『構造』（1978年）は、航空機のような人工構造物から馬の身体のような生物学的構造まで、私たちの世界の物理的構造を無傷で保つ基本的な物理法則を考察します。本書では、構造物が崩壊しやすい仕組みと、構造物を頑丈に保つために複雑な計算を行う科学者の重要性を概説し、私たちの安全を守る方法を紹介します。
本書の要点：時の試練に耐える構造を築く
窓の外の木にとまるカササギの巣から、アフリカのサバンナにあるシロアリのコロニーまで、自然界は驚くほどしなやかで効率的な構造物であふれています。 それも当然かもしれません。自然は進化の過程で、何百万年もかけてその創造物を完成させてきたのですから。
私たち人間の歴史はそれほど長くありません。 しかし、少しばかりの科学の助けを借りて、私たちはなかなか立派な構造物を築いてきました。 実際、構造物に作用する根本的な力と、それを構成する材料を理解すれば、何千年も立ち続けるものを作れる可能性は高いのです。
生物学的構造物と人工構造物の研究は17世紀に始まった
本書では、次のことを学びます。
- 材料にもストレス（応力）がかかること
- 屋根になぜ梁が必要なのか
- 疲労した構造物への対処法
私たちの世界は構造物であふれています。生物の世界にも人工物の世界にも存在するのです。 はるかに古い生物学的構造は、物質を運び、生物に保護を与えます。 現在の生物学的構造の多くは、筋肉組織や花びらのように柔らかいものです。 しかし、角や骨、歯、樹皮といった硬い生物学的構造部も存在します。 一方、人工構造物は人間が作り出したものです。 とはいえ、人間が構造を正式に研究し始めたのは、比較的ごく最近のことです。
構造の研究が始まったのは17世紀のことで、その立役者はガリレオです。 ガリレオは1633年、天文学の研究を理由にカトリック教会から迫害を受けるおそれが生じたため、専門分野を切り替えざるを得ませんでした。 彼は天文学を離れ、さまざまな物理的材料の強度と特性を研究し始めたのです。 ガリレオの名声によって、このテーマは学術的にも注目を集めるようになりました。 1650年代半ばには、さまざまな材料や構造が重い荷重の下でどのように振る舞うかが研究されるようになりました。 同じ世紀には、ロバート・フックが原子レベルでの物質の振る舞いも発見しています。
フックは、構造物が荷重に抵抗できるのは、同じ大きさの力で押し返すことによってのみだと記しました。 つまり、大聖堂がその重さで基礎を押し下げた場合、基礎は壊れるか、同じ力で押し返すのです。 これは、構造物とその強度を考えるうえでの基本概念のひとつです。
応力とひずみは、固体構造物の材料内部に作用する力である
ストレス（応力）は人間だけの心理的な問題ではありません。構造物もまた応力に悩まされることがあるのです。 物理学において、応力とは固体内部のあらゆる点に存在しうる力のことです。 これは、材料内部の原子や分子が、外力によってどれだけ押し離されているかを測る尺度です。 応力は、力をそれが作用する面積で割ることで求められます（単位はニュートン毎平方メートルなど）。
したがって、2人がロープの両端を引っ張ると、ロープの内部に応力が生じます。 同じ素材でできた、より細い別のロープを同じ力で引っ張った場合、そのロープにかかる応力はより大きくなります。なぜなら、断面積が小さいからです。 これが、細いロープのほうが太いロープよりも先に切れる理由です。 このように、応力は原子がどれだけ引き離されているかを示します。 一方、ひずみは、原子がどれだけ引き離されたかを測る尺度です。 ひずみは、物体の長さの増加分を元の長さと比較することで測定します。
たとえば、10cmの棒を機械で引っ張り、長さが0.2cm伸びたとすると、生じたひずみは0.02です。応力とは異なり、ひずみには単位がありません。 応力とひずみは、合わせて材料の剛性（スティフネス）を示すことにもなります。
剛性は、ヤング率（科学者トーマス・ヤングにちなんで名づけられた弾性係数）とも呼ばれ、与えられた応力に対する材料の弾性を測ります。 材料によって弾性は異なります。 たとえばゴムはダイヤモンドよりもはるかに弾性が高いため、ダイヤモンドのヤング率はゴムのヤング率よりもずっと大きくなります。
引張力は原子を引き離し、クリープを引き起こすことがある
ゴムの両端を引っ張ると、伸びます。 では、圧力を受けて固体がその形を変えることを可能にしているのは何でしょうか。 ゴムが引っ張られて形を変えるのは、内部の原子が動くからです。 これらの原子には引張力が作用しています。
引張力は原子を押し寄せるのではなく、引き離します。 引張力は、膀胱や動脈、ダイビング用シリンダー、風船といった圧力容器において重要な役割を果たします。 たとえば風船をふくらませると、内部の分子が引き伸ばされます。 帆も同様に、突風を受けて伸びます。 引張力が加わると、クリープが生じます。 クリープとは、力学的な応力の影響で固体材料が変形することです。
その力が定期的に加わると、材料は時間とともに変化し続けます。 新しい靴が履くほどに足になじむことを考えてみてください。物理的に最もストレスのかかる部分が変化し、応力が再分配されるのです。 やがて、体重は靴全体により均等に分散されます。 クリープは、構造にとって本質的には適応メカニズムなのです。 しかし、引張力がかかれば必ず材料が伸びるわけではありません。 もしそうなら、血管は時間とともに伸び続けることになるでしょうが、実際は違います。
引張力が固体を伸ばすとき、固体は引っ張られる方向に伸びますが、同時に力の方向に対して90度の角度で横方向に収縮します。 したがって、血液が大動脈を流れると、縦方向の応力が生じ、壁に作用する周方向の応力を打ち消します。 この二種類の応力が互いに打ち消し合うことで、大動脈はその形を保つのです。
圧縮に頼って建てられた構造物は、たいてい非常に強い
古代の教会や城、記念碑のような構造物には、何世紀も、あるいは何千年も無傷で残っているものがあります。 それほど長い間、立ち続けることを可能にしているものは何でしょうか。 構造物がその場に留まっていられるのは、主にそこに作用する圧縮力のおかげです。 引張力とは異なり、圧縮力は構造物を引っ張るのではなく、押すのです。
物理学の研究が始まるずっと以前から、私たちの祖先は、引張力の影響を受ける可能性のある建物を作るのは避けるべきだということを直感的に知っていました。 その代わりに、すべてが圧縮される構造物、たとえば小さな部品の集まりが互いに押し合うことで支えられる石造建築のようなものを作りました。 構造物は、その支持要素に圧縮力が均等に作用しているときにだけ安定します。 モルタルで接着された2つのレンガのうち、片方にだけ強い圧縮力がかかると、もう片方は引張力の影響を受けてひび割れる可能性があります。 古代の人々は、計算ができるようになるずっと前から、構造と力の原理を暗黙のうちに理解していたのです。 だからこそ、ガリレオや他の学者たちが構造の基本原理を解明する科学の時代以前にも、巨大な城や大聖堂を建設できたのです。
圧縮された構造物が倒壊するとしたら、それは強度が足りないからではなく、安定性に欠けるからです。 引張構造物は応力が高くなりすぎると崩壊することがありますが、圧縮構造物が同じ理由で倒壊するのはまれです。 このことは子どもも直感的に理解しています。 積み木で塔を作るとき、高すぎたり、垂直に十分まっすぐでなかったりすると、いつかは崩れてしまうことを知っているのです。
梁は圧縮構造物をより安全にするための重要な発明だった
家の屋根は、風雨から家を守るという意味で、設計上重要な部分であることは明らかです。 屋根は構造物の一見単純な構成要素に思えますが、技術者にとっては見かけ以上にはるかに複雑なものです。 屋根は技術者に多くの課題を突きつけます。 恒久的で安定した屋根は、建物の周囲の壁に大きな重さをかけるため、危険にもなりうるのです。
そして、多くの屋根が三角形であるため、その結果生じる力は通常、垂直に押し下げるのではなく、壁を外側に押し広げようとします。 その結果生じる壁への引張力が、建物を自らの重みで崩壊させる可能性もあるのです。 窓があると問題はさらに複雑になります。 人々は外を眺め、家に自然光を取り入れたいと思いますが、窓は壁をさらに弱くし、屋根の重みを支える能力を低下させます。 そこで技術者たちは、壁に過度な応力をかけず、構造物を危険にさらさない三角形の屋根を建設する方法を見つけなければなりませんでした。 こうして考案されたのが梁です。
梁は屋根の力を下向きに、壁から離れる方向に導きます。 梁は、その長さに対して直角方向の荷重を支えますが、支持要素に水平方向の力を一切かけません。 そして梁は自然界にも存在します。 重い構造物は、梁によって支えられていることがよくあるのです。
たとえば馬は、重い体に非常に細い脚を持ちながらも、背中に人間を乗せることができます。 それはおそらく、水平な背骨が屋根の梁と同じような働きをするからです。 このように梁は、重い圧縮構造物をより安定させます。 しかし、梁があっても、別の問題が生じることがあります。
ひび割れや特定の材料の誤用は、構造物の崩壊を招く
一見、適切に設計されたり、新しく建設されたりした橋でさえ、時に崩壊することがあります。 これにはいくつかの原因が考えられますが、ひび割れと材料の問題が主な原因であることがよくあります。 構造物は、ひび割れが生じたり、新しい材料が追加されたりすると、ばらばらになることがあります。
C.E.イングリスは1913年に、材料内部の不規則性の重要性についての本を出版しました。 イングリスは、材料内の局所的な応力領域が、穴、ひび割れ、鋭い角によって悪化することを発見しました。 構造物は一見安定しているように見えても、局所的な応力が多く発生すると壊れることがあります。 局所的な応力の原因は穴やひび割れだけではありません。 新しい材料を追加することも、構造物の剛性を高めることで応力を引き起こすことがあります。
たとえば、破れた服に継ぎ当てをすると、かえって破れがひどくなることがあるのです。 ただし、ひび割れはすべて同じではありません。常に危険で、構造物をリスクにさらすとは限らないのです。 ひび割れが危険かどうかを決める重要な要素は、その長さです。 ひび割れの長さが構造物にとって危険となる臨界点は、グリフィスの臨界亀裂長さと呼ばれます。 短いひび割れのほうが、もちろん安全で安定しています。 グリフィスの亀裂長さは、構造材料の応力レベルに依存します。
構造物の応力が大きいほど、グリフィスの亀裂長さは短くなります。 ひび割れがグリフィスの臨界亀裂長さに達すると、構造物がそれにますます圧力をかけるため、ひび割れは急速に成長し始めます。 このプロセスによって、構造物は非常に突然に崩壊することがあります。
引張力と圧縮力は、ひび割れ以外の理由でも構造崩壊を引き起こす
輪ゴムを伸ばし続けると、やがて切れるポイントに達します。引張力が作用することで、素材にひび割れや穴が生じるのです。 引張力が材料に加わると、内部の原子間結合が引き伸ばされますが、その伸びには限界があります。 引張ひずみが約20パーセント増加すると、化学結合は弱まり、やがて互いから離れ、ひび割れや穴を生じさせます。 しかし、圧縮力の場合は異なります。
圧縮によって構造物が崩壊する場合、それはせん断によって起こります。せん断とは、材料のある部分が別の部分を強制的に滑り過ぎるプロセスです。 固体が圧縮されるとき、原子は引き離されるのではなく押し寄せられるため、原子間結合は引き伸ばされません。 しかし、圧縮応力も圧縮破壊と呼ばれる崩壊を引き起こすことがあります。 圧縮破壊はせん断によって引き起こされ、通常、せん断は約45度の角度で発生します。 斜めのせん断ひび割れは引張ひび割れと似ており、やはりグリフィスの臨界長さに達すると急速に成長し、構造物を突然崩壊させることがあります。 ガラスや石のひび割れがグリフィスの臨界亀裂長さに達すると、それに伴うエネルギーの解放によって破片が飛び散ることすらあります。
ここまで、引張力と圧縮力がいかに危険であるかを見てきました。 一見健全に見える構造物でも、小さなひび割れがその終焉を招くことがあります。 ありがたいことに、構造的に安全である確率が非常に高い構造物を設計・建設する方法について、複雑な研究を行う科学者たちがいます。 しかし、彼らは様々な力やひび割れがもたらす問題に、どのように対処しているのでしょうか。
計算と実験的試験が、人工構造物の安全性と効率性を高める
人間はイライラしたりストレスを感じたりすると、問題をくよくよと考え込み、それがストレスレベルをさらに高めてしまうことがあります。 同じような現象が金属でも起こり、ふさわしくも疲労と呼ばれます。 疲労は、金属にかかる重い荷重が変動し、強度を失わせるときに生じます。 人々がこの現象に初めて気づいたのは、産業革命の時代、機械を移動させると時折壊れてしまうことがあった時です。
金属にかかる圧力が変化すると、内部の結晶構造が変化し、たとえグリフィスの臨界亀裂長さに達していなくても、ひび割れが伸びることがあります。 金属疲労は非常に見つけにくいため、冶金学者たちはその計算方法を突き止めるべく、多くの実験的試験を行ってきました。 これらの実験と計算は、私たちの安全を守るうえで非常に重要です。 構造強度の計算は統計に基づいており、つまり確率に基づいています。 そのため、建築上の計算が正しいように見えても、厳密には構造物が崩壊する可能性が常にわずかながら残っています。 これらの計算は非常に複雑で、1970年代には、航空機の安全を確保するために、異なる専門家グループが独立して構造設計を評価していました。
実験的試験は、新しい航空機の構造が開発される際にも用いられました。 実際、1935年から1955年の間に、約100種類もの異なる飛行機が製造され、破壊するまで試験が行われました。 実験的試験は、構造物の効率性も高めます。 構造物は常に最も弱い部分で壊れるため、それらの弱点をできるかぎり強くすることが重要なのです。 また、壊れにくい部分の重量と材料を減らすことも可能です。
まとめ
本書の核となるメッセージ： 構造物は、人工の世界と自然界の両方において根本的な部分を占めています。 そして、一見すると屋根裏と馬に共通点はほとんどないように思えますが、両者は構造物を無傷に保つ同じ科学的概念の影響を受けています。 応力、ひずみ、力、そして強度は、私たちの日常生活にとって非常に重要な構造物を設計し維持するための鍵であり、研究者たちはその崩壊から私たちを守るという重要な役割を果たしているのです。 さらに読み進めるなら： 『Stuff Matters』（マーク・ミオドウニク著） 『Stuff Matters』（2013年）は、私たちが日常的に目にするありふれたものへの冒険の書です。
材料科学者マーク・ミオドウニクは、現代の材料の真の構成を掘り下げ、あなたの周りの世界を新たな目で見るよう誘います。
