趣味力學通識選修課初探

[摘 要] 為了讓更多的學生了解生活和工程中的一些力學現象，感受力學的精妙，科普力學知識，開設了趣味力學通識選修課。以理論聯系實際的方法，通過選用大量有趣的力學現象，介紹了涉及理論力學、材料力學、流體力學和振動力學相關的知識點，從而開闊了學生視野，增強了學生對力學課程的興趣和對自然科學的探索精神。

[關鍵詞] 趣味力學;選修課;教學研究

[基金項目] 該論文是燕山大學教改項目資助（TSQ2019002）

[作者簡介] 余為，燕山大學建筑工程與力學學院工程力學系教師。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）19-0335-02? ? [收稿日期] 2019-08-23

力學是一門古老的自然科學，它既是一門基礎學科，也是一門應用廣泛的技術學科，在機械、能源、交通、材料、建筑、環境、航空、航天、海洋、生物醫學等領域均有廣泛的應用，深入到了人們現代生活的方方面面，所以有必要開設一門內容豐富的力學類通識選修課，讓學生們了解一些力學現象，掌握一些力學知識[1-3]。趣味力學全校通識選修課，從生活和工程中的一些有趣的力學現象說起，深入淺出地分析和講解與之相關的力學知識、背景及應用，既有科普的定性分析，也有實際問題的定量計算。通過開設趣味力學選修課，文科生及社會科學學生可以通過了解身邊的力學現象和力學在工程中的應用，學習一些有關力學的生活常識，開闊視野，感受力學之精妙;理工科學生可以更全面的了解力學系列課程及其應用，增強對力學思維方式和力學模型的理解，增強對自然科學的興趣和探索精神。

一、課程內容

趣味力學選修課的主要內容分為以下幾部分：平衡之美、運動之魂、材料之心、流體之靈、振動之聲，涵蓋了理論力學、材料力學、彈性力學、流體力學和振動力學等一系列力學課程，其內容豐富，涉及面較廣。課程中選取了很多生活和工程中有趣的力學現象，一部分內容來自作者個人多年的觀察和收集，另一大部分內容則來自相關的力學類科普書籍和文獻。

1.平衡之美。平衡是最常見的自然界現象，也是力學學科里的一個非常重要的知識點。本章主要內容是：自然界的平衡石奇觀[4]，疊石藝術，輸電線的平衡，直尺掛釘錘試驗，平衡鳥玩具及體育項目中的平衡等內容，講述了穩定平衡、非穩定平衡、重心、二力平衡和三力平衡匯交等知識點;塔吊的平衡、不倒翁、小雁塔、比薩斜塔和船舶的平衡，進一步介紹力矩的概念和相關的平衡;“野渡無人舟自橫”一節介紹小船在河流中的穩定平衡[5]。

2.運動之魂。關于運動的實際問題和現象也非常多。本章主要內容包括：參考體和參考系，分析了“坐地日行八萬里”“動即不動”的哲學思想，介紹了國內外的多個“怪坡”，解釋了其真實情況和造成錯覺的原因[6];剛體的簡單運動分析了游樂場中的摩天輪、海盜船和旋轉咖啡杯的運動，分析各個位置的速度對人體感受的影響;質點的圓周運動方面，介紹火車轉彎時的速度與鐵軌內外軌高差的關系[6]，汽車轉彎、自行車和滑冰轉彎的側傾;神奇的科氏加速度，介紹了臺風氣旋[4，7]、河流右岸沖刷等內容;日歷、二十四節氣與星座，則主要介紹了地球繞太陽的運動、農歷閏月和動量矩守恒等相關知識;走鋼絲、滑冰和跳水的旋轉、直升機尾翼和四旋翼無人機，介紹了動量矩及其守恒[8，9];從指尖陀螺玩具，介紹了軸承動反力的內容;“流浪地球”之行星發動機、引力彈弓、噴射推進、衛星調整姿態和槍械的后坐力，介紹了動量定理及守恒[1]。

3.材料之心。材料力學知識是工科學科的基礎知識，內容非常重要，涉及面非常廣。本章主要內容是：從劈木材和切牛肉開始，介紹了材料的性質，應力和應變的概念;掰蘋果和砍樹，介紹了應力集中的應用和防止;從竹子談起和圓木中截取木梁[ 10 ]，介紹了桿件受扭、受彎曲時的內力、應力和變形，空心結構的優點和應用，等強度梁的概念，提高彎曲強度的措施等內容;土豆內傷現象，介紹了接觸理論，進一步介紹了壓路機和搟面條方面的應用;懸掛單杠比賽，介紹了彈性和黏彈性材料，應力松弛和蠕變的概念。

4.流體之靈。流體力學是力學的一個重要的分支學科，其涵蓋的內容非常廣泛，在現代生活和工程中均有很多的例子[4，5]。本章主要介紹了以下內容：流體的流動性，介紹了高樓水箱減振;水上漂功夫，介紹了牛頓流體和非牛頓流體及其應用;秋荷一滴露，介紹了浸潤和不浸潤的概念，生活中的相關現象和毛細現象及其計算;測量血壓與輸液瓶高度，介紹了絕對壓強和相對壓強及其測量;撈面條的學問，講解了二次流的知識，并介紹了河流彎曲的原因及都江堰工程的飛沙堰原理;伯努利方程及其應用，介紹了流線型、虹吸管、馬格努斯效應、船吸現象和洗衣機翻兜等例子;結合流體力學的連續性方程，進一步介紹了錢塘江大潮的成因、離岸流、飛機升力、飛機襟翼和翼尖小翼、大雁人字形飛行等現象及其原理;皮托管及原理，介紹了皮托管和空速管的應用;圓柱繞流，介紹了隔著圓柱吹蠟燭、卡門渦街、高爾夫球麻臉外形等的原理;從水龍頭的振動，介紹了水擊現象，分析了徒手擊碎裝水啤酒瓶的原理。

5.振動之聲。碰撞和振動也是生活中常見的力學現象[6]。本章的主要內容是：直桿敲擊控制所受反力，介紹了撞擊中心的概念;從胸口碎大石說起，介紹了碰撞的恢復系數，兩物體正碰撞的計算公式，胸口碎大石和打樁的原理;隔山打牛一節，介紹了反射斷裂和定向爆破，以及沖擊防護的知識和常見方法，進一步分析了啄木鳥為啥不得腦震蕩的原因;共振和減振，介紹了高樓減振、次聲波及Tacoma大橋的破壞原理;其他趣味振動現象，介紹了鞭梢效應，夜半鐘聲到客船、天壇回音壁的原理及撲翼和振翅等內容。

二、課堂教學和考核方式

課程采用多媒體教學，通過理論教學、現場演示，學生參與的方式進行課堂教學。教學課件中給出了大量的圖片和視頻，可以更清晰、全面和直觀地觀察現象，理解其原理。現場演示則將現象表現得更為真實，比如，平衡鳥的平衡，巧立易拉罐，同心環，毛細現象，虹吸管等可以選擇現場演示。學生參與則有利于調動學生的思考和積極性，比如，指尖陀螺，非牛頓流體，區別生、熟雞蛋，隔著圓柱吹蠟燭，撞擊中心等可讓學生現場參與。通過這樣的方式，將有利于提高課堂的教學效果。

課程的考核方式分為兩部分：學生課上表現作為平時成績占40%，如果有對課程特別感興趣的學生，在最后一次課時，可安排他們在課上講解自己做的PPT，這樣的學生平時成績給優等;第二部分，則是結課后的報告或PPT占60%。

三、結語

趣味力學通識選修課，是面向全校所有專業學生的一門科普類選修課，旨在科普力學知識。通過選修該門課程，讓學生了解一些生活和工程中的力學現象，掌握一些基本的力學知識和思維方式，開闊視野，增強對自然科學的興趣和探索精神，無論是文科生還是理工科學生，都將對他們以后的學習、生活和工作提供一定的思想啟發和幫助。

參考文獻

[1]丁光宏.力學與現代生活[M].上海：復旦大學出版社，2000.

[2]薛明德.力學與工程技術的進步[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]蘆保國.力學與工程選修課開設初探[J].山西建筑，2014，40（30）：260-261.

[4]王振東.趣話流體力學[M].北京：高等教育出版社，2016.

[5]王振東.詩情畫意談力學[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6][俄]別萊利曼.趣味力學[M].符其珣，譯.北京：中國青年出版社，1956.

[7]劉式達，李滇林.談風說雨——大氣垂直運動的力學[M].北京：高等教育出版社，2013.

[8]賈書惠.漫話動力學[M].北京：高等教育出版社，2010.

[9]劉延柱.趣味剛體動力學（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2018.

[10]董天立，韓增盛.力學中的黃金分割率[J].力學與實踐，2008，30（5）：112-113.

A Preliminary Study on the General Knowledge Elective Course of Interesting Mechanics

YU Wei

（Department of Engineering Mechanics， School of Architectural Engineering and Mechanics， Yanshan University， Qinhuangdao， Hebei 066004， China）

Abstract：In order to make more students understand some mechanical phenomena in life and engineering， feel the subtlety of mechanics and popularize the knowledge of science mechanics， an elective course in Interesting Mechanics has been set up. By combining theory with practice and selecting a large number of interesting mechanical phenomena， this paper introduces the knowledge points related to theoretical mechanics， material mechanics， fluid mechanics and vibration dynamics， which broadens the students' field of vision， enhances students' interest in mechanics courses and the exploring spirit of natural science.

Key words：Interesting Mechanics; elective course; teaching research