空心的竹子为什么不易折

在沙漠里生长着一种非常坚硬的植物，名叫梭梭树，据说它的树干用斧头也不易砍断。然而，科学家却并没有将“植物界的钢铁”这顶桂冠授予它，而是奉献给了“岁寒三友”之一的竹子（图7-9），这是什么道理呢？

（图7-9）“植物界的钢铁”——竹子

据近代力学家的测定，竹材的收缩量很小，而弹性和韧性却很高，顺纹抗拉强度为1800千克/厘米2，相当于杉木的2.5倍；顺纹抗压强度也能达到800千克/厘米2，约等于杉木的1.5倍。特别是浙江石门地区出产的刚竹，其顺纹抗拉强度竟然高达2800千克/厘米2以上，几乎等于同样直径的普通钢材的一半。一般竹材的密度只有（0.6-0.8）×l03千克/米3，而钢材的密度则为7.8×l03千克/米3左右。因此，虽然钢材的抗拉强度为一般竹材的2. 5～3倍，但若接单位重量计算抗拉能力，则竹材单位重量的抗拉能力就比钢材强2～3倍，故誉之为“植物界的钢铁”并非夸张。

也许有人认为，“腹中空”是竹子的一种先天性缺陷。殊不知，这“愎中空”恰恰是竹子赖以“适者生存”的一种力学美。强度科学的奠基人伽利略最早预言道：“人类的技术和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。这种物体可以不增加重量而大大增加它的强度，这一点不难在鸟的肢干骨上和在芦苇上看到，它们的密度很小，但是有极大的抗弯和抗断能力。”根据近代材料力学的弯曲理论，可以精确地推算出，空心杆的抗弯能力要比同样截面积的实心杆大得多；而且空心度（内、外径之比）越大，其抗弯能力也就增加得越快。例如，太湖流域大毛竹的空心度为0.85，它的抗弯（风吹雨打）能力要比同样重量的实心杆大2倍多。这是因为，杆体受弯时，是其外缘部份的材料变形大，一侧受拉，另一侧受压，因而抗力也大，而中心部分几乎不变形，因此不受力或抗力很小。所以，要充分发挥材料的潜力，使之全部用在刀刃上，惟空心圆断面为佳。由此可见，竹子岂不是很有“力学头脑”吗？！

机械设计师从中得到启示，研制成很有经济价值的空心传动轴。例如，一根空心度为0.87的传动轴，在不降低承载能力的条件下可以节约钢材一半。此外，由于竹子在反复弯曲变形下的疲劳寿命大大高于木材，所以一些科学家断言，完全可以将竹子用作轻型飞机的材料。最近的大量试验充分地证明了这一论断的正确性。

另外，竹子还有一种奇特的生长方式。到出土前母笋的节数就已确定，出土后不再增加新节，而只是增加节与节之间的距离，一节比一节高，但一节比一节细，形成一种阶梯状的近似“等强度杆”。首先，下粗上细的形状，可以确保各段在受弯时抗力均匀，因为在风载作用下竹子的根部总是弯得最厉害，故要求断面最粗，而沿着竿的高度由下至上逐渐减步弯曲变形直至竹梢降为零，因而也就越长越细。显然，这是一种最为经济的材料分配方式。其次，竹节还可起“补强作用”。实验测定，有节整竹比无节竹段，其抗弯强度足可提高20%。所以，一般的大毛竹（节数为70左右），尽管高达20米开外，却仍能摆动自如，真所谓“千磨万击还坚劲，任尔东西南北风”。

科学小链接

建筑与竹子

我国南方因为盛产竹子，所以到处都可以看到竹房、竹家具、竹船、竹车、竹绳、竹桥；而且一些现代化的大建筑也居然采用竹筋代替钢筋来浇铸水泥柱、墙和管道等。世界著名建筑大师贝聿铭设计成功的高315米的70层香港中国银行大厦（于1985年初动工，1988年竣工），居然敢在多台风的香港建造，就是得益于竹子的启示。整座大厦看上去就像竹子一样，下粗上细，到一定高度变细一节。