竹,应用于晒衣竿、钓鱼竿、弓(强韧性)、尺、计算尺(低伸缩性)、还有茶园竹刷(搅和茶叶末使起泡沫的竹刷)、竹篱、竹帘、圆扇(破裂性即易破裂)等极为广泛。本文试图在竹材这么广泛应用的理由中,仅以物理学特性为中心,从力学上阐明这些应用是根据怎样的形状和结构的。从其结果看,不限于目前竹材的应用,也考虑到尚未发现的新的工程和技术方面的应用。

圆管远比圆柱强

近年来,设计高层建筑结构物时,为提高抗震性,而改变目前采用的刚结构设计法,已经采用柔结构设计法。不可能逃避风雨、积雪这类自然力的树木等,与动物不同,却与高层建筑物相同,对不超过它的外力是能够适应的,其形状、组织构成之巧妙,令人惊讶!

首先,为了适应外力,它们的形状可发生变化。对风弯曲让风力吹过,就是一个例子。

树木和竹,这种易于变形的理由,可列举出含有非常多的水分。在笔者进行孟宗竹弯曲试验里,证实鲜竹(含水率30.4%)比采伐后一年自然干燥的竹(含水'率12.6%)弯曲大1.5倍。由此可见,竹材是极其柔软的,往往认为结构组织全都是那样构成的,但再稍详尽的对形状、材料构成进行力学分析,情况并非如此。

竹茎,是直线的,根基部较粗,且大致是完全的圆管结构。这可以发现,在结构力学上,当受到自然外力,根基作为刚支点笔直地“伸臂”。圆管远比与它同一截面积的实心圆柱,对外力更难弯曲。还有,对同一外力,产生膨胀的内力小,唯有膨胀才难以遭受破坏。在孟宗竹的情况下,难于破坏的程度,达到与它同一截面积的实心圆柱结构的3 ~ 4倍。其次,需要很大力矩的根基部粗,而力矩小的尖端较细的竹的形状,是强度即使在任何部分都相等的形状,就是说,接近于“平等强度的形状”的意思。平等强度的形状,在理论上业已证明具有最大的刚性。总之,竹材,其材料特性本身,与一般生物材料同样柔软,如给以某些质量,是可成为发挥最大的强度和刚性的形状。

外侧分布较密的强化纤维

这个事实,从竹的材料结构这一点得到证实。纯管部(竹茎中除节以外的部分)的截面,可观察到由导管、筛管组成的维管束及保护它的维管束鞘,外侧分布较密。维管束鞘的分布密度相抗拉强度之间,明显相关。从这一结果来看,维管束鞘,实际上担负着像FRP(纤维增强塑料)结构的强化纤维一样的任务。

然而,根据笔者的理论计算,纤维管束鞘,不是呈唯一一种分布,外侧还有若干密度分布带有曲线变化分布的意味,据认为,这种分布证明用最少量的强化纤维,是发挥强度的最大效果的方法。这种竹的结构,对搞清有关骨骼等的最小材料最大强度说,基本上是适用的。虽然,竹的重量极轻,但是,其刚性具有很高的强韧特性,由上述可以明白其根据吧!

近年来,晒衣竿和旗竿等,多采用钢管和铝管。用其他材料代替竹制品,虽说这些材料有不少长处,但是,未超过竹的特性的情况还是相当多的。

易破裂和难破裂的统一

在茶竹园刷和圆扇等竹制品中,往往利用其破裂性。竹破裂性的好处,据认为有:纤维管束鞘等竹纤维,沿茎轴方向呈平行分布;其纤维的粗度为13 ~ 14微米,是极细的等主要理由。

但是,茶园刷和圆扇,形成裂口在节停止的结构。在制作圆扇工艺中的“切”操作,预先制作破裂群,通过把那一端扭成S形,齐整漂亮地传递到节处,因此,制成停止的圆扇的“穗”。总之,在这些制品易破裂的同时,产生的裂口停止于节部的竹材的性质是重要的。

据推测表明停止裂口的结构,是由于节部的形状及其材料结构的特异性。节部厚度,从纯管部急剧变粗,在内部有水平隔壁。由此,在纯管部发生裂口的传递能源,在节部充分吸收,传递破裂应该停止于这部分。

巧妙的节部阻止破裂的机理

这种效果,通过观察纤维结构的状态,进一步加深了认识。在纯管部,大致呈轴方向分布的纤维,在节部成为不连续的,其一部分纤维弯曲进入隔壁,还与隔壁纤维水平直交。可以看到,这种形态,是带来巧妙阻止破裂效果的优秀的纤维排列。

竹,纤维作为整体,使在茎轴的方向一致,用少量的纤维就能耐很大的弯曲应力。另一方面,用节截断,由此而产生的破裂,即使万一发生破裂,在二节之间控制住危害,避免整体受到破坏,探索阻止传递破裂的破裂防止器的形态,成为工程学上重要的研究课题。竹之节,以其形状、结构这一点,是自然创造的最佳破裂防止器。此外,细长的棒,在纵方向加力时,引起横方向的变形,称为弯曲压曲,但节部的存在,有如圆筒式罐的罐身的环一样,作为加强构件起作用,这是可以理解的。整个竹茎都间隔配置节,作为加强构件,形成合理的状态。

由多功能要素组成的集合体

以上是有关竹的形状、结构的几个问题,可看出与其力学的特性相关。因此,把竹看作设计对象物,包括本文记述以外的问题,其形态和强度的设计目的有何关系?例如,就受到弯曲载荷张力的设计中,加强构件的形状和配置方法而言,节部的形状和在整个竹之中的位置关系,有重要的参考意义。另外,在FRP构件的产品设计中,仿效在竹的纯管部、节部和隔壁部的纤维管束鞘的分布形态的做法是很多的。节是防止弯曲压曲的加强构件,担负加强构件的任务,如果仅从这一部分生长竹枝这一点来说,也应该完成维持生命的生理功能。另外,纤维管束鞘,保护纤维管束的同时,在厚度方向改变其分布与形态,进行强度的最佳化。

采用几种方法达到一个目的

然而,由此似有必然,用竹,为了达到某个目的,通过几种方法来实现其最佳化。例如,从防止由于弯曲破坏的立场看,形状因圆管结构,根基部较粗,纤维排列在轴方向,而且如维管束鞘在外侧较多一样,可调整形状和材料结构的变化。其多重性,叹为观止。

笔者认为,不限于竹,所有的生物,都如本文所述那样受到自然的支配。但即使在生物之中,也有结构组织简单的。戴凯之的《竹谱》有这样的记述:“既刚且柔,非草非树,小异是虚实,大同为节数”,深刻认识到竹复杂的特异性的蕴奥。总之,正是节的存在,是竹之成为竹的缘由吧!

[科学朝日1987年6月]