蛋壳启示录

在人们的心目中，鸡蛋壳是很不结实的。形容以弱对强，说是“以卵击石”；形容比较危险的情况，说是“危如垒卵”。其实，这么说也对也不对。人们的印象是从鸡蛋经不起磕碰得来的，要打破鸡蛋，只要把鸡蛋往碗边上轻轻一磕，鸡蛋壳便会破裂。不过，要是均匀地对鸡蛋施加压力，鸡蛋壳就会呈现出让我们惊讶的“坚强”一面!

　　曾经有过这么一则新闻：日本爱知县的春日本市先生，在汽车前轮用34个鸡蛋，后轮用52个鸡蛋，支起了一辆重量接近一吨的汽车。关于鸡蛋的强度，我们来做一个实验：取两块泡沫塑料垫在鸡蛋的上下，然后放铅块(单重l0kg)在上面，结果表明，一般鸡蛋，至少在3块铅块下不会破碎——即能够承受30kg的重量，强度比较大的鸡蛋则能够承重6块铅块，一共有60kg之多。

　　鸡蛋壳承重的窍门在于，一是要静态加载，不要动态加载；二是要加载均匀，不能使用尖锐的物件加压或者使局部压强过大。其实，对于任何由脆性材料组成的结构，也都可以在这样的条件下承重很大。

　　以两种不同的握鸡蛋方法为例：满把握鸡蛋，鸡蛋各个方向受力比较均匀，不是很容易捏碎。而用拇指抠鸡蛋，这时鸡蛋受一个集中力，很易于破碎。在蛋壳内的小鸡虽小，但它在蛋内用一个又尖又硬的嘴，很容易就顶碎蛋壳，破壳而出。这种现象延伸到工程学或者建筑领域，就是被普遍应用的“薄壳”结构。

　　我们可以设想自然界的生物：经过亿万年的进化，逐渐淘汰掉那些浪费材料的结构，而保留下来的结构大多是比较合理和节约的。例如，植物的茎是中空的，植物的种子有外壳来保护，鸟类的卵，低等动物(乌龟、蜗牛，贝类)的外壳，高等动物的骨骼、头盖等等，都是薄壳结构。在工程技术中，薄壳结构也大量应用在飞机、火箭、潜水艇、轮船、大型屋盖、水塔、冷却塔、拱坝等上。

　　我们的标题“蛋壳启示录”只是说，对于理解薄壳结构的优点鸡蛋壳有启发性，而对于人们在工程技术中从开始使用到普遍应用薄壳结构，那可不是这样简单的事情——它是科学家们长期从事理论研究和实践探索的结果，是人类对整个结构工程研究的结果。人类对结构的精确研究，是大约从1 5世纪对梁的研究开始的，其后才逐步研究拱和板。到了1 9世纪，形成了一门称为弹性力学(对弹性物体在外力作用下的变形和内力进行分析)的学科。薄壳是最为复杂的结构元件，所以薄壳理论成熟得也相对较晚。弹性薄壳的理论是乐甫在19世纪末发展起来的。20世纪20年代，在德国首先把圆柱壳用于屋顶结构。后来出现了球面、马鞍面等多种曲面的壳结构和折板结构。在大型冷却塔中使用薄壳结构大约起于1913年左右。薄壳理论在20世纪40年代趋于成熟，随后被广泛应用于建筑。目前薄壳理论主要研究的内容是：在给定外力、材料、几何形状的前提下分析结构的应力与变形、评估其强度，寻求最优的薄壳几何形状。由于薄壳结构越来越薄，稳定性分析变得很重要，薄壳的大变形分析也受到更多的关注。由于薄壳结构的复杂性，这些分析几乎都要借助于计算机来进行。