骂、往桌布上抹鼻涕的人都是一丘之貉。 P139

这样一来,当压应力达到约4 000 psi(27 MN/m2)时,梁——树木——就会开始断裂。 P140

这其中可能发生的事情是形成许多小折痕,一个接着一个,都在梁的承压表面上。 P141

一位友人建议他可以用这个方法计算一根细竖杆在其自身重量作用下屈曲的高度。 P142

一根长的支杆在屈曲时不会“断裂”,它会以弹性弯曲的方式避开载荷作用。 P143

这意味着我们得把支柱弄得更粗些。 P144

实现这一目标的方法之一是用绳索或缆绳固定杆或板,这是植物从未使用过的解决之道。 P145

当他拉动这个发明的末端时,它整个伸展开来,就像人们用作圣诞饰品的彩纸花饰。 P146

[6] 欧拉公式的几种现代推导可在教科书中找到。 P147

换言之,如果知道给定结构的尺寸及其构成材料的特性,我们至少能试着预测它应该有多强以及会发生多少挠变。 P149

但是,理论家仍然拥有最终的话语权。 P150

老式悬索桥的支撑链就属于这种情况,这种结构一般是由有韧性、可延展和抗拉强度相当低的锻铁制成的。 P151

所以,在承压状态下,支撑重载荷比支撑轻载荷在比例上要经济得多(见图14–1)。 P152

在实践中,这个害处可能大于各种“规模经济”的抵偿。 P153

因此,现代飞机往往被建造成连续壳体,用铝板、胶合板或玻璃纤维做外壳。 P154

它们通常会被打包装到汽车里。 P155

当车轮变小而载荷变大时,使用承张轮辐往往没多大好处。 P156

这项技术的材料——钢材、铝材和混凝土——本身就需要大量的能量来制造,表14–1显示了它们需要多少能量。 P157

碰巧的是,对于大多数传统结构的材料,比如钼、钢、钛、铝、镁和木材,E/ρ的值应是常数。 P158

这张表让人想弄明白,追求基于奇特纤维的材料是否真的合理。 P159

[2] 因为承张杆的横截面积与载荷成正比,而终端配件的体积随载荷的3/2次幂增加。 P160

在能量上有利的事情迟早会发生。 P161

这会发生在各种各样的联系中;有时它是无害的,而有时效果正相反。 P162

[3]如果结构设计完全是一个严谨的专业,当绘制曲线或“直方图”时,人们就可以预期,各种测试结果紧密聚集在120%全因子载荷值的附近,偏差极小。 P163

我们假设,设计师的目标应该是确定测试过程中结构初次失效所需的载荷。 P164

但是,许多主教座堂和其他建筑物都建在了松软的地面上。 P165

此外,飞机的设计也不应考虑撞上山丘的情况。 P166

如果他的发动机或车辆能转l06或l07圈(可能只需要花几个小时),那么它就有望是永远安全的。 P167

除了远洋贸易、欧陆贸易及依靠内河与运河的内陆贸易,还有更大规模的沿海贸易。 P168

回到木制船舶上来。 P169

船长唤醒并让他移开,阀门升起来,蒸汽咆哮而出,表明它已达到很高的气压。 P170

事实上,基于对破碎残骸的错误观察而出具的事故官方报告,是相当具有误导性的。 P171

舰载部队表现得英勇无畏、训练有素,他们迅速地退到后甲板上,妇女和儿童则被送上仅有的救生艇。 P172

舰长号代表了蒸汽战列舰演变的一个转折点,或许也是世界强国的现代概念的转折点。 P173

随风摇曳的芦苇当空气或水等流体流经一个障碍物时,比如一棵树或一条绳索,它的后面会形成涡流。 P174

设计确实不是一项非常精确的事,意料之外的事情会发生,错误也会发生,但更多时候,事故的“真实”原因是可以预防的人为失误。 P175

[1] Arnold, 1966.[2] 在英军轰炸机指挥部,飞行员每回“执勤”都包括30次出动或任务飞行。 P176

”——有关林肯总统的故事我曾经在一个炸药实验室工作。 P177

博物馆里的画作无疑是有帮助的,但在某种程度上,这是一种可怜的需要和绝望的庇护,不仅是为了逃离枯燥乏味的分析性讲座课,更重要的也是为了逃离像格拉斯哥这样的城镇的无处不在的丑陋。 P178

这些人的罪过不在于他们对其所为知之甚少,毕竟我们的所为乃是循天性而动——柏拉图深谙此理。 P179

虽然识别船名或船员是根本不可能的,但我对我的妻子说“驾船的是汤姆教授”。 P180

我认为,这就是为什么我们总是在许多寻常的人工制品从日常生活中谢幕后才想起欣赏它们,但这并不意味着它们就不具备绝对和永恒的美丽。 P181

我认为这不是因为这些人被歌剧《耐心》(Patience)里的吉尔伯特和苏立文及《猛击》杂志带偏了,而是因为它在很大程度上是一场逃避现实的运动,而且找错了靶子。 P182

这个项目计划在泰晤士河口处潮湿的棱纹沙滩上堆放巨量的混凝土、厂房和机器,那里本是群鸥翔集聒噪之处。 P183

大多数情况正相反,榨取最后一点儿性能会产生乏味的外观,现代游艇便是一例。 P184

就像所有伟大的艺术一样,帕提侬神庙也有多种诠释。 P185

这些建筑物是用石块建造的,看起来经过慎重而精妙的设计,以便使结构与材料的特性相匹配。 P186

18世纪的“哥特式”建筑有什么毛病?其中最佳者极其有趣而且十分美好。 P187

感谢牛津大学出版社和剑桥大学出版社惠允引用新英译本《圣经》(Second Edition ? 1970)。 P188

所幸,大量这样的信息可被还原为一套标准的案例或实例,其答案可以用相当简单的公式表示出来。 P189

然而,照我的经验,对于任何具有商业性和潜在危险性的东西,如果一个企业能制作的唯一“图纸”仅是一幅画在信封背面的草图,那么一旦将来到了法庭上,它就会显得非常愚蠢。 P190

对于矩形、管形、“I”形等对称截面,形心处于“正中”或对称中心。 P191

图Ⅱ–4然而,对于一个壁厚为t的薄壁管,则有I=πr3 t 图Ⅱ–5大量标准截面的I可在工具书中查到。 P192

于是,I=Ak2=常数·t4其中,A=横截面积,k=回转半径(附录Ⅱ)。 P198

关于平板的情况上述讨论适用于粗度能在二维上变化的柱,而平板的厚度只能在一维上变化。 P199

顺便说一句,这些东西比那些以各种巧妙方式拼接到一起的现代塑料玩具更具启发意义。 P200

透明材料中的剪切应力借助偏振光显示出来。 P203

这座神庙是罗马皇帝哈德良于公元138年左右按科林斯风格建造的。 P204

列车在梁的内部运行。 P205

不论是这台机器还是滑轮本身,都可能被视作悦目和美丽之物 插图22 第16章蒸汽艇的经典样式是由乔治·伦诺克斯·沃森设计出来的,它是所有船舶中最漂亮的范例之一。 P206

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