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1700548559 尽管公司提出抗议,尽管格鲁曼·弗莱西宝公交车没有像塔科马窄桥那样引发灾难性事故或像凯悦酒店人行道那样造成人员死亡,但格鲁曼·福莱西宝公交车仍然是研究设计失败的一个经典工程学案例。当为了满足太多的要求——燃油效率、轻质、可达性、舒适、操作灵活等等——需要进行完全改造,尤其要降低已经成功运行了很长时间的强度时,会出现什么问题,公交车就是这方面的一个强有力的例子。有谁会认为20世纪后半叶的工程师不能设计出一款行走在大都市的公交车呢?也许有人认为纽约市夸大了它与公交车之间的问题,它本可以接受并容忍这些出现故障的公交车,因为它们对生命的威胁真的很遥远。但是人们同样也能想到如果公交车突然掉了一个轴承、它的底盘断成两截、转向轴不能动或折了所带来的威胁生命的后果。预测公交车上出现灾难的可能性尤其困难,因为让人想象不到的问题可能会一个接一个地发生。维修费用的预测更是难得让人没有信心去做好。
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1700548561 金属上出现裂缝确实是一个复杂的问题,因为裂缝的起源、发展和威胁很难去评估,尤其是当涉及到出现裂缝的结构是如何被设计、生产和使用的问题时。不久前我将9把不锈钢刀以停在纽约市码头的格鲁曼·福莱西宝公交车的排列方式摆放在我面前的桌子上。像这些公交车一样,有很多把刀出现了裂缝,其中有3把刀在靠近把手的刀刃底部具有显而易见的裂缝。虽然出现裂缝的刀似乎可以继续使用,但裂缝让金属看起来很脆弱,我努力想查明它们的起因和继续使用它们可能产生的后果。
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1700548563 与公交车相似,我们不难想象不注意保养钢刀可能带来的后果。一天晚上当我在准备晚餐切一片肉,却发现刀刃可能碰到一块骨头时,我知道我自己在挣扎。因为裂缝可能会突然裂开,我正握着的手柄的惯性会把我的拳头切落在盘子的边缘。全部的东西可能会飞离桌子,分裂的小刀刃会穿过空气、进一步穿过我开着的窗户、穿过车道进入邻居开着的窗户、穿过他鸟笼的栅栏、穿过金丝雀的喉咙。谁知道还可能发生什么?所以当刀被摆放在我的桌子上时,我的家人都能顺利地使用一些旧的、没有裂缝的刀,而我却要对出现裂缝的刀刃进行一次简略的安全分析,我对它们的设计进行了受力分析,回顾了它们的生产历史和使用状况最后再决定它们是否适合被继续使用。
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1700548565 这些刀来自于婚前一年左右我妻子所使用的一套不锈钢餐具,15年来的每一天,我们的每餐和每次的非正式招待都一直在使用它们。这些刀没有发生不幸的事故,我部分地把这个让人羡慕的安全记录归功于我们10年前发现的第一个出现裂痕的刀刃并且迅速地将它从厨房中拿走。随后又发现了两把比那把情况好一点儿但仍十分严重地出现裂纹的刀,但这两把刀却不能从我们的餐具中消失。但是能够使人们去制造刀具和公交车的理性同样引起人们去考虑它们的不足。当一天晚上桌旁的谈话从《纽约时报》对于那时还很新鲜的格鲁曼·弗莱西宝公交车出现裂缝的报道谈到我们晚餐使用的旧刀具的裂缝时,一想到刀具的裂缝,我就再也无法享受晚餐了。
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1700548567 根据分子的结合晶相推断出金属的理论强质在工程结构上还未被涉足。数10亿各种各样的分子被流汗、眨眼和准备晚餐的人们对其的使用以数以千计的次数影响着铸造而成的钢,这样的情况并不是物理学家头脑中洁净实验室虽得出的结果所适用的范围。像人一样,金属受统计学原理和现实可能性的支配,桥梁、公交车和刀具的制造者只有这些对于现实可能性的经验可以依赖。而整体的经验又由个体的变例累积而成。
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1700548569 现在让我们把刀想象成是由橡胶而不是由钢制造的,这会帮助我们更好地理解它的工程学原理。无论是老的还是嫩的牛排,无论是硬的还是薄的饼干,切和涂的动作都会使刀刃弯曲。伴随着这种弯曲的机械外力可以通过进一步的想象被理解,即想象这把橡胶刀具被包裹了一层脆性材料的外衣。我们许多人在童年里都有这样的玩具刀,我们都记得当刀被使用过度时涂料是如何裂开的。这是因为覆盖刀具的材料被拉伸或挤压得脱离了原来的形状,涂料不能像它下面的橡胶那样被拉伸或压缩而造成的。
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1700548571 虽然不锈钢刀刃比橡胶刀刃坚硬得多,但它们确实像橡胶一样具有一定程度的弹性,而且也能从变形中恢复回来(通过在桌灯前握住一把有裂缝的刀并折曲刀刃,我可以清楚地发现这一点。当我折曲它时,裂缝裂开让更多的灯光透过它,但当我松开手时,裂缝又像照相机快门一样闭合了)。就像涂料脱离橡胶刀刃一样,一个金属刀具的表面也想要脱落或者通过什么变化来缓解其某个地方所受到的压力。
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1700548573 弹性再好的金属能够承受弯曲并回复原初状态的次数也是有限制。弯曲的程度越大,显露出损毁所需要的折曲数就越少。在被折曲了很多次之后,甚至是在最精心制作的刀刃上,裂缝也会在受到巨大外力或是在易受损害的一点上瞬间出现,这个裂缝会继续发展下去直到它脆弱到无法再承受一点儿外力。这样的裂缝就是疲劳裂缝,一个机械或结构零件对于这种断断续续外力的承受极限就是它的疲劳寿命。
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1700548575 我们刀具上的裂缝都处在金属应力最小和机械应力最大的一点。任何可能出现的裂缝都会在这个位置显现出来,继续使用这一把有裂缝的刀会使裂缝蔓延到整个钢片上。尽管可能要经过数百万次的甚至数十亿次的相对较小程度的弯曲才能使坚硬的钢铁出现一条横贯某一零部件的裂缝,但这确实会发生,就像一个曲别针被来来回回弯曲了足够的次数以后一定会折掉一样。
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1700548577 在我们注意到一些刀刃上的裂缝之前,我们的刀具被任意地从厨具槽中取出,没有人会注意它们是否出现了裂缝。如果我们不加选择地在15年中的每一天(365天)的每一餐(3餐)都使用这把刀,并且平均每餐用它切或抹12次,那么一个刀刃上的裂缝至多约有200 000次的机会在外力的作用下裂开。如果算上由疲劳引发的擦伤发展而来的裂缝的话,以工程标准来看,在重复使用方面这并不是一个很大的数字。更进一步说,如果我们的刀具能同样地被制作、同样地被使用,同样地受到纯粹的机械疲劳,那么我可能会认为在15年后它们都或多或少会产生同样的裂缝。但是它们没有(到今天为止,当3把刀上的裂缝已经接近刀刃长度的一半长度时,其余6把刀上还根本没出现裂缝呢)。这就暗示出具有裂缝的刀拥有不同于其他刀的“历史”。尽管这些裂缝可能是由疲劳引发并一点点地发展起来的,但除了纯粹的机械手段,它们的出现一定有其他的原因,我更仔细地观察了刀刃以寻求它们与众不同的线索。
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1700548579 除了身份证明,对于这套不锈钢餐具的出处我一无所知。
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1700548581 不生锈
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1700548583 日本
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1700548585 9把刀中的8把都这样奇特的写着。第9把刀却不同:
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1700548587 不锈
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1700548591 日本
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1700548593 15年来,我一直没有注意到这套外表上相配的餐具中所存在的奇异现象,只有在这套刀具像接受检查和反思的公交车那样被排列起来时这种异常才为我所知。不仅印在刀上的措辞不同,几把不同重量的刀刃上的字体似乎也不同。就像直到堪萨斯城的酒店人行道坍塌了,人们才注意到其支撑系统中不合格的结构细节一样,直到我们寻求解释时我们才注意到这样的细节。
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1700548595 虽然这种有选择性出现的裂缝从一开始就暗示出这些刀之间具有不同的优缺点,但实际上在发现这些不同之前我一直认为它们之间很难被区别。当这些刀被并排放在一起而不是个别地放在匙和叉子之间时,很明显就可以看出这套厨具不是由同一台机器生产出来的。
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1700548597 厨具的设计很简单,只有几片浅浮雕的竹叶装饰着这些普通的刀把。通过仔细地观查,我很快发现没有两把刀的浮雕叶子样式是相同的,当我把刀具握成一捆,让它们末端立在一起时,很明显地可以看出它们的长度不同。因此这些刀具有了手工艺品的明显特征:个性化。
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1700548599 很可能这些刀具的金属最开始是按照不锈钢的制作方法制作的,对于铁、碳以及其他配料的熔解式是以维多利亚时代的冶金学家威廉·查德勒罗伯茨-奥斯汀爵士命名的,美国钢铁协会把它叫作304型不锈钢:
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1700548601 奥氏体不锈钢
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1700548603 1400磅铁
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1700548605 360磅铬
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1700548607 160磅镍
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