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1、竹子中的工程力学知识竹，禾本科。秆木质化，有明显的节，节间常中空。我国有竹250余种，主要分布于长江流域及华南、西南地区。用途极广，秆可供各种建筑用，又可作为造纸原料或编织各种用具；幼芽即竹笋，为鲜美的蔬菜。常见的有毛竹、刚竹、箸竹、淡竹、紫竹等。竹体轻，弹性和韧性很高，顺纹抗拉强度达170MPa，顺纹抗压强度达80MPa。特别是刚竹，其顺纹抗拉强度最高竟达280MPa，几乎相当于同样截面尺寸普通钢材的一半。但若按单位质量计算抗拉强度，则竹材单位质量的抗拉强度是钢材的2.5倍左右。根据材料力学的弯曲强度理论，弯曲正应力是控制强度的主要因素，弯曲强度条件max=MmaxW根据工程力学的知识，要提
2、高杆的强度，除了合理安排受力，降低Mmax的数值以外，主要是采用合理的截面形状，尽量提高抗弯截面模量W的数值，充分利用材料。实心圆截面和空心圆截面的抗弯截面模量分别是W实=d332W空=D3321-4因此，空心圆截面杆的抗弯强度比同样截面积的实心杆要大；并且空心圆截面杆内、外直径的比值越大，其抗弯强度也随之增大。例如，当=0.7时，它的抗弯强度比同样重量的实心圆截面大2倍。因为杆弯曲时从正应力的分布规律可知在杆截面上离中性轴越远，正应力越大，而中性轴附近的应力很小，这样其材料的性能未能充分发挥作用。若将实心圆截面改为空心圆截面，也就是将材料移置到离中性轴较远处，却可大大提高抗弯强度。例如，汽车
3、传动轴所采用空心圆截面的内、外径比值为0.944，若改为实心轴，要求它与原先的空心轴强度相同，则空心轴的重量只为实心轴的31%，可见，空心轴减轻重量，节约材料的特性是非常明显的。竹子“腹中空”的特点，还进一步提高了其稳定性。由欧拉公式Fcr=2EIl2可以看出，截面的惯性矩I越大，则临界压力越大。又由经验公式=a-b=a-b2可知，柔度越小临界应力越高。由于=uli所以，提高惯性半径i的数值就能减小的数值。可见，如不增加截面面积，而尽可能把材料放在高截面形心较远处，就能取得较大的I和i，这就等于提高了临界应力。空心的环形截面同实心圆截面比较，环形截面的I和i都比实心圆截面的大得多。因此空心杆的
4、稳定性较实心杆大得多。在夏初时节，有些竹子一天可长高40cm。竹子还有一种独特的生长方式，就是母笋在出土前其节数就定了，出土后不再增加新节，只增大节与节间的距离，是一节比一节更长、更细。竹子这种下粗上细的独特形态，使竹子在自重作用各截面的压应力近似相等，即近似为“等应力杆”，也就是说在自重作用下竹子的压杆截面最为理想。竹子在风载作用下各段抵抗弯曲变形能力基本相同，相当于阶梯状变截面杆，是一种近似的“等强度杆”。因为在风力作用下，沿杆自上而下各截面的弯矩越来越大。竹子根部所受弯矩最大，因而根部最粗，自下而上各截面弯矩越来越小，竹子也就越来越细。由弯曲强度条件可知，理想的等强度杆外形应是光滑曲线。在工程上为了经济及施工的方便，一般都是采用阶梯状的变截面杆(阶梯杆)来代替理论上的等强度杆。在工程中，竹子的这些力学特性有着广泛的应用。例如大型民用飞机的机翼，大都是采用平直的机翼，这种机翼是一种扁平的空心等强度结构，其翼肋象竹节一样可以提高机翼的抗弯强度，而空心结构在满足足够的抗弯强度前提下，大大地减轻了重量。再如，汽车传动轴、抽油杆等都用到了空心等强度结构设计。2008北京奥运会主场馆“鸟巢”，是世界上跨度最大的钢结构建筑，纵横交错的钢铁枝蔓是“鸟巢”设计中最华彩的部分，也是鸟巢建设中最艰难的地方。这些钢结构也用到了空心梁。
