「建築師愛自詡全才,或至少標榜建築設計應該通曉許多道理。但實際操作上往往大打折扣⋯⋯
物理學是一個試金石。如果你看到物理的基礎概念,感覺自如適應,那麼你適合在建築遺產保護的道路上再進一步。如果你倍感吃力,或者認為此物無用,那麼或許要慎重去接觸修復項目,以免釀成大錯。」
能量的各種形式
能量守恆是絕大多數情況下普適的定律(除非你要修復的歷史建築位於一個時間和空間都不均勻的坐標系⋯)。理論上,一切東西都可以表示為動能和勢能的某種組合。定律過於抽象,也許你想不到如何聯絡到具體事物上?一覽以下能量的各種形式,有助於大家知道此定律聯繫著一切。
「不幸,無非就是因為E=MC²」——黃子華
電磁能
這種能量由帶電的粒子放出和吸收。它以橫波形式散發,具有不同的波幅(強度)和頻率。
它也會表達為「輻射能」,特別是在輻射測量、太陽能、熱、光等討論裡面。
重力勢能
這個能量因登高而來,能量值等於把某質量的物體拿到某高處做的功。
舉例:一樣重的磚頭,放牆頂的能量比牆腳的大;一樣在牆頂的磚頭,重者的能量比輕者大。
化學能
這能量與材料的原子、分子以及聚集組織有關。它表現了一種材料被化學反應改變,或通過反應改變其他材料的能力。
斷開化學鍵需要放出能量,一般是放熱,稱為放熱反應。但發生反應之前,往往也需要先加熱,才能讓一個系統斷鍵。比如燃燒,就是先點著可燃物,再讓它自己放熱。所以有些看著需要加熱才發生的反應,它也是放熱反應。
表面能
在液體遇到不同的材料時,分子的聚集方式會產生一個表面層,具有「表面張力」。於是就形成了「彎液面」。因此發生的現象,比如「毛細管現象」,是建築材料吸收、傳導水分的關鍵過程!
機械能
機械能是宏觀世界中一個物體的動能與勢能之和,它取決於物體各部的運動和位置。
一個打出去的球的能量,初始於它被擊打時得到的動能,然後會有部分變成它升高的勢能——以及與空氣摩擦發生轉換的能量——發熱,甚至「咻」一聲。
彈性勢能
一個物體被壓縮、拉伸或者扭轉,但是它還有還原形狀的能力,那麼它就具有彈性勢能。
有的東西彈性很強,比如橡膠,我們顯然能看到它的能;有些東西看著很硬,但也能「彈」,建築材料也不例外。拱橋,就是靠每個構件的彈性勢能把自己撐起來。很大很硬的東西也有彈性:地殼運動,可能源於地球板塊被「掰彎」,然後「彈」起來,殺傷力是驚人的。
熱能
在微觀尺度下,一切的能量都在於原子和分子的不規則運動。它們時不時互相碰撞,放熱。
經過測算,有一個「絕對零度」,我們標註為0開爾文(K),或者負273.15攝氏度(°C)。沒有絕對靜止的物體,因此一切物體都熱於絕對零度。它們都在不斷運動,並且能量不斷轉化。
如果一個系統被加入能量,比如加熱,那麼裡面的粒子就動得更歡快,碰撞得更多,溫度也更高。這個加熱過程有多快、多好,取決於材料的內部結構,也取決於粒子有多自由。比如金屬材料受熱升溫,一般就比陶瓷材料要快些。
在材料中,熱能的傳遞經常通過內部的一種彈力波進行,稱為「聲子」。
聲能
材料的振盪在傳導的過程中產生聲子。這種振盪在微觀尺度來說,是材料粒子間的一種壓力——這也是聲音在真空無法傳播的原因。
所有振盪的能量都可以用聲能描述,儘管有些頻率超出了人的感知。
也是啊,人能感知到的範圍實在太窄了。