Structures: Or Why Things Don't Fall Down（構造の世界：なぜものは崩れないのか）

引用

Gordon, J. E. (2003). Structures: Or Why Things Don't Fall Down. Da Capo Press. (First published 1978.)

章の要約

本書は全16章からなり、導入の章の後に4つの部が続く。ゴードンの先の著書 The New Science of Strong Materials と同じく、各章の題は主題をそのまま示す部分と遊び心のある副題の組合せになっている。以下のページ範囲は1978年版のもので、その章は373ページまで続く。出版社はDa Capo版ペーパーバックを424ページとしている。フィリップ・ボールは先の著書への序文で、Structures をその一般向けの続編と呼び、両書とも海事の歴史を大いに題材にしていると述べている。

第1章：私たちの生活の中の構造――あるいは、技術者と話す方法

約14ページの導入の章で、日常生活において構造がなぜ重要なのか、専門家でない人がそれについて技術者とどう話せばよいのかを扱う。

第2〜5章：構造物はなぜ荷重を支えるのか――あるいは、固体のばね性、応力とひずみの発明――あるいは、コーシー男爵とヤング率の解読、安全のための設計――あるいは、強度計算は本当に信用できるか、ひずみエネルギーと現代の破壊力学――弓、カタパルト、カンガルーについての脱線を交えて

第1部「弾性の科学の難産」は、固体が弾性的に変形することでどう荷重を支えるのか、応力、ひずみ、ヤング率の概念がどのように定義されるに至ったのか、そして強度計算はどこまで信用できるのかを説明する。第5章は40ページ近くあり、本書で最も長い章で、ひずみエネルギーと破壊力学を導入し、弓、カタパルト、カンガルーに蓄えられるエネルギーを例に挙げる。

第6〜8章：引張構造と圧力容器――ボイラー、コウモリ、ジャンク船についての所見を添えて、継手、締結、人々――クリープと戦車の車輪についても、柔らかい材料と生きた構造――あるいは、ミミズの設計法

第2部「引張構造」は、引張で働く構造物を扱う。圧力容器、継手と締結（クリープを含む）、そして柔らかい生物材料である。最後の章は、出版社がその副題で特に取り上げている章である。ボールの序文は、鳥の羽根の衝撃への強さ、コウモリの翼、筋肉と腱の配置といった自然の構造についての本書の議論が、初期のバイオミメティクスの研究に着想を与えたことを回想している。

第9〜13章：壁、アーチ、ダム――あるいは、雲をいただく塔と組積造の安定、橋について――あるいは、聖ベネゼと聖イザムバード、はりであることの利点――屋根、トラス、マストについての観察を添えて、せん断とねじりの謎――あるいは、ポラリスとバイアスカットのナイトドレス、圧縮で壊れるさまざまな仕方――あるいは、サンドイッチ、頭蓋骨、オイラー博士

第3部「圧縮と曲げの構造」は最も長い部で、約130ページある。組積造の壁、アーチ、ダムから、橋、はり（屋根、トラス、マストを含む）、せん断とねじりを経て、オイラーの柱の理論やサンドイッチ構造を含む座屈などの圧縮破壊へと進む。

第14〜16章：設計の哲学――あるいは、形、重さ、費用、事故の章――罪、誤り、金属疲労の研究、効率と美――あるいは、私たちが生きていかねばならない世界

第4部「そしてその結果は……」は設計そのものへと視野を広げる。形、重さ、費用をどう折り合わせるか、構造物は誤りと金属疲労によってどう壊れるか、そして効率は外観とどう関わるかである。

主要概念

第1〜5章：導入と第1部

• 弾性：固体が荷重のもとで変形し、また元に戻ることで荷重を支えるしくみ。
• 応力、ひずみ、ヤング率：荷重の強さ、変形、剛性を表す量。
• 安全のための設計：計算上の強度と想定荷重の間に余裕をもたせ、強度計算の限界を知ること。
• ひずみエネルギーと破壊力学：荷重を受けた構造物に蓄えられるエネルギーと、き裂の進展におけるその役割。

第6〜8章：第2部

• 圧力容器：内圧を壁の引張で支える容器。
• 継手とクリープ：接合部が荷重をどう伝えるか、そして持続荷重のもとでのゆっくりした変形。
• 柔らかい構造と生きた構造：生物材料や生物が荷重をどう支えるか。

第9〜13章：第3部

• 組積造の安定：圧縮のもとで形と重さによって立つ壁、アーチ、ダム。
• はりとトラス：曲げによって荷重を支える部材と骨組。
• せん断とねじり：ずれとねじれの変形。
• 座屈：オイラーの理論で記述される、不安定による圧縮部材の破壊。

第14〜16章：第4部

• 設計上のトレードオフ：形、重さ、費用の釣り合い。
• 金属疲労：繰り返し荷重のもとでの破壊。論じられる事故の原因の一つである。
• 構造の効率と美：良い構造と良い外観の関係。

批判的分析

長所

• 専門用語に頼らない概念の説明。 出版社は本書を、建物や身体から飛行機や卵の殻まで、身の回りのものにはたらく力の気軽な解説として紹介し、応力、せん断、ねじり、破壊、圧縮の説明を強調している。Scientific American は「豊かで読みやすい」と評した。
• 驚くほど幅広い例。 章の題だけを見ても、ボイラー、コウモリ、ジャンク船、戦車の車輪、ミミズ、塔、ダム、橋、マスト、ナイトドレス、頭蓋骨、カンガルーが登場する。工学の構造と自然の構造が並べて扱われており、ボールはこのアプローチをバイオミメティクスの創始と結びつけている。
• 科学と並ぶ歴史。 第1部は弾性、応力、ひずみがどのように理解されるようになったかを語り、第4部は設計、事故、外観を取り上げるので、学生はこの分野を、人々が発展させ、今も論じ合っているものとして見ることができる。
• 工学的な判断。 強度計算は信用できるのか、誤りと疲労による事故といった章は、構造物がどう働くかだけでなく、どのように、なぜ壊れるのかを扱っている。

短所

• 計算のための本ではない。 本書は一般向けの読み物であり、構造解析の体系的な方法は展開されず、教科書の代わりにはならない。
• 本文の古さ。 1978年に初版が出た本で、当時の工学の姿を反映している。例の多くは歴史的なもので、その後の材料、解析、構造形式の発展は扱われていない。
• 選択的な扱い。 章の構成はゴードンの関心に沿っているため、破壊や圧縮破壊のように長く扱われるトピックがある一方、不静定構造のように土木工学の授業の中心となるトピックはそもそも章の題材になっていない。

コースにおける位置づけ

土木・構造工学のコースで、ゴードンは最初に、あるいは技術的な授業の最初の数週間と並行して読む本である。Ji、Bell、Ellisの Understanding and Using Structural Concepts は最も近い副読本で、同じく直感を目指しつつ、各概念を定義、短い理論、簡単な物理的実演とともに示すので、ゴードンの語りと技術的な教科書の橋渡しとなる。Hibbelerの Structural Analysis とMegsonの Structural and Stress Analysis は、ゴードンが言葉だけで描く静定・不静定構造の解析方法を提供する。

より高度な本はずっと後に来る。McGuire、Gallagher、Ziemianの Matrix Structural Analysis はコンピュータによる剛性法を展開し、Chopraの Dynamics of Structures は振動と地震工学を扱う。座屈、疲労、事故についてのゴードンの章は、その両方の良い背景知識となる。材料力学のコースにある彼の The New Science of Strong Materials は、同じ物語の材料の側を扱っている。

本書の使い方

本書は、土木、構造、機械、航空の各工学の1年生、建築学の学生、そして一般読者に向いている。学校で学ぶ算数と好奇心以外に技術的な予備知識は必要ない。

実践的な計画：

• まず第1章と第1部（第2〜5章）を読む。応力、ひずみ、剛性、安全、破壊という、本書の残りの部分が使う考え方を準備する章である。
• 構造技術者にとっての中核： アーチ、橋、はり、せん断、ねじり、座屈を扱う第3部（第9〜13章）。最初の構造の授業に直接対応する。
• 関心に応じて選ぶ： 圧力容器、継手、生物の構造なら第2部、設計の哲学、破壊、美なら第4部。事故を扱う第15章は、疲労や破損解析の授業の前に読むのに適している。

技術的な授業と並行して読むとよい。ゴードンの各章を読んだら、構造解析や材料力学の教科書の対応する章を見つけ、同じ考え方についての問題をいくつか解いてみる。コーシー、ヤング、オイラーなど彼が言及する歴史上の人物を書き留め、その成果が教科書でどう述べられているかを調べてみること。