结构曾经被定义为用于支撑载荷的材料的任意组合，结构研究是传统科学分支之一。如果工程结构倒塌，可能会造成人员伤亡，因此工程师必须仔细研究结构的行为。不幸的是，当工程师宣传他们的职业时，麻烦就开始了：他们总是使用奇怪的术语，有些人认为研究结构及其载荷的方法令人困惑、无关紧要且无用。真无聊。但结构无处不在，我们确实不能忽视它们：毕竟，所有的植物和动物，以及几乎所有的人造物体，都必须能够承受一定程度的机械力而不被损坏，所以事实上，一切都有一个结构结构。

当我们谈论结构时，我们不仅会问为什么房屋和桥梁会倒塌，机器和飞机有时会出故障，还会问为什么蠕虫会长成它们的形状，以及为什么蝙蝠可以在翅膀完好无损的情况下飞过玫瑰丛。我们的肌腱如何运作？为什么我们会患“腰痛”？为什么翼手龙如此轻？鸟为什么有羽毛？我们的动脉如何工作？我们能为残疾儿童做些什么？为什么帆船要这样装配？为什么奥德修斯的弓这么难拉？古人为什么要在晚上把战车的轮子拆掉？希腊投石机是如何工作的？为什么芦苇会在风中摇曳？帕特农神庙为何如此美丽？工程师可以从自然结构中学到什么？医生、生物学家、艺术家和考古学家可以从工程师那里学到什么？

事实证明，了解结构的力学和损坏的原因是一场比人们预期的更加困难和漫长的斗争。直到最近，我们才弥补了一些知识空白，使我们能够以某种有效或巧妙的方式回答其中一些问题。当然，随着更多的拼图拼凑起来，画面变得更加清晰：这个主题作为一个整体不再局限于专业研究的狭隘范围，而是越来越与公众的普遍利益相关，普通人也可以从中受益。

“结构：为什么一切都没有崩溃？” 》，[英文]JE Gordon着，李青舟译，中信出版集团2024年10月版。

对人类生活至关重要的普通结构

任何人都可以创建它吗？

许多人——尤其是在英国——厌恶理论，而且他们通常不太尊重理论家。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，但他们认为自己有能力创造出与人类生命相关的结构。如果施加一些压力，他们可能会承认建造一座桥梁或一架飞机有点超出他们的能力，但有人真的能建造那些对人类生活至关重要的普通结构吗？这并不是说建造一个普通的棚屋也是需要多年研究的事情。不过，这个课题确实充满了陷阱，一不小心就会掉进去，很多事情并不像看上去那么简单。在绝大多数情况下，工程师只是被请来，与律师和哀悼者一起处理属于“实干者”的结构问题。

然而几个世纪以来，实干家们一直在按自己的方式行事，至少在制造业的某些领域是如此。如果你参观大教堂，你难免会想，究竟是建造者的技艺更打动你，还是他的信仰更打动你。这些建筑不仅规模宏伟，而且在某些方面似乎超越了枯燥笨重的建筑材料，上升到了艺术和诗歌的境界。

从表面上看，很明显，中世纪的泥瓦匠对如何建造教堂和大教堂了解很多，而且他们在这方面通常具有很高的成就和技能。然而，如果你有机会向一位石匠大师询问细节和原则，我想他可能会这样说：“上帝站立的手在建筑物中无处不在，我们建造它时只需遵守规则”传统和我们工艺的秘密。”

然而，我们看到和欣赏的是那些幸存下来的建筑：尽管中世纪的石匠有“秘密”、技能和经验，但他们并不总是成功的。在他们更雄心勃勃的尝试中，大部分建筑在建成后不久就倒塌了，有些甚至在施工过程中倒塌。但这些灾难大多数被视为神圣的惩罚、对邪恶的惩罚，而不是纯粹技术无知的后果。因此，我们有必要谈谈西罗亚塔。

《大都会》（2024）剧照。

或许，过去的建筑师、木匠和造船师因为太执着于优秀工艺的道德意义，从来没有科学地思考过一个结构为什么能够承受一定的荷载。雅克·海曼教授明确表示，建造大教堂的泥瓦匠不会以现代方式思考或设计。虽然中世纪工匠的一些成就令人印象深刻，但他们的“规则”和“秘密”的智力水平可能与烹饪手册没有什么不同。这些人所做的事情基本上都是在延续他们以前所做的事情。

砖石建筑是一种特殊情况，出于特殊原因，有时可以依靠经验和传统比例安全而简单地将教堂扩大为大教堂。对于其他类型的结构，这是不切实际的，甚至是危险的。这就是为什么虽然建筑物变得越来越大，但大型船舶的尺寸在相当长的一段时间内几乎保持不变。如果不利用科学方法提前预测工程结构的安全性，仓促地制造新的或完全不同的装置只会以灾难告终。

结果一代又一代人都没有用理性的思维去解决实力这个难题。但是，如果你总是把内心深处认为重要的事情搁置起来，那么你心理上一定不舒服，你害怕的事情往往就会发生。这个难题成为残酷和迷信的滋生地。当一位政要为新船的下水而打开一杯香槟，或者一位大腹便便的市长为一座建筑奠基时，这些仪式往往是一些残酷牺牲的最后遗迹。

在中世纪，天主教会禁止大多数祭祀仪式，但这并没有鼓励科学方法的使用。要彻底摆脱这种做法，或者认识到上帝可以通过科学法则的力量来行事，需要思想的彻底转变，这是我们今天很难体会到的精神蜕变。当科学术语几乎不存在时，就需要想象力和智力素养的巧妙结合。

材料与结构之间

没有明确的分界线

事实证明，古代的工匠从来没有在这方面下过功夫。有趣的是，对结构的严肃研究的真正开始可以归因于宗教裁判所的迫害和蒙昧主义政策。 1633年，伽利略的革命性天文学发现激怒了天主教会。他的作品被认为威胁了宗教神权政治和世俗权力的基础。教会严格禁止他从事天文学研究，在他著名的改革之后，他幸运地被允许退休到佛罗伦萨附近的阿切特里。名义上被隔离在家里，实际上是被软禁，他开始研究材料的强度。我想这是他能想到的最安全、干扰最小的话题。伽利略在对材料强度的理解上只是略有创新，但你必须记住，当他开始研究这一主题时，他已经七十多岁了，饱受折磨，还是一名囚犯。然而，他被允许与整个欧洲的学者通信，他的杰出地位为他的所有研究带来了权威和受欢迎。

在他现存的许多信件中，有几封涉及结构，其中他与法国海军陆战队之家的通信似乎特别富有成果。马林·梅森是一名耶稣会牧师，但没有人会否认他在金属丝上所做的工作。埃德梅·马里奥特（Edme Marriott）更年轻，也是第戎附近葡萄酒之乡圣马丁河畔博讷的牧师和修道院院长。他一生的大部分时间都在研究地质力学定律以及杆在拉伸和弯曲下的强度。在路易十四的领导下，他为法国科学院的成立做出了贡献，同时赢得了天主教会和国家的青睐。值得注意的是，这些人都不是全职建筑工人或造船工人。

《大都会》（2024）剧照。

到了马里奥特时代，对材料和结构在负载下的负载行为的研究被称为弹性科学。自从150年前这个学科引起数学家的注意以来，关于弹性的研究出现了无数乏味和晦涩的著作，一代又一代的学生对材料和结构的讲座感到厌倦。在我看来，没有必要故作高深、神秘，往往离题甚远。当然，对弹性的深入研究必须是数学上的、困难的，但这样的理论可能只是偶尔被成功的工程设计师所使用。大多数普通目的实际需要的知识对于任何关心的聪明人来说都很容易理解。街上的路人或者车间里的工人都认为自己不需要太多的理论知识。工程教师倾向于假装如果他们想要实现某些目标，没有高等数学的帮助他们就无法做到。即使他们能做到，那也只是异端邪说。在我看来，像你我这样的普通人奇怪地适合一些中间立场——我希望更有趣——的知识。

尽管如此，我们还是不能完全回避数学，据说数学起源于古巴比伦，也许大约在巴别塔建成的时候。对于科学家和工程师来说，数学是一种工具；对于数学家来说，数学是一种宗教；对于普通大众来说，数学是一个绊脚石。但事实上，每个人一生的每时每刻都离不开数学。当我们打网球或走下楼梯时，我们正在求解一页微分方程，使用我们大脑中的模拟计算机快速、故意、不假思索地进行计算。由于喜欢教条、虐待狂和幽灵教学的教师以正式和象征性的方式呈现数学学科，数学变得困难和晦涩。

在大多数情况下，无论何时真正需要数学论证，我都会尝试使用尽可能简单的示意图。然而，我还应该使用一些算术和一些初等代数。毕竟，这是一种简单、强大且方便的思维方式，尽管作为一名数学家这么说可能有些粗鲁。即使您认为自己天生无法理解代数问题，也不要害怕。

《大都会》（2024）剧照。

还有一点需要注意：结构是由材料制成的，我们既谈论结构又谈论材料；但事实上，材料和结构之间并没有明确的界限。钢铁无疑是一种材料，第四铁路桥无疑是一种结构，但钢筋混凝土、木材、人体这些成分相当复杂的东西，既可以视为材料，也可以视为结构。和艾格曼先生一样，本书中使用的“材料”一词指的是我们想用它来指代的任何事物。它并不总是与其他人所说的“物质”同义，有一天，我在鸡尾酒会上受到一位女士的启发。

“你能告诉我你是做什么的吗？”

“我是一位研究材料的教授。”

“玩服装材料一定很有趣吧！”

原作者/【英】JE Gordon

摘录/何叶