自由女神像背後的卓越工程，歷經爆炸和颶風還能屹立不倒的秘密

歷史上最大的非核爆炸之一,黑湯姆爆炸,產生了強烈的衝擊波,這場爆炸相當於里氏5.5級的地震。自由女神像的玻璃火炬被震碎,手臂和內部結構也遭到嚴重損壞。 那麼,自由女神像是如何在如此巨大的力量衝擊下依然屹立不倒的呢? 為了理解這一點,我們必須讚賞埃菲爾先生的巧妙設計。雕像的堅固鐵框架通過這些平條與銅皮相連,而這些平條具有一定的柔韌性。 當強大的力量作用於銅皮時,會發生什麼呢? 我們可以看到,這些平條開始彎曲,這些靈活的條就像彈簧隔離器一樣,顯著減少了傳遞到雕像上的力量。 在那個關鍵時刻,這就是雕像如何免於傾倒的原因。 這座雕像的魅力顯然在於它的銅皮,雖然看起來是一整塊堅固的物體,但實際上是由多片厚度僅為2.3毫米的銅片卯積而成的,形成了這座美麗的雕像。 關鍵在於,它們在銅片上完美呈現自由女神的細節。 140年前,它們是如何在如此巨大的規模上雕刻出這些細微的細節的呢? 這位名叫巴託爾迪Mr. Abartodi的天才正是這座美麗雕像的創作者。 這是他製作的第一個黏土模型,自由女神像的高度為4英尺。 他希望將這個4英尺的模型轉變為151英尺高的最終版本。 普通的比例縮放技術無法應對如此巨大的任務,因此巴託爾迪先生採用了一種巧妙的方法,稱為千錘線法。 這個縮放過程分為三個階段,首先,原始黏土模型被完美間隔的千錘線包圍, 然後,第二個模型的千錘結構是原始結構的兩倍大,幾乎高達8英尺, 藝術家們首先需要建造一個木質支架來支撐它。 如果你想放大它的鼻子,首先需要在鼻子上標記幾個關鍵點。 我們先關注這個點。 他們需要插入一個平面並觸摸這個點,這樣就能輕鬆測量出這個點的Z座標。 接下來,還有兩個座標需要測量,分別是X和Y。 很明顯,鼻子上的這個點位於兩條千錘線之間,這使得他們可以輕鬆測量出X座標值。 相同的方法也用於測量Y座標值。 為了重建鼻子,他們需要標記和測量多個這樣的點。 如果想把鼻子放大兩倍,只需將所有測量值乘以二。 在另一端,一個木質骨架正等待著被石膏覆蓋。 工人們開始用石膏覆蓋鼻子,但必須遵循放大後的測量數據。 完成石膏工作並符合這些數據後,鼻子就會被準確放大。 數千個這樣的數據點被用來放大整個模型。 人們可以通過雙重測量輕鬆檢查縮放的準確性。 據信,巴託爾迪進行了兩次額外的縮放操作, 以達到最終的全尺寸模型,每次都為雕像增添更多細節。 由於他們無法在工作室內容納最終的石膏模型, 因此將雕像分成了多個部分。 接下來,工人們根據最終的石膏模型製作了一個木質骨架, 這個木骨架的形狀與服裝的一部分完全一致, 薄銅板被放置在木骨架上,然後用錘子敲打。 通過這種方法,銅板成功地複製了石膏模型的形狀, 因為敲打是從內部進行的,外表面光滑,沒有錘痕。 這位法國工匠總共製作了300塊這樣的銅板。 接下來的挑戰是如何將這些銅板牢固地連接在一起。 為此,他們採用了卯接技術。 這裡有個有趣的問題,在雕像的衣服上, 你可以清楚地看到重疊的銅板和微小的卯釘, 但在面部卻沒有任何重疊或卯釘。 這在手和腳上也是如此, 在這些部位,你只能看到一條細小的線。 這是怎麼回事呢? 如圖所示,正常的卯接方法會在兩側產生卯釘頭, 使雕像看起來更優雅。 工程師們在這些區域使用了沉頭卯釘, 由於銅板沒有重疊, 他們還需要添加一條額外的銅條來進行卯接。 這種技術有效地避免了卯釘的外露。 工程師們為雕像的光滑外觀投入了大量心血, 卯接的銅板有鐵支架支撐。 接下來的一個重要問題是, 如何將這些部件豎立起來, 以確保即使在強風中也不會倒塌。 這些板需要強大的內部支撐。 博爾迪不知道如何為自由女神像的外皮建立支撐骨架, 於是他找到了當時最受歡迎的建築師詹恩威·杜克。 杜克的解決方案是建造一組由許多隔間組成的磚石牆, 這些隔間後來將被沙子填充, 而銅質外皮將覆蓋整個結構。 這個結構在抗風力方面非常強大, 博爾迪以為他的工程問題已經解決。 然而在1879年, 尤文·杜克去世, 未留下詳細的工程圖紙。 於是,博爾迪找到了古斯塔夫·埃菲爾, 正是這位將來會建造埃菲爾鐵塔的人。 埃菲爾的結構與尤恩·杜克完全不同, 顯得纖細而現代。 這四根槽上逐漸變細的巨大樑是埃菲爾結構的主要支柱, 該結構通過水平和傾斜的橫竿進行了加固。 看看他為雕像的手設計的支撐結構, 中央支柱的主柱配備了一組橫樑, 這些橫樑固定在基座上。 接下來是拉力杆的漫長旅程。 它們與下部的橫樑連接, 這些橫樑嵌入基座中。 通過擰緊這些巨大的拉力杆螺母, 雕像的整個鐵結構將牢牢地與基座結合在一起。 埃菲爾讓鐵結構變得超強, 正如我們所瞭解到的, 柔性平條將銅皮連接到強大的鐵框架上, 埃菲爾先生通過這種方式確保了它的結構 在外面風大的時候會稍微搖擺。 然而,他們在這裡面臨另一個問題, 銅和鐵之間的電化學反應。 如果他們直接連接, 金屬將在幾年內腐蝕。 埃菲爾通過在這些金屬之間插入 塗有蟲膠的石棉片來解決這個問題。 在巴黎, 這座雕像正在達到其最終的形狀和美感, 然而在紐約, 他們面臨著建造雕像基座的重大財政壓力。 此外,將建築設備和材料轉移到島上 也是一個巨大的挑戰。 完成的雕像沒有底座, 耐心等待著它的最終歸宿。 1885年1月,紐約的底座建設進展緩慢, 博爾迪抓住機會, 決定為自由女神進行旅行準備。 工人們小心翼翼地花了將近半年的時間將雕像拆解, 他們把自由女神裝入兩個24英尺的木箱, 並將其裝載到一艘法國海軍船之上, 運回國內。 籌款委員會在資金籌集方面遇到困難, 一度讓人覺得為自由女神建底座幾乎是不可能的夢想。 此時,自由女神的救星, 報紙出版商約瑟夫·普利策挺身而出, 他在自己的報紙世界中發起了籌款活動。 在社論中, 他嘲諷那些沒有為雕像捐款的富裕美國人, 同時也通過印刷普通美國人的名字 來表彰那些捐款者。 僅僅一個月, 普利策就籌集到了25,000美元。 1885年6月17日, 法國船隻在英雄般的歡迎下抵達紐約港, 運載著拆解後的自由女神, 但她卻沒有底座可以站立。 木箱被存放在倉庫中, 許多其他報紙也紛紛效仿世界, 公眾的熱情大幅提升。 到1885年8月, 委員會成功達成了籌集10萬美元的目標。 這些大型花崗巖塊是基座建設的主要材料。 想像一下, 將這些沉重的花崗巖塊通過舶船和船隻運輸到島上需要多大的努力。 為了提升這些材料, 工人們廣泛使用了蒸汽動力的起重機和甲板。 工人們開始熟練地組裝和澆築花崗巖塊, 他們在中心留出了一個空位, 這個空位將用於入口、樓梯和位於六層的電梯。 隨後, 他們建造了一個觀景臺。 一旦基座準備就緒, 工人們便開始組裝中央的鐵支柱。 實際上, 這是一項重新組裝的工作, 古斯塔夫、埃菲爾在法國制定了完美的計劃和規格, 以確保鐵框架的正確組裝。 你會注意到, 他們還精心設計了雙螺旋樓梯, 這個樓梯將一直延伸到雕像的火炬部分。 稍後, 我們會詳細介紹。 在工程團隊的指導下, 工人們成功完成了組裝工作。 接下來要做的, 就是將銅皮附在鐵框架的柔性條上。 為此, 絞手架不再需要, 工人們需要在兩個板上對齊孔洞, 然後進行卯接。 博爾迪在雕像的重建中發揮了重要作用, 他多次前往美國進行相關工作。 1886年10月28日, 雕像在盛大的慶典中向公眾揭幕。 雕像的面孔披著一面法國國旗, 而巴託爾迪先生則站在皇冠內部, 手握國旗。 當他放下國旗時, 雕像正式向公眾揭幕。 雕像特有的綠色形成, 幾乎花費了20年, 實際上, 這是名為青銅鏽的塗層, 它是通過與空氣的氧化反應形成的。 這層塗層作為穩定層, 保護銅材不再腐蝕。 在1984年的修復工作中, 相關部門不得不更換生鏽的內部支撐杆, 但銅皮膚的修復並不多。 在這次修復過程中, 相關部門用一個更時尚的火炬, 替換了舊火炬, 因為舊火炬損壞得太嚴重, 無法修復。 如果您想欣賞巴託爾迪工匠們的努力, 建議您仔細觀察自由女神身上衣物的細節。 工匠們本可以輕鬆地將銅板連接在一起, 觀眾在地面上是不會察覺到這種偷工減料的做法的。 然而,工匠們非常認真, 製作了布料的兩端, 這顯然是一個複雜的金屬工藝, 涉及許多難以連接的內部結構。 攀登自由女神像是一段有趣的經歷, 您可以選擇乘坐電梯或爬樓梯到達第一個觀景臺, 在那裡稍作休息, 然後再爬幾層樓梯, 現在真正的攀登開始了, 沿著美麗的螺旋樓梯前往雕像的皇冠。 請記住, 這裡只有樓梯, 沒有電梯, 我們需要爬146級臺階才能到達頂部, 如果在爬升過程中感到疲憊, 沿途有幾個休息點供您休息。 當您向上攀登時, 可能會注意到上方還有另一條螺旋樓梯, 那是用來下樓的, 而不是上樓的。 一旦您到達皇冠, 就能欣賞到紐約港的美麗景色。 接下來, 讓我們探討如何到達雕像的最高點, 火炬畫廊。 火炬的通道在1916年黑湯姆爆炸後被封閉。 如果當時沒有封閉, 您本可以享受另一次精彩的攀登和觀景體驗。 自由女神在1954年經歷了致命的颶風哈澤爾, 得益於埃菲爾的巧妙設計。 根據我們的分析, 這場以每小時140公里的速度吹來的颶風, 可能使雕像搖晃了4英寸, 火炬搖晃了7英寸。 您可能知道, 1916年的黑湯姆爆炸, 值得一提的是, 在這一事件中, 雕像的火炬依然亮著。 儘管它倖存於爆炸, 但雕像的首部遭受了嚴重損壞。 修復後, 當局決定永久關閉火炬畫廊, 不再對遊客開放, 可能是因為他們擔心修復後的結構不如埃菲爾先生原來的設計堅固。 到這裡, 視頻就結束了, 感謝大家的觀看。 一百年前, 有人在他腳下引爆了人類史上最大的非核爆炸, 直接把自由女神炸出了彈孔, 但她竟然沒倒, 因為她藏著一個祕密。 這座雕像其實會動, 風一吹, 整個身體在擺, 銅皮在顫, 火炬在晃, 但一百年了, 她從沒倒過。 更離譜的是, 她的臉根本沒有毛釘, 工程師為了讓她皮膚光滑, 把所有接縫藏進了看不見的地方。 還有一件事你絕對不知道, 這座象徵美國自由的雕像, 錢是法國人出的, 設計是法國人做的, 連建造工人都是法國人, 美國人唯一出錢的部分, 差點因為沒錢爛尾。 先說那場爆炸, 1916年7月30日凌晨, 距離自由女神像不到兩公里的新澤西黑湯姆島, 突然騰起一道遮天巨焰, 儲存在那裡的兩百萬磅彈藥在幾分鐘內徹底蒸發, 爆炸當量相當於李氏5.5級地震, 彈片飛上天空, 直接打穿了女神像的銅皮, 在她身上留下密密麻麻的彈孔。 按照所有人的直覺, 這座雕像應該在那一刻倒下, 但它沒有, 原因就藏在她身體裡面那些不起眼的扁鐵條上, 銅質外皮並不是直接焊死在內部鐵架上的, 而是通過這些能彎曲的扁鐵條連接的, 就像彈簧一樣, 爆炸的衝擊波打過來, 銅皮劇烈震動, 扁鐵條隨之彎曲, 把絕大部分能量吸收掉了, 傳到鐵架上的力已經微乎其微, 說白了, 自由女神像的皮膚會吸震, 這纔是它沒倒的真正原因, 這個設計, 距今已經140年了, 放在今天依然是教科書級別的工程智慧, 但更讓人驚嘆的, 還在於這層銅皮是怎麼做出來的, 整座雕像的外皮厚度只有2.3毫米, 比兩枚硬幣疊起來還要薄, 這麼薄的銅片是怎麼還原出 衣袍褶皺和髮絲紋理這些精細細節的, 答案要從一個法國人說起, 他叫巴託爾迪, 是這座雕像背後真正的靈魂人物, 他最開始只做了一個4英尺高的小泥塑, 然後要把它放大到150億英尺, 這是讓所有普通工程師都頭疼的問題, 因為普通的比例縮放方法, 在這種量級下會產生巨大誤差, 巴託爾迪的解法叫千錘線法, 他在原始模型外面架設起一套千錘線網格, 用XYZ三個座標精確記錄每一個關鍵點的位置, 放大時把所有座標數值乘以對應倍數, 再按新座標把石膏一點一點堆回去, 這套操作他整整做了三輪, 每一輪都比上一輪放大, 每一輪都增加更多細節, 直到做出全尺寸的最終石膏模型, 他的工作室根本放不下這個龐然大物, 只能把雕像切成幾百塊分開存放, 有了石膏模型才進入真正的速坯工程, 工人們根據石膏模型做出木質骨架, 再把薄銅板放在上面, 從內側一錘一錘地敲出完全吻合模型的形狀, 因為是從內部敲擊, 外表面絲毫沒有錘痕,光潔流暢, 像真正的衣袍一樣垂落, 法國工人總共製作了三百塊這樣的銅板, 然後要把它們拼成一個整體, 這就引出了那個關於鉚釘的謎, 為什麼衣服上能看到鉚釘, 臉上卻什麼都看不到, 祕密在於兩種鉚接方式, 衣服上的銅板有重疊, 鉚釘頭露在外面遠看沒問題, 但臉上留一個外露的鉚釘頭會嚴重破壞美感, 工程師們改用了埋頭鉚釘, 額外加了一道銅帶把鉚釘完全藏進去, 從外面只能看到一道隙縫, 地面上的觀眾站在下面根本不可能發現這個差別, 但工程師們依然選擇了更費工時的方案, 就是這種反正沒人看見也要做到最好的執念, 成就了這張凝固在銅裡的臉, 銅皮有了,接下來難題是誰來撐起這層皮, 第一個被找來的工程師叫歐仁·維奧萊·勒·杜克, 但他給出方案後不久就去世了, 連完整圖紙都沒留下, 於是巴圖爾迪找到了另一個人, 一個幾年後用鐵造出了巴黎地標的男人, 古斯塔夫·埃菲爾,你可能不知道, 自由女神像的骨架其實比埃菲爾鐵塔還早問世, 埃菲爾用四根向頂部逐漸收攏的巨型橫樑, 構建了一根修長的中央鐵柱, 再通過水平桿和斜拉桿把整體加固, 用拉桿和底座鎖死, 只要擰緊螺母,整個鐵骨架就和基座融為一體, 銅皮通過柔性扁鐵條掛在外面, 可以輕微擺動化解鋒利, 實驗證明,用硬桿連接的模型, 一顆子彈就能打倒,換成柔性錫桿, 子彈能量被皮膚振動吸收掉了, 雕像挺立如故,但這裡還藏著最後一個隱患, 銅和鐵直接接觸會發生電化學腐蝕, 幾年內就能把金屬毀掉, 埃菲爾在兩者之間加入塗了蟲膠的石棉片, 把兩種金屬完全隔開, 這個不起眼的細節影響了他整整一個多世紀的壽命, 雕像在巴黎造好了,美國那邊卻差點接不住, 基座籌款嚴重之後,幾度瀕臨爛尾, 轉機來自報紙老闆約瑟夫·普利策, 他在世界報上發起眾籌, 一邊嘲諷那些坐擁財富卻不捐款的美國富人, 一邊把每一個捐款者的名字印上報紙, 這招徹底激活了普通美國人的熱情, 最終湊齊了10萬美元, 1885年6月,裝著214個木箱的法國軍艦 緩緩駛入紐約港,船上是被拆解成零件的自由女神, 因為基座還沒建好, 這些箱子只能先堆進倉庫等待, 等基座和鐵骨架完工, 工人們才把銅皮一塊塊重新卯回骨架, 整個過程像在空中拼一座巨型拼圖, 1886年10月28日,巴託爾迪站在王冠裡 親手拽下了蒙在雕像臉上的法國國旗, 自由女神正式向世界亮相, 她剛建成時是銅本色, 紅棕色的此後將近20年, 才慢慢變成今天這種標誌性的綠色, 那層綠不是生鏽,是銅與空氣裡的氧氣, 水分和二氧化碳長期反應生成的穩定塗層, 反而保護了底下的銅不再繼續腐蝕, 1984年大修時, 工人們更換了內部腐朽的鐵桿和火炬, 銅皮幾乎不需要動, 經歷了黑湯姆爆炸,兩次世界大戰無數次颶風, 包括那場風速達每小時140公里, 讓火炬擺動了7英寸的黑茲爾颶風, 它都挺過來了,140年過去了, 這一座雕像依然站在紐約港口, 不是因為它是實心的,不是因為它是整塊鍛造的, 恰恰相反,正是因為它薄,因為它軟, 因為它會動,才讓它在所有衝擊裡全身而退, 這也許是它給我們最深的一刻, 一場雨,能讓全世界的貨輪集體癱瘓, 2019年,這件事真實發生了, 一艘滿載貨物的巨輪,因為巴拿馬沒下夠雨, 被迫扔掉了幾百噸貨,才能勉強通過, 扔掉的那批貨價值2000萬美元, 而整條運河本質上就是一個靠天吃飯的巨型水桶, 更荒唐的是, 這條讓全球40%貿易必須經過的水道, 它的核心技術是一個500年前的死人想出來的, 那個人叫達芬奇,對, 就是那個畫蒙娜麗莎的達芬奇, 他在1500年隨手畫的一個閘門設計, 今天還在替全球最繁忙的運河開門, 而為了建這條運河,22000人死在了工地上, 法國人折騰了8年,最後扔下滿地屍體, 灰溜溜撤場,這條河到底藏著多少祕密, 先說說為什麼非要建這條運河, 你想想,從美國東海岸運一批貨去西海岸, 如果沒有巴拿馬運河, 船隻要繞過整個南美洲的最南端, 多跑整整2萬公里, 放到今天就是多燒幾百萬美元的油,多耗兩三週的時間, 所以從人類開始玩全球貿易的那天起, 誰能鑿穿巴拿馬這塊地, 誰就等於掐住了全世界的脖子, 問題是這塊地有多難搞,巴拿馬的地形, 簡直是老天專門用來噁心工程師的, 山連著山,雨季的泥土軟的像豆腐, 旱季又硬的像鐵板, 第一個衝進來硬幹的是法國人, 1882年,法國人信心滿滿的殺進巴拿馬, 他們的計劃簡單粗暴,把這塊地全部挖空, 讓大西洋和太平洋直接連起來, 聽起來豪氣沖天,幹起來卻是噩夢, 山體隨時在塌,大雨一來,前一天挖好的坑, 第二天又全填滿了,更要命的是疾病, 狂熱病和瘧疾在工地上橫行, 工人一批一批的倒下,棺材都來不及備購, 法國人在這裡埋了將近兩萬兩千條人命, 耗掉了天量的資金, 最後灰頭土臉的撤廠了, 這個號稱當時全世界最雄心勃勃的工程項目, 就這麼成了史上最慘烈的工程失敗案例之一, 美國人接手之後,做的第一件事不是埋頭挖土, 而是停下來想了一個問題, 我們到底為什麼要把土全挖光, 既然巴拿馬的山那麼高,挖不完,那就不挖完, 只挖一部分,剩下的山直接用水淹掉, 這個思路聽起來簡單, 但背後藏著一個極其精妙的工程邏輯, 他們先在查格雷斯河上修了一座大壩, 讓河水慢慢積蓄,把大片低窪地區全部淹沒, 人工製造出一個巨大的湖,也就是今天的加通湖, 它是世界上最大的人工湖之一, 原本需要挖穿的山頭,現在有三分之二已經泡在水裡了, 剩下那一小段沒被淹到的高地, 纔是真正需要硬啃的骨頭, 總長度只有15公里,叫做庫萊布拉山峽, 但這15公里,差點把美國人也逼瘋, 岩石太硬,蒸汽鏟啃不動,怎麼辦? 炸啊,在整個開鑿期間, 工地每個月平均要消耗80萬根炸藥, 把大石頭炸成碎塊,再用70臺蒸汽鏟, 一鏟一鏟地把碎石挖走裝進火車, 一臺蒸汽鏟一鏟能移走兩噸土, 聽起來很猛,但整個庫萊布拉山峽挖出來的土方量, 是法國人原本預估的將近三倍, 山體滑坡是最大的麻煩, 挖到一定角度土就會垮塌, 工程師必須不斷調整挖掘坡度,否則白天挖出來的, 晚上就又埋回去了,這場人與山的較量, 整整打了將近十年,然後還有一個沒人想到的難題, 挖出來的土怎麼運走, 幾十節裝滿石塊的車廂停在軌道上, 人工卸貨根本跟不上速度, 美國工程師專門發明瞭一種自動清土機, 蒸汽腳車一轉,車廂裡的土就自動從側面傾倒出去, 效率直接翻倍,倒出來的土堆在鐵軌兩邊, 時間長了又把路給堵死了, 於是又發明瞭泥土攤舖機, 鋼製機翼從兩側伸出去,把土山推平, 推開,等地面足夠寬了,再用軌道移動機, 整體把鐵軌搬到新的平地上, 不用拆,不用重建,整段直接移過去, 這一套組合拳,讓美國政府節省了數千萬美元, 每一臺機器的發明都是被逼出來的絕地反擊, 1913年10月10日, 這是載入史冊的一天, 美國總統威爾遜坐在華盛頓,按下了一個按鈕, 這個信號通過將近6000公里長的海底電纜, 用了整整4秒鐘, 傳到了巴拿馬甘伯亞堤壩, 堤壩上埋著7000公斤炸藥, 信號到達的瞬間,巨響震動了整片大地, 堤壩被炸開了一個60英尺的缺口, 加通湖的水轟然湧入庫萊布拉山峽, 大西洋和太平洋, 在人類歷史上第一次通過這條人工鑿出的水道握手了, 船怎麼爬上去, 加通湖的水面比海平面高出將近26米, 一艘幾萬噸的巨輪, 不可能自己爬坡,工程師用的方法, 說穿了原理簡單到令人驚訝, 把船關進一個水箱裡,往裡灌水, 水漲船也漲,運河兩端各建了三級船閘, 船進入第一個閘室,關門灌水,水位升高, 船被拖著上去,再開門進入第二個閘室, 重複操作,三級下來, 船就爬上了26米的高度,輕輕鬆鬆進入加通湖, 到了對岸,反過來放水, 船再一級級降回海平面, 全程不需要任何外部動力, 純靠重力和水壓完成, 這套系統一百年來幾乎沒有改動過, 而內扇控制整個過程的閘門, 就是達芬奇500年前設計的人字閘門, 兩扇門合上時,水壓越大,門就咬得越緊, 完全不需要額外的鎖死機制, 天才到讓現代工程師看了都沉默, 今天,每天有大約40艘船通過巴拿馬運河, 每艘船過一次要繳納幾十萬美元的過路費, 運河一年的收入超過40億美元, 一條用幾萬條人命,十年苦工, 無數奇思妙想換來的水道, 至今仍然是支撐全球貿易運轉的隱形脊樑, 而它最脆弱的地方, 始終是那一場說來就來的雨。