ep212

静力学与材料力学最大的区别是什么？

答案就在于——是否考虑『材料』本身。

在静力学中，我们通常忽略材料的形变。

也就是说，无论是一根一米长的杆件被用作桥梁还是立柱，

无论是否施加轴向载荷，它最初的一米长度都恒定不变。

这就是所谓的『刚体』，或者用一个更耳熟能详的词——『Rigid Body』。

然而，现实世界中的材料并非都是刚体。

虽然工程学崇尚化繁为简，在某些情况下将材料假设为刚体也无伤大雅，

但归根结底，每种材料都有其独特的脾气。

比如砖块，抗压极强却极不耐拉；

而对于热衷公路自行车的玩家来说，碳纤维可是老熟人，它恰恰相反，抗拉卓越却惧压。

还有些材料，像铝，承受巨大载荷时不会立刻断裂，而是会先发生延展变形；

另一些则像玻璃或陶瓷，一旦载荷超过临界值，绝不拖泥带水地变形，直接当场破碎。

我们将材料的这些固有特性称为『物质性质』，简称『物性』。

所以说，工学院之所以不把材料知识并入静力学，而是专门开设一门课程来讲授，

原因不言而喻：在制造万物时，材料的物性至关重要。

不信？举个栗子。

前世曾有过这么一起轰动一时的事件：一群富豪乘潜水器下潜去参观泰坦尼克号残骸，结果全员遇难。

新闻主要都在指责策划那次观光项目的公司技术不过关——毕竟谁能想到，操控潜艇的控制器竟然是个游戏手柄。但在工科生眼里，一看那潜艇的参数，除了拍大腿骂娘也没别的话好说。

那潜艇是用碳纤维做的。

材料所受的外力主要分为四种：压缩、拉伸、弯曲、扭曲。

看着这个被我倾注心血培养的工程宝贝认真做笔记的样子，我不由得露出欣慰的微笑。

我带着实时受惊的塞莉娜，还有那个对即将发生什么一无所知、在折叠床上睡得正香的诺亚，一起走到了外面。

「这是…塞伦大桥？」

听我这么一说，杰莉娅和艾瑞克像两只小狗似的，立马凑了过来。

「诶？这、这是夸奖对吧？」

「试着想象一下，当魔法阵失效时，塞伦大桥会怎样崩塌？」

靠这种凑合式的设计，绝对承受不住自身的重量。

「这哪里是潜艇，分明是口棺材。」

「我觉得非常壮观呢。」

「改变力的流向？」

「要不，把它拆了吧？」

那么，从零开始新建，和修补别人留下的烂摊子——你觉得哪个更轻松？

「哦？具体说说看？」

是啊…原来塞莉娜也这么想。

尽管杰莉娅在后面不停埋怨让她掉下去，她还是继续和我交替查看设计图。

「总之，最根本的解决方案就是你刚才说的方法。既然是拉伸力的问题，让拉伸力消失就行。具体有两种途径。」

一旦超过了屈服载荷，它可不像铝材那样还能拉伸延展、勉强撑住，而是直接「啪」的一声断掉。

不过呢，塔莎。

塞莉娜虽然好奇心旺盛，但终究是这个世界的居民。感觉和我果然不太一样么…

我的导师看到这新闻时，给出了这样的评价：

嗯？怎么了？

这就是前世被称为外部膛线加固工法的方法。

因为在我眼里，眼前的塞伦大桥，看着根本不像座桥，倒更像是一根巨大的管子。

也就是说，得从头开始，一项一项全部重新测量。

我就像吸血水蛭一样跟上去，再次黏在她身边。透过我们相触的皮肤，我甚至能感觉到她起了一层鸡皮疙瘩。

如果砖块散开是个问题，那不让它们散开就行了。就像用绳子把箱子牢牢捆住防止打开一样，安装膛线把砖块紧紧固定住，不让它们随意散开。

我朗声笑着回答。

「呀?! 塔、塔莎？太近了…」

不愧是塞莉娜。我紧紧握住她的手低语：

塞莉娜突然整个人贴了过来，声音里带着微妙的热切，看来是好奇心开关被彻底打开了。

「嗯…因为无法承受自身重量，从中部开始像被压弯似的下垂…」

他一听我的回答，立刻移开视线，一溜烟跑回了座位。

刹那间，塞莉娜原本闪闪发亮的脸上掠过一丝阴霾。

「嗯。你觉得这座桥怎么样？」

「问题就在这儿。塞伦大桥的宽度太宽，砖块不仅想往纵向散开，还想往横向散开。」

就像刚才提到的，碳纤维抗拉不抗压。

「塞伦大桥的问题吗？呃…」

而且，把钢筋和砖块连接起来也是个事儿。

「唔。这样啊…原来如此…」

标准答案。无可挑剔的完美解答。

「哼，你就嘴上说说吧。」

可我不还是得加固那座破桥吗？砖块尺寸乱七八糟，当初设计的承重和规格在不同资料里也各说各话，根本不可靠。更别提那座桥上还画满了密密麻麻、毫无用处的魔法阵。

「我在想，要不要把塞伦大桥给拆了。」

「施工难度会很高，费用也会很贵吧。」

我在设计图上做着笔记继续说道：

我一边嘟囔着，目光又重新落回桌面。

「应该是柱与柱之间的桥面会先坍塌。」

「塔、塔莎……」

「这次会谈决定要加固这座桥。」

一直紧贴着我的塞莉娜稍微拉开了点距离。

「什么？你要拆什么？」

那、那个…应该是新建更容易吧？

「那除了桥的侧面，下面也得密密麻麻地连接膛线才行啊。就像网一样。不过那样的话…」

「塞莉娜，在你看来，这座大桥最大的问题是什么？」

我边想边稍稍远离了满脸通红的塞莉娜。看着她不过是被人握个手就喘不过气的模样，我虽觉好笑却继续讲解：

「塞莉娜…」

没错。现在明白结构的重要性了吧？

问得好。不过在回答之前，我也问你个问题。塞莉娜也觉得比起拆毁塞伦大桥，加固方案更好吧？

不如趁此机会检验一下塞莉娜这段时间的学习成果。

虽说有桥的设计图和规格参数，但考虑到这个世界的环境——简陋的测量工具加上不靠谱的数据，魔法反而更受重视——那些资料根本靠不住。

让横向砖块底部产生的张力沿着曲线流动，作用到下方砖块的纵向压缩力上。结果，砖块只剩下互相推挤的压缩力，不仅不会坍塌，反而变得更坚固。

正欣慰时，塞莉娜突然擡起头，露出困惑的表情。

说白了，这种材料根本不适合深海那种由巨大水压主宰的环境。

「这种情况下，曲线的设计就很重要了。如果施加的力的方向超过了推力线，就会产生裂缝，导致坍塌。」

就像超人接住坠落的飞机时，飞机会以超人为界断成两截一样——这种弯曲力矩会导致结构咔嚓断裂。（当然塞伦大桥的双端支撑结构略有不同，但原理相通）

「塞伦大桥？加固？要怎么做?! 」

塞莉娜用力点头，活像个刚认识世界的婴儿。人小时候不就是会对路边万物充满好奇，把活着本身当作探索未知的冒险吗？

连我人脉里最自由随性的两位都是这种反应，其他人根本不用猜——岂止是移开视线，怕是会吓得跳起来大呼小叫。

「噢…」

没错。这就是我想把桥拆了重来的原因。

「那么，我现在该从何着手呢？当然是测量了？从砖块的尺寸、重量，到大桥上使用的浮空魔法阵能承载多重，以及结合魔法阵在砖块和砂浆之间提供了多大的粘结力。所有一切，都必须从头到尾全部量化。」

「来得正好。」

看来得尽快重新拟定正式的研究生合约了…才不是奴隶契约呢。

这座粗糙得像《我的世界》里搭出来的桥，到底该如何是好。

看来就算是杰莉娅和艾瑞克这对活宝，也不敢随便拆掉塞伦大桥。准确来说不是做不到，而是害怕事后引发的连锁反应吧。

「看来……得干体力活了？」

能够凭直觉判断建筑物最脆弱的部分会如何最先垮塌，正是工学者的天赋所在。因为工学者最先关注的，往往就是结构最薄弱的环节。

「工程学是数字的学问。只有掌握了准确的数据，才能开始工作。」

「呃……这有点……"

「就当我什么都没说。」

「如果问题是材料不断被拉伸…绑起来不就好了？」

确实如此。

当然，潜艇没采用耐压更好的球形结构而是做成了圆筒形，再加上维护做得乱七八糟，这些固然也是事故原因，但依我看，从选材那一刻起，这就已经注定要完蛋。

正发愁时，塞莉娜端着茶杯自然地坐到我身旁。她瞥见桌上的设计图，又把肩膀朝我贴近了些。

而协助我工作近一年的塞莉娜，似乎已经初步具备了这种素质。

更别提塞伦大桥的宽度竟达16米。据我所知，中世纪桥梁的宽度最多也就4到6米，这已经是两倍以上了。

「第一种很简单，只要从外部施加比拉伸力更强的压力就行了。」

应该是加固更好吧？圣域之国本就崇尚魔法祝福文化，而且塞伦大桥本身就是学院的遗产象征。

「那解决方法有哪些呢？」

话说回来，我为什么要举这个例子，特意把材料的重要性重新提出来讲呢？

「咿——！」

说到底，为了持续施加压缩力，必须把固定做得结结实实，但砖块容易碎的特性，可能导致固定处出现破裂或脱落。

「不用在外部膛线上安装额外的膛线，让砖块之间互相推挤就行了。」

您明明已经知道解决方法了，为什么之前还要那么苦恼呢？

这正是拱桥的基本原理。

「这里说第二个方法。这是改变施加在桥上的力的流向。」

「会是什么样的情况？」

其中弯曲可以看作是拉伸与压缩同时作用的状态——刚才说砖块的缺点是什么来着？抗拉强度弱。甚至连连接砖块的石灰砂浆也经不起拉伸。

「你…终身。」

「唉…好想灌钢筋混凝土啊。」

「遇到什么难题了吗，塔莎？」

简单来说…前者是硬抗压力的结构，后者是疏导力量的结构对吧！

「回答正确。」

「大小相等方向相反的力会相互抵消归零对吧？如果是拉伸力的问题，施加同等…不，施加更强的压力就行了对吗？」

「今晚可不会让你们睡觉哦。」

伴随着这样一句浪漫的宣言。