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]