趣味力学通识选修课初探

[摘 要] 为了让更多的学生了解生活和工程中的一些力学现象，感受力学的精妙，科普力学知识，开设了趣味力学通识选修课。以理论联系实际的方法，通过选用大量有趣的力学现象，介绍了涉及理论力学、材料力学、流体力学和振动力学相关的知识点，从而开阔了学生视野，增强了学生对力学课程的兴趣和对自然科学的探索精神。

[关键词] 趣味力学;选修课;教学研究

[基金项目] 该论文是燕山大学教改项目资助（TSQ2019002）

[作者简介] 余为，燕山大学建筑工程与力学学院工程力学系教师。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章編号] 1674-9324（2020）19-0335-02    [收稿日期] 2019-08-23

力学是一门古老的自然科学，它既是一门基础学科，也是一门应用广泛的技术学科，在机械、能源、交通、材料、建筑、环境、航空、航天、海洋、生物医学等领域均有广泛的应用，深入到了人们现代生活的方方面面，所以有必要开设一门内容丰富的力学类通识选修课，让学生们了解一些力学现象，掌握一些力学知识[1-3]。趣味力学全校通识选修课，从生活和工程中的一些有趣的力学现象说起，深入浅出地分析和讲解与之相关的力学知识、背景及应用，既有科普的定性分析，也有实际问题的定量计算。通过开设趣味力学选修课，文科生及社会科学学生可以通过了解身边的力学现象和力学在工程中的应用，学习一些有关力学的生活常识，开阔视野，感受力学之精妙;理工科学生可以更全面的了解力学系列课程及其应用，增强对力学思维方式和力学模型的理解，增强对自然科学的兴趣和探索精神。

一、课程内容

趣味力学选修课的主要内容分为以下几部分：平衡之美、运动之魂、材料之心、流体之灵、振动之声，涵盖了理论力学、材料力学、弹性力学、流体力学和振动力学等一系列力学课程，其内容丰富，涉及面较广。课程中选取了很多生活和工程中有趣的力学现象，一部分内容来自作者个人多年的观察和收集，另一大部分内容则来自相关的力学类科普书籍和文献。

1.平衡之美。平衡是最常见的自然界现象，也是力学学科里的一个非常重要的知识点。本章主要内容是：自然界的平衡石奇观[4]，叠石艺术，输电线的平衡，直尺挂钉锤试验，平衡鸟玩具及体育项目中的平衡等内容，讲述了稳定平衡、非稳定平衡、重心、二力平衡和三力平衡汇交等知识点;塔吊的平衡、不倒翁、小雁塔、比萨斜塔和船舶的平衡，进一步介绍力矩的概念和相关的平衡;“野渡无人舟自横”一节介绍小船在河流中的稳定平衡[5]。

2.运动之魂。关于运动的实际问题和现象也非常多。本章主要内容包括：参考体和参考系，分析了“坐地日行八万里”“动即不动”的哲学思想，介绍了国内外的多个“怪坡”，解释了其真实情况和造成错觉的原因[6];刚体的简单运动分析了游乐场中的摩天轮、海盗船和旋转咖啡杯的运动，分析各个位置的速度对人体感受的影响;质点的圆周运动方面，介绍火车转弯时的速度与铁轨内外轨高差的关系[6]，汽车转弯、自行车和滑冰转弯的侧倾;神奇的科氏加速度，介绍了台风气旋[4，7]、河流右岸冲刷等内容;日历、二十四节气与星座，则主要介绍了地球绕太阳的运动、农历闰月和动量矩守恒等相关知识;走钢丝、滑冰和跳水的旋转、直升机尾翼和四旋翼无人机，介绍了动量矩及其守恒[8，9];从指尖陀螺玩具，介绍了轴承动反力的内容;“流浪地球”之行星发动机、引力弹弓、喷射推进、卫星调整姿态和枪械的后坐力，介绍了动量定理及守恒[1]。

3.材料之心。材料力学知识是工科学科的基础知识，内容非常重要，涉及面非常广。本章主要内容是：从劈木材和切牛肉开始，介绍了材料的性质，应力和应变的概念;掰苹果和砍树，介绍了应力集中的应用和防止;从竹子谈起和圆木中截取木梁[ 10 ]，介绍了杆件受扭、受弯曲时的内力、应力和变形，空心结构的优点和应用，等强度梁的概念，提高弯曲强度的措施等内容;土豆内伤现象，介绍了接触理论，进一步介绍了压路机和擀面条方面的应用;悬挂单杠比赛，介绍了弹性和黏弹性材料，应力松弛和蠕变的概念。

4.流体之灵。流体力学是力学的一个重要的分支学科，其涵盖的内容非常广泛，在现代生活和工程中均有很多的例子[4，5]。本章主要介绍了以下内容：流体的流动性，介绍了高楼水箱减振;水上漂功夫，介绍了牛顿流体和非牛顿流体及其应用;秋荷一滴露，介绍了浸润和不浸润的概念，生活中的相关现象和毛细现象及其计算;测量血压与输液瓶高度，介绍了绝对压强和相对压强及其测量;捞面条的学问，讲解了二次流的知识，并介绍了河流弯曲的原因及都江堰工程的飞沙堰原理;伯努利方程及其应用，介绍了流线型、虹吸管、马格努斯效应、船吸现象和洗衣机翻兜等例子;结合流体力学的连续性方程，进一步介绍了钱塘江大潮的成因、离岸流、飞机升力、飞机襟翼和翼尖小翼、大雁人字形飞行等现象及其原理;皮托管及原理，介绍了皮托管和空速管的应用;圆柱绕流，介绍了隔着圆柱吹蜡烛、卡门涡街、高尔夫球麻脸外形等的原理;从水龙头的振动，介绍了水击现象，分析了徒手击碎装水啤酒瓶的原理。

5.振动之声。碰撞和振动也是生活中常见的力学现象[6]。本章的主要内容是：直杆敲击控制所受反力，介绍了撞击中心的概念;从胸口碎大石说起，介绍了碰撞的恢复系数，两物体正碰撞的计算公式，胸口碎大石和打桩的原理;隔山打牛一节，介绍了反射断裂和定向爆破，以及冲击防护的知识和常见方法，进一步分析了啄木鸟为啥不得脑震荡的原因;共振和减振，介绍了高楼减振、次声波及Tacoma大桥的破坏原理;其他趣味振动现象，介绍了鞭梢效应，夜半钟声到客船、天坛回音壁的原理及扑翼和振翅等内容。

二、课堂教学和考核方式

课程采用多媒体教学，通过理论教学、现场演示，学生参与的方式进行课堂教学。教学课件中给出了大量的图片和视频，可以更清晰、全面和直观地观察现象，理解其原理。现场演示则将现象表现得更为真实，比如，平衡鸟的平衡，巧立易拉罐，同心环，毛细现象，虹吸管等可以选择现场演示。学生参与则有利于调动学生的思考和积极性，比如，指尖陀螺，非牛顿流体，区别生、熟鸡蛋，隔着圆柱吹蜡烛，撞击中心等可让学生现场参与。通过这样的方式，将有利于提高课堂的教学效果。

课程的考核方式分为两部分：学生课上表现作为平时成绩占40%，如果有对课程特别感兴趣的学生，在最后一次课时，可安排他们在课上讲解自己做的PPT，这样的学生平时成绩给优等;第二部分，则是结课后的报告或PPT占60%。

三、结语

趣味力学通识选修课，是面向全校所有专业学生的一门科普类选修课，旨在科普力学知识。通过选修该门课程，让学生了解一些生活和工程中的力学现象，掌握一些基本的力学知识和思维方式，开阔视野，增强对自然科学的兴趣和探索精神，无论是文科生还是理工科学生，都将对他们以后的学习、生活和工作提供一定的思想启发和帮助。

参考文献

[1]丁光宏.力学与现代生活[M].上海：复旦大学出版社，2000.

[2]薛明德.力学与工程技术的进步[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]芦保国.力学与工程选修课开设初探[J].山西建筑，2014，40（30）：260-261.

[4]王振东.趣话流体力学[M].北京：高等教育出版社，2016.

[5]王振東.诗情画意谈力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6][俄]别莱利曼.趣味力学[M].符其珣，译.北京：中国青年出版社，1956.

[7]刘式达，李滇林.谈风说雨——大气垂直运动的力学[M].北京：高等教育出版社，2013.

[8]贾书惠.漫话动力学[M].北京：高等教育出版社，2010.

[9]刘延柱.趣味刚体动力学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2018.

[10]董天立，韩增盛.力学中的黄金分割率[J].力学与实践，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