学力学所面临的挑战

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力学应该学成什么样？钱伟长先生说：“我没有专业，祖国的需要就是我的专业。”在我看来，这大概可以算是力学学习的理想境界：不是说我会什么我去做什么，而是说祖国需要什么我就会什么。最大化的实现个人价值！

这本质上也体现了力学的无边界特性。无边界并不是真正的没有边界，而是说信息、能量等可以在边界两侧自由的不受阻碍通过。力学的无边界性要求力学和机械、土木、航空航天等相关专业之间，可以相互交流，相互促进。

这包含两个方面的交流：一是将力学的基本方法和原理应用到机械、土木、航空航天等相关学科中（这里不区分学科与专业），推动其它学科的发展，体现的是力学“用”的方面；二是力学需要从机械、土木、航空航天等相关学科中吸取养分充实力学的理论体系，是力学“学”的方面。

所谓的力学鸡汤，就是侧重于力学“用”的方面，讲力学如何在相关学科中指点江山，立下汗马功劳，给人营造出一种“学力学课，闯理工科”的印象。结合钱伟长先生那句话，我确实认为力学有这样的魅力，但要让这种魅力在现实中发挥作用，唯有切实做到以“学”为本。不仅要扎实学好力学课，同时还要学习数学、物理、机械、土木相关学科中的优秀成果，弥补力学的不足，只有这样力学才能真正的发挥力学的效用。如果只向往力学“用”的壮志凌云，而忽视力学“学”的艰辛劳顿，学力学就很可能成为空中楼阁、镜花水月。

由于力学专业没有明确的行业背景，力学毕业生一般会被鼓励到机械、土木、航空航天等相关行业中就业。但是可以想见，每年机械、土木、航空航天等专业都有大量的毕业生毕业，力学专业培养的学生和他们相比有优势吗？

表1粗略的统计了力学与其他相关专业的课程设置。可以看出，大多数工科专业都开设了理论力学、材料力学，此外，像土木工程和航空航天工程还开设了弹性力学、有限元、流体力学等力学课程。实际上，还有一些课程虽然名称上不同，但在知识点上与力学课程有不少重合。

表1 力学专业和部分相关工科专业的课程设置情况对比

注：1. 数据来源于网络搜索各专业培养方案。2. 课程主要筛选了力学类和部分专业课程。

如机械工程专业核心课程《机械设计原理与方法》（参考：钟毅芳等，华中科技大学出版社）中，以强度、刚度校核为基础，这部分与材料力学的知识点重合。然后，通过介绍《极限与配合》标准，并详细介绍如何利用标准进行各类机构的设计。《工程机械液压与传动》（参考：李芳民人民交通出版社）中液压流体力学属于流体力学的内容，此外，介绍了泵、阀门、传动系统等。

再如土木工程专业核心课程《混凝土结构》（参考：蓝宗建，东南大学出版社），主要是对混凝土承载力的计算与分析，以及 (TJ10-74) 混凝土标号和 (GBJ0-89) 混凝土强度等级换算表两个规范的介绍。土木工程还可以分为房屋建筑、桥梁隧道、地下工程等多个方向，在这些不同的方向中，大多是以承载力、强度、刚度、结构为主要关注点，也就是说是力学为基础，再考虑相关工程规范。

我总感觉“力学+行业规范”就是这些行业背景清晰的专业所开设的核心专业课的共同特点。这种模式实际上说明了力学和工科行业之间的相互依存关系，它们的关系很像是“魂”与“体”的关系，谁也不能离开谁。假设，设计一座桥梁，如果没有力学分析，仅凭经验设计，那么这座桥建好后会不会塌？在什么条件下塌？那只能等建好桥以后，在使用中发生什么就是什么。但是依据力学分析，桥梁的高低胖瘦都可以准确设计，让设计、施工、运营管理有了生命。当然力学不与工程结合，就不能能判定那些理论正确与否？有没有用？

然而，对比力学和相关工程专业的教材，在相关工程专业的教材中经常能看到力学的知识点；但在力学的教材中，却很少涉及到工程背景，工程结构的描述。在生活中，经常见相关工程专业的老师、工程师向力学老师请教工程中所涉及的力学建模、分析求解问题，却很少见力学老师向工程师请教具体的工程问题。

这就像力学的能量一直在向机械、土木、航空航天等工程领域流动，但从相关工程领域的能量却很难流回到力学中。长此以往，做工程的人都懂力学了，而学力学的人却对工程一直似懂非懂。

隔膜边界

力学要具有竞争力，就必须向工程学习，还要有所发展。在无缝钢管制作中，有一种工艺是将实心的圆柱棒坯料放置在两个同向旋转的辊轴之间，使得坯料反复被挤压，在中心部位形成疏松和孔腔，此时再用顶头对准坯料中心顶入并穿透实心的圆柱棒，就可以制成一定口径的无缝钢管。

无缝钢管制作，曼内斯曼效应

（图片来源：网络）

这一现象由德国曼内斯曼兄弟 (Mannesmann Brother) 发现，称之为曼内斯曼效应，兄弟俩以此申请了无缝钢管轧制工艺专利，并于1890年组建了Deutsch-Österreichische Mannesmannröhren-Werke AG （公司名）。实际上，曼内斯曼效应可以用1882年赫兹提出的接触理论来解释，接触理论将接触问题简化为两个球接触，其破坏形式为切应力破坏，而且破坏不发生在接触表面，而是发生在距离接触表面一定距离的材料内部。这就为顶头工作创造了便利条件。

球接触模型（图片来源：网络）

力学总是挑出那些典型结构，如梁、轴、板、壳等简单的不能再简单的结构，进行最本质的力学分析。而工程不仅梁上叠梁、板上摞板使结构越来复杂，分析难度和工作量也随之翻翻。

借用化学中原子组成分子、化合物的思想，力学分析就是工程分析中的基本元素。再看曼内斯曼效应，在实心杆件上加两个辊子碾压，这是两个动态的赫兹接触模型，细长杆做的顶头顶入实心杆，这是断裂力学中的II裂纹断裂模型，将这些力学元素组合起来，就成了指导无缝钢管制造工艺的曼内斯曼效应——由两个接触模型，一个断裂模型组成的“化合物”。

在化学中，各种元素的原子是底层材料，不同原子组成分子（或晶体），分子（或晶体）宏观组合后成为材料。再往上，材料交给工程人员进行各种工业设计。在这个序列中，力学相对于工程的关系，就像原子相对于材料、甚至是高楼大厦的关系。如果直接给工程师一堆原子，让他建一座大厦，他肯定愁眉不展！这就不难理解工程人员对于力学又爱又怕的感情。利用力学元素，组合出力学“化合物”，形成工程人员可用的“工程材料”就是力学当前所面临的挑战之一。

这就要求学力学不仅要学好力学课程，同时还要具有快速的学习相关工程背景，分析工程需求的能力。或许力学真应了古文中力学的本意“努力学习”，学力学绝不是学了力学就可以高枕无忧，学力学还需要向工程学习，要对某一项工程领域不断学习和深入，这样才能在相关的行业领域中有所作为。学力学者要不怕困难，要敢于挑战！

当前，我国高校大多在开展各类教学改革，其中压缩课时已成大势所趋，很多工科专业都对力学课时进行了不同程度的压缩，这就相当于把力学能量向工程领域流通的阀门关小了，也意味着未来很可能会出现力学人才紧缺的状况，特别是中国科技水平全面提升之后，工业建设不能再依靠国外引进，不得不进行自行设计之时，力学的分析、计算必将成为工业建设的重要环节。学习力学的同学，能不能担负起这一责任？只学力学教材肯定是不够的，必须要将力学与工程相结合，敢于创新，才能真正的将知识变为创造力，造福人类。

来源：力学酒吧微信公众号（ID：Mechanics-Bar），作者：张伟伟 太原科技大学。