庞大的铁塔却很轻
说起法国巴黎，人们会想到它的地标——埃菲尔铁塔。艾菲尔铁塔由法国设计师古斯塔夫埃菲尔设计，于1889年竣工。从建成到1930年，埃菲尔铁塔是世界上最高的建筑。然而，在建造埃菲尔铁塔的过程中，也有很多争议――有人认为埃菲尔铁塔太丑了，像一个破碎的路灯或钟楼骨架，或者只是一个令人困惑的东西。然而，过了一段时间，人们逐渐开始接受和欣赏这座塔。埃菲尔铁塔体现了另一种美，一种纯粹的工程设计美感，一种钢铁时代的巨大力量。
埃菲尔铁塔全部由重型钢材制成，所以在设计之初，设计师首先要考虑的就是节省材料和吃苦耐劳。最后，埃菲尔铁塔完美地体现了这一点。设计师没有隐藏内部结构，而是直接呈现骨架，节省了很多材料。
埃菲尔铁塔底部的宽度约为125米，高度约为324米。它使用了大约7300吨铁，非金属部分总计约10000吨。如果把埃菲尔铁塔的金属部分熔成一个实心球体，这个球体有多大？这个计算很简单。假设金属的密度是每立方米7.8吨，那么你会得到一个惊人的结论：这个实心球的直径只有12米左右。与它的高度相比，这个球太小了。另外，如果把金属部分熔成和底座一样大的正方形，你在远处是看不到这块铁板的，因为它的厚度只有6厘米左右。
虽然埃菲尔铁塔很轻，但它非常坚固。埃菲尔铁塔被风吹动时，只晃动6到7厘米。所以，它的设计绝不一般。很多人想不到的是，设计埃菲尔铁塔的灵感来自人体骨骼。这是怎么回事？我们来分析一下。
跟人体骨骼一样的铁塔
人体骨骼的基本结构包括骨膜、骨和骨髓。但我们这里只讨论骨头。把骨头切开，你可以注意到骨头上有很多空隙，但是最外面的表面是坚硬的，所以骨头类似于法式长棍面包。有两种类型的骨密度和松质骨。前者分布在骨骼表面，坚硬致密，用于支撑身体的大部分重量；后者在骨中呈海绵状，主要承受各种拉力和压力。
如果你放大骨密度，你会发现它是由一系列非常细的管子组成的。这种管子叫做骨单位，直径约0.2毫秒，有血管穿过。如果你放大骨单位，你会发现管是由更细的纤维束组成的，称为胶原纤维。如果继续放大胶原纤维，会发现它是由三条螺旋分子链组成的管状结构。如果分解分子链，就会得到骨密度的最基本单位，叫做胶原蛋白分子。
同样，竹子的结构与人骨相似，也是由非常细的管子组成。管由更细的纤维结构组成，并且每束纤维结构由更细的纤维结构组成。最终，你会得到一种叫做纤维素的纳米级分子结构。
骨头和竹子中的这种结构类似于分形结构，也就是说，怎么放大，结构看起来都很像。这种结构的组合称为层级结构。管是细管做的，细管是细管做的。这种结构的存在，让骨头和竹子变得又轻又结实。
埃菲尔铁塔用了很多铁做的桁架结构，也就是由直杆组成的三角形单元的结构，但是看起来有很多X形。这样埃菲尔铁塔就有了铁的坚固性和三角形的稳定性。设计师将这些桁架结构组合成一个层次结构，也就是说，埃菲尔铁塔的桁架是由更小的桁架组成的，这样不仅会更坚固，还会大大节省材料。这样一种类似于人骨的结构，让埃菲尔铁塔轻得不可思议，也保证了它足够坚固。
抗风的铁塔
当时，埃菲尔和他的团队知道，为了建造世界上最高的塔，必须确保它能够经受住风的考验。最后，他们为埃菲尔铁塔的四条腿设计了特殊的倾斜曲线。这种形状会使风的影响和塔本身的重量在塔底抵消。
他们在分析风的影响时，使用的方法并不依赖于某种数学公式的计算，而是作图法，这种作图法称为图形静力学。图形静力学顾名思义就是通过画图来解决静力学问题，图形静力学的提出与人体骨骼有关。
图形静力学是由德国著名工程师卡尔库曼创立的一门学科。他在设计一台全新的起重机时，偶然发现松质骨在骨骼中的排列方式，其实是显示了松质骨上的张力和压力的方向。松质骨之所以以这种形式排列，是因为在骨骼发育过程中，受力最多的地方材料会逐渐变得致密，而没有受力的地方会留下空洞。库尔曼顿悟，认为力有大小和方向，可以用一个矢量来表示。这样就可以把力用矢量表示出来，再配合力的分解与合成、力的平衡等经典物理学知识，就可以通过作图来研究物体受力的情况。在工程中，分析一个物体的受力是最重要的。所以通过他的研究，他提出了图形静力学。
当时，埃菲尔的一位工程师恰好是满库的学生，所以在分析风对埃菲尔铁塔的影响时，埃菲尔团队充分利用了图形静力学，而不是复杂的数学公式。图形静力学是一个非常实用的工具，现在工程师还在用它来分析物体的受力。
埃菲尔铁塔这么庞大的建筑，这么死板的材料，一旦学会了人体骨骼的结构，就变得又轻又直——世界上的一切都是那么奇妙。
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