竹子的力学原理探究
学生姓名：熊治恺 学号：[1**********]
单位：物理电子工程学院 专业：物理学
指导老师：陈敬东 职称：副教授
摘 要：竹子，一种为大家所熟知的植物。向来是高洁坚韧的君子的象征，这些高贵的品质使得竹子深受大家的喜爱。我国国画家李苦禅在他画的竹子画上题词道：“木出土时先有节，长到凌云还虚心”，“节”、“虚心”、四季常青这几种品质，怕是历代的方便，一般都是采用阶梯状的变截面杆（阶梯杆）来代替理论上的等强度杆。纵观历史，很多著名建筑以及器具的设计都与竹子的结构有着密不可分的联系，这正是竹子特殊的力学结构所拥有的稳定、坚固的特点使得它有如此广泛的应用。在仿生学的领域里，竹子的力学特性必将大显身手。
关键词： 竹子；力学特性；等强度杆；应用
Bamboo mechanics principle explored
Abstract: Bamboo, a kind of plant that are familiar to us. Usually is the symbol of the resilience of the noble gentleman, these noble qualities that make bamboo loved by all. LiGuChan in his pictures in traditional Chinese painting bamboo inscription on a way: "wood unearthed first, long to lingyun also knobbly", and "festival" modestly, poor quality, afraid the evergreen several generations, are generally the convenience of using the ladder shaped cross-section bar (ladder pole) instead of theory of such strength pole. Throughout history, many famous buildings and appliances design and bamboo structure has close contact, this is the mechanical structure bamboo special have stable, strong characteristics make it is so widely used. In the field of bionics, the mechanics properties of bamboo will be steep
Key words: Bamboo; Mechanical characteristics; Etc strength rod; application
前 言 作为“岁寒三友”之一的“竹”，历来为国人所赞誉。更何况，从力学角度看，竹确实是大自然物竞天择的杰作，有“植物界的钢铁”之美誉。无怪乎在盛产竹子的
江南，随处可见竹房、竹家具、竹船、竹车、竹绳、竹桥。甚至在木制家具的榫卯结构中，为加固榫卯结合而使用的销钉，也用的是竹材而非木材。竹子的根系深而广，形成了很好的固定端约束；竹子的叶片比一般树叶小，分布较稀疏，避免了“树大招风”带来的麻烦。因此，在暴风骤雨中，有些参天大树被连根拔起，但竹子虽其枝条狂舞，主干却屹立而不倒。这个神奇的物种在自然演化的过程中形成了一种非常好的力学体系，力学的法则构成了审美法则的基础，让人们在感叹竹子高洁坚韧的同时，也对它神秘的力学体系深深着迷。
1.竹子的力学特点
从力学角度看，竹确实是大自然物竞天择的杰作，其力学美至少有三。
1.1体轻质坚，是龙材
据近代材料力学实验测定，竹材的收缩量很小，而弹性和韧性却很高，顺纹抗拉强度和抗压强度（即强度极限）分别为180MPa和80MPa，分别为杉木的2.5倍和1.5倍。特别是浙江石门地区出产的刚竹，其顺纹抗拉强度竟高达280MPa，相当于普通钢材的一半。一般竹材的密度仅为（0.6～0.8）×103kg/m3，而钢材的密度则为
7.8×103kg/m3左右。因此，虽然钢材的抗拉强度为一般竹材的2.5～3倍，但若按单位重量计算抗拉能力，则竹材要比钢材强2～3倍。
1.2嘴尖皮厚腹中空，抗弯抗扭能力强 惟其“嘴尖”，才能克服土层的重重阻力，破土而出。而且能不失时机地在雨后土壤最松软的时候钻出地面，故有“雨后春笋”之说。惟其“皮厚腹中空”，才能与大自然的狂风抗争，显示出最大的抗弯抗扭能力。强度科学的奠基人伽利略在他晚年所著《关于两门新科学的谈话和数学证明》中最早预言道：“人类的技术和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。这种物体可以不增加重量而大大增加它的强度，这一点不难在鸟的肢干骨和芦苇上看到，它们的密度很小，但是有极大的抗弯和抗断能力。”弯曲理论和扭转理论指出，空心杆的抗弯能力和抗扭能力要比同样截面积的实心杆大得多，而且在保证一定壁厚的条件下，空心度α（内、外径之比）增大，其抗弯和抗扭能力也随之增加。例如，太湖流域大毛竹的空心度为0.85，其抗弯能力要比同样重量的实心杆大2倍多。更为神奇的是，竹子每隔一段距离就有一个竹节，竹节的横截面上有一薄片，使横截面成为实心的。别小看这一薄片，它可起“补强作用”，使竹子不易局部失稳。实验表明，有节整竹比无节竹段，其抗弯强度足可提高20％，它对减少竹子的变形量——挠度和转角，起着极大的作用。竹子在反复弯曲变形下的疲劳寿
命大大高于木材，也与此竹节薄片有关。机械设计师可以仿照竹子制造出空心传动轴，但要在轴腔内加上类似的“竹节薄片”却颇为困难。另外，竹节薄片不是平的，而是有较大的凹凸度，这种外形使它受力后很难变形，这又是大自然的鬼斧神工！最后，竹子的根系深而广，形成了很好的固定端约束；竹子的叶片比一般树叶小，分布较稀疏，避免了“树大招风”带来的麻烦。因此，在暴风骤雨中，有些参天大树被连根拔起，但竹子虽其枝条狂舞，主干却屹立而不倒。
1.3下粗上细，高而不折，是大自然造就的等强度梁
竹子具有一种独特的生长方式：出土前母笋的节数就已确定，出土后不再增加新节，只是增加节间的距离，一节比一节高，但一节比一节细，形成一种内、外径均呈线性变化的近似“等强度梁”。因悬臂梁在其固定端处弯矩最大，而自由端弯矩为零。按弯矩的大小分配材料，这是最经济的分配方案，即所谓“好钢用在刀刃上”。所以，一般的大毛竹（节数为70左右），尽管高达20m开外，却仍能摆动自如，高而不折，真是“千磨万击还坚劲，任尔东西南北风”。人类的机械加工，虽能制造出阶梯状的近似等强度梁，但要加工出像竹子一样的、外径呈线性变化的梁，却非易事。世界著名建筑大师贝聿铭先生设计成功的高315m的70层香港中国银行大厦（于1985年初动工，1988年竣工），居然敢在多台风的香港建造，就是得益于竹子的启示。据贝氏自述，此项“仿竹杰作”已在他心中酝酿很久，煞费了苦心，最后还是受到郑板桥“兰竹图”的启发后，才一锤定音的。整座大厦看上去就像竹子一样，下粗上细，到一定高度变细一节。综上所述，对于竹子的合理力学结构，就连最优秀的建筑师也不得不钦佩。例如，人类造的最细最高的烟囱，平均直径是5.5m，高度达140m。但如果烟囱也能具有竹子的“力学结构”，则高140m 的烟囱，直径只要3m多就够了！有人说，在宇宙间，力学的法则构成了审美法则的基础，看来此话颇有道理。
2.竹材的物理性质与力学材质
在竹材研究方面，国内外对竹材的物理性质研究的较多，研究重点主要集中在密度、吸水率及干缩性等方面。密度在很大程度上决定着竹材的力学性质，密度主要取决于纤维含量、纤维直径及细胞壁厚度，密度随纤维含量增加而增加。今川一志[nj对日本的世竹研究结果表明：竹杆的密度以地下和基部为最大，越到上部越小。杜复元„‟c‟对浙江省10个竹种2年生竹材的实质密度、绝干密度和孔隙度的测试结果表明：丛生竹的实质密度比散生竹要大1．4％，绝干密度也要大于散生竹。绝干密度的变
化是从基部到梢部、从里到外递增，而孔隙度的变化与其相反，从基部到梢部递减。竹材基本密度与纤维长度具有显著的相关性，与纤维体积比量、壁腔比和长宽比之间有较显著相关性，而与纤维宽度、壁厚度及纤维含量无显著相关性。竹材的密度和竹材的竹杆部位、竹龄、立地条件以及竹种有关，竹杆上部和竹壁外侧的密度大，基部和竹壁内侧的密度小；竹材密度随年龄的增长而不断提高和变化。研究表明，立地条件好，竹子生长快，维管束密度低，竹材的密度就低；立地条件差，竹子生长慢，竹材密度大；生长在降雨少、气温低地区的竹类其密度较大，
而在降雨多、温度高地区的竹类其密度较小。竹材因维管束中的导管失水后收缩而收缩，其收缩率比木材要小。干燥后的竹材吸水性很强，吸水后，体积膨胀，强度降低。干燥后再浸水的竹材的膨胀率比气干竹材低，膨胀速度也较快。
随着对竹材利用的研究越来越多，竹材的渗透性正逐渐引起人们的关注。渗透性的优劣对竹材的药剂处理、干燥、染色和胶合加工工艺等均有重要影响。与木材不同，竹材组织中没有射线细胞，因此，处理剂及水分不能沿射线渗入。竹茎成熟后，由于胶状物质的沉积及侵填体的聚积，导管和筛管不再具有渗透性[13J。与针叶材的形成层活性不同，
竹材输导组织在其整个生长期内都有影响，但在数量上没有任何增加。
初次见到竹子的人大概都为竹子如此之细却能长那么高而感到惊讶，尤其是竹子多生长在南方，而且最茂密的季节是夏季，很难想象竹子在南方夏天的狂风骤雨中如何屹立不倒。笔者试图通过自己有限的一点知识，从竹子的结构出发浅谈竹子的受力优点。 先看一下竹子的结构有哪些特点。竹子的断面是圆环形，中空，一般直径6厘米，壁厚0.5厘米，大约每隔15厘米有一个实心坚硬的竹节。 对于空心固体的受力性能，意大利科学家伽利略曾经做过专门的研究，这里摘录如下：“人类的技艺（技术）和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。这种物质可以不增加重量而大大增加它的强度，这一点不难在鸟的骨头上和芦苇上看到，它们的重量很小，但是有极大的抗弯力和抗断力，麦秆所支持的麦穗重量，要超过整株麦茎的重量，假如与麦秆同样重量的物质却生成实心的而不是空心的，它的抗弯和抗断力就要大大减低。早期实际上也曾经发现并且用实验证实了，空心的棒以及木头和金属的管子，要比同样长短同样重量的实心物体更加牢固，当然，实心的要比空心的细一些。人类的技艺就把这个观察到的结果应用到制造各种东西上，把某些东西制成空心的，使它们又坚固又轻巧。” 竹子在自然界中主要受自重荷载和风荷载。在自重荷载下（无风时），竹子
相当于一根受压杆，根据欧拉公式，临界荷载：Fpcr=π2EI/(μl)2，对于竹子，E是它的材料性能，取决于竹纤维的强度，生长在土地上长度系数μ=2，这些都是常数。除去长度因素外，还和截面抗弯刚度PcrFEI成正比。显然，在同样的重量下，把截面作成空心圆环对于提高抗弯刚度EI是最有利的。计算表明，假如把竹子做成实心的，则其抗弯能力是原来的1/10。因此，竹子特有的空心圆环形的截面保证了它的受压整体稳定性，从而能提高其生长高度。那么竹子如何保证受压局部稳定性呢？竹节的作用此时就体现了。竹节所起到的作用与箱形截面柱中横向加劲肋是一样的，从而保证了竹子的受压局部稳定性。同时，竹材的存在也保证了竹子的抗扭能力，避免竹子发生扭转失稳。 在风荷载下，竹子主要抵抗的是弯矩和剪力。对于抗弯，边缘最大正应力与截面截面惯性矩I成反比，而I随截面半径增大而增大，故空心结构形成的大半径有利于降低边缘最大正应力提高抗弯能力。同时，由于边缘的正应力最大，故将优质材料布置在边缘是最优化的结构布置，竹子就做到了这点。竹壁自外而内，分为竹青、竹肉和竹黄三个部分，竹子的表面呈现出青色的叫竹青，由抗拉强度很高的纤维质构成。对于抗剪，竹节又起到了很关键的作用。坚硬实心的竹节将竹身分成小段小段的区格，在每个区格的端部提供可靠的变形约束，从而也能大大提高竹子的抗剪能力。举个例子，农业上小麦减产主要原因之一“倒伏”，就是小麦返青拔节时，由于雨水过多，生长迅速而拔节快，形成节与节之间间距大，减低了麦秆的抗剪能力，头重脚轻杆软倒伏于地。 从上面的分析可以看出，竹子的结构特点十分符合它在自然界中的受力需要。自然界中的许多动植物身上都有许多这样的特点，这些都是生物在进化过程中逐渐产生的有利于其生存的特点，受力优越性便是其中之一。
竹材力学性质主要为顺纹抗拉强度和弹性模量、顺纹抗压强度和弹性模量和顺纹剪切强度以及顺纹静曲强度和弹性模量等。竹材的力学强度随含水率的增高而降低，但当竹材处于绝干条件下时，因质地变脆，强度反而下降。竹杆上部比下部的力学强度大，竹壁外侧比内侧的力学强度大。毛竹节部的抗拉强度比节间的低1／4，而其它的力学性质均比节间高，原因是节部维管束分布弯曲不齐，受拉时易被破坏。竹材的力学强度一般随竹。·龄的增长而提高，但当竹杆老化变脆时，强度反而下降。立地条件越好，竹材力学强度越低，小径材比大径材的力学强度高，有节整竹比无节竹段的抗压强度和抗拉强度都要高，整竹劈开后的弯曲承载能力比整竹要低，气干试样的压缩强度、抗拉强度、弹性模量和破裂模量要比新鲜试样高得多，竹壁外侧的破裂
模量较高，而弹性模量没有改变。
就强度和成本而言，竹子被认为是自然界中效能最高的材料。Sanyal收集了有关竹子物理力学特性的数据，其中包括；在未干燥和干燥条件下竹种的强度特性；在未干燥和干燥条件下竹种的平均直径和弹性系数；牡竹的平均强度；牡竹和最重的木材及最轻的木材之间的强度比较。Mously对埃及的3个竹种的力学性质分析结果表明：竹材的抗弯强度、弹性模量、抗拉强度和抗压强度与山毛榉木材相当，竹杆的机械性质特别是抗拉强度和压缩强度高，在建筑结构材料中尤其是空间珩架，竹杆可以代替木材和金属使用。TahirHMilS]的研究结果表明，竹龄对竹材的物理和机械性能起重要作用，竹龄越高，强度越大。一般来讲，竹龄与竹材的力学强度有较密切的关系。竹材维管束是竹材的重要组成部分。维管束由许多厚壁纤维细胞组成，是影响竹材力学性质的重要因素。
结论
作为一种重要的森林资源，竹子的生物量巨大并广泛应用于人类的日常生活，竹子的经济价值正在不断增长。基于这一趋势，继续对竹材的特性进行深入研究已成必然。未来的研究应主要集中于以下几个方面：(1)竹材的微观力学性质研究。竹材作为生物复合体，纤维束之间的连接和分离及其受温度的影响等，将为竹材纤维制浆提供主要的基础数据；(2)竹材纤维的超微结构特征研究。竹材纤维细胞壁S1及．S2层微纤丝角的变化的研究目前相对较少，而这种研究对纤维利用性能的优劣将有着重要影响；(3)竹材细胞壁层状纹理与密度的关系，对研究竹材性质的变化将有一定的启发性；(4)竹材的生物物理与生物力学方面的研究，将对充分开发竹材用途提供更多的途径；(5)竹材不同层面的物理力学性质研究，将为竹材的加工利用提供基础理论支持；(6)纤维素、半纤维素及木素的分布对竹材加-ET_艺的影响。竹材中的硅含量对采伐和制浆质量的影响，竹材不同层面的化学成分分布特点及胶合特性，竹材中某些化学成分如糖类、淀粉等随季节的变化程度；从竹材内部的化学成分变化判定竹材的最佳生命生长周期等。
参考文献：
[1] 李正理.24种国产竹材的比较解剖观察[M]．植物学报，1960：(3)．
[2] 张寿槐.中国竹材物理力学性质试验现状和展望[M]．北京大学出版社，1992：130～138．
[3] 吴顺昭.台湾产竹材解剖特性及其与渗透性的关系[J]．科学出版社，2000：84～
86.
[4] 马灵飞．浙江省六种丛生竹纤维形态及其组织比量的研究.[M]. 浙江大学学报，2002：63—68．
[5] 冼杏娟．竹材的微观结构及其与力学性能的关系[M]．远方出版社，1997：45～49.
[6] Wayne C. Bamboo mechanics research [J]. Scientific American, 1994: 78～86.
竹子的力学原理探究
学生姓名：熊治恺 学号：[1**********]
单位：物理电子工程学院 专业：物理学
指导老师：陈敬东 职称：副教授
摘 要：竹子，一种为大家所熟知的植物。向来是高洁坚韧的君子的象征，这些高贵的品质使得竹子深受大家的喜爱。我国国画家李苦禅在他画的竹子画上题词道：“木出土时先有节，长到凌云还虚心”，“节”、“虚心”、四季常青这几种品质，怕是历代的方便，一般都是采用阶梯状的变截面杆（阶梯杆）来代替理论上的等强度杆。纵观历史，很多著名建筑以及器具的设计都与竹子的结构有着密不可分的联系，这正是竹子特殊的力学结构所拥有的稳定、坚固的特点使得它有如此广泛的应用。在仿生学的领域里，竹子的力学特性必将大显身手。
关键词： 竹子；力学特性；等强度杆；应用
Bamboo mechanics principle explored
Abstract: Bamboo, a kind of plant that are familiar to us. Usually is the symbol of the resilience of the noble gentleman, these noble qualities that make bamboo loved by all. LiGuChan in his pictures in traditional Chinese painting bamboo inscription on a way: "wood unearthed first, long to lingyun also knobbly", and "festival" modestly, poor quality, afraid the evergreen several generations, are generally the convenience of using the ladder shaped cross-section bar (ladder pole) instead of theory of such strength pole. Throughout history, many famous buildings and appliances design and bamboo structure has close contact, this is the mechanical structure bamboo special have stable, strong characteristics make it is so widely used. In the field of bionics, the mechanics properties of bamboo will be steep
Key words: Bamboo; Mechanical characteristics; Etc strength rod; application
前 言 作为“岁寒三友”之一的“竹”，历来为国人所赞誉。更何况，从力学角度看，竹确实是大自然物竞天择的杰作，有“植物界的钢铁”之美誉。无怪乎在盛产竹子的
江南，随处可见竹房、竹家具、竹船、竹车、竹绳、竹桥。甚至在木制家具的榫卯结构中，为加固榫卯结合而使用的销钉，也用的是竹材而非木材。竹子的根系深而广，形成了很好的固定端约束；竹子的叶片比一般树叶小，分布较稀疏，避免了“树大招风”带来的麻烦。因此，在暴风骤雨中，有些参天大树被连根拔起，但竹子虽其枝条狂舞，主干却屹立而不倒。这个神奇的物种在自然演化的过程中形成了一种非常好的力学体系，力学的法则构成了审美法则的基础，让人们在感叹竹子高洁坚韧的同时，也对它神秘的力学体系深深着迷。
1.竹子的力学特点
从力学角度看，竹确实是大自然物竞天择的杰作，其力学美至少有三。
1.1体轻质坚，是龙材
据近代材料力学实验测定，竹材的收缩量很小，而弹性和韧性却很高，顺纹抗拉强度和抗压强度（即强度极限）分别为180MPa和80MPa，分别为杉木的2.5倍和1.5倍。特别是浙江石门地区出产的刚竹，其顺纹抗拉强度竟高达280MPa，相当于普通钢材的一半。一般竹材的密度仅为（0.6～0.8）×103kg/m3，而钢材的密度则为
7.8×103kg/m3左右。因此，虽然钢材的抗拉强度为一般竹材的2.5～3倍，但若按单位重量计算抗拉能力，则竹材要比钢材强2～3倍。
1.2嘴尖皮厚腹中空，抗弯抗扭能力强 惟其“嘴尖”，才能克服土层的重重阻力，破土而出。而且能不失时机地在雨后土壤最松软的时候钻出地面，故有“雨后春笋”之说。惟其“皮厚腹中空”，才能与大自然的狂风抗争，显示出最大的抗弯抗扭能力。强度科学的奠基人伽利略在他晚年所著《关于两门新科学的谈话和数学证明》中最早预言道：“人类的技术和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。这种物体可以不增加重量而大大增加它的强度，这一点不难在鸟的肢干骨和芦苇上看到，它们的密度很小，但是有极大的抗弯和抗断能力。”弯曲理论和扭转理论指出，空心杆的抗弯能力和抗扭能力要比同样截面积的实心杆大得多，而且在保证一定壁厚的条件下，空心度α（内、外径之比）增大，其抗弯和抗扭能力也随之增加。例如，太湖流域大毛竹的空心度为0.85，其抗弯能力要比同样重量的实心杆大2倍多。更为神奇的是，竹子每隔一段距离就有一个竹节，竹节的横截面上有一薄片，使横截面成为实心的。别小看这一薄片，它可起“补强作用”，使竹子不易局部失稳。实验表明，有节整竹比无节竹段，其抗弯强度足可提高20％，它对减少竹子的变形量——挠度和转角，起着极大的作用。竹子在反复弯曲变形下的疲劳寿
命大大高于木材，也与此竹节薄片有关。机械设计师可以仿照竹子制造出空心传动轴，但要在轴腔内加上类似的“竹节薄片”却颇为困难。另外，竹节薄片不是平的，而是有较大的凹凸度，这种外形使它受力后很难变形，这又是大自然的鬼斧神工！最后，竹子的根系深而广，形成了很好的固定端约束；竹子的叶片比一般树叶小，分布较稀疏，避免了“树大招风”带来的麻烦。因此，在暴风骤雨中，有些参天大树被连根拔起，但竹子虽其枝条狂舞，主干却屹立而不倒。
1.3下粗上细，高而不折，是大自然造就的等强度梁
竹子具有一种独特的生长方式：出土前母笋的节数就已确定，出土后不再增加新节，只是增加节间的距离，一节比一节高，但一节比一节细，形成一种内、外径均呈线性变化的近似“等强度梁”。因悬臂梁在其固定端处弯矩最大，而自由端弯矩为零。按弯矩的大小分配材料，这是最经济的分配方案，即所谓“好钢用在刀刃上”。所以，一般的大毛竹（节数为70左右），尽管高达20m开外，却仍能摆动自如，高而不折，真是“千磨万击还坚劲，任尔东西南北风”。人类的机械加工，虽能制造出阶梯状的近似等强度梁，但要加工出像竹子一样的、外径呈线性变化的梁，却非易事。世界著名建筑大师贝聿铭先生设计成功的高315m的70层香港中国银行大厦（于1985年初动工，1988年竣工），居然敢在多台风的香港建造，就是得益于竹子的启示。据贝氏自述，此项“仿竹杰作”已在他心中酝酿很久，煞费了苦心，最后还是受到郑板桥“兰竹图”的启发后，才一锤定音的。整座大厦看上去就像竹子一样，下粗上细，到一定高度变细一节。综上所述，对于竹子的合理力学结构，就连最优秀的建筑师也不得不钦佩。例如，人类造的最细最高的烟囱，平均直径是5.5m，高度达140m。但如果烟囱也能具有竹子的“力学结构”，则高140m 的烟囱，直径只要3m多就够了！有人说，在宇宙间，力学的法则构成了审美法则的基础，看来此话颇有道理。
2.竹材的物理性质与力学材质
在竹材研究方面，国内外对竹材的物理性质研究的较多，研究重点主要集中在密度、吸水率及干缩性等方面。密度在很大程度上决定着竹材的力学性质，密度主要取决于纤维含量、纤维直径及细胞壁厚度，密度随纤维含量增加而增加。今川一志[nj对日本的世竹研究结果表明：竹杆的密度以地下和基部为最大，越到上部越小。杜复元„‟c‟对浙江省10个竹种2年生竹材的实质密度、绝干密度和孔隙度的测试结果表明：丛生竹的实质密度比散生竹要大1．4％，绝干密度也要大于散生竹。绝干密度的变
化是从基部到梢部、从里到外递增，而孔隙度的变化与其相反，从基部到梢部递减。竹材基本密度与纤维长度具有显著的相关性，与纤维体积比量、壁腔比和长宽比之间有较显著相关性，而与纤维宽度、壁厚度及纤维含量无显著相关性。竹材的密度和竹材的竹杆部位、竹龄、立地条件以及竹种有关，竹杆上部和竹壁外侧的密度大，基部和竹壁内侧的密度小；竹材密度随年龄的增长而不断提高和变化。研究表明，立地条件好，竹子生长快，维管束密度低，竹材的密度就低；立地条件差，竹子生长慢，竹材密度大；生长在降雨少、气温低地区的竹类其密度较大，
而在降雨多、温度高地区的竹类其密度较小。竹材因维管束中的导管失水后收缩而收缩，其收缩率比木材要小。干燥后的竹材吸水性很强，吸水后，体积膨胀，强度降低。干燥后再浸水的竹材的膨胀率比气干竹材低，膨胀速度也较快。
随着对竹材利用的研究越来越多，竹材的渗透性正逐渐引起人们的关注。渗透性的优劣对竹材的药剂处理、干燥、染色和胶合加工工艺等均有重要影响。与木材不同，竹材组织中没有射线细胞，因此，处理剂及水分不能沿射线渗入。竹茎成熟后，由于胶状物质的沉积及侵填体的聚积，导管和筛管不再具有渗透性[13J。与针叶材的形成层活性不同，
竹材输导组织在其整个生长期内都有影响，但在数量上没有任何增加。
初次见到竹子的人大概都为竹子如此之细却能长那么高而感到惊讶，尤其是竹子多生长在南方，而且最茂密的季节是夏季，很难想象竹子在南方夏天的狂风骤雨中如何屹立不倒。笔者试图通过自己有限的一点知识，从竹子的结构出发浅谈竹子的受力优点。 先看一下竹子的结构有哪些特点。竹子的断面是圆环形，中空，一般直径6厘米，壁厚0.5厘米，大约每隔15厘米有一个实心坚硬的竹节。 对于空心固体的受力性能，意大利科学家伽利略曾经做过专门的研究，这里摘录如下：“人类的技艺（技术）和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。这种物质可以不增加重量而大大增加它的强度，这一点不难在鸟的骨头上和芦苇上看到，它们的重量很小，但是有极大的抗弯力和抗断力，麦秆所支持的麦穗重量，要超过整株麦茎的重量，假如与麦秆同样重量的物质却生成实心的而不是空心的，它的抗弯和抗断力就要大大减低。早期实际上也曾经发现并且用实验证实了，空心的棒以及木头和金属的管子，要比同样长短同样重量的实心物体更加牢固，当然，实心的要比空心的细一些。人类的技艺就把这个观察到的结果应用到制造各种东西上，把某些东西制成空心的，使它们又坚固又轻巧。” 竹子在自然界中主要受自重荷载和风荷载。在自重荷载下（无风时），竹子
相当于一根受压杆，根据欧拉公式，临界荷载：Fpcr=π2EI/(μl)2，对于竹子，E是它的材料性能，取决于竹纤维的强度，生长在土地上长度系数μ=2，这些都是常数。除去长度因素外，还和截面抗弯刚度PcrFEI成正比。显然，在同样的重量下，把截面作成空心圆环对于提高抗弯刚度EI是最有利的。计算表明，假如把竹子做成实心的，则其抗弯能力是原来的1/10。因此，竹子特有的空心圆环形的截面保证了它的受压整体稳定性，从而能提高其生长高度。那么竹子如何保证受压局部稳定性呢？竹节的作用此时就体现了。竹节所起到的作用与箱形截面柱中横向加劲肋是一样的，从而保证了竹子的受压局部稳定性。同时，竹材的存在也保证了竹子的抗扭能力，避免竹子发生扭转失稳。 在风荷载下，竹子主要抵抗的是弯矩和剪力。对于抗弯，边缘最大正应力与截面截面惯性矩I成反比，而I随截面半径增大而增大，故空心结构形成的大半径有利于降低边缘最大正应力提高抗弯能力。同时，由于边缘的正应力最大，故将优质材料布置在边缘是最优化的结构布置，竹子就做到了这点。竹壁自外而内，分为竹青、竹肉和竹黄三个部分，竹子的表面呈现出青色的叫竹青，由抗拉强度很高的纤维质构成。对于抗剪，竹节又起到了很关键的作用。坚硬实心的竹节将竹身分成小段小段的区格，在每个区格的端部提供可靠的变形约束，从而也能大大提高竹子的抗剪能力。举个例子，农业上小麦减产主要原因之一“倒伏”，就是小麦返青拔节时，由于雨水过多，生长迅速而拔节快，形成节与节之间间距大，减低了麦秆的抗剪能力，头重脚轻杆软倒伏于地。 从上面的分析可以看出，竹子的结构特点十分符合它在自然界中的受力需要。自然界中的许多动植物身上都有许多这样的特点，这些都是生物在进化过程中逐渐产生的有利于其生存的特点，受力优越性便是其中之一。
竹材力学性质主要为顺纹抗拉强度和弹性模量、顺纹抗压强度和弹性模量和顺纹剪切强度以及顺纹静曲强度和弹性模量等。竹材的力学强度随含水率的增高而降低，但当竹材处于绝干条件下时，因质地变脆，强度反而下降。竹杆上部比下部的力学强度大，竹壁外侧比内侧的力学强度大。毛竹节部的抗拉强度比节间的低1／4，而其它的力学性质均比节间高，原因是节部维管束分布弯曲不齐，受拉时易被破坏。竹材的力学强度一般随竹。·龄的增长而提高，但当竹杆老化变脆时，强度反而下降。立地条件越好，竹材力学强度越低，小径材比大径材的力学强度高，有节整竹比无节竹段的抗压强度和抗拉强度都要高，整竹劈开后的弯曲承载能力比整竹要低，气干试样的压缩强度、抗拉强度、弹性模量和破裂模量要比新鲜试样高得多，竹壁外侧的破裂
模量较高，而弹性模量没有改变。
就强度和成本而言，竹子被认为是自然界中效能最高的材料。Sanyal收集了有关竹子物理力学特性的数据，其中包括；在未干燥和干燥条件下竹种的强度特性；在未干燥和干燥条件下竹种的平均直径和弹性系数；牡竹的平均强度；牡竹和最重的木材及最轻的木材之间的强度比较。Mously对埃及的3个竹种的力学性质分析结果表明：竹材的抗弯强度、弹性模量、抗拉强度和抗压强度与山毛榉木材相当，竹杆的机械性质特别是抗拉强度和压缩强度高，在建筑结构材料中尤其是空间珩架，竹杆可以代替木材和金属使用。TahirHMilS]的研究结果表明，竹龄对竹材的物理和机械性能起重要作用，竹龄越高，强度越大。一般来讲，竹龄与竹材的力学强度有较密切的关系。竹材维管束是竹材的重要组成部分。维管束由许多厚壁纤维细胞组成，是影响竹材力学性质的重要因素。
结论
作为一种重要的森林资源，竹子的生物量巨大并广泛应用于人类的日常生活，竹子的经济价值正在不断增长。基于这一趋势，继续对竹材的特性进行深入研究已成必然。未来的研究应主要集中于以下几个方面：(1)竹材的微观力学性质研究。竹材作为生物复合体，纤维束之间的连接和分离及其受温度的影响等，将为竹材纤维制浆提供主要的基础数据；(2)竹材纤维的超微结构特征研究。竹材纤维细胞壁S1及．S2层微纤丝角的变化的研究目前相对较少，而这种研究对纤维利用性能的优劣将有着重要影响；(3)竹材细胞壁层状纹理与密度的关系，对研究竹材性质的变化将有一定的启发性；(4)竹材的生物物理与生物力学方面的研究，将对充分开发竹材用途提供更多的途径；(5)竹材不同层面的物理力学性质研究，将为竹材的加工利用提供基础理论支持；(6)纤维素、半纤维素及木素的分布对竹材加-ET_艺的影响。竹材中的硅含量对采伐和制浆质量的影响，竹材不同层面的化学成分分布特点及胶合特性，竹材中某些化学成分如糖类、淀粉等随季节的变化程度；从竹材内部的化学成分变化判定竹材的最佳生命生长周期等。
参考文献：
[1] 李正理.24种国产竹材的比较解剖观察[M]．植物学报，1960：(3)．
[2] 张寿槐.中国竹材物理力学性质试验现状和展望[M]．北京大学出版社，1992：130～138．
[3] 吴顺昭.台湾产竹材解剖特性及其与渗透性的关系[J]．科学出版社，2000：84～
86.
[4] 马灵飞．浙江省六种丛生竹纤维形态及其组织比量的研究.[M]. 浙江大学学报，2002：63—68．
[5] 冼杏娟．竹材的微观结构及其与力学性能的关系[M]．远方出版社，1997：45～49.
[6] Wayne C. Bamboo mechanics research [J]. Scientific American, 1994: 78～86.