搜索
华北水利水电大学1力学与生活谈到力学，有些人可能会问什么是力学？大家或许会说，力学是物理，为什么呢？因为我们中学里面，学物理的第一章就是力学。那进入大学以后，大家可能有点困惑，有的学校已经有了物理系，为什么还有力学系？经过两年的力学学习，尤其是在张多新老师的谆谆教导下，我们发现力学不仅仅是物理、是研究物质机械运动规律的科学，我们知道力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验，人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识，所以力学还与我们的日常生活息息相关。那么，在了解力学之前，我们先来看看生活当中我们经常见到，但不一定知道其与力学有关的一些例子。平时你有没有在我们的身边发现如此现象1.自行车，踏板做成凹凸不平2.坐车时,如果突然刹车,身体会向前倾斜3.帆船既可以顺风而行，也可以逆风而行4.拿起杯子静止在空中,然后松手,杯子会下落5.我们的刀刃做的很薄以上问题都比较简单，如果你细心留意，你会发现更多有意思的事。下面让我们一块看看我们的上边发生的一些事情。1986年1月28号，美国挑战者号航天飞机升空，仅仅1分12秒就爆炸了，当时说是未知原因，但是后来经过美国太空总署的调查，发现，导致这起几十亿美金的航天飞机的坠毁和7名宇航员的遇难的华北水利水电大学2原因是一个小小的橡皮圈，而这橡皮圈的失效就是它力学性能的失效。因为在研制这个橡皮圈的时候，没有考虑到温度对材料的力学特性的影响，从而导致了这场灾难。此外，1998年的2月16日，台湾华航676号航班从印尼的巴厘岛飞往台北，在离台北桃园机场20公里处突然坠毁，机上186人全部遇难。后来调查发现，纯属人为操作意外。大家会觉得很奇怪，我们现在可以把人送上月亮，还可以把他接回来，那么我们为什么对这个简简单单的飞机还会发现操作意外呢？这个最主要的原因就是飞机的飞行的力学特性决定了飞机在起飞和和降落的时候，最容易出事。那么什么原因，我们后面再看。空难或许大家可以理解，但是，发生在我们身边的在地面上的许许多多的因为工程设计的缺陷，或者说我们在设计当中，对力学的特性了解不够，或者对力学的性能了解不够，而产生的一系列灾难，往往是不可饶恕的。1940年，美国西海岸华盛顿州，建成了当时位居世界第三的塔库马大桥，是一个悬锁桥，当时这个桥梁的设计师是为了设计可以抗每秒60米的风速的大桥，然而非常不幸，桥造好刚刚四个月，就在每秒19米的小风的吹拂下，倒塌掉了，当时风速稍微比微风大一点点，但是那个桥抖动的幅度，已经两到三米了，然后就导致了灾难的发生。大家觉得很不可思议，这么小的风就把一座大桥吹倒掉了，什么原因？当时40年代不知道什么原因，那么这个原因最后在80年代的时候被解答了，待会我会告诉大家是什么原因。华北水利水电大学31998年6月3日让德国人非常骄傲的德国的快速列车突然出轨，造成102人的死亡，88人的重伤惨剧。事故发生的当天，德国政府就宣布，所有德国行驶的高速列车一律降速，降到每小时60公里以下，那么，为什么会造成这个事故呢？事后的调查发现是在车轮上面的一个卡箍，就是防止车轮跑出来的一个非常小的部件，因为长期的运作，产生了力学当中叫做疲劳断裂的情况，最后火车在穿过高速公路的桥梁时，那个断掉的卡箍碰到桥梁旁边的部件，产生了一个侧向力让火车出轨。然后火车出轨的时候，刚好就像一个刀子一样，切断了高速公路的桥墩，高速公路整个压在列车的车厢上面了，所以才导致悲剧的发生。所以现在大家乘火车的时候，会看到火车进站以后，工人师傅会拿着榔头去敲火车，就是为了防止这种事情再发生。那么还有不幸的。1982年的7月17日，美国堪萨斯州的凯悦大酒店舞厅里面，歌舞升平，人们翩翩起舞，但是，不幸的灾难突然发生，舞厅上面的顶棚突然断裂，造成113人当场砸死，200多人重伤。后来发现是是建筑师为了大厅的开阔没有按照力学家或者说力学工程师给他的建议在大厅里面多装几个柱子，把柱子给拔了，导致上面的天花板弯曲过度产生断裂。这是一个典型的力学的事故。那么大家会这样想，为什么会发生这些呢？这就是我们力学要回答的，换句话说也仅仅有力学能够回答，别的学科是没有办法回答的。当然，力学给我们的生活带来了许多的便利，就拿空气动力学来说，它使得我们能够乘坐飞机到美国、欧洲、日本，变得非常的便利快捷。有些非专业人事或许会说这些飞机是靠空气把它托上天的，显然它是华北水利水电大学4在空气当中飞行的，但是，我们稍微有一点力学知识就知道，它明显不是靠浮力上去的，浮力上去的不是飞机，是飞艇。但是，空气又是怎么把它托上天的呢，空气动力学一个最简单的原理可以告诉我们。在空气动力学里面，有一个伯努利定理（Ｐ＋１／２ρu２＋ρgh＝Ｃ（常量）），它告诉我们，如果在一个流场当中，它的压力和流速的平方加起来，再乘上空气的密度，空气的密度就会等于一个常数，也就是说在一个流场当中，如果一点速度比较快的话，那么这一点的压力就比较低。这对我们夏天游泳的时候也非常有好处，也就是越快的地方它压力越低。用这样的原理，我们可以设计出一个机翼，我们让飞机机翼的上半面拱起来，当空气流过飞机机翼上半面的时候，它走的路程就比较多，上面流动的速度就比较快，而下半面相对比较平，流动的速度相对来说就比较慢。这样的话就会在上表面产生较低的压力，而在下表面产生一个较高的压力，这样一个压力的合力，会产生升力，就是这样的升力把飞机给举起来。因此大家可以看到，飞机如果要飞起来的话，它必须要有一个条件就是控制空气从它的机翼上面流过，也就是说它必须有助跑，然后再飞，这就是最简单的原理。古人云，水能载舟亦能覆舟，同样的，空气能把飞机举起来，也能让飞机栽下来。而且，非常容易地让它栽下来。当飞机的机翼当中的连线和水平线的夹角即飞机的攻角，随着攻角的增加，升力也在不断地增加，但是这种增加，并不是永远这样下去的，当攻角达到一定的角度以后，比如达到22.5度的时候，后面的流场发生紊乱，这时候，机翼上面的升力不但不会增加，反而会降低，而且会降得很快，这就是华北水利水电大学5大家熟知的叫做飞机的失速点。如果在操作飞机当中不当心的话就会导致灾难，1998年的华航事件就是这么一个典型的事件。我们知道，飞机在降落的时候，它为了保持足够的升力，往往都是把头翘起来，这是为了使得飞机尽量大地获得升力，因为飞机降落的时候，它的速度要尽量慢，太快的话一个是对地面的冲击很大；第二个是因为跑道如果很长，那么危险因素也增加了，所以，尽量要慢，但是慢的过程中，不要让飞机掉下来，所以它都是昂着头降下来的。那么，华航676次航班的时候也是这样，当时飞机在进入机场的时候，飞机必须也是这样降落。在飞机降落的时候要做到两点，一是对准跑道，现在因为技术很高，无线电技术很高，控制技术很高明，所以基本上可以做到自动地降落，甚至于驾驶员不用看跑道，用盲降技术下来，这都没问题的；另外，还要对准高度。我们可以想象如果在飞机进入机场的时候，飞得特别高，它要保持一个速度，这时飞机平行线跑到外面去了，飞机就不能安全降落。这种事情会经常发生，但是不要紧，如果当驾驶员发现跑道不能降落，重新拉起机头，再转回去再重新降落，这也是很正常的，不会产生任何的危险。但是，因为空客300当时是世界上最先进的或者是自动化程度最高的民航化客机，当时进入桃园机场的时候，飞机是按照自动驾驶在降落，当塔台发现这个飞机的高度太高，告诉它高度不对不能降落时，飞机已经是处于一种大攻角的降落状态，因为飞机处于自动驾驶阶段，驾驶员没有意识到飞机已经处于非常大的攻角，就抬升攻角的装置，这一拉，飞机就在原来的攻角上面又增加，进入失速点，所以飞机当场就坠毁在桃园机场，这华北水利水电大学6就是一起典型的人为操作的灾难。当然力学还给我们带来很多好处，首先力学现在应用最广的领域就是航天工程领域，比如说我们能够非常容易地进行手机，或者说进行通讯交换，这些都归功于航天工程；我们的哈勃望远镜可以看到宇宙的很深的地方，这也归功于航天工程。航天工程就是以力学为基础，如果没有力学的话就没有航天工程。同时另外一个方面，力学也给我们的环境带来非常大的影响。我想大家可能会知道，比如就拿郑州来说，有的时候我们会感到空气非常清新，大家心情也比较舒畅，但有的时候就会感到空气非常郁闷、非常地脏。按照一个城市来说，它每天向空气中排出来污染物的量，应该基本上是个常数，那么我们的人为什么会感觉到有时空气质量是优，有时是轻度的污染，甚至重度污染？这最主要的原因就是污染物在空气当中的扩散。我们知道我们治理污染，就是让污染物出来以后，尽快地扩散掉，或者让它排到大气里面去，这样的话我们这个城市的空气还可以保持很新鲜。关于这个问题，力学家们发现在有的天气下烟囱排出来的污染，基本上随着空气带到远方去了，所以它对底下的城市不会构成很大的污染，但是，在另外一种天气下面，污染物基本上完完全全地停留在城市的当中，也就是被空气整个吸收掉了。我们本来造烟囱的原理就是希望把这个烟排得远一点，但是如果造得不好的话，或者天气不好的话这些污染物就会留在这里。同时也就是说，我们可以通过工厂的选址，通过我们排污口的设置，使得在华北水利水电大学7排污不变的情况下对环境的污染影响最小。就像新加坡整个城市的布局，都是经过数字模拟、经过力学家计算出来的。此外力学在生命领域、能源领域、自然科学等领域也起到了很大的作用。实际上，力学与我们每一个人都密切相关。让我们一块来看一下亚洲金融风暴，关于亚洲金融风暴的经济学理论有很多，也很复杂，但是我们可以用一个非常简单的力学模型把它解释掉，这个模型就是一个连通器。当今世界经济一体化了，每一个经济都是相互联系在一起，只不过美国的经济市场很大，它是一个大的连通器，泰国比较小一点，如果美国一个地方发生波动，通过我们中学学过水压机原理的，经过这个连通器原理以后，就会在泰国发生非常大的反应。因为这边如果下降1毫米，那边要涨出10米，所以说，美国的经济一变动以后，泰国经济危机就来了。大家可能会说，为什么中国可以逃过一劫呢？这跟我们的政策有关，现在我们国家是外汇管制，不让资金随便流动，增加资金流动的阻力，就减少了这次振荡。就用这么一个简单连通器的模型，就解释了亚洲金融风暴的过程，其实生活就是如此。最后把力学归纳一下。首先力学是自然学科中最早建立的完备科学体系的一门学科，也是自然学科中运用定量分析工具数学的最多的一门学科。另外，力学又是一门应用学科，它研究自然界普遍存在的机械运动规律，也就是什么地方有机械运动，什么地方就有我们力学，并且把这些运动的规律应用到改造自然的各种工程当中，也就是现在所有的大的工程，如土木工程、航天工程、水利工程等中都有我们的华北水利水电大学8力学。引用多新老师的一句话：“君子务本，本立而道生”，在我们生活最细微的地方都有我们力学的存在，那么力学这个“本”肯定会在很多地方造福我们，关键在于我们怎样去运用。