力学与科技进步

1、摘要：经过一个学期的学习，大家对自己所学专业也已经有了很 多的了解，不再像当初那样一无所知。本文主要会浅薄地谈及自己对 力学的一些浅略看法、力学在体育中的应用、力学与桥梁及F1中相关的空气动力学。一、我对力学的浅略看法力学是研究物质机械运动规律的科学。自然界物质有多种层次， 从宇观的宇宙体系，宏观的天体和常规物体，细观的颗粒、纤维、 晶体，到微观的分子、原子、基本粒子。通常理解的力学以研究天 然的或人工的宏观 对象为主。但由于学科的互相渗透，有时也涉及宇 观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规律。 力学又称经典力 学，是研究通常尺寸的 物体在受力下的形变，以及 速度远低于光速 的运动过程的

2、一门自然科学。经典力学包括了静力学、动力学、运 动学、工程力学、天体力学、连续介质力学、统计力学、牛顿力学、 分析力学、结构力学、生物力学、材料力学、地质力学和土力学等学 科，与其它各门科学都有着或浅或深的联系。力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计 都必须以经典力学为基本依据。机械运动是 物质运动的最基本的形 式。机械运动亦即力学运动，是 物质在时间、空间中的位置变化， 包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。而平衡或静 止，则是其中的特殊情况。物质运动的其他形式还有热运动、 电磁运 动、原子及其内部的运动和化学运动等。力是 物质间的一种相互作

3、用，机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。静止和 运动状 态不变，则意味着各作用力在 某种意义 上的平衡，因此，力学可以 说是力和（机械）运动的科学。而后来力学又产生了量子力学，并在泡 利不相容于理、埃伦费希特定理、态叠加原理及不确定原理等理论的 支持下由此衍生出了原子物理学、 固体物理学、核物理学和粒子物理 学等学科。二、力学在体育中的应用1、乒乓球乒乓球运动是我们喜爱的一种体育活动。其中包含许多力学知识 用力学知识来指导乒乓球运动，可以使我们对物理知识会有更深的理 解，对乒乓球运动会更加热爱，在乒乓球运动中主要有以下几方面与 力学知识有关。（1）力矩与球的旋转 在乒乓球运动中，旋转球是

4、 克敌制胜的法宝，那么如何使球能在前进中旋转呢？我们都知道， 给 物体施加一个过质心点的推力，该物体就只能沿力的方向平动。给物 体施加一个偏离质心点的作用力，物体就可在力的作用下既平动又产 生旋转，其转动效果由力对质心点产生的力矩的大小决定。由以上分 析可知：要使乒乓球旋转起来，则要求给球施加一个不通过其球心的 力的作用。（2）摩擦力与球的转动 一一使球转动的关键在于作用在 球上的力不通过球心，而这个力来源于球拍对球的摩擦力。 在拍击球 的同时，使拍球对球有相对运动就能产生摩擦力。 拍击球的瞬间向上 拉动球拍，则球受F弹和F摩两个力的作用，F弹过球心不产生力矩， 球在F弹作用下向前飞行的同时，

5、F摩与球相切，产生使球顺/逆时 针旋转的效果，这即是乒乓球运动中的上旋球。实际上在乒乓球运动中的：切、肖U、搓、拉、带、提等技术动作都是指拍与球接触瞬间使拍与球产生侧向相对运动，从而使球受到侧向摩擦力作用，而产生旋 转。（3）动量定理与接发球一一乒乓球运动中对付高速、强旋球是非 常困难的。如果对动量定理有深刻的理解，加上平时的刻苦训练，对 付起来也会容易一些。动量定理告诉我们：冲量等于物体动量的改变。 可用以下公式说明:F -t= （mv）当接高速强旋转球时，要对球进行减 力。必须延长球与板拍间的作用时间，而延长作用时间的万法，可以 从选择球拍上着手，球拍选择软质的球拍，可延长作用时间t，从而

6、减小作用力F。而在球拍选好的情况下，要减力则要求运动员握拍要 松弛，这样也能对来球起到缓冲作用，从而减小球与拍间的作用，而 不至于使回球出界。（4）速度、加速度与攻防乒乓球运动中，运动员在进攻时，要收到较好的进攻效果就必须使球偶高速的运动和较 强的旋转。如何使球产生更大的速度呢？主耍是增大拍对球的打击力。 从而使球产生较大的加速度，在瞬间使球产生一个较大的速度。例如: 设乒乓球质量为m拍对球的打击力为F,则在这种打击力作用下产 生的加速度为a（即a=F/m）如果作用时间为t ,则有球速v=at二F/mt 可见球速的大小主要取决于拍对球的作用力。2、跳水运动跳水运动是一项集力量和智慧于一体的优美

7、的竞技体育运动，是各类世界级大赛的比赛项目。随着时代的发展，跳水运动的翻转转体 组合不断创新，难度也不断加大，如何提高跳板跳水运动的水平已成 为各国运动生物力学界研究的重要课题。从力学角度分析，跳水动作 是斜上抛运动，也是运动员通过自身各部分的相对运动以获得做各种 花样动作的能力。它必须是在具备一定的初始能量的条件下才能完 成，而运动员的初始能量是在起跑时被赋予， 因此起跑阶段具有特殊 的重要性。走板和跳板是跳板跳水起跳的两个关键技术，与其“硬”跳台不 同的是，跳板是有弹性的，是相对“软”的起跳基础。运动员必须与 跳板协调并利用跳板的弹性力起跳才能达到正确起跳的目的。而跳板跳水的起跳阶段的关键

8、问题就是人与跳板的协调关系的处理问题。因此，运动员想要表演高难度的动作以获得好的成绩就需要他们 不断地练习各种起跳技术，并仔细体验起跳时利用跳板弹性力的过 程，这样就可以将动作完成的更好。而在体验前了解一下各种起跳技 术中涉及的力学原理就会使得做起来时起到事半功倍的效果了。三、力学与桥梁中国是一个有着悠久历史文化的国家， 在古代时，我国就掌握了 高超的造桥技术，河北赵州桥、泉州洛阳桥以及卢沟桥就是我国古代 高超造桥技术的体现。而从20世纪70年代末开始，我国进入了大跨 度桥梁建设的迅猛发展期。现在，长江成河和珠江三大水系上各种大 跨度桥梁纷纷建成，海湾桥梁建设也有了良好开端。发展最为迅速的 是

9、斜拉桥，悬索桥建设也跻身国际先进行列。悬索桥的优点是跨度大， 缺点是气动稳定性差，容易“风吹桥晃”，甚至造成破坏。抗风设计 是这一类柔性桥梁建设的关键问题。 调查发现，从1818年起到19世 纪末，风引起的桥梁振动至少毁坏了 11座悬索桥。桥梁的风振问题 之所以复杂，是因为桥梁属于具有不规则形状的钝体结构， 不像飞机 机翼那样有着良好的气动特性断面； 其次桥梁是近地建筑，所经受的 是近地紊流风，有复杂的地形地貌效应以及攻角和偏角效应； 再者钝 体空气功力学。大跨度柔性桥梁在风的作用下可能发生三种类型的振动，即颤 振、涡振和抖振。颤扳和涡振是自激振动，抖振则属于强迫振动。 我们知道桥是有着它自身

10、的固有振动频率的， 而当他受到外界的影响 而发生上述类型的振动且振动频率接近其固有振动频率时，就会发生 共振现象，就有可能会造成不可估量的破坏。进入21世纪以后，我国将建设特大跨度桥梁。这要求我们在特 大跨度桥梁的气动参数识别、非线性风振理论、风洞模拟实验和数值 分析等方面进行更深入的基础性和应用性研究。四、F1中相关的空气动力学F1赛车大家都看过，那华丽无比的造型，那堪比声速的速度， 那精彩绝伦的漂移那些都给我们留下了深刻的印象，然而它的背后涉及的力学问题也同样让我沉迷。怎样运用空气动力学的原理使 F1赛车的速度发挥到极致的水平？ 如何才能设计一个简单的风洞？有哪些简单模型可以测试下压力与阻

11、 力？虽然一级方程式赛车是一种高速汽车，但在机械概念上却较接近 喷射机，而非家庭房车。它们巨大的双翼不但具用商业广告牌的作用， 同时还可以产生至关重要的下压力。这种空气动力会使流经汽车 上方的气流将车身向下压，使车子紧贴在车道上。将车身压在车道上可使轮胎获得更大的抓地力，进而在弯道时产生更快的加速度。 由于 一般普通房车没有下压力，因此甚至无法产生1G（个重力单位）转弯力。一级方程式赛车能产生4个G的转弯力。如今，空气动力学家 正面临着挑战：如何在产生下压力的同时不增加空气阻力。 空气动力 可以根据不同赛车场的特征而调整。较直的跑道需要较低的下压力设 定值，如此可减少阻力，并且有助于赛车提高极速