The New Science of Strong Materials: Or Why You Don't Fall through the Floor（堅固材料的新科學：為什麼你不會踩穿地板）

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.)

章節概要

全書共11章：第1章為開篇，其後10章分為三部分，最後是兩個附錄、一則單位換算說明與延伸閱讀建議。普林斯頓版增加了科學作家菲利普．鮑爾寫於2005年的導言，介紹戈登的生平，以及本書寫成的1960年代末以來材料科學的變化。每一章的標題都分成兩段：前半直接點出主題，後半是一句玩笑或一個問題。

第1章：強材料的新科學——或如何提出難纏的問題

開篇一章提出全書的問題。根據鮑爾的導言，戈登一開始就說明，他的主題是諸如東西為什麼會斷、為什麼鋼強韌而玻璃脆、為什麼木頭會裂開之類的問題；全書以麥可．法拉第談論內聚之謎的一段話開頭；戈登也告訴讀者，他幾乎刪去了全部數學，只保留極為初等的代數。

第2–4章：應力與應變——或你為什麼不會踩穿地板；內聚力——或材料應該有多強？；裂縫與差排——或東西為什麼不牢靠

第一部分「彈性與強度理論」建立基本概念。第2章介紹應力與應變，本書的副標題即出自這裡。第3章追問，從原子間的結合力來看，固體應該有多強。第4章說明為什麼真實材料遠比這弱：原因是裂縫與差排。鮑爾指出，本書並不迴避楊氏模數表、應力–應變曲線與少量公式。

第5–8章：止裂——或如何變得強韌；木材與纖維素——或木船與鐵人；膠與合板——或滑翔機裡的老鼠；複合材料——或如何用稻草造磚

第二部分「非金屬的傳統」討論韌性，以及不靠金屬而獲得韌性的材料。鮑爾概括了這一部分的核心論點：沒有韌性，強度就沒什麼用處，關鍵問題在於阻止裂縫產生或擴展。他介紹戈登如何解釋裂縫為何能在脆性固體中飛快擴展、積層材料與其他複合材料如何擊退裂縫，以及玻璃纖維為何出人意料地強。木材、膠與合板幾章取材於戈登戰時研製積層木結構飛機的工作，複合材料一章則反映他後來在纖維強化材料方面的工作。

第9–10章：金屬的延性——或差排的私生活；鐵與鋼——黑暗磨坊中的赫菲斯托斯

第三部分「金屬的傳統」藉由差排的行為說明金屬為什麼會彎曲與伸長而不是裂開，接著轉向鐵與鋼。

第11章：未來的材料——或如何再想一想

戈登寫道，這一章是他「相當違背自己的判斷」才加上的。鮑爾指出，這一章掌握了後來塑造這個領域的趨勢：依照特定需求設計材料，並追求各種性質的平衡組合，而不只是強度。

附錄

附錄1「論各種固體——那糖漿呢？」與附錄2「簡單梁公式——或自己做應力計算」提供技術背景，其後是單位說明與延伸閱讀建議。

核心概念

第1–4章：開篇與第一部分「彈性與強度理論」

• 應力與應變：單位面積上的力，以及由此產生的相對變形，是這門學科的基本量。
• 內聚力與理論強度：假如原子間的鍵同時斷裂，固體應當具有的強度。
• 裂縫與差排：使真實材料遠弱於理論強度的缺陷。

第二部分：非金屬的傳統（第5–8章）

• 韌性與止裂：材料抵抗裂縫擴展的能力，與強度不是同一回事。
• 積層材料與弱界面：像合板這樣的層狀結構，能使裂縫偏轉或鈍化。
• 複合材料：把強纖維固定在較弱的基材中，兼具強度與韌性。

第三部分：金屬的傳統（第9–11章）

• 延性：金屬藉由差排運動發生塑性變形而不是裂開的能力。
• 性質的平衡組合：戈登在最後一章的觀點，即新材料必須同時滿足幾項有時彼此衝突的要求。

評析

優點

• 物理理解優先。 本書解釋的是材料為什麼會這樣表現，而不是如何用它們做計算：裂縫為什麼重要，理論強度與實際強度為什麼不同，金屬為什麼會彎曲伸長而玻璃卻會碎裂。
• 以親身經驗講述真實的工程。 鮑爾的導言介紹了戈登的經歷：他從造船工程師起步，後來在皇家飛機研究院研究木材、塑膠與纖維複合材料，再後來研究鬚晶強化材料。因此，木材、合板與複合材料幾章都是依據第一手經驗寫成的。
• 好讀又有趣。 鮑爾把戈登兼具清晰表達與對事物運作方式的喜悅這一點比作理查．費曼，並提到他的書被譯成二十多種語言，還被英國學校指定為學習用書。
• 數學雖少卻不含糊。 戈登只用初等代數，但保留了數據、表格與曲線，讓讀者了解真實材料性質的數量級，而不只是一個定性的故事。

局限

• 寫於1960年代末。 鮑爾直言，那個時期的科普書在某種意義上已經過時。依戈登自己的說法，最後一章是推測性的，此後開發的材料都沒有涵蓋。
• 談強度，不談功能。 據鮑爾所述，這個領域此後已從結構轉向功能：鮑爾稱為本書所缺最重要材料的矽等半導體，以及具有回應能力的「智慧」材料，都不在本書範圍之內。
• 不是課程教科書。 它是一本通俗讀物，目錄中看不到習題；除了簡單梁公式的附錄之外，應力分析並沒有作為計算方法發展。它可以輔助材料力學課程，但不能取代課程教科書。

在課程中的定位

本書是本課程材料力學教科書的非技術性配套讀物。Hibbeler以及Beer、Johnston、DeWolf與Mazurek各自的 Mechanics of Materials 透過例題與作業題講授應力、應變、扭轉、彎曲與挫屈的計算；戈登則解釋這些量在物理上代表什麼，以及材料為什麼會那樣破壞，特別是因裂縫而破壞。可以在研讀任一本教科書的最初幾週之前或同時閱讀。

David Blockley的 Structural Engineering: A Very Short Introduction 是本課程中另一本非技術性讀物；它著眼於整體結構，而戈登著眼於材料內部。Ugural與Fenster的 Advanced Mechanics of Materials and Applied Elasticity 以及Sadd的 Elasticity 是之後很久才進入的彈性理論階段。戈登關於理論強度與裂縫的章節，可以為它們較形式化的處理提供有益的動機。鮑爾稱為本書續篇的戈登另一部作品 Structures: Or Why Things Don't Fall Down 列在結構工程課程中。

如何使用本書

本書適合工程、材料與物理學系的一年級學生，以及任何好奇東西為什麼會壞的一般讀者。不需要技術背景；戈登的數學始終停留在極為初等的代數。

實用的閱讀計畫：

• 一口氣讀完第一部分（第1–4章）。這幾章承載全書賴以展開的概念：應力、應變、理論強度、裂縫與差排。
• 工科學生的核心： 談止裂的第5章與談金屬的第9–10章，與材料力學課程以及日後的破壞力學學習關係最直接。
• 為開闊視野而讀： 談木材、合板與複合材料的第6–8章，它們取材於戈登本人在木材與複合材料方面的工作，對關注複合材料或輕量化設計的學生特別有用。
• 帶著批判的眼光讀： 第11章，並搭配鮑爾更新戈登未來展望的導言一起讀。

在修習教科書課程的同時，把戈登介紹的物理量（如楊氏模數，以及強度與韌性的差別）列成一份簡短清單，並逐一對應到教科書中的定義與單位。談簡單梁公式的附錄2，是通往標準課程中梁的章節的良好橋梁。