The New Science of Strong Materials: Or Why You Don't Fall through the Floor（强固材料的新科学：你为什么不会踩穿地板）

引用

Gordon, J. E. (2018). The New Science of Strong Materials: Or Why You Don't Fall through the Floor. Princeton University Press. (Princeton Science Library edition, with an introduction by Philip Ball; first published 1968.)

章节概要

全书共11章：第1章为开篇，其后10章分为三部分，最后是两个附录、一则单位换算说明和延伸阅读建议。普林斯顿版增加了科学作家菲利普·鲍尔写于2005年的导言，介绍戈登的生平，以及本书写于1960年代末以来材料科学发生的变化。每一章的标题都分两截：前半直接点明主题，后半是一句玩笑或一个问题。

第1章：强材料的新科学——或如何提出难缠的问题

开篇一章提出全书的问题。据鲍尔的导言，戈登一开始就说明，他的主题是诸如东西为什么会断、为什么钢坚韧而玻璃脆、为什么木头会开裂之类的问题；全书以迈克尔·法拉第谈论内聚之谜的一段话开头；戈登还告诉读者，他几乎删去了全部数学，只保留了极其初等的代数。

第2–4章：应力与应变——或你为什么不会踩穿地板；内聚力——或材料应该有多强？；裂纹与位错——或东西为什么不结实

第一部分"弹性与强度理论"建立基本概念。第2章介绍应力和应变，本书的副标题即出自这里。第3章追问，从原子间结合力来看，固体应该有多强。第4章解释为什么真实材料远比这弱：原因是裂纹和位错。鲍尔指出，本书并不回避杨氏模量表、应力–应变曲线和少量公式。

第5–8章：止裂——或如何变得坚韧；木材与纤维素——或木船与铁人；胶与胶合板——或滑翔机里的老鼠；复合材料——或如何用稻草造砖

第二部分"非金属的传统"讨论韧性，以及不靠金属而获得韧性的材料。鲍尔概括了这一部分的核心论点：没有韧性，强度就没什么用处，关键问题是阻止裂纹产生或扩展。他介绍了戈登如何解释裂纹为何能在脆性固体中飞快扩展、层压材料和其他复合材料如何挫败裂纹，以及玻璃纤维为何出人意料地强。木材、胶和胶合板几章取材于戈登战时研制层压木结构飞机的工作，复合材料一章则反映了他后来在纤维增强材料方面的工作。

第9–10章：金属的延性——或位错的私生活；铁与钢——黑暗磨坊中的赫淮斯托斯

第三部分"金属的传统"借助位错的行为解释金属为什么会弯曲和伸长而不是开裂，然后转向铁和钢。

第11章：未来的材料——或如何再想一想

戈登写道，这一章是他"相当违背自己的判断"才加上的。鲍尔指出，这一章抓住了后来塑造这一领域的趋势：根据特定需要设计材料，并追求各种性能的平衡组合，而不只是强度。

附录

附录1"论各种固体——那糖浆呢？"和附录2"简单梁公式——或自己做应力计算"提供技术背景，其后是单位说明和延伸阅读建议。

核心概念

第1–4章：开篇与第一部分"弹性与强度理论"

• 应力与应变：单位面积上的力，以及由此产生的相对变形，是这门学科的基本量。
• 内聚力与理论强度：假如原子间的键同时断裂，固体应当具有的强度。
• 裂纹与位错：使真实材料远弱于理论强度的缺陷。

第二部分：非金属的传统（第5–8章）

• 韧性与止裂：材料抵抗裂纹扩展的能力，与强度不是一回事。
• 层压材料与弱界面：像胶合板这样的层状结构，能使裂纹偏转或钝化。
• 复合材料：把强纤维固定在较弱的基体中，兼具强度和韧性。

第三部分：金属的传统（第9–11章）

• 延性：金属通过位错运动发生塑性变形而不是开裂的能力。
• 性能的平衡组合：戈登在最后一章中的观点，即新材料必须同时满足若干项有时相互冲突的要求。

评析

优点

• 物理理解优先。 本书解释的是材料为什么会这样表现，而不是如何用它们做计算：裂纹为什么重要，理论强度与实际强度为什么不同，金属为什么会弯曲伸长而玻璃却会碎裂。
• 以亲身经验讲述真实的工程。 鲍尔的导言介绍了戈登的经历：他从造船工程师起步，后来在皇家飞机研究院研究木材、塑料和纤维复合材料，再后来研究晶须增强材料。因此，木材、胶合板和复合材料几章都是根据第一手经验写成的。
• 可读又有趣。 鲍尔把戈登兼具清晰表达与对事物运作方式的喜悦这一点比作理查德·费曼，并提到他的书被译成二十多种语言，还被英国学校指定为学习用书。
• 数学虽少却不含糊。 戈登只用初等代数，但保留了数据、表格和曲线，使读者了解真实材料性能的数量级，而不只是一个定性的故事。

局限

• 写于1960年代末。 鲍尔直言，那个时期的科普书在某种意义上已经过时。按戈登自己的说法，最后一章是推测性的，此后开发的材料都没有涉及。
• 讲强度，不讲功能。 据鲍尔所述，这一领域此后已从结构转向功能：鲍尔称之为本书所缺的最重要材料的硅等半导体，以及有响应能力的"智能"材料，都不在本书范围之内。
• 不是课程教材。 它是一本通俗读物，目录中看不到习题；除了简单梁公式的附录之外，应力分析并没有作为计算方法展开。它可以辅助材料力学课程，但不能取代课程教材。

在课程中的定位

本书是本课程材料力学教材的非技术性配套读物。Hibbeler以及Beer、Johnston、DeWolf与Mazurek各自的 Mechanics of Materials 通过例题和作业题讲授应力、应变、扭转、弯曲和屈曲的计算；戈登则解释这些量在物理上意味着什么，以及材料为什么会那样失效，特别是因裂纹而失效。可以在学习任一本教材的最初几周之前或同时阅读。

David Blockley的 Structural Engineering: A Very Short Introduction 是本课程中另一本非技术性读物；它着眼于整体结构，而戈登着眼于材料内部。Ugural与Fenster的 Advanced Mechanics of Materials and Applied Elasticity 以及Sadd的 Elasticity 是之后很久才进入的弹性理论阶段。戈登关于理论强度和裂纹的章节可以为它们更形式化的处理提供有益的动机。鲍尔称为本书续篇的戈登另一部作品 Structures: Or Why Things Don't Fall Down 列在结构工程课程中。

如何使用本书

本书适合工程、材料和物理专业的一年级学生，以及任何好奇东西为什么会坏的普通读者。不需要技术背景；戈登的数学始终停留在极其初等的代数。

实用的阅读计划：

• 一口气读完第一部分（第1–4章）。这几章承载着全书赖以展开的概念：应力、应变、理论强度、裂纹和位错。
• 工科学生的核心： 讲止裂的第5章和讲金属的第9–10章，与材料力学课程以及以后的断裂学习联系最直接。
• 为开阔视野而读： 讲木材、胶合板和复合材料的第6–8章，它们取材于戈登本人在木材和复合材料方面的工作，对关注复合材料或轻量化设计的学生尤其有用。
• 带着批判眼光读： 第11章，并结合鲍尔更新戈登未来展望的导言一起读。

在学习教材课程的同时，把戈登介绍的物理量（如杨氏模量，以及强度与韧性的区别）列成一个简短清单，并逐一对应到教材中的定义和单位。讲简单梁公式的附录2是通往标准课程中梁的章节的良好桥梁。