生活在力學(xué)的世界

肖姝蓉

力學(xué)三大主角

還記得高中物理課堂上，驗(yàn)證牛頓第二定律、探究彈力和彈簧伸長量之間的關(guān)系、探究平拋運(yùn)動等力學(xué)的初探實(shí)驗(yàn)，為我們開啟了神奇的力學(xué)大門。其實(shí)，高中物理的力學(xué)還停留在對簡單變量的研究，而大學(xué)力學(xué)專業(yè)研究的則是多變量甚至無數(shù)個(gè)變量的更為貼近實(shí)際的力學(xué)模型了。廢棄的大樓如何實(shí)現(xiàn)定向、定點(diǎn)爆破？如何設(shè)計(jì)出質(zhì)地輕薄但是強(qiáng)度符合安全系數(shù)的車用板材？這樣的疑惑就是大學(xué)本科力學(xué)專業(yè)研究的問題了。

力學(xué)是一個(gè)大家族，有靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)等“小伙伴”。其中靜力學(xué)研究力的平衡或者說物體的靜止問題，高中常做的力學(xué)分析多和它有關(guān)。運(yùn)動學(xué)研究物體怎樣運(yùn)動，卻把討論運(yùn)動與力的關(guān)系留給了動力學(xué)。

而運(yùn)動物體的形態(tài)又可以分為固體、氣體和流體，由此可衍生出各個(gè)特定的研究方向。比如研究汽車行駛時(shí)，空氣流經(jīng)汽車時(shí)的流動規(guī)律及其與汽車的相互作用，就涉及流體力學(xué)的分支——空氣動力學(xué)。本科階段的力學(xué)專業(yè)沒有細(xì)分固體、氣體、流體等研究方向，除了中國科技大學(xué)的中國近代力學(xué)系主要以理論研究為基礎(chǔ)，其他高校的力學(xué)專業(yè)多注重實(shí)踐性，統(tǒng)稱“工程力學(xué)”。但即使同為工程力學(xué)專業(yè)，各學(xué)校的偏向也會有一些不同。我們學(xué)校將其設(shè)在土木學(xué)院下，有一點(diǎn)土木工程專業(yè)的特色，比如會去參觀鋼結(jié)構(gòu)廠房、長江大橋工地、混凝土及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)研究室等等。而南京航空航天大學(xué)將其設(shè)在航空宇航學(xué)院下，并特設(shè)了本碩（博）連讀的 “錢偉長實(shí)驗(yàn)班”，本科階段會增設(shè)一些空氣動力學(xué)的課程。

簡言之，無論研究側(cè)重在哪兒，物體、力和運(yùn)動都是力學(xué)的三大主角。

力學(xué)專業(yè)主要課程

力學(xué)專業(yè)的主要課程有理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、振動力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識及程序設(shè)計(jì)、CAD制圖等。所有含“力學(xué)”二字的科目幾乎都與力學(xué)專業(yè)相關(guān)。本科階段雖然會接觸到很多力學(xué)課程，但是都不會特別深入，如果對力學(xué)特別感興趣的話，進(jìn)一步深造是不錯(cuò)的選擇。

你可能會注意到，這其中有一門特別的計(jì)算機(jī)課程，也許會感到奇怪，為什么要學(xué)程序設(shè)計(jì)呢？其實(shí)不只是力學(xué)，可以說所有基礎(chǔ)性學(xué)科專業(yè)，一旦涉及復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用問題，單純靠人用筆演算、推導(dǎo)開展研究，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到生產(chǎn)、生活的要求，也無法模擬出一個(gè)高度吻合的模型。比如，研究乒乓球與球拍接觸瞬間的受力狀況，在高中物理中我們可以將乒乓球看成質(zhì)點(diǎn)，但實(shí)際作用時(shí)情況就復(fù)雜多了，乒乓球自身也有微小的形變，重心發(fā)生變化，它與球拍接觸的是一個(gè)微小的面，而不是點(diǎn)。通過ANSYS和ABAQUS這兩個(gè)常用力學(xué)分析軟件，加以個(gè)性化的編程，能幫助我們還原復(fù)雜的力學(xué)模型，并借助計(jì)算機(jī)的運(yùn)算迅速得到分析結(jié)果。

力學(xué)專業(yè)主要實(shí)踐

力學(xué)專業(yè)的主要實(shí)踐環(huán)節(jié)包括金屬加工工藝實(shí)習(xí)，電工、電子實(shí)習(xí)，課程設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)等。其余的各類實(shí)習(xí)呢，抑或是在炎炎夏日對學(xué)校的某個(gè)建筑物進(jìn)行測繪測量，又或是在大型廠房內(nèi)研究房屋模型的抗震性能等等。當(dāng)然，各個(gè)高校不盡相同。

除了各類實(shí)習(xí)外，力學(xué)專業(yè)的另一類實(shí)踐就是一些競賽了。印象最深刻的是大三時(shí)參加的第一屆全國大學(xué)生基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)競賽。通過筆試幸運(yùn)入圍后，在老師的帶領(lǐng)下，我們從暑假就開始著手準(zhǔn)備。比賽的主題是通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證已知鑄鐵材料的抗壓能力、抗拉能力、抗扭能力等力學(xué)屬性。在醫(yī)療和航空等諸多領(lǐng)域，我們需要既有強(qiáng)度又有韌度的高質(zhì)量金屬材料，研究、探索新型金屬材料，尤其是復(fù)合材料的力學(xué)屬性，也屬于力學(xué)專業(yè)的應(yīng)用范疇。

比賽具體環(huán)節(jié)是在一個(gè)鑄鐵試件上確定測量點(diǎn)，貼上跟指甲蓋差不多大的應(yīng)變片，對試件施加力矩和力的組合，再根據(jù)應(yīng)變片的變形大小來反推鑄鐵材料的力學(xué)屬性。應(yīng)變片是什么呢？是一種很薄但是反應(yīng)靈敏的材料，會隨著所測物體的形變而形變。我們要用502膠水將應(yīng)變片粘貼到準(zhǔn)確的部位，然后將它發(fā)絲般粗細(xì)的兩個(gè)焊腳焊接到專門記錄其形變的儀器上，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)對動手能力要求很高。記得當(dāng)時(shí)老師拿了一疊應(yīng)變片進(jìn)來，說：“這一片的價(jià)格是5元，現(xiàn)在免費(fèi)給你們練習(xí)，你們可要珍惜哦?！笔聦?shí)上，為期兩周的準(zhǔn)備，我們每人幾乎每天都要用掉幾十片應(yīng)變片，手指上沾滿了502膠水，身上還散發(fā)著焊接應(yīng)變片留下的獨(dú)特氣味。功夫不負(fù)有心人，加上主場作戰(zhàn)的優(yōu)勢，我們?nèi)〉昧藘?yōu)異的成績，這也是我第一次深刻體會到實(shí)踐帶來的快樂。

力學(xué)專業(yè)畢業(yè)生主要做什么

相信這是大家最關(guān)心的問題了。因?yàn)槲覀儗W(xué)校的工程力學(xué)專業(yè)具有土木工程專業(yè)的特色，從往屆以及我們班的就業(yè)情況來看，去設(shè)計(jì)院、房地產(chǎn)公司、建筑工程公司以及繼續(xù)深造是主要途徑。

如果你喜歡與電腦打交道，比較擅長CAD制圖軟件，可以立志成為一名結(jié)構(gòu)工程師。每年有幾十萬人擠破了腦袋參加國家注冊結(jié)構(gòu)師考試，薄薄一張證代表你在這個(gè)領(lǐng)域的權(quán)威性，具有相當(dāng)高的含金量。如果你更愿意去工地等現(xiàn)場，喜歡全國各地跑項(xiàng)目出差的話，土建工程師也是相當(dāng)有前景的。比如軌道施工開展復(fù)雜的地下作業(yè)，保證施工現(xiàn)場整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就需要力學(xué)人才出馬，科學(xué)分析現(xiàn)場地質(zhì)、受力情況，通過嚴(yán)密推算，制訂一份合理安全的施工方案。

也許你不太理解這兩者的區(qū)別，打個(gè)比方：建央視大樓，結(jié)構(gòu)工程師考慮的是這座大樓要立起來站得穩(wěn)，需要用什么樣的結(jié)構(gòu)形式、用多大的梁柱、用什么樣的鋼材、各部位如何連接，著重設(shè)計(jì);土建工程師考慮的是如何準(zhǔn)備設(shè)備和材料、如何安排人工、如何控制施工質(zhì)量和進(jìn)度，著重施工。

除了建筑行業(yè)，在汽車制造、航空航天、船舶、石油等行業(yè)，力學(xué)人才都能“分一杯羹”，比如從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品模型的性能測試等等。假如你覺得本科學(xué)到的知識還不過癮，希望接觸到力學(xué)研究的最新前沿，考研考博甚至出國留學(xué)是最適合你的，研究方向多為上文所提到的固體力學(xué)、氣體力學(xué)、流體力學(xué)等。

力學(xué)在眾多行業(yè)中都扮演著重要的角色，如果你數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)不錯(cuò)，又是個(gè)比較耐心、細(xì)心、富有好奇心和研究精神的人，那么力學(xué)專業(yè)應(yīng)該算是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。