ep212

靜力學與材料力學最大的區別是什麼？

答案就在於——是否考慮『材料』本身。

在靜力學中，我們通常忽略材料的形變。

也就是說，無論是一根一米長的杆件被用作橋樑還是立柱，

無論是否施加軸向載荷，它最初的一米長度都恆定不變。

這就是所謂的『剛體』，或者用一個更耳熟能詳的詞——『Rigid Body』。

然而，現實世界中的材料並非都是剛體。

雖然工程學崇尚化繁爲簡，在某些情況下將材料假設爲剛體也無傷大雅，

但歸根結底，每種材料都有其獨特的脾氣。

比如磚塊，抗壓極強卻極不耐拉；

而對於熱衷公路自行車的玩家來說，碳纖維可是老熟人，它恰恰相反，抗拉卓越卻懼壓。

還有些材料，像鋁，承受巨大載荷時不會立刻斷裂，而是會先發生延展變形；

另一些則像玻璃或陶瓷，一旦載荷超過臨界值，絕不拖泥帶水地變形，直接當場破碎。

我們將材料的這些固有特性稱爲『物質性質』，簡稱『物性』。

所以說，工學院之所以不把材料知識併入靜力學，而是專門開設一門課程來講授，

原因不言而喻：在製造萬物時，材料的物性至關重要。

不信？舉個栗子。

前世曾有過這麼一起轟動一時的事件：一羣富豪乘潛水器下潛去參觀泰坦尼克號殘骸，結果全員遇難。

新聞主要都在指責策劃那次觀光項目的公司技術不過關——畢竟誰能想到，操控潛艇的控制器竟然是個遊戲手柄。但在工科生眼裏，一看那潛艇的參數，除了拍大腿罵娘也沒別的話好說。

那潛艇是用碳纖維做的。

材料所受的外力主要分爲四種：壓縮、拉伸、彎曲、扭曲。

看着這個被我傾注心血培養的工程寶貝認真做筆記的樣子，我不由得露出欣慰的微笑。

我帶着實時受驚的塞莉娜，還有那個對即將發生什麼一無所知、在摺疊牀上睡得正香的諾亞，一起走到了外面。

「這是…塞倫大橋？」

聽我這麼一說，傑莉婭和艾瑞克像兩隻小狗似的，立馬湊了過來。

「誒？這、這是誇獎對吧？」

「試着想象一下，當魔法陣失效時，塞倫大橋會怎樣崩塌？」

靠這種湊合式的設計，絕對承受不住自身的重量。

「這哪裏是潛艇，分明是口棺材。」

「我覺得非常壯觀呢。」

「改變力的流向？」

「要不，把它拆了吧？」

那麼，從零開始新建，和修補別人留下的爛攤子——你覺得哪個更輕鬆？

「哦？具體說說看？」

是啊…原來塞莉娜也這麼想。

儘管傑莉婭在後面不停埋怨讓她掉下去，她還是繼續和我交替查看設計圖。

「總之，最根本的解決方案就是你剛纔說的方法。既然是拉伸力的問題，讓拉伸力消失就行。具體有兩種途徑。」

一旦超過了屈服載荷，它可不像鋁材那樣還能拉伸延展、勉強撐住，而是直接「啪」的一聲斷掉。

不過呢，塔莎。

塞莉娜雖然好奇心旺盛，但終究是這個世界的居民。感覺和我果然不太一樣麼…

我的導師看到這新聞時，給出了這樣的評價：

嗯？怎麼了？

這就是前世被稱爲外部膛線加固工法的方法。

因爲在我眼裏，眼前的塞倫大橋，看着根本不像座橋，倒更像是一根巨大的管子。

也就是說，得從頭開始，一項一項全部重新測量。

我就像吸血水蛭一樣跟上去，再次黏在她身邊。透過我們相觸的皮膚，我甚至能感覺到她起了一層雞皮疙瘩。

如果磚塊散開是個問題，那不讓它們散開就行了。就像用繩子把箱子牢牢捆住防止打開一樣，安裝膛線把磚塊緊緊固定住，不讓它們隨意散開。

我朗聲笑着回答。

「呀?! 塔、塔莎？太近了…」

不愧是塞莉娜。我緊緊握住她的手低語：

塞莉娜突然整個人貼了過來，聲音裏帶着微妙的熱切，看來是好奇心開關被徹底打開了。

「嗯…因爲無法承受自身重量，從中部開始像被壓彎似的下垂…」

他一聽我的回答，立刻移開視線，一溜煙跑回了座位。

剎那間，塞莉娜原本閃閃發亮的臉上掠過一絲陰霾。

「嗯。你覺得這座橋怎麼樣？」

「問題就在這兒。塞倫大橋的寬度太寬，磚塊不僅想往縱向散開，還想往橫向散開。」

就像剛纔提到的，碳纖維抗拉不抗壓。

「塞倫大橋的問題嗎？呃…」

而且，把鋼筋和磚塊連接起來也是個事兒。

「唔。這樣啊…原來如此…」

標準答案。無可挑剔的完美解答。

「哼，你就嘴上說說吧。」

可我不還是得加固那座破橋嗎？磚塊尺寸亂七八糟，當初設計的承重和規格在不同資料裏也各說各話，根本不可靠。更別提那座橋上還畫滿了密密麻麻、毫無用處的魔法陣。

「我在想，要不要把塞倫大橋給拆了。」

「施工難度會很高，費用也會很貴吧。」

我在設計圖上做着筆記繼續說道：

我一邊嘟囔着，目光又重新落回桌面。

「應該是柱與柱之間的橋面會先坍塌。」

「塔、塔莎……」

「這次會談決定要加固這座橋。」

一直緊貼着我的塞莉娜稍微拉開了點距離。

「什麼？你要拆什麼？」

那、那個…應該是新建更容易吧？

「那除了橋的側面，下面也得密密麻麻地連接膛線纔行啊。就像網一樣。不過那樣的話…」

「塞莉娜，在你看來，這座大橋最大的問題是什麼？」

我邊想邊稍稍遠離了滿臉通紅的塞莉娜。看着她不過是被人握個手就喘不過氣的模樣，我雖覺好笑卻繼續講解：

「塞莉娜…」

沒錯。現在明白結構的重要性了吧？

問得好。不過在回答之前，我也問你個問題。塞莉娜也覺得比起拆毀塞倫大橋，加固方案更好吧？

不如趁此機會檢驗一下塞莉娜這段時間的學習成果。

雖說有橋的設計圖和規格參數，但考慮到這個世界的環境——簡陋的測量工具加上不靠譜的數據，魔法反而更受重視——那些資料根本靠不住。

讓橫向磚塊底部產生的張力沿着曲線流動，作用到下方磚塊的縱向壓縮力上。結果，磚塊只剩下互相推擠的壓縮力，不僅不會坍塌，反而變得更堅固。

正欣慰時，塞莉娜突然擡起頭，露出困惑的表情。

說白了，這種材料根本不適合深海那種由巨大水壓主宰的環境。

「這種情況下，曲線的設計就很重要了。如果施加的力的方向超過了推力線，就會產生裂縫，導致坍塌。」

就像超人接住墜落的飛機時，飛機會以超人爲界斷成兩截一樣——這種彎曲力矩會導致結構咔嚓斷裂。（當然塞倫大橋的雙端支撐結構略有不同，但原理相通）

「塞倫大橋？加固？要怎麼做?! 」

塞莉娜用力點頭，活像個剛認識世界的嬰兒。人小時候不就是會對路邊萬物充滿好奇，把活着本身當作探索未知的冒險嗎？

連我人脈裏最自由隨性的兩位都是這種反應，其他人根本不用猜——豈止是移開視線，怕是會嚇得跳起來大呼小叫。

「噢…」

沒錯。這就是我想把橋拆了重來的原因。

「那麼，我現在該從何着手呢？當然是測量了？從磚塊的尺寸、重量，到大橋上使用的浮空魔法陣能承載多重，以及結合魔法陣在磚塊和砂漿之間提供了多大的粘結力。所有一切，都必須從頭到尾全部量化。」

「來得正好。」

看來得儘快重新擬定正式的研究生合約了…纔不是奴隸契約呢。

這座粗糙得像《我的世界》裏搭出來的橋，到底該如何是好。

看來就算是傑莉婭和艾瑞克這對活寶，也不敢隨便拆掉塞倫大橋。準確來說不是做不到，而是害怕事後引發的連鎖反應吧。

「看來……得幹體力活了？」

能夠憑直覺判斷建築物最脆弱的部分會如何最先垮塌，正是工學者的天賦所在。因爲工學者最先關注的，往往就是結構最薄弱的環節。

「工程學是數字的學問。只有掌握了準確的數據，才能開始工作。」

「呃……這有點……"

「就當我什麼都沒說。」

「如果問題是材料不斷被拉伸…綁起來不就好了？」

確實如此。

當然，潛艇沒采用耐壓更好的球形結構而是做成了圓筒形，再加上維護做得亂七八糟，這些固然也是事故原因，但依我看，從選材那一刻起，這就已經註定要完蛋。

正發愁時，塞莉娜端着茶杯自然地坐到我身旁。她瞥見桌上的設計圖，又把肩膀朝我貼近了些。

而協助我工作近一年的塞莉娜，似乎已經初步具備了這種素質。

更別提塞倫大橋的寬度竟達16米。據我所知，中世紀橋樑的寬度最多也就4到6米，這已經是兩倍以上了。

「第一種很簡單，只要從外部施加比拉伸力更強的壓力就行了。」

應該是加固更好吧？聖域之國本就崇尚魔法祝福文化，而且塞倫大橋本身就是學院的遺產象徵。

「那解決方法有哪些呢？」

話說回來，我爲什麼要舉這個例子，特意把材料的重要性重新提出來講呢？

「咿——！」

說到底，爲了持續施加壓縮力，必須把固定做得結結實實，但磚塊容易碎的特性，可能導致固定處出現破裂或脫落。

「不用在外部膛線上安裝額外的膛線，讓磚塊之間互相推擠就行了。」

您明明已經知道解決方法了，爲什麼之前還要那麼苦惱呢？

這正是拱橋的基本原理。

「這裏說第二個方法。這是改變施加在橋上的力的流向。」

「會是什麼樣的情況？」

其中彎曲可以看作是拉伸與壓縮同時作用的狀態——剛纔說磚塊的缺點是什麼來着？抗拉強度弱。甚至連連接磚塊的石灰砂漿也經不起拉伸。

「你…終身。」

「唉…好想灌鋼筋混凝土啊。」

「遇到什麼難題了嗎，塔莎？」

簡單來說…前者是硬抗壓力的結構，後者是疏導力量的結構對吧！

「回答正確。」

「大小相等方向相反的力會相互抵消歸零對吧？如果是拉伸力的問題，施加同等…不，施加更強的壓力就行了對嗎？」

「今晚可不會讓你們睡覺哦。」

伴隨着這樣一句浪漫的宣言。