能量與材料的相互作用
前面我們講了能量。那麼能量，具體是如何影響到建築的本體呢？我們就要看能量是如何與實際的材料發生相互作用的。
本小節分為六個部分：
1 機械能與材料：彈性與強度
2 機械能與材料：失效與屈服
3 材料力學特性小結
4 熱能與材料
5 化學能與材料
6 聲能與材料
1 機械能與材料：彈性與強度
當外力作用於材料時，能量去哪兒了呢？會變成材料的彈性勢能和熱能。這些能量交給了材料，材料又可以把能量釋放出去。
17世紀，科學家羅伯特·胡克觀察了材料在「荷載」下的表現，這是結構工程研究之濫觴。所謂「荷載」，就是工程領域對施加力的說法。對應地，受力者會發生對應變動；力撤去後，受力者又會復原。
彈性
彈性的提出始於1666年的倫敦大火災。胡克是倫敦市的勘測師，他首次提出了「塑性」和「彈性」的概念。如果材料受力後永久地變形，則顯示塑性；如果力撤去後形狀復原，則顯示彈性。
事實沒那麼簡單。因為受力的材料往往是複雜的——即便成分均勻，型態也各異——細長小棍子比方塊容易折彎；金屬卷要比彈簧緊實。胡克之後一百年，瑞士數學家朗納德·歐拉完善了樑受力的計算方法。然後在1822年，巴黎理工學院教授奧古斯丁-路易·柯西將其真正變成一個可以測度的概念。
柯西引入了概念「應力」，闡述了壓力與受力物截面積的關係。如錘子敲打木頭只有淺淺的凹痕，敲打釘子卻能鑽進木頭裡。此概念與「壓力-壓強」是一致的。柯西還引入了「應變」概念，描述受力物的變形。無論受壓還是受拉，這概念都適用。
「應力-應變」關係的真正成熟，歸功於19世紀的英國科學家托馬斯·楊。楊發明了實驗測定材料彈性的方法：將標準實驗塊拉伸到兩倍長度時所需的拉力，作為材料的彈性模量，用來說明材料性能。「楊氏模量」就此成為材料力學的重要一課。後來的機器越加精密，每微米的位移都可測定數據，人們可以得到一條精美的「應力-應變」曲線，計算其前段斜率就可以知道「楊氏模量」了。這一測試可以是拉，也可以是壓，是材料力學最基礎的測試之一。
強度
材料強度，一般是參考應力測試中徹底斷裂，不再能抵抗外力的最大力值。不過，詭異的是，不同的施加力的方法（比如加力的速率），會造成最大值點的區別。因此，要考慮這材料常接受怎樣的外力：是慢慢來的長期的力，比如膨脹？還是瞬時遇到的，比如颱風？以及因此選擇不同的測試模式。同樣地，每種材料都會有兩方面強度：抗壓強度與抗拉強度。
我們討論建築用材，常以強度為重要指標。但是，只靠強度數據遠遠不夠確定選項，也不能說一個材料「強」，就是「好」。脆硬的材料，如水泥、石頭、玻璃，可以有很高的抗壓強度，但在拉伸時容易迅速斷開。這是因為它們不能通過彈性伸長來吸收拉力的能量。
另外，抗拉強度是承受拉力的最大值點，在達到最大值前材料已經度過了一個轉折，稱為「屈服」。從屈服到徹底斷裂之間，材料苟延殘喘，發揮餘熱。這兒給我們兩個重大的啟示：
一，不要以為建築構件還完整，便是功能正常，它也許已經屈服，只是還沒到徹底斷開；
二，具有差不多的抗拉強度的材料，同樣是斷裂，吸收的能量各有不同。比如某些種類的鍛鐵和玻璃，抗拉強度相當，但鍛鐵可以在斷裂之前多吸收百萬倍的外來能量，讓結構保住最後的安全線！
不同的負荷方向也是很重要滴。比如，大橋拉索上扭結的鋼纜，有極強的抗拉能力。如果是橫向壓力，它也可以抵抗（儘管這可能性很低，鳥橫著撞過來？）。但如果是自兩端往中間壓呢？也許輕輕使力，他就會彎折、鬆散掉。
攝影/Fai
