青竹受力的启示

文人墨客喜欢竹子的虚心，科学家喜欢竹子的“腹中空”。竹子的节节上升而成材，成功的秘诀正是竹子的“腹中空”。

力学的奠基人——一意大利科学家伽利略曾经对中空的固体做过研究，他在《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》说道：“我想再谈几句关于空中或中空的固体的抗力方面的意见，人类的技艺（技术）和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。这种物质可以不增加重量而大大增加它的强度，这一点不难在鸟的骨头上和芦苇上看到。它们的重量很小，但是有极大的抗弯力和抗断力。麦杆所支持的麦穗重量，要超过整株麦茎的重量。假如与麦秆同样重量的物质却生成实心的而不是空心的，它的抗弯和抗断力就要大大减低。”

“实际上也曾经发现并且用实验证实了，空心的棒以及木头和金属的管子，要比同样长短同样重量的实心物体更加牢固。当然，实心的要比空心的细一些。人类的技艺就把这个观察到的结果应用到制造各种东西上，把某些东西制成空心的，使它们又坚固又轻巧。”

一般竹子的横向截面，直径为 6 厘米，壁厚为 0.5 厘米，假如把竹子做成实心的，则其抗弯能力是原来的 1/10。由于竹子是细长的承受自身重量的受压杆件，假如把竹子做成实心后，在自身重量的压力下它会摇摆不定而失去平衡。由于竹子品种的不同，生长的高度也不一样。毛竹可以参天，但把毛竹做成实心的，经科学计算，只能长到高梁杆那样高。

根据力学原理，一根杆件在其横向截面，应尽可能把材料向周边分布， 正由于这样才形成了中空。而且，越是优质材料越是向边缘布置。竹子就是这样，它的表面呈现出青色的叫竹青，往往是竹编的好材料。

竹子的“腹中空”，增大了抗弯和抗断能力，而且降低了自身重量。任何植物，除了抗风以外，主要是抗衡自身重量。德国有一句谚语：“大自然很关心，不让树木长到天顶。”树木之所以长不到天顶，是受风力和自重的制约，竹子之所以有现在的高度，功劳完全归于“腹中空”。仔细观察自然界，像竹子那样“腹中空”的植物还真不少哩，如麦子、高梁、玉米、芦苇等。

文学家歌颂竹子的气节，从力学的角度来说，竹子的竹节是抵抗横向剪切的关键，是竹子强度有机的部分。农业上小麦减产主要原因之一是“倒伏”， 那是小麦返青拔节时，由于雨水过多，生长迅速而拔节快，形成节与节之间间距大，减低了麦秆的抗剪能力，头重脚轻杆软倒伏于地的缘故。

一座建筑，都是由很多杆件组合而成的，有的杆件承受压力，有的杆件承受拉力，有的杆件承受弯曲，有的杆件承受剪切，有的杆件承受扭转，有的杆件承受以上几种情况的组合受力。对于长而细的承受压力的杆件，它的破坏并不是由于强度不够而折断，而是由于不能保持原来的直线而偏移。虽然没有折断，但偏移而离开了原来直线位置，同样会导致整座建筑的破坏， 这种现象在科学上称为“压杆失稳”。

压杆失稳在建筑上产生过很多严重事故：

1907 年加拿大魁北克的圣劳伦斯河上的钢桥，当时正在架设中间跨桥梁时，由于悬臂钢桁架中个别受压杆失去稳定产生屈曲，造成全桥坍塌；1925 年，前苏联的莫兹尔桥在试车时，也是受压杆件失稳而破坏；1940 年，美国

的塔科马桥，刚完工 4 个月，在一场大风中，由于侧向刚度不足而失去稳定， 使整个桥梁扭转摆动而破坏；美国东部康涅狄格州哈特福市中心体育馆，能容纳 12500 人的大跨度网架结构，于 1971 年施工，1975 年建成，在 1978 年的一场暴风雪中倒塌，事故的原因也是个别压杆失稳。

面对着自然界中的狂风暴雨，青竹节节上升，自然优化，适者生存，合理受力，给人们带来了众多的启示。