每年这个时候，埃菲尔铁塔都会变高、变弯

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埃菲尔铁塔在设计之初被称为“300米高塔”（Tour de 300 mètres）。工程师莫里斯·科希兰（Maurice Koechlin）和埃米尔·努吉耶（Émile Nougier）向监造这座塔的古斯塔夫·埃菲尔（Gustave Eiffel）提议这个名称，暗示了他们想要实现非凡的技术壮举，以及建造一座创纪录高度的铁塔的雄心。

然而，随着夏季气温升高，埃菲尔铁塔已经变得更高，超过了最初的设计。

轻质铁结构

埃菲尔铁塔的建造是为了1889年的世界博览会，以纪念法国大革命一百周年。埃菲尔选用了他非常熟知的熟铁作为建筑材料。他曾在此前的项目中使用过熟铁，且效果均很好。熟铁能够承受高强度的应力，使得建造一座大而轻、且能抵抗水平风应力的高塔成为可能。

猜一猜这座铁塔有多轻？它仅重7300吨，与塔内包含的空气重量（约6300吨）相近。埃菲尔铁塔最初的设计兼具观景与无线电广播功能，其塔身是巨型三角网格结构，与同一时期建造的加拉比特高架桥（也是由埃菲尔的团队设计），及苏格兰的福斯桥结构相似。

所有这些结构都会随建造材料的温度上升而膨胀，这种现象也被称为热膨胀。不过，不同于这些变形复杂的桥梁，埃菲尔铁塔随着温度变化，主要沿垂直方向伸缩。

热胀冷缩的材料

大多数固体会出现热胀冷缩的现象，这是因为温度升高会加剧内部的原子振动，原子之间的平均间距就会增大。

在不同固体材料的内部，化学键的性质并不相同，会导致不同程度的膨胀效应，这些都是工程师需要精确记录的。陶瓷和玻璃内部的化学键强度较高，因此这些材料受热膨胀的程度会比金属小，而金属又会小于聚合物。

那么，如何估算固体的膨胀情况呢？对于直线型构件，比如梁和杆，它们也是大多数公共工程和建筑常见的构件，其膨胀量与构件长度、温度变化和材料膨胀系数成正比。

发丝之宽

很多陶瓷材料的热膨胀系数都在0.5×10⁻⁶至1.5×10⁻⁶/°C 之间，金属的膨胀系数则介于5×10⁻⁶至30×10⁻⁶/°C，而聚合物的膨胀系数则更高，通常在 50×10⁻⁶ 至 300×10⁻⁶/°C 之间。这些数值表示随着温度升高1°C，材料增加的单位长度。最易膨胀的材料是聚合物，其膨胀率约为金属的10倍，而金属的膨胀率又是陶瓷的10倍。

埃菲尔铁塔及其钢构件使用的熟铁膨胀系数约12x10⁻⁶ /°C，即温度每升高1°C，一根一米长的铁棒会膨胀12x10⁻⁶米，也就是只有十几微米，比头发更细。

那么，热对建筑物会有明显的影响吗？是的，如果我们考虑到另外两个参数：建筑物的长度和它所在地区的温度范围。

加拉比特高架桥（Garabit Viaduct）于1884年竣工，是世界上最长的拱桥。图片来源：维基百科

建筑物可能会很长。埃菲尔铁塔高300米，而加拉比特高架桥长565米，福斯桥的长度更是则超过2.5千米。如今还有许多更大型的线性结构，热膨胀也会影响许多桥梁承载的铁路轨道。

历史温度范围也是需要分析的因素。根据长达两个世纪多的气温记录，巴黎冬季气温最低低于-20⁰C，夏季的气温最高可达40⁰C。我们还应考虑太阳辐射的影响——在阳光直射下，金属温度会更高，通常会超过60⁰C或70⁰C。

横跨苏格兰东部福斯湾的拱形铁路桥，福斯桥 图片来源：维基百科

背向太阳

现在我们来估算一下，当如历史记载，埃菲尔铁塔经历的温度波动范围约100⁰C。在这个温度变化下，一根100米长的金属棒会膨胀多少呢？

算术很简单。温度每上升1⁰C，一根1米长的金属棒会膨胀0.000012米。当温度上升100⁰C时，一根100米长的金属棒就会膨胀0.12米。而一根300米长的金属棒会膨胀三倍，即0.36米，也就是36厘米。变化显而易见。

当然，一根简单的金属棒与一座由18000多块铆接铁片组成、朝向四方的铁塔膨胀行为并不相同。此外，太阳总是仅照射铁塔的某一侧，这也使得它的其中一面比其他面膨胀更多，令塔身微弯，仿佛背向太阳俯身。

专家估计，埃菲尔铁塔在炎夏会比寒冬要高出12至15厘米。这表明，埃菲尔铁塔不仅是一座地标、通讯塔以及巴黎的象征，也是一个巨大的温度计。

参考链接：

https://theconversation.com/the-eiffel-tower-gets-bigger-every-summer-heres-why-261904

封面图来源：Unsplash