结构与回弹性的实现-结构是什么

湿漉漉的帆绳，流动的海，

海风刮得快，

鼓起白帆沙沙作响，

巨大的船桅被吹弯。

——艾伦·库宁汉姆（Allan Cunningham），《湿漉漉的帆绳，流动的海》（A Wet Sheet and a Flowing Sea）

1633年，当定居阿切特里的伽利略研究弹性时，他首先问自己的一个问题是：“绳或杆被拉扯时，影响其强度的因素有哪些？其强度是否取决于绳长等因素？”基础实验表明，平稳地拉断一条均质绳索需要的力或重量与绳索的长度无关。这应该是我们基于常识的预期结果，虽然这种说法已经流传了一段时间，但仍然有相当多的人深信长绳子比短绳子“更结实”。

当然，这些人并非愚蠢，因为一切都取决于你所谓的“更结实”是什么意思。拉断长绳所需的平稳的力或拉力的确和拉断短绳一样，但长绳在断裂前会伸展得更长，因此需要更多的能量，虽然施加的外力与材料的应力保持不变。从一个稍微不同的角度考虑，长绳会借助载荷作用下的弹性拉伸来缓冲受力突变，这样一来，其产生的瞬态外力和瞬态应力会变弱。换言之，它的作用有点儿像汽车的减震悬架。(www.xing528.com)

在负载不稳定的情况下，长绳可能比短绳“更结实”。因此，18世纪的马车车体常常用很长的皮带拴在底盘架上，长皮带比短皮带更能抵御18世纪道路上的颠簸。此外，锚索和纤绳常见的断裂不是来自稳定负载，而是源于猛然拉动，所以通常最好把它们设置得长一些。那些在夜间或恶劣天气容易碰上大型干船坞或海上拖曳式石油钻台的人务必牢记，每一艘拖船都可能携带着近1英里长的钢缆。因此，这些海上船队列往往会覆盖庞大的海域，这对偶尔出海的人来说是很恐怖的。^[9]

这种能存储应变能并在载荷作用下做弹性挠度变形而不断裂的性质被称作“回弹性”，这是结构的一个非常有价值的特征。回弹性可被定义为，“储存于结构中而不对其造成永久损伤的应变能值”。

当然，为了获得回弹性，未必要用像钢缆这样的长绳索。用短的往往更方便些，比如用于铁道列车缓冲器的螺旋式弹簧，或者用于船舶护舷的软材料衬垫，或者常用于包装精密仪器的低弹性模量材料，如泡沫橡胶或泡沫塑料等。这类材料往往能相对于其自身长度伸长或缩短更多，从而使单位体积存储更多的应变能。滑雪者和动物减震机制的优势部分应该归功于相对低的弹性模量和肌腱等组织的相对大的伸展。

虽然低刚度和高延展性有助于能量吸收，从而使突变引发的结构破坏更不容易发生，但这很容易得到一个过于松软的结构。这常常限制了一个结构的设计回弹性。诸如飞机、建筑物、工具和武器等，为了发挥它们的作用，必须具备很大的刚性。就此而论，大部分结构不得不在刚度、强度和回弹性之间寻求折中，而达成最佳的平衡可能对设计师的技能要求颇高。

最佳情况可能各不相同，这种差异不仅存在于结构的不同类型和分级之间，也存在于同一结构的不同部分之间。就这一方面而言，大自然颇有优势，因为它可支配不同生物组织中的各种弹性。一个简单而有意思的例子就是普通的蜘蛛网。蜘蛛网受到误闯入苍蝇的载荷冲击，这些冲击的能量一定会被蛛丝的回弹吸收。结果是，构成该结构主要负载部分的放射状长蛛丝，其刚度是用于捕获苍蝇的更短的环状蛛丝的三倍。

当然，除了用绳索或蛛丝这样的承张构件或铁道缓冲器和船舶护舷这样的承压构件，还有很多其他方法可用来存储应变能和获得回弹性。所有可发生弹性挠度变形的结构，都会产生几乎一样的效应。或许最常见的办法就是通过弯曲吸收能量，比如弓和巨大的船桅。这就是在作物、树木和大部分车辆弹簧中发生的事情。那种弯曲到令剑尖触及剑柄后能弹性复原的剑，才称得上好剑。