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2001年9月11日晚上,我正用56KModen在网上龟速冲浪打游戏,弟弟打了一个电话过来,惊风火扯地说,美国遭炸了,几个城市都遭了。

我第一反应就是,糟了,核大战,世界大战终于要爆发了。赶紧打开网页,网上铺天盖地全是美国遭到袭击的消息,仔细看了几分钟,终于搞清楚了,是恐怖分子劫机撞向了世贸大厦两座塔楼,之后一架又撞向了五角大楼,911事件全面爆发。

后来就是我们知道的了,恐怖分子一共劫持了4架飞机,除一架因乘客英勇反抗撞地坠毁外,其它三架都撞向了预定目标,导致近3000人死亡,世贸中心的两座大厦也完全倒塌。

我们今天要讲的,就是两座摩天大楼那么结实,为什么会在被撞击两个小时后,出人意料地完全倒塌呢?它们究竟是怎么倒塌的呢?

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世界贸易中心是日裔美籍设计师山崎实设计的,由于此前帝国大厦曾被美国空军B-25轰炸机在迷雾中误撞,设计时实际已考虑了大型飞机直接撞击的风险。世贸中心的钢梁和柱设计都是防火的,用一种叫“A36钢”非常坚固、坚韧的钢制成,屈服应力达36000psi,其中负载为20000psi,安全系数为16000psi,按理说不会因为一般火灾而变形垮塌。

但钢在持续加热的情况下会变弱,导致屈服强度下降。美国有一个著名的词语“谢尔曼的领带”,就是指南北战争期间,谢尔曼将军的部队用火加热并围着树干将铁轨扭曲,以破坏南方的铁路,这种被扭曲的铁轨就被称为谢尔曼的领带。

虽然世贸大厦的钢梁和钢柱都做了防火设计,但并不能阻止钢的软化,在800度的航空燃料燃烧加热下,钢的强度不断降低,屈服应力慢慢降至20000psi,这时形势就会急转而下,垮塌变成不可避免。

这时钢柱会屈服变形,承载的负荷开始在重力作用下下移,将钢柱彻底压垮,紧接着是再下一层,连锁反应开始,最终所有的负荷都会迅速降落到最低的地方。

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这就像你把一个铅球放在脚上,你的脚不会有任何问题;但你要把铅球拿到腰部,再松开手放到脚上,你的脚就会到医院打石膏去了。你用了多少能量把铅球举到腰部,铅球落到你脚上的时候,就会把多少能量加在你的脚上。

而世贸大厦的一砖一瓦一钢筋一水泥,都要用很大的能量才能升入空中,并以势能的形式存储在建筑物中,当钢柱变形无法再存储这些能量的时候,它们就会寻找最短的路线,迅速地释放出来,将整个建筑变成一片废墟。你就可以想象这些能量究竟有多惊人了。

再比如5层楼上掉下一个啤酒瓶,砸在一辆汽车上,将挡风玻璃砸碎了,罪魁祸首是谁?当然不是啤酒瓶,是那个扔啤酒瓶的醉鬼,因为他用腿的能量把啤酒瓶带到了5楼,获得了足够砸碎楼下汽车玻璃的势能,如果他只在汽车旁边扔,还不一定能砸碎挡风玻璃呢。

有人可能就会说了,噢噢,原来是这样啊,那我坐电梯把啤酒瓶带上15楼再扔下来,我没用自己的腿,这能量是电梯赋予的,是不是砸碎汽车玻璃就不关我的事了呢?哇!简直就是逻辑天才啊,你要是能说服车主和法官的话,那肯定也是没什么问题的。

还有一个例子,假如你已经过世多年的爷爷30年前放了一个花瓶在书架最上面,你去整理书架的时候不小心碰着了,花瓶掉下来砸在你头上,打破了你的头,你知道打破你头的能量来自哪里吗?当然是来自你爷爷的手臂了,他把这个花瓶放在书架上的时候,他手臂的能量就变成势能存储在了花瓶里,花瓶落下,你爷爷30年前的能量变成动能,狠狠地教训了你一把,提醒你做事情一定要小心,多么苦心孤诣的谆谆教诲啊,感不感动?

当然,世贸大厦被飞机撞击垮塌的真正原因有很多说法,产生了非常多的研究,或许本文的说法并不能完全解释,但也可以作为很好的参考吧。

这篇文章的思路和有趣例子来自罗格斯大学的理查德·约翰逊(Richard Johnson)。