蠕变和战车轮子：接合、铆接、焊接的应用

现在，我想给你讲一个故事，关于一艘在战时建造的船。它是一艘蒸汽轮船，木制结构，而且用的是优质木材，设计它的人也是优秀又能干的工匠……

它前进的样子就像一个人背负了过于沉重的包袱，不久便开始跌跌撞撞（只是小小的涌浪），然后它像一个被人踩踏的破旧板条箱，分崩离析了。5分钟后，除了煤渣儿浮尘、木料，以及少数几个劫后余生者，什么都没剩下。

这是一个真实的故事，但我希望你注意到，这艘船是由木匠——造房子的木匠或岸上的木匠——建造的，而不是由船舶木工建造的。

——威斯顿·马特，《南太水手》

威斯顿·马特故事里的那艘蒸汽轮船意外沉没了，因为那些本该将木料连接在一起的接合处太弱了，虽然建造它的房屋木匠——在他们自己的行当里都是老实人——想必对这些接合处很满意。事实上，当一个岸上的木匠建造房子或组装传统家具时，他构造的接合处在船舶建造师或工程师看来，不仅脆弱而且效率很低。这些接合处确实脆弱，但它们是否“低效”则取决于它们的用途。房屋建造者的目的可能和船舶或飞机制造者完全不同。

或许，工程师在绝大多数情况下会假定，“有效”的结构指的是它的每一个零件和每一个接合处都恰好强劲到足以应付它必须承受的载荷，而且对于给定的强度，材料的用量最小，重量也最小。理论上，这样一个结构在任一部位发生断裂的概率是均等的，它也可能像“单驾马车”那样，各处同时断裂。为了实现这种效率，工程师需要高度警惕，因为设计或制造中即便是最小的失误也会带来危险的弱点。

当然，这种结构的近似物是存在的，尤其是在船舶、飞机等以减重为要务的机械中。然而，这代表了看待效率问题的一种过度专业化的方式，它没有考虑对刚性的需求，更不用说对经济性的需求了。单驾马车型结构有时是必要的，但对建造和维护来说，它们总是费用高昂。追求结构完美的减重措施，是导致太空旅行如此奢侈的因素之一。按寻常的标准考虑可能的可用空间成本（以每立方米计），一艘小船约为一栋普通房子的20倍，而飞行器的空间成本还要更高。(www.xing528.com)

相较于那些花哨的结构，建筑师和工匠更偏爱有实用意义的结构。毕竟房屋已经够贵了，而且这些人非常清楚，在绝大多数普遍或固定的生活设施中，影响结构设计的更多是刚度，而非强度。

的确，对强度和刚度的需求是比较重要的，这其实是关于结构的成本和效率问题的根源所在。当首要需求为刚性而非强度时，整个问题就变得更容易，成本也就更低了。这种情况常见于家具、地板、楼梯和建筑物，以及炉灶、冰箱、多种工具、重型机械和汽车的某些部件。这些东西不会经常发生断裂，但若我们把材料做得更薄些，其挠度、弯曲度和总的变形程度就会马上变得不可接受。因此，为了达到足够的刚性，各个部位通常要足够厚，才能使其应力足够小，这在工程师看来十分荒谬。

由此可知，在这种结构中，即便材料中遍布缺陷和应力集中，可能也没什么大不了。此外，接合处的强度不大可能是决定性的；在多数情况下，几根钉子就完全够用了。当然，这是大部分直觉性设计方案的基础。很多人从未听过胡克定律或弹性模量，但他们凭借经验和常识差不多就能估算出桌子或鸡笼的刚度，而且若这类东西制作得足够结实，它们也不大可能在普通的日常载荷作用下发生断裂。

此外，某些接合处有一点儿“妥协”可能也没什么坏处，在传统结构中这种情况可能更常见，而不是在精细的结构中。原因之一是，一定量的柔性可使载荷以有益的方式均匀分布。家具确实不常发生断裂，但如果你试图弄坏座椅，一个好办法就是坐在椅子上，让椅子的三条腿落在地毯上，第四条腿则落在光秃秃的地板上。对传统家具而言，借助榫接合处的形变，载荷可以分散到全部四条腿上；对于现代工厂用“高效”的胶接合方式制造的座椅，这些接合处可能会断裂，之后座椅也很难修复如初。

鼓励接合处具有一定柔性的另一个原因是，木材（有时还有其他材料）会随天气改变其尺寸。木材横纹方向的收缩率和膨胀率可达5%，甚至10%。传统的细木工手艺借助“低效”的开口接合方式来留出余地。我在剑桥大学的丘吉尔学院有一张崭新的上等宴会高桌，它是用最优质和最昂贵的木材制成的，木材又是以强劲、刚性的科学接合方式组合在一起的。几个月后，在用科学方法加热的大厅里，这张桌子因收缩而从中间裂开了。那不是一条不起眼的细小裂纹，而是好几码^[1]长的裂缝，能为一大堆正常或标准直径的豌豆提供安身之处。