庞大的铁塔却很轻

一谈到法国的巴黎，人们就会想到那里的标志性建筑——埃菲尔铁塔。埃菲尔铁塔是由法国设计师居斯塔夫·埃菲尔设计的，在1889年竣工。从竣工后到1930年，埃菲尔铁塔是全球最高的建筑。但是在埃菲尔铁塔建造期间，产生了很多争议——有些人认为埃菲尔铁塔太丑了，像盏破路灯或钟楼骨架，或者就是一个让人不知所云的东西。不过过了一段时间之后，人们逐渐开始接受并欣赏这座铁塔。埃菲尔铁塔体现的是另一种美，一种纯粹的工程学设计的美感，一种钢铁时代的伟力。

埃菲尔铁塔全部由笨重的钢铁铸成，因此在设计之初，设计者首先要考虑的就是节省材料以及坚固耐劳。而最终，埃菲尔铁塔完美地体现了这一点。设计师没有把内部结构隐藏起来，而是直接将骨架呈现出来，这就节省了大量材料。

埃菲尔铁塔底部宽度约为125米，高约为324米，使用了约7300吨的铁，加上非金属的部分共计约1万吨。如果把埃菲尔铁塔金属部分熔成一个实心球体，这个球有多大呢？这个计算很简单，假设金属的密度是每立方米7.8吨的话，那么你会得到一个惊人的结论：这个实心球体的直径只有12米左右。与它的高度相比，这个球也太小的了。另外，如果再把金属部分熔化在与基座一样大的正方形中，那么你在远处根本看不见这块铁板，因为其厚度只有6厘米左右。

虽然埃菲尔铁塔如此之轻，但它却十分坚固。埃菲尔铁塔受到风吹时，只会晃动6至7厘米。所以说，它的设计绝不一般。许多人想不到的是，设计埃菲尔铁塔的灵感竟然来自人体的骨骼。这是怎么回事呢？我们就来分析一下。

跟人体骨骼一样的铁塔

人体骨骼的基本结构包括骨膜、骨质以及骨髓。不过我们这里只讨论骨质。把骨头切开，你可以注意到骨质里面有许多缝隙，但最外表面却是坚硬的，所以骨质类似法式长棍面包。骨质有骨密质和骨松质两种。前者布于骨的表层，质地坚硬致密，用来支撑身体大部分的重量；后者布于骨的内部，呈海绵状，主要来承担各种拉力和压力。

如果把骨密质放大，你会发现它是由一系列很细的管子构成的，这个管子叫做骨单位，直径约为0.2毫秒，中间有血管穿过其中。再把骨单位放大，你会发现管子是由更细的纤维束构成的，叫做胶原纤维。继续放大胶原纤维，你会发现它是由三股螺旋状的分子链构成的一种管形结构。把分子链拆开，你就得得到了骨密质最基本的单元，它叫做胶原分子。

同样，竹子的结构也与人的骨骼类似，也是由很细的管子构成，管子由更细的纤维结构构成，每束纤维结构由更细的纤维结构构成，最终你会得到纳米级的分子结构，叫做纤维素。

骨骼和竹子里的这种结构类似分形结构，也就是说怎么放大，结构看起来都很相似。这种结构的组合方式叫做层次结构。管子由细管子构成，细管子由更细的管子构成。这种结构的存在，使得骨骼和竹子又轻又结实。

埃菲尔铁塔使用了许多由铁所构成的桁架结构，也就是由直杆组成的具有三角形单元的结构，不过看起来像是有许多X形状。这样，埃菲尔铁塔具有铁的坚固性和三角形的稳定性。而设计师把这些桁架结构以层次结构组合起来，也就是说，埃菲尔铁塔的桁架是由更小的桁架构成的，这样不仅会更加结实，而且大幅度节省材料。这样类似人体骨骼的结构，使得埃菲尔铁塔轻得难以置信，并保证它足够结实。

抗风的铁塔

当时，埃菲尔以及他团队明白，要想建起世界上最高的铁塔，一定要保证它可以经受住风的考验。最终，他们给埃菲尔铁塔四只脚设计了特别的斜坡曲线，这种形状会使得风产生的影响与铁塔自身的重量在铁塔的基座那里抵消掉。

他们在分析风的影响时，所使用的方法并不是依赖于某种数学公式的计算，而是利用绘图的方法来考虑，这种方法叫做图解静力学。顾名思义，图解静力学就是用画图来求解静力学问题，而图解静力学的提出又与人体骨骼学有着一定的联系。

图解静力学是德国著名工程师卡尔·库曼开创的一门学科。他在设计一款全新的起重机时，无意间发现骨骼中骨松质的排列方式竟然显示了骨松质所受到拉力和压力的方向。之所以骨松质会以这种形式排列，是因为骨骼发展的过程中，物质会逐渐在受力最多的地方密集，而在没有力的地方则留下了中空。库曼灵光乍现，想到力具有大小和方向，可以用一个矢量来表示。这样，把力用矢量表示出来，再加上力的分解与合成，和力的平衡等经典物理学知识，就可以通过绘图的方式来研究物体所受力的情况。而在工程学中，分析物体受力情况是最为重要的。于是通过他的研究，提出了图解静力学。

当时，埃菲尔手下就有一个工程师正好是库曼的学生，所以在分析风对埃菲尔铁塔的影响时，埃菲尔团队充分利用了图解静力学来进行分析，而不是用繁琐的数学公式。图解静力学是一种十分实用的工具，现在的工程师还在使用它来分析物体的受力情况。

埃菲尔铁塔这样庞大的建筑、如此刚硬的材料，一旦学习了人体骨骼的构造，就变得轻盈挺拔了——世界万物就是如此奇妙。