为什么人类会腰痛？为什么鸟类有羽毛？
为什么希腊人在晚上会将马车轮子卸下来？
发现万物的结构秘密
基本信息
关键词：桥梁，柱，帕提农神庙，拱形，材料，载荷，船舶，飞机，水坝，承压，承张，羽毛，弓
编辑推荐
埃隆•马斯克14本推荐读物之一，“这是一本关于结构设计的非常好的入门书”。
美亚畅销书分类榜前10。
清华大学高级工程师王文浩、上海交通大学讲席教授江晓原、科普时报社社长尹传红、同济大学高级工程师马澍玮、英国皇家工程院院士A. G. 阿特金斯推荐，业内资深工程师审校定稿。
入选中学和大学教材，业内口碑高，专业人士必读经典书目。
与旧版相比，新版重新排版包装，提炼更多内容亮点，特别新增多位国内行业专家解读推荐。
目 录
前言 V
第1章 如何与工程师无障碍地沟通 001
第一部分 弹性科学的前世今生
第2章 结构的根基——胡克定律与固体的弹性 017
第3章 应力与应变——柯西男爵与弹性模量 029
第4章 设计的安全性——裂缝是怎么出现的 044
第5章 如何同裂缝和应力集中共存——弓、投石机和袋鼠 054
第二部分 张拉结构
第6章 张拉结构与压力容器——锅炉、蝙蝠和中式平底帆船 095
第7章 接合、铆接、焊接的应用分布——蠕变和战车轮子 113
第8章 一只蠕虫的诞生——泊松比和弹性蛋白 130
第三部分 承压结构与承弯结构
第9章 墙、拱与坝——通天塔与砖石建筑如何保持稳定 151
第10章 倒下的和未倒下的桥梁——拱桥、铸铁桥和悬索桥 178
第11章 一道梁的益处——屋顶、桁架与桅杆 190
第12章 剪切与扭转的奥秘——北极星导弹与斜裁睡袍 223
第13章 承压的失败——三明治、头盖骨与欧拉博士 249
第四部分 结构与审美
第14章 设计的哲学——形状、重量与成本的平衡 277
第15章 罪魁祸首——误差、金属疲劳与操作不当 297
第16章 效率与美感——逃不掉的现实 326
致 谢 347
附录Ⅰ 推荐手册与公式 349
附录Ⅱ 梁理论公式 353
附录Ⅲ 扭转公式 361
附录Ⅳ 压缩载荷作用下柱与板的效率 363
延伸阅读 367
书 摘
第1章 如何与工程师无障碍地沟通（节选）
结构曾被定义为任何用于承受载荷的材料的组合，而研究结构是科学的传统分支之一。如果一个工程结构倒塌，就可能出现人员伤亡，因此工程师必须小心谨慎地探究结构的行为。然而遗憾的是，当工程师向大家普及他们的专业时，麻烦就来了：他们总是说着奇怪的用语，于是一些人便会认为，研究结构及其负载的方式令人费解、无关紧要，也实在无聊。
但是，结构无处不在，我们实在没法视而不见：毕竟，所有动植物以及几乎所有的人造物都必须能够承受某种强度的机械性力量而不致损坏，所以实际上，万物皆有结构。当我们谈论结构时，我们不仅要问为何房屋和桥梁不会坍塌、为何机器和飞机有时会坏掉，还要问蠕虫为何长成那种形态，以及蝙蝠为什么能飞过玫瑰花丛而保持翅膀完好无损。
我们的肌腱如何工作？我们为何会“腰酸背痛”？翼手龙的体重怎么那么轻？鸟类为何有羽毛？我们的动脉如何工作？我们能为残疾儿童做些什么？为什么帆船要那样装配帆索？为什么奥德修斯之弓很难拉开？为什么古人晚上要把战车的轮子卸下来？希腊投石机是如何工作的？为什么芦苇会随风摇曳？为什么帕提侬神庙如此壮美？工程师能从天然结构中得到什么启示？医生、生物学家、艺术家和考古学家能从工程师那儿学到些什么？
事实表明，理解结构的原理和损坏的原因是一场斗争，其艰难与漫长远非常人所能预料。直到最近，我们才补上了知识里的部分漏洞，使得我们能以某些有效或巧妙的办法回答上述一部分问题。当然，随着将更多块拼图汇集组装，整个图景越发清晰：这门学科整体上不再局限于专业研究的狭窄范围，而越发贴近大众的普遍利益，普通人从中也能有所收获。
本书从当代研究的视角讲述了自然界、工程技术和日常生活中的结构元素，探讨了对强度及支持不同载荷的需求如何影响各种生命体和机械装置的发展，包括人的进化。
生物的结构生物学结构的出现远早于人工结构。在生命出现之前，世界上不存在任何形式的目的性结构，只有山岳和成堆的沙石。即使是非常简单、原始的生命形态，也形成了一种微妙的平衡，其化学反应自发产生且不断延续，它必须与非生命体分隔开，防止受到后者破坏。大自然创造了生命，并让其自生自灭，所以有必要设计出某种容器以使之存续。这样的薄层或薄膜至少要具备最低限度的机械强度，既要容纳生命物质，又要保护其免遭外力的侵袭。
如果某些最早的生命形态由在水中游荡的微滴构成（这似乎是可能的），那么或许仅仅靠不同液体间界面上存在的表面张力形成一个非常脆弱且简单的屏障，就已经够用了。渐渐地，随着生物种类增多，生命的竞争越发激烈，弱小、无法自主运动的球状生物将会处于不利的地位。生物的表皮变得越来越坚韧，各种各样的运动形式层出不穷。更大的多细胞动物出现了，它们会互相吞食，并快速游动。生存的要义变成了追逐与被追逐，吃与被吃。亚里士多德称之为“allelophagia”，即相互吞噬，达尔文则称之为自然选择。不管怎样，进化的历程取决于更强的生物材料和更精妙的活体结构的发展。
早期更原始的动物大多是由软材料构成的，不仅因为这样的材料能使之更易扭动且能任意延展，还因为这些软组织通常是坚韧的（正如我们将要看到的），而像骨骼这样的刚性结构却往往是脆弱的。此外，刚性材料的运用会给生长和繁殖带来各种各样的麻烦。女士们都知道，生产是一项涉及高应变和大挠度的大工程。脊椎动物从受精卵发育到胎儿的过程，就像普遍的天然结构一样，在某些方面是从软变硬的过程，而且在婴儿出生后，这个硬化过程仍在持续。
这给人的感觉像是大自然很不情愿地接受了强劲的材料，然而当动物越来越大时，它们从水中登上陆地，大多数长出且用上了刚性的骨架和牙齿，有些还有硬角和甲壳。但是，动物从来没有像大部分现代机械那样以刚性装置为主导。骨骼通常只占全身的一小部分，下面我们将会看到，那些柔软的部分常常巧妙地减轻了骨骼上的负荷，使之免受折断之苦。
大多数动物的躯体主要是由柔性材料构成的，而植物则并不总是如此。更小且更原始的植物通常是软的，但植物既不能追捕其食物，也没法躲避其天敌。在某种程度上，它只能通过长高来自保，并争夺更多的阳光雨露。尤其是树木，它们十分巧妙地伸展，既能收集散布在空中的若隐若现的阳光，又能挺立直面狂风的威胁，当然，是以最节能的方式。最高的树能长到约110米，这是迄今最大且最耐久的活体结构。但一株植物即使只长到上述高度的1/10，其主体结构也需轻巧又有刚性，我们将在后文看到这为工程师提供了许多重要的经验。
很明显，像这样关于强度、柔度和韧度的问题对医学和动植物学等领域都有用，然而长期以来，医生和生物学家出于自己在专业上的成功和自尊都排斥这些观念。当然，这一方面关乎性格，另一方面关乎语言，或许对工程师口中数学概念的厌恶和畏惧也与此有关。在绝大多数情况下，从结构的角度研究动植物，确实是生物学家无法胜任的工作。
但是我们也没有道理假定大自然在其化学与控制机制上精雕细琢，而在结构上却粗制滥造。
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