鼓胀结构：轻载荷下的高效解决方案

有时，推测技术史上的那些“如果”和“但是”是一件有趣的事。如果伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔早几年投身铁路建设，或许世界上大多数铁路会以7英尺轨距为标准，而非使用其对手乔治·史蒂芬孙的4英尺8.5英寸的“煤车轨距”，后者源于罗马战车的轮距。正如布鲁内尔预测的那样，史蒂芬孙的轨距已被证明是某种障碍。如果今日有更宽的轨距，那么铁路在技术上和经济上可能更强大。果真如此的话，世界也可能会略有不同。

如果高效的充气轮胎在1830年左右问世，那么我们可能已直奔机械化的公路运输而去，而无须经历铁路运输的中间阶段。果真如此的话，今日的世界就会有所不同。事实上，充气轮胎的发明比1830年晚了15年。1845年，一位名叫汤姆逊（R.W.Thomson）的年轻人取得了充气轮胎的专利，当时他只有23岁。汤姆逊的轮胎在技术上取得了惊人的成功，但那时铁路的地位稳固，而铁路利益与马车利益的联合推动了荒谬的限制性立法，致使汽车的发展推迟至19世纪和20世纪之交。

因为自行车从未被当成对火车或马车的严重威胁，所以其在维多利亚时代的发展是受到法律允许的。1888年，邓禄普（J.B.Dunlop）成功复兴了充气轮胎，将之用于自行车。邓禄普从中大赚一笔，而那时候汤姆逊已死，他的专利也过期了。使用实心轮胎的卡车车速被限定在每小时15英里左右，轿车也不能跑得更快。汤姆逊的发明不仅使快速且廉价的公路运输成为可能，还使在旱地上操纵飞机变成现实。没有充气轮胎的话，我们大概只能使用某种形式的水上飞机了。

当然，轮胎有分散和缓冲车轮下载荷的功能，而且它们在这方面格外成功。然而，轮胎其实只是鼓胀结构的一个例子。除缓冲效应之外，鼓胀结构还提供了一个非常有效的方式，有助于我们试图在承弯或承压状态下长距离地承载轻载荷时，规避重量和成本方面的劣势。这样一个结构的功能就是承压，不是通过易于屈曲的实心板或实心柱，而是靠压缩空气或水之类的流体。因此，实心部分只能承受张力，如我们所见，其涉及的重量和成本要比承压情况下少得多。

在技术领域，巧妙地使用鼓胀结构的观念并不新鲜。早在公元前1000年左右，底格里斯河与幼发拉底河上游的船夫就开始用鼓胀的兽皮制作小艇和筏子了。这些小艇顺流而下，不仅要承载到下游平原城邦出售的商品，还要运载骡子或毛驴。抵达目的地后，人们会把兽皮放气，再放到驮畜的背上，沿陆路返回船籍港。如今，充气艇是常见之物，充气帐篷和充气家具也一样。它们通常会被打包装到汽车里。(www.xing528.com)

1910年，伟大的工程师兰彻斯特（F.W.Lanchester）发明了充气屋顶。其构成仅仅是一个边缘附着于地面的充气膜，依靠一台简单的风机提供的低压空气维持。虽然进出都需要依赖一个气闸，但鉴于有其他益处，这往往不算一个非常严重的障碍。兰彻斯特的屋顶可以很容易地覆盖大块面积，而且成本不高，但其使用目前仅限于像温室和室内网球场这样的地方；由于古旧的建筑规章，它不得被用于工程或房屋。

当然，并不是非用空气不可。沙袋也可以达到同样的目的，比如海龙状驳船，它们就是装满石油或水的大型加长浮袋。在亚马孙河上游，它们被用来运输石油，返程时的放气方式和幼发拉底河上的兽皮艇差不多。它们还被用来给希腊诸岛的旅馆提供游客沐浴所需的淡水。

比起在技术领域发挥的现有作用，鼓胀结构或许值得我们进一步开发。然而，这种构造形式的伟大开发者是植物和动物。植物和动物都像化工厂一样运营，其结果是它们内部充满了复杂和肮脏的流体。例如，用细长的袋子制作一条蠕虫，袋子里装满了蠕虫湿软的内脏，没有比这更“自然”和更经济的了。

显然，这非常有效，但事实上，它使人们忍不住想知道为何动物要费劲儿地使用由又脆又重的骨骼制成的骨架。比如，如果人类被“制造”得像章鱼、乌贼或大象鼻子一样，岂不是更方便吗？西姆基斯教授为我提供了一个看待该问题的角度，即动物其实根本不打算要骨架；可能发生的情况是，最早期的骨骼不过是动物体内多余的金属原子的安全倾倒场地罢了。一旦动物体内产生了固体矿物质块，它们也将被用作肌肉的附件。