挤压还是拉伸？

结构的每一部分都在受到相邻部分的推或拉。工程师将这些内力分为几种类型：

• 压缩： 材料被挤压。例如屋顶下的柱子，或手压在一摞书上。
• 拉伸： 材料被拉长。例如吊灯的绳子、桥梁缆索、拉长的橡皮筋。
• 剪切： 材料的各层试图相互滑动，就像用剪刀剪纸一样。
• 弯曲： 梁向下弯曲，因此其顶部边缘被挤压，底部边缘被拉伸。

仅凭力的大小无法判断部件是否会损坏。关键在于力在承载面积上的分布，这就是应力：stress = force ÷ area，单位为帕斯卡（Pa）或兆帕（MPa，即百万帕斯卡）。一根横截面积为 100 mm² 的杆悬挂 1 kN 的载荷（约等于 100 kg 物体的重量），产生的应力为 1 000 N ÷ 0.0001 m² = 10 MPa。

材料在两种受力情况下的表现并不相同。石头、砖块和混凝土抗压能力强，但抗拉能力弱。 粗略来说，它们的抗拉强度大约是抗压强度的十分之一，甚至更低。拉一根石梁，它会在同等大小的石块被压碎之前很久就开裂。钢材和绳索则相反： 钢材在两个方向上都很强，而绳索或缆索在拉力下表现极佳，但在压力下毫无用处，因为推绳子时它只会变松。

还有一个陷阱。一个细长的部件在受压时，首先不会压碎，而是会屈曲，像一根两端受压的尺子那样向侧面弯曲。这就是为什么石柱很粗，而钢制受压构件通常做成管状或深截面，而不是细杆。

对设计师来说，结构的形状决定了它使用哪种内力。你通常可以选择形状，使抗拉弱的材料只承受压力。拱形正是这样做的。而当你拥有抗拉强的材料时，缆索是跨越间隙承载负载的最轻方式。