《动脑筋 说力学》前  言

我写过几本与力学有关的通俗小册子，前几本起名都比较普通：《拉家常 说力学》、《谈科技 说力学》、《音乐中的科学》，《伟大的实验与观察》前两本大多是从日常见到的现象来讲解力学道理，后两本分别讲和音乐有关的力学知识和实验观察有关的历史事实。唯独这一本特别起名为《动脑筋 说力学》。其实，即使读前几本，也不能说不需要动脑筋，因为与力学有关的任何问题，都需要有一点抽象思考。其根本原因是，力学是一门科学，它讲的是现象背后的普遍规律，而不是现象本身。

既然是这样，那么为什么要把这本书起名为《动脑筋 说力学》呢？这是在我看来，这本书中有些问题比起前几本书要更抽象一些。需要更多地动一动脑筋。你可能要问，看这本书究竟要动些什么脑筋，或者说要进行些什么思考呢？

在读《飞机是为什么能够飞起来》之前，你能够想到有一定速度。一定大小的一块平板居然能够飞起来，还能够载人飞起来的？读完这篇文章之后你能够自己证明在无粘性的均匀来流中任何物体的受力为零吗？如果你是一位理工科的大学二年级学生，须知你现在具有的基础知识已经比凯利和达朗贝尔要多了。所以你没有想到过和证明不出来，是因为你对这类问题没有像他们那样成年累月地思考。

在读《潮汐漫话》之前，你能够想象，月球的一面永远对着地球、土星的光环、地球的昼夜周期变长，都是和潮汐现象的原因相同吗？你能经过思考独立设计一种利用潮汐发电的设施吗？

在读《从拍西瓜谈起》的时候，你思考过为什么除了可见光之外的大部分波动都能够穿过人体，并且能够为医疗服务这样的问题吗？

像这样的问题，几乎在你读每一篇文章的时候都可以提出许多，很值得为此动一动脑筋。

我需要附带说的是，在这本书里的十几篇文章，在看的时候，至少应当注意这样几点：

首先是，要注意技术发明与力学原理之间的关系。在这本书里介绍了好几种技术发明：机翼、差动齿轮、摇橹、自行车、汽车雨刷等。它们都再简单不过了。拿机翼来说，最初只是一块平板，后来需要改进，发展出最优的翼剖面、后掠机翼等等，而且迄今也不能说它的改进已经达到了尽头。它们的发明虽然有的起源于经验（如摇橹），有的起源于严格的力学计算和力学原理的具体应用（如机翼），不管怎样，如果要改进和发展，都需要进一步的力学知识，都需要更多的力学知识的灵活运用。例如自行车，本来是起源于经验的一种发明，可是经过一个半世纪的研究，也很难说已经把它的力学道理弄清楚了，还是等待更深入的思考。从这一点来看，我们可以认识到，力学是研究宏观过程的机械运动规律的学科，任何技术过程都会有机械运动，因之要发明和改进一种新的技术设施或装置，必然是会和力学原理密切相关的。如果说，在古代，人类技术活动的早期，特别是力学学科还没有发展成熟为一门精密科学的庞大的知识体系之前，也许某些发明的主导是由经验的积累产生的，但是在十七世纪之后，当力学学科发展成熟以后，影响人类物质生活的众多的技术发明改进，就主要由力学学科的指导之下进行的，蒸汽机、钟表、飞机、火箭、高速车船、高耸的结构、超长跨度的桥梁等等都是这样。一个对力学爱好的读者，对待任何新技术，都应当动一动脑筋，从力学原理上加以思考，想一想它的道理以及改进的前景，这应当航养成一种习惯。因为只有善于应用力学知识去解释和回答技术和实际中的力学问题，你所掌握的力学知识才能够认为是真正掌握了。这种习惯久而久之，就会形成一种无形的能力，这就是应用力学知识解决实际问题的能力。

其次，力学学科尽管有了长足的发展，不过它仍然有许多未知的领域和没有解决的问题。等待人们去探索、去解决。了解人类探索力学新规律的历史以及探索新规律的过程，汲取前人的经验，对于我们今后的力学研究是会有借鉴作用的。本书介绍的高层大气温度剖面的测量、纳维-斯托克斯方程求解的难题、潮汐方程的求解、无损探伤以及微观力学领域的开拓。都是需要继续开拓和发展的力学课题，也是有相当难度的课题。通过这些待发展和待解决问题的例子，我们需要动脑筋学习前人解决问题的方法，也要独创新的方法。在我们学习力学的过程中，需要独立做一些习题，当然，一些有一定难度的习题对于一个初学者具有挑战的性质，我们只有在不断在这些挑战中取胜，才能够在学习上取得好的成绩。我们要进行力学的科学研究，就是要对人类从来没有解决的难题提出解决的办法，提出新概念、新认识。只有在这类问题上，我们向前迈进了一步，才是对力学学科的新贡献。对于挑战全人类的力学难题和未解决的问题，只有肯于动脑筋，才有解决的可能。如果平时见了难题就躲开的人是没有办法创新和对学科发展有所作为的。

最后，力学是一门基础学科，基础学科的特点之一，就是它的规律的普遍适用性和它的概念的抽象性。其实一门学科的规律愈是普适，它的概念便是愈抽象。例如力学中的力、质量这样的概念就是十分抽象的概念。不仅如此，在基础学科的发展中，从已经总结出的规律中抽象出共同规律得到更为普遍的规律和更为抽象的概念，这种发展趋势也是基础学科的重要特点。力学学科正是不断发展、不断把已有的规律归结和整理为更简洁更普遍的规律。本书关于对称的两篇文章，正是力学学科沿着这个方向发展的一个重要方面。近年来关于力学的几何化、力学中的对称、力学与变换群、力学与相似律等方面的著作如雨后春笋，正是表达了这一研究方向的发展。学会从已有规律中发现更普遍的规律，从已有的概念中抽象出更深刻更普遍的概念，是力学研究能力的一个重要方面。也就是说，对更为普遍的规律感兴趣。肯于动脑筋，是能够发展和提出力学新的规律和新的概念的前提。

所以说，只要是你对力学有兴趣，想进入力学领域表现一下你的才能，你就需要多动脑筋。无论是利用力学知识发展技术，还是去攻克力学难题发现新的规律，都需要多动脑筋。因此需要从现在起就养成多动脑筋的习惯。

本书的十几篇文章就是想给你提供一些例子，让你在阅读的时候动一动脑子，提出你的疑问，想出你的解决方案或给出你的解释。并且，尽量养成一个好习惯，在阅读其他的书籍和听别人做学术报告时，也能够动脑筋提出一连串的新想法。这就是本书的目的。如果在这方面对你会有一点帮助，本书就达到了目的。

书中难免会有错误和遗漏之处，敬请读者指正。

 武际可 2014,10,23