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楊衛重返浙大的第一課 楊衛 浙江大學

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楊衛重返浙大的第一課 楊衛 浙江大學

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楊衛重返浙大的第一課 楊衛 浙江大學

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?9月17日 ， 楊衛在浙江大學為本科生主講《力學導論》
導讀
2018年9月17日，剛卸任國家自然科學基金委主任一職的楊衛回到曾經工作過6年的浙江大學，為本科生主講本科生通識課程《力學導論》 。楊衛梳理了力學從古至今、從西至東的發展脈絡，強調了工程科學在現實層面上的意義 。世貿大廈為什么會坍塌？日本的“三十三堂”為什么能夠防震？答案在力學里 。
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講者 | 楊 衛
整理 | 趙 沛
責編 | 張 歡
我先介紹一下什么是力學 。在《大百科全書·力學卷》中，對力學比較新的定義是：“力學是關于力、運動及其關系的科學 。力學研究介質運動、變形、流動的宏微觀行為，揭示力學過程及其與物理、化學、生物學過程的相互作用 。”力最早是研究機械運動的規律 ， 后來擴展到所有相互作用 ， 有相互作用就有力 。六年前在北京召開了在中國舉辦的第一次世界力學家大會——第23屆世界力學家大會 ， 這也是歷屆大會中參會人數最多的 。當時，給參會所有力學工作者發的英文邀請信里提到力學的時候用了三句話：1、Mechanics simplifies the first glimpse of scientific understanding of the human being for the physical world（力學標志著人類對物理世界之科學理解的第一縷曙光）；2、Mechanics forms the background of science and engineering（力學構成理工的脊梁）；3、Mechanics paves the foundation for infrastructures of numerous cities in the world （力學鋪就了世界上無數城市建設的基石） 。我將從五個方面給大家介紹力學往事 。
溯源——理工合一中華文明發展中的“學”和“匠”是分離的 。中國古代的學者被稱為“士”，如孔子、孟子等，他們的地位和匠人是不可同日而語的 。但是西方科技發展的早期是不分理工的 。舉一個例子——達·芬奇（Leonardo da Vinci） 。達·芬奇是一位著名的畫家，是位藝術工作者，但是他還有其他許多身份，比如人體解剖學是達·芬奇最早開始研究的，他與醫學的發展有很大關系 。我曾經去過意大利的博洛尼亞大學，這是世界上最早的大學，已經有900多年的歷史了 。這所大學里面最珍貴的就是當年他們建校的時候，教授做醫學研究留下的各種各樣的儀器、設備和教學草稿等 。所以藝術家和醫師都是共通的，雕刻大理石和拿手術刀沒有太大區別 。同時達·芬奇還是位非常偉大的工程師 。比如他設計的水輪機中，包括一個彈性勢能的釋放裝置，水輪機一旋轉就把裝置絞緊，沒有水的時候彈簧就松開釋放彈性勢能 。達·芬奇的手稿里還曾經表現過湍流，由大渦和小渦重重疊疊地構成，這是現代力學研究的一個重要內容 。我們的國家博物館曾經展出過一次達·芬奇工程方面的手稿 ， 里面的設計非常精致 。一兩年前清華大學藝術博物館剛剛開放的時候，里面最珍貴的展品就是租了一批達·芬奇手稿的高仿復制品 ， 讓觀眾領略達·芬奇當時對工程方面的研究 。所以工程、醫學、藝術和達·芬奇都是聯系在一起的 。那個時候的藝術家都非常善于把工程和科學方面的一些研究用藝術的手段表現出來 。
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?500多年前 ， 達·芬奇畫作中的湍流由大大小小旋渦組成
另一位著名的科學家是伽利略(Galileo Galilei) 。他是意大利著名的物理學家、天文學家和哲學家，是近代實驗科學的先驅者，其成就包括改進望遠鏡和其所帶來的天文觀測，以及支持哥白尼的日心說 。人們傳頌：“哥白尼發現了新大陸，伽利略發現了新宇宙 。”史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）說，“自然科學的誕生要歸功于伽利略，他在這方面的功勞無人能及 。”伽利略最著名的一本著作叫做《關于兩門新科學的對話》，這本書的書皮是一面墻，中間插著一根梁，下面吊著一個重物，這是我們一個典型的材料力學問題 。用我們今天的模型來說，就是一根懸臂梁，它有一定的長度和高度，在一端有一個重物，使它產生彎曲 。伽利略在幾百年前就開始研究這個問題，他認為，梁在受到重物彎曲時，最下面的一層是不變形的 ， 而上面的層被拉長 ， 受到的力是上面最大，下面為零 。這個模型后來被發現是錯的 。所以現在用的不是伽利略的梁模型，而是歐拉-伯努利（Euler-Bernoulli）梁模型，在這個模型里梁的上面受拉，下面受壓 ， 中間有一個地方是不變的，我們叫做中性面或中性軸 。所以偉人犯錯誤也是必然的 。

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