第1章
如何与工程师无障碍地沟通

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会坍塌、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？为什么拉开奥德修斯之弓很难？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，我们才补上了部分知识漏洞，这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，普通人也能从中获益。

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，弱小的、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。亚里士多德口中的相互吞噬，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，胎儿的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，但植物既不能追捕食物，也没法躲避天敌。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启发。

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，或许工程师口中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。

工艺结构

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，这是现代工程师都未必具备的；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。^[1]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。如果更宽泛地看待这个问题，我们或许可以发现，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。

无论我们持何种观点，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。

结构与审美

如今，我们往往受制于某种先进工艺，还得保证其安全有效，这就需要我们高明地应用结构理论。然而，人并非仅仅以安全和效率为生，我们还得面对这样一个事实：这世界在外观上变得越发令人沮丧了。这与其说是“自找的丑”，不如说是平庸乏味的盛行。现代人的作品罕有令人赏心悦目的。

然而，大部分18世纪的人工制品，哪怕是那些相当不起眼的，在我们很多人看来，至少是令人愉悦的，有的甚至堪称精美绝伦。就此而论，18世纪的人——所有人——过得比我们今天的大部分人都要更加丰富多彩。我们如今为老宅和古董付出的价格就反映了这一点。一个更具创造力和自信心的社会不会对太祖辈的屋子和家当抱有那么强烈的怀旧之情。

虽然本书并不打算阐述繁复甚至有争议的实用艺术理论，但对这个问题却不能置之不理。前面提到，几乎每一件人工制品在一定意义上都包含这种或那种结构。尽管大部分人工制品并非为了满足情感的需要或达到审美的效果，但我们务必要意识到，世上没有无情的表达。演说、写作、绘画，或者工业设计概莫能外。不管有心还是无意，我们设计制造的每一件东西都带有某些个人色彩，无论好坏，都超越了表面上的理性初衷。

我认为我们还面临着另一个问题——沟通。大部分工程师完全没有接受过审美训练，工科学校倾向于鄙夷这类浮华之事。而且，满满当当的教学大纲中已挤不出空间留给审美。现代建筑师已经说得非常清楚，他们不会从自己高雅的社会性任务中挤出时间来考虑建筑强度之类的琐事；实际上，他们也不会把太多时间花在审美上，况且他们的客户大概也不怎么感兴趣。同样令人难以置信的是，家具设计师在接受的正规训练中也没有学习过如何计算书放在普通书架上产生的挠度，所以大多数设计师似乎完全不懂如何把产品外观同其结构联系起来，也就没什么可奇怪的了。

高楼为什么会倒塌

许多人——尤其是英格兰人——厌恶理论，他们一般不怎么看得起理论家。这似乎特别适用于强度和弹性问题。相当一部分人不敢涉足化学或医学领域，却自认为有能力制造出一个关乎人命的结构。如果施加一些压力，他们可能会承认造一座大桥或一架飞机有点儿超出他们的能力范围，然而，那些关乎人命的普通结构真的就谁都能造出来吗？

这不是说搭一座寻常的棚子也是一件需经年累月研究的要事，然而，这个学科确实遍布着稍不留神就会掉入的陷阱，许多事情并不像看上去那么简单。在绝大多数情况下，工程师只是同律师和送葬者一道被叫进来，专门应付本属于“实干家”的结构事务。

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。如果你游览一座主教座堂，你难免会思考，建造者的技巧和信仰哪一个给你的印象更深。这些建筑不仅仅在体量上堪称宏伟，某些方面似乎还超越了其构造材质的沉闷笨重，升华到了艺术与诗性的境界。

从表面上看，中世纪的石匠显然对如何建造教堂和主教座堂了如指掌，当然他们往往成就斐然且精于此道。然而，如果你有机会向一位石匠大师讨教此中的细节和原理，我想他可能会这么说：“建筑的屹立有赖于无处不在的上帝之手，当我们建造它时，我们只需恪守传统的规矩与我们技艺的奥秘。”

然而，我们看见和欣赏的是那些存世的建筑：虽然身负“奥秘”、技巧和经验，但中世纪的石匠也不总是成功的。在他们更具野心的尝试中，很大一部分在建成后不久便坍塌了，有的甚至在施工期间便倒下了。但是，这些灾难多半被视为天谴，是为了惩罚罪恶，而不是纯粹由技术上的无知造成的后果。因此，我们有必要谈谈西罗亚楼。^[2]

或许，因为太沉迷于好手艺的道德意义，旧时代的建筑师、木匠和造船工未曾从科学角度思考过一个结构为何能够承载一定的负荷。雅克·海曼（Jacques Heyman）教授曾明确指出，造主教座堂的石匠，无论如何也不会以现代的方式思考或设计。虽然中世纪工匠的一些成就令人印象深刻，但他们那些“规矩”和“奥秘”的智力水准可能和一本烹饪手册没多大区别。这些人所做的事情基本上就是沿袭以前的工作。

我们将在第9章看到，砖石结构是一种特例，仅依靠经验和传统比例将小教堂扩建为大型主教座堂有时之所以安全可行，是有其特殊原因的。而对其他类型的结构而言，这么做则行不通，甚至相当危险。这就是为何虽然建筑物越来越大，但在相当长时间里大型船舶的尺寸几乎保持不变。不事先用科学的方法来预测工程结构的安全性，贸然制造全新或截然不同的装置，只能以灾难告终。

因此，一代又一代人都未曾用理性的思维解决强度的难题。然而，如果你总是在内心深处搁置自认为很重要的问题，那么你在心理上一定不舒服，你害怕的事往往会发生。这个难题变成了滋生残忍和迷信的温床。当某位达官贵人为新船下水开香槟酒，或者一位大腹便便的市镇长官为建筑开工奠基时，这些仪式典礼往往成为某些残忍献祭的最后残余。

中世纪，天主教会查禁了大多数献祭仪式，但这对鼓励科学方法的使用并没有多大帮助。为了完全摆脱此类做法，或者说为了承认上帝可以借助科学规律的力量来行事，需要一次彻底的思想转变，一种我们今天难以体会的精神蜕变。当科学术语几乎不存在时，就需要将想象力与知识素养别出心裁地结合在一起。

结果表明，旧时代的工匠从未在这方面做出过努力。有趣的是，关于结构的严肃研究的真正开始，可归因于宗教裁判所的迫害和愚民政策。1633年，伽利略因其革命性的天文发现而触怒天主教会，他的工作被认为威胁了宗教神权和世俗政权的基础。教会严禁他涉足天文学研究，在众所周知的改邪归正之后，^[3]他幸运地获准退隐于佛罗伦萨附近的阿切特里。名义上蛰居家中，实质上被软禁的他开始研究材料强度，我猜想这是他可以想到的最安全且颠覆性最小的课题了。

伽利略对有关材料强度的认识而言，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。然而，他获准同欧洲各地的学者通信，而他的显赫声名为他从事的所有研究都赋予了权威性和知名度。

在他存世的许多信件中，有几封是关于结构的，其中他与法国的马林·梅森（Marin Mersenne）的通信似乎尤为成果显著。马林·梅森是一位耶稣会神父，但想必无人会否认他在金属丝强度方面的研究。埃德梅·马略特（Edmé Mariotte）更年轻，也是一位神父，是第戎附近的葡萄酒之乡圣马丁苏博讷的修道院院长。他用了大半辈子的时间来研究地质力学的规律，以及杆在拉伸和弯曲状态下的强度。在路易十四治下，他促成了法兰西科学院的创立，并同时博得了天主教会和当局政权的欢心。值得注意的是，这些人里没有一个是专职的建筑或造船工匠。

到了马略特的时代，研究负载下的材料和结构负载行为的这门学问开始被称为弹性科学（原因将在下一章中揭示），我会在本书中反复使用这个名词。自150年前这门学科得到数学家的重视后，有关弹性的枯燥晦涩的著作汗牛充栋，一代代学生在有关材料和结构的讲授中深受无聊的摧残。以我之见，故作高深与故弄玄虚实无必要，而且往往离题万里。固然，有关弹性的深层次研究一定与数学有关，也非常艰深，但这类理论可能只是偶尔被成功的工程设计人员采用。大多数寻常用途实际所需的学问，很容易被任何有心的聪明人理解。

街上的路人或车间里的工人认为他们几乎不需要理论知识。工科教员则倾向于假称，想要有所收获，不借助高等数学是办不到的，即使办得到，也不过是旁门左道。而在我看来，像你我这样的凡夫俗子跟某些介于中间的——我希望是更有趣的——知识异常投缘。

尽管如此，我们还是不能完全回避数学问题，据说它起源于古巴比伦，也许就是建造巴别塔的时代。对科学家和工程师而言，数学是一种工具；对数学家而言，数学是一门宗教；而对普罗大众来说，数学则是一块绊脚石。但事实上，所有人在生活中的每时每刻都离不开数学。当我们打网球或下台阶时，我们相当于在解整页的微分方程，我们的计算迅速、从容且不假思索，借助的是大脑里的模拟计算机。由于偏爱教条、施虐和鬼画桃符的好为人师者对这门学科形式化、符号化的表述，数学变得艰深晦涩。

在大部分情况下，在任何真正需要用数学方法论证的地方，我都会尽量使用最简单的示意图表。但是，我应该也会用到一些算术和一点儿初等代数知识，这毕竟是一种简单、强大且方便的思维模式，虽然这样说可能对数学家有些无礼。就算你以为自己天生搞不懂代数问题，也请不要畏惧它。可是，若你执意略过它，你仍可以从本质上读懂本书，而不至于错过太多细节。

还有一点要注意：结构是由材料构成的，我们既会谈结构，也会聊材料；但事实上，材料和结构之间并没有明确的分界线。钢无疑是一种材料，福斯铁路桥无疑是一个结构，但钢筋混凝土、木材和人类肌体——所有这些东西都具有相当复杂的构成——既可被视为材料，也可被看作结构。就像蛋头先生^[4]那样，本书中使用的“材料”一词，指代了我们想用它指代的任何东西。它与其他人所谓的“材料”并不总是同义，这一点还是某次鸡尾酒会上一位女士给了我启发。

“能告诉我你是做什么的吗？”

“我是一名研究材料的教授。”

“摆弄衣服料子该是一件多么有趣的事啊！”

[1] 这里的“更轻”指比活塞和风箱更轻。

[2] 吉尔伯特·默里（Gilbert Murray）在《希腊宗教的五个阶段》（Five Stages of Greek Religion，O.U.P., 1930）中，对该话题的异教观点进行了有趣的探讨。此外，涉及结构的泛灵论问题也值得研究。

[3] 当时他被迫放弃地球绕太阳公转的观点。1600年，布鲁诺曾因这一异端思想被处以火刑。

[4] 蛋头先生是英文童谣中的角色，比喻摔坏了就无法修复的东西。——译者注