埃菲爾鐵塔和人體骨骼

文|武狄侖

埃菲爾鐵塔和人體骨骼

文|武狄侖

龐大的鐵塔卻很輕

一談到法國的巴黎，人們就會想到那里的標志性建筑——埃菲爾鐵塔。埃菲爾鐵塔是由法國設(shè)計師居斯塔夫·埃菲爾設(shè)計的，1889年竣工。從竣工后到1930年，埃菲爾鐵塔是全球最高的建筑。但是在埃菲爾鐵塔建造期間，產(chǎn)生了很多爭議——有些人認為埃菲爾鐵塔太丑了，像盞破路燈或鐘樓骨架，或者就是一個讓人不知所云的東西。不過過了一段時間之后，人們逐漸開始接受并欣賞這座鐵塔。埃菲爾鐵塔體現(xiàn)的是另一種美，一種純粹的工程學(xué)設(shè)計的美感，一種鋼鐵時代的偉力。

埃菲爾鐵塔全部由笨重的鋼鐵鑄成，因此在設(shè)計之初，設(shè)計者首先要考慮的就是節(jié)省材料以及堅固耐勞。而最終，埃菲爾鐵塔完美地體現(xiàn)了這一點。設(shè)計師沒有把內(nèi)部結(jié)構(gòu)隱藏起來，而是直接將骨架呈現(xiàn)出來，這就節(jié)省了大量材料。

埃菲爾鐵塔底部寬度約為125米，高約為324米，使用了約7?300噸的鐵，加上非金屬的部分共計約1萬噸。如果把埃菲爾鐵塔金屬部分熔成一個實心球體，這個球有多大呢？這個計算很簡單，假設(shè)金屬的密度是每立方米7.8噸的話，那么你會得到一個驚人的結(jié)論：這個實心球體的直徑只有12米左右。與它的高度相比，這個球也太小了。另外，如果再把金屬部分熔化在與基座一樣大的正方形中，那么你在遠處根本看不見這塊鐵板，因為其厚度只有6厘米左右。

雖然埃菲爾鐵塔如此之輕，但它卻十分堅固。埃菲爾鐵塔受到風吹時，只會晃動6厘米。所以說，它的設(shè)計絕不一般。許多人想不到的是，設(shè)計埃菲爾鐵塔的靈感竟然來自人體的骨骼。這是怎么回事呢？我們就來分析一下。

埃菲爾鐵塔和人體骨骼

跟人體骨骼一樣的鐵塔

人體骨骼的基本結(jié)構(gòu)包括骨膜、骨質(zhì)以及骨髓。不過我們這里只討論骨質(zhì)。把骨頭切開，你可以注意到骨質(zhì)里面有許多縫隙，但最外表面卻是堅硬的，所以骨質(zhì)類似法式長棍面包。骨質(zhì)有骨密質(zhì)和骨松質(zhì)兩種。前者布于骨的表層，質(zhì)地堅硬致密，用來支撐身體大部分的重量；后者布于骨的內(nèi)部，呈海綿狀，主要來承擔各種拉力和壓力。

如果把骨密質(zhì)放大，你會發(fā)現(xiàn)它是由一系列很細的管子構(gòu)成的，這個管子叫做骨單位，直徑約為0.2毫米，中間有血管穿過。再把骨單位放大，你會發(fā)現(xiàn)管子是由更細的纖維束構(gòu)成的，叫做膠原纖維。繼續(xù)放大膠原纖維，你會發(fā)現(xiàn)它是由三股螺旋狀的分子鏈構(gòu)成的一種管形結(jié)構(gòu)。把分子鏈拆開，你就得到了骨密質(zhì)最基本的單元，它叫做膠原分子。

同樣，竹子的結(jié)構(gòu)也與人的骨骼類似，也是由很細的管子構(gòu)成，管子由更細的纖維結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每束纖維結(jié)構(gòu)由更細的纖維結(jié)構(gòu)構(gòu)成，最終你會得到納米級的分子結(jié)構(gòu)，叫做纖維素。

骨骼和竹子里的這種結(jié)構(gòu)類似分形結(jié)構(gòu)，也就是說怎么放大，結(jié)構(gòu)看起來都很相似。這種結(jié)構(gòu)的組合方式叫做層次結(jié)構(gòu)。管子由細管子構(gòu)成，細管子由更細的管子構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的存在，使得骨骼和竹子又輕又結(jié)實。

埃菲爾鐵塔使用了許多由鐵所構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)，也就是由直桿組成的具有三角形單元的結(jié)構(gòu)，不過看起來像是有許多X形狀。這樣，埃菲爾鐵塔具有鐵的堅固性和三角形的穩(wěn)定性。而設(shè)計師把這些桁架結(jié)構(gòu)以層次結(jié)構(gòu)組合起來，也就是說，埃菲爾鐵塔的桁架是由更小的桁架構(gòu)成的，這樣不僅會更加結(jié)實，而且大幅度節(jié)省材料。這樣類似人體骨骼的結(jié)構(gòu)，使得埃菲爾鐵塔輕得難以置信，并保證它足夠結(jié)實。

抗風的鐵塔

當時，埃菲爾以及他的團隊明白，要想建起世界上最高的鐵塔，一定要保證它可以經(jīng)受住風的考驗。最終，他們給埃菲爾鐵塔四只腳設(shè)計了特別的斜坡曲線，這種形狀會使得風產(chǎn)生的影響與鐵塔自身的重量在鐵塔的基座那里抵消掉。

他們在分析風的影響時，所使用的方法并不是依賴于某種數(shù)學(xué)公式的計算，而是利用繪圖的方法來考慮，這種方法叫做圖解靜力學(xué)。顧名思義，圖解靜力學(xué)就是用畫圖來求解靜力學(xué)問題，而圖解靜力學(xué)的提出又與人體骨骼學(xué)有著一定的聯(lián)系。

埃菲爾鐵塔和人體骨骼

圖解靜力學(xué)是德國著名工程師卡爾·庫曼開創(chuàng)的一門學(xué)科。他在設(shè)計一款全新的起重機時，無意間發(fā)現(xiàn)骨骼中骨松質(zhì)的排列方式竟然顯示了骨松質(zhì)所受到拉力和壓力的方向。之所以骨松質(zhì)會以這種形式排列，是因為骨骼發(fā)展的過程中，物質(zhì)會逐漸在受力最多的地方密集，而在沒有力的地方則留下了中空。庫曼靈光乍現(xiàn)，想到力具有大小和方向，可以用一個矢量來表示。這樣，把力用矢量表示出來，再加上力的分解與合成、力的平衡等經(jīng)典物理學(xué)知識，就可以通過繪圖的方式來研究物體所受力的情況。而在工程學(xué)中，分析物體受力情況是最為重要的。于是通過他的研究，提出了圖解靜力學(xué)。

當時，埃菲爾手下就有一個工程師正好是庫曼的學(xué)生，所以在分析風對埃菲爾鐵塔的影響時，埃菲爾團隊充分利用了圖解靜力學(xué)來進行分析，而不是用繁瑣的數(shù)學(xué)公式。圖解靜力學(xué)是一種十分實用的工具，現(xiàn)在的工程師還在使用它來分析物體的受力情況。

埃菲爾鐵塔這樣龐大的建筑、如此剛硬的材料，一旦學(xué)習了人體骨骼的構(gòu)造，就變得輕盈挺拔了——世界骨骼以及竹子的結(jié)構(gòu)萬物就是如此奇妙。