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        生活在力學(xué)的世界

        2015-06-29 16:41:33肖姝蓉
        關(guān)鍵詞:力學(xué)專業(yè)研究

        肖姝蓉

        力學(xué)三大主角

        還記得高中物理課堂上,驗(yàn)證牛頓第二定律、探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系、探究平拋運(yùn)動(dòng)等力學(xué)的初探實(shí)驗(yàn),為我們開啟了神奇的力學(xué)大門。其實(shí),高中物理的力學(xué)還停留在對(duì)簡(jiǎn)單變量的研究,而大學(xué)力學(xué)專業(yè)研究的則是多變量甚至無數(shù)個(gè)變量的更為貼近實(shí)際的力學(xué)模型了。廢棄的大樓如何實(shí)現(xiàn)定向、定點(diǎn)爆破?如何設(shè)計(jì)出質(zhì)地輕薄但是強(qiáng)度符合安全系數(shù)的車用板材?這樣的疑惑就是大學(xué)本科力學(xué)專業(yè)研究的問題了。

        力學(xué)是一個(gè)大家族,有靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等“小伙伴”。其中靜力學(xué)研究力的平衡或者說物體的靜止問題,高中常做的力學(xué)分析多和它有關(guān)。運(yùn)動(dòng)學(xué)研究物體怎樣運(yùn)動(dòng),卻把討論運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系留給了動(dòng)力學(xué)。

        而運(yùn)動(dòng)物體的形態(tài)又可以分為固體、氣體和流體,由此可衍生出各個(gè)特定的研究方向。比如研究汽車行駛時(shí),空氣流經(jīng)汽車時(shí)的流動(dòng)規(guī)律及其與汽車的相互作用,就涉及流體力學(xué)的分支——空氣動(dòng)力學(xué)。本科階段的力學(xué)專業(yè)沒有細(xì)分固體、氣體、流體等研究方向,除了中國(guó)科技大學(xué)的中國(guó)近代力學(xué)系主要以理論研究為基礎(chǔ),其他高校的力學(xué)專業(yè)多注重實(shí)踐性,統(tǒng)稱“工程力學(xué)”。但即使同為工程力學(xué)專業(yè),各學(xué)校的偏向也會(huì)有一些不同。我們學(xué)校將其設(shè)在土木學(xué)院下,有一點(diǎn)土木工程專業(yè)的特色,比如會(huì)去參觀鋼結(jié)構(gòu)廠房、長(zhǎng)江大橋工地、混凝土及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)研究室等等。而南京航空航天大學(xué)將其設(shè)在航空宇航學(xué)院下,并特設(shè)了本碩(博)連讀的 “錢偉長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)班”,本科階段會(huì)增設(shè)一些空氣動(dòng)力學(xué)的課程。

        簡(jiǎn)言之,無論研究側(cè)重在哪兒,物體、力和運(yùn)動(dòng)都是力學(xué)的三大主角。

        力學(xué)專業(yè)主要課程

        力學(xué)專業(yè)的主要課程有理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)及程序設(shè)計(jì)、CAD制圖等。所有含“力學(xué)”二字的科目幾乎都與力學(xué)專業(yè)相關(guān)。本科階段雖然會(huì)接觸到很多力學(xué)課程,但是都不會(huì)特別深入,如果對(duì)力學(xué)特別感興趣的話,進(jìn)一步深造是不錯(cuò)的選擇。

        你可能會(huì)注意到,這其中有一門特別的計(jì)算機(jī)課程,也許會(huì)感到奇怪,為什么要學(xué)程序設(shè)計(jì)呢?其實(shí)不只是力學(xué),可以說所有基礎(chǔ)性學(xué)科專業(yè),一旦涉及復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用問題,單純靠人用筆演算、推導(dǎo)開展研究,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到生產(chǎn)、生活的要求,也無法模擬出一個(gè)高度吻合的模型。比如,研究乒乓球與球拍接觸瞬間的受力狀況,在高中物理中我們可以將乒乓球看成質(zhì)點(diǎn),但實(shí)際作用時(shí)情況就復(fù)雜多了,乒乓球自身也有微小的形變,重心發(fā)生變化,它與球拍接觸的是一個(gè)微小的面,而不是點(diǎn)。通過ANSYS和ABAQUS這兩個(gè)常用力學(xué)分析軟件,加以個(gè)性化的編程,能幫助我們還原復(fù)雜的力學(xué)模型,并借助計(jì)算機(jī)的運(yùn)算迅速得到分析結(jié)果。

        力學(xué)專業(yè)主要實(shí)踐

        力學(xué)專業(yè)的主要實(shí)踐環(huán)節(jié)包括金屬加工工藝實(shí)習(xí),電工、電子實(shí)習(xí),課程設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì)等。其余的各類實(shí)習(xí)呢,抑或是在炎炎夏日對(duì)學(xué)校的某個(gè)建筑物進(jìn)行測(cè)繪測(cè)量,又或是在大型廠房?jī)?nèi)研究房屋模型的抗震性能等等。當(dāng)然,各個(gè)高校不盡相同。

        除了各類實(shí)習(xí)外,力學(xué)專業(yè)的另一類實(shí)踐就是一些競(jìng)賽了。印象最深刻的是大三時(shí)參加的第一屆全國(guó)大學(xué)生基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽。通過筆試幸運(yùn)入圍后,在老師的帶領(lǐng)下,我們從暑假就開始著手準(zhǔn)備。比賽的主題是通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證已知鑄鐵材料的抗壓能力、抗拉能力、抗扭能力等力學(xué)屬性。在醫(yī)療和航空等諸多領(lǐng)域,我們需要既有強(qiáng)度又有韌度的高質(zhì)量金屬材料,研究、探索新型金屬材料,尤其是復(fù)合材料的力學(xué)屬性,也屬于力學(xué)專業(yè)的應(yīng)用范疇。

        比賽具體環(huán)節(jié)是在一個(gè)鑄鐵試件上確定測(cè)量點(diǎn),貼上跟指甲蓋差不多大的應(yīng)變片,對(duì)試件施加力矩和力的組合,再根據(jù)應(yīng)變片的變形大小來反推鑄鐵材料的力學(xué)屬性。應(yīng)變片是什么呢?是一種很薄但是反應(yīng)靈敏的材料,會(huì)隨著所測(cè)物體的形變而形變。我們要用502膠水將應(yīng)變片粘貼到準(zhǔn)確的部位,然后將它發(fā)絲般粗細(xì)的兩個(gè)焊腳焊接到專門記錄其形變的儀器上,所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)手能力要求很高。記得當(dāng)時(shí)老師拿了一疊應(yīng)變片進(jìn)來,說:“這一片的價(jià)格是5元,現(xiàn)在免費(fèi)給你們練習(xí),你們可要珍惜哦。”事實(shí)上,為期兩周的準(zhǔn)備,我們每人幾乎每天都要用掉幾十片應(yīng)變片,手指上沾滿了502膠水,身上還散發(fā)著焊接應(yīng)變片留下的獨(dú)特氣味。功夫不負(fù)有心人,加上主場(chǎng)作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì),我們?nèi)〉昧藘?yōu)異的成績(jī),這也是我第一次深刻體會(huì)到實(shí)踐帶來的快樂。

        力學(xué)專業(yè)畢業(yè)生主要做什么

        相信這是大家最關(guān)心的問題了。因?yàn)槲覀儗W(xué)校的工程力學(xué)專業(yè)具有土木工程專業(yè)的特色,從往屆以及我們班的就業(yè)情況來看,去設(shè)計(jì)院、房地產(chǎn)公司、建筑工程公司以及繼續(xù)深造是主要途徑。

        如果你喜歡與電腦打交道,比較擅長(zhǎng)CAD制圖軟件,可以立志成為一名結(jié)構(gòu)工程師。每年有幾十萬人擠破了腦袋參加國(guó)家注冊(cè)結(jié)構(gòu)師考試,薄薄一張證代表你在這個(gè)領(lǐng)域的權(quán)威性,具有相當(dāng)高的含金量。如果你更愿意去工地等現(xiàn)場(chǎng),喜歡全國(guó)各地跑項(xiàng)目出差的話,土建工程師也是相當(dāng)有前景的。比如軌道施工開展復(fù)雜的地下作業(yè),保證施工現(xiàn)場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就需要力學(xué)人才出馬,科學(xué)分析現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、受力情況,通過嚴(yán)密推算,制訂一份合理安全的施工方案。

        也許你不太理解這兩者的區(qū)別,打個(gè)比方:建央視大樓,結(jié)構(gòu)工程師考慮的是這座大樓要立起來站得穩(wěn),需要用什么樣的結(jié)構(gòu)形式、用多大的梁柱、用什么樣的鋼材、各部位如何連接,著重設(shè)計(jì);土建工程師考慮的是如何準(zhǔn)備設(shè)備和材料、如何安排人工、如何控制施工質(zhì)量和進(jìn)度,著重施工。

        除了建筑行業(yè),在汽車制造、航空航天、船舶、石油等行業(yè),力學(xué)人才都能“分一杯羹”,比如從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品模型的性能測(cè)試等等。假如你覺得本科學(xué)到的知識(shí)還不過癮,希望接觸到力學(xué)研究的最新前沿,考研考博甚至出國(guó)留學(xué)是最適合你的,研究方向多為上文所提到的固體力學(xué)、氣體力學(xué)、流體力學(xué)等。

        力學(xué)在眾多行業(yè)中都扮演著重要的角色,如果你數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)不錯(cuò),又是個(gè)比較耐心、細(xì)心、富有好奇心和研究精神的人,那么力學(xué)專業(yè)應(yīng)該算是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

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