为什么用管子制作自行车的框架

假如管子的环形截面积与实心的杆的截面积是相等的，那么管子与实心杆相比在强韧度上有哪些优势呢？对于这个问题，如果只是说一些关于抗断裂与抗压强度的话，就是没有任何优势可言了：拉断或者压裂管子和实心杆所需要的力是相同的。它们之间最大的区别在于抗弯曲的强度，使一根与管子的环形截面相同的实心杆变弯曲要比弄弯一根空心管子容易得多。

关于这个问题，强度科学奠基人伽利略曾用优美的语言进行描述。读者不要责怪我对这位卓越的科学家有所偏爱，这里我打算再次引用他的著作中的一句话。他在自己的《两种新科学的对话》一书中写道：

“我想补充有关空心或者中空的固体材料强度的几点建议，不管人类技术，还是大自然都在尽情地利用这种固体材料。它们可以不增加自身重量，强度却大大提高，这一点可以很容易在鸟的骨骼和芦苇上看到。它们的重量都很轻，但是却具备极大的抗弯能力和抗断能力。麦秆支撑着的麦穗的重量也完全超过了整根麦秆的重量，如果麦秆是由相同重量的物质构成是实心的，那么它的抗压能力与抗断裂能力就要大大被降低。事实上，大家已经发现并通过实验证明，空心杆或者是木头、金属管子要比相同长度与重量的实心物体更加坚固，当然，实心的物体要比空心的更细一些。人类的技术将这种实验结果应用在了制造各种物品中，将它们制成空心的，使它们既结实又轻便。”

所以，如果研究一下横梁被压弯曲时产生的压力，我们就将明白空心物体比实心物体更加结实的缘由了。使横梁AB两端支起，在它的中间有重物Q在作用（图49）。在这个重物的作用下，横梁向下弯曲。这时会发生什么情况？横梁的上面部分被压缩，下面部分却正好相反而被拉伸，而中间的一层（“中立层”）既没有被压缩，也没有被拉伸。在横梁被拉伸的部位产生了与拉伸相抗衡的弹性力，在被压缩的部位产生了对抗压缩的弹性力。这两个力都试图让横梁恢复直挺的形态。这个抗弯曲力随着横梁的弯曲程度变化而不断增大（如果不超出所谓的“极限弹性”），直到重物Q所产生的力与这种压力相等为止，这时弯曲也会停止了。

图49　横梁的弯曲

大家看到，这种情况下对于横梁弯曲有最大抵抗作用的是横梁的最上面和最下面，中间各个层距离“中立层”越近，这个作用就越小。专家根据这个理论推出：

“所以横梁的截面形状最好是让大部分材料距离中立层越远越好。即便这样，横梁的壁也不能太单薄，也应该保证梁的两个层之间位置不移动，同时要保证横梁的稳定性。”

现在，对于管子与实心杆相比具有优势的道理，读者可以很清楚地知道了。在这里可以再加上一个数字来说明。假如有两根相同长度的圆形梁，一根是实心的，一根是空心的管子，管子的环形截面积与实心杆的截面积相同，两根梁的重量也相同，它们的抗弯能力却相差很大：计算表明，空心管在抗弯力方面要比实心杆大112%，也就是说要大出一倍多。