材料的定量和测量

一旦石头碎裂、木材弯曲，建筑物的安全性就受到了威胁。对材料属性的了解对于施工的成功与否是至关重要的。早在伽利略之前150年，建筑大师莱昂内•巴蒂斯塔•阿尔伯蒂（Leone Battista  Alberti）就已经依据木材对不同建筑物的适用性来进行分类。阿尔伯蒂的书籍是第一本用铅活字印刷的有关建筑和施工的重要著作，铅活字印刷机是在15世纪40年代开始采用的。印刷术便于信息的传播，但同时也限制了信息传播的形式。它不利于传播不能以书面形式表述的实践知识，然而也促进了人类进行抽象思维，并强调了规范概念的重要性。阿尔伯蒂用于材料分类的概念全部与材料明显的属性有关，例如在不同条件下，不同种类的木头具有不同的颜色或相关的耐用性。在这一方面，阿尔伯蒂并没有超过他的老前辈多少。^［19］

伽利略关于材料强度的理论是一个更有影响力的分类概念。尽管材料强度对于建筑是至关重要的，但是迄今为止仍然没有一个很好的界定，部分是因为它深隐在物质形态的建筑物中。与阿尔伯蒂的定性描述相反，伽利略引入了强度系数这样一个定量概念，它更精确、更系统化，同时也易于测量。同样重要的是，强度的概念同张力和应力的概念密切相关，后两者都是结构分析的基本要素。这些都是难以弄清的概念。伽利略关于材料强度和横梁弯曲的理论都存在许多瑕疵和错误。在伽利略之后150多年，两位法国工程师查尔斯·奥古斯丁·库仑（Charles Augustin Coullomb） 和路易斯·马利·亨利·纳维埃 （Louis Marie Henri Navier）最终解决了横梁弯曲与挠曲问题。在此期间，胡克（Robert Hooke）、莱奥哈尔德·欧拉（Leonhard Euler）、丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli），以及另外许多人对此做出了重要贡献。然而正是在这150年的历程中，已跨出了第一步。

   除了提出这些概念以外，伽利略也引入了试验和测量的方法。人们可以测量材料的强度，并把它们作为参数代入到虽近似却简单的结构方程式中去，以求得实际的答案，而无需坐等材料科学的复杂理论问世。不久，对于木头、石头以及金属，不仅它们的弯曲和拉力强度，而且其弹性和抗碾性也能进行分析和测试。许多强度系数表公布出来了。其中一些数表被伯纳德·贝利多尔（Bernard Belidor）收入到《工程师科学指南》（La science des ingenieurs）一书中，这本书很可能是第一次使用了“工程科学”（engineering science）这个术语。该书出版于1729年，这比“社会科学”这个术语的首次出现早了六十多年。

    然而，有关材料属性的早期研究成果仅仅局限于实用性。它们往往是不可重复的、相互矛盾的。由于缺少标准化的标度和测量，从而妨碍了对材料的正确比较和系统化研究。许多材料的性质并非固定不变，例如铁器，它们会因产地和制造商的不同而在性质上相差很大。同样地，不稳定的材料样品，也会从根本上削弱复制和标准化测量的努力。正如土木工程师、历史学家汤姆•彼得斯（Tom Peters）所说的那样：“因此，为了开发可靠的材料和标准，需要可靠的材料和标准，这是一种叫人左右为难的的状态”²⁰。在由许多松散相连的要素组成的复杂过程的动力学中，这样的状态与其说是一种例外，不如说是一种规律。每一个要素都由它自身内部动力和与其他要素的外部相互作用所共同驱动着。它们互相拉动和牵制，艰难地推动着整个领域的前进。

    对材料性质和可靠性的改善姗姗来迟，其中的原因，直至1798年法国土木工程师皮埃尔·西蒙·吉拉德（Pierre-Simon Girard）关于材料强度的第一篇综合性近代论文问世，才部分地得以解释。在使用石头和木头的时代，建筑施工几乎不考虑用铁。采用这种新的建筑材料，法国尚在英国之后。作为早期的一位领军人物，托马斯·特尔福德（Thomas Telford）是英国开创铁路时代之前颇有争议的最伟大土木工程师，以设计建造许多道路和运河而著称于世。他最早建造了铁质大桥。为了计划在1814年建造梅奈悬索桥，他用水压机对铁链和铁丝绳进行了将近200次的拉力强度实验。期间他得到了数学家彼得·巴洛(Peter Barlow)的帮助，后者在三年后将这些实验数据收入他自己的著作中，一般认为，这本书标志着英国材料科学的诞生。

   在1856年之后，当亨利·贝塞麦（Henry Bessemer）的转炉炼钢法，以及后来皮埃尔·马丁（Pierre Martin）和威廉·西门子（William）、弗雷德里克·西门子（Frederick Siemen）的平炉炼钢法生产出了价格不贵的钢铁时，关于材料的知识就变得越来越重要了。1865年，在伦敦创办了专门从事材料研究的一家实验室。随着许多高性能技术的开发越来越依靠具有特定属性的材料（如金属、陶瓷、聚合物、合成物等）的实际应用，材料实验室也在不断地增加和扩大。由于从化学、以及后来的分子物理学中汲取了知识，古代冶炼术渐渐变成了材料科学与工程，这方面的具体内容我们将在6.4章节中做进一步的阐述。