走近力学之道

推荐单位：中国力学学会

转化作者：鲁妮

2019年8月7—8日，第十二届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛在清华大学举行。本届竞赛由教育部高等学校力学基础课程教学指导委员会、中国力学学会、周培源基金会主办，《力学与实践》编委会、清华大学承办，来自北京大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等共计48所高校的45支队伍参加比赛。经过两天三场比赛的激烈角逐，南京航空航天大学荣获团体特等奖，哈尔滨工业大学（威海）和北京航空航天大学荣获团体一等奖。本次竞赛还首次创立了单项冠军奖，奖励在单场比赛中得分最高的代表队，“自停滚轮”“压扭结构”“记里指南车”三项的单项冠军分别由江苏科技大学、哈尔滨工业大学（威海）、四川大学获得。

力学听起来似乎离我们很远，如果不是力学专业的人，也许就在初、高中系统地接触过力学的学习，但实际上在我们的生活中，力学的身影几乎无处不在。火车迎面开过来时为什么不能离得太近？小鸟也会变成摧毁飞机的“炮弹”？捞面条时，为什么剩下的最后几根最难捞走？向两张立着的A4纸中间吹气，为什么两张纸反而会相互靠近？猫从高处摔落下来，为什么每次都是四肢着地，不会摔死？为什么鸡蛋可以穿过比自身小一些的瓶口，落入瓶中？这些问题都和力学相关，力学就在我们身边。是不是感觉力学很神秘、很有趣呢？一起走近力学，揭开力学的神秘面纱吧。

力学是一门独立的基础学科，是有关力、运动和介质（固体、液体、气体和等离子体），宏、细、微观力学性质的学科，研究以机械运动为主，及其同物理、化学、生物运动耦合的现象。我们通常理解的力学一般以宏观对象为主，有时也涉及微观层次，例如原子及其内部的运动等等。上述生活中有趣的力学现象涉及的都是宏观对象，运动形式也大都为机械运动。机械运动是物质运动最基本的形式，除此之外，物质还有热运动、电磁运动等。

在力学发展的历史上，有几位著名的科学家推动了力学研究的发展，一步步揭开了力学的神秘面纱。阿基米德测量皇冠是否为纯金制成的故事也许大家都不陌生，他利用物体在水中受到浮力，排开水的体积大小不同确定皇冠掺了假，并对浮力作了系统的研究。此外，他还提出了杠杆、物体重心位置等的基本规律，初步奠定了静力学的基础。伽利略被称为“现代物理学之父”，他不仅用观测的方式论证了日心说，在力学方面也作出了突出贡献，他第一次提出了惯性概念、对自由落体运动作了细致的观察。牛顿被苹果砸到发现了万有引力的故事也深入人心，他提出物体运动三定律，奠定了经典力学的基础。爱因斯坦则创立了相对论，对经典力学的诸多问题进行了完善，开启了物理学的新纪元。

随着力学领域研究的深入以及各项技术的发展，力学这一基础学科在工程学中被广泛应用。力学并不是一个纯粹的基础学科，它兼具基础学科和工程应用两个属性。力学是许多工程学的基础，机械、建筑、航天器、船舰、潜艇、核能发电、高铁等的设计都必须以力学为基本依据，在许多国家重点发展项目上也需要力学的支持。例如，壮观的港珠澳大桥，能抗16级台风、8级地震，使用寿命长达120年，它的桥梁钢结构设计就囊括了结构力学知识以及材料力学要求的混凝土抗压、抗冲击强度。在土木、水利、精密仪器、热能工程等方面也有很多人在大量地使用力学知识。此外，還发展出了生物材料的力学、重大疾病的力学等新的研究方向，致力于服务国家各方面的重大需求。

力学对国家的发展、对社会的发展如此重要，和我们的生活也息息相关。回到一开始提出的生活中有趣的力学问题，小鸟变成撞落飞机的“炮弹”，是因为运动是相对的，飞机的飞行速度很快，鸟就算停在空中不动，但相对飞机来说，鸟的速度也是非常快的。飞机飞得越快，被鸟撞击的力量就越大。在国内外，都曾发生过飞机被鸟撞击的意外事件。而火车快速开过来时人可能会被卷向火车，鸡蛋进入瓶口小的瓶子里面，对纸吹气两张纸却靠得更近，这都是气压差造成的，“空气将人推向火车、空气将鸡蛋压入瓶中、空气让两张纸靠近彼此”。其实，力学中还有很多有趣的东西……

力学的趣味性在第十二届全国周培源大学生力学竞赛团体赛的比赛现场就有所体现，一个个有趣的力学实验令人大开眼界。一个能在斜面上自动停止滚动的圆圆滚轮，一个在上面放置一定重量的物体时会发生水平面内的旋转的神奇结构，一个既可以指南又可以计算行驶里程的小车……这些都是应用什么样的力学知识实现的呢？

让我们跟随周培源大学生力学竞赛的主办方、本届竞赛的承办方、历届获奖选手的杰出代表、本届大赛的命题老师以及本届大赛的获奖团队的脚步，一起走近全国周培源大学生力学竞赛，了解力学竞赛的前世今生，揭开本届竞赛中三个力学实验的神秘面纱，认识力学学习的要点和关键，领略力学的美妙与乐趣吧。