走近力學之道

推薦單位：中國力學學會

轉化作者：魯妮

2019年8月7—8日，第十二屆全國周培源大學生力學競賽“理論設計與操作”團體賽在清華大學舉行。本屆競賽由教育部高等學校力學基礎課程教學指導委員會、中國力學學會、周培源基金會主辦，《力學與實踐》編委會、清華大學承辦，來自北京大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學等共計48所高校的45支隊伍參加比賽。經過兩天三場比賽的激烈角逐，南京航空航天大學榮獲團體特等獎，哈爾濱工業(yè)大學（威海）和北京航空航天大學榮獲團體一等獎。本次競賽還首次創(chuàng)立了單項冠軍獎，獎勵在單場比賽中得分最高的代表隊，“自停滾輪”“壓扭結構”“記里指南車”三項的單項冠軍分別由江蘇科技大學、哈爾濱工業(yè)大學（威海）、四川大學獲得。

力學聽起來似乎離我們很遠，如果不是力學專業(yè)的人，也許就在初、高中系統(tǒng)地接觸過力學的學習，但實際上在我們的生活中，力學的身影幾乎無處不在。火車迎面開過來時為什么不能離得太近？小鳥也會變成摧毀飛機的“炮彈”？撈面條時，為什么剩下的最后幾根最難撈走？向兩張立著的A4紙中間吹氣，為什么兩張紙反而會相互靠近？貓從高處摔落下來，為什么每次都是四肢著地，不會摔死？為什么雞蛋可以穿過比自身小一些的瓶口，落入瓶中？這些問題都和力學相關，力學就在我們身邊。是不是感覺力學很神秘、很有趣呢？一起走近力學，揭開力學的神秘面紗吧。

力學是一門獨立的基礎學科，是有關力、運動和介質（固體、液體、氣體和等離子體），宏、細、微觀力學性質的學科，研究以機械運動為主，及其同物理、化學、生物運動耦合的現(xiàn)象。我們通常理解的力學一般以宏觀對象為主，有時也涉及微觀層次，例如原子及其內部的運動等等。上述生活中有趣的力學現(xiàn)象涉及的都是宏觀對象，運動形式也大都為機械運動。機械運動是物質運動最基本的形式，除此之外，物質還有熱運動、電磁運動等。

在力學發(fā)展的歷史上，有幾位著名的科學家推動了力學研究的發(fā)展，一步步揭開了力學的神秘面紗。阿基米德測量皇冠是否為純金制成的故事也許大家都不陌生，他利用物體在水中受到浮力，排開水的體積大小不同確定皇冠摻了假，并對浮力作了系統(tǒng)的研究。此外，他還提出了杠桿、物體重心位置等的基本規(guī)律，初步奠定了靜力學的基礎。伽利略被稱為“現(xiàn)代物理學之父”，他不僅用觀測的方式論證了日心說，在力學方面也作出了突出貢獻，他第一次提出了慣性概念、對自由落體運動作了細致的觀察。牛頓被蘋果砸到發(fā)現(xiàn)了萬有引力的故事也深入人心，他提出物體運動三定律，奠定了經典力學的基礎。愛因斯坦則創(chuàng)立了相對論，對經典力學的諸多問題進行了完善，開啟了物理學的新紀元。

隨著力學領域研究的深入以及各項技術的發(fā)展，力學這一基礎學科在工程學中被廣泛應用。力學并不是一個純粹的基礎學科，它兼具基礎學科和工程應用兩個屬性。力學是許多工程學的基礎，機械、建筑、航天器、船艦、潛艇、核能發(fā)電、高鐵等的設計都必須以力學為基本依據(jù)，在許多國家重點發(fā)展項目上也需要力學的支持。例如，壯觀的港珠澳大橋，能抗16級臺風、8級地震，使用壽命長達120年，它的橋梁鋼結構設計就囊括了結構力學知識以及材料力學要求的混凝土抗壓、抗沖擊強度。在土木、水利、精密儀器、熱能工程等方面也有很多人在大量地使用力學知識。此外，還發(fā)展出了生物材料的力學、重大疾病的力學等新的研究方向，致力于服務國家各方面的重大需求。

力學對國家的發(fā)展、對社會的發(fā)展如此重要，和我們的生活也息息相關。回到一開始提出的生活中有趣的力學問題，小鳥變成撞落飛機的“炮彈”，是因為運動是相對的，飛機的飛行速度很快，鳥就算停在空中不動，但相對飛機來說，鳥的速度也是非?？斓?。飛機飛得越快，被鳥撞擊的力量就越大。在國內外，都曾發(fā)生過飛機被鳥撞擊的意外事件。而火車快速開過來時人可能會被卷向火車，雞蛋進入瓶口小的瓶子里面，對紙吹氣兩張紙卻靠得更近，這都是氣壓差造成的，“空氣將人推向火車、空氣將雞蛋壓入瓶中、空氣讓兩張紙靠近彼此”。其實，力學中還有很多有趣的東西……

力學的趣味性在第十二屆全國周培源大學生力學競賽團體賽的比賽現(xiàn)場就有所體現(xiàn)，一個個有趣的力學實驗令人大開眼界。一個能在斜面上自動停止?jié)L動的圓圓滾輪，一個在上面放置一定重量的物體時會發(fā)生水平面內的旋轉的神奇結構，一個既可以指南又可以計算行駛里程的小車……這些都是應用什么樣的力學知識實現(xiàn)的呢？

讓我們跟隨周培源大學生力學競賽的主辦方、本屆競賽的承辦方、歷屆獲獎選手的杰出代表、本屆大賽的命題老師以及本屆大賽的獲獎團隊的腳步，一起走近全國周培源大學生力學競賽，了解力學競賽的前世今生，揭開本屆競賽中三個力學實驗的神秘面紗，認識力學學習的要點和關鍵，領略力學的美妙與樂趣吧。