巴黎熱浪讓鐵塔長(zhǎng)高！熟鐵膨脹系數(shù)曝光，夏季比冬季高15厘米

本周，埃菲爾鐵塔又“長(zhǎng)高”了。原因在于，本周席卷歐洲的熱浪影響了這座巴黎地標(biāo)。

如今被稱為埃菲爾鐵塔的這座建筑，最初名為“三百米塔”。這個(gè)名字由工程師莫里斯·科克蘭和埃米爾·努吉耶提出，并提交給負(fù)責(zé)鐵塔建造的居斯塔夫·埃菲爾。這個(gè)名字本身就透露出一種愿望：要建造一項(xiàng)非同尋常的技術(shù)壯舉，刷新當(dāng)時(shí)的高度紀(jì)錄。不過(guò)，隨著夏季氣溫升高，埃菲爾鐵塔的實(shí)際高度還會(huì)超過(guò)最初的設(shè)計(jì)值。

埃菲爾鐵塔建于1889年世界博覽會(huì)期間，目的是紀(jì)念法國(guó)大革命一百周年。埃菲爾為鐵塔選用了熟鐵，這種材料他十分熟悉，且此前已在其他項(xiàng)目中取得良好效果。

這種含鐵材料能夠承受很高的應(yīng)力，因此得以建成一座體量巨大卻非常輕巧、同時(shí)又能抵御水平風(fēng)力的高塔。為了說(shuō)明它有多輕，鐵塔重7300噸，與其內(nèi)部所容納空氣的重量大致相近，后者約為6300噸。

埃菲爾鐵塔原本被設(shè)想為一個(gè)重要觀景點(diǎn)，同時(shí)也是無(wú)線電廣播的基地。鐵塔本身是一座巨大的三角形桁架結(jié)構(gòu)，與加拉比高架橋以及蘇格蘭的福斯橋頗為相似，這兩者也都出自同一時(shí)期，其中加拉比高架橋同樣由埃菲爾的事務(wù)所設(shè)計(jì)。

所有這些結(jié)構(gòu)在材料溫度升高時(shí)都會(huì)膨脹。不過(guò)，與受力情況更復(fù)雜的橋梁不同，埃菲爾鐵塔主要表現(xiàn)為隨著溫度變化而發(fā)生垂直方向的伸長(zhǎng)和收縮。這種現(xiàn)象被稱為熱膨脹。我們知道，大多數(shù)固體在溫度升高時(shí)會(huì)膨脹，在溫度下降時(shí)會(huì)收縮。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)讓原子運(yùn)動(dòng)更劇烈，從而拉大它們之間的平均距離。

不同材料因鍵合性質(zhì)不同，膨脹幅度也有大小之別，工程師必須非常仔細(xì)地記錄這些差異。鍵合更強(qiáng)的陶瓷和玻璃，膨脹程度小于金屬；而金屬的膨脹程度又小于聚合物。

那么，如何估算固體會(huì)移動(dòng)多少呢？當(dāng)構(gòu)件是直線形時(shí)——多數(shù)公共工程和建筑都屬于這種情況，梁和桿件最為常見(jiàn)——其位移與三個(gè)參數(shù)成正比：構(gòu)件長(zhǎng)度、溫度變化幅度，以及材料的膨脹系數(shù)。

許多陶瓷材料的膨脹系數(shù)通常在0.5×10??至1.5×10??每攝氏度之間，金屬通常在5×10??至30×10??每攝氏度之間，聚合物則在50×10??至300×10??每攝氏度之間。這些看起來(lái)或許有些陌生的數(shù)字，表示的是標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度單位在溫度每升高1攝氏度時(shí)會(huì)增長(zhǎng)多少。

膨脹最明顯的是聚合物，其膨脹幅度大約是金屬的10倍，而金屬又大約是陶瓷的10倍。埃菲爾鐵塔所用熟鐵及其鋼制部件的膨脹系數(shù)約為12×10??每攝氏度。這意味著，一根1米長(zhǎng)的鐵條在溫度升高1攝氏度時(shí)，會(huì)伸長(zhǎng)12×10??米。這不過(guò)是12微米，比人的頭發(fā)絲還要細(xì)。

那么，高溫對(duì)建筑真的會(huì)產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的影響嗎？答案是會(huì)，前提是還要把另外兩個(gè)參數(shù)考慮進(jìn)去：構(gòu)件長(zhǎng)度，以及它所處環(huán)境的溫度范圍。長(zhǎng)度可能非常可觀。埃菲爾鐵塔高300米，而加拉比高架橋長(zhǎng)565米，福斯橋則超過(guò)2.5公里。如今，體量更大的線性結(jié)構(gòu)還有很多，熱膨脹同樣會(huì)影響許多橋梁所承載的鐵路軌道。

還必須分析歷史溫度區(qū)間。巴黎的氣溫記錄已持續(xù)兩個(gè)多世紀(jì)，冬季最低溫低于零下20攝氏度，夏季最高溫約為40攝氏度。還要考慮太陽(yáng)輻射的影響——金屬在陽(yáng)光直射下溫度會(huì)高得多，往往超過(guò)60攝氏度甚至70攝氏度。現(xiàn)在不妨算一筆賬。假設(shè)一根100米長(zhǎng)的金屬桿，經(jīng)歷100攝氏度的溫差——這大致就是埃菲爾鐵塔所經(jīng)歷的溫度范圍——它會(huì)膨脹多少？

計(jì)算并不復(fù)雜。如果一根1米長(zhǎng)的桿在溫度升高1攝氏度時(shí)伸長(zhǎng)0.000012米，那么一根100米長(zhǎng)的桿在溫度升高100攝氏度時(shí)，就會(huì)伸長(zhǎng)0.12米。而一根300米長(zhǎng)的桿，伸長(zhǎng)量則是其3倍，也就是0.36米，即36厘米。這已經(jīng)是相當(dāng)明顯的變化。

當(dāng)然，簡(jiǎn)單的桿件與一座由18000多塊鉚接鐵件構(gòu)成、且朝向各不相同的高塔，表現(xiàn)并不一樣。更何況，太陽(yáng)總會(huì)照到它的某一側(cè)。這意味著，塔身某一面會(huì)比其他面膨脹得更多，從而使鐵塔出現(xiàn)輕微彎曲，看起來(lái)就像在背離太陽(yáng)傾斜。

專家估計(jì)，把寒冷冬日與盛夏最熱時(shí)的尺寸相比，埃菲爾鐵塔實(shí)際上會(huì)增高12至15厘米。這意味著，除了是地標(biāo)、通信塔和巴黎本身的象征之外，埃菲爾鐵塔某種意義上也像一支巨大的溫度計(jì)。