你有没有听说过单驾马车的绝妙。
它以如此合理的方式制造，
百年如一日，它飞驰奔跑，
然后，突然间，它就……
——奥利弗·温德尔·霍姆斯（Oliver Wendell Holmes），
《单驾马车》（The One-Hoss Shay ）
整个物质世界非常适合被看作一个宏大的能量体系：在一个庞大的市场中，能量的一种形式总是按照设定的规则和价格被换成另一种形式。在能量上有利的事情迟早会发生。在某种意义上，结构是一种装置，其存在的目的就是延迟某些在能量上有利的事件的发生。在能量上有利的事情包括重物落地、应变能释放等。重物迟早会落地，应变能迟早会释放，但结构的职责在于将这类事件延迟一季、一生或者数千年之久。最终，所有结构都会被破坏或摧毁，正如凡人终有一死。医学和工程学的目的就在于将这些事情推迟到适宜的时间再发生。
问题是：“适宜的时间”是什么时候？每个结构的建造肯定都是为了使之在合理预期的工作寿命内是“安全的”。对于一个火箭燃料箱，这个时间可能是几分钟；对于一辆汽车或一架飞机，可能是10年或20年；对于一座主教座堂，或许是1 000年。至于奥利弗·温德尔·霍姆斯的“单驾马车”，建造它是为了用上100年（不多不少）。其计划的崩溃时间是在1855年的11月1日，事实也确实如此，犹如牧师布道时讲到“最后一点”一样。但是，这当然是胡说八道。此外，在尼维尔·舒特（Nevil Shute）的《没有捷径》（No Highway ）中，邪恶而英勇的哈尼先生预言了“驯鹿”客机的机尾在飞行时数达到1 440小时——误差为一天左右——之后将因“金属疲劳”而失效。作为一名资深的飞机设计师，尼维尔·舒特肯定清楚，这也是胡说八道。
在实践中，不可能精确设计出这么多小时或这么多年的“安全”寿命。我们只能依据积累的数据和经验，从统计学意义上考虑这个问题。然后，无论安全裕度如何，只要看起来合理，我们就可以建造出来。一直以来，我们的一切都是基于概率和估计。如果我们制造的结构太弱，可能会节省重量和资金，但它过早断裂的可能性会变得极大。反之，如果我们制造的结构很强，以至于对人类来说它或许“可永久使用”（这正是大众期望的），那么它可能会非常笨重和昂贵。如我们将会看到的，在许多情境中，额外重量招致的风险会高于相应的强度增长所规避的风险。因为我们不可避免地基于统计学工作，当我们为现实生活设计一个实用结构时，我们必须接受的事实是，不管多小，总会存在一定的提前失效风险。
阿尔弗雷德·帕格斯利爵士（Sir Alfred Pugsley）在其作品《结构的安全》（The Safety of Structures ） [1] 中指出，正是在这个相当有趣的领域中，我们可能不得不舍弃逻辑严密的问题解决方式。如帕格斯利所说，人类的情绪对结构失效的恐惧异常敏感，而外行人则极其固执地认为，与他们相关的任何结构或装置都应该是“牢不可破的”。这会发生在各种各样的联系中；有时它是无害的，而有时效果正相反。在上一次战争期间，飞机设计师在某种程度上可以选择是否以飞机的结构安全性换取其他品质。敌军行动造成的轰炸机损失非常高，大约每20架中会损失一架。 [2] 相较之下，结构失效导致的飞机损失非常少，远低于万分之一。一架飞机的结构几乎占其总重量的1/3，用削减轰炸机结构部件的重量来换取其他优势是合理的。
如果这样做，结构的事故率会略有上升，但节省下来的重量可被投入到更有利于防御的枪炮或更厚的护甲上。这样一来，净伤亡率或总伤亡率无疑会明显下降。但是，飞行员不会同意这种做法。他们宁愿冒被敌军击落的巨大风险，也不愿面对飞机因结构问题而在空中解体的更小风险。
帕格斯利认为，从某种意义上说，因结构破坏而产生的不安感可能遗传自我们栖身树上的祖先，他们特别害怕自己身下的栖木会断裂——一旦发生这种事，婴儿、摇篮等都会摔落。此外，祖先和他们的婴儿也会落入地上的剑齿虎等天敌之口。不管这是不是真正的原因，工程师都必须考虑到这类感受，虽然增加的额外重量可能使其自身陷入危险。
强度计算的准确性
任何关于强度和安全性问题的理性解决方法都隐含着这样的假设：工程师应该能够准确地预测一个计划建造的新结构的强度，即便他自身也会怀疑它预计能用多久。对诸如绳索、链条、直梁与支柱之类的简单结构，情况可能大致如此；但是，正如我们在第4章中看到的，对更精密和更重要的人工制品来说，比如飞机和船舶，情况则完全不同。
因为有关于各种不同结构的大量经验可用，有针对这一课题的大量高质量的数学文献，还有学院派的弹性研究者引以为傲的关于结构理论的长篇大论的演讲，所以这种疑虑可能会被视为庸人自扰。然而，它是对的。
例如，考虑一下关于飞机强度的统计数据。因为节省重量很重要，也因为失效的后果非常恐怖，所以飞机的结构设计自然要倾注许多细致的考虑与思考，每个细节都要一丝不苟地检查。制图和计算是由技艺精湛的设计师、应力分析师和制图员运用最科学的方法完成的。之后，强度的计算会交给一组完全不同的专家进行独立核验。因此，最终做出的强度预测要尽可能准确和缜密。最后，为确保万无一失，还要进行全尺寸机身的破坏实测。
要给出真正的最新结果是不可能的，因为近年极少有不同类型的飞机被订购，以致这些数据并不具有统计学上的显著性。然而，随着飞机变得更简单也更便宜，相当多的设计至少走到了原型阶段。1935—1955年，英国制造出差不多100种不同的飞机并进行了破坏测试。因此，这一时期的结果具有相当可靠的统计学意义上的指导性。
当然，这些不同类型飞机要求的强度的实际数据千差万别，要根据飞机的大小和类型而定。但是，每个设计团队的目标都是，让强度达到行话所谓的“120%全因子载荷”。 [3] 如果结构设计完全是一个严谨的专业，当绘制曲线或“直方图”时，人们就可以预期，各种测试结果紧密聚集在120%全因子载荷值的附近，偏差极小。换言之，结果应该产生一条狭窄的“正态”或钟形曲线，如图15–1所示。
图15–1 实验飞机强度的预期统计分布
众所周知，这类事情压根儿没有发生。当把结果绘制成统计图时，直方图看起来很像图15–2。实验强度倾向于随机分布在约50%~150%的要求载荷或全因子载荷之间。也就是说，即使是最卓越的设计师，也不能指望他在上限是下限三倍的区间内准确预测飞机的强度。其中一些飞机的强度还不到应有的一半；而另一些的强度又太大，以至于比所需重量沉得多。
对船舶来说，实在找不到数据来支持这种判断——因为几乎从未有船舶在实验室条件下做过破坏测试。所以，我们不可能知道船舶工程师的工作做得多好或多糟，至少在强度预测方面是这样。然而，我们在第5章中说过，船舶的结构性事故的数量相当可观，时至今日，每吨英里的事故数量似乎很有可能仍在增加。
图15–2 1935——1955年，测试架上被破坏机身强度的实际分布（非常近似的示意图）
至于桥梁，其强度计算问题在某些方面要比船舶和飞机容易，因为其负载条件的变化较少。尽管如此，现代桥梁的失效数量还是十分巨大的。
基于实验的设计
如今建造轻便马车，让我来为你明言，
某处总会有个最弱点——
或在轮轴，或在轮胎、轮辋，或在弹簧、车辕，
或在门板、横木，或在底板、窗沿，
或在螺钉、螺栓，或在支撑皮带——凡此隐患，
不论何处，你必须发现，你也必将发现。
——奥利弗·温德尔·霍姆斯，《单驾马车》
当然，正是理论设计过程的不可靠性，导致我们必须对所有飞机做实验性的强度测试。但是，实验性方法的好处还可以进一步扩展。我们假设，设计师的目标应该是确定测试过程中结构初次失效所需的载荷。不过，即便是设计最科学的结构，也不太可能让各个部位的强度保持一致，就像传说中的单驾马车，其上
……车轮之强，正如车辕，
底板之强，正如窗沿，
门板之强，正如底板——
测试架上的结构会在最薄弱的地方断裂。因此结构的其他部位都具有更大的强度。如果机身的初始失效仅需120%的全因子载荷，那么结构的绝大部分强度就其作用而言就太高了，而这额外的强度完全被浪费了。但是，我们无从知晓在哪里以及如何减轻结构。反复测试大型结构既费钱又费时，所以在时间和资金允许的情况下，如果可能，最好让初始失效发生时的载荷充裕地低于公认的120%。由此显露出来的薄弱之处随后即可得到强化，整个结构也可以再次进行测试，以下类推。
战时的蚊式轰炸机是历史上最成功的飞机之一，其初始失效发生在88%因子载荷的条件下和尾翼的翼梁上。随后，飞机被逐步强化，直到达到118%。部分原因在于，机身重量格外轻而强度特别高，从而使这架飞机性能出众。
大致说来，这是达尔文式的方法，大自然似乎就是依靠这种方法发展其自身结构的，虽然相较于大多数文明开化的人类工程师，它好像没那么匆忙，也不太在意生命的价值。在很大程度上，这也是汽车及其他便宜的量产商品的制造商采用的方法。这些人倾向于故意把商品制造得太弱而不堪其用，并依靠顾客的投诉来发现显著缺陷。
因此，设计中大量预测强度的要素可被归结为一种游戏，我们则设法在其中找出负载系统上最薄弱的环节。结构越复杂，它就变得越困难和越不可靠。幸运的是，从家具、建筑物到飞机，许多结构的设计之所以没有沦为完全荒谬的工序，依靠的事实就是刚度要求可能比强度要求更严格。因此，如果结构的刚度足以满足要求，那么它极可能也具备足够的强度。因为结构的挠变取决于它的整体性质，而不是“最薄弱环节”的存在，所以刚度预测的实现要比强度预测容易得多，也可靠得多。这就是我们在谈论“凭眼睛”设计一个东西时真正表达的意思。
它会撑多久？
福西里德斯亦曾言：
岩石堆砌的小堡垒，
次序若得宜，其精美，
远胜令你迷乱的尼尼微。
——福西里德斯（Phocylides）
雅克·海曼教授在探讨砖石制主教座堂的强度与稳定性时，就定下了这样的原则：如果一个结构能站立5分钟，它就会屹立500年。对建在岩石上的砖石结构，宽泛地讲，这是真的。但是，许多主教座堂和其他建筑物都建在了松软的地面上。如果这种松软的土壤发生蠕变（第7章）——这种情况经常发生，奇怪的事情就会发生，比如比萨斜塔。这样的运动会花些时间，而且常常可被预测到，但纠正起来却非常昂贵，很多古今的建筑物都是因为这个缘故倒塌或被拆除。
在大多数结构类型中，腐朽和锈蚀是非常活跃的衰败动因。部分原因在于人们对腐朽的畏惧，导致英国的工程师和建筑师反对使用木料。然而，美国、加拿大、斯堪的纳维亚和瑞士的那些极其愚昧的外国人每年在他们国家建造大约1 500 000座木屋，似乎也没被腐朽问题困扰到如此程度，看看他们是怎么做的或许是个好主意。在这些国家，木材的使用增势不减。
木料天生的耐腐性差别极大，以至于英国劳氏船级社规定了每一种用于造船的木料的固定使用年限。然而，依靠现代的知识和保养方法，几乎任何种类的木材都有可能获得近乎无限的使用寿命。
大部分金属都会在使用过程中遭到腐蚀。现代低碳钢的锈蚀情况比维多利亚时代的锻铁或铸铁严重得多，所以锈蚀在某种程度上是一个现代难题。因为劳动力成本高，所以钢制品的上漆和保养成本也很高。这给了使用钢筋混凝土一个好理由，因为嵌入混凝土的钢材不会生锈。事实上，像油轮这样的大型现代船舶在被建造出来后的使用寿命约为15年；总体上，做报废处理比上漆翻新更划算。汽车的使用寿命还要更短，通常也是出于同样的原因。的确，某些结构可以使用不锈钢，但这绝非一劳永逸的防锈蚀之道，而且不锈钢很贵，又难于制造。除此之外，不锈钢的疲劳性质通常很糟糕。
这些都是我们选择使用铝合金的部分原因；但是，除了额外的成本，铝合金的刚度在很多情况下被证明是不足的。焊接铝的困难也是一个障碍。一些国家看到铝材的巨大前景，于是大力投资兴建铝厂。伦敦的股票市场因1961年英国铝业公开收购英国管道投资公司而大幅振荡。然而，铝材市场并没有扩张到涉足相关交易的商人所预期的程度。不管怎样，制铝比炼钢需要耗费更多的能量。
即使一个结构的材料不会劣化，其使用寿命也可能要受限于统计结果，有时可以算出来，有时则算不出来。许多结构仅在相当特殊的情况下才有可能被破坏，而这类情况可能很长时间都不会出现。就船舶而言，可能是反常的巨浪；对飞机来说，则可能是异常剧烈的上升阵风。有些结构也许只能被不寻常的事件组合破坏，对一座桥梁来说，可能是强风与特殊交通载荷的组合。虽然对这样的无妄之灾我们应有所防备，但它们可能还要过许多年才会发生。所以，一个根本不安全的结构可能会坚持很长时间不倒塌，只是因为它从未经过充分的考验。
当然，负责任的工程师也会尝试预测这类事情，并为之做结构上的准备，但在很多情况下，这样的载荷峰值逐渐变为保险公司所谓的“天灾”。如果一艘船撞上一座大桥，桥船俱毁，就像最近在塔斯马尼亚发生的事情，那么我们很难指望船舶工程师或桥梁设计师应从结构的角度为此做些什么。这个问题不在于结构工程师，而在于当地的引航协会。此外，飞机的设计也不应考虑撞上山丘的情况。在一定程度上，我们确实在设计汽车时考虑了撞上砖墙而不致乘客送命的情况，但之后我们也不会指望这辆车还能有多大用处。
金属疲劳与哈尼先生
导致结构的强度损失的最大隐患之一是“疲劳”，即变载荷的累积效应。关于金属疲劳的令人吃惊的可能性的描述首见于1895年的通俗文献，吉卜林记录说，格劳陶号由于艉轴上的疲劳裂缝在比斯开湾某处发生螺旋桨脱落事故。之后，人们渐渐淡忘了这件事。到了1948年，尼维尔·舒特的《没有捷径》又重新唤起了大众对金属疲劳的兴趣。无论是作为一本书还是一部电影，这个故事的成功无疑部分归功于哈尼先生这一有代表性的科学奇才角色，但或许更主要的原因是之后不久发生的三次“彗星”客机空难。不久前惠斯勒曾评论过，大自然的技艺一直在增长。“彗星”客机的事故情况与《没有捷径》中的那些想象没有多大区别，除了有更多人丧生并对英国的航空工业造成了更大的损害。
事实上，工程师对金属疲劳效应的了解可追溯到100多年前。的确，工业革命后不久，人们就开始注意到机械的运动部件有时会在对固定零件绝对安全的载荷与应力作用下发生断裂。这对铁道列车而言尤其危险，火车的轴有时会在使用一段时间后突然莫明其妙地断开。这种效应很快就被称为“疲劳”，关于这一课题的经典研究是在19世纪中叶由一位叫沃勒（W?hler）的德国铁路官员做出的。从照片上看，沃勒看起来完全是一副人们印象中的德国19世纪铁路官员的模样，但他的确做了一项非常有益的工作。
如我们在第5章所说，即便划痕或裂缝尖端处的局域应力可能很高，只要它比临界格里菲斯裂缝长度短，该裂缝也不会扩展，因为要使之扩展就需要对其做功并达到材料的“断裂功”。然而，当材料中的应力处于波动状态时，金属的晶体结构内就会发生缓慢的变化，这尤其可能发生在应力集中的区域。这些变化导致金属的断裂功减小，以致裂缝会非常缓慢地扩展，即使它有可能比临界长度短得多。
这样看来，应力作用下的金属上的任何孔洞、划痕或不平整处都可能发展出一条看不见的细小裂缝，也有可能扩展贯穿该材料，这个过程大体上不会有任何显著性变化。对于常见或一般的裂缝，这样一条疲劳裂缝迟早会达到临界长度。当这种情况发生时，裂缝会加速扩展，径直贯穿材料，经常会带来非常严重的后果。在失效发生后我们通常很容易通过其独有的条状或带状形貌诊断出疲劳裂缝。但在断裂前，早期的疲劳失效实际上是不可能被发现的。
当然，冶金学家和其他人对他们的材料做了大量疲劳测试，许多不同类型的测试仪器如今都可用于此目的。我们通常要考虑金属在反向应力（±s）作用下的疲劳特性，这种应力会产生于转动的悬臂中，比如车轴。（我们也可以将这些结果转化为变应力。）这个反向应力（±s）可被绘制成函数图像，其横坐标表示施加到试样上并使之失效的反向应力次数（n ）的对数。这个图有时被称作“S –N 曲线”。
钢材典型的S –N 曲线如图15–3所示。显然，该曲线呈狗后腿状的曲折样式，大约在经过100万次反向应力作用后变平，可能相当于汽车或列车的车轴运行3 000英里，或普通的汽车发动机运转约10个小时（发动机当然转得比车轮快得多）。对像钢铁这样的材料来说，存在一个明确定义的“疲劳极限”，这给了工程师极大的安慰。如果他的发动机或车辆能转l06 或l07 圈（可能只需要花几个小时），那么它就有望是永远安全的。但疲劳一直是一个需要考虑的危险因素。
图15–3 典型的钢铁疲劳曲线
铝合金没有明确定义的疲劳极限，但其曲线倾向于逐渐下降，大致如图15–4所示。这使得它们用起来更危险，也解释了某些显然老派的偏好，即倾向于在机械和其他结构中使用钢材。
图15–4 黄铜和铝等有色金属合金常常显示不出任何可明确定义的疲劳极限
“彗星”客机的事故发生在1953年和1954年，自然引起了恐慌与合理的警觉。阿诺德·霍尔爵士（Sir Arnold Hall）携手一个庞大的专家团队对这些事故的调查堪称经典，不仅是在工程检测方面，而且是在远洋搜救方面。其中一架飞机的碎片坠入了地中海，需要从300英尺或50英寻（1英寻约为1.8米）以上的深度将它们打捞上来。搜救人员设法将几乎整架飞机都找了回来，数不清的碎片被铺放在法恩伯勒的一座大型机库的地面上。我还记得，其中没有一块碎片超过2~3英尺宽。
“彗星”客机是拥有密封增压机身的最早一批客机，其主要目的当然是使乘客免受因海拔高度变化导致的大气压改变而带来的不适和危险。从前，在飞越落基山脉时，人们常常不得不一边戴着氧气面罩一边吃午餐，现在这已经成为人们丧失的技能之一。在密封增压的飞机上，机身实际上成了一个圆柱状的压力容器，和一个薄壁锅炉没什么不同，它会随飞机每次爬升和下降而增压和放松。
“彗星”客机设计的致命错误在于，设计人员没有充分意识到在这些环境中机身金属应力集中部位发生“疲劳”的危险性。“彗星”客机是用铝合金建造的，而德哈维兰公司先前的大部分制造经验都来自木制飞机，比如大获成功的蚊式轰炸机。我并不是说德哈维兰公司非常能干的设计人员对疲劳知之甚少，而是铝合金疲劳的危险性很可能未足够深入他们的集体意识。比起金属，木材不那么容易陷入这种危险，这是它的巨大优势之一。
在每次事故中，裂缝似乎总是从机身上同样小的孔洞开始，缓慢而不被察觉地扩展着，直到达到临界格里菲斯裂缝长度。于是，外壳发生灾难性的撕裂，机身像鼓胀的气球一样爆炸。在法恩伯勒，通过用大型水箱反复给“彗星”客机机身增压，阿诺德·霍尔爵士重现了该效应，使它可以以慢动作的形式被观察到。
“彗星”客机事故发生的部分原因是，肯定存在的疲劳裂缝从未被检查人员发现，这或许是因为他压根儿没打算发现它们，但更有可能是因为裂缝太短而不易看见。如今，飞机机身被设计成可安全容纳约2英尺长的裂缝，有人会认为这么长的一条裂缝几乎不可能不被及时发现。然而，有一个故事是这样的：伦敦机场的两位清洁工在某天深夜，完成了对一架空客飞机机舱的清扫工作。她们关上舱门，走下舷梯，来到停机坪。
“玛丽，你忘关洗手间的灯了。”
“你是怎么知道的？”
“你难道没看到从机身裂缝里透出来的光吗？”
木制船舶的事故原因
在铁路时代之前，几乎所有的载重运输都是走水路。除了远洋贸易、欧陆贸易及依靠内河与运河的内陆贸易，还有更大规模的沿海贸易。成千上万的小型木制双桅和多桅帆船——就是雅各布斯（W. W.Jacobs）漫画中呈现的那些——可以运送任何东西，不仅能到达沿岸海湾和海港，还能抵达几乎所有可能或不可能的海滩。一艘船会在涨潮时停泊在海滩上，当潮水退去后，码头工人会将它运载的煤炭、砖块、石灰或住宅家具卸到停在旁边的货运马车上。当潮水再次涨起来时，它又会驶向大海，如此循环往复。
这自然是一桩相当冒险的生意，但在18世纪，大多数较小的船只都负担得起在冬季最糟糕时节的歇业整修，全体船员可以照看家人，光临酒馆。但这种略显安逸也不是特别危险的状态被19世纪更具竞争性的局面打破了。在商贸压力下，船只必须整个冬天都要从事贸易，通常不能坐等天气好后再工作。这些小帆船的守时的确会让许多现代货运列车羞愧难当。
这当然是有代价的。19世纪30年代中期，英国沿岸附近平均每年发生567起船只事故；其结果是，平均每年有894人丧生。按每吨英里的交付货物计算，相较现代货运卡车，这些数据是更好还是更糟，我真的不知道。但无论如何，当时社会大众的良心受到煎熬，英国议会也成立了一个特别委员会调查“船只失事原因”。在听取了大量证词后，该委员会报告，除去次要原因，英国的船只事故主要可归因于下述状况：
1. 构造缺陷。
2. 设备不足。
3. 维修不力。
他们宣称：“似乎是英国劳氏船级社1798—1834年采用的分级制度（即有关建造与维修受保船舶的规章）加剧了船舶的构造缺陷问题。”
该委员会补充说，政府按船只吨位征税的制度催生了完全经不起风浪的船体形状。几个世纪以来，官僚主义的思维似乎没有发生太大变化。
平心而论，为船舶或其他任何类型的结构的强度和安全设立规章，是一件极其困难的事情。毫无疑问，自19世纪30年代以来，在此事上已取得一定的进展。同时，从另一种意义上说，大量的技术进步也被阻断了，尤其是受阻于各种不同的营建条例。就像帕格斯利在《结构的安全》中指出的那样，对结构的强度做出既能防傻瓜和恶棍，又不会阻止或妨碍发展与创新的规定，本身就是不可能的事。对结构安全性的规定想来是必要的，但其中一些不仅徒劳无功，还成为事故的实际原因。
回到木制船舶上来。不仅是快速帆船，还有小型的双桅方帆船、前桅横帆双桅船、中帆多桅船和驳船——如此漂亮和令人满意——皆不复存在，往昔用于建造它们的帆桁现在改用于游艇。木制游艇的结构难题或多或少要比更大的船只严重。虽然游艇的船体在运载石块或煤炭货物时不会在卵石滩上颠簸，但它们面临一个更困难的问题，即它们的薄外壳不适于抵抗局部冲击。
现在，驾驶小游艇远航已变得时髦，船体的抗冲击强度问题也因此变得重要起来。在深水海域航行的游艇屡遭虎鲸袭击而沉没。这种动物重约6吨，游速在30节左右。它们似乎特别憎恶小游艇，能在吃水线下撞出个洞来。这种情况如今经常发生，以至于再也不能将其归为“天灾”，而是一种必须加以防范的重大风险。
将小游艇的侧面建造得又厚又强足以抵抗这样的攻击，可能是不切实际的。在被撞出洞后，最好的方法是借助某种充气漂浮装置使游艇浮在水面上，最好还可以航行。迄今为止，那些在这类事故中幸存的人都是乘坐救生艇逃生的，他们中的大多数人必然会经历一段非常难熬的日子，数天或数周之后才被一艘蒸汽轮船救起。
锅炉和压力容器
在铁路系统得到完善之前的许多年间，大量的客运和特快货运靠的都是蒸汽轮船。在19世纪上半叶，不仅有比今天更多的蒸汽轮船驶向更多的欧陆港口，还有很多轮次往来于英国的城镇间。应该注意到，从伦敦到纽卡斯尔、爱丁堡或阿伯丁等地方，最廉价通常也是最快和最舒适的航线就是乘坐蒸汽轮船。
蒸汽轮船的事故发生次数要比帆船少，这只是因为蒸汽轮船的数量本就更少。尽管如此，1817—1839年，在英国水域蒸汽轮船发生了92起重大事故，其中有23起要归咎于锅炉爆炸。这虽不及几年后美式内河蒸汽轮船的糟糕纪录，但也够糟糕的了。
某些早期锅炉是用铸铁等不适宜的材料制造的，诺里奇号上的一个铸铁锅炉就发生了爆炸，致多人死亡。即便锅炉是用较为适宜的锻铁制造的，它们常常也会被忽略以致生锈，直到爆炸。这就是福法尔郡号于1838年在法恩群岛沉没的原因，其中有5个人因格蕾丝·达林 [4] 卓越的船舶驾驶技术而获救。
英国议会又责成一个委员会于1839年提交事故调查报告，并形成一份广泛、彻底、确凿和几乎令人难以置信的文件。在蒸汽机四处轰鸣的年代，即便只是头脑清醒的轮机室工作人员也几乎是千金难求，称职、负责或聪明的相关人才更是凤毛麟角。这些人用无知和粗心的态度对待他们的发动机和锅炉，这简直让人不敢相信。例如：
在一艘从爱尔兰驶向苏格兰的蒸汽轮船上，指挥官察觉到船在夜间驶过平静海面的速度比平常快得多。工程师不在他的岗位上，于是船长询问司炉员发动机为什么转得这么快。司炉员答道：“不好说，因为锅炉里没有多少蒸汽，但火烧得很猛。”船长走近外露安全阀紧闭的烟囱，开始四处查看，他发现一个熟睡乘客的大半个身子压在扁平干酪状的安全阀配重上。这个人带着一些行李，将他的床铺在那儿以便取暖。船长唤醒并让他移开，阀门升起来，蒸汽咆哮而出，表明它已达到很高的气压。
司炉员没有水银气压计来测量蒸汽压，所以他习惯尽量靠近放气点的位置：没听到放气，他便认为蒸汽量很低；他对实情一无所知，虽然发动机增速应当让他察觉到事有蹊跷。
几位通讯员都提到，轮机员、司炉员乃至船主频繁被撞见坐在甚至是站在安全阀上，或者吊起配重并将他们的身体靠在操作杆上，以便在启动时提高蒸汽压。
该报告接着说，他们还会把多余的燃煤堆在安全阀上，赫拉克勒斯号蒸汽轮船就是因为这个原因爆炸的。总而言之，十分显著的是，仅在调查期间，英国蒸汽轮船的锅炉爆炸就造成77人身亡。
铁路的事故记录和蒸汽轮船几乎一样糟，原因也差不多。在七八十年间，相继发生了一系列非常严重的事故，其中最后一次发生在1909年左右。机车锅炉爆炸了，但气压计示数却几乎为零。调查结果表明，技工把安全阀的方向装错了，它根本没法放气。气压计示数几乎为零，只是因为指针已走完整整一圈却停在了止动销的反面。这起事故造成三人死亡，还有三人重伤。
近来，锅炉爆炸的次数已大幅下降。这部分是因为蒸汽锅炉的制造与维护现在受到法律和保险公司的严密控制，但或许更多是因为如今使用的蒸汽发动机相当小，而那些实际存在的工厂几乎都是大型工厂，比如发电厂，想必它们都是由称职的人来运营的。
但是，锅炉何时不是锅炉了？这是一个相当有趣的法律问题。工业领域中有大量的压力容器，它们被用于各种制造过程。许多这类容器的设计比传统锅炉更复杂和更不寻常，可能也没那么危险。通常，对其制造和使用的控制不像普通锅炉那么严格。然而，许多这类容器都是经工艺蒸汽或受压热油加热的，致使其破裂的后果可能也很糟糕。请记住，在暴露于湿蒸汽的低碳钢结构中，焊接金属的疲劳极限可能会降至±2 000 psi。
在我亲历的一个事故中，用于制造涂塑纸的两个大型旋转鼓轮从低压油加热转换为蒸汽加热，而且是高压工艺蒸汽。为确保万无一失，保险公司的检查员坚持用从低碳钢板上切割下来并焊接到位的大三角撑板或托架，将扁平的端板与圆柱形外壳连接起来，以此“强化”鼓轮内部。
经短时间的蒸汽加热后，两个正在使用的鼓轮爆炸了。根据图纸，我计算出在两个鼓轮中，应该有48处会失效。结果证明这是一个悲观的估计，实际只有47处失效。幸运的是，无人员身亡或重伤。但保险公司的检查员的行为有些不合适，我本以为他是一个勤奋好心的小伙子。
另一个案例则更悲惨。一家化工承包公司从别处购进混合容器，并将之安装在他们为客户建的工厂中。因为这种混合容器要用受压油加热，所以密封增压加热的锅炉套要接受冷水“验收测试”。在安装之前，它经受住了65 psi的压强而无明显损坏。然而，当工厂投产后，锅炉套里被灌满了只有约23 psi的高温热油，只使用了几个小时锅炉就爆炸了，一个人身上被溅了280摄氏度的液油，几天后就死了。
根据官方检查员的报告，这起事故可能只是我的委托人——这家化工公司——严重管理不善的后果。因此，相关化学工程师已身陷高等法院非常烦琐和昂贵的诉讼中。
事实上，基于对破碎残骸的错误观察而出具的事故官方报告，是相当具有误导性的。容器之所以爆炸，不是因为我的委托人处理不当，而是由于设计和制造不当。虽然事故的技术原因实际上略显微妙，但我的委托人还有实际制造该容器的人都没把设计当回事儿。事实上，这个容器从未得到真正精密的设计，不过是在一家小巷子里的焊接作坊中“凭肉眼”组装出来的。
事情的真相是，在“验收负载”期间，将用密封增压加热的锅炉套接合在一起的主要焊缝发生了相当大的变形，但当时却没有人注意到。这些焊缝接近于失效状态，以至于锅炉套上低得多的压强产生的几次反向应力便足以造成疲劳失效的灾难性后果。一位训练有素的工程师应该可以发现并指出这个问题。在法律上看，或公平地看，主要的责任要算在容器制造者的头上；但我不禁想到，一群称职的化学工程师应该也可以预见到这种危险。当我去看他们时，总经理带我出去吃午餐。交谈间我问他：“你的公司里有多少个拥有学士学位的工程师，先生？”
“一个也没有，感谢上帝！”
致命的洞
虽然在现有结构上打洞通常被看作轻率之举，但一些人似乎就是忍不住要这样做。“大师号”飞机便是明证。这种飞机是战前为英国皇家空军建造的高级教练机，兼具飓风式战斗机和喷火式战斗机的一些使用性能和许多操纵性能。在1940年的危急时刻，一些“大师号”飞机的机翼上被加装了6架机关枪，并改作战斗机。它的原始教练机所具有的线控操纵面，虽然完全令人满意，但其做出的反应比一架真正的战斗机略显“柔弱”。因此，有人决定将战斗机版“大师号”飞机中的联动装置由线控方式改为杆控方式。为给方向舵和升降舵的操纵杆腾出空间，要在机身后舱壁上切出合适的槽孔。
不久之后，三起致命事故接踵而至。在每一起事故中，机尾都在飞行过程中发生脱落。当把机身放到测试架上时，我们发现其强度已下降到仅为全因子载荷的45%。我认为，其中的教训就是切莫画蛇添足。
此类事故中更广为人知的一次发生在伯肯黑德号运兵舰上，造成了大量的人员伤亡。这艘铁制蒸汽轮船拥有足够的强度和连续的水密隔舱，它作为军舰的生涯始于1846年。然而，当它改作运兵舰时，英国陆军部坚持要在其横向的水密隔舱壁 [5] 上切出非常大的开口，为舰载部队提供更多的光线、空气和可见的空间。
1852年，伯肯黑德号被派往印度，途经好望角，有648人登船，包括20名妇女和儿童。由于引航错误，它撞上了距离南非海岸约4英里的一块孤立礁石。这艘船前部撞出了一个大洞，而且因为舱壁被切开了，船前部的所有运兵舱被迅速淹没，导致舰载部队中的许多人都淹死在他们的吊床上（时间是凌晨两点）。
在涌入海水的重量作用下，被淹没的舰船前部断裂，随即沉没，留下的幸存者都挤在舰船后部，缓慢地下沉。月黑风高，海里到处是鲨鱼，救生艇又不够用。舰载部队表现得英勇无畏、训练有素，他们迅速地退到后甲板上，妇女和儿童则被送上仅有的救生艇。所有的妇女和儿童都得救了，另有173位男性幸存，其他人要么葬身海底，要么亡于鲨鱼之口。
在舱壁上打洞的最明显后果当然是该舰船的各舱室迅速被水淹没，这无疑是沉船的主要原因。然而，如果这艘运兵舰没有被一分为二，可能就不会造成这么大的人员伤亡，而这至少部分归咎于舱壁被切开导致整个船体的强度被弱化。
伯肯黑德号的沉没很快就成了普鲁士士兵训练有素和展现英雄气概的著名范例，这也是理所应当的。当消息传到柏林时，普鲁士国王下令将此事迹传谕全军各级单位，特别是为此接受检阅的部队。但是，如果他能命令陆军部不得干预舰船结构，可能就更好了，毕竟军人们总是弄不明白这件事。
卓越的船舶工程师巴纳比（K. C. Barnaby）先生说，多年来，人们一直认为运兵舰拥有开放的空间比安全性更重要。他说，直到1882年船主们还在抱怨，当他们按英国海军部的要求安装附加舱壁时，部队管理部门仍会以舱壁间的空间太小为由而拒不接受这些船舶。 [6]
超重
几乎每个结构最终都倾向于比设计者想要的更重。这部分归因于称重部门过于乐观的估计，但也是因为几乎每个人都有“求稳”的倾向，从而使每个部分都比实际所需更厚也更重。在许多人眼中，这是一种美德——诚实正直的标志。我们说东西“造得厚重”是一种赞扬，而说“造得轻巧”则几乎和“不结实”或“粗制滥造”同义。
有时候这无关紧要，但在有些情况下，它确实至关重要。从制图版开始，飞机的重量倾向于不断增加。额外的重量自然限制了飞机的燃料容量或有效载荷，但除了总重的增加，飞机的重心总会设法以某种方式朝机尾过度偏移。换句话说，机尾的重量有增加的趋势，而且与机身其余部位不成比例。这是一个严重的问题。如果重心过于靠近机尾，飞机飞行时就会发生危险，它可能会陷入无法恢复的尾旋。基于这个原因，数量惊人的飞机——包括一些非常著名的机型——在其使用寿命内，都得用螺栓将铅配重块永久地固定在它们的机头上；为了让重心保持在可容忍的安全位置上，这是必要之举。不用说，这太糟糕了。
超重对船舶的影响也很糟糕，甚至更糟糕。不仅所有船体都会绝对超重，在这种情况下，还会使重心倾向于朝上偏移而非朝后偏移——不可避免地上移。现在，一艘船的稳定性，即其正面朝上而非颠倒过来或偏向一侧的漂浮趋势，取决于所谓的“稳心高度”。它是一个叫“稳心”的隐秘而重要的点与船舶重心之间的垂直距离，出于充足的理由，即便一艘大型船舶的稳心高度也很可能相当小——1~2英尺或更小。因此，重心的位置只需升高几英寸就能使稳心高度显著减小，这很可能危及船舶的安全。基于这个原因，很多船舶会在下水时倾覆，但毫无疑问，造船厂工头或者造成额外顶部重量的人会认为这不是他们的错。
我们在第11章中提过英国皇家海军舰长号的沉没。舰长号的整个故事在当时极具政治性和争议性，我认为很少有事故能产生如此深远的历史影响。舰长号代表了蒸汽战列舰演变的一个转折点，或许也是世界强国的现代概念的转折点。英国海军部经常受到对船舶知之甚少的历史学家的批评，理由是船舶从风帆动力转变为蒸汽动力的进程过于缓慢。这些历史学家有时正是对“帝国主义扩张”等大加挞伐的那些。
务必牢记，直到最近，不可靠的发动机、高的煤炭消耗量和短程的蒸汽战舰才使得他们可以依靠基地、加煤站和“殖民地”冒险离开本国水域。世界强国对蒸汽舰队的运用方式迥异于18世纪风帆舰队的战略与后勤。出于这样的基本原因，近年来英国海军部曾坚持在他们的大多数战列舰上保留除蒸汽机之外的全风帆动力。
风帆与蒸汽动力结合的技术难点不在于蒸汽机和风帆的性质，而在于19世纪期间枪炮和装甲的发展。炮塔上的火炮除了非常笨重之外，还需要宽广的射角，必要的防护装甲也要更重些。所需的射界、足够的稳定性与全风帆动力结合在一起，构成了船舶工程领域的一个大难题。19世纪60年代，英国海军部当然倾向于谨慎行事。如果允许他们继续这么做，那么一切可能都安好，只是历史可能会截然不同。
这个美梦被海军上校考伯·科尔斯打碎了。科尔斯是一个聪明人，在论战和宣传方面具有非凡的天赋。他发明了一种新型炮塔，所以他得尽力说服海军部为这种炮塔建造一艘具备全帆装的战列舰，从而获得无限射界。科尔斯不仅要说服海军部，还要斡旋于议会两院、皇室、《泰晤士报》的主编和几乎所有当权派之间，这成了一次伟大的公共事件。
海军部厌烦了被英国一半的报纸和超过半数的政客称为“顽固派”，于是最终做出了让步。他们做了一件空前绝后的事情，即允许一位不具有船舶工程学历的现役海军军官设计一艘私人战列舰，并且是用公费建造。
这艘船是由伯肯黑德的莱尔德造船厂建造的，由科尔斯负责，但没有经过常规的设计检查。并且，该船是在一片谩骂和争议声中建造的。在大部分时间里，科尔斯都在病中，不能离开他在怀特岛的家去造船厂监工。最终结果是，这艘船超重了15%左右。如果不是这种情况，这艘船至少有可能会成功，并且比较安全。
事实上，这艘舰长号吃水太深，重心又太高。后续计算表明，如果倾斜的角度超过21度，这艘船就会倾覆。然而，这艘船在1869年大张旗鼓地下水服役了。它进行了两次深水巡航，《泰晤士报》和海军大臣对它甚是满意，后者还将自己在海军军校当见习生的儿子调到了这艘军舰上。没了基地遍布世界的累赘和潜在难堪，世界强国的难题似乎陆续得到了解决。
1870年，皇家海军舰长号在第三次航行期间，与海峡舰队的其余舰船一起从直布罗陀返航，行至比斯开湾时遇到中等强度的风暴，意外倾覆。472人因此丧生，超过特拉法尔加海战中英军的阵亡总数。考伯·科尔斯和海军大臣的儿子都不幸遇难，只有17名士兵和1名军官获救。
当然，即便不是唯一因素，舰长号的沉没也有力地推动了风帆动力向蒸汽动力的加速转变，并废除了大型战列舰上的全帆装。不管技术结果如何，其政治影响都是广泛的。还记得，原来属于法国的苏伊士运河正好在舰长号下水前开始通航。1874年，迪斯雷利为英国政府买下了苏伊士运河的股份，收购一条世界范围内的加煤站链成了一个政治需要。舰长号灾难的整个故事很复杂，但直接的技术原因无疑是一心确保船的桅杆和船体具备真正足够的强度，却忽视了重量因素。在这次结构性事故中，没有什么东西真正断裂，而原因却是“结构性”的，许多结构性事故都属于这种。
随风摇曳的芦苇
当空气或水等流体流经一个障碍物时，比如一棵树或一条绳索，它的后面会形成涡流。通常，如果你观察生长在流动十分缓慢的河中的一株芦苇或菖蒲，就会发现涡流会先在一边形成，然后是另一边，如此交替。其结果是流体压强会发生有节奏的变化，从障碍物的一侧变到另一侧。这样一种涡流的交替或“街道”被称为“卡门涡街”，以空气动力学家冯·卡门的名字命名，他第一个描述了这一现象。我们通常很容易在平滑的水面上看到涡流，但空气中的涡流是看不见的，除非它们被烟、枯叶或某些类似的指示物显示出来。然而，事实上，完全相同的卡门涡街会发生在空气流经一面旗帜、一棵树或一根电线时。这些交替的涡流先作用于障碍物的一侧再作用于其另一侧，结果是旗帜迎风飘扬，树木随风摇曳，电线在风中嗡嗡作响。因此，帆绳一松，帆就会四下翻飞，极有可能被撕裂或伤及旁人。我见过一个人被滑脱的帆绳打昏过去，其中牵涉了大量能量。当一艘大船在微风中曲折前行时，噪声会如枪炮声般响亮，令人印象深刻。
如果涡流提供的气动刺激频率恰好与障碍物的一个自然振动周期一致，那么运动的幅度可能会增大到使有些东西发生断裂。正是这类现象而非稳定的风压，通常导致树木被吹倒。在飞机和悬索桥上，这种情况也极易以某种更复杂的形式发生。让结构具备足够的刚性，尤其是抗扭刚度，就能够防止这种情况。我们已经讨论过，通常支配现代飞机设计和结构重量的是对抗扭刚度的要求。
虽然特尔福德的梅奈悬索桥在建成后不久便因遭风振而严重受损，但这一危险的实质要在大约一个世纪之后才被桥梁设计师正确解释。1940年，典型的灾难发生在美国的塔科马海峡大桥上。这座桥的跨度为2 800英尺（约840米），并不具备足够的抗扭刚度。因此，即便是在四级风中，它的摇摆程度也足以令当地人将其命名为“舞动的格蒂”。建成后不久，在风速只有42英里/小时的情况下，它竟然剧烈摇摆以致轰然坍塌。碰巧现场有人带着摄影机和胶片，拍下了整个过程。购买这段影像到头来肯定是一笔不错的投资，因为此后世界上几乎每个工科学校都会反复播放它（见插图20）。
因此，现代悬索桥要建造得具备足够高的刚度，尤其是抗扭刚度。就像对飞机来说一样，刚度的要求占据桥梁重量的很大比例。例如，对赛文悬索桥（见插图12）来说，其桥面是用一根非常巨大的钢管铺成的，钢管截面为扁平的六边形，由低碳钢板制成。在建造施工期间，这根钢管是分段输送的，吊装到位后，再焊接成一个连续的结构。
工程设计中体现的人性弱点
在几乎所有事故中，我们都需要分辨两个不同层次的原因。其一是直接的技术或机械原因，其二是潜在的人为原因。设计确实不是一项非常精确的事，意料之外的事情会发生，错误也会发生，但更多时候，事故的“真实”原因是可以预防的人为失误。
目前流行的假设是，将失误归咎于人实属不公，毕竟他们已“竭尽全力”，只是或受制于教育、环境，或受制于社会制度等。但是，失误渐渐转变为如今非常不受欢迎的所谓“罪行”。我将很长的职业生涯花费或浪费在研究材料和结构的强度上，所以我有机会去检视大量事故，其中许多都是生死攸关的。我被迫得出的结论是：极少数的事故是与道德无关的。九成事故的原因不在于有些深奥的技术效应，而是老派的人为罪过——通常接近于平庸之恶。
当然，我不是指蓄意谋杀、大肆欺诈或性侵害等更恶劣极端的罪行。我指的是能置人于死地的肮脏罪行，比如粗心大意、懒惰闲散、“不学也不问”、“你别对我的工作指手画脚”、骄傲自满、妒忌和贪婪。虽然某些工程公司拥有豪华的设计团队，但英国有太多公司在技术上是不称职的——经常达到犯罪的程度。其中许多人都出身于生产车间，既傲慢又小气，他们强烈憎恶任何让他们寻求适当的意见或雇用合格的员工的建议。
据我的经验，每周发生的事故要比报纸报道的多得多，原因一般是缺乏适当的维护和专业技能。我十分怀疑颁布再多的规章可能也于事无补。在我看来，我们需要的是增强公众意识和营造舆论环境，把这样的“错误”视为道德上有罪。一个人在木制飞机翼梁的错误位置处钻了个洞，他堵上了洞并且没有声张，就这样逃脱了罪责。想必陪审团也认为道德责任是无足轻重的。
我们需要的是更多的宣传活动，难点在于反诽谤法。在大多数情况下，如果事故的真实原因被公之于众，有些人会非常羞愧，其业务或职业声望可能会受损。大多数执业工程师深深意识到这一点，不得不保持缄默，否则就会冒遭受严重损失的风险。在我看来，为了公众的利益着想，应该找到一条解决之道，使事故和愚蠢的错误在媒体上公开。
虽然绝大多数结构性事故都是见不得人的肮脏事，但我们极少会听说。当然，也会有一定数量的令人吃惊的重大事故，一度独占新闻头条，比如，1879年苏格兰泰河铁路桥的坍塌，1870年舰长号的倾覆和1930年的R101号飞艇空难。这些事故往往是由野心和自负所致的人为或政治事故。舰长号的沉没就属此类：承担最重的道德责任的两个人为他们的过错付出了沉重的代价，一个赔上了自己的性命，另一个赔上了儿子的性命。不幸的是，其他人也因此丧命。
R101号飞艇于1930年在法国博韦坠落并烧毁，情况基本上也是类似的。尼维尔·舒特在他的书《计算滑尺》中对此进行了精彩的记述。这起事故的直接技术原因是布蒙皮的撕裂，该布皮显然因加入了不合适的添加剂而变得脆化。然而，这场空难的真正原因是自满、妒忌和政治野心。工党政府的航空大臣——汤普森勋爵承担了最终责任，他在事故中被烧死，一同丧生的还有他的贴身男仆和差不多50位机组人员。
尼维尔·舒特对这起事故原因的记述，格外接近我在类似情况中的亲身经历。人们能立即认识到整个过程中充斥着加大拉人的某种氛围。在自满、妒忌、野心和政治对抗的压力下，人们把注意力都集中在了日常琐事上。广泛的判断，工程学上的运筹帷幄，最终都化为了不可能。整件事情就在人们眼前不可阻挡地走向灾难，宙斯的目的由此达成。人们并不会因在技术情境下行事而摆脱古典或神学意义上的人性的弱点，这些灾难中的好几个都具有希腊悲剧式的戏剧性和必然性。或许我们的一些教科书应该由像埃斯库罗斯或索福克勒斯这样的人来写，这些作家不是人文主义者。
[1] Arnold, 1966.
[2] 在英军轰炸机指挥部，飞行员每回“执勤”都包括30次出动或任务飞行。因此，这样的任务格外危险。轰炸机指挥部麾下的人员伤亡堪比德国U型潜艇的人员损失，那可是出了名的高。
[3] 额外的20% 是适航管理部门要求的，为的是适应材料和装配工序的变化。
[4] 达林在27岁时死于结核病。她的实际贡献比流传至今的故事和图片展现出来的更大，她更像一个技艺娴熟的水手。
[5] 当然，轮机室的舱壁除外。
[6] 参见K. C. Barnaby, Some Ship Disasters and their Causes (Hutchinson, 1968).
